风化褐煤对苏打盐碱土水稳性团聚体动态特征的影响

顾 鑫

（黑龙江省农业科学院 大庆分院，黑龙江 大庆 163316）

土壤团聚体是土壤结构的基本单位，团聚体的大小、含量及其空间排列形式构成了土壤结构多样性［1］。团聚体的构建不仅关系到土体中水分的流通、气体的交换、能量的循环和营养的供应［2-3］，而且影响土壤微生物的活性及作物的生长［4］。良好的土壤结构能够保水保肥，协调水肥管理，利于植物根系在土体中穿梭生长。重度苏打盐碱土中由于高盐离子浓度、低有机质含量和较差微生物活性等因素的存在，对土壤团聚体的形成和稳定产生严重抑制［5］。提高土壤的有机质，改善土壤的结构是整治盐碱土的关键之一［6］。有机碳物质是土壤团聚体的形成与稳定不可或缺的物质基础［7］。研究表明，施用高温高压处理的颗粒玉米秸秆有效改善原生盐碱地水稳性团聚体形态［8］。施用污泥蚓粪显著降低滩涂盐碱地盐分和pH，提高>0.25 mm水稳性团聚体的含量［9］。施用生物质炭显著降低沿海围垦区盐渍土土壤容重，增加土壤水稳性大团聚体质量分数［10］。施用黄腐酸使得滨海滩涂新垦轻中度盐碱地土壤表层盐分降低、水稳性大团聚体含量增加且稳定性增强［11］。风化的褐煤中含有丰富的碳，缓慢释放且持续时间长，是一种优质的有机碳源，为此，笔者通过室内试验探索风化的褐煤施用下重度苏打盐碱土水稳性团聚体的变化特征，以期为苏打盐碱地科学治理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤为大庆地区重度苏打盐碱土，有机质含量11.4 g·kg-1，电导率1 350μS·cm-1，酸碱度11.3。褐煤为黑龙江省萝北县露天矿风化的褐煤，有机质含量675.8 g·kg-1，电导率85μS·cm-1，酸碱度5.88。

1.2 试验方法

将试验土壤和褐煤均研磨过2.00 mm筛子，二者混匀后装入盆中（高25 cm、内口径30 cm，底部带托盘），共设7个处理：褐煤质量分数分别设定为0%（CK，对照）、5%（C1）、10%（C2）、15%（C3）、20%（C4）、25%（C5）、30%（C6），各处理均重复3次，置于室内阳光充沛地方，随机排列，每隔3 d向托盘中注入等量纯净水，分别在45、90、135 d时采集原状土壤，自然风干后过5.00 mm筛子，用于测定土壤水稳性团聚体的分布。

1.3 项目测定

运用湿筛原理［12］测定土壤团聚体（通常0.25 mm为大、微团聚体分界线），在团聚体分析仪（型号TTF-100）上操作：常温下，将各级筛子（2.00、1.00、0.50、0.25 mm）由上至下依次套好，称取自然风干土壤50 g平铺在2.00 mm筛子上，先放在蒸馏水里浸湿5 min（目的是去除团聚体中闭塞的空气，以免筛分时爆破），然后以振幅4 cm、频率30次·min-1运行速度在水中振荡30 min，分离出>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm的团聚体（留在筛子上的直接冲至玻璃杯中，留在水中的需要沉降48 h后弃掉上清液再转移至玻璃杯中），团聚体置于鼓风干燥箱中60℃烘干，称重并计算出各级团聚体的质量百分含量。

1.4 数据分析

水稳性团聚体的质量百分含量（W）的计算公式［13］为

平均重量直径（MWD）的计算公式［14］为

几何平均直径（GMD）的计算公式［15］为：

式中，i表示团聚体级别（>2.00、2.00~1.00、1.00~0.50、0.50~0.25、<0.25 mm）；Mi表示第i级团聚体质量（g）；MT表示所有团聚体质量总和（g）；r表示筛子的孔径（r0=0.00 mm、r1=0.25 mm、r2=0.50 mm、r3=1.00 mm、r4=2.00 mm、r5=5.00 mm）；n表示团聚体级别个数。

分形维数（D）的计算公式［16］为：

式中，M（r<）表示粒径小于xi的团聚体累积质量（g）；表示某级团聚体平均直径（mm）表示最大级别团聚体平均直径（mm）。

试验所得数据均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0软件进行整理与方差分析，运用Duncan’s新复极差法进行平均数的多重比较（P<0.05），利用OriginPro 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 水稳性团聚体的分布特征

不同处理土壤团聚体组成的测定结果见图1。在45、90、135 d时>2.00 mm团聚体含量分别为0.58%~1.11%、1.51%~6.59%、17.12%~42.22%（其中，CK处理未形成>2.00 mm团聚体）；2.00~1.00 mm团聚体含量分别为0.25%~2.41%、1.16%~9.52%、0.30%~6.71%；1.00~0.50 mm团聚体含量分别为0.66%~17.40%、1.06%~12.81%、0.49%~7.65%；0.50~0.25 mm团聚体含量分别为1.95%~15.70%、2.98%~12.36%、1.84%~7.71%；<0.25 mm团聚体含量分别为63.73%~97.14%、61.84%~94.80%、53.25%~97.37%。可见，微团聚体（<0.25 mm）含量随着时间的延长呈减少的趋势。

图1 不同处理下土壤水稳性团聚体的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

整体上，在同一时期内，<0.25 mm团聚体含量表现为随着褐煤施用量的增加呈减少的趋势；0.50~0.25 mm团聚体和1.00~0.50 mm团聚体含量表现为随着褐煤施用量的增加呈增加的趋势；2.00~1.00 mm团聚体含量也表现为随着褐煤施用量的增加呈增加的趋势（但135 d时C4和C5处理比C3处理低）；>2.00 mm团聚体含量表现为随着褐煤施用量的增加呈先增多后减少的趋势，90 d时C3处理达到最大、45 d和135 d时C2处理达到最大。可见，对于本地区重度苏打盐碱土，褐煤施用量为10%~15%时与土壤结合更有利于>2.00 mm团聚体的重新构建。

2.2 水稳性团聚体的稳定性

2.2.1 水稳性团聚体的平均重量直径

不同处理土壤团聚体MWD的测定结果见图2。45 d时为0.137~0.331 mm，顺序为CK

图2 不同处理下土壤水稳性团聚体的平均重量直径Fig.2 Mean weight diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.2 水稳性团聚体的几何平均直径

不同处理土壤团聚体GMD的测定结果见图3。45 d时为0.130~0.221 mm，顺序为CK

图3 不同处理下土壤水稳性团聚体的几何平均直径Fig.3 Geometric mean diameter of soil water-stable aggregates under different treatments

2.2.3 水稳性团聚体的分形维数

不同处理土壤团聚体分形维数的测定结果见图4。45 d时为2.985~2.998，顺序为CK>C1>C3>C4>C2>C5>C6；90 d时为2.910~2.992，顺序为CK>C1>C2>C5>C4>C3>C6；135 d时为2.635~2.998，顺序为CK>C5>C1>C4>C6>C3>C2。除了CK处理，同一处理在不同时间上分形维数均表现为45 d>90 d>135 d。

图4 不同处理下土壤水稳性团聚体的分形维数Fig.4 Fractal dimensions of soil water-stable aggregates under different treatments

与对照CK处理相比，施用风化的褐煤处理显著提高了MWD和GMD、降低了分形维数；45 d和90 d时C6处理MWD和GMD最大、分形维数最小；135 d时C2处理MWD和GMD最大、分形维数最小。

3 讨论与结论

我国北方重度苏打盐碱地治理困难，限制了当地区域农业的生产发展。重度苏打盐碱土性状极端恶劣，质地黏滞，透气性和通气性不好，土壤空间结构十分差［17］，难以形成良好的土壤团聚结构体。土壤团聚体是土壤结构的重要指标，影响土壤的各种物理化学性质，团聚体的重新构建始终处于动态变化之中。本研究表明，土壤微团聚体含量整体上随着褐煤施用量的增加和时间的延长呈减少的趋势，这与前人的研究结果［18-19］相似，可能因为风化的褐煤作为有效的碳源在构建土壤团聚体过程中起重要的胶结作用，致使细小的土壤矿物颗粒胶结成微团聚体［20］，微团聚体在植物根系和某些菌丝的纠缠作用下由小变大最终构建成大团聚体。MWD、GMD和分形维数是反映土壤团聚结构稳定性的重要参数［21］，且在表征过程中具有一致性［22］，MWD和GMD越大、分形维数越小，说明土壤团聚结构越稳定，抗侵蚀能力越强［23］。施用风化的褐煤提高了土壤MWD和GMD、降低了分形维数。在135 d时，各个处理之间C2处理中>2.00 mm团聚体含量最多，MWD和GMD最大、分形维数最小，说明微团聚体在向大团聚体转化的过程中>2.00 mm团聚体的构建较敏感地影响了MWD、GMD和分形维数。土壤团聚体的构建和稳定是十分复杂的，相关研究指出，土壤团聚体的形成与稳定离不开胶结物质的胶结作用［24］以及与土壤微生物相互作用［25］的结果，笔者通过施用风化的褐煤研究重度苏打盐碱土团聚体的动态变化，发现土壤团聚结构明显得到改善，随着时间的延长，土壤水稳性微团聚体明显向大团聚体聚集转化，土壤结构稳定性显著增强。本研究中，对于本地区重度苏打盐碱土，风化的褐煤施用量为10%~15%时更利于>2.00 mm团聚体的重新构建，然而风化的褐煤在重度苏打盐碱土上作用的长效稳定机制还将有待进一步研究。