引言
黑土和黑鈣土作為東北糧食主產區典型耕作土壤,腐殖質層深厚且自然肥力高。但近年來由于自然災害、水土流失等因素,出現了土壤保肥保水能力變弱等問題。在土壤肥力相關因素中,粘粒礦物的研究歷來受到國內外學者的重視。粘粒礦物是母質風化和成土過程的產物,與土壤性質密切相關,反映土壤風化發育程度及肥力水平。X射線衍射\\(XRD\\)分析是粘粒礦物鑒定中最為主要的手段,基于土壤粘粒具有不同晶體構造,利用XRD原理進行分析測定,具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點,近年來得到了廣泛的應用。
研究土壤粘粒礦物組成有助于了解土壤吸收及保水保肥性能,但大多數對粘土礦物的研究主要集中于南方紅壤等地區,對東北耕作土壤,特別是耕作黑鈣土研究還鮮 有 報道。以東北糧食主產區兩種典型耕作土壤為對象,研究其顆粒組成及粘粒礦物差異特征,以期為糧食區合理改土培肥提供理論依據與技術支撐。
1 實驗部分
1.1 研究區概況
研究區域為吉林省四平市梨樹縣勝利鄉、泉眼嶺鄉,松原市前郭縣岱尹鄉、套浩太鄉試驗基地,采樣地點如圖1所示。
1.2 土壤樣品采集
于2010年10月采集4個土壤剖面\\(黑土2、黑鈣土2\\)樣品,共14個發生層次,經風干、研磨過篩后備用,基本理化性狀如表1所示?！颈?】
1.3 測定項目與方法
基礎理化性質采用常規方法測定:土壤有機質采用重鉻酸鉀法;pH值采用酸度計法;堿解氮采用堿解擴散法;速效磷 采 用NaHCO3浸 提-鉬 銻 抗 比 色 法; 速 效 鉀 采 用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定。
粘粒的分離與提取:采用吸管法和篩分法測定,稱取30g風干土壤樣品,將樣品經30%過氧化氫去除有機質及稀鹽酸脫鈣處理,超聲波分散處理后\\(150 W,3min\\),用篩分法分離出大于200μm粗砂,按司篤克斯定律,用虹吸法在規定時間內分別吸取小于2μm粘粒和2~20μm粉粒,重復提取,直至懸液中不含小于2μm粘粒和2~20μm粉粒為止,再分離出20~200μm的細砂,對各粒級經沉淀、離心及烘干后稱重,計算出各粒徑組分的百分含量,土壤質地分類采用國際制分類法。
XRD:經DCB法脫鐵處理后,制成鉀鎂飽和定向試樣,風干后用X射線衍射儀\\(XRD-7000\\)掃描3°~30°\\(CuKα輻射、Ni濾波器、管壓40kV、管流30mA、步長0.06°\\),鉀飽和定向試樣經馬弗爐300和550 ℃\\(2h\\)處理后掃描3°~15°,鎂 飽 和 定 向 試 樣 進 行 甘 油 飽 和 處 理 后 掃 描3°~13.5°。
1.4 數據計算及統計分析方法
使用SAS\\(SAS Institute,2001\\)進行數理統計分析,使用LSD檢驗\\(p<0.05\\)分析顯著性差異,用Excel和MDIJade 5.0軟件進行繪圖。
2 結果與討論
2.1 兩種土壤顆粒組成特征分析
2.1.1 累積曲線特征
圖2為供試土壤的顆粒累積曲線,\\(a\\)和\\(b\\)為黑土樣品,\\(c\\)和\\(d\\)為黑鈣土樣品,由圖可以看出,供試土壤顆粒組成均以砂粒為主,粘粒、粉粒次之,黑土中三種顆粒的平均含量占 比 分 別 為77.98%,9.30%,12.72%,黑 鈣 土 為80.73%,10.95%,8.32%。
粘粒含量與土壤質地密切相關,供試土壤剖面粘粒含量順序為\\(b\\)\\(20.76%\\)>\\(c\\)\\(16.32%\\)>\\(d\\)\\(12.18%\\)>\\(a\\)\\(8.56%\\),\\(a\\)中1>3>2>4,\\(b\\)中5>7>6,\\(c\\)中10>9>8>11,\\(d\\)中13>12>14。粘粒含量最多的樣品\\(剖面\\(b\\)\\),質地最為粘重,從表1可以看出其為粘壤土;而粘粒含量較低的樣品,粉砂的含量相對較高,為砂質壤土和砂質粘壤土\\(表1\\),這與唐炎林等人對土壤質地的研究結果相一致。
當顆粒累積率達到50%,供試土壤中央粒徑分布在15~130μm,\\(a\\)在100~130μm,\\(b\\)在15~35μm,黑鈣土\\(\\(c\\)和\\(d\\)\\)在65~100μm,除剖面\\(b\\)集中在粉粒級外,其他剖面主要集中在砂粒級,這與各剖面土壤質地不同有關;中央粒徑大小順序:\\(a\\)中1\\(97μm\\)<3\\(101μm\\)<4\\(108μm\\)<2\\(122μm\\),\\(b\\)中5\\(16μm\\)<7\\(20μm\\)<6\\(32μm\\),\\(c\\)中10\\(65μm\\)<9\\(73μm\\)<8\\(77μm\\)<11\\(90μm\\),\\(d\\)中13\\(71μm\\)<12\\(87μm\\)<14\\(95μm\\)?？傮w而言,除剖面\\(a\\)外,其他剖面粘粒含量順序與中央粒徑大小順序相反,這與鄭慶福、趙蘭坡等的研究結果大致相同。
2.1.2 垂直分布特征
圖3為供試土壤粘粒剖面分布特征曲線,兩種土壤的粘粒富集情況存在差異,黑土剖面\\(Ⅰ和Ⅱ\\)粘粒在表層富集\\(18.82%\\),黑鈣土剖面\\(Ⅲ和Ⅳ\\)粘粒在是鈣積層\\(Ⅲ在層次3,Ⅳ在層次2\\)富集\\(17.41%\\)?！緢D3】
黑鈣土粘粒含量呈現表層往下逐漸增加,到母質層又減少的趨勢。分析其原因,黑鈣土表層風化弱、降水淋溶較黑土略強,故表層粘粒含量比黑土降低了26.35%;黑鈣土鈣積層粘粒含量比黑土高36.98%,這與其粉砂粒級的礦物風化作用較強有關,謝萍若等對紅粘土的研究也得出了類似的結論。同時,粘粒含量隨著土層深度的增加而增加,可能是由于剝蝕或淋溶作用使粘粒淀積遷移,這與其土壤質地的變化情況密切相關,汪景寬在研究土壤質量演變規律中也證明了這一點。
縱觀四個剖面,除泉眼嶺黑土剖面\\(Ⅱ\\)外,其余剖面粘粒含量在母質層中最少。土壤深層的風化程度越高,粘化作用就會更強,泉眼嶺黑土粘粒含量呈現先減少后增加的趨勢,這與其在巖石風化進程中土壤質地較為均一,且土壤偏粘性有關,地勢也是影響粘粒進一步向下富集的原因之一;勝利鄉黑土沒有更多的粘粒向下富集,可能是受到降水和地形等因素影響的緣故。
2.2 兩種土壤的粘粒礦物組成及其差異分析
圖4為供試土壤表層粘粒礦物XRD圖譜,Ⅰ和Ⅱ為黑土樣品,Ⅲ和Ⅳ為黑鈣土樣品,從鎂風干的XRD圖譜看,不同土壤差異不僅表現在衍射峰的強度,以及部分衍射峰位的變化,還表現在礦物組成上。
從鎂、鉀風干衍射圖譜看,在0.42~0.43和0.33nm處出現衍射峰,證明存在石英等原生礦物;在各種原生礦物中,最難風化的是石英,其與正長石、白云母等構成了砂粒和粗粉粒的主要礦物成分。0.47nm處的特征峰說明供試土樣中均含有綠泥石;綠泥石是土壤中較為常見的礦物,主要分布在變質巖中,在成土作用早期容易風化成粘土礦物。
鉀風干衍射圖譜在0.71nm處出現衍射峰,經加熱550℃處理后消失,證明存在高嶺石;高嶺石是1∶1型礦物,性質穩定,在溫帶土壤中一般含量較低,在花崗巖和偉晶巖的蝕變過程中,長石很可能蝕變成埃洛石,而云母則蝕變成高嶺石。在1.00,0.50和0.33nm出現衍射峰,說明含有較多的云母及伊利石,且黑土衍射峰強度略高于黑鈣土,這與鄭慶福等的研究結果相一致;伊利石是粘粒中最主要的含鉀礦物,屬于2∶1非膨脹型礦物,在弱淋溶條件下,則可向蒙脫石轉化。
4個圖譜均在鎂-粘粒\\(風干\\)1.42nm處出現衍射峰,且經甘油處理后,大部分膨脹至1.8nm左右,表明黑土、黑鈣土粘粒中含有大量的蒙脫石,許多學者的研究也得出了相類似的結論。根據鉀-粘粒\\(風干\\)圖譜1.0和1.4nm衍射峰可以推斷,甘油處理后不發生膨脹的1.42nm礦物,在黑土中為蛭石,在黑鈣土中為2∶1型過渡礦物,這與趙蘭坡等的研究結論相一致。蒙脫石屬于2∶1膨脹型粘土礦物,晶層間的距離發生改變后易形成混層礦物,也可以經伊利石、蛭石、綠泥石轉化而成;蛭石屬于2∶1膨脹型粘土礦物,結晶構造與伊利石相似,大多產生于云母和伊利石的進一步脫鉀,也可從蒙脫石或綠泥石轉變而成;伊利石是由長石、云母風化脫鉀形成的,同晶替代作用較強,膨脹性和吸附能力介于高嶺石和蒙脫石之間。
綜上,供試土壤主要以2∶1型粘粒礦物為主,源于東北季風氣候氣溫較低,降水偏少,處于這一氣候帶內的黑土和黑鈣土淋 溶 淀 積 作 用 相 對 較 弱,粘 粒 礦 物 的 組 成 大 致 相似,但也存在一定的差異,黑土為蒙伊混層-伊利石-蛭石型,黑鈣土為蒙伊混層-伊利石-蒙脫石型,且黑土、黑鈣土中均含有少量的高嶺石、綠泥石、石英等原生礦物。
3 結論
\\(1\\)供試土壤顆粒組成均以砂粒為主,粘粒、粉粒次之;當顆粒累積率達到50%,中央粒徑分布在15~130μm,除泉眼嶺黑土剖面集中在粉粒級外,其他剖面主要集中在砂粒級;除勝利鄉黑土剖面外,其他剖面粘粒含量順序與中央粒徑大小順序相反。
\\(2\\)黑土剖面粘粒在表層富集\\(18.82%\\),黑鈣土剖面在鈣積層富集\\(17.41%\\),且黑鈣土粘粒含量呈現表層往下逐漸增加,到母質層又減少的趨勢?？v觀四個剖面,除泉眼嶺黑土剖面外,其余剖面粘粒含量在母質層中最少。
\\(3\\)供試土壤表層粘粒礦物XRD圖譜分析表明:不同土壤差異不僅表現在衍射峰的強度,以及部分衍射峰位的變化,還表現在礦物組成上。黑土粘粒礦物組成為蒙伊混層-伊利石-蛭石型,黑鈣土為蒙伊混層-伊利石-蒙脫石型,且黑土、黑鈣土中均含有少量的高嶺石、綠泥石、石英等原生礦物。
