引言

土壤粘粒礦物由土壤風化和成土過程中原生礦物所形成,與土壤性質聯系緊密,可根據粘粒礦物的組成特征推斷其形成歷史。在不同土地利用方式下,土壤粘粒礦物易發生改變,進而影響土壤理化性質,對土壤肥力的培育具有重要意義。近年來粘粒礦物研究在土壤肥力分析領域受到國內外學者廣泛重視。X射線衍射\\(XRD\\)光譜分析作為粘粒礦物研究的有效手段,具有測量精度高且不損傷樣品等優點,得到日益廣泛的應用。

已有研究表明,不同水旱利用方式下土壤粘粒礦物風化、結晶度等特征存在較大差異,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。吉林地區鹽堿土普遍具有水資源豐富但堿性高、作物難以生長的特點,以其為研究對象,通過分析不同水旱利用方式下其顆粒組成及粘粒礦物差異特征,探索水旱利用對粘粒礦物組成及演化規律,以期為合理分配土地利用方式,有效提高鹽堿地改良效果提供理論依據與技術支撐。

1、實驗部分

1.1研究區概況

研究區域為吉林省松原市前郭縣套浩太鄉堿巴拉村長期定位試驗基地。該區地勢平坦,地下水豐富,氣候干燥,蒸發大于降水,土壤淋溶作用弱,為典型堿性蘇打鹽堿區。由于過墾、過牧、過伐等原因,土壤沙堿化嚴重,表土pH值在8.5~9.5之間,陽離子交換量大,保肥能力弱。主要利用方式為旱作改良和地下水灌溉水田改良。

1.2土壤樣品采集

于2008年9月采集不同利用方式下\\(旱田3年、水田3年、10年、20年、30年、40年6個處理\\)耕層\\(0~20cm\\)土壤樣品,經風干、研磨過篩后備用。

1.3測定方法

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;陽離子交換量采用乙酸銨法測定。

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,經30%過氧化氫去除有機質及稀鹽酸脫鈣處理,經超聲波分散處理后\\(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。

粘粒的X射線衍射分析: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3~30°,鎂飽和定向試樣進行甘油飽和處理后掃描3°~30°。

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.Origin和MDI Jade 5.0軟件進行繪圖。

2、結果與討論

2.1水旱利用方式對土壤理化特性的影響

由表1可知,鹽堿土在不同利用方式下,其理化性質存在差異。水田改良利用相比旱田而言,有機質、CEC、速效鉀、速效磷分別提高了68.20%,17.01%,8.87%,5.18%,而pH值降低了4.95%,表明水田利用較旱田利用可較好改善鹽堿土理化性質,使之適于作物生長。

對于水田改良而言,隨著利用時間延長,土壤的pH值和CEC逐漸降低,速效鉀和有機質含量呈上升的趨勢,表明鹽堿土經水田利用后,其土壤礦物可以提供更多的陽離子交換位,土壤有機質的積累,促進了土壤礦物顆粒的復合團聚,并占據了礦物顆粒的陽離子交換位,使得CEC含量降低,從而降低土壤pH值,并增強土壤顆粒沉降,達到持續改良土壤結構的效果。

2.2水旱利用方式對土壤顆粒組成的影響研究

土壤顆粒組成對土壤性質起到重要的作用,不同利用方式下\\(圖1\\),粘粒和粗砂含量變化不顯著,而粉粒和細砂含量相對變化程度較大。粉粒含量呈現水田40年>30年>20年>10年>水田3年>旱田3年的趨勢,而細砂則趨勢相反,說明水田利用的鹽堿土處于物理風化階段,并隨利用時間的增加,風化強度增強,粉粒含量提升,這有利于鹽堿土的結構改善,同時也可促使其鹽分向地下淋溶,抑制向上返鹽,從而達到降鹽目的。

2.3應用XRD光譜研究土壤粘粒礦物演化特性

經XRD分析\\(圖2\\),從Mg-N片圖譜看,峰位主要出現在1.42,1.01,0.72,0.50,0.427,0.355,0.334nm左右,說明可能存在云母、蒙脫石、蛭石、綠泥石、高嶺石、伊利石、石英等。為了更清晰、準確的分析圖譜,將土壤和沉積物中粘粒礦物XRD特征峰列于表2中。經圖2與表2綜合分析,證明不同利用方式下鹽堿土的粘粒礦物組成大致相同,但衍射峰的強度及峰位略有差異。土壤粘粒礦物組成以伊利石和蒙脫石為主,含有一定數量的蛭石和高嶺石,少量石英和綠泥石,這與趙蘭坡等研究結果較一致。

過渡礦物對利用方式的變化較為敏感且一般較難判斷,我們應用MDI Jade5.0軟件對鹽堿土粘粒礦物的XRD圖譜中2θ在2°~10°范圍進行擬合分析\\(圖3\\),從K飽和自然風干處理\\(K-Air\\)的1.11nm與K-550中的1.15nm衍射峰看,說明含有一類羥基化“類綠泥石”礦物。在鎂飽和自然風干\\(Mg-Air\\)XRD衍射結果看,1.40nm衍射峰增強,1.00nm衍射峰收縮,在1.16~1.03nm出現較寬的弱峰,說明含有較少量蒙脫石的I/S不規則混層礦物,經甘油處理\\(Mg-Gly\\)后,>1.41nm衍射峰XRD圖譜上揚,1.41和1.00nm衍射峰收縮。

1.16~1.03nm處的衍射峰,前移并增強,說明含有一些蒙脫石和I/S混層礦物發生膨脹,衍射峰前移使>1.41和1.16~1.03nm的衍射峰增強。

衍射峰強度可知,鹽堿土水田利用粘粒礦物經K-550處理和K-300處理的XRD圖譜中,有1.41nm的衍射峰存在,并且隨水田利用時間的增加,峰強減弱,表明鹽堿土中綠泥石受到一定程度的風化,以致含量降低,說明鹽堿土水田利用后,土壤pH值下降,綠泥石穩定性也降低,導致其抗風化能力降低。但在K-550和K-300圖中水田利用30年和40年處理的XRD圖譜在1.21nm均有一定強度衍射峰出現,按照熊毅研究結論,可能為羥基化蛭石。這主要是土壤Na+和K+等堿性離子大量淋失,Al3+,Fe3+,Mg2+被大量的溶出,游離的水鋁片和水鎂片在水旱交替的條件下會嵌入到礦物層間,形成了羥基化\\(類綠泥石\\)礦物,會在1.0~1.5nm之間出現不同強度的特征衍射峰。

Mg-Air的XRD圖譜在1.41nm處的衍射峰在K-Air中發生明顯收縮,但仍有一定強度衍射峰存在,表明含有一定量的蛭石,并隨水田利用時間的增加,1.41nm衍射峰的強度呈增加趨勢,說明水田利用方式會促進鹽堿土中蛭石的形成。在K-Air的XRD圖譜出現1.17nm衍射峰在K-300和K-550發生收縮,表明還有部分的蒙脫石和I/S混層礦物也被一定程度羥基化。這在利用30年和40年水田粘粒礦物Mg-Air和Mg-Gly的XRD圖譜中均有體現,在1.16~1.03nm處出現較強的衍射峰。

2.4水旱利用對鹽堿土的粘粒礦物組成含量的影響

為了更好地說明利用方式對鹽堿土粘粒礦物組成特征的影響,對粘粒礦物組成進行了半定量計算。從表3可見,旱田利用方式下伊利石含量相對較高;水田利用方式下,伊利石、蛭石、高嶺石含量均隨利用時間的增加呈先增加后趨緩的趨勢,而伊利石結晶度、S/I混層及綠泥石含量呈減少的趨勢。

鹽堿土水田利用方式下,表層鹽基離子濃度降低,使云母類礦物層間離子溶出,形成較多結構相對穩定的伊利石,但其結晶程度隨水田利用時間增加而減小。而此時伊利石化學指數計算結果主要來自于易于風化的黑云母。

S/I混層礦物由于其結構不穩定,其間層離子易被交換,導致其含量減少,并且隨利用時間的增加,其差異增大,伴隨S/I混層礦物風化和間層離子的淋失,演化為蛭石和高嶺石。由于鹽堿土在淹水條件下,溶出的離子多為Al3+,Fe3+,Mg2+等,并形成羥基鋁、羥基鐵等物質,嵌入蛭石間層,蛭石發生了綠泥石化現象,形成羥基化蛭石或者類綠泥石化粘粒礦物。旱田利用方式下鹽堿土粘粒礦物的風化程度相對較弱,粘粒礦物演化過程主要為S/I混層礦物→蛭石,而水田利用方式下風化程度較強,隨著利用時間的增加,粘粒礦物演化過程主要為黑云母→伊利石和S/I混層礦物→蛭石→高嶺石。

3、結論

\\(1\\)水田利用下鹽堿土的各項理化性質均優于旱田,從而促進土壤礦物顆粒的復合團聚,改善土壤結構。水田利用的時間越長,鹽堿土粉粒含量越高,降鹽改土的效果越好。

\\(2\\)XRD光譜分析表明:供試鹽堿土的粘粒礦物組成以伊利石和蒙脫石為主,含有一定數量的蛭石和高嶺石。其中旱田利用方式下伊利石含量相對較高,水田利用方式下伊利石含量均隨利用時間先增加后趨緩。不同利用方式及利用時間下,鹽堿土的粘粒礦物衍射峰的強度及峰位略有差異。

\\(3\\)旱田利用方式下鹽堿土粘粒礦物的風化程度較弱,粘粒礦物的水化程度較深,粘粒礦物演化過程主要為S/I混層礦物→蛭石。而水田利用方式下風化程度較強,脫鉀過程強烈,粘粒礦物的水化程度較高,演化過程主要為黑云母→伊利石和S/I混層礦物→蛭石→高嶺石。