土壤团聚体中有机质研究进展_窦森

第48卷第2期土　壤　学　报Vol.48,No.22011年3月ACTAPEDOLOGICASINICA　Mar.,2011＊国家自然科学基金项目(40871107,40971141)、高校博士点基金项目(200801930003)资助作者简介:窦　森(1959—),男,吉林东丰人,教授,博士,主要从事土壤有机质研究。E-mail:dousen@tom.com收稿日期:2009-11-22;收到修改稿日期:2010-05-17土壤团聚体中有机质研究进展＊窦　森1　李　凯1,2　关　松1(1吉林农业大学资源与环境学院,长春　130118)(2吉林农业科技学院文理学院,吉林　132101)　　摘　要　　团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础,二者相互作用,不可分割,前者是后者存在的场所,后者是前者存在的胶结物质。在现有资料中,分别以团聚体和有机质为主要研究对象的报道较多,而团聚体中有机质性质的研究较少。本文从土壤有机质物理分组与化学分组相结合的角度,介绍国内外有关土壤团聚体中有机质的数量和特性及其对农业措施的响应方面的研究进展, 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包括团聚体分组、数量和稳定性,团聚体中的有机质的数量、未分组有机质的性质和腐殖物质组分的性质,颗粒分组中的有机质数量和性质,团聚体-密度联合分组中的有机质的数量和性质,不同土地利用方式和长期耕作施肥对团聚体中的有机质的影响等。以期推动不同粒级团聚体和不同HS组分相互作用及其对土壤固碳和肥力贡献研究工作的开展,为探索土壤有机质物理保护与化学保护之间的关系,揭示土壤固碳和培肥机理提供依据。关键词　　土壤团聚体;有机质;腐殖物质组分;农业措施中图分类号　　S153.62　　　　文献标识码　　A　　团聚体是土壤有机质(SOM)保持的场所,对固碳和肥力都十分重要,腐殖物质(HS)是形成稳定性团聚体的胶结物质,也是主要的固碳物质[1-4]。HS只有被禁锢在团聚体中,才能保持其持久性[5],一旦团聚体被破坏,HS将被暴露并受到微生物的作用而分解[6];反之,由HS参与形成的团聚体会变得更加稳定,这可能是土壤固碳的最重要机制[7],但到目前为止,对于这种相互作用关系了解很少。近年来人们认识到,受物理保护的SOM在固碳和肥力上有重要作用,而且对农业措施和短期试验响应比较敏感,这些引起了人们的兴趣,导致物理分组研究升温,内容包括团聚体分组、颗粒分组、密度分组、高场磁化分组(HGMS)和联合分组等[8-13]。对固碳而言,物理保护虽然重要,但固碳数量少且不持久;而传统的化学保护数量多,稳定持久。因此,我们不但没有理由忽视化学分组,而且应该将化学分组与物理分组结合起来。在过去HS化学分组和结构表征研究中,基本上是针对全土进行的;物理分组后主要是对各组分整体有机质(碳)进行数量和稳定性研究,将两者结合的研究报道很少,只见到零星的密度-化学分组和粒级-化学分组,没有见到较系统的团聚体-化学分组的研究[14]。物理保护与化学保护研究结合的明显不够。探索SOM物理保护与化学保护的关系,有助于揭示土壤固碳和培肥机理,明确不同粒级团聚体和不同HS组分对土壤固碳和肥力的贡献。1　团聚体分组、数量和稳定性国内外关于土壤团聚体的研究较多,但其分组方法不统一,总体而言,有干筛、湿筛和沉降3种方法。最近几年,以湿筛法应用较多。一般以250μm为界线将水稳性团聚体分为大团聚体(macro-aggregates,A)和微团聚体(micro-aggregates,M)2类。其中前者又可分为>2000μm(A1)和2000～250μm(A2);后者也可分为250～53μm(M1)和<53μm(M2)[11,15]。可以将A1、A2、M1和M2分别称为大团聚体、中间团聚体、微团聚体和粉+黏团聚体[9]。当然也可将A1续分为>5000μm和5000～2000μm[16];将A2续分为2000～1000μm和1000～250μm;将M2续分为53～10μm、10～5μm、2～5μm和<2μm[17]。但由于<53μm的微团聚体续分时,需用沉降法,一是2期　　窦　森等:土壤团聚体中有机质研究进展413　　不容易制备大量样品用于提取HS组分,二是制备微团聚体样品时出现“机械分析化”即大粒级减少、小粒级增加的现象[18],所以定性研究HS组分时一般不对M2续分。通常用团聚体稳定率[19]、平均重量直径(MWD)[20]、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)[21-22]和转移矩阵法得到的稳定性指数[23]作为评价团聚体稳定性的指标。近些年MWD、GMD和D在团聚体稳定性研究中应用较多[24-25]。2　团聚体分组中的SOM表土中近90%的SOM或土壤有机碳(SOC)位于团聚体内[26],温带土壤A的SOM浓度高于M[27-28]。但由于A的数量没有M多,SOM仍主要分布在M中,70%以上的SOM存在于<53μm的M2中[18,28]。从团聚体间胶结物质考虑,M被稳定性较高的SOM(如HS)所稳定,而A是由M进一步团聚形成的,除原来的SOM外,主要是被年轻的有机质(如碳水化合物、根和菌丝)所稳定[18]。被禁锢在大团聚体内部的、与矿物黏粒结合的微团聚体(特别是<53μm的)是有机质或C固定的长期和稳定场所[29]。从粒级角度考虑,小粒级团聚体中SOM以化学保护为主(微生物来源的HS较多,并与黏粒结合),分解慢,有利于长期保存[30-33];而大粒级团聚体中SOM以物理保护为主,植物来源的有机质较多,周转较快,且对管理措施反应敏感[32-33]。大多数研究表明,随团聚体粒级的增大,SOM氧化稳定性(Kos)下降,碳活性(CA)和氮活性(NA)提高[8,15,18,31,34-35]。SOM的周转时间随团聚体粒级的增大而变短,一般M为100～400a,A为15～100a[13,26,31-36]。在大团聚体中富含新近沉积的有机质或有机碳(称为“新碳”),例如,对含有9%新碳的全土,>1000μm水稳性大团聚体中来自玉米作物新碳的碳量平均为20%;而微团聚体中只有1%[37],新碳的积累可以提高大团聚体的稳定性[38]。而且随着团聚体粒级减小,SOM的C/N比从20减少至8[39-41]。在田间条件下,随着麦秸的分解,标记的13C和15N从A向M再分配,因此,M-OM通常较A-OM老,并且植物残体的改变程度较高[42]。但也有不同的研究结果,Kristiansen用14C标记的黑麦草添加到丹麦耕地土壤中培养8个月,14C标记的有机质在M中较在A中含量高,且随着微团聚体粒径的减小而增加。在125～250μm微团聚体中的14C有机质较250～2000μm大团聚体中的14C有机质易分解,不稳定[43]。与未分组有机质的研究相比,团聚体中HS的化学分组和结构特征研究报道很少,内容粗浅,表现在HS分组不全,结构表征过于简单(没有制备HS组分纯样品),且仅仅有M的研究资料,不系统。Bongiovanni和Lobartini[6]研究表明,A和M中均表现为单位质量团聚体中胡敏酸(HA)的含量>富里酸(FA),且HA、FA储量为A>M。但是在M续分中(250～50μm、50～10μm、10～5μm和<5μm),HA、FA的相对含量随粒级的增大而减少[8],但松结合态腐殖质(NaOH提取)与胡敏素的比例提高[44]。对不同粒级M中HA结构的研究表明,<5μm的M中HA为B型或A型,>5μm的为Rp型,随粒级增大,HA的相对色度(RF)下降,色调系数(ΔLgk)增加,向Rp型转变,分子结构变得简单化[8,37]。3　颗粒分组中的SOM团聚体分组和颗粒分组同属于物理分组,都是按粒级大小分组,它们的差别在于做土壤崩解处理时,前者用湿筛+振荡得到水稳性团聚体,后者用湿筛+六偏磷酸钠+超声波分散得到结合更为稳定的土粒-OM复合体[9,11]。两者之间不一定有明显的数量界限,但一定是颗粒分组得到的小粒级组分更多些,其差值或比值一定程度上反映水稳性团聚体的稳定度。团聚体分组与颗粒分组,如同“房子”与“砖”的关系,团聚体是盖好的大小不同的“房子”,矿物颗粒、有机质、有机无机复合体是具有不同规格的“砖”。尽管团聚体分组与颗粒分组的方法不同,但其中的SOM或有机碳(SOC)随粒级的变化规律可能相似。这就是为什么在讨论团聚体分组的同时,也注意颗粒分组的原因。为了与团聚体分组相对应,颗粒分组多划分为:黏粒(<2μm)、粉粒(2～20μm或2～50μm)、砂粒(20～2000μm或50～2000μm),有时还区分细黏粒(<0.2μm)。不同粒级颗粒对SOM的生物保护机制不同,砂粒中真菌活动是最强烈的,而细菌在粉粒中活动最强烈。砂粒、粉粒和黏粒中的SOM分别属于活性的、中间的和惰性的C库。一般随着粒级的减小,与矿质部分结合的C占总SOC的比例增加,C/N减少。微生物产物信号(己糖/戊糖)一般随着粒级的减小而增强,表明粗粒中植物来源的有机质占优势,细粒中来自于微生物代谢物的有机质占优势;414　　　土　　壤　　学　　报48卷13C周转时间和14C-MRT(平均存留时间)也随着粒级的减小而变长,但比粉粒更细时不再继续增加[14]。黏粒中胡敏素较原土SOM老,较HA、FA也老,但较NaOH-Na4P2O7连续提取的HA、FA年轻[45]。NaOH-Na4P2O7连续提取物质和蒙脱石黏粒连接的SOM,其周转时间长。在平均年龄为4930a的灰土中,分离得到的2∶1型黏粒(<2μm)的放射性碳的最大年龄,为6716±524a[46]。Caravaca等[47]研究表明,黏粒和粉粒中胡敏素的碳浓度高于HA+FA;且HA+FA的碳浓度为粉粒高于黏粒。说明大粒级中HA+FA的比例较胡敏素多。Guggenberger等[48]研究表明,HA的羰基碳和芳香碳含量较高,随着粒级的减小,烷基碳的百分含量增加。Mao等[49]用IR(红外光谱)、DTG(热重分析)、NMR(核磁共振)和Py-MS(热解质谱)技术,研究了阿依华洲两种土壤粗粉粒和黏粒HA的功能团和结构特征,表明黏粒中HA含有较多的脂族化合物。4　团聚体-密度联合分组中的SOM关于密度分组,目前首选聚钨酸钠(SPT)重液[50],实际区分出的SOM组分有:(1)游离轻组(fLF)或称为游离颗粒有机质(fPOM);(2)包裹轻组(oLF)或称为包裹颗粒有机质(oPOM)或团聚体内的颗粒有机质(iPOM);(3)重组(HF/DF)或称为矿物结合态有机质(碳)(mSOC)或HS,过筛后分为HF>53μm和HF<53μm。[13,43,51]。fLF、oLF、HF、HF>53μm和HF<53μm5个符号使用较普遍,理论上SOM=LF+HF;LF=fLF+oLF;HF=HF>53μm+HF<53μm。LF仅占土壤质量的一小部分,但其碳含量显著高于原土;相反,HF占土壤质量的绝大部分,其碳含量较原土壤略低。HF占SOC的比例为86%～91%[52],LF的比例多为10%以下。LF的微生物产物信号较HF弱[53-54],C、N含量及C/N高于HF,并且更容易分解[43]。稳定性和碳芳香度顺序为HF>oLF>fLF,在土壤中,与oLF相比,fLF的烷基C比例较低,烷氧C比例较高[55]。土壤中每一个粒级团聚体中C/N的顺序为:fLF>oLF>HF,与全土的规律一致[11,13]。LF-C总量,碳浓度,及C/N均随团聚体粒级的增加而增加[56]。表层耕作土壤A2、M1和M2中HF的平均年龄分别为63～69a、76a和102a;oLF的年龄随着团聚体粒级的减小而增加,从>1000μm的20～30a,到<53μm的66a。fLF更新速度最快,存留时间从A1的10a到M2的42a[13]。团聚体中fLF和oLF的化学结构明显不同,oLF的碳、氮含量和烷基碳比例较高,而烷氧碳比例较少。这表明fLF转变为团聚体内的oLF时是有选择性的,碳水化合物等易降解的组分分解,而抵抗性强的长链碳保留[57]。此外,徐江兵等[58]将A1、A2、M1中的SOM进行密度分组,又对其中HF进行了颗粒分组,得到的250～2000μm(CF)、53～250μm(FF)和<53μm(mSOC)3组,其C量占总有机碳分别为0.5%～1.5%、4%～7%和76%～85%。5　不同土地利用方式和长期耕作施肥的影响　　土地利用:有报道,耕作和种玉米使>1000μm团聚体的比例减少,顺序为草地>森林>耕地、玉米地>小麦地;53～250μm和250～1000μm的顺序相反[13]。同一粒级团聚体中,SOM含量为林地>草地或园地>农田[59-60],果园>苜蓿地>设施农业用地[61],说明人为活动和农机具使用及设施农业使土壤SOM含量减少。耕作:耕作能使土壤中碳含量较高的大团聚体比例减少,碳含量较低的微团聚体比例增加[62],与免耕相比,耕作土壤中微团聚体(53～250μm)的C、N量较高,一方面是由于这一粒级在耕作土壤中占有较大比例,另一方面,Oades等[63]研究表明当支撑大团聚体的根和菌丝死亡或被耕作及动物群落破坏时,分解的碎片很可能在20～250μm微团聚体中成为有机核,从而增加了微团聚体中的C、N量。这些有机核可能逐渐与FA、HA或胡敏素性质接近。这说明在大团聚体被破坏和SOM生物降解过程中,有机质可能从大团聚体向微团聚体重新分配和转移[64],并进一步腐殖化。耕作可显著地降低土壤团聚体的稳定性[20],MWD和GMD减少,D增加;但免耕和施用农家肥一般则相反[24-25]。耕作使>1000μm团聚体在水分散作用下几乎全部破碎,>250μm团聚体的含量及其稳定率与围栏草地相比分别降低了71%和70%,水稳性团聚体MWD降低了88%[20]。而保护性耕作则相反,可以明显提高团聚体稳定性。Pinheiro等[65]研究表明MWD和2期　　窦　森等:土壤团聚体中有机质研究进展415　　GMD值为牧草覆盖和免耕条件下的最高,而常规耕作和裸地的最低。施肥:施肥对大团聚体的影响程度要高于小团聚体,使大团聚体比例增加[66]。不同施肥方式相比,有机无机肥配施促进土壤大团聚体的形成和SOM量的增加。施肥增加的新碳主要向1000～3000μm、250～1000μm团聚体富集[67]。看来,当新鲜有机物料进入土壤时,大团聚体先成为微生物活动的场所[26]。长期施有机肥能提高团聚体中LF、HF的含碳量[58]。有机培肥后使50～250μm粒级团聚体含量及其CA和NA增加[18]。6　问题与展望以上研究仅仅限于对团聚体中未分组有机质或有机碳数量和活性以及周转时间的研究,而关于团聚体中HS组成及其结构特征的研究较少,长期施肥后不同粒级水稳性团聚体中HS化学组成和结构特征及稳定性的变化规律也没有系统研究。而我们不能不承认,团聚体和有机质是不可分割的,前者是后者存在的场所,后者是前者存在的胶结物质。可以假设,不同粒级团聚体是有差别的,它们对有机质的分选作用是不同的;还可以假设,不同HS组分性质的差异会诱导形成不同粒级的团聚体。这种“双向分选”过程必然受长期施肥的影响,这正是调控土壤固碳和肥力的理论基础,因为土壤固碳和肥力的实质就是不同团聚体(特别是微团聚体)中有机质不同组分(特别是HS)的综合行为。所以应尽快开展以团聚体-HS为重点的SOM物理-化学保护机制及相互关系研究。参考文献[1]　ChaneyK,SwiftRS.Studiesonaggregatestability:ⅡTheeffectofhumicsubstancesonthestabilityofre-formedaggre-gates.EuropeanJournalofSoilScience,1986,37:337—343[2]　FortunA,FortunC,OrtegaC.Effectoffarmyardmanureanditshumicfractionontheaggregatestabilityofasandy-loamsoil.EuropeanJournalofSoilScience,1989,40:293—298[3]　PiccoloA,PietramellaraGM,BagwuJSC.Useofhumicsub-stancesassoilconditionerstoincreaseaggregatestability.Geo-derma,1997,75:267—277[4]　AlbertUI,AntonioFP,BurrowD.EffectsofpotassiumhumateonaggregatestabilityoftwosoilsfromVictoria,Australia.Geo-derma,2005,125:321—330[5]　GolchinA,BaldockJA,OadesJM.Amodellinkingorganicmatterdecomposition,chemistry,andaggregatedynamics//LalR,KimbleJ,FollettR,etal.Soilprocessesandthecarboncycle.BocaRaton,FL:CRCPress,1997:245—266[6]　BongiovanniMD,LobartiniJC.Particulateorganicmatter,car-bohydrate,humicacidcontentsinsoilmacro-andmicroag-gregatesasaffectedbycultivation.Geoderma,2006,136:660—665[7]　潘根兴,周萍,李恋卿,等.固碳土壤学的核心科学问题与研究进展.土壤学报,2007,44(2):327—337.PanGX,ZhouP,LiLQ,etal.Coreissuesandresearchprogressesofsoilsci-enceofCsequestration(InChinese).Actapedologicasinica,2007,44(2):327—337[8]　窦森,张继宏,须湘成,等.棕壤不同粒级微团聚体中有机质特性的研究.土壤通报,1992,23(2):52—54.DouS,ZhangJH,XuXC,etal.Studyoncharacteristicoforganicmatterindifferentbrownsoilmicro-aggregates(InChinese).ChineseJournalofSoilScience,1992,23(2):52—54[9]　CambardellaCA,ElliottET.Carbonandnitrogendynamicsofsoilorganicmatterfractionsfromcultivatedgrasslandsoils.SoilSciSocAmJ,1994,58:123—130[10]　GolchinA,OadesJM,SkejmstadJO,etal.Soilstructureandcarboncycling.AustralianJournalofSoilResearch,1994,32:1043—1068[11]　SixJ,EilliottET,PaustianK,etal.Aggregationandsoilor-ganicmatteraccumulationincultivatedandnativegrasslandsoils.SoilSciSocAmJ,1998,62:1367—1377[12]　ShangC,TiessenH.Organiccarbonturnoverandcarbon-13naturalabundanceinorgano-mineralfractionsofatropicaldryforestsoilundercultivation.SoilSciSocAmJ,2000,65:2149—2155[13]　YamashitaT,FlessaH,JohnB,etal.Organicmatterindensityfractionsofwater-stableaggregatesinsiltysoils:Effectoflanduse.SoilBiology＆Biochemistry,2006,38:3222—3234[14]　VonLǜtzowM,Kögel-KnabnerI,EkschmittK,etal.SOMfractionmethods:Relevancetofunctionalpoolsandstabiliza-tionmechanisms.SoilBiology＆Biochemistry,2007,39:2183—2207[15]　CambardellaCA,ElliottET.Carbonandnitrogendistributioninaggregatesfromcultivatedandnativegrasslandsoils.SoilSciSocAmJ,1993,57:1071—1076[16]　León-GonzlezF,Celada-TornelE,Hidalgo-MorenoCL.Root-soiladhesionasaffectedbycropspeciesinavolcanicsandysoilofMexico.Soil＆TillageResearch,2006,90:77—83[17]　陈恩凤,武冠云,周礼恺.关于土壤肥力研究的几点认识.土壤通报,1989,20(4):187—188.ChenEF,WuGY,ZhouLK.Someopinionsonsoilfertility(InChinese).ChineseJournalofSoilScience,1989,20(4):187—188[18]　窦森,王其存,代晓燕.土壤有机培肥对微团聚体组成及其碳、氮分布和活性的影响.吉林农业大学学报,1991,13(2):43—48.DouS,WangQC,DaiXY.Effectofimprovingsoilfertilitybyorganicmaterialsonthecomposition,C,Ndistribu-tionandactivityofmicroaggregates(InChinese).JournalofJilin416　　　土　　壤　　学　　报48卷AgriculturalUniversity,1991,13(2):43—48[19]　KemperWD,RosenauRC.Aggregatestabilityandsizedistri-bution//KluteA.Methodsofsoilanalysis.Part1:Physicalandmineralogicalmethods.2nded.Madison,WI:AmericanSocietyofAgronomy,1986:425—442[20]　王哲锋,高波,李小刚.利用方式对干旱草原土壤碳水化合物含量及团聚体稳定性的影响.甘肃农业大学学报,2006,41(3):91—95.WangZF,GaoB,LiXG.Effectsofdiffer-entlandusetypesoncarbohydratecontentandaggregatestabilityinaridgrasslandsoil(InChinese).JournalofGansuAgriculturalUniversity,2006,41(3):91—95[21]　PerfectE,BlevinsRL.Fractalcharacterizationofsoilaggrega-tionandfragmentationasinfluencedbytillagetreatment.SoilSciSocAmJ,1997,61:890—900[22]　RasiahV,KayBD,PerfectE.Newmass-basedmodelforesti-matingfractaldimensionofsoilaggregates.SoilSciSocAmJ,1993,57:891—895[23]　石辉.转移矩阵法评价土壤团聚体的稳定性.水土保持通报,2006,26(3):92—95.ShiH.Usingtransitionmatrixtoevaluatestabilityofsoilaggregates(InChinese).BulletinofSoilandWaterConservation,2006,26(3):92—95[24]　HermawanB,BomkeAA.Effectsofwintercovercropsandsuc-cessivespringtillageonsoilaggregation.Soil＆TillageRe-search,1997,44:109—120[25]　GǜlserC.Effectofforagecroppingtreatmentsonsoilstructureandrelationshipswithfractaldimensions.Geoderma,2006,131:33—44[26]　JastrowJD.Soilaggregateformationandtheacc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