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化学物质对土壤团聚体稳定性及其它物理性状的影响

徐爽  
【摘要】:土壤是一个具有明显“生命”特征的类生命体,而团聚体是维系生命体征的重要“脏器”。稳定的团聚体是土壤协调水、肥、气、热能力、协调自然环境剧烈变化、为作物创造稳定、舒适生长环境的重要物质基础,也是抵御诸如水蚀、风蚀等不良自然环境导致土壤退化、确保人居生态环境友好的重要物质基础。土壤团聚状况,特别是团聚体的稳定性受到了学术界极大关注。针对目前各类化学物质大量投入农田,以及用不同程度的受污染水体灌溉等,使得土壤团聚体遭到了破坏,土壤结构性能退化,土壤板结与土体紧实问题普遍发生等客观实际,极有必要深入研究各类性状土壤团聚体抵御外源化学物质破坏的能力。同时,在土壤团聚体水力学稳定性、机械稳定性和生物学稳定性评价基础上,特别强调“土壤团聚体的化学稳定性”,即抵御各类化学物质作用仍保持良好团聚状态或保持其生理协调功能的能力。任何情况下土壤溶液都是含有不同化学物质的稀溶液,并非纯水,溶液中化学物质的数量与类型对土壤团聚体既有不同方向又有不同程度的作用和影响。它根本不同于经典土壤学中所强调的“水”稳性团聚体的概念与效应。深入研究土壤溶液中各类化学物质类型和数量对团聚体的作用效应必将成为当今土壤科学研究的重要任务之一,对于探索所谓现代农业生产管理体系对土壤质量的影响具有极为重要的现实意义,同时,对于进一步完善土壤团聚体的稳定性相关理论、建立起符合田间实际的团聚体稳定性的科学研究方法和评价体系均具有重要的科学价值。基于上述问题,本研究选用了具有代表不同粘土矿物类型和团聚体胶结剂特征的东北黑土、关中塿土和南方红壤为研究对象,在室内模拟田间溶液与过程,分别以纯水和不同浓度的无机盐、有机物溶液为分散介质,对3种土壤团聚体的组成、膨胀性、饱和导水率以及渗透性等进行了研究,以期探讨外源化学物质对不同类型土壤团聚体稳定性的作用与影响机理,获得以下主要结论:(1)在相同筛分条件和分散强度下,对比性研究了3个不同性状土壤团聚体的水稳性,结果表明,3种供试土壤在“纯水”中湿筛,其水稳定性团聚体的组成以及团聚性指标存在着明显差异,团聚体水稳定性表现为红壤黑土塿土,土壤团聚体水稳定性主要与胶结剂的类型密切相关。在含不同化学物质的溶液中对土壤团聚体进行湿筛,使得不同类型土壤团聚体的组成发生着显著的、不同方向的动态变化。与纯水相比,溶液中化学物质对各类土壤团聚体的作用方向有可能促使其进一步分散,也有可能促使其进一步团聚,其变化方向与团聚体的状态和溶液中化学物质的类型及数量有着密切关系。足见在以往土壤团聚体研究时,在“纯水”中湿筛,所获得的团聚体组成情况不符合各类土壤的田间实际。建立既符合田间团聚体存在的环境条件,又规范和具有可比性的团聚体测试条件与试验参数,将是准确评价各种田间土壤团聚状况的重要基础。(2)对于相同土壤类型,而不同肥力水平的土壤团聚体稳定性研究发现,土壤团聚体的机械稳定性、水力学稳定性都与它的肥力水平之间表现出明显的相关性。土壤肥力越高团聚体的稳定性越强。研究不同肥力水平土壤团聚体的组成情况对含氮溶液的响应,其敏感性差异极为显著。高肥力土壤,团聚化程度较高,受氮素溶液的影响较弱(迟钝);而中、低肥力土壤,团聚化程度相对较低,对氮素溶液的响应则较为强烈(敏感)。土壤肥力水平是团聚体的机械稳定性、水稳定性以及化学稳定性的重要保证。(3)通过不同价态的阳离子盐溶液对土壤团聚体稳定性影响研究发现,盐分类型和盐浓度均是影响团聚体稳定性的重要因素。盐溶液具有可能使水稳性团聚体进一步被分散,也可能抑制团聚体分散的双重性质。以有机物胶结型为主的黑土团聚体,多项团聚体指标均反映出一价钠盐有增大团聚体分散的作用,且随着盐溶液浓度增大,分散程度有明显增大趋势。二价和三价可溶性阳离子盐溶液却抑制了较大团聚体的进一步分散,可将之视为高价盐溶液对团聚体的“保护”作用。在众多团聚体稳定性指标当中,尝试用“土壤团聚体盐破坏率(PADs/w(x))”作为参数,能够较为敏感地表明各类盐溶液对不同性状土壤团聚体稳定性的影响。(4)土壤膨胀性是土壤团聚体被撕裂,结构孔隙发生剧烈变化的原因。研究不同类型土壤的膨胀性,有助于揭示团聚体稳定性差异的机理。土壤膨胀性能既依赖于构成团聚体的粘土矿物类型与数量、胶结物质的数量与质量等土壤内在属性,又依赖于土壤溶液属性。以纯水为介质,3种供试土壤团聚体的线性膨胀系数(COLE)存在着一定差异性,土壤在最大膨胀量时的COLE值黑土(0.0511)红壤(0.0429)塿土(0.0400);但在低浓度氯化钠溶液中,对黑土和红壤的膨胀性没有显著影响,却显著降低了塿土的膨胀率;如果增大盐溶液的浓度,红壤和黑土的初始膨胀速率显著降低,塿土的初始膨胀速率亦有所降低,但不够显著。说明黑土和红壤膨胀性对盐分反应敏感性需在较高浓度情况下,而塿土的膨胀性对盐分反应的敏感性在低浓度情况下呈现。在不同浓度乙醇溶液中,3种土壤线性膨胀系数变化范围均很大,足见被有机物污染的水体对土壤膨胀性产生的影响亦不容忽视。整体研究表明,各类性状土壤团聚体在不同类型溶液环境中,因其膨胀特征差别明显,对团聚体稳定性影响很大。(5)土壤饱和导水率(Ks)和渗透速率(I)在很大程度上依赖于土壤团聚体间的孔隙,而不是依赖于质地孔隙,故以饱和导水率和渗透速率的变化情况直观反映团聚体的稳定性。土壤物理学上普遍认为,饱和导水率是不随导水过程变化的“常数”,显然这是建立在土壤团聚体相对稳定、土壤“内渗透率k”不变的基础上。然而,客观事实并非如此,在预先实现土壤饱和状态的情况下,以不同类型盐溶液为流体,分析对土壤饱和导水率和渗透速率的影响后发现,土壤溶液中化学物质的种类与浓度是影响土壤水分动力学参数的重要因素。在“水分”饱和传导过程中,因团聚体的稳定性受到了土壤溶液中化学物质的作用,在不断地变化着,故土壤饱和导水率及渗透速率并不是“常数”,而是由土壤团聚体化学稳定性所决定的、与土壤溶液属性密切相关的、随着饱和导水和渗透过程变化的一个动态性参数。自然界没有绝对稳定的、不受溶液属性影响的土壤团聚体存在,故土壤饱和导水率是“常数”的情况,实际上是根本不存在的。(6)综合对比各类土壤团聚体的“水稳定性”和“化学稳定性”的结果发现,团聚体的水稳性较强的土壤却不一定是化学稳定性强的。以有机质为主要胶结剂的黑土团聚体属水稳定较差的,其化学稳定性却最强;以无机氧化物和粘粒为胶结剂的红壤团聚体属水稳性最强的,却是化学稳定性最差的;以碳酸盐为胶结剂的塿土团聚体属水稳性最差的,但化学稳定性较强。这是由于不同类型的土壤矿物类型、胶结物质的种类存在显著差异,对不同类型盐溶液的反应方式和反应能力各有不同的缘故。外源化学物质进入土壤后,不同类型土壤团聚体抗化学物质干扰的能力差异显著。因此,土壤环境中化学物质的种类与数量对土壤团聚体稳定性的影响是不容忽视的。土壤团聚体的“化学稳定性”概念与应用应当成为土壤团聚体研究体系中的重要内容。同时,在以往土壤团聚体稳定性研究和土壤水分运移性质的研究中,多用“纯水”作为分散介质或流体,不符合土壤环境实际情况,使其科学性值得进一步商榷。建立能够准确评价土壤团聚状况及其特性的标准研究体系将是土壤物理学的重要研究课题。


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