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1黏粒礦物

黏粒礦物是生物和水與巖石的界面過渡帶，也是土壤形成的主要基質(zhì)，其礦物種類組成，決定著土壤的基本特性。由于不同的黏粒礦物有著差異較大的比表面積、電荷和陽離子交換能力，對(duì)土壤養(yǎng)分的釋放和固定作用的影響較大，尤其對(duì)鉀的釋放。但隨著環(huán)境條件的變化，黏粒礦物組成也會(huì)發(fā)生一定的變化，從而影響土壤養(yǎng)分的吸持能力。2007年Barr6通過長期施鉀肥和黑麥草耗鉀試驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)2：1黏土礦物的cg與鉀的施人具有顯著的相關(guān)性，并認(rèn)為類伊利石層間礦物是鉀的存儲(chǔ)庫⋯。VeldeandPeck對(duì)經(jīng)過83年長期不施肥和持續(xù)的農(nóng)作條件下的土壤礦物研究，發(fā)現(xiàn)該土壤I／S混層礦物中的蒙脫石的含量增加_2l。Velde等I3】在研究自然草原發(fā)育的土壤剖面時(shí)，發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)800年發(fā)育的土壤表層以無序的伊利石I／S礦物為主，而在較深的部分則以蒙脫石I／S礦物為主，表明農(nóng)業(yè)利用對(duì)土壤黏粒礦物組成和礦質(zhì)營養(yǎng)元素的含量產(chǎn)生一定的影響。而鄭慶福等(2010)在對(duì)多年開墾利用的黑土的研究中發(fā)現(xiàn)，證實(shí)東北黑土中的黏粒礦物組成并不全是以蒙脫石為主，而是以S／I混成礦物為主，在不同作物利用下，會(huì)發(fā)生不同變化。在吉林種植玉米區(qū)域的黑土為S／I混成一伊利石一蛭石類型，而黑龍江種植大豆區(qū)域黑土主要以伊利石一S／I混成類型【4]，充分表明不同的耕作方式會(huì)對(duì)土壤黏粒礦物的組成發(fā)生重要影響，并與傳統(tǒng)上的認(rèn)識(shí)(土壤黏粒礦物不會(huì)再短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變)相悖。因此為了明確農(nóng)業(yè)利用方式對(duì)土壤黏粒礦物組成和肥力的影響，故在2000年和2008年從東北黑土多點(diǎn)取樣分析，以其揭示傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)土壤黏粒礦物及土壤養(yǎng)分的影響。

2材料與方法

2．1樣品采集

樣品采集于2000年，是在東北黑土區(qū)內(nèi)，沿黑龍江省和吉林省中部的京哈鐵路東西兩側(cè)，從南到北跨越5個(gè)緯度，取樣點(diǎn)經(jīng)區(qū)域調(diào)研和GPS進(jìn)行定位，確定6個(gè)取土點(diǎn)，2008年在此定位點(diǎn)繼續(xù)采樣，采集的黑土土樣，均勻混合，采用四分法留取1kg土樣，裝入經(jīng)標(biāo)記的自封塑料袋。

2．2土壤理化性質(zhì)測定

有機(jī)質(zhì)的測定：采用重鉻酸鉀法一外加熱法；速效鉀的測定：采用醋酸銨溶液浸提一火焰光度法測定；pH值的測定：采用電位法；離子交換量測定：采用乙酸銨法。

2．3XRD衍射分析

<2m黏粒的分離與提取：將耕層剔去粗的有機(jī)質(zhì)殘?bào)w，用30％HO分解有機(jī)質(zhì)后離心，加少量0．5mol／LNaOH溶液，調(diào)節(jié)懸液pH至膠體懸浮后，經(jīng)超聲波法(21．5kHz，300mA，30min)分散后，根據(jù)Stoke原理所確定的沉淀時(shí)間提取小于2m黏粒，如此重復(fù)提取，直至懸液中不含小于2m黏粒為止I5_，其它粒級(jí)繼續(xù)用沉降法和篩分法提取，并分別定量求出各粒級(jí)的百分?jǐn)?shù)。x射線分析：將<2m的黏粒經(jīng)連二亞硫酸鈉一檸檬酸鈉一重碳酸鈉法f簡稱DCB法)脫鐵處理后【，分別制成鉀飽和定向試樣和鎂飽和定向試樣，制成定向試樣經(jīng)自然風(fēng)干處理后用x射線衍射儀(島津7000型)在CuKa輻射、Ni濾波器、40．0kV、30．0mA、步長為0．04o條件下測定，然后將鉀飽和定向試樣進(jìn)行2次加熱處理(馬弗爐中300℃和550℃條件下加熱2h)和鎂飽和定向試樣進(jìn)行甘油飽和處理后測試【7】。

2．4數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)主要利用SPSS18．0的單因素進(jìn)行分析，然后用MDIJade5．0軟件采用9點(diǎn)光滑處理和進(jìn)行匹配『8_，依據(jù)5種測試條件下獲得的XRD衍射譜進(jìn)行疊加對(duì)比對(duì)黏土礦物進(jìn)行鑒定。并計(jì)算了每個(gè)衍射峰的積分強(qiáng)度和峰高，應(yīng)用沉積巖黏粒礦物相對(duì)含量x射線衍射分析方法在鎂飽和風(fēng)干、鎂甘油飽和處理和加熱550℃處理的XRD衍射譜上對(duì)伊利石、蒙伊混層礦物、綠泥石、高嶺石和蒙脫石進(jìn)行半定量計(jì)算。

3結(jié)果與分析

3．1東北黑土利用時(shí)間對(duì)土壤顆粒組成的影響

東北黑土經(jīng)過8年的農(nóng)業(yè)利用后，土壤的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。其中2008年黑土的0．002～0．02mm的粉粒含量較2000年極顯著降低(F=5．84>P。0=O．026)。砂粒也有所降低，表明土壤較大顆粒的風(fēng)化較為強(qiáng)烈。但土壤黏粒含量增加并未達(dá)到顯著，這可能是因黑土水土流失所致。

3．2東北黑土利用時(shí)間對(duì)土壤顆?；瘜W(xué)性質(zhì)的影響

通過可知，東北黑土經(jīng)過8年的農(nóng)業(yè)利用后，對(duì)土壤顆?；瘜W(xué)性質(zhì)的影響均較為顯著。2008年東北黑土的含水量、CEC、交換性Ca、交換性Mg、鹽基飽和度、交換性酸、交換性鋁和交換性總酸均較2000年極顯著增加。2008年東北黑土的交換性K和Na較2000年極顯著減少。由此說明農(nóng)業(yè)利用對(duì)黑土土壤的鉀、鈉淋失較為嚴(yán)重，土壤礦物水化程度提高，交換性鈣的富集率較高，由于無平衡離子的補(bǔ)充，土壤酸化程度嚴(yán)重。

3．3東北黑土利用時(shí)間對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2008年東北黑土全磷含量(TP1較2000年極顯著降低(F=22．44>P。．ol=0．001)，全鉀含量(TK)較2000年極顯著提高(r=15．4>P。．。=0．001)，速效氮(AN)較2000年顯著降低(F=22．44>Po．ol=0．0011。其他養(yǎng)分的差異未達(dá)到顯著，說明在農(nóng)耕中，土壤有機(jī)質(zhì)因種植利用受到一定破壞，但仍能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)對(duì)土壤養(yǎng)分利用差異。

3．4東北黑土利用時(shí)間對(duì)土壤表層黏粒礦物組成的影響

在2000～2008年期間的8年農(nóng)業(yè)利用對(duì)東北黑土黏粒礦物組成的影響較為明顯，其中伊利石含量極顯著降低(F=11．25>P。．。=0．003)，而高嶺石和蒙脫石含量極顯著增加(F=11．67>Po_01=0．003；F=13．89>Po01=0．001)，S／I混層礦物含量也較2000年的高，表明在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高強(qiáng)度利用下，東北黑土顆粒物理風(fēng)化強(qiáng)烈，鉀的耗竭量急劇增加，使伊利石脫鉀后演化為S／I混層礦物，并有部分演化為蒙脫石和高嶺石。

4討論

通過歷經(jīng)8年的農(nóng)業(yè)利用前后的東北黑土黏粒礦物組成對(duì)比，其結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了Mathe等在局部環(huán)境條件下對(duì)近期自然拓荒利用的土壤黏土礦物研究的結(jié)果，即隨著土壤利用年齡的增加，綠泥石被移除，I／S中伊利石的含量增加【m】。而劉永輝等人通過長期施肥對(duì)土壤黏粒礦物組成影響的研究發(fā)現(xiàn)，伊利石與蛭石有顯著消長關(guān)系，同時(shí)也受施肥的影響⋯】，說明土壤受農(nóng)業(yè)利用強(qiáng)度加強(qiáng)，以及對(duì)土壤培肥的忽視，土壤的風(fēng)化程度加強(qiáng)，黏粒礦物的風(fēng)化進(jìn)程加強(qiáng)，黏粒礦物組成在短期內(nèi)可以發(fā)生顯著變化，對(duì)土壤肥力也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的影響。Barr6等[121研究指出，秸稈還田可在一定程度上阻止伊利石向蛭石轉(zhuǎn)化。從而說明，土壤經(jīng)過及時(shí)培肥，也可抑制黏粒礦物的轉(zhuǎn)換，從而保持土壤原有的肥沃性質(zhì)。以上這個(gè)結(jié)論也否定了人們傳統(tǒng)認(rèn)為土壤黏粒礦物是惰性的、難以變化的思維。經(jīng)過研究證明，土壤黏粒礦物，區(qū)別于礦藏性的黏粒礦物，其性質(zhì)不僅活潑，而且很容易發(fā)生變化。在有機(jī)質(zhì)的參與下，礦物層間發(fā)生強(qiáng)烈的離子交換，在較少的離子回補(bǔ)條件下，特別是在高強(qiáng)度的耕作利用條件下，黏粒礦物層間離子被大量快速地交換掉，而發(fā)生層間收縮坍塌，使黏粒礦物發(fā)生質(zhì)的變化。進(jìn)一步明確黏粒礦物的性質(zhì)，及對(duì)土壤肥力的影響。

5結(jié)論

5．1經(jīng)過8年的農(nóng)業(yè)開墾利用后，東北黑土的0．002～0．02mm粉粒含量顯著降低(F=5．84>P0．01=0．026)，而黏粒含量因水土流失，增加未達(dá)到顯著。土壤交換性離子活性較強(qiáng)，均極顯著增加，但因交換性K和Na顯著減少，而無平衡離子的補(bǔ)充，土壤酸化程度加重。

5．2東北黑土開墾利用后，其有機(jī)質(zhì)含量降低，對(duì)養(yǎng)分保蓄的能力明顯下降，而全鉀和有效鉀增加則因近來注重平衡施肥所致。

5．3農(nóng)業(yè)開墾利用促進(jìn)土壤黏粒的物理風(fēng)化強(qiáng)烈，鉀的耗竭量急劇增加，使伊利石脫鉀后演化為S／I混層礦物，并有部分演化為蒙脫石和高嶺石，使土壤黏粒礦物組成發(fā)生顯著變化。