2024, Vol. 56
2. 湖南省土壤肥料研究所农业农村部湖南耕地保育科学观测实验站, 长沙 410125
黏粒矿物作为土壤组成中最重要的固相物质，对土壤结构的形成和土壤肥力的维持有重要的影响[1]。层状硅酸盐矿物的转化对土壤养分有一定的指示作用，土壤中伊利石通过对钾素的固定和释放发生矿物转化从而影响土壤内钾素含量[2]；蛭石可以由云母或水云母在微酸性条件下经过脱镁、脱钾形成[3]。层间羟基物质能够影响2:1型膨胀性矿物的阳离子交换量和对K+的固定能力[4]。铁氧化物作为团聚体的胶结物质，其形成有利于土壤固持有机碳[5]。因此研究黏粒矿物的组成与转化对调控土壤养分和肥力有重要意义。
黏粒矿物是自然气候下经过风化形成的产物，但长期的农业措施可以影响土壤中离子的浓度和组成，从而引起土壤黏粒矿物的组成变化[6]。单独施用化肥容易造成土壤酸化，导致黏粒矿物由2:1型向1:1型矿物转化[7]。水稻秸秆长期还田可提高土壤中伊利石和高岭石的相对含量，降低蛭石和1.4 nm过渡矿物的相对含量[8]。而有机无机肥配施的土壤，伊利石含量显著增加，高岭石的含量降低[9]。长期施肥也会改变铁氧化物的形态，如长期施用有机肥显著提高土壤中络合态和非晶质氧化铁的含量[10]，而施用化肥则导致红壤中晶型铁氧化物升高[11]，紫云英与不同量化肥配施能提高各粒径团聚体中非晶质铁的含量[12]。
土壤是由形状与大小各异的土壤颗粒组成的多孔介质[13]，大量研究表明黏粒矿物的组成和含量在土壤颗粒粒级间有差异。红壤中2 000 ~ 450 nm的颗粒中以长石、石英等原生矿物为主，粒级更小的450 ~ 100 nm和100 ~ 1 nm颗粒中则以伊利石和高岭石等次生矿物为主[14]。地震带上100 ~ 25 nm土壤颗粒中以次生矿物伊利石和蒙脱石为主[15]。我国地带性土壤颗粒中呈现随着颗粒粒径的减小，层状硅酸盐矿物由2:1型向1:1型转化的分布特征[16]。对于土壤中铁氧化物的分布，有研究发现在团聚体尺度上铁氧化物趋向于在微团聚体中富集[17]。
紫云英作为我国南方主要绿肥作物之一，可以增加微生物活性、提高土壤肥力，与化肥配施能够提高化肥利用效率[18-19]，已经成为农业生产中一项重要的施肥措施。但是，目前关于紫云英与化肥两者配施下，黏粒矿物的转化规律研究较少，而且土壤颗粒尺度上黏粒矿物对绿肥配施减量化肥的响应也不清楚。因此，本文以湖南省南县长期紫云英还田与不同量化肥配施的水稻土为研究对象，比较不同粒级颗粒之间的矿物组成及含量，分析黏粒矿物在纳米颗粒中的分布特点和转化规律，旨在揭示绿肥与不同量化肥配施对土壤纳米颗粒中黏粒矿物的影响效果，为绿肥的有效利用和土壤肥力演变提供理论参考。
1 材料与方法 1.1 试验区概况供试的长期定位试验开始于2008年，位于湖南省益阳市南县三仙湖乡万元桥村(29°13′N，112°28′E)，该地区属于洞庭湖双季稻区，亚热带湿润气候，海拔高度为30 m，年平均温度为16.6 ℃，多年平均日照时间为1 775.7 h，年均降水量为1 237.7 mm，年均蒸发量为1 236.2 mm。试验地土壤为河湖沉积物发育的紫潮土。紫云英品种为“湘紫1号”，供试水稻品种早稻为“湘早籼25”，晚稻为“黄华占”。
试验设6个田间处理，每处理3个重复，共18个小区，每个小区的面积为20 m2，随机区组排列，小区间用高20 cm、宽30 cm的泥埂覆膜隔离，实行单独排灌。6个处理分别为CK(不翻压紫云英，且不施化肥)、F100(不翻压紫云英，施入全量化肥)、MV+F100(翻压紫云英、施入全量化肥)、MV+F80(翻压紫云英、施入80% 化肥)、MV+F60(翻压紫云英、施入60% 化肥)、MV+F40(翻压紫云英、施入40%化肥)。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。紫云英于10月上旬播种，不添加任何肥料，在早稻移栽前一周翻压，还田量22.5 t/hm2。
1.2 土壤样品采集于2018年4月紫云英盛花期时，在每个定位试验小区按照S形采集20 ~ 40 cm土层样品，混匀，风干，分别过10目、20目、60目和100目筛待测。
1.3 土壤不同粒级颗粒的提取1) 按照斯托克斯(Stokes)沉降法提取土壤溶液中 < 2 000 nm的土壤颗粒，同时得到 > 2 000 nm颗粒的土壤样品[20]。
2) 将含 < 2 000 nm土壤颗粒的溶液进行离心，分离制备2 000 ~ 450 nm和450 ~ 100 nm粒级的颗粒样品，离心分离所需的时间和转速根据修订的Stokes方程计算[21]。
3) 将收集到的 < 100 nm悬液注入纳米粒子超过滤器(Automated Ultrafiltration Device，AUD Ⅱ，Tony Nano-techno，Taiwan)中，通过25 nm滤膜收集得到100 ~ 25 nm粒级的土壤颗粒样品[21]。
将上述得到的 > 2 000、2 000 ~ 450、450 ~ 100和100 ~ 25 nm土壤颗粒冷冻干燥，碾磨，备用。
1.4 测定项目与方法土壤基本理化性质测定[20]：土壤有机质采用重铬酸钾–硫酸亚铁滴定法测定；土壤pH采用电位法测定(土水质量比1:2.5)；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤质地(采用国际制质地分类系统)采用吸管法测定；土壤阳离子交换量采用EDTA–乙酸铵盐交换法测定。不同处理土壤的基本理化性质如表 1所示。
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表 1 不同处理土壤的基本理化性质 Table 1 Soil basic physiochemical properties under different treatments |
土壤颗粒的矿物鉴定[16]：将土壤各粒级样品经过DCB(柠檬酸钠–重碳酸钠–连二亚硫酸钠)脱铁处理后，分别制作成镁饱和定向片、镁–甘油饱和定向片和钾饱和定向片，然后进行X射线衍射(XRD)扫描分析，扫描条件为管压40 kV，管流40 mA。定向片扫描角度为3° ~ 35°，扫描速度为10°/min，步长为0.01°。将钾饱和定向片分别在110、350和550 ℃条件下加温2 h，再进行扫描分析。100 ~ 25 nm土壤颗粒样品在上海光源BL14B1线站进行同步辐射XRD扫描(能量为18 keV，光通量为6 800 s–1)，测定其矿物组成。
层间羟基物质的鉴定[22]：称取50 mg左右待测样品于50 mL离心管中，用DCB法去除游离铁铝氧化物，离心，弃去上清液后加入1 mol/L的柠檬酸钠溶液30 mL，在100 ℃条件下加热3 h，每隔1 h离心收集上清液于100 mL容量瓶中，定容。使用电感耦合等离子体发射光谱法测定提取液的铁、铝、硅浓度。
不同形态铁氧化物测定[23]：土壤中游离态氧化铁的测定采用DCB法；土壤中非晶质氧化铁的测定采用草酸铵缓冲液提取法；铁的活化度(%)=非晶质氧化铁/游离态氧化铁×100；上述各形态氧化铁采用原子吸收光谱法测定。
1.5 数据处理试验数据的统计、分析采用Excel 2010和SPSS 19.0软件，使用Jade和Origin 2023对数据进行绘图制作。
2 结果与分析 2.1 土壤颗粒中层状硅酸盐矿物的组成由于各个处理的土壤XRD图谱较为类似，所以选取具有代表性的CK处理土壤颗粒的XRD扫描图谱进行分析。由图 1可知，所有粒级中均含有高岭石、伊利石、1.4 nm过渡矿物和绿泥石，在 > 2 000和2 000 ~ 450 nm粒级中有少量石英的存在，除100 ~ 25 nm粒级外，其他各粒级还含有蛭石。XRD图谱表明，大颗粒中矿物类型较多，矿物的结晶度也较高，而纳米级颗粒中各矿物衍射峰的强度明显减弱，甚至衍射峰(14.2 Å)出现了消失的趋势，同步辐射进一步验证了这一现象。由此可知，层状硅酸盐矿物在土壤粒级分布上呈现粒级越小，矿物的类型越少，结晶度越弱的规律。这与前人研究自然条件下黏粒矿物在土壤颗粒中的变化规律相符[24]。
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(V：蛭石；HIV：1.4 nm过渡矿物；I：伊利石；K：高岭石；Q：石英；Ch：绿泥石；Mg为镁片处理；Mg-gly为镁甘油处理；K-25℃为钾饱和处理；K-110℃、K-350℃、K-550℃分别为钾加温110、350和550 ℃处理) 图 1 对照处理(CK)土壤各粒级颗粒定向片的XRD图谱 Fig. 1 Oriented XRD patterns of soil particles under control treatments |
土壤颗粒的XRD图谱半定量分析结果见表 2。与CK对比，F100处理的2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中矿物变化较明显，伊利石的相对含量增加，而高岭石和1.4 nm过渡矿物降低。说明单独施用化肥处理能减缓2 000 ~ 100 nm粒级颗粒中伊利石向高岭石的转化。这可能与土壤来自20 ~ 40 cm以及化肥能及时补充土壤养分有关[25]。从同一粒级不同处理来看，随着化肥配施量的减少，> 2 000、450 ~ 100和100 ~ 25 nm粒级颗粒中矿物呈现一致的变化规律，高岭石和1.4 nm过渡矿物的相对含量先升高后逐渐降低，而伊利石先降低后逐渐升高，其他矿物颗粒间无明显的变化规律。化肥配施量从100% 降至80%，伊利石降低了3.6% ~ 11.7%、但高岭石升高了14.1% ~ 51.2%；而从80% 降至40%，却出现了相反的趋势，伊利石升高了2.6% ~ 18.5%，高岭石降低了13.7% ~ 28.8%。MV+F80处理中高岭石和1.4 nm过渡矿物的相对含量达到最高(分别为16.3% 和7.2%)，伊利石的相对含量达到最低为61.2%，说明紫云英替代20% 化肥施用能促进2:1型矿物向1:1型矿物的转化。
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表 2 土壤各粒级颗粒中层状硅酸盐矿物的相对含量(%) Table 2 Relative contents of phyllosilicate minerals in different soil grain sizes |
各处理经柠檬酸钠提取的铁、铝和硅含量(表 3)均在1 h时为最大值，2 h时趋于稳定，不同粒级中1.4 nm过渡矿物的层间羟基铁含量为6.57 ~ 1.05 g/kg，而羟基铝、硅含量较低。F100与CK相比，除2 000 ~ 450 nm外，单独施用化肥处理的羟基铁含量均高于不施肥处理。紫云英配施化肥下，提取时间为1 h时，同一粒级不同处理的 > 2 000和100 ~ 25 nm颗粒中，羟基铁的含量随着化肥配施量的减少而降低，MV+F40处理中含量最低；2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中，羟基铁含量随着化肥用量的减少先降低后增加，MV+F60处理中含量最低。但羟基铝和羟基硅在不同处理的各个粒级之间无明显的变化规律。
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表 3 土壤各粒级颗粒中矿物层间羟基物质的提取量(g/kg) Table 3 Extraction amount of interlayer hydroxyl substances in different soil grain sizes |
不同粒级颗粒中各形态铁氧化物的含量如图 2所示。相比于CK，单独施用化肥处理(F100)游离铁的含量在 > 2 000 nm和100 ~ 25 nm颗粒中提高但未达到显著水平，而在2 000 ~ 450 nm和450 ~ 100 nm颗粒中分别显著降低了7.4%、7.5%；非晶质铁的含量在所有粒级颗粒中都有所提高，其在2 000 ~ 450 nm和100 ~ 25 nm颗粒中分别显著提高59.3%和18.6%。随着配施化肥量的减少，游离铁的含量在不同粒级颗粒中明显不同，> 2 000 nm颗粒中，游离铁的含量先显著增加，然后保持相对稳定；2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中，游离铁的含量先显著降低后逐渐升高；100 ~ 25 nm颗粒中，游离铁含量先升高后降低，在MV+F80处理中最高。而非晶质铁含量在所有粒级颗粒中呈现一致的变化规律，随着化肥配施量的减少，非晶质铁的含量先显著升高后逐渐降低；非晶质铁的含量在MV+F80处理的100 ~ 25 nm颗粒中最高，达到了9.45 g/kg。
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(图中小写字母不同表示同一粒级颗粒不同处理间氧化铁含量差异显著(P < 0.05)) 图 2 紫云英配施化肥下土壤颗粒中各形态氧化铁含量 Fig. 2 Contents of various forms of iron oxide in different soil grain sizes under combined application of Chinese milk vetch and chemical fertilizer |
层状硅酸盐矿物的相对含量(图 3)在各粒级颗粒中的组成结构相似，主要以2:1型伊利石为主，其相对含量为63% ~ 74%，其次是高岭石和绿泥石(9% ~ 14%)，1.4 nm过渡矿物和蛭石的相对含量的占比最小，只有1% ~ 7%，在100 ~ 25 nm颗粒中未检测到蛭石的存在。层状硅酸盐矿物在不同粒级颗粒中的相对含量有明显差异，相比于 > 2 000 nm和100 ~ 25 nm颗粒，伊利石的相对含量在2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中降低10% 左右，分别为65% 和63%；除 > 2 000 nm颗粒外，高岭石的相对含量保持稳定在14%；绿泥石、蛭石和1.4 nm过渡矿物在不同粒级颗粒中的相对含量表现为：2000 ~ 450 nm、450 ~ 100 nm > (> 2 000 nm)、100 ~ 25 nm。
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(去掉每个粒级颗粒中处理差异较大的两个数据，剩余4个处理视作重复取平均得到矿物的相对含量) 图 3 层状硅酸盐矿物的相对含量在各个粒级颗粒中的分布情况 Fig. 3 Distribution of contents of phyllosilicate minerals in different soil grain sizes |
各粒级颗粒中铁氧化物的含量及其铁的活化度如图 4所示。土壤颗粒中游离铁的含量介于42.72 ~ 130.12 g/kg，游离铁在不同粒级颗粒中的含量遵循以下顺序：100 ~ 25 nm > 450 ~ 100 nm > 2 000 ~ 450 nm > (> 2 000 nm)，100 ~ 25 nm颗粒中达到最高。从非晶质铁和游离铁的含量可以看出，土壤颗粒中非晶质铁的含量远低于游离铁，但与游离铁的变化一致，非晶质铁也在100 ~ 25 nm颗粒中最高，说明各形态氧化铁皆呈现向纳米颗粒(100 ~ 25 nm)中富集的现象。铁的活化度为2.26 ~ 5.58，随着颗粒粒级的减小，铁的活化度先显著降低后逐渐升高，在2 000 ~ 450 nm颗粒中最低，100 ~ 25 nm颗粒中最高，其变化与铁氧化物的含量在土壤颗粒间的分布相关，100 ~ 25 nm颗粒中非晶质铁的含量增幅比游离铁更大。
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(图中小写字母不同表示不同粒级颗粒之间差异显著(P < 0.05)) 图 4 各粒级颗粒中铁氧化物的含量及铁的活化度 Fig. 4 Iron oxide contents and iron activations in different soil grain sizes |
层状硅酸盐矿物在不同粒级颗粒中的相对含量有明显差异，2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中高岭石含量有所增加，伊利石显著降低10% 左右。这可能是因为相比于 > 2 000 nm颗粒，颗粒粒径的减小，矿物的化学风化作用增强，2:1型向1:1型矿物转化[26]。蛭石和1.4 nm过渡矿物属于膨胀性矿物，受粒径影响较大，100 ~ 25 nm颗粒中Al2O3含量增加阻止了脱硅富铝化作用，破坏了蛭石和1.4 nm过渡矿物的结构[16]，而伊利石层间吸附的K+有较强的键连作用[27]，因此导致纳米颗粒中(100 ~ 25 nm)伊利石的相对含量增加，而1.4 nm过渡矿物和蛭石极少甚至消失。在土壤团聚体中，铁氧化物向最小的黏粒中富集[17]。本试验结果类似，相比于其他颗粒，100 ~ 25 nm颗粒中各形态铁氧化物含量显著最高。
本研究中，10年紫云英还田下，随着化肥配施量从100% 降至80%，出现伊利石降低，而高岭石增加的现象，在MV+F80中分别达到最低值和最高值，继续减少化肥配施量，伊利石和高岭石的含量分别又升高和降低。研究表明，紫云英配施80% 化肥能获得显著的增产效果[28-29]，可能是因为此时作物生长吸收大量的土壤营养元素，导致土壤中钾素匮乏，促进伊利石释放钾素向其他矿物转化[30]；另一方面，由于MV+F80处理的pH(7.89)最低，土壤发生酸化，风化程度增强[2]。化肥配施量继续减少后，因绿肥所占比例增加而化肥弥补不足，紫云英产生的有机酸可以促进NH4+形成并被固定在矿物晶层，从而增加固定态铵的含量[31]，而伊利石含量与固定态铵含量相关性最好[32]，因此化肥从80% 降至40%，伊利石的相对含量出现增加现象。
土壤颗粒中的层间羟基物质以羟基铁为主，相比于CK，F100、MV+F100和MV+F80处理的含量较高，说明施肥能促进层间羟基铁的形成。有研究表明，长期有机无机肥配施均能提高土壤中非晶质铁的含量[33]。本试验发现化肥配施量对铁氧化物的影响有差异，相比于化肥配施量60% 和40%，100% 和80% 配施量对铁氧化物影响更明显，其中游离铁含量在2 000 ~ 450和450 ~ 100 nm显著降低，而非晶质铁均显著增加。可能是因为化肥量较高，其亚硝酸盐能作为低价铁的电子受体，同时磷会参与非晶质铁的吸附和解析过程，促进了非晶质铁的转化[34]。化肥配施量降低后，含氮量高的豆科植物紫云英发挥更多的养分效应，引起土壤部分营养元素失衡，微生物活性降低，菌根的生长变缓，可能是化肥配施量由60% 降至40% 非晶质铁逐渐降低的一个原因[35]。
3.2 黏粒矿物转化对养分活性的潜在影响在农药化肥减量施用的“双减”政策实施推进的背景下，本研究发现长期化肥减施促进了土壤颗粒中层状硅酸盐矿物和铁氧化物的转化，进而可能对土壤养分存在一些潜在影响。土壤中伊利石是土壤钾素储存的重要场所，伊利石释放钾素导致层间增大转变为蛭石[36]，其变化指示着土壤对作物的供钾潜力。本研究中，化肥配施量从100% 减至80%，大部分土壤颗粒中伊利石的相对含量降低，而蛭石增加。说明化肥施用量较高时，降低化肥量有助于提高土壤的供钾潜力。土壤中一部分盐基离子以矿物态形式存在于土壤矿物中，矿物化学风化时才释放出来[37]，1:1型矿物高岭石是矿物风化演化的产物[24]，其含量增加说明矿物风化作用增强。本研究中化肥从100% 减至80%，高岭石含量明显提高，表明80% 化肥施用能显著增加土壤中矿质元素活性；然而在化肥配施量为80% ~ 40% 时，伊利石增加、高岭石降低，不利于钾素和矿质元素的释放。这些显示绿肥还田配施80% 化肥时促进层状硅酸盐矿物的转化，能有效提高土壤养分活性，有利于水稻的生长，这与紫云英配施80% 化肥获得显著增产效果的报道相一致[28-29]。
本研究在所有土壤颗粒中，非晶质铁的含量在化肥配施量为80% 时最高，继续降低配施量，其含量逐渐降低。土壤中铁氧化物对土壤养分活性的影响主要体现在两方面，一方面，铁氧化物作为胶结物质能提高土壤团聚体的稳定性，从而增强土壤存储养分的能力[38]，其中非晶质铁含量的增加对提高团聚体的稳定性具有较大的贡献率[39]；另一方面，铁氧化物参与土壤磷素的吸附与解吸过程，进而影响磷的养分活性[40]。有研究表明，游离铁会吸附固定磷元素，降低其有效性，而非晶质铁的含量与土壤有效磷含量之间存在显著正相关[41]。本研究中紫云英配施80% 化肥有利于土壤中非晶质铁的形成，进而可能提高土壤磷素的活性和有效性。
4 结论长期紫云英还田减施化肥下土壤颗粒中矿物组成相似，主要以伊利石为主，依次含有高岭石、绿泥石、蛭石和1.4 nm过渡矿物。黏粒矿物的含量在不同粒级颗粒中有差异，伊利石在 > 2 000和100 ~ 25 nm颗粒中分布较多，2000 ~ 450和450 ~ 100 nm颗粒中明显减少；1.4 nm过渡矿物和蛭石在100 ~ 25 nm颗粒中显著降低甚至消失；各形态铁氧化物主要富集在100 ~ 25 nm颗粒中。紫云英还田与化肥配施后，配施量由100% 降至80% 与80% 降至40% 矿物的变化明显不同，从100% 至80%，土壤颗粒中(> 2 000、450 ~ 100和100 ~ 25 nm)伊利石的相对含量降低，而高岭石增加，继续降低配施量至40%，伊利石和高岭石的相对含量变化相反。土壤颗粒中矿物层间羟基物质主要为羟基铁，且施用较高比例化肥(100% 和80%)能促进层间羟基铁的形成。紫云英还田减施化肥下，游离铁无明显变化规律，所有粒级颗粒中非晶质铁的含量先显著增加后降低，在紫云英还田配施80% 化肥处理中增加最显著。
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