2019, Vol. 56
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有机质在农田土壤水、养增容及适耕性改善等方面均起到重要作用，其在土壤中的累积过程与稳定机制受到国内外学者的普遍关注[1]。土壤有机质的稳定受到物理、化学、生物等因素的影响[2-3]。有机物料在微生物等因素共同作用下发生明显的矿化行为，新生成的腐殖质在钙镁、铁铝及其氧化物键桥的作用下与黏土矿物形成有机质-矿质复合体，并通过进一步的缩合反应形成稳定的有机质[3-5]。有机矿质复合体的形成不仅与黏土矿物有关，还受到矿质元素阳离子及其金属氧化物较大的影响。李世鹏等[6]和雷敏等[7]研究发现土壤有机质累积与钙镁键有关，但也有研究认为两者无明显关系；Wei等[8]发现有机质受到土壤铁铝，尤其非晶型铁铝氧化物的影响较大；Yu等[9]研究发现有机矿质复合体中除了含有Al3+、Fe3+和O-H-键，还有大量的Si-O2+键，Si-O2+键在非晶型铁铝氧化物的生成中起到至关重要的作用。长期单施有机肥或无机化肥均不利于Si-O2+键的生成，在一定程度上抑制了非晶型纳米矿物的生成，间接制约了土壤有机质的稳定与累积[9]。综上所述，有机矿质复合体的形成是制约有机质累积的关键因子之一，但受制于多种因素影响，其形成过程与机制因土壤类型、施肥措施不同而异，存在较多不确定因素[10]。系统地研究土壤有机矿质复合体类型、含量分布特征，及其与典型矿质元素阳离子、金属氧化物间的关联将有助于揭示这一复杂过程。
我国砂姜黑土面积约400万hm2，广泛分布于黄淮海平原，且以皖北区域分布面积最大[11]。由于该类型土壤黏粒含量较高（> 350 g·kg-1），且以蒙脱石为主，具有典型的湿胀干缩现象，严重制约区域农田作物产量的稳定与进一步提升。当前，秸秆还田是该类型土壤改良的重要农业措施之一，但在先前的研究中发现即使经过长达10 a的秸秆还田，砂姜黑土有机质提升依然不超过5.00 g·kg-1[12]。尽管有研究认为黏土矿物可通过有机矿质复合体的形成稳定土壤有机碳，但在该类型土壤中蒙脱石对土壤有机质累积的促进作用并不明显[3]。本研究依托典型砂姜黑土区秸秆还田长期定位试验，系统研究了土壤有机矿质复合体中的有机质含量分布特征，及其与典型矿质元素阳离子、氧化物间的关联特征，以期找出制约该类型农田有机质累积的关键机制，为该类型土壤改良提供理论依据，并推动土壤有机矿质复合体形成机制的研究。
1 材料与方法 1.1 田间试验设计田间试验设置于农业部华东地区作物栽培科学观测实验站（116°56′E，33°16′N；安徽蒙城），年平均气温15℃，年均降水量850 mm，分布不均且主要集中于夏季。土壤类型为砂姜黑土，是一种典型的变性土[13]。采用小麦、玉米一年两熟轮作制。供试小麦和玉米品种分别为“烟农19”和“郑单958”。
田间试验始于2007年，设置5种秸秆还田模式：小麦和玉米秸秆双季还田+常规氮磷钾(WMS+F)、小麦秸秆还田+常规氮磷钾（WS+F）、玉米秸秆还田+常规氮磷钾（MS+F）、常规氮磷钾（F）和秸秆不还田下的不施肥处理（对照，CK）。单个小区面积5.4×8.5 m2，每处理设置3个重复。小麦播种采用带状旋播机，播种带宽12 cm，带距24 cm，播种量为135 kg·hm-2；玉米等行距播种，行距60 cm，密度为每公顷67 500株。作物收获后，采用秸秆还田机直接粉碎还田。磷、钾肥以基肥为主，播种前一次性施入。氮肥施用分基肥和追肥。小麦和玉米季基追比分别为55%:45%和50%:50%。肥料施用量（表 1）等同于当地大田常规水平。
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表 1 田间试验设计与化肥施用量 Table 1 Treatments and chemical fertilizer application rates in the field experiment/(kg·hm-2) |
2017年10月玉米收获后，按对角线法采集耕层（0~20 cm）土壤样本。土壤样本带回实验室风干后过2 mm筛，用于土壤基本理化性质测定（表 2）。
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表 2 耕层（0~20 cm）土壤基本理化性质 Table 2 Basic physical and chemical properties of the surface layer (0~20 cm) soil |
土壤基本理化性质测定[14]：pH采用电位计法测定，土水比为1:2.5；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵（1 mol·L-1）交换法测定；有机质采用丘林法测定；全氮采用半微量凯氏法测定；全磷采用酸溶—钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融—火焰光度法测定；有效氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定；有效磷采用碳酸氢钠法测定。交换性钙镁的测定采用1mol·L-1乙酸铵（pH=7）浸提，电感耦合等离子发射光谱（iCAP 6300 Series，美国赛默飞世尔）法测定。
土壤有机质的分级参阅文献[14]。轻组分：采用密度为1.8 g·cm-3的碘化钠试剂分离，并利用分离前后质量差值计算轻组分有机质含量；钙镁键合态有机质：采用0.5 mol·L-1硫酸钠溶液浸提（土水比为1:10），并清洗浸提土壤至无钙离子溶出，与首次浸提液合并，定容待测；铁铝键合态有机质：上述提取残留土壤加入氢氧化钠和焦磷酸钠混合溶液（NaOH，0.1 mol·L-1；Na4P2O7，0.1 mol·L-1）间歇性振荡12 h（土水比为1:10），分离上清液，反复提取至上清液接近无色。残留于土壤中的有机质即为紧密结合态有机质。提取液中有机碳的测定采取总有机碳（TOC）测定仪（Nulti C/N 3000，德国耶拿）。紧密结合态有机质测定采用丘林法[14]。
短程有序及有机结合态金属氧化物测定参阅文献[14-15]。短程有序铁铝氧化物：采用0.1mol·L-1酸式草酸铵浸提（土水比为1:50）；持续振荡4 h，510 r·min-1离心10 min，分离上清液，遮光保存，待测。有机质结合态铁铝氧化物：采用0.3 mol·L-1的焦磷酸钠溶液浸提（土水比为1:100），持续震荡16 h，510 r·min-1离心10 min，分离上清液，待测。浸提液中铁、铝及硅含量测定均采用电感耦合等离子体原子发射光谱（iCAP 6300 Series，美国赛默飞世尔）法。
1.3 数据处理非晶型铁铝氧化物及水铝英石含量的计算参考文献[15]：
| $ 非晶型铁氧化物= F{e_o} - F{e_p} $ | (1) |
| $ 非晶型铝氧化物 = A{l_o} - A{l_p} $ | (2) |
| $ 水铝英石= \frac{{100 \times S{i_o}}}{{23.4 - 5.1 \times \frac{{A{l_o} - A{l_p}}}{{S{i_o}}}}} $ | (3) |
式中，Feo、Alo、Sio表示短程有序的铁铝硅氧化物含量，g·kg-1；Fep、Alp表示有机络合的铁铝氧化物含量，g·kg-1。
数据及图形处理采用Microsoft Excel 2007。数据统计依托SPSS17.0，采用最小显著差异（LSD）法进行多重比较，检验处理间的差异（P < 0.05）。
2 结果 2.1 秸秆还田对土壤有机矿质复合体中有机质累积的影响典型砂姜黑土有机质含量约19.16 g·kg-1（表 2），略高于相同区域潮土有机质含量[16]。经过长期不同秸秆还田处理，土壤有机质含量均出现不同程度的累积（表 3）。2017年化肥配施下的小麦秸秆还田（WS+F）处理土壤有机质含量与小麦玉米秸秆双季还田（WMS+F）、玉米秸秆单季还田（MS+F）、化肥氮磷钾配施（F）处理相似，均显著高于对照。长期秸秆不还田和氮磷钾的平衡施用（F处理）同样促进了土壤有机质的累积。
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表 3 长期不同秸秆还田模式下土壤有机矿质复合体中有机质含量 Table 3 Content of OM in mineral-bound organic matter complexes relative to treatment |
依据有机矿质复合体的形成机制可将土壤有机质划分为轻组分、钙镁键合态、铁铝键合态和紧密结合态有机质[3-5, 17]。该类型土壤有机质以紧密结合态为主（表 3），约12.36 g·kg-1，占其总量的64.41%左右；其次为铁铝键合态有机质（24.19%）和轻组分（9.00%）。钙镁键合态有机质含量较低，均值为0.05 g·kg-1，不超过土壤有机质总量的0.50%。
经过长期不同的秸秆还田，不同组分有机质均呈现为秸秆还田处理（WMS+F\WS+F\MS+F）土壤中的含量相似，高于化肥处理（F），显著高于对照（CK）。这与土壤有机质总量的变化基本一致。秸秆还田处理土壤紧密结合态有机质累积量约为2.09 g·kg-1，明显高于铁铝键合态有机质累积量（1.17 g·kg-1）。钙镁键合态有机质含量较低，对土壤有机质的累积无明显贡献。
2.2 秸秆还田对土壤交换性钙、镁含量的影响典型砂姜黑土可交换性Ca2+、Mg2+含量分别为9.25 cmol·kg-1和3.82 cmol·kg-1（图 1），处于中等水平[18]。经过长期不同秸秆还田处理，土壤中交换性Ca2+、Mg2+含量均有不同程度的下降，尤其是钙的含量显著低于对照。MS+F处理土壤的Ca/Mg比值与WMS+F、WS+F及单纯化肥处理（F）土壤相似，显著低于对照处理。经过长期磷肥（磷酸二氢钙）处理，土壤中交换性钙并未出现明显累积，Ca/Mg比值有降低的趋势。
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图 1 长期不同秸秆还田模式下土壤交换性钙镁含量 Fig. 1 Content of soil exchange Ca2+ and Mg2+ in the soil relative to treatment in the long-term field experiment |
土壤短程有序铁铝氧化物主要由有机结合态和非晶型铁铝氧化物组成[14-15]。土壤中短程有序铁铝氧化物的含量（表 4）均值分别为1.75 g·kg-1和1.42 g·kg-1，最多可产生键合19.49 cmol·kg-1（Al3+）、5.09~7.63 cmol·kg-1（Fe2+~Fe3+），明显高于土壤交换性钙镁键合总量（图 1）（13.07 cmol·kg-1）。
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表 4 长期不同秸秆还田模式下土壤铁铝氧化物含量 Table 4 Content of soil Fe/Al oxides relative to treatment /(g·kg-1) |
经过长期秸秆还田处理，土壤短程有序铝的含量有所提升，显著高于对照（表 4）。有机结合态铁铝则呈现在WMS+F和WS+F处理土壤中的含量相似，明显高于其余处理，尤其是对照。这与不同秸秆还田处理下土壤有机质累积特征（表 3）较为相似，但明显有别于土壤非晶形铁铝氧化物含量的变化特征。经过长期秸秆还田，在土壤有机质累积的同时，短程有序和有机结合态铁铝氧化物的含量均有所提升，但明显降低了土壤非晶型铁铝氧化物的含量。
土壤中水铝英石和非晶型铁铝氧化物含量的变化较为一致，均呈现在WMS+F和WS+F处理土壤含量相似，低于其余处理（表 3）。相关拟合结果（图 2）显示，土壤中的水铝英石与短程有序、有机结合态硅的含量显著正相关，但与非晶形硅呈现显著负相关。这与土壤不同形态铁铝氧化物含量变化特征相同。
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注：*、**分别代表 5%、1%的显著水平（n=15）。下同 Note:*, **represents a significance at 5% and 1%, respectively (n=15) ①Short-range ordered, ②Organo-bound, ③Amorphous. The same below 图 2 土壤不同形态硅与水铝英石间的协同关系（n=15） Fig. 2 Synergistic relationship between different forms of silicon and allophane in soil (n=15) |
在不同秸秆还田模式下，该类型农田土壤有机物料来源主要有秸秆和作物根系[12, 19]。尽管有机物料来源总量因还田模式不同而有很大差异，但这并未显著影响到土壤有机质的累积。比如，小麦秸秆当年还田量约15.0 t·hm-2，而玉米秸秆年度还田量则高达22.5 t·hm-2。经过长期不同秸秆还田处理，土壤有机质累积量不超过4.0 g·kg-1，且处理间的差异不显著（表 3）。小麦、玉米秸秆双季还田与作物秸秆的单季还田相比并不能显著促进土壤有机质的累积，与长期氮磷钾平衡施肥处理土壤有机质累积量较为接近。这表明在该类型土壤中有机质累积受到明显抑制，并不完全取决于外源性有机物料的输入量[12]。
依据秸秆矿化、有机-无机矿质复合体形成机制可知轻组分以未腐化的作物秸秆和根系为主；钙镁、铁铝键合态有机质则与新生成的腐殖质有关，在土壤有机质的稳定和累积中起到重要的过渡作用；而紧密结合态腐殖质则是在钙镁、铁铝键合态有机质的基础上通过进一步缩合反应而成，性质较为稳定[3-5]。土壤有机质累积是多组分共同作用、叠加的结果，这在相关分析结果（表 5）中得到很好的验证。轻组分、钙镁、铁铝键和紧密结合态有机质均与土壤有机质总量呈正相关，尤其铁铝键和紧密结合态有机质与有机质全量的关系达到显著正相关。土壤有机质累积主要受到铁铝键和紧密结合态有机质尤其后者的影响较大。尽管不少研究认为，钙镁键合态有机质是土壤腐殖质的重要形态，但在典型砂姜黑土中的含量及其对土壤有机质的贡献要远远小于铁铝键和紧密结合态有机质[6-8]。
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表 5 金属氧化物与土壤有机矿质复合胶体的相关性 Table 5 Correlation analysis of metal oxides with soil organo-mineral composite colloids |
Ca2+和Mg2+是土壤中最主要的盐基离子。在盐基饱和的土壤中可交换性Ca2+、Mg2+含量一般可占土壤交换性离子总量的90%~95%，且以钙离子为主。砂姜黑土分布区是典型重碳酸盐的富集区，在气候及土壤水分季节性干湿交替作用下形成大量砂姜岩（石灰结核）[16]。富含钙离子曾经是该类型土壤最典型的特征，但在本研究中发现土壤中交换性钙镁含量并不高，这可能与土壤人为耕作熟化过程中离子的淋溶有很大关系[18, 20]。Ca2+和Mg2+为互补离子，钙/镁比值的不同在一定程度上反映了两种离子的动态变化[21-22]。土壤中的交换性钙/镁比值呈现下降趋势，这同样表明外源性钙离子发生了明显的淋溶迁移行为[23]。在该类型土壤中交换性钙镁键合量要低于铁铝潜在可供键合量，这是土壤钙镁键合态有机质含量较低的重要原因之一。
由于钙镁以离子交换键为主，而铁铝键更多生成共价键，钙镁键所形成有机-无机矿质复合体稳定性较后者差很多[24]。钙镁键复合体在不能向更稳定的有机矿质复合体转化的情况下，土壤有机质有可能因离子键的断裂而向游离态方向转化[25]。虽然有研究认为钙镁离子在土壤有机质累积中起到重要作用，但其并不是关键因素[23]。
3.3 长期秸秆还田对铁铝键合态有机质的影响铁铝是土壤中的大量元素，但其对环境的影响主要取决于活性较高的短程有序铁铝氧化物[26]。经过长期不同秸秆还田处理，在有机质累积过程中土壤pH下降明显，氧化还原电位也会发生不同程度的变化，这会促进碱基阳离子的淋溶迁移行为，对土壤金属氧化物亦有很强的活化作用[27-29]。经过不同的秸秆还田处理，土壤有机质与短程有序铁铝氧化物含量均有了明显的提升，这与相关的研究较为一致：多个研究均发现土壤有机质与短程有序铁铝氧化物含量显著正相关（P < 0.05）[9, 26, 29]。
非晶型黏土矿物具有较大的比表面积，可通过配位键形成有机-无机矿质复合体，稳定土壤有机质[30]。总有机质、铁铝结合态和紧密结合态有机质含量与土壤短程有序、有机结合态铁铝含量皆呈显著正相关，但与非晶型铁铝氧化物含量呈明显的负向相关性。由于短程有序金属氧化物主要由有机结合态和非晶型金属氧化物组成，短程有序铁铝氧化物与有机质间的复合降低了非晶型铁铝氧化物在土壤中的含量[9, 26]。这表明非晶型铁铝氧化物的生成需要一定时间，有可能是限制土壤有机质进一步累积的重要原因之一。
水铝英石是土壤中典型富含铝氧化物的非晶型黏土矿物[15]。水铝英石的形成离不开硅氧键的参与[9, 29, 31]。Xiao等[29]和Xie等[31]认为经过有机无机化肥处理，在土壤微生物及相关酶的共同作用下形成大量硅氧键促进土壤非晶型黏土矿物（水铝英石、伊毛缟石、水铁矿等）的生成。本文研究结果显示，土壤水铝英石与短程有序和有机结合硅呈显著正相关，但与土壤非晶型硅显著负相关（P < 0.05）（图 2）。水铝英石与不同形态硅间的相关分析结果表明，秸秆还田及肥料的长期施用提高了该类型土壤中硅的活性，促进了水铝英石的生成，并参与了有机矿质复合体的形成。由于非晶型硅的含量有限，生成速度较慢，在一定程度上制约了非晶型水铝英石的生成[20]。这与相关的研究结果[9, 29, 31]较为一致。短程有序铁铝氧化物对土壤有机质的影响，在非晶形水铝英石的形成中得到了很好的验证。
3.4 长期秸秆还田对紧密结合态有机质的影响有不少研究认为紧密结合态有机质以胡敏素为主，与黏土矿物紧密结合在一起，性质稳定，形成需要较长时间[32-34]。本研究结果显示，在过去的十年中形成了数量可观的紧密结合态有机质（2.09 g·kg-1），对土壤有机质累积的贡献接近65%，要明显高于铁铝键合态有机质（1.17g·kg-1）及其他组分。
综合上述研究结果可发现，在该类型土壤中有机质累积受到多组分的影响，但最终以铁铝键合和紧密结合态的形式稳定下来。紧密结合态有机质最能影响该类型土壤有机质的累积。出现这种现象的可能原因主要有如下几点：一、铁铝键合态有机质稳定性要明显高于钙镁键合态，但依然具有一定的活性，在不能向更稳定的有机质形态转化的情况下有可能发生明显的矿化行为[25]；二、土壤中铁铝键合态有机质与短程有序尤其非晶型铁铝氧化物有关，但相关氧化物在土壤中的含量有限，且生成时间较慢，限制了该类型有机质的持续累积[27]；三、紧密结合态有机质与黏土矿物间的键合和结构稳定性均要明显强于其余组分。团聚体中生物有效性较低，是造成其持续累积的关键原因[32-34]。
黏土矿物类型、矿质元素阳离子及其金属氧化物含量等因素均因土壤不同而有较大差异。紧密结合态有机质的生成机制，及其对不同土壤有机质累积的贡献依然有待于进一步探索。
4 结论经过长期秸秆还田土壤有机质呈现较为明显的累积，明显高于单纯的氮磷钾处理，显著高于对照。小麦秸秆与玉米秸秆还田相比更能促进土壤有机质的累积。有机矿质复合体中的有机质主要以铁铝键合态和紧密结合态有机质的形式存在，累计占其总量的88.70%，并与土壤有机质全量呈现一致的变化规律。钙镁累积曾经是砂姜黑土最典型特征，但以淋溶迁移为主，对土壤有机矿质复合体中的有机质影响较小（P > 0.05）。铁铝、紧密结合态有机质与土壤短程有序、有机结合态铁铝氧化物呈显著正相关，但与非晶型铁铝氧化物呈现负相关性。非晶型铁铝氧化物生成速度较慢、含量不足是限制土壤有机质累积的关键因素。由于紧密结合态有机质与铁铝键合态有机质更能影响土壤有机质累积，相关生成转化机制值得进一步研究。
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3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China