东北耕作黑钙土土壤粘粒矿物组成研究,农业基础科学论文.docx

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1、东北耕作黑钙土土壤粘粒矿物组成研究,农业基础科学论文黑土和黑钙土作为东北粮食主产区典型耕作土壤,腐殖质层深切厚重且自然肥力高。但近年来由于自然灾祸、水土流失等因素,出现了土壤保肥保水能力变弱等问题。在土壤肥力相关因素中,粘粒矿物的研究历来遭到国内外学者的重视。粘粒矿物是母质风化和成土经过的产物,与土壤性质密切相关,反映土壤风化发育程度及肥力水平。X射线衍射(XRD)分析是粘粒矿物鉴定中最为主要的手段,基于土壤粘粒具有不同晶体构造,利用XRD原理进行分析测定,具有不损伤样品、无污染、快速、测量精度高、能得到有关晶体完好性的大量信息等优点,近年来得到了广泛的应用。 研究土壤粘粒矿物组成有助于了解土

2、壤吸收及保水保肥性能,但大多数对粘土矿物的研究主要集中于南方红壤等地区,对东北耕作土壤,十分是耕作黑钙土研究还鲜 有 报道。以东北粮食主产区两种典型耕作土壤为对象,研究其颗粒组成及粘粒矿物差异特征,以期为粮食区合理改土培肥提供理论根据与技术支撑。 1 实验部分 1.1 研究区大概情况 研究区域为吉林省四平市梨树县胜利乡、泉眼岭乡,松原市前郭县岱尹乡、套浩太乡试验基地,采样地点如此图1所示。 1.2 土壤样品采集 于2018年10月采集4个土壤剖面(黑土2、黑钙土2)样品,共14个发生层次,经风干、研磨过筛后备用,基本理化性状如表1所示。【表1】 1.3 测定项目与方式方法 基础理化性质采用常规

3、方式方法测定:土壤有机质采用重铬酸钾法;pH值采用酸度计法;碱解氮采用碱解扩散法;速效磷 采 用NaHCO3浸 提-钼 锑 抗 比 色 法; 速 效 钾 采 用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定。 粘粒的分离与提取:采用吸管法和筛分法测定,称取30g风干土壤样品,将样品经30%过氧化氢去除有机质及稀盐酸脱钙处理,超声波分散处理后(150 W,3min),用筛分法分离出大于200 m粗砂,按司笃克斯定律,用虹吸法在规定时间内分别汲取小于2 m粘粒和220 m粉粒,重复提取,直至悬液中不含小于2 m粘粒和220 m粉粒为止,再分离出20200 m的细砂,对各粒级经沉淀、离心及烘干后称重,计算出各粒

4、径组分的百分含量,土壤质地分类采用国际制分类法。 XRD:经DCB法脱铁处理后,制成钾镁饱和定向试样,风干后用X射线衍射仪(XRD-7000)扫描3 30 (CuK 辐射、Ni滤波器、管压40kV、管流30mA、步长0.06 ),钾饱和定向试样经马弗炉300和550 (2h)处理后扫描3 15 ,镁 饱 和 定 向 试 样 进 行 甘 油 饱 和 处 理 后 扫 描3 13.5 。 1.4 数据计算及统计分析方式方法 使用SAS(SAS Institute,2001)进行数理统计分析,使用LSD检验(p 0.05)分析显着性差异,用Excel和MDIJade 5.0软件进行绘图。 2 结果与讨

5、论 2.1 两种土壤颗粒组成特征分析 2.1.1 累积曲线特征 图2为供试土壤的颗粒累积曲线,(a)和(b)为黑土样品,(c)和(d)为黑钙土样品,由图能够看出,供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之,黑土中三种颗粒的平均含量占 比 分 别 为77.98%,9.30%,12.72%,黑 钙 土 为80.73%,10.95%,8.32%。 粘粒含量与土壤质地密切相关,供试土壤剖面粘粒含量顺序为(b)(20.76%) (c)(16.32%) (d)(12.18%) (a)(8.56%),(a)中1 3 2 4,(b)中5 7 6,(c)中10 9 8 11,(d)中13 12 14。粘粒含量

6、最多的样品(剖面(b),质地最为粘重,从表1能够看出其为粘壤土;而粘粒含量较低的样品,粉砂的含量相对较高,为砂质壤土和砂质粘壤土(表1),这与唐炎林等人对土壤质地的研究结果相一致。 当颗粒累积率到达50%,供试土壤粒径分布在15130 m,(a)在100130 m,(b)在1535 m,黑钙土(c)和(d)在65100 m,除剖面(b)集中在粉粒级外,其他剖面主要集中在砂粒级,这与各剖面土壤质地不同有关;粒径大小顺序:(a)中1(97 m) 3(101 m) 4(108 m) 2(122 m),(b)中5(16 m) 7(20 m) 6(32 m),(c)中10(65 m) 9(73 m) 8

7、(77 m) 11(90 m),(d)中13(71 m) 12(87 m) 14(95 m)。总体而言,除剖面(a)外,其他剖面粘粒含量顺序与粒径大小顺序相反,这与郑庆福、赵兰坡等的研究结果大致一样。 2.1.2 垂直分布特征 图3为供试土壤粘粒剖面分布特征曲线,两种土壤的粘粒富集情况存在差异,黑土剖面(和)粘粒在表层富集(18.82%),黑钙土剖面(和)粘粒在是钙积层(在层次3,在层次2)富集(17.41%)。【图3】 黑钙土粘粒含量呈现表层往下逐步增加,到母质层又减少的趋势。分析其原因,黑钙土表层风化弱、降水淋溶较黑土略强,故表层粘粒含量比黑土降低了26.35%;黑钙土钙积层粘粒含量比黑土

8、高36.98%,这与其粉砂粒级的矿物风化作用较强有关,谢萍若等对红粘土的研究也得出了类似的结论。同时,粘粒含量随着土层深度的增加而增加,可能是由于剥蚀或淋溶作用使粘粒淀积迁移,这与其土壤质地的变化情况密切相关,汪景宽在研究土壤质量演变规律中也证明了这一点。 纵观四个剖面,除泉眼岭黑土剖面()外,其余剖面粘粒含量在母质层中最少。土壤深层的风化程度越高,粘化作用就会更强,泉眼岭黑土粘粒含量呈现先减少后增加的趋势,这与其在岩石风化进程中土壤质地较为均一,且土壤偏粘性有关,地势也是影响粘粒进一步向下富集的原因之一;胜利乡黑土没有更多的粘粒向下富集,可能是遭到降水和地形等因素影响的缘故。 2.2 两种土

9、壤的粘粒矿物组成及其差异分析 图4为供试土壤表层粘粒矿物XRD图谱,和为黑土样品,和为黑钙土样品,从镁风干的XRD图谱看,不同土壤差异不仅表如今衍射峰的强度,以及部分衍射峰位的变化,还表如今矿物组成上。 从镁、钾风干衍射图谱看,在0.420.43和0.33nm处出现衍射峰,证明存在石英等原生矿物;在各种原生矿物中,最难风化的是石英,其与正长石、白云母等构成了砂粒和粗粉粒的主要矿物成分。0.47nm处的特征峰讲明供试土样中均含有绿泥石;绿泥石是土壤中较为常见的矿物,主要分布在变质岩中,在成土作用早期容易风化成粘土矿物。 钾风干衍射图谱在0.71nm处出现衍射峰,经加热550处理后消失,证明存在高

10、岭石;高岭石是11型矿物,性质稳定,在温带土壤中一般含量较低,在花岗岩和伟晶岩的蚀变经过中,长石很可能蚀变成埃洛石,而云母则蚀变成高岭石。在1.00,0.50和0.33nm出现衍射峰,讲明含有较多的云母及伊利石,且黑土衍射峰强度略高于黑钙土,这与郑庆福等的研究结果相一致;伊利石是粘粒中最主要的含钾矿物,属于21非膨胀型矿物,在弱淋溶条件下,则可向蒙脱石转化。 4个图谱均在镁-粘粒(风干)1.42nm处出现衍射峰,且经甘油处理后,大部分膨胀至1.8nm左右,表示清楚黑土、黑钙土粘粒中含有大量的蒙脱石,很多学者的研究也得出了相类似的结论。根据钾-粘粒(风干)图谱1.0和1.4nm衍射峰能够推断,甘

11、油处理后不发生膨胀的1.42nm矿物,在黑土中为蛭石,在黑钙土中为21型过渡矿物,这与赵兰坡等的研究结论相一致。蒙脱石属于21膨胀型粘土矿物,晶层间的距离发生改变后易构成混层矿物,可以以经伊利石、蛭石、绿泥石转化而成;蛭石属于21膨胀型粘土矿物,结晶构造与伊利石类似,大多产生于云母和伊利石的进一步脱钾,可以从蒙脱石或绿泥石转变而成;伊利石是由长石、云母风化脱钾构成的,同晶替代作用较强,膨胀性和吸附能力介于高岭石和蒙脱石之间。 综上,供试土壤主要以21型粘粒矿物为主,源于东北季风气候气温较低,降水偏少,处于这一气候带内的黑土和黑钙土淋 溶 淀 积 作 用 相 对 较 弱,粘 粒 矿 物 的 组

12、成 大 致 类似,但也存在一定的差异,黑土为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且黑土、黑钙土中均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。 3 结论 (1)供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之;当颗粒累积率到达50%,粒径分布在15130 m,除泉眼岭黑土剖面集中在粉粒级外,其他剖面主要集中在砂粒级;除胜利乡黑土剖面外,其他剖面粘粒含量顺序与粒径大小顺序相反。 (2)黑土剖面粘粒在表层富集(18.82%),黑钙土剖面在钙积层富集(17.41%),且黑钙土粘粒含量呈现表层往下逐步增加,到母质层又减少的趋势。纵观四个剖面,除泉眼岭黑土剖面外,其余剖面粘粒含量在母质层中最少。 (3)供试土壤表层粘粒矿物XRD图谱分析表示清楚:不同土壤差异不仅表如今衍射峰的强度,以及部分衍射峰位的变化,还表如今矿物组成上。黑土粘粒矿物组成为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且黑土、黑钙土中均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。