不同有机改良剂对土壤团聚体和溅蚀的影响及机制
土壤结构与功能退化是生态系统退化的重要体现，而有机改良剂应用是提升土壤结构与功能的有效途径。团聚体是土壤结构的基本组成单元，对土壤功能的调节和维持至关重要。全球气候变化背景下，极端降雨事件频发导致土壤遭受严重的水力侵蚀。团聚体破碎是土壤水蚀发生的重要原因，其破碎强度直接影响了土壤侵蚀强度。因此，阐明有机改良剂对土壤团聚体稳定性及抗侵蚀能力的影响对于量化其提升土壤功能的作用具有重要科学意义。水分驱动团聚体破碎的内在过程受土壤颗粒间相互作用力（包括静电斥力、范德华引力、水合斥力）的影响和控制，有机改良剂通过改变土壤理化性质引起土壤颗粒间作用力变化，进而影响土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力。不同类型有机改良剂和添加比例的应用效果存在较大差异，但是基于土壤颗粒间作用力下不同类型有机改良剂对土壤团聚体稳定性和抗溅蚀能力影响的差异及机制仍不清楚。本研究以生物炭、风化煤和草炭三种有机改良剂为供试材料，以塿土为研究对象，通过田间定位试验和室内模拟分析，开展了不同添加比例下（1%、2%、3%）改良剂一次施用对土壤改良效果的研究，明确了不同有机改良剂对土壤基本理化性质及土壤颗粒表面电化学性质影响的差异，揭示了不同有机改良剂对土壤团聚体稳定性及抗溅蚀能力影响的差异及内力作用机制，为有机改良剂在土壤质量提升实践中的选择和应用提供了理论依据。主要取得以下研究结果： （1）改良剂添加4年后，不同改良土壤的基本理化性质具有明显差异。与未添加改良剂的土壤相比，1%\2%\3%的风化煤和草炭分别使土壤pH显著降低了0.24\0.46\0.48和0.04\0.11\0.12，1%\2%的生物炭使土壤pH显著降低了0.09\0.13，3%的生物炭对土壤pH无显著影响，随添加比例升高，风化煤改良土壤的pH显著低于草炭和生物炭改良土壤；1%\2%\3%的生物炭、风化煤和草炭分别使土壤总有机碳含量显著增加了61.3%\124.8%\175.2%、45.6%\85.5%\145.6%和14.7%\25.8%\37.5%，同一添加比例下三种改良土壤之间的差异均达显著水平（P＜0.05）；1%\2%\3%的生物炭、风化煤和草炭分别使土壤C/N显著增加了3.83\7.13\8.83、4.86\9.46\11.80和1.10\1.19\2.04，1%\2%\3%的生物炭和风化煤分别使土壤矿质结合态有机碳含量（MOC）显著增加了11.4%\23.2%\38.7%和15.9%\26.6%\55.9%，草炭对MOC无显著影响，随添加比例升高，风化煤改良土壤的C/N和MOC均显著高于生物炭和草炭改良土壤。 （2）三种改良剂均显著减小了土壤颗粒表面电位（绝对值）、电荷密度以及电场强度，增大了比表面积和表面电荷数量，不同改良剂应用效果的差异主要体现在表面电位、比表面积和表面电荷数量方面。在1%\2%\3%添加比例下，表面电位的绝对值（mV）表现为草炭处理（136.5\137.2\137.6）＞生物炭处理（136.4\135.9\130.6）＞风化煤处理（133.2\131.8\129.2），比表面积（m2g-1）和表面电荷数量（cmolkg-1）表现为风化煤处理（59.7\70.3\78.1和26.2\28.9\30.4）＞生物炭处理（56.8\62.3\72.0和25.2\25.7\27.5）＞草炭处理（56.6\60.0\64.0和25.3\26.0\26.7），随添加比例升高，三种处理之间的差异均达显著水平（P＜0.05）。电荷密度与电场强度主要与土壤总有机碳含量有关，而表面电位、比表面积和电荷数量与C/N的相关性大于与总有机碳含量的相关性，进一步分析发现土壤矿质结合态有机碳含量是导致表面电位、比表面积及表面电荷数量变化的主要因素，解释度和贡献度分别高达53.3%和85.7%。 （3）三种改良剂添加后土壤颗粒间作用力对土壤团聚体稳定性的影响随添加比例的升高而增大。干燥的团聚体遇水后，土壤颗粒间作用力发生改变致使团聚体稳定性降低，干筛条件下土壤团聚体平均重量直径为1.50~1.66mm，在乙醇环境中土壤颗粒间作用力被屏蔽后，团聚体平均重量直径（MWDa）为1.47~1.62mm，而经纯水浸泡后的团聚体平均重量直径（MWDw）为0.30~0.50mm，MWDa为MWDw的3.24~4.90倍。与未添加改良剂的土壤相比，三种改良剂随添加比例升高均明显降低了土壤颗粒间作用力变化对土壤团聚体结构的破坏程度（RMWD），降低RMWD有利于提升土壤团聚体稳定性。 （4）不同改良土壤颗粒间净合力大小的差异导致了团聚体破碎强度的差异。土壤颗粒间静电斥力和净合力均随土壤电解质浓度减小先急剧增加（1~0.01molL-1）后基本保持不变（0.01~0.0001molL-1），在同一电解质浓度下，三种改良剂均可通过减小静电斥力以及增大范德华引力的方式减小土壤颗粒间净合力，随改良剂添加比例升高，在2%和3%添加比例下，范德华引力增加对净合力减小的贡献高于50%，其中3%添加比例下可达90%，范德华引力（绝对值）的大小表现为风化煤处理＞生物炭处理＞草炭处理。净合力与团聚体破碎强度呈指数相关关系（R2＞0.88，P＜0.001），三种改良剂随添加比例升高均明显降低了团聚体破碎强度，在同一添加比例下，风化煤处理的团聚体破碎强度显著低于生物炭处理和草炭处理。 （5）当电解质浓度小于0.1molL-1时，土壤颗粒间作用力是溅蚀发生的主要驱动力，减小土壤颗粒间作用力有利于提高土壤抗溅蚀能力。在相同降雨动能下，随土壤电解质浓度减小，土壤溅蚀率逐渐增大，同时，雨滴打击力对溅蚀的贡献率减小，土壤颗粒间作用力对溅蚀的贡献率增大，当电解质浓度小于0.1molL-1时，颗粒间作用力对溅蚀的贡献率高于50%，此时颗粒间作用力是溅蚀发生的主要驱动力；净合力与土壤溅蚀率呈指数相关关系（R2＞0.78，P＜0.001），三种改良剂应用均有效降低了土壤溅蚀率以及颗粒间作用力对溅蚀的贡献，且应用效果随添加比例升高而增强，在同一添加比例下，风化煤降低土壤溅蚀率、减小颗粒间作用力对溅蚀的贡献率的效果优于生物炭，二者的应用效果均优于草炭。 本研究中，三种改良剂主要通过增加土壤有机碳含量和C/N来改善土壤颗粒表面电化学性质，进而使土壤颗粒间静电斥力（正值）减小、范德华引力（负值）增加、净合力（正值）减小，其中净合力的减小主要依赖于范德华引力增加，净合力减小有利于土壤团聚体稳定性和抗溅蚀能力提升。不同改良土壤颗粒表面电化学性质的差异主要体现在表面电位、比表面积和表面电荷数量方面，矿质结合态有机碳含量是导致其差异的主要原因，同一添加比例下，矿质结合态有机碳含量表现为风化煤改良土壤＞生物炭改良土壤＞草炭改良土壤，使得风化煤比生物炭和草炭更有利于增加范德华引力、减小净合力，最终提高土壤团聚体稳定性和抗溅蚀能力。
有机改良剂;土壤团聚体;抗溅蚀能力;生物炭
西北农林科技大学
博士
环境科学
郑纪勇
2023
中文
S157
2023-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）