郑庆福 赵兰坡

(内蒙古民族大学，通辽，028000) (吉林农业大学)

黏土矿物是生物和水与岩石的界面过渡带，也是土壤形成的主要基质，其矿物种类组成，会决定土壤基本特性。在不同利用方式下，土壤黏土矿物也会发生一定改变，进而影响土壤物理化学性质，对土壤肥力培育具有重要意义。因此，在近些年关于土壤黏土矿物的研究中受极大重视。Barré［1］通过长期施钾肥和黑麦草耗钾试验的研究，发现2∶1型黏土矿物的cg(在XRD图谱中衍射角度(2-theta轴)3°～10°间的衍射峰角度的平均值)与钾的施入具有显著的相关性，并认为类伊利石层间矿物是钾的存储库。Velde and Peck［2］在 1983年的实验结果表明，在不施肥和持续的农作条件下，因植物需钾，导致I/S混层矿物中的蒙脱石的含量增加。Velde等［3］在研究自然草原发育的土壤剖面时，发现历经800 a发育的土壤表层以无序的伊利石I/S矿物为主，而在较深的部分则以蒙脱石 I/S矿物为主。Mathe［4］研究近期在局部环境条件下的自然拓荒地的土壤黏土矿物时，发现随着土壤利用年龄的增加，绿泥石被移除，I/S中伊利石的含量增加。孙庆峰等人［5］研究认为土壤黏土矿物可以再短期内发生变化。笔者在研究东北黑土不同利用方式下土壤黏土矿物组成研究发现荒地、旱田(大豆)、旱田(玉米)、水田利用的土壤矿物颗粒的风化依次增强，伊利石的含量和结晶度也依次降低。由此可见，土壤受人工环境的影响，土壤黏土矿物会发生一些变化，从而造成土壤性质发生改变，这对于土壤改良具有积极的意义。白浆土是三江平原主要耕作土壤之一，在吉林、江苏和四川省也有一定数量分布［6］，分布区域有着丰富的降水资源，但由于其酸性较强，作物无法正常生长。因此对白浆土的改良利用，对缓解我国紧张的耕地面积和旱灾具有重要的意义。不同的改良利用方式也会对白浆土产生一定的影响，其中水田利用是白浆土一个重要的利用方式，同时这种方式还起到改良白浆土的作用。因此为了探明水旱利用对白浆土改良机制，我们研究了水旱利用对黏粒矿物组成的影响机制，以其揭示土壤黏粒矿物间的演化过程，为我国白浆土改良利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

供试土样是典型酸性白浆土，采自于吉林市永吉县，是吉林省典型白浆土区，该区多处在山区及半山区，地势较高，气候温暖多雨，土壤淋溶作用较强，形成厚18～20 cm且渗水性差的白浆层，有机质6.7 g/kg，养分含量适中;pH 值偏酸，一般在5.5～6.5，阳离子交换量为26.9 mol/kg，抗旱涝灾害的能力差。主要利用方式是旱田和依靠永吉河河水灌溉来提高有效磷的水田改良利用，但由于水资源的缺乏，近几年有把水田改为旱田利用。

试验根据白浆土的利用状况，选择既有不同利用方式又可相对集中连片的地片进行试验设计，分别为新开垦的旱田玉米利用1、2、3 a，水田30 a改旱田玉米利用 3 a，水田利用10、20、30、40 a，8 个处理。采取土样方式：在设定处理的耕地里选择6～8个点，采集耕层0～20 cm深的土壤，旱田用铁锹采集，水田用土钻采集，将所采同一处理各点土壤混和，四分法留取土样，借以减少土壤差异，然后装袋后，里外各贴防水标签，带回实验室进行室内分析。

1.2 土壤理化性质测定

有机质的测定：采用重铬酸钾法—外加热法;速效钾的测定：采用醋酸铵溶液浸提—火焰光度法测定;pH值的测定：采用电位法;离子交换量测定：采用乙酸铵法。XRD衍射分析实验方法参见文献［7］。

1.3 数据分析

利用Excel2007进行数据统计分析，XRD图谱利用MID jade6.5进行精修处理和面积积分，并计算分析。

2 结果与分析

2.1 利用方式对酸性白浆土颗粒组成的影响

由表1可见，经水旱利用后，＜0.002 mm的黏粒含量为：水田40 a＞水田30 a＞水田20 a＞水田10 a＞水田30 a改旱田3 a＞旱田3 a＞旱田2 a＞旱田1 a。0.002～0.02 mm 粉粒含量为：水田 40 a＞水田 30 a＞水田 20 a＞水田10 a，旱田方式利用 3 a＞2 a＞1 a，水田30 a改旱田3 a则较水田利用20 a的高，1～0.02 mm的细沙粒含量为水田40 a＜水田30 a＜水田20 a＜水田10 a＜水田30 a改旱田3 a＜旱田3 a＜旱田2 a＜旱田1 a，2～1 mm粗砂粒含量在不同利用方式下变化相对较小。以上说明旱田利用方式下，白浆土随利用时间的增加，对细砂粒的风化强度增强，故其含量成降低趋势，而细沙粒和黏粒含量则呈增加的趋势;水田利用方式下，白浆土的土壤颗粒机械组成的变化趋势与旱田利用方式一致，但其风化程度远远强于旱田利用方式;其中水田30 a改旱田3 a的白浆土颗粒机械组成表明水田利用改换为旱田，其对土壤风化强度减弱，土壤黏粒流失相对严重，因此其含量也低于水田利用30 a。这说明水旱利用均可以促进表层土壤颗粒分化，在一定程度上可改善表层土壤结构，增强其保水保肥的缓冲能力，但水田利用方式虽然避免土壤旱涝问题，却促进土壤黏粒淀积，使得土壤理化性质恶化，不利于土壤改良。

表1 水旱利用对白浆土无机颗粒含量的影响

2.2 利用方式对酸性白浆土理化特征的影响

在不同利用方式下的土壤理化性质不同。由表2可见，白浆土在旱田利用条件下，随利用年限增加，有机质质量分数降低，有效N、P、K的质量分数和阳离子交换量有所增加，pH值有所降低。在水田利用下，随水田利用时间的增加，土壤有机质、碱解氮、有效磷、有效钾质量分数增加，pH值降低，阳离子交换量有所增加。而水田利用后改为旱田利用后，积累的有机质、碱解氮、有效磷、有效钾质量分数迅速降低，而土壤pH值升高较快，阳离子交换量则保持较高水平，说明水田改旱田后，由于水份对土壤中离子的活化，使土壤组分保持较高的阳离子交换量，但那些活化离子的析出，形成了较多弱碱盐，可使土壤pH值恢复较高水平。不过土壤有机质在水田利用条件下，土粒与有机质复合较弱，在旱田利用后较易因氧化被矿解掉，同时也导致碱解氮、有效磷、有效钾质量分数的降低。

表2 土壤利用方式及基本化学性质

2.3 利用方式对酸性白浆土的黏土矿物演化的影响

从图1的XRD分析可知，酸性白浆土的黏土矿物组成主要由蒙伊混层矿物(S/I)、伊利石(I)、蛭石(Ver)、和岭石(Kao)矿物组成。在图2的XRD分析中显示，经水田利用后，在K-550中的1.40 nm的衍射峰有微弱的增加而1.00 nm的衍射峰则有所降低，表明水田利用后，土壤酸性降低，有利于绿泥石的稳定性增强，并随利用时间增加而得到积累，但伊利石受到持续风化。水田30 a改为旱田利用3 a后，其矿物组成差异较小。在K-Air、Mg-Air和Mg-Gly中，1.40 nm和1.00 nm的衍射峰均相对增强，可见白浆土被水田利用后，蛭石和伊利石含量增加，水田改旱田后变化不大，说明酸性白浆土的黏土矿物的演化顺序为云母类矿物→伊利石→蛭石和云母类矿物→绿泥石，并且处于脱钾的阶段，较旱田利用风化的更强烈罢了。在1.30～1.05 nm的衍射峰均随利用时间增加降低，可见白浆土中的I/S混层矿物同样也受到强烈的风化。

2.4 利用方式对酸性白浆土的黏土矿物演化的影响的XRD定量分析

为了更好地说明利用方式对白浆土黏土矿物组成特征的影响，对黏土矿物组成进行了半定量计算(见表3)。由表可见，随着水田利用年限增加，白浆土黏土矿物中伊利石含量呈增加趋势，其结晶度呈降低趋势，伊利石化学指数均大于0.5，说明在水田利用条件下，白浆土处在强烈水解、淋溶风化状态下;白浆土中的伊利石在形成一定量的同时，其结构也受到强烈风化，结晶度降低。白浆土中的S/I混层矿物含量呈先增加后减少的趋势，说明伊利石有可能转化为S/I混层矿物，但蛭石含量和高岭石含量与S/I混层矿物呈相反趋势，则进一步证实了水田利用条件下，白浆土黏土矿物主要演化过程是由云母类矿物→伊利石→S/I混层矿物→蛭石→高岭石演化，其中在水田利用40 a后的白浆土中的S/I混层矿物减少的原因，可能是演化其他黏土矿物。白浆土中的绿泥石含量随着利用年限增加呈增加趋势，主要是土壤中大量的铝离子游离，形成的水铝片结构嵌入高度水化的蒙脱石和蛭石层间，形成了绿泥石化活羟基化类绿泥石矿物，这可能也是蛭石含量减少和水田利用40 a后的S/I混层矿物减少的原因(图2)。

图1 白浆土的黏土矿物组成XRD分析

表3 利用方式对土壤黏土矿物组成的影响

在旱田利用方面，从水田利用30 a改旱田3 a的结果看，土壤伊利石的含量明显增加，而S/I混层矿物、蛭石和绿泥石含量减少，高岭石含量增加，伊利石化学指数降低，白浆土有水解淋溶风化转入物理风化阶段，土壤的风化程度减弱，以形成伊利石为主。从对白浆土新开垦利用的旱田看，伊利石含量较水田利用的增加，蛭石含量较高，绿泥石化相对较少，高岭石含量较高，主要为蒙脱石风化的结果。

图2 不同利用方式下酸性白浆土的黏土矿物XRD图谱

3 结论与讨论

不同的土壤类型，是在不同的环境条件下形成，其黏土矿物组成也有其独有演化和组成特征。而利用方式也只能在小尺度上改变土壤黏土矿物组成。在本研究中，发现旱田利用方式白浆土黏土矿物的风化程度相对较弱，处于物理风化阶段，黏土矿物演化过程主要为云母类矿物→伊利石和S/I混层矿物→蛭石和高岭石演化;而水田利用方式风化程度很强，处于化学淋溶风化阶段，随着利用时间的增加，白浆土中黏土矿物演化过程主要为云母类矿物→伊利石→S/I混层矿物和蛭石→绿泥石演化。这与赵兰坡［8］研究的结果一致，只是较旱田利用风化的更强烈罢了。

土壤水田利用导致土壤铝离子的溶出，就会形成水铝片在淹水层游离，随着农田淹水期的变化，导致水铝片在层间距较大的蒙脱石和蛭石嵌入，形成类羟基化的“绿泥石化”矿物，在本实验中，白浆土水田利用随利用年限增加，土壤中含有类羟基化的“绿泥石化”矿物增加，说明水田利用有利于这一类矿物的形成，这与熊毅等人［9］研究结果接近，与三枝正彦［10］对日本水田土壤黏土矿物蛭石绿泥石化研究结果一致。

利用方式是改良土壤的有效方式。本研究中，旱田利用对于酸性白浆土可以起到缓解土壤较强地淋溶风化，避免土壤养分过分流失，还抑制了土壤pH值的下降。若能合理利用当地水资源，也可满足白浆土水分供应的不足。水田利用虽然利用了当地的水资源，但对土壤结构和黏土矿物组成影响较大，是土壤性质发生不可逆转性恶化，并从本质上的影响也不同于盐碱土改良方式。

水田利用可促进盐碱土的土壤风化程度强，影响黏土矿物的黏土矿物演变过程，使黑云母→伊利石和S/I混层矿物→蛭石→高岭石演化，有强烈的脱钾过程，伊利石结晶度极显著降低。经水田利用后，可有效降低土壤pH值，提高有效钾和有机质含量;而旱田利用效果相对较差。若通过水田利用改良后再进行旱田利用，不仅提高水分利用率，而且能保证作物生产。

［1］BarréP，Velde B，Catel N，et al.Soil-plant potassium transfer：impact of plant activity on clay minerals as seen from X-ray diffraction［J］.Plant Soil，2007，292：137-146.

［2］Velde B，Peck T.Clay mineral changes in the morrow experimental plots［J］.Clays and Clay Minerals，2002，50(3)：364-370.

［3］Velde B，GofféB，Hoellard A.Evolution of clay minerals in a chrono sequence of poldered sediments under the infiuence of a natural pasture development［J］.Clays and Clay Minerals，2003，51(2)：205-217.

［4］Mathe V，Meunier A，Leveque F.Anthropic acceleration of a natural clay mineral reaction in marshland soils［J］.Clay Minerals，2007，42：1-12.

［5］孙庆峰，陈发虎，Christophe Colin，等.黏土矿物在气候环境变化研究中的应用进展［J］.矿物学报，2011，31(1)：146-152.

［6］贾会彬，刘峰，赵德林，等.潜育白浆土硅酸盐黏土矿物组成［J］.土壤通报，1995，26(4)：162-164.

［7］郑庆福，赵兰坡，冯君，等.利用方式对东北黑土黏土矿物组成的影响［J］.矿物学报，2011，31(1)：139-145.

［8］赵兰坡，井上克弘，吉田德.吉林省主要耕作土壤的黏粒矿物组成［J］.土壤学报，1993，30(3)：267-272.

［9］熊毅.土壤胶体Ⅰ［M］.北京：科学出版社，1983：107-111.

［10］三枝正彦.Clay mineral composition of lowland soils in relation to the river system［J］.Masahiko Saigusa，1979，23(1)：11-22.