石灰性土壤團聚體中鈣形態特征及其與有機碳含量的關系①

陶 漉，馬東豪，張叢志，陳 林，張佳寶*

石灰性土壤團聚體中鈣形態特征及其與有機碳含量的關系①

陶 漉1,2，馬東豪1，張叢志1，陳 林1，張佳寶1*

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049)

本文選取5種碳酸鈣含量(4.29、17.45、98.66、131.85、143.82 g/kg)差異顯著的北方堿性旱地農田土壤(黑土、淡黑鈣土、潮土、灰鈣土和黃綿土)為研究對象，分析土壤及其各粒級團聚體中有機碳、碳酸鈣和不同形態鈣含量的分布特征及相關性，探討碳酸鈣對堿性旱地土壤有機碳的影響。結果表明：全土有機碳含量與碳酸鈣含量之間無顯著相關關系，但在0.002 ～ 0.053、<0.002 mm團聚體中二者含量顯著負相關(2分別為0.67、0.83)，碳酸鈣含量過高影響微團聚體有機碳積累。土壤鈣形態中酸溶態和可氧化態是影響微團聚體有機碳積累的主要鈣形態，全土中占全鈣含量都在64.09% 以上，團聚體中其含量隨粒徑減小而增加。鈣離子是有機無機復合體的重要膠結物，但鈣離子過多則可能會搶占土壤顆粒上有機碳結合點位，與黏粒和粉粒結合形成微團粒結構，影響有機碳積累。

堿性土壤；有機碳積累；碳酸鈣；土壤團聚體；地力提升

耕地不僅是糧食生產和安全的根基，更是農業可持續發展的核心[1]。北方旱地農業區土地面積占全國的56%，但整體質量偏低，且中低產田比例大，障礙因素多[2]。培肥農田地力，改善土壤結構，提高耕地質量，是我國農業生產建設上亟待解決的問題。土壤有機質是旱地農田地力提升的核心要素，添加外源有機物質是提升土壤有機質的一種常用方法，但一些長期施肥試驗結果表明[3-5]，相較于中性和酸性土壤，添加相同外源有機物質對北方堿性鈣質土壤有機質的提升效果相對較差，其原因和機制尚有待研究。

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，土壤有機質的穩定是通過不同團聚體來實現的。在團聚體的形成過程中，不同膠結劑共同發揮作用。在有機質含量較高、黏粒和氧化鐵鋁含量較低的土壤中，有機質的膠結作用占主導地位；而在有機質含量不高、黏粒和氧化鐵鋁較高的土壤中，團聚體的形成主要靠黏粒及鐵鋁氧化物的膠結作用[6-7]；在黏粒和有機質含量低的鈣質土壤中，碳酸鈣是重要的膠結物質之一[8]。

我國北方地區土壤富含碳酸鹽，碳酸鈣是重要的膠結物質，碳酸鈣可直接膠結土壤顆粒。郭玉文等[9]采用團粒分析試驗和掃描電子顯微鏡研究黃土團粒組成及其與碳酸鈣的關系，指出黃土團粒的主要膠結物質是碳酸鈣，且認為少數大顆粒碳酸鈣以鑲嵌型分布于礦物顆粒之間起著骨架作用，多數小顆粒碳酸鈣以附著型分布在礦物表面，在團聚體中形成保存并在團聚體與碎屑顆粒之間的連接方面發揮不可逆的膠結作用。劉東生[10]發現，在干旱或半干旱的氣候條件下，風積黃土在弱堿性環境中經雨水或霜等作用生成碳酸鈣，將土壤中的黏土顆粒等膠結在一起形成微團粒。

目前針對碳酸鈣或鈣離子影響堿性土壤有機質積累方面的研究大多圍繞南方石灰性土壤開展。如喀斯特地區，該地區石灰性土壤一般從碳酸鹽巖母質發育而來，土壤質地黏重，pH近于中性或呈微堿性，且土壤有機質含量相比同地區地帶性土壤較高，土壤中鈣離子豐富，有機質與鈣離子結合形成穩定的有機無機復合體才得以保存。在這種環境條件下，高含量的碳酸鹽可以減少有機碳礦化，增加土壤有機碳含量。此外，土壤碳酸鈣含量的增加會對土壤有機碳形成一定的物理保護作用，減少微生物對有機碳的分解[11]。北方鈣質堿性土壤與南方石灰性土壤的情況完全不同，北方鈣質堿性土壤普遍碳酸鈣含量高，有機質含量低，且研究表明，在北方鈣質堿性土壤中，碳酸鈣含量增加，土壤可溶性有機碳含量及其抗氧化能力反而降低[12]，鈣離子膠結引起的土壤顆粒團聚可能會影響有機質積累或地力提升，但系統分析堿性鈣質土壤碳酸鈣和不同形態鈣對土壤有機碳影響特征及機制的研究相對較少，針對堿性鈣質土壤有機質累積及其穩定機制的研究大多是基于全土水平進行的，尚不足以解釋上述碳酸鈣在不同土壤中對有機碳作用相矛盾的原因。且不同類型土壤中鈣的含量及形態各不相同，對土壤或有機顆粒起膠結作用的鈣離子的數量不僅取決于土壤中鈣的總量，還依賴其存在的化學形態。因此，研究堿性鈣質土壤中鈣的分布和存在形態，及其與有機碳之間的相關關系，對于了解堿性鈣質土壤有機質特征、更新和積累規律，破解高鈣堿性土壤有機質提升難題具有重要意義。本文選擇5種典型農田旱地土壤(黑土、淡黑鈣土、潮土、灰鈣土和黃綿土)，研究不同土壤各粒級團聚體中有機碳和碳酸鈣的分布特征及其相關性，以揭示碳酸鈣對堿性鈣質土壤有機碳的影響，以期為堿性鈣質土壤改良和地力提升提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本研究選取北方5種碳酸鈣梯度的代表性旱地農田土壤為供試土壤，包括河南省新鄉市封丘縣潘店鎮潘店村(35° 00′ N，114° 24′ E)的潮土，吉林省通榆縣新興鄉(35° 23′ N，118° 42′ E)的淡黑鈣土，陜西省延安市寶塔區康坪村(36° 44′ N，109° 35′ E)的黃綿土，甘肅省武威市涼州區黃羊鎮(37° 68′ N，102° 85′ E)的灰鈣土，以及黑龍江省哈爾濱市道外區團結鎮民主鄉新立村(45° 49′ N，126° 50′ E)的黑土。5種土壤的基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 土壤樣品采集和團聚體分級

在所選農田樣地中，隨機選擇3個代表性樣點采集原狀土樣，裝入硬質塑料盒運回實驗室。沿土樣自然斷裂面掰成10 mm左右小塊，挑出植物殘根和礫石等，自然條件下風干備用。

土壤團聚體分級：首先采用干篩法將土壤團聚體分為>2、0.25 ～ 2、0.053 ～ 0.25、<0.053 mm四級，然后再按各粒級干篩土壤質量比例稱100 g土樣進行濕篩。水穩定性團聚體分級采用濕篩+離心的方法分離出>0.25、0.053 ～ 0.25、0.002 ～ 0.053、<0.002 mm團聚體顆粒[13-15]。

1.3 測定項目與方法

土壤顆粒組成采用激光粒度儀LS13320測定；土壤pH采用電位法測定；全土和各級團聚體中有機碳含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化–容量法測定；碳酸鈣含量采用氣量法測定[16]。土壤鈣形態組成采用改進的BCR連續提取法[17]進行提取，即將鈣的提取形態劃分為酸溶態、可還原態、可氧化態和殘渣態，用美國珀金埃爾默儀器有限公司產的Optima 8000全譜直讀等離子體發射光譜儀(ICP-OES)進行測定。

1.4 數據處理與分析

各級團聚體中有機碳和碳酸鈣對全土有機碳和碳酸鈣的貢獻率采用下式進行計算：

團聚體中有機碳貢獻率(%)＝

團聚體中碳酸鈣貢獻率(%)＝

數據及圖形處理采用Excel 2016和Origin 2019，數據統計依托SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析和相關性分析，采用最小顯著差異(LSD)法進行多重比較檢驗處理間的差異。

2 結果

2.1 土壤有機碳分布規律

供試5種土壤全土有機碳含量差異顯著(表2)，黑土有機碳含量最高，其次是灰鈣土，其他3種土壤有機碳含量均不到10g/kg。分析各粒級團聚體中有機碳對全土有機碳的貢獻率發現，在黑土和淡黑鈣土中，有機碳主要分布在大團聚體(>0.25 mm)和較大的微團聚體(0.053 ～ 0.25 mm)中，貢獻率分別在30.66% ～ 45.70%、38.68% ～ 42.11%；而在潮土、灰鈣土和黃綿土中有機碳主要分布在微團聚體(0.053 ～ 0.25 mm、0.002 ～ 0.053 mm)中，貢獻率分別在30.47% ～ 54.97%，20.20% ～ 44.17%；<0.002 mm團聚體中有機碳對全土有機碳貢獻率小，但相對含量較高。

2.2 土壤鈣分布規律

由表3可知，碳酸鈣是供試土壤中鈣的最主要來源。除哈爾濱黑土碳酸鈣含量較少外，其余4種堿性鈣質土壤中碳酸鈣形態鈣含量分別占土壤全鈣含量的78.91%、99.86%、94.79% 和89.72%。土壤BCR連續提取法測定的各形態鈣總量與全鈣測定結果基本相當(二者比值為90.17% ～ 117.61%)。在不同土壤中，酸溶態鈣含量最高，其次是殘渣態鈣，可還原態鈣和可氧化態鈣，但在堿性條件下殘渣態和可還原態鈣活性較低，因此本文將可能對膠結起主要作用的酸溶態和可氧化態鈣作為活性鈣進行分析。由表3可知，除哈爾濱黑土(中性土壤)外，其余4種堿性土壤中活性鈣含量都較高，占全鈣含量的64.09% 以上。

由表4可知，5種供試土壤的碳酸鈣含量差異顯著。不同土壤同一粒級團聚體中碳酸鈣含量與原土含量變化基本表現相同規律，而在同一土壤不同粒級團聚體中，碳酸鈣含量基本隨團聚體粒徑減小而增加，<0.002 mm團聚體內碳酸鈣含量最高(圖1)。分析各粒級團聚體對全土碳酸鈣貢獻率(表4)，哈爾濱黑土碳酸鈣含量低，大團聚體(>0.25 mm)對于全土碳酸鈣貢獻率最高，為41.93%，而在另外4種碳酸鈣含量較高的土壤中，碳酸鈣主要分布在較大的微團聚體中(0.053 ～ 0.25 mm、0.002 ～ 0.053 mm)，貢獻率分別在25.57% ～ 71.58%、15.12% ～ 57.67%；<0.002 mm粒徑團聚體中碳酸鈣對于全土碳酸鈣貢獻率雖小于其他粒級團聚體，但相對含量卻遠高于全土及其他粒級團聚體。

表2 土壤各級團聚體對全土有機碳的貢獻率(%)

注：表中同列不同小寫字母表示不同土壤間差異顯著(<0.05)；下同。

表 3 不同土壤中鈣形態分布(g/kg)

注：表中數據為平均值 ± 標準差(=3)。

表4 土壤各級別團聚體對土壤碳酸鈣含量貢獻率

(圖中小寫字母不同表示不同土壤同一粒級團聚體差異顯著(P<0.05)，大寫字母不同表示同一土壤不同粒級團聚體間差異顯著(P<0.05)；下同)

在土壤各形態鈣中，活性鈣即酸溶態鈣和可氧化態鈣含量的變化基本一致(圖2)，在不同土壤之間，其含量隨碳酸鈣含量的增加而增加；在團聚體內部，尤其是在<0.25 mm的微團聚體內，粒徑越小，酸溶態鈣和可氧化態鈣含量越高，<0.002 mm粒級團聚體內酸溶態鈣和可氧化態鈣含量最高。

不同土壤各級水穩性團聚體內碳酸鈣與酸溶態鈣、可氧化態鈣含量的關系如圖3所示。不同粒級團聚體中酸溶態鈣與碳酸鈣均呈極顯著正相關，且土壤間無差異，不同粒級團聚體中可氧化態鈣與碳酸鈣均呈極顯著正相關，但土壤間有一定差異。

2.3 土壤有機碳與碳酸鈣及其他鈣形態的關系

供試5種土壤全土有機碳含量與碳酸鈣含量的關系如圖4所示，二者呈負相關趨勢，但相關性不顯著?？紤]微團聚體有機碳積累對于全土有機碳的影響，進一步分析不同土壤各粒級水穩性團聚體內二者的關系(圖5)，可見，在 >0.25 mm粒級大團聚體中，二者呈正相關趨勢，但同樣相關性未達顯著水平；而在0.053 ～ 0.25、0.002 ～ 0.053、<0.002 mm粒級微團聚體中，二者均呈負線性相關關系，其中在0.002 ～ 0.053 mm團聚體中呈顯著負線性相關關系(R= 0.669 2，<0.05)，在 <0.002 mm微團聚體中呈極顯著負線性相關關系(2=0.826 8，<0.01)，表明在微團聚體內部，碳酸鈣含量過高對團聚體有機碳積累具有負效應。

圖6為不同土壤各級水穩性團聚體內部有機碳和不同形態鈣含量的關系，結合上述各級團聚體中各形態鈣的含量及比例數據，在 >0.25 mm和0.053 ～ 0.25 mm粒級團聚體中，酸溶態鈣和可氧化態鈣含量不高，和有機碳含量無顯著相關關系；在0.002 ～ 0.053、<0.002 mm粒級團聚體中，酸溶態鈣和可氧化態鈣含量更高，與有機碳含量存在極顯著負相關關系。而可還原態鈣和殘渣態鈣含量除在 >0.25 mm粒徑團聚體中與有機碳含量有顯著相關關系，其他粒徑團聚體中與有機碳含量均無顯著相關關系。

圖2 不同土壤各級水穩性團聚體內酸溶態鈣和可氧化態鈣含量

圖3 不同土壤各級水穩性團聚體內碳酸鈣與酸溶態鈣、可氧化態鈣含量的關系

圖4 土壤碳酸鈣和有機碳含量關系(n=15)

3 討論

溫度和降雨的綜合作用決定了土壤有機碳和碳酸鈣分布的地帶性特征，這也是北方自然土壤有機碳和碳酸鈣含量呈負相關的主要原因之一[18]。但在耕作農田，耕層有機碳含量又受到人類耕作活動的強烈影響，土壤碳酸鈣與土壤有機碳的關系可能呈現不同的特征。本研究所用土壤樣本來自黑龍江、吉林、河南、甘肅、陜西等5個省的長期耕種農田，采樣地點年均溫較低，年降水量較少，降水年變幅大，區域內分布不均勻，季節性干旱明顯。由于降水量不足，降水只能淋洗土壤中易溶性的氯、硫、鈉、鉀等鹽類，而鈣、鎂等鹽類只部分淋失，部分殘留于土壤中，而硅、鐵、鋁等基本未移動，且含鈣的原生和次生礦物都相對容易風化，通常被認為在半干旱到干旱的環境中持續存在或積累，這使得土壤碳酸鈣含量較高，Ca2+是堿性土壤中的主要陽離子。盡管5個樣地降水差異較大，耕層土壤全土中的碳酸鈣含量也有明顯的梯度特征，但與土壤有機碳含量并未呈現顯著的負相關關系，人類耕作和灌溉活動加速了土壤有機碳分解，削弱了農田土壤有機碳含量的差異，可能是造成這種現象的主要原因。

圖5 不同土壤各級水穩性團聚體內碳酸鈣和有機碳含量的關系(n=15)

圖6 不同土壤各級水穩性團聚體內部有機碳和不同形態鈣含量的關系

微團聚體通過有機無機復合膠結多次聚合而成，是土壤良好結構體的基礎[19]。在堿性鈣質土壤中，Ca2+對于微團聚體的形成可能具有重要作用，進而影響團聚體中有機碳的積累。本文結果表明，在低碳酸鈣含量土壤中，有機碳和碳酸鈣主要分布在 >0.25 mm團聚體內，而在高碳酸鈣含量土壤中，0.053 ～ 0.25、0.002 ～ 0.053 mm兩級微團聚體貢獻率更大。<0.002 mm團聚體中的有機碳和碳酸鈣對全土有機碳和碳酸鈣含量貢獻率雖低，但其相對含量均高于其他粒徑微團聚體，這與黃傳琴等[20]研究結果相似。王寧等[21]研究中國西北干旱區表土中碳酸鈣含量變化發現，隨土壤顆粒粒徑減小，碳酸鈣含量逐漸升高，本文與之規律一致。這可能是因為相較于自然土壤，農田土壤人為利用強度較高，耕作過程促進了粗粒級團聚體中碳酸鈣的溶解再沉淀過程，形成較多粒徑 <0.002 mm次生碳酸鈣，碳酸鈣是高鈣土壤中微團聚體的主要膠結劑，粒級越小，其貢獻越大。本文結果表明，0.002 ～ 0.053 mm和 <0.002 mm微團聚體中碳酸鈣和有機碳含量呈極顯著負相關，表明碳酸鈣含量過高有可能會影響微團聚體中的有機碳積累。有機質含量一般決定了土壤水穩性大團聚體(>0.25 mm)的形成[22]，在高含量碳酸鈣土壤中>0.25 mm級別團聚體有機碳含量低，微團聚體因缺乏有機膠結劑而限制了大團聚體的形成，也可能影響土壤有機碳的固存和積累。

我國北方地區土壤富鈣偏堿，本文結果也表明碳酸鈣是受試土壤中鈣的主要來源。土壤中酸溶態鈣為可交換態及碳酸鹽結合態鈣，活性大，遷移性強，易釋放鈣離子；可氧化態鈣主要指被有機聚合物結合的鈣，受土壤有機質含量影響較大[23]。形態分析結果表明，受試土壤酸溶態鈣含量居多，土壤鈣易于遷移，對膠結起主要作用的活性鈣含量占全鈣比例較高，在堿性條件下能為黏粒礦物、有機質和土壤吸附膠結供應大量Ca2+。酸溶態鈣和可氧化態鈣含量隨粒徑減小而增加，其在 <0.002 mm團聚體中的含量均高于其他粒徑團聚體，釋放的活性Ca2+數量多。團聚體內部碳酸鈣和活性鈣含量關系結果表明，不同級別團聚體中酸溶態和可氧化態鈣含量均與碳酸鈣含量呈極顯著正相關，可見碳酸鈣的含量基本反映了影響有機碳積累與轉化的鈣的貢獻，受試土壤酸溶態鈣和可氧化態鈣作為主要的鈣形態與微團聚體內的有機碳關系緊密，是影響微團聚體內有機碳積累的主要鈣形態。

一方面，Ca2+作為高價陽離子自身可以通過絮凝作用對土壤團聚和土壤結構穩定性起到積極影響[24]；另一方面，Ca2+橋鍵是土壤有機碳穩定的重要組成部分[25]，多價陽離子可以在有機物和黏粒之間起到橋接作用，形成黏粒–多價陽離子–有機物(C-P-OM)的有機無機復合體結構，再進一步聚合逐漸形成團聚體，尤其在0.002 ～ 0.02 mm團聚體形成過程中發揮重要作用[26]。而堿性鈣質土壤中，土壤pH較高，碳酸鹽可促進土壤有機碳的穩定和聚集[27]。張永雙等[28]研究認為，在微團聚體內部，小粒徑碳酸鈣發揮膠結作用，<0.002 mm碳酸鈣能與黏土礦物產生不可逆的強膠結作用。土壤中碳酸鈣含量過高時，過量Ca2+會以碳酸鈣的形式沉淀，碳酸鈣又易風化，可作為Ca2+的豐富來源[29]，兩者之間存在溶解沉淀平衡過程。原生碳酸鈣經歷風化、剝蝕、搬運的過程會形成一些細小的顆粒，顆粒越細的組分碳酸鹽越富集，次生碳酸鈣相對比例越大。次生碳酸鈣沉積于礦質表面可能使有機碳交換點位被掩蓋，直接與土壤中的黏粒結合形成團聚體，從而影響微團聚體內有機碳積累。同時，過量的Ca2+也可能直接搶占有機物結合點位，與黏?；蚍哿＝Y合形成微團粒[9-10]，從而影響有機顆粒與黏粒的復合[20]，不利于土壤有機碳的穩定和積累，從而造成微團聚體中碳酸鈣含量和有機碳含量負相關。

土壤結構的好壞對土壤肥力起著至關重要的作用。Tisdall和Oades[30]提出的多級團聚體理論表明，不同的膠結物質在團聚體聚合的不同分層階段起作用，土壤團聚體由微團聚體向大團聚體逐級連續層次性形成。土壤細顆粒(粉粒、黏粒)對于土壤有機質可以起到重要的保護作用。有機分子連接到礦物質或金屬陽離子具有多種鍵合機制，這種機制隨土壤質地、礦物組成和陽離子濃度而變化。受樣本分析手段所限，本文僅選擇5種典型土壤，從碳酸鈣影響有機碳積累角度進行了初步探討，其結果仍需要大量的田間數據作進一步的驗證。此外，碳酸鈣如何與有機碳以及土壤顆粒一起在堿性旱地土壤團聚體形成過程中發揮作用，并影響有機碳積累，還有待進一步的研究，這也是本研究團隊目前正在開展的工作。

4 結論

在堿性高鈣土壤中，碳酸鈣對有機碳積累的影響主要在微團聚體內，活性鈣(酸溶態鈣和可氧化態鈣)是影響堿性高碳酸鈣土壤有機碳積累的主要鈣形態；Ca2+和次生碳酸鈣有可能搶占黏粒結合點位，形成微團粒結構，阻礙團聚體對有機碳的閉蓄保護，這很可能是影響高鈣土壤有機質提升的主要原因之一。

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Distribution Characteristics of Calcium Forms and Their Relations with Organic Carbon Content in Calcareous Soil Aggregates

TAO Lu1,2, MA Donghao1, ZHANG Congzhi1, CHEN Lin1, ZHANG Jiabao1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this study, five farmland soils (black soil, light chernozem soil, fluvo-aquic soil, sierozem soil and Huangmian soil) with obvious different CaCO3contents were selected to analyze the distributions and correlations among soil organic carbon (SOC), calcium carbonate (CaCO3) and calcium components within bulk soil and aggregate fractions, and evaluate the effect of CaCO3on organic carbon accumulation in alkaline dryland soil.The results showed that no significant correlation existed between SOC and CaCO3contents in bulk soil, but they were significantly negatively correlated in 0.002–0.053 mm and <0.002 mm aggregates (2were 0.67 and 0.83, respectively).Excessive CaCO3affected the accumulation of organic carbon in micro-aggregates.The extractable and oxidizable calcium were the main calcium forms affecting the accumulation of organic carbon in microaggregates which accounted for 64.09% more of the total calcium content in soil, and their contents were increased with the decrease of aggregate size.Ca2+is an important cement of organic-inorganic complexes, but excessive Ca2+can seize organic carbon binding sites on soil particles and combine with clay and silt particles to form a micro-aggregate structure, which hinders the formation of organic-inorganic complexes andthe accumulation of organic carbon in micro-aggregates.

Alkaline soil; Organic carbon accumulation; CaCO3; Soil aggregates; Soil fertility improvement

S152.41

A

國家重點研發計劃項目(2016YFD0300802)、國家自然科學基金項目(41671228)和國家小麥產業技術體系項目(CARS-03)資助。

(jbzhang@issas.ac.cn)

陶漉(1995—)，女，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要從事土壤地力提升研究。E-mail: ltao@issas.ac.cn

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.007