长期定位施肥对潮土土壤黏土矿物影响的研究

林少雯，陈延玲，刘树堂，袁铭章

(青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109)

长期定位施肥对潮土土壤黏土矿物影响的研究

林少雯，陈延玲，刘树堂，袁铭章

(青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109)

为研究不同施肥对潮土土壤黏土矿物变化的影响。利用连续进行 39年的长期定位施肥试验，选取1978，1984，1990，1996，2002，2008，2014 年的土壤，采用 X 射线衍射法，分析了各施肥处理黏土矿物相对含量变化，结果表明：长期不同施肥可改变土壤黏土矿物的相对含量。蒙脱石的年际相对含量均高于 CK，呈上升趋势，M1N2最显著(R2=0.991 80)，其次是 M2(R2=0. 952 86)，伴随时间的推延，高岭石的相对含量 M2N1降低最显著(R2=0.993 10)，其次为 M2N2(R2=0.938 89)、M1N2(R2=0.900 00)，且所有处理的高岭石含量均低于 CK。土壤中绿泥石相对含量，有机肥配施氮肥处理较 CK 有所降低，根据 2014 年数据可知，M2N2降低最明显，降低5个百分点。单施氮肥处理中水云母相对含量随时间的推移呈下降趋势，且N2(R2=0.948 03)低于 N1(R2=0.883 27)，单施有机肥及有机肥配施氮肥水云母相对含量逐年提高，M2N2最高(R2=0.971 26)，其次是 M1N2(R2=0.903 18)、M2N1(R2=0.890 89)，表明有机肥有利于水云母的生成。长期单施氮肥造成钾素缺失，水云母矿物层间的非交换性钾不断释放，形成蒙脱石-水云母混层的相对含量也随时间的推移呈上升趋势。

长期定位施肥；潮土；粘土矿物

土壤是地球上最常见的自然资源，也是人类得以生存的根基，其中的黏土矿物对土壤维持肥力、缓冲、自我净化与养分循环等功能都有影响，也是土壤内最为活跃的成分。 因此，探究土壤黏土矿物在长期施肥后的相对含量变化，对土壤可持续利用具有重要意义[1-3]。长期定位施肥试验具备的信息相对全面，能降低由于气候等外在因素导致的土壤肥效偏差率，更加系统地展示一定时期内土壤因不同施肥而引起的变化，具有常规试验不可比拟的特点，为土壤资源可持续健康发展提供有力依据[4-7]。刘永辉等[8]指出土壤黏土矿物对土壤的性质和结构有重要影响。比如，土壤中高岭石的相对含量较高，其可塑性较弱，土壤具有黏结性，而且土壤的保肥保水性差。而以蒙脱石为主的土壤，质地黏重，持水力强，吸水性慢，涨缩性强，对土壤耕性不利。 刘永辉等[8]研究指出，土壤黏土矿物中水云母含钾量最高，可通过对钾素的固定和释放与其他黏土矿物进行相互转化，进一步影响到土壤内钾素含量。如土壤黏土矿物水化云母风化同时释放出钾之后，转化为蒙脱石。反之，蒙脱石脱水，吸收钾离子，可转化成云母型黏土矿物。王倩等[9]经由长期施钾肥和长期不施肥相关试验，证实X 射线衍射图谱不存在显著差别，但长期不施肥会导致土壤钾素下降。国外研究中，在加拿大发现一定区域内，土壤黏土矿物蛭石的相对含量较高，通过研究6A分辨率X 射线衍射表明，土壤内不少蛭石矿物已吸纳其中的钾元素而转变成和云母相似的矿物[10]。伊朗探究人员运用X 射线衍射图谱法研究分析了12个水稻土，发现云母类可转变为2∶1 类黏土矿物[11]。经过长期定位施肥试验得出的相关试验成果，对化肥工业的发展方向、科学施肥制度的形成、土壤肥力的保持、农业生态和环境保护的协调发展以及农业生产健康绿色发展等，均起到了至关重要的积极作用[12]。由于中国的长期定位施肥试验起步较晚，目前延续30年以上的试验基地不多，有机肥与氮肥配施条件下的长期定位试验更少。本试验从1978 年开始，在山东莱阳试验基地进行了长期施用有机肥、化肥以及二者配施的定位试验，到目前已持续了39 年。黏土矿物在土壤沉积和埋藏的过程中，可受周围土壤环境变化，相对含量发生变化[13]。为深入探讨长期定位施肥对黏土矿物的影响，得到更准确的试验结论，本研究基于连续进行39年的长期定位施肥试验，探讨施肥对土壤黏土矿物相对含量的影响，为保持土壤良好的肥力结构提供依据，保护土壤健康，为推动农业的长期稳定发展提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验设在青岛农业大学莱阳试验站进行，土壤由冲积母质构成，非石灰性潮土，表层属于砾质砂壤土。土壤pH值为6.8，0～20 cm土层有机质含量为4.10 g/kg，全氮量0.50 g/kg，全磷量为0.46 g/kg，土壤有效磷为15 mg/kg，土壤速效钾为38 mg/kg，土壤阳离子交换量为11.80 cmol/kg。

试验始于 1978 年，共设 9 个处理，3次重复。实施冬小麦-夏玉米轮作，氮素化肥选择尿素，高氮处理施肥量为276 kg/hm2(用N2表示)。低氮处理施肥量为138 kg/hm2(用N1表示)。有机肥选择猪圈粪，含全氮为 2.0～3.0 g/kg、全磷为 0.5～2.0 g/kg、全钾(K)为5～10 kg，有机质为 20.0～50.0 g/kg，有机肥施用量(低量(用M1表示)、高量(用M2表示))都是以和无机氮肥等氮量运算，以氮确定有机肥的用量。小区有 33.3 m2，随机排序，有机肥是基肥，无机氮肥用作小麦种肥与起身、拔节期追肥和玉米拔节、穗期追肥。本试验选取了 1978，1984，1990，1996，2002，2008，2014 年的 0～20 cm 土层土壤样品进行测定。分析土壤黏土矿物动态变化、长期定位第 37 年(2014 年)施肥对黏土矿物的影响。表1为试验地土壤基础状况。

表1 试验地土壤基础状况(0～20 cm，1978 年)Tab.1 Tested soil foundation(0-20 cm，1978 years) kg/hm2

1.2 测定方法

土壤黏粒的分离和提炼：通过超声波加以分散，运用自由沉降法[14]，离析出低于 1 μm的黏粒。

土壤黏土矿物组成的测定：运用日本理学D/max-ⅢC型X-射线衍射仪进行剖析[15]。运用方差分析、相关性等分析方法，采用 SPSS 7.05 等统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 长期定位施肥对黏土矿物成分的影响

蒙脱石属于涨缩性2∶1型黏土矿物，晶体颗粒较小，为0.01～1.00 μm。负电荷较多，使土壤能够吸附更多的阳离子，特别是在钾离子含量较低而钠离子和钙离子含量较高的碱性介质中形成的，重点阳离子包括硅、铝 、镁等，有着较好的保肥与供肥功能。水云母是非膨胀性2∶1 型矿物，K+的键和作用较强，使晶层间距只有1 nm，水分子和其他离子很难进入晶层之间，从而失去涨缩性。阳离子交换量少于蒙脱石，如果晶格层间K+持续流失，那么水云母有可能转化为蒙脱石。高岭石属于1∶1黏性矿物，晶层间距是0.72 nm，晶体颗粒大，是硅酸盐矿物在天然地理条件下的分解物，是酸性介质中岩石遭受较强淋滤后产生的，其重点阳离子包括硅和铝。绿泥石主要在碱性条件下生成，淋滤作用不强，属于2∶1∶1型晶体结构，重点阳离子包括硅、铝、铁、镁，且水云母含量与蛭石-绿泥石呈显著负相关关系[16]。

按照 2 θ 与 d 的值和三强峰，对照标准 PDF 卡来判定粘土矿物质的类别[17-18]。由 2014 年土壤镁元素饱和的衍射图谱可得知(图 1)，不同施肥土壤中黏土矿物的衍射强度I(特征衍射峰的高度)改变，表明长期定位施肥土壤中的黏土矿物质的相对含量发生了变化。

图1 长期定位施肥处理的土壤黏土矿物(<2 μm)X-射线衍射图谱(0～20 cm，2014 年)Fig.1 Long-term localization of soil clay mineral (< 2 μm) X-ray diffraction pattern(0-20 cm，2014 years)

按照特征衍射峰(d001)的面积，测算出黏土中矿物质的相对数量。由表2看出，不同施肥处理土壤中粘土矿物相对含量发生了变化。单施有机肥及有机肥配施氮肥处理中的水云母含量有明显提高，最明显的是M2N2，较CK提高了15个百分点，其次是M1N2和M2N1，分别提高了12，10个百分点。不同施肥处理中蒙脱石的相对含量较CK有不同程度的上升趋势，其中上升最高的是 M1N2，较CK提高了14个百分点，其次是 M1N1，提高了13个百分点。说明潮土土壤长期施用单施有机肥及其配施氮肥可有利于蒙脱石的形成。长期施肥处理土壤中高岭石的相对含量，同 CK 相比均有不同程度的下降，其中下降最多的为 M2N1，较 CK下降了12个百分点，其次是M1N1、M1N2和 M2N2，均较 CK 下降了7个百分点。单施有机肥及有机肥配施氮肥处理中，绿泥石相对含量较CK 均有所下降，最明显的为 M2N2，下降了5个百分点。

图2 长期定位不同施肥对黏土矿物动态变化的影响 Fig.2 long-term different fertilization the influence of the dynamic change of clay mineral

处理Treatments蒙脱石Montmorillonite水云母Hydromica高岭石Kaolinite绿泥石Chlorite蒙脱石-水云母混层MontmorillonitemixedlayerofmicaCK30272389N1313022911N2322020812M142311759M1N143351668M1N244391669M241321879M2N135371168M2N240421639

2.2 长期定位施肥对土壤黏土矿物动态变化的影响

从图 2 看出，随着时间的延续，各施肥处理中的蒙脱石相对含量较CK 处理有不同程度的上升变化趋势，以 M1N2最显著(R2=0.991 80)，其次是 M2(R2=0.952 86)，这说明长期施用氮肥及有机肥配施氮肥有利于蒙脱石的形成。单施氮肥处理中水云母相对含量随时间的推移呈下降趋势，均低于 CK，且 N2(R2=0.948 03)低于 N1(R2=0.883 27)，说明单施氮肥使土壤中钾离子减少，水云母转化为蒙脱石等其他黏土矿物;而在单施有机肥及有机肥配施氮肥处理中水云母相对含量逐年提高，M2N2最高(R2=0.971 26)，其次是 M1N2(R2=0.903 18)、M2N1(R2=0.890 89)，说明有机肥中钾元素有利于提高水云母的相对含量。伴随时间的推延，高岭石的相对含量在单施氮肥处理中有下降趋势但不明显，在单施有机肥及有机肥配施氮肥处理中，M2N1降低最显著(R2=0.993 10)，其次为 M2N2(R2=0.938 89)、M1N2(R2=0.900 00)，且所有处理的高岭石含量较CK有降低变化趋势，说明长期施肥抑制高岭石的形成。随着时间的延续，绿泥石相对含量在单施氮肥处理中变化不明显，在长期单施有机肥及有机肥配施氮肥处理中均低于 CK，其中 M2N2(R2=0.942 31)下降最明显，说明长期施用有机肥不利于绿泥石的形成。单施氮肥处理的蒙脱石-水云母混层相对含量随时间的推移呈上升趋势，有机肥配施氮肥变化不明显。

3 讨论与结论

黏土矿物是土壤内最为活跃的成分，对土壤维持肥力、缓冲、自我净化与养分循环等功能都有影响。其含量和种类随土壤环境的不同而发生改变。 长期单施氮肥造成土壤钾素亏缺，尤其是高氮肥的施入，钾素亏缺更严重，致使水云母脱钾转换为蒙脱石等其他矿物，从而水云母含量减少；长期施用有机肥及有机肥配施氮肥处理中，水云母含量增多，这是因为有机肥中的钾离子有利于水云母的形成，其中单施高量有机肥及其配施氮肥处理水云母含量显著升高。这一结论与刘永辉等[8]的研究成果相一致，即有机肥中的钾元素有利于水云母相对含量的增多。

本试验中，单施有机肥及有机肥配施氮肥处理 绿泥石的相对含量有下降趋势，且高量有机肥及其配施氮肥处理下降最明显，而同一处理下，水云母含量上升显著，这与李娜[16]的研究结果相似，即长期施钾肥和有机肥可影响黏土矿物中水云母的含量：单施高量有机肥及含钾素化肥，可使土壤中水云母含量增加，施不含钾肥处理后土壤中水云母含量呈下降趋势；其成果中还指出，水云母与蛭石-绿泥石相互转化，互为消长，相关分析表明：水云母含量与蛭石-绿泥石呈显著负相关关系；钾素与水云母呈正相关关系，而与蛭石-绿泥石呈负相关关系。因水云母风化脱钾可转换为蛭石，因此更能说明在长期施用不含钾肥处理可有利于绿泥石的生成。

高电荷的蒙脱石有带状的楔形位置，因此固钾能力强[19]，本研究中各处理的蒙脱石相对含量大于CK，单施氮肥处理土壤中蒙脱石呈现上升趋势，可能因为土壤风化和淋溶作用，为保障土壤中钾素的含量，固钾能力强的矿物渐增[20]。长期施用高量有机肥处理中蒙脱石含量变化不明显，可能因为有机肥中的钾元素足以用于作物生长，导致蒙脱石的含量上升不明显。

长期单施氮肥处理中钾素缺失，蒙脱石-水云母混层相对含量有上升趋势，这可能是由于土壤中钾素缺失，水云母矿物层间的非交换性钾不断释放，使云母矿物出现膨胀性层间结构即云母-蒙脱石混层增多导致的[21]。

高岭石相对含量在单施氮肥处理中，变化不明显，而在施有机肥及其配施氮肥处理中有明显下降趋势，说明长期施用有机肥不利于高岭石的形成。这一结论与崔德杰等[21]得出的成果一致，其研究中指出，平衡钾解吸量高处理中高岭石的相对含量偏低，相关分析得出二者呈显著负相关，说明黏土中的高岭石不利于潮土中钾素的释放，这可能与高岭石的阳离子交换量低，同晶置换能力低有关。

长期施肥的潮土其黏土矿物各组分的相对含量发生了变化。长期施用有机肥，土壤中钾素升高，有利于水云母的形成，施用高量有机肥效果更明显。而绿泥石相对含量与水云母相反，随着有机肥的用量升高而降低。长期不同施肥土壤中，单施氮肥处理可提高蒙脱石相对含量，也可有利于蒙脱石-水云母混层的形成。长期施用有机肥及有机肥配施氮肥不利于高岭石的形成。

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Effect of Long Term Fertilization on Soil Clay Minerals in Soil

LIN Shaowen，CHEN Yanling，LIU Shutang，YUAN Mingzhang

(College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China)

Using the 39 years long term fertilization experiment，the soil in the year of 1978，1984，1990，1996，2002，2008 and 2014 were studied. The effect of different fertilization on the soil clay mineral in the soil was studied by X ray diffraction. The changes of relative contents of clay minerals in different fertilization treatments were analyzed，and the results showed that the relative contents of clay minerals could be changed by long-term fertilization. Relative content of the interannual variability of the montmorillonite was higher than that of CK，assumes the trend of escalation，the results most significant (R2=0.991 80)，followed by M2(R2=0.952 86)，with the time delay，kaolinite and the relative content of M2N1decreased most significantly (R2=0.993 10)，then M2N2(R2=0.938 89)，results M1N2(R2=0.900 00)，and kaolinite content of all treatments were lower than CK. Soil relative content of chlorite，organic fertilizer and nitrogen fertilizer treatment compared with CK decreased，according to 2014 showed that，M2N2decreased the most obvious and 5 percentage points. Single application of N fertilizer treatment hydromica relative content was declined with the passage of time，and N2(R2=0.948 03) less than N1(R2=0.883 27)，single application of organic fertilizer and organic fertilizer application of nitrogen fertilizer in mica relative content increased year by year，M2N2highest (R2=0.971 26) followed by the results (R2=0.903 18)，M2N1(R2=0.890 89) that organic fertilizer was conducive to the formation of mica. Long-term single application of nitrogen fertilizer caused by lack of potassium，hydromica mineral layer of non exchangeable potassium continue to release，montmorillonite hydromica the formation of mixed layer relative content also with the passage of time showed a rising trend.

Long term located fertilization; Fluvo aquic soil; Clayminerals

2017-06-11

山东省现代农业产业技术体系建设经费(SDAIT-02-06)；“十二五”农村领域国家科技计划课题(2013BAD07B00)；山东省科技重大专项(2015ZDXX0502B01)

林少雯(1991-)，女，山东烟台人，在读硕士，主要从事植物营养与施肥技术研究。

刘树堂(1962-)，男，山东安丘人，教授，博士，主要从事植物营养与施肥技术研究。

S143

A

1000-7091(2017)04-0142-06

10.7668/hbnxb.2017.04.023