土壤团聚体稳定性及其机制

土壤团聚体稳定性是指土壤团聚体受到外界作用依然维持其原有形态的能力，是评价土壤结构的重要指标。根据受外界作用不同可分为力学稳定性、水稳定性、化学稳定性、酸碱稳定性和生物稳定性（张旭冉等，2020）。

水分是导致团聚体破碎的主要原因，因此评价团聚体稳定性主要从水稳性团聚体数量、平均重量直径、几何平均直径、分形维数、团聚体破坏率、转移矩阵法这几方面进行（张旭冉等，2020）。水稳性团聚体根据0.25mm粒径为界限，大于0.25mm粒径的团聚体称为水稳性大团聚体，小于0.25mm粒径的团聚体称为水稳性微团聚体。水稳性大团聚体数量是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，能够反映土壤结构的变化。结构良好的黑钙土中水稳性大团聚体数量应该大于40%～50%，生草灰化土应该大于35%～45%，栗钙土应该大于25%～35%（徐香茹等，2017）。

Six提出了团聚体稳定的3种机制：与黏粒、粉粒结合的化学稳定机制，与微团聚体结合的物理保护性机制，与有机质本身化学成分有关的生物化学稳定机制（Six J et al，2004）。化学稳定机制是土壤矿物（即粉粒和黏粒）和有机物质之间通过化学键的相互作用形成有机无机复合体的一种稳定机制。有研究表明，有机碳通过钙—金属桥键结合为稳定的有机矿质复合体，即使施用氮肥提高土壤微生物活性也不能被有效分解（Clough A et al，2000）。稻田土壤有机碳以钙键合态和铁铝键合态形式存在，以铁铝键合态有机碳为主要存在形式，铁铝氧化物对稻田土壤有机碳的固定和化学稳定具有重要的贡献（宋国菌，2005）。物理保护机制是指微团聚体在胶结作用下结合成大团聚体，减小了微团聚体有机碳与空气接触，降低了微团聚体有机碳分解速率，从而使微团聚体受到物理保护作用的一种稳定机制。生物稳定机制是指许多菌丝体分泌多糖类胶结物质使微团聚体黏结在一起，进而被菌丝体缠绕成稳定的大团聚体的一种大团聚体稳定机制。土粒之间的胶结物质的生物稳定性是土壤团聚体的稳定性的关键，有机胶结剂能否被微生物迅速分解利用或彻底分解是影响团聚体生物稳定性的重要因素（徐香茹等，2017）。影响土壤团聚体稳定性的主要因子有土壤有机质的含量、土壤微生物、土壤胶结物质、干湿交替、土壤利用方式等（卢金伟等，2002；张旭冉等，2020），团聚体的形成及稳定是多个因子共同作用的结果（图2-1）。

图2-1　土壤有机质—微生物—土壤团聚结构相互关系（张斌等，2014）

（1）土壤有机质对团聚体稳定性的影响

土壤有机质通过以下4个方面作用参与土壤团聚体形成：①有机无机胶结作用。有机质（矿物结合态有机物即惰性有机碳）与无机胶体通过H+和多价阳离子（Ca2+、Fe3+和Al3+）形成有机无机复合体，进而形成微团聚体。②黏粒的包裹作用。团聚体的核心是有机质残体，团聚体的形成是黏粒包裹在有机物（闭蓄态颗粒有机物）的表面而不是有机物吸附在黏粒表面。③根系和真菌菌丝等缠绕作用。菌丝物理缠绕有机无机复合体形成大团聚体。④有机质填充作用。团聚体之间的孔隙和团聚体内部孔隙都为有机物（游离态颗粒有机物）残体提供了居住场所（图2-2）（彭新华等，2004）。

图2-2　土壤有机碳库在土壤结构中的分布（彭新华等，2004）

早在1963年，有研究者根据有机矿质复合体结构模型将土壤微团聚体分为胡敏酸钙团聚体和胡敏酸铁团聚体两大类（卢金伟等，2002）。但也有研究发现，土壤水稳性团聚体与有机质的含量之间的相关性并不好，原因如下：①仅部分有机质参与水稳性团聚体形成；②有机质超过一定含量后，水稳性团粒不再随有机质含量的增加而增加；

③有机质不一定是土壤团聚体的主要胶结剂；④生荒地土壤中水稳定性团聚体主要与一些土壤物理因素有关（卢金伟等，2002）。(www.xing528.com)

不同类型有机质控制不同粒径团聚体，微团聚体稳定性主要由难降解有机质控制，易降解的有机质（多糖）和暂时的有机质（根系和菌丝）主要控制大团聚体稳定性（张旭冉等，2020）。有机质对团聚体的影响分为2种，一种是土壤腐殖质表面的一些羟基、羧基等功能团可以通过分子力、氢键与土壤颗粒表面的金属阳离子作用形成有机无机复合体，并对土壤中的其他土壤颗粒产生黏结作用，从而形成稳定团聚体；另一种是间接影响土壤团聚体的稳定性，有机质通过一定的疏水基团形成疏水表层覆盖团聚体周围，从而提高团聚体稳定性（张旭冉等，2020）。

土壤团聚体是土壤有机碳的主要储存场所，对土壤有机碳具有物理保护作用，土壤团聚体中有机碳约占土壤有机碳的90%，土壤团聚体是土壤有机碳稳定的主要机制之一，土壤团聚过程是土壤固碳最重要的途径之一（Lal R et al，1997），土壤固碳功能伴随着土壤团聚体的形成和稳定，土壤固碳功能主要是以土壤团聚体为主体的功能单位来完成的。有研究认为土壤团聚体的粒径越大其有机碳含量就越高，反之，土壤团聚体的粒径越小则其有机碳含量就越低（Puget P et al，1998）。

（2）土壤生物对团聚体稳定性的影响

土壤是生物反应器（Dexter A R et al，1992），土壤微生物是土壤生物化学过程的驱动者，驱动着土壤物质循环和能量流动，从而影响土壤养分和土壤结构的形成和稳定。土壤团聚体和微生物密不可分，土壤团聚体是微生物存在的场所，而微生物是土壤团聚体形成最活跃的生物因素。土壤微生物对团聚体的作用主要有两方面，与根系在团聚体形成中的作用类似，一方面是通过真菌和放线菌的菌丝将土壤颗粒缠绕在一起而形成不稳定性大团聚体，另一方面是借助微生物的代谢产物（多糖和其他有机物）和微生物分解有机物时所产生的腐殖酸类物质对土壤颗粒的胶结作用而形成稳定性团聚体（卢金伟等，2002）。Tisdall研究发现VAM（囊泡—丛枝菌根）菌丝和其分泌物对团聚体形成具有重要作用（Tisdall J，1993）。可见，真菌对大团聚体的形成和稳定性起重要作用，大团聚体中以真菌为主；来自植物和微生物分泌的多糖物质在土壤微团聚体的形成和稳定中起关键作用，因此微团聚体中以细菌为主（李娜等，2013）。虽然丝状微生物可借助菌丝对土壤颗粒进行缠绕形成团聚体，当菌丝被分解而得不到补给时，团聚体的数量随之减少，因此稳定性团聚体的真正形成还必须依赖于微生物分泌物等有机物质。除了某些土壤微生物和动物直接分泌黏多糖外，大多数土壤生物都具有很短的周转期，其生物量通常被认为是活性有机碳，参与土壤团聚体形成。

土壤动物特别是蚯蚓对土壤团聚体的形成具有重要作用，土壤动物排泄物中含有的丰富有机质是土壤团聚体形成的有机胶结剂，蚯蚓肠腔促进土壤颗粒形成有机无机复合体并随粪便排到体外，从而形成新的团聚体。由土壤动物形成的团聚体绝大多数（90%）是水稳性团聚体。有研究表明，水稳性大团聚体的比例随蚯蚓数量的增加而增加（Winsome T et al，1998）土壤动物的迁移扰动作用可以破碎大团聚体，同时也能运输有机物颗粒形成新的团聚体（Hodge A et al，2000）。

（3）土壤胶结物质对团聚体稳定性的影响

土壤胶结物质可分为有机胶结剂、无机胶结剂和有机无机复合体。有机胶结剂受有机质、微生物数量及代谢产物、植物根系及其分泌物等因素的影响，分为临时性胶结剂、瞬变性胶结剂、持久性胶结剂。临时性胶结剂主要包括根系、菌丝和真菌，由它们形成庞大的网络，产生物理缠绕作用，因而主要影响土壤大团聚体稳定性，这类团聚体的形成周期为数周或数月，稳定周期为数月或数年，受土地利用方式影响较大（徐香茹等，2017）。瞬变性胶结剂主要包括微生物和植物分泌的多糖，多糖与不同粒径大小的颗粒物质胶结为团聚体。持久性胶结剂主要为腐殖质（富里酸、胡敏酸等），大多数由土壤中的黏粒、有机质和多价态的金属所构成的有机无机混合物，其主要影响微团聚体稳定性，非常稳定，被认为是团聚体的中心（陈建国等，2011）。无机胶结剂主要包括黏粒、多价金属离子和氧化物等，受不同地区的成土母质影响，黏粒在无机胶结剂中较为重要，它通过膨胀分散和凝絮聚合作用影响团聚体稳定性。多价金属离子和氧化物等主要通过影响电解质性质来改变颗粒对于团聚体稳定性的作用（张旭冉等，2020）。土壤有机质是土壤团聚体形成及稳定的重要有机胶结剂。在有机质含量较高而黏粒和氧化铁铝含量较低的土壤中，有机物质的胶结作用主导土壤团聚体的形成；在黏粒和氧化铁铝含量较高而有机质含量较少的土壤中，团聚体形成主要依靠黏粒的内聚力及铁铝氧化物的胶结作用，黏粒通过多价金属阳离子形成有机无机复合体（文倩等，2004）。

钙、镁离子在黏粒与土壤有机质之间形成阳离子键桥，进而改善土壤结构。Ca2+能有效抑制土颗粒分散，通过替换黏粒或团聚体中的Na+和Mg2+，将已破碎的团聚体再次聚合，提高团聚体的稳定性（Armstrong A et al，1992）。Al3+和Fe3+通过阳离子键桥与有机、无机化胶结物或有机无机复合体提高团聚体稳定性（E Amézketa，1999）。Na+是高强度的分散剂，会直接导致团聚体的破坏或通过降低作物生物量来影响团聚体的形成，导致土壤结构性变差。利用Ca2+替代交换性Na+的管理措施有利于改善土壤结构（任镇江等，2011）。

（4）干湿交替对团聚体的影响

干湿交替通过湿度的高低，引起黏土的胀缩，进而影响颗粒间的桥接作用，导致团聚体随着干湿的变化。不同粒径团聚体、不同阶段对干湿状况的响应不同而发生破碎和聚合（张旭冉等，2020）。