有机胶结剂与土壤团聚体的研究进展

有机胶结剂与土壤团聚体的研究进展

1土壤微团聚体及其形成机理适宜生长的土壤结构通常取决于直径为1.10mm的水稳定聚集体。影响植物生长的原因是它可以维持一定的空气、水和根系的运动，并向它们的根系中释放空气。然而，土壤物理条件的优缺点不仅取决于大聚集体（即直径大于250m），还取决于微聚集体（即直径小于250m）。微聚集体是形成土壤结构的单位，对土壤肥力的发育起着非常重要的作用。微聚集体及其适当的结合是土壤肥力的物质基础。在土壤沉积层的形成过程中，胶结物质起着非常重要的作用。对于土壤中的各种颗粒，可以分为三种类型：颗粒、弱粉碎和强还原胶体（如碳酸、镁、无定形铁、铝氧化物等）以及各种有机结合体。不同的土壤可能同时含有这三种胶结物质，但由于土壤中的生命组成、生物气候条件和农业管理措施的不同，以及有机和有机胶体的组成也不同。在高有机质含量的黑土和高成熟度的土壤中，有机结合物质的形成不仅取决于微生物的数量、活性及其代谢产物和植物根系的分泌物，还取决于输入有机质和含量的质量和数量以及食物中动物的排泄活动。[8.9、15、23、24、29、43]。土壤凝结体形成的主要推动力是根系的插入和压缩、干旱地区的交替、冻融土壤肥力的交替、昆虫探测活动和人类生产活动（主要是农业和肥料）。因此，良好的土壤结构是由多种活动组成的，了解有机结合物质的性质、土壤结合形成的理论、稳定机制和更新过程的机制，对于探索原始休耕土壤土壤肥力后的土壤肥力，包括一些规律和土壤肥力指标的变化和机制，以及土壤结构退化对土壤肥力质量的影响机制及其控制。2有机结合物质2.1土壤多糖的产生瞬变性胶结剂是指能被微生物快速分解的有机物质,最重要的一类是多糖,包括微生物产生的多糖,它是有机质加入土壤后产生的;另一类是在植物根际,与根和微生物体相联系的多糖.2.2胶结剂的使用临时性胶结剂有植物根、真菌菌丝体、细菌细胞、海藻以及水疱性丛枝状菌根菌丝等.在土壤中,当根系和伴生的菌丝生长时,这类胶结剂能在几周或几个月内形成,可维持数月或数年,并受土壤管理影响.根不仅向土壤提供可分解的有机残体和根际维持庞大的微生物群,而且某些植物的根,特别是牧草根本身(即使在根死亡以后)就起胶结剂的作用,菌丝(不一定是活的)表面存在粘性物体,被粘土所包裹,形成团聚体.临时性胶结剂使大团聚体稳定,这可能是因为根和真菌菌丝比较大,并能在土壤大孔隙里生长之故.2.3机-无机复合体持久性胶结剂是由芳香族的腐殖质物质与无定型铁、铝和铝硅酸盐结合而成大的有机-无机复合体,其有机质含量占土壤有机质总量的52%～98%.这些腐殖质很可能由根、菌丝、菌胞和根际的菌落的耐久性碎片衍变而来,被认为是团聚体的中心,细粘粒被吸附到这个中心上来.持久性胶结剂还包括牢固吸附粘粒的聚合物.3土壤和植物根系的组成是土壤聚集形成的过程3.1微生物和植物的根系和土壤的结合形成3.1.1土壤水稳性团聚体的群落特征土壤微生物,特别是真菌,在大团聚体的形成和稳定中起重要作用.Degens等在电子显微镜下发现,团聚体中的沙粒明显地仅靠菌丝联结在一起,并证实了腐生真菌和菌根真菌的菌丝长度增加对沙土团聚的贡献.几种土壤大团聚体的稳定性和土壤中菌丝长度有关.在牧草地稳定性团聚作用的增强与根系长度及水疱性菌丝长度有关.另外,Bethlenfalvay等的研究表明,在有N营养状态下,接种菌根真菌(VAM))和根瘤菌,土壤水稳性团聚体的比例最高.VAM也通过提供C给其它能产生土壤粘液的微生物,而间接改善土壤结构.菌丝体除了在形成大团聚体中可起到绊缠物理作用外,许多菌丝体还可产生大量多糖,使微团聚体粘接在一起,进而被菌丝体网缠绕成稳定大团聚体.一般情况下,微生物类群在团聚体形成中的作用大小为:真菌>放线菌>酵母菌和细菌.3.1.2土壤团聚体稳定的增加在土壤团聚体形成过程中,微生物的另一作用是通过分泌胶结物质实现的,这种胶结物质就是微生物多糖.Changey等通过在土壤中加入0.1%的葡萄糖培养后,发现微生物产生的有限的胞外多糖对增加团聚体的稳定性是有效的;当加入0.5%的葡萄糖时,产生了较多的胞外多糖,土壤团聚体的稳定性也大为提高.Jastrow研究表明,输入的植物残体主要通过真菌菌丝体生长和其它微生物产生胞外多糖的分解活动,在使土壤颗粒或胶体和矿物质结合中起核心作用.菌根菌丝体和其它根际微生物产生的有机化合物可使微团聚体进一步胶结成大团聚体,这是因为植物根的分泌物能为微生物生长活动提供有效的C源和N源,使根际维持有庞大的微生物种群,能产生更多的多糖.根还向土壤提供可分解的有机残体,而且某些植物的根,特别是牧草本身就起胶结剂的作用,它们把土壤的细颗粒绊缠为稳定的大团聚体,即使在根死亡以后也如此.同时根的穿插和挤压作用也不容忽视,根茬在土壤团聚体形成中的作用优于上层的植物残体,因为根茬分布于土体之中,其形成的微生物胶和多糖也较均匀地分布于土壤中,加之根的挤压力有利于土壤颗粒形成团聚体,因此,根际及其周围土壤的团聚体稳定性常高于非根际土壤.团聚体的形成实际上是植物根系和微生物共同作用的结果.3.2确立适应生长和消极主导的原则吞食土壤的动物,特别是蚯蚓在分解凋落物,形成土壤团聚体的过程中起重要作用.在它们的肠腔内能破坏或形成有机-无机复合体,随粪便排泄到体外,形成新的微团聚体.另外,动物排泄物是丰富的有机质,能影响土壤总C库的活性部分,并可在适当条件下发展成稳定团聚体,其中绝大多数团聚体(90%)是水稳性的,平均重量直径(MWD)为2.8,而混合土中60%是水稳团聚体,MWD为0.6.相对土壤团聚体,蚯蚓排泄物稳定性的提高,发生在蚯蚓体内的初级代谢起了一定作用:1)在经过蚯蚓肠道过程中,矿物质和有机质(特别是多糖)的混合,促进了粘片和有机聚合物间多价离子键的形成;2)通过有机质的脱水,增强了这些短键的强度;3)伴随分解,真菌的生长,把排泄物中的微团聚体胶结在菌丝体网中.蚯蚓也影响土壤大团聚体的稳定性,Marinissen发现大团聚体稳定性和实际蚯蚓数量之间呈显著正相关.蚯蚓(M.anomala)诱导的一种强烈团聚作用,直接取决于蚯蚓生物量.水稳性团聚体的比例也随蚯蚓数量增加而增加.4微生物群落特征及其对土壤改良的意义Tisdall等提出了团聚体等级发育模型,描述了原生矿物颗粒首先与细菌、真菌和植物碎屑胶结形成微团聚体,然后这些游离的微团聚体又被瞬变性胶结剂(微生物和植物源多糖)和临时性胶结剂(根和真菌菌丝体)胶结成大团聚体.Elliott观察到,在温带草地土壤中和大团聚体结合的有机质比和微团聚体结合的多,同时发现大团聚体比微团聚体含有更多的新的不稳定有机质.因此,Angers等提出,存在于稳定大团聚体内新SOM的实际物理化学本质和作用需要进一步测定.Oades、Elliott等提出了另一种团聚体结构的模型,即在大团聚体中心形成微团聚体.源于根的有机碎屑、真菌菌丝体和粪便类物质的微粒有机质(POM)碎片可在大团聚体内部通过蚯蚓和其它土壤动物吞食和排泄活动结合在一起.在团聚体内部POM分解过程中,有机碎片与微生物粘液及粘土颗粒包裹在一起,使有机质越来越被封闭,免遭微生物攻击.这种方式形成的微团聚体在受各种化学和代谢胁迫时,从大团聚体中释放出来,它们富含相对稳定的SOM.Oades和Waters发现,许多>90μm的微团聚体都有由具有物理保护功能的粘粒包裹植物碎片组成的可抗迅速分解的核心.Golchin等在利用超生波分散、密度分组及光谱化学技术等研究的基础上指出,最稳定的微团聚体有POM的核.Angers等在13C和15N标记小麦秸秆的田间培养试验中观察到,由于新C和N结合在其中,大团聚体中标记C和N增加最早.随培养时间的增加,标记C、N在大团聚体中逐渐减少,而微团聚体中增加.18个月后,标记C、N大部分都积累在微团聚体中.Gale在模拟免耕试验中也观察到,标记C在团聚体中同样再分配,并最终积累在微团聚体中.这些结果说明,C首先结合进入大团聚体,然后形成新微团聚体的核心.然而大团聚体中C的减少,不能解释和耕作有关的总C损失.因此,Six等提出,常规耕作(CT)加快团聚体周转,是引起土壤C减少的原因.在利用13C自然丰度提供信息的基础上,Six描述和完善了不同耕作措施对大团聚体周转及SOM动态影响的胚胎发育模型(图1).在免耕(NT)系统下,在t1阶段,新鲜作物源残茬(LF)结合进入大团聚体,形成团聚体内的粗POM(iPOM).从t1～t2到t2～t3阶段,大团聚体内粗iPOM进一步分解和破碎成细iPOM.然后,细iPOM被矿物质和微生物产物包裹,形成新微团聚体的核.这些微团聚体含有作物源C,如iPOM和分解产物.从t3阶段开始,C被消耗,微生物活性和胶结物质生产逐渐减少,最终微生物活动停止,导致大团聚体不稳定和潜在的解体.此时,微团聚体(新的和旧的)、矿物质组分和POM释放出来(t4).当又有新鲜残茬加入时,这些组分可以再结合成大团聚体,参与到下一轮大团聚体循环中.在CT系统中,某些大团聚体也经过与NT同样的步骤(分解循环).然而,由于耕作使很大比例的大团聚体在t2阶段被打碎,进入一个短的循环(耕作循环),导致大团聚体周转加快.当iPOM从团聚体中释放出来,暴露给微生物腐解时,可导致iPOM损失,CT和NT比,CO2排放明显增加(t2～t4耕作循环),且大团聚体周转快,结果保持在CT土壤中的大团聚体很少,而游离微团聚体较多;细iPOM和新形成的微团聚体少(见t3).在t4阶段,结合在CT中作物源C明显少于NT.无论是游离微团聚体有机胶结成大团聚体,还是在大团聚体内形成微团聚体,等级团聚结构是存在的,原因是:1)在大团聚体分解成原生颗粒之前,向土壤增加分散能时,大团聚体逐级破碎成微团聚体;2)大团聚体是由小团聚体加有机胶结剂组成的,因此,随粒径增加,团聚体内C浓度增加;3)大团聚体内所含的有机质比微团聚体的更年轻、更不稳定.至于土地耕种与土壤有机质损失和团聚作用减弱之间的相关性,许多研究人员用团聚体等级理论进行了解释,即大团聚体破碎导致不稳定SOM释放,提高了微生物分解的有效性,增加了微生物活性,消耗SOM,最终导致微生物生物量和活性降低,微生物源胶结物质产量下降,团聚作用丧失.5土壤团聚体的形成和结构在有机质含量高的黑土和熟化度高的土壤中,土壤