坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起的土壤颗粒分离、泥沙输移和沉积三大过程(Morgan, 1995)。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元, 它的粒径分布及稳定性不仅影响土壤的孔隙分布, 还决定着孔隙的数量搭配和形态特征以及对外界应力的敏感性(Marshall et al., 1996), 进而影响到水分在土表和土体内的迁移途径与方式。因此团聚体的性质与地表径流及侵蚀过程之间具有密切关系(Diaz-Zorita et al., 2002; Zheng et al., 2004)。众多的研究表明团聚体稳定性是影响侵蚀过程中土壤分离、搬运、水分入渗和结皮产生的重要因素(Roth et al., 1994; Le-Bissonnais, 1996; Gregorich et al., 1998; Lado et al., 2004), 而侵蚀过程中团聚体破坏强度和破坏后颗粒大小与其团聚机制、破坏机制及土壤某些化学性质密切相关。

1 团聚体的团聚机制

土壤团聚体的形成大致通过2种途径实现:一是单粒通过凝聚和复合等作用形成复粒, 复粒进一步胶结形成团聚体, 这个过程可逆; 二是大土块或土体经过各种外力的作用(干湿交替、冻融交替、根系压力、耕耘及土壤动物活动)而崩解成不同大小的团聚体(姚贤良等, 1986)。土壤团聚作用就是不同大小的单粒、复粒被不同的有机无机物质胶结的过程, 通常认为, 胶结物质有无机和有机胶体。无机粘结剂主要包括粘粒、多价阳离子(如Ca^{2 +}、Fe^{3 +}、Al^{3 +}, 铁和铝氧化物和氢氧化物、碳酸钙、碳酸镁和石膏)。有机粘结剂主要可分为瞬时的、暂时的和持久的粘结剂(Tisdall et al., 1982) 3类。瞬时的粘结剂主要是微生物产生的和来自于植物的多糖, 会被微生物快速分解; 暂时的粘结剂是根系、植物菌丝和一些真菌类; 持续的粘结剂包括和多价金属阳离子结合的腐殖质及强吸附聚合物(Tisdall et al., 1982;史奕等, 2002)。

一些研究者提出了不同的团聚作用模式, 其主要区别在于团聚作用阶段数不同。Edwards和Bremner (1967)提出微团聚体(d < 250 μm)由粘粒—多价金属—有机质(C—P—OM)复合体组成, 其中, 粘粒通过多价金属与腐殖质化的有机质键合, C—P—OM和(C—P—OM)_x的颗粒(d < 2 μm)一起形成直径 < 250 μm的微团聚体(C—P—OM) _x, x为有限整数。在Tisdall和Oades(1982)团聚模式中, 团聚作用的阶段是从直径 < 0.2 μm →0.2 ~ 2 μm→2 ~ 20 μm →20 ~ 250 μm→2 000 μm。Oades和Waters(1991)修正了这个模式: < 20 μm→ 20 ~ 90 μm→90 ~ 250 μm →>250 μm。这些模式最适用于有机质是主要胶结剂的土壤。土壤结构的这种等级性质表明对不同大小的团聚体有不同的团聚机制。直径>0.25 mm的大团聚体大部分是由细根和真菌丝连接的有机胶结。0.05 ~ 0.25 mm的团聚体和直径为0.002 ~ 0.05 mm的颗粒是由不同的粘结剂(包括持久的有机质、结晶氧化物和非晶形铝硅酸盐)结合的(Tisdal et al., 1982)。因此, 不同级别的团聚体有不同的稳定性。Dexter(1988)研究认为低等级团聚体序列的混合颗粒结合得更紧密, 有更强的内部应力。因此, 低等级团聚体序列的土壤结构一旦遭到破坏, 则高等级团聚体序列肯定同时也被破坏。要了解土壤团聚体的稳定性, 必须对不同等级序列的颗粒行为进行分析。

2 侵蚀条件下团聚体的破坏机制

侵蚀条件下土壤的主要扰动机制有消散、粘粒分散和粘粒膨胀。土壤大团聚体瓦解成微团聚体是土壤结构损失的第一步, 粘粒分散这一化学过程是第二步。对团聚体破坏机制的研究很多(Bernard et al., 2002; Six et al., 2000; Gijsman, 1996; Fox et al., 1998; Haynes et al., 1990; Loch et al., 1994), 其中Le Bissonnais (1996)对前期研究进行总结后系统地分析了团聚体在水中破坏的机制:

1) 消散作用  土粒在快速湿润的过程中, 包被在孔隙中的空气来不及排出所产生的巨大压力分散了土壤颗粒。团聚体消散的效果取决于闭塞空气体积的多少和湿润速度的高低。这一过程中, 土壤的初始含水量是影响团聚体破坏的重要因素。Truman等(1990)发现, 土壤含水量增加至饱和过程中, 闭塞空气在减少, 基质势梯度在降低。消散后的颗粒主要是微团聚体, 且微团聚体的含量随粘粒含量的增加而增大。

2) 崩解作用  土粒在干燥和湿润过程中, 膨胀和收缩导致团聚体破碎。消散作用随粘粒含量的增加而减弱, 而不同程度的膨胀产生的崩解作用随粘粒含量的增加而增强。

3) 外力的机械作用  即雨滴对土表的击溅引起的团聚体破坏。如果雨滴的动能足够大, 这种崩解常和其他机制共同起作用。湿土中, 雨滴打击下的崩解占主要地位, 它能清楚地反映地表覆盖物的重要作用。在非灌溉条件下, 雨滴打击土体的压缩应力会转变为侧向剪应力, 使土粒分散并溅出, 即击溅作用。雨滴击溅不仅分离土壤而且移置已分离的土粒。

4) 物理-化学机制的分散  这种分散是由于湿润过程中胶粒间引力的降低所引起的, 它取决于土壤的碱化度(ESP)、阳离子的大小和价数。这种分散作用产生的是比微团聚体更小的单粒, 是一种有效的团聚体崩解过程。它常导致土壤快速结壳, 入渗率降低, 土粒在水中的较大移动。

根据上述理论, Le Bissonnais(1996)设计了4个试验进行验证, 发现空气爆破对土壤团聚体的破坏最大, 是侵蚀过程中破坏团聚体的主要作用力。Le Bissonnais等(1997)和Amézketa等(1996)运用Le Bissonnais设计的试验对加利福尼亚的土壤进行研究后发现, 模拟降雨条件下, 与消散相关的团聚体稳定性参数与侵蚀参数密切相关。Loch和Foley(1994)对大范围的澳大利亚土壤进行研究后, 建议采用模拟降雨的方法润湿土壤, 因为这与野外条件下的土壤湿润过程更接近; 但浸没湿润引起的团聚体破坏同模拟降雨湿润引起的团聚体破坏结果相似, 且与野外入渗试验的结果显著相关; 而且, 对于大多数土壤, 土壤的湿润速率对团聚体的破坏作用远远大于雨滴对团聚体的打击破坏。Bernard和Eric (2002)更认为快速浸润引起的消散破坏是目前最简便的比较团聚体水稳性的方法。

3 团聚体稳定性与某些土壤化学性质的关系 3.1 有机质对团聚体稳定性的影响

有机质是团聚土壤颗粒的重要胶结物质, 它对团聚体稳定性的影响主要表现在两方面: 1)有机质通过有机聚合体对矿质土粒的连接和植物根系与菌丝对土粒的缠绕, 增加了团聚体间的连接强度; 2)有机质增加了团聚体的疏水性, 减慢了其湿润的速度, 因而降低了土粒中闭塞空气对团聚体的破坏(Chenu et al., 2000;Caron et al., 1996)。

不过有机质对团聚体稳定性的作用是存在争议的。一方面, 认为土壤悬液中加入有机阴离子会增加粘粒分散(Heil et al., 1995), 另一方面, 认为有机质和水稳性团聚体成正相关(Benito et al., 1992; Boix-Fayos et al., 2001;魏朝富等, 1995;章明奎等, 1997)。这2种截然相反的观点可从以下角度理解(Amézketa, 1999): 1)只有部分有机质对水稳性团聚体有作用; 2)这种作用的有机碳含量有一上限; 3)有机质不是主要的粘结剂; 4)有机质的分布比其类型或含量更为重要; 5)生荒地土壤中水稳性团粒稳定性主要与一些土壤物理因素有关。Boix-Fayos等(2001)对半干旱到半湿润地区的土壤进行研究, 认为微团聚体的水稳性与粘粒含量成正相关, 而大团聚体的稳定性则与土壤有机质密切相关, 且当土壤中有机质的含量大于5 %或6 %时, 有机碳含量与团聚体稳定性成正相关关系。

在土壤有机质中, 腐殖物质是起团聚作用的重要组分, 占有机质总量的85 % ~ 90 %。它是一类暗色的、含氮的、具芳香性结构的酸性高分子聚合物, 是微生物活动的产物, 但不易为微生物所分解。腐殖质包括胡敏酸、富里酸以及胡敏素等。胡敏酸是一种以芳香性化合物和杂环化合物为主的多官能团的高分子聚合物, 其灰分只有3 % ~ 4 %; 而富里酸的灰分可高达7 % ~ 8 %(熊毅, 1974), 这说明富里酸中含有金属螯合物。在胡敏化过程中, 芳香碳、烷基碳增加, 烷基氧降低, 因而胡敏酸的碳、氮含量比富里酸高, 氧的含量比富里酸低(Chefetz et al., 2000; Shang et al., 1998; Zech et al., 1997)。一般认为, 胡敏酸的分子量比富里酸高。由于富里酸分子量小, 复杂程度较低以及活性官能团较多等, 使得富里酸具有比胡敏酸更为活泼的特性, 其还原能力和络合能力都比胡敏酸强。至于腐殖质中的胡敏素, 是土壤中与矿物部分呈不可逆结合的有机化合物, 但目前还缺乏对胡敏素物理化学特性的研究(李映强, 1997)。Greenland(1971)通过对胡敏酸、富里酸与无机成分相互吸附的研究指出:胡敏酸和富里酸能通过粘土矿物表面的多价金属阳离子与粘土矿物相吸附, 并认为存在2种机制:一种是腐殖酸通过多价阳离子与云母型粘土矿物的表面相结合; 另一种是腐殖质与氢氧化铁铝和粘粒边缘相结合。

3.2 铁铝氧化物、氢氧化物对团聚体稳定性的影响

在土壤团聚过程中, 不仅有机胶体起作用, 无机胶体的粘结作用也不可忽视。无机胶结剂也可以看作是一类永久性胶结剂。它一旦在土壤中占优势, 有机胶结剂的作用将大为减弱, 基本不影响土壤的物理性质(Goldberg, 1989;卢金伟等, 2002)。

铁、铝和硅的氢氧化物或水合氧化物, 在许多土壤中可作为水稳性团聚体的良好胶结剂, 与侵蚀量和水稳性团聚体有很好的相关关系(Duiker et al., 2003;Rhoton et al., 1998; Markgraf et al., 2007)。Arca和Weed(1966)发现, 在粘粒和游离氧化铁含量不等但粘土矿物类似的土壤中, 氧化铁与水稳性团聚体间有极显著相关性。Rhoton等(1998)研究了Memphis地区的铁氧化物与土壤可蚀性的关系, 认为该区Fe₂O₃与土壤有机碳和粘粒成分相比, 对土壤可蚀性的影响更大。Markgarf等(2007)研究了4种富含铁氧化物的巴西土壤和一个母质为蒙脱石的土壤后, 得出结论:铁氧化物对土壤微团聚体的稳定作用要强于有机质。

铁、铝氧化物对土壤团聚体的作用也存在争议, 具体体现在结晶度、颗粒大小、氧化物分布和氧化物作用的程度上。普遍认为, 铁铝氧化物阻止粘粒分散和膨胀, 增强微团聚体的稳定性。其稳定性机制有3个方面: 1)溶液中的铁铝充当絮凝剂; 2)铁铝氧化物充当粘粒和有机分子的粘结剂; 3)铁铝氧化物作为凝胶在粘粒表面沉淀。

为研究氧化物的作用, 常采用氧化物含量与土壤稳定性之间的相关分析及比较除去和增加氧化物前后土壤结构的稳定性, 来衡量铁、铝氧化物的影响。胡国成等(2002)研究了用DCB处理土壤前、处理后从土壤中分离得到的各级矿物组成的变化, 进一步从矿物学角度证实了氧化铁对土粒的强胶结作用。Deshpande等(1964)研究的结论是大团聚体和微团聚体的稳定性都与铁含量无关, 认为土壤有机质是增强微团聚体最重要的组分, 而不是氧化铁, 因为除去土壤氧化铁后土壤比表面积虽减少, 但土壤物理特性、渗透性、团聚体稳定性、机械分散或膨胀变化很小。Givannini等(1976)选用乙酰丙酮做浸提剂在不扰动土壤中有机质的条件下, 提取了土壤团聚体中的Fe、Al成分后发现, 虽然土壤团聚体的各粒级分布未发生变化, 但团聚体水稳性却降低了。Jose等(1997)的研究也从另一个角度证实了铁铝氧化物对团聚体的胶结作用, 他研究了团聚性及团聚体粒径分布与可溶性铁铝的关系, 发现用草酸铵浸提未经分散的大团聚体测得铁铝的量比分散过的团聚体要低15 % ~ 20 %。

氢氧化铁和氢氧化铝在稳定团聚体方面可能同样有效。当土壤和粘粒含有表面积很大的氢氧化铝时, 就能产生稳定的团聚体。因为氢氧化铝难以分散, 即使土壤中含有相当比例的交换性钠离子也是如此(Goldberg, 1989)。因此, 在一定情况下也可以认为, 高铁的水合氧化物在稳定团聚体方面不如氢氧化铝重要。

在红壤中, 铁铝氧化物、氢氧化物胶结作用尤为明显(姚贤良等, 1990; Zhang et al., 2001)。它们往往呈胶膜状态包被在土粒表面。当它们由溶胶转变为凝胶时, 把土粒胶结在一起。凝胶经干燥脱水所形成的结构体具有相当稳定的水稳性。特别是在含10 %以上铁铝氧化物的土壤中, 氢氧化铁、铝能将土壤颗粒粘结成直径大于100 μm的水稳性团聚体。红壤的结构稳定性较强, 是因为红壤的结构组成中以膨胀性较小的高岭石为主, 并具有大量胶结力强的水合氧化物。

3.3 其他土壤性质对团聚体稳定性的影响

Castro和Logan(1991)研究了施用石灰对供试的3种土壤团聚体稳定性及溅蚀和水蚀的影响, 结果发现该措施对溅蚀没有显著影响, 对土壤侵蚀的影响则与有机质的减少相关。这可能是由于钙离子的絮凝作用只是促使粘粒的团聚, 还不能说已形成团粒。Le Bissonnais(1996)认为CaCO₃对团聚体稳定性的作用可能依赖于CaCO₃颗粒分布和粘粒含量, 粘粒含量高和CaCO₃颗粒小于粉粒大小时对土壤有很好的团聚作用。土壤改良时常加入石膏, 其效果取决于渗漏液流动的速度。增加流速会使石膏颗粒周围的水膜变薄, 减少水与石膏颗粒表面接触的时间, 并降低Ca-Na交换的机率(Nadler et al., 1996)。

Keren等(1983)认为交换性钠对团聚体稳定性影响很大。钠离子有很强的分散性, 可以直接导致团聚体的破碎。决定粘粒分散或絮凝的主要因素是电解质浓度、pH值和钠吸附比, 而电解质浓度和组成对大团聚体瓦解成微团聚体几乎不起作用, 电解质浓度低而钠吸附比值高将使粘粒分散和膨胀, 导致土壤结构的损失破坏。Mamedov等(2002)对同种土壤但交换性钠含量在0.9 ~ 20 mmol·kg^-1的6个土样研究显示, 径流量和侵蚀量均随交换性钠含量的增加而增加。Le Bissonnais(1996)认为阳离子大小和电价影响团聚体稳定性, 多价阳离子导致絮凝, 单价阳离子导致分散。

目前有不少研究者将目光放到土壤中的粘土矿物与土壤结构和土壤团聚体的关系上。Igwe等(1999)研究了尼日利亚土壤团聚体稳定性与当地土壤化学性质、矿物性质的关系, 发现含有蒙脱石的土壤团聚体稳定性比以高岭石为主的土壤要低得多。Jose和Sharon(1997)的研究表明晶形氧化物所起到的团聚作用很小, 真正扮演重要角色的是非晶形氧化铁铝, 且土壤中团聚体的针铁矿/赤铁矿比值(Gt/Hm)与团聚体存在如下关系: Gt/Hm < 2.3的团聚体比Gt/Hm >2.3的团聚体要稳定。

4 结语

团聚体稳定性是影响土壤抗蚀性的重要因素。目前国内对侵蚀条件下团聚体的稳定性研究还较少, 对团聚体稳定性影响因子方面的研究则更少; 国外对土壤团聚体结构形成与破坏机制的研究较多, 但主要侧重于耕作管理措施、有机质种类与分布及侵蚀过程中团聚体内外能量变化对土壤团聚体稳定性的影响。随着土壤侵蚀研究的进一步发展, 就需要寻找一些新的角度, 采用多学科交叉在更深的层次上去研究。在团聚过程中, 土壤的化学性质如矿物学性质、粘粒含量及表面性质、有机胶结剂种类和数量、无机胶结剂的种类和数量都会导致其团聚机制的差异, 以及受团聚机制影响的团聚体稳定性的不同。对团聚体来说, 等级团聚结构是存在的, 对于某种级别的团聚体, 哪种胶结作用是主导因素, 如何调控, 这在防止土壤退化和水土流失的研究和应用上, 要给予足够的重视。另外胶结物质稳定团聚体的作用还大多停留在定性描述上, 如何进行定量研究也将会是今后研究的热点。