作者：谭文峰，许运，史志华，蔡鹏，黄巧云
单位：国家环境保护土壤健康与绿色修复重点实验室，华中农业大学资源与环境学院
卷期：《土壤学报》2023年第60卷第5期
土壤中的砂粒、粉粒和黏粒及有机物相互胶结凝聚，形成大小不等的团聚体，它们进一步在三维空间上组织排列，构成了宏观上的土壤结构。土壤类型多种，耕作措施多样，环境条件多变，导致土壤团聚体的形成过程与稳定机制千差万别，这对良好土壤团聚体的培育带来挑战。尽管土壤团聚体对维持和提升土壤质量有地域差异，但从土壤团聚体的胶结物质出发有助于解析它们的共性特征，提出互补的培育和调控措施，促进稳定性土壤团聚体的形成和土壤质量的提升。
PART 1
土壤团聚体的形成过程与理论
Emerson在1959年首先提出了粘团说，随后，Edwards和Bremner提出微团聚体理论。基于上述理论，Tisdall和Oades提出了多级团聚理论，Oades随后对多级团聚体模型进行了重要补充。
PART 2
土壤胶结物质是团聚体形成的关键
无机胶结物质往往被视为永久胶结物质。铁铝氧化物通常带正电荷，常以胶膜形式覆盖于黏粒矿物表面，在土壤团聚过程中充当“桥”的作用。铁铝氧化物对团聚体稳定的机制主要是：溶液中的铁铝充当絮凝剂，充当黏粒和有机分子的胶结剂，以凝胶状沉淀在黏粒表面。
碳酸钙是黏粒和有机质含量低的钙质土壤中的主要胶结物质。碳酸钙对团聚体稳定性的作用可能依赖于碳酸钙颗粒分布和黏粒含量，高含量黏粒和细颗粒碳酸钙对土壤有很好的团聚作用。但现有的研究鲜有报道碳酸钙是如何将土壤颗粒胶结在一起，从而形成不同粒径的团聚体。
土壤微生物是团聚体形成和稳定过程中重要的生物驱动因子。微生物细胞自身是一种带有电荷的胶体物质，可借助静电力与土壤颗粒彼此连接，并通过细菌菌毛、真菌菌丝等自身结构，将土壤颗粒机械地缠绕起来，形成土壤颗粒聚集体。此外，微生物分泌的胞外物质（如胞外聚合物、球囊霉素等）作为重要的有机胶结剂，其对土壤团聚体形成稳定的黏合作用也长期备受关注。
胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）是微生物生长代谢中释放的高分子聚合物。EPS在矿物表面的黏附行为会改变土壤矿物的表面电荷，进而影响到矿物颗粒之间的自团聚行为，团聚效果也受到环境pH、离子强度、EPS类型和浓度等影响。EPS不仅可以作为土壤颗粒的黏合剂，亦可成为分散剂，这归因于静电作用和空间位阻效应所起主导作用的强弱关系。
图2 球囊霉素“全能胶水”的示意图
根系作为植物的重要组成部分，是接收与输送养分、水分的重要通道；同时，可通过交错、穿插、网络固结、根土黏结等作用，改善土壤理化特性。植物根系作为土壤结构的重要改良剂，在增强团聚体的形成和稳定性、改善土壤凝聚力方面发挥重要作用。
PART 3
胶结机制决定着
土壤团聚体的形成与转化
土壤团聚体的胶结机制主要体现在各组分之间的键能、反应过程、结合位点和结合方式。针对有机质（L）、金属离子（M）、矿物三元配合物的可能结构特征，有学者提出了I型S-M-L和Ⅱ型S-L-M两种配合模型（S代表吸附点位）。在蒙脱石-金属离子-腐殖酸体系中，表面形成的三元配合物最可能为I型结构；氧化硅、氢氧化铝和高岭石等矿物对水杨酸吸附则为Ⅱ型结构。
土壤团聚体中各组分由氢键、范德华力、静电吸附、配位体交换、疏水作用或熵效应（entropic effects）等多种结合键能胶结。通过密度函数理论（DFT）计算发现，阳离子的胶结作用分为直接和间接两种：直接作用中，随着水分含量的增加，其配位方式由双齿配位转变为单齿配位；间接作用中，水分含量会影响团聚体中质子的释放数量，并进一步提出了土壤团聚体中阳离子的桥键模型。
由于有机质的复杂性和异质性，不同类型有机分子在矿物上的吸附能力和吸附机制存在差异，导致有机分子在矿物上的吸附过程中出现优先吸附。结合衰减全反射-傅里叶变换红外光谱和高效液相-体积排阻色谱等技术，发现pH是土壤有机无机复合体形成演化的关键因素。基于相互作用的热焓效应，土壤腐殖酸与矿物的复合过程是受焓驱动的放热反应，pH 4.0时静电吸附和配体交换的相对贡献占比26%~31%，pH 8.0时疏水作用主导该过程（图3）。胶体类型和结合方式是驱动土壤有机无机复合体形成和演变的内因。
图3 有机无机复合体的形成过程与机制
近年来，利用石英晶体微天平（QCM-D）、二维相关红外光谱（ATR-FTIR/2D-COS）、共聚焦拉曼显微镜等界面过程分析技术，研究发现在有机质-矿物的界面分子尺度上，EPS中的蛋白质通过氢键优先吸附至层状硅酸盐矿物表面，而核酸则通过配位交换特异性识别铁氧化物。随着体系离子强度的增加，土壤矿物表面EPS中蛋白质结构由弱刚性的长链结构向强刚性的螺旋结构转变。
PART 4
环境因子是
团聚体形成与稳定性的基础
植物类型影响土壤颗粒团聚的速率和稳定性。水稳定性团聚体（WSA）及其平均直径（MWD）与苯酚、木质素、蛋白质、糖类等植物残体的化学组成密切相关。植被生长演替会影响SOC的数量与质量，从而影响团聚体的空间变异。不同植被类型下，土壤团聚体稳定性空间相关和自相关的差异性源自于土壤内外因素的共同作用。
合理的土壤管理可增加土壤生物量、减少有机碳的矿化与流失。传统耕作措施可压实土壤、破坏土壤微生物生态、增加有机质曝露，加快矿化速率而使有机质含量降低，团聚体的稳定性下降；而少耕免耕有利于土壤形成大孔隙，增强水分移动性和有效性。施肥可提高土壤生物量，增强土壤的团聚；但也改变了土壤pH和电解质浓度，对土壤团聚体稳定性产生负面效应，影响程度依赖于肥料类型。此外，灌溉过程中，灌溉水中离子类型和含量也会影响黏粒的胶结和分散。覆盖作物残体、施加有机肥（如粪肥、堆肥）均可增加土壤中碳的来源，从而提高土壤大团聚体含量。
PART 5
未来主要发展方向
（1）土壤团聚体的原位分析方法还需突破。
（2）土壤团聚体形成过程的定量化描述还需深入。胶结物质驱动着“土壤矿物颗粒→有机无机复合体→微团聚体→大团聚体”的自组织形成过程，但该过程的定量描述与临界特征（如胶结物质的类型、数量、胶结能力等）仍需加强。
（3）土壤团聚体稳定性在景观尺度上的空间结构仍是薄弱环节。需进一步综合使用经典统计和地统计学方法，实现大尺度上较高精度土壤团聚体稳定性空间分布信息的快速获取。
（4）良好土壤结构体培育的产品与技术研发还有待加强。深入理解胶结物质驱动下的土壤团聚体形成过程与稳定机制，从宏观表现与微观机制上揭示土壤退化和演变内因，为培育良好土壤团聚体、开发优良土壤改良剂提供科学依据，也为土壤可持续利用、抗蚀性的微观机理、环境修复、全球碳汇效应等领域提供基础数据和科学依据。
作者简介
点击下方 “阅读原文” 查看更多
↓↓↓
