长期施肥下土壤粘粒矿物的演变及其供钾特征

Cultivation and fertilization could change the physical, chemical and biological characteristics of soil, which affects mineral weathering and soil fertility. So far, researchers have paid close attention to the effects of long-term fertilization on soil properties and the release and fixation capacity of potassium. However, weathering and transformation of clay mineral under long-term fertilization which was different from that in natural environment has not gotten enough regards. Red soil, Heilu soil and Black soil in south, northwest and northeast China, respectively, were selected for this project. The purpose of this project was 1) to analyze differences in clay mineral composition between natural environment and fertilization in different regions by using X-ray diffration, rietveld structure refinement and multiphase quantification analysis based on theories of mineralogy, crystallography and structural chemisrty; 2) to explore the regional characteristics of mineral weathering and transformation as a result of different fertilizer treatments in different regional climate; 3) to reveal the characteristic of clay mineral evolution and the mutuar-feed between clay mineral evolution and soil potassium supplying ability. The results could enrich the research on mechanism of clay mineral evolution in the context of human activities and improve productivity of agroecosystem, and then provide scientific basis for developing sustainable and high efficiency agriculture.

耕作和施肥等高强度人为干扰措施改变了土壤物理、化学、生物特性，影响矿物风化和肥力特征。现有研究较多关注施肥措施对土壤特性和钾的释放与固定行为的影响，而长期施肥下土壤粘粒矿物的风化转化未受到重视，其演变特点不同于自然环境下的粘粒矿物。本项目以南方红壤、西北黄土高原黑垆土、东北黑土为研究对象，以区域环境要素和土壤粘粒矿物组成差异为线索，以土壤矿物演化规律为核心，根据矿物学、晶体学和结构化学等理论，采用X-射线衍射、Rietveld结构精修与全谱拟合定量分析，研究区域典型土壤在自然环境和长期施肥措施下粘粒矿物的组成差异；结合粘粒矿物的微结构特征，探讨不同施肥措施下土壤粘粒矿物风化强度与演变过程的区域特征；揭示长期施肥措施下土壤粘粒矿物的演变特点及其与土壤供钾特征的互馈机制。研究成果可丰富人为干扰下矿物演化的机理、提高农业生态系统生产力，为发展可持续的高效农业提供科学依据。

耕作和施肥等高强度人为干扰措施可改变土壤物理、化学、生物特性，劲儿影响矿物风化和肥力特征。现有研究较多关注施肥措施对土壤特性和钾的释放与固定行为的影响，而长期施肥下土壤粘粒矿物的风化转化未受到重视，其演变特点不同于自然环境下的粘粒矿物。本项目以祁阳红壤、安塞黄绵土、吉林黑土为研究对象，以区域环境要素和土壤粘粒矿物组成差异为线索，以土壤矿物演化规律为核心，根据矿物学、晶体学和结构化学等理论，采用X-射线衍射、高分辨率透射电镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、穆斯堡尔谱（Mössbauer spectrum）等技术，研究区域典型土壤在自然环境和长期施肥措施下粘粒矿物的组成差异与微结构特征，探讨不同施肥措施下土壤粘粒矿物风化演变的区域特征；结合固钾特性研究，揭示长期施肥下土壤粘粒矿物的演变特点及其与土壤供钾特征的关系。结果表明在地理环境（气候、土壤母质）条件下，区域典型土壤主要粘土矿物存在明显差异：吉林黑土以伊利石、蛭石为主，安塞黄绵土以伊利石、绿泥石为主，祁阳红壤以伊利石、高岭石为主.长期耕作施肥措施对区域典型土壤粘土矿物的影响程度受控于区域气候条件。在温带半干旱向半湿润过渡区，不同施肥措施下吉林黑土粘土矿物组成存在明显差异，对2:1型粘土矿物（伊利石、蛭石、蒙脱石及其混层矿物）相对含量产生深刻影响；有机无机肥配施增加土壤缓效钾含量、提高K+饱和度，延缓或阻止伊利石向伊利石-蒙脱石混层层间矿物的转化，使土壤对外源钾的固定能力降低。在暖温带半湿润向半干旱过渡区，安塞黄绵土中矿物的风化演化过程以物理风化为主导，不同施肥措施下土壤粘土矿物组成一致，且矿物结晶良好。在亚热带季风湿润气候区，土壤中化学风化强烈，耕作施肥难以延缓或逆转元素化学淋失和矿物风化的自然趋势，不同施肥措施下祁阳红壤粘土矿物组成相对一致，但通过粘粒样品K+的吸附解吸动力学试验发现，相比于不施肥和施用有机肥样品，施用化肥会加速基面溶解和边面的暴露，粘土矿物亚结构发生改变。施用有机肥增加有机质含量，促进针铁矿的形成；而施无机肥加速土壤酸化，随着pH下降活性Al增加，其针铁矿的Al同晶替代量最高。研究成果丰富人为干扰下矿物演化的机理，可为发展可持续的高效农业提供科学依据。