成土母质、水分状况转变与施肥调控典型亚热带稻田土壤团聚体稳定性及镉吸附

《Agronomy》：Parent Material, Water Regime Shifts, and Fertilization Regulate Aggregate Stability and Cadmium Adsorption in Typical Subtropical Paddy Soils

　　

镉（Cd）污染对稻田土壤构成健康风险，然而在交互性农业管理下，团聚体尺度的Cd结合作用仍知之甚少。不同于由成土母质决定且基本固定的初级粒级分离物，团聚体是动态且可管理的。本研究探讨了成土母质、年度烟草–水稻轮作中的水分状况转变以及含氯肥料对中国南方湖南省亚热带稻田土壤团聚体稳定性、碳/氮固存和镉（Cd）吸附的交互影响。将两种水稻土——麻砂泥田（花岗岩来源的砂壤土）和潳泥田（板岩/页岩来源的黏壤土）分为四个粒级。选择性去除土壤有机碳（SOC）和游离氧化铁（Fed）后进行Cd吸附实验。潳泥田的团聚体稳定性高于麻砂泥田。水分状况转变未显著改变团聚体结构。含氯肥料破坏团聚体，增加较细粒级比例。Cd吸附随团聚体粒径减小而增强。SOC去除使最大吸附容量（q_m）降低36.8%，而Fed起辅助作用。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）显示，成土母质对团聚体稳定性有强的正向直接效应（路径系数=2.346），而含氯施肥（?0.750）和水分状况转变（?0.344）有负向效应。成土母质、水分状况转变和施肥共同影响团聚体稳定性和胶结剂分布，从而控制Cd吸附能力——其中SOC是主导因素。这些发现通过促进SOC保留和避免过量氯化物输入，为可持续稻田土壤管理提供了依据。

**研究背景与意义**：土壤团聚体是土壤结构和功能的基本单元，由矿物颗粒、有机质、铁（氢）氧化物和微生物残体胶结形成，区别于直接继承自成土母质且基本不变的粒级组分，团聚体在农业管理下具有动态性和可调控性。团聚体稳定性影响土壤水分运移、养分保持以及重金属行为，直接关系到作物生长和生态安全。中国南方亚热带稻田土壤面临显著的镉（Cd）污染，威胁稻米安全与人体健康。已有研究多聚焦单一因素，缺乏对成土母质、水分状况动态和无机施肥实践及其对团聚体特性、养分固持和重金属固定调控机制的系统比较。为此，该论文发表于《Agronomy》，以湖南省两种典型母质发育的稻田土壤为对象，结合年度烟草–水稻轮作中的水分状况转变和含氯肥料施用，系统研究这些因素对团聚体形成和功能的独立及联合影响，并探讨土壤有机碳（SOC）和游离氧化铁（Fed）在Cd固定中的相对贡献，旨在从团聚体尺度为优化土壤结构、提升肥力和防控Cd污染提供依据。

**关键技术与方法**：样本来自湖南长沙县北山镇水稻研究基地（28°43′ N, 113°06′ E）和浏阳市永和镇（28°29′ N, 113°87′ E），采集麻砂泥田（花岗岩来源砂壤土）和潳泥田（板岩/页岩来源黏壤土）0–20 cm耕层土。田间采用烟草–水稻轮作，设置0、2、4、6、8 mmol·kg^?1的Cl^?添加水平，以KCl和NH₄Cl为氯源，并用K₂SO₄、(NH₄)₂SO₄、(NH₄)₃PO₄平衡N、P、K。通过湿筛法将团聚体分为>2 mm、2–0.25 mm、0.25–0.053 mm和<0.053 mm四个粒级；采用H₂O₂氧化去除SOC、DCB法去除Fed，再进行Cd批量吸附实验，并用Langmuir/Freundlich模型拟合；利用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）和Mantel检验分析环境因子与团聚体稳定性的关系。

**研究结果**：

**3.1. 成土母质、水分状况转变和施肥管理对团聚体稳定性及分布的影响**

**3.1.1. 不同成土母质发育土壤的团聚体稳定性与分布**：通过湿筛分离和稳定性指标测定，发现两种土壤均以大团聚体为主，但潳泥田的大团聚体比例显著高于麻砂泥田（76%），其平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）分别显著高出8.93%和11.94%。SOC和Fed含量均随团聚体粒径减小而增加，潳泥田的Fed平均含量约为麻砂泥田的1.73倍。研究表明，母质通过影响粘土矿物和铁氧化物组成，决定团聚体的固有稳定性。

**3.1.2. 烟草–水稻轮作水分状况转变下不同种植季节的团聚体稳定性**：对比烟草季（旱作）和水稻季（淹水）的团聚体分布及稳定性指标，水分状况转变对MWD、GMD和水稳性大团聚体含量（R_0.25）均无显著影响（p > 0.05），但水稻季大团聚体比例在数值上略高。表明单一轮作周期的干湿交替不足以改变土壤原有结构。

**3.1.3. 不同含氯施肥水平下团聚体稳定性与分布**：随Cl^?添加量从0增至8 mmol·kg^?1，大团聚体和中间团聚体比例逐渐下降，微团聚体和粉黏粒比例显著增加；MWD从1.81 mm降至1.57 mm，GMD从1.18 mm降至0.82 mm，R_0.25从83.27%降至75.18%。氯离子通过破坏阳离子桥和促进铁氧化物溶解，削弱团聚体完整性。

**3.2. 烟草–水稻轮作水分状况转变下不同粒级团聚体中SOC和总氮（TN）的分布特征**：通过测定各粒级SOC和TN含量，发现TN在各粒级间分布相对均匀，水稻季各粒级TN略高于烟草季；SOC分布呈季节性数值差异，水稻季大团聚体SOC最高（25.16 g·kg^?1），但统计均不显著。表明短期淹水可能增强物理保护并促进碳氮累积，但累积量有限。

**3.3. 不同粒径土壤团聚体对Cd的吸附**：批量吸附实验显示，Cd吸附量随团聚体粒径减小而增大，顺序为粉黏粒 > 微团聚体 > 中间团聚体 > 全土 > 大团聚体；潳泥田各粒级Cd吸附能力是麻砂泥田的1.21–1.35倍。Langmuir模型拟合优于Freundlich模型，最大吸附容量（q_m）与Fed含量显著正相关（r = 0.830, p < 0.01）。去除SOC后，麻砂泥田q_m平均降低36.8%，潳泥田降低16.98%；去除Fed后分别降低9.33%和15.83%。这说明SOC是Cd吸附的主导贡献者，Fed起辅助作用。

**讨论与结论**：讨论指出，母质通过决定次生粘土矿物和铁氧化物含量控制团聚体稳定性；水分状况的短期变化影响有限；氯离子通过形成可溶性离子对（如CaCl⁺、MgCl⁺）促进阳离子桥破坏，并溶解铁铝氧化物，导致团聚体分散。PLS-SEM模型（R² = 0.962）显示，成土母质对团聚体稳定性有强正向直接效应（路径系数=2.346），含氯施肥（?0.750）和水分状况转变（?0.344）呈负效应；Mantel检验进一步验证了环境因子矩阵与团聚体稳定性矩阵的显著正相关（Mantel's r = 0.6215, p = 0.005）。SOC和Fed去除实验表明，SOC对Cd吸附贡献大于Fed，但在富含次生粘土矿物的潳泥田中，去除SOC后仍能保持较高吸附能力，而麻砂泥田则更依赖SOC。即使去除关键胶结剂，细粒级团聚体仍保持较高吸附潜力，说明矿物组成和比表面积也发挥重要作用。

研究结论可翻译为：总之，本研究认为稻田土壤团聚体的结构和功能可能受成土母质、水分状况转变和含氯施肥的影响。板岩/页岩来源的潳泥田以无机铁/粘土胶结为主，形成更稳定的团聚体；花岗岩来源的麻砂泥田则更多依赖有机胶结。烟草–水稻轮作中的水稻季增强了物理保护，促进了团聚体中的碳/氮固存。相反，含氯肥料破坏了团聚体完整性。Cd吸附容量随团聚体粒径减小而增加，其中SOC贡献显著，Fed起次要辅助作用。尽管受土壤类型和采样次数有限的约束，这些发现谨慎提倡综合管理，利用淹水期实现碳/氮累积，并促进有机改良，以同时改善土壤结构、肥力和重金属固定能力。结合关于氯化物相关Cd迁移风险的现有文献，团聚体稳定性结果进一步提示，在Cd污染稻田土壤中需谨慎管理含氯肥料输入。未来需要更多土壤类型和长期观测来确认这些趋势。