天然沸石對黑土團聚體含量及穩定性的影響

戴顯慶，冀曉東，楊茂林，彭紹好，馬媛媛

(北京林業大學 北京市水土保持工程技術研究中心，北京 100083)

天然沸石對黑土團聚體含量及穩定性的影響

戴顯慶，冀曉東，楊茂林，彭紹好，馬媛媛

(北京林業大學 北京市水土保持工程技術研究中心，北京 100083)

[關鍵詞]天然沸石；黑土；團聚體含量；水穩性團聚體

[摘要]通過天然沸石改良黑土試驗，采用干篩法、濕篩法分別測定土壤中機械穩定性團聚體和水穩性團聚體含量，分析了不同摻配量天然沸石對土壤平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體破壞率(PAD0.25)、>0.25 mm機械穩定性團聚體含量和>0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA0.25)的影響，結果表明：在黑土中加入天然沸石能夠提高黑土濕篩時的MWD和GMD，提高>0.25 mm機械穩定性團聚體含量；在天然沸石摻配量為15%時對提高土壤中>0.25 mm機械穩定性團聚體含量的效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒級團聚體為主；改良后土壤團聚體的團聚度提升，結構穩定性增強，說明用天然沸石改良黑土能夠提高黑土抗侵蝕能力。

東北黑土區是全國商品糧生產的“穩壓器”，多為波狀起伏的漫崗地形。典型黑土帶耕層黑土厚度達20 cm的面積僅占30.5%，達18 cm的占42.3%。第三次遙感調查數據顯示，黑龍江省黑土區的水蝕面積為8.88萬km2[1-2]。黑土區水蝕多發生在每年降雨集中且多以暴雨形式出現的6—8月份[3]。土壤團聚體是土壤結構的基本組成單位，土壤物理特性受團聚體各粒級分布變化影響。降雨侵蝕過程中，雨滴擊濺和徑流搬運會使土壤團聚體發生遷移，而土壤團聚體的穩定性反映了土壤抵抗侵蝕的能力[4-6]。隨著土壤侵蝕的日益加劇，土壤中的水穩性團聚體和大團聚體逐漸減少，微團聚體增多，土壤結構性變差，這將影響土壤結構穩定性和抗侵蝕能力[7-8]。國內外學者研究土壤抗侵蝕性時發現，土壤團聚體特別是水穩性團聚體的特征對土壤侵蝕影響很大，土壤水穩性團聚體的數量和穩定性是決定土壤抗蝕性和抗沖性的重要因子，常常被作為評價土壤抗侵蝕能力的重要指標[5,9-13]。并且，土壤平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)也能夠作為評價土壤抗侵蝕能力的指標[14]。

天然沸石價格低廉、來源廣泛且無毒無害，具有較強的離子交換能力和吸附能力，作為環境友好型的土壤改良劑逐步引起了廣泛重視[15]。添加沸石改良土壤，能夠提高土壤中團聚體含量。Li Hua等[16]的研究表明，添加沸石能夠提高對土壤團聚體的形成起著重要作用的>0.25 mm的團聚體含量。耿寶軍等[17]研究發現，沸石處理后土壤抗沖性指數是對照處理的1.33倍，施用沸石能夠提高土壤抗侵蝕能力。Moritani等[18]研究發現，在鹽堿土中加入10%人造沸石能夠提高土壤MWD和飽和導水率，鹽堿土壤加入人造沸石的改進方式能夠顯著地降低土壤流失量。本研究通過測定天然沸石改良黑土的機械穩定性團聚體含量及水穩性團聚體含量，分析MWD、GMD、團聚體破壞率(PAD0.25)和>0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA0.25)的變化，旨在為有效應用天然沸石改良黑土、提高黑土抗侵蝕能力提供參考。

1研究材料與方法

1.1研究區概況

采樣地點位于黑龍江省齊齊哈爾市依安縣新興鎮(124°50′～125°42′E、47°16′～48°20′N)，屬克拜波狀平原和松嫩平原過渡地帶，為典型的漫川漫崗地形，坡面較長，多為150～300 m，平均坡度3°，匯水面積大，徑流沖刷能力強，屬中輕度水蝕區。北靠烏裕爾河，海拔160～220 m。氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫2.4 ℃，年平均降水量為476 mm，1982—2006年間無霜期年平均值134 d[19]。

1.2樣品采集與材料選擇

本研究采用的天然沸石購自河北靈壽縣某沸石廠。根據GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法 第28部分：16個主次成分量測定》，采用飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀測定天然沸石成分，其成分見表1。

表1　天然沸石主要成分　%

供試土壤于2014年7月初采自試驗地耕地，為碳酸鹽黑鈣土。取樣深度15～30 cm，每隔50 m選一點取土，將土樣置于自制的硬紙箱中，箱內用保溫塑料板密封，帶回實驗室風干。在土樣風干時，對較大的土塊，按照本身的結構面輕輕剝開，去除根系、枯落物等雜物，使土壤成為直徑小于10 mm的團塊。用定制的不銹鋼土壤篩(篩子直徑30 cm，篩孔直徑5、2、1、0.5、0.25 mm)干篩4 kg土樣備用，其基本理化性質見表2。

表2　土壤基本理化性質

1.3試驗方法

機械穩定性團聚體測定采用干篩法(篩孔直徑5、2、1、0.5、0.25 mm)，水穩性團聚體測定采用濕篩法非真空慢速濕潤[20-21]。濕篩法是測定團聚體穩定性的傳統方法，其破碎過程基本上包括所有團聚體破碎機制，多用于衡量土壤全樣團聚體破壞[22]。儀器采用北京祥寧偉業儀器設備有限公司生產的XY-100型團聚體分析儀。

對照組(CK)：非真空慢速濕潤，將50.00 g配置好的土樣放到150 mL三角瓶中，輕搖使其均勻分布在底面，用膠頭滴管每隔20 s均勻地向三角瓶四壁滴加蒸餾水共計20 mL，使土樣緩慢全部潤濕，靜置5 min，之后緩慢均勻地向三角瓶中注滿蒸餾水，用橡膠膜封住瓶口，倒置到沉浸在蒸餾水中的無蓋無底篩組上(5、2、1、0.5、0.25 mm)，取下橡膠膜讓土樣在水中自由沉降到篩組上，再用橡膠膜封住瓶口，將三角瓶帶離水面，這個過程要小心勿使三角瓶進入空氣，以免破壞團聚體。開動馬達，進行篩分，篩組上下行程40 mm，篩分時間30 min(機器定時)，篩分過程中篩組始終保持在水面以下。篩分結束后，將篩組緩慢提出水面，把各級團聚體洗至燒杯中，沉淀30 min后傾去上部清液，在75 ℃烘箱中烘干4 h，取出放置于陰涼通風干燥處風干24 h后稱量記錄，結果取4組平行試驗的均值。

試驗A～F組：按照樣品質量的5%、10%、15%、20%、25%、30%將天然沸石直接摻配到稱量好的土壤樣品中，摻配時置于潔凈干燥的托盤內，將沸石粉末均勻撒在土壤表面，用玻璃棒輕輕攪拌2 min，使沸石與土壤充分混合，其他試驗步驟同CK。

1.4團聚體指標計算

(1)平均質量直徑(MWD)的計算。公式為

MWD=∑XiWi

(1)

式中：Xi為某一粒級團聚體的平均直徑，mm；Wi為某一粒級團聚體的質量百分含量。

(2)幾何平均直徑(GMD)的計算。公式為

(2)

式中：lnXi為土壤某一粒級平均直徑的自然對數。

(3)團聚體破壞率(PAD0.25)的計算。公式為

(3)

式中：DA0.25為>0.25 mm干篩團聚體質量百分含量；WA0.25為>0.25 mm濕篩團聚體質量百分含量。

2試驗結果

2.1沸石摻配量對黑土機械穩定性團聚體含量的影響

由表3可知：與CK對比，經過改良，干篩時A～F組試驗中>0.25 mm機械穩定性團聚體含量分別增加4.31、5.28、10.05、9.32、9.22、6.26百分點(P<0.05)，呈現先增大后減小的趨勢，但各試驗組均比CK有所增加。天然沸石摻配量為15%時，>0.25 mm機械穩定性團聚體含量增加最多，<0.25 mm微團聚體含量最少；再增加摻配量，>0.25 mm機械穩定性團聚體含量反而比摻配量15%時降低，<0.25 mm微團聚體含量增加。研究發現，隨天然沸石摻配量增加，2～1和1～0.5 mm粒級機械穩定性團聚體含量變化幅度較大，而>5和0.5～0.25 mm粒級的團聚體含量均隨摻配量的增加而降低。在天然沸石摻配量為15%時，2～1 mm粒級團聚體含量是CK的1.78倍。

霍習良等[23]研究發現，沸石具有很大的比表面積和較強的靜電場，能夠把膠體黏土顆粒吸附到它的周圍，利于土壤團聚體的形成。土壤中>0.25 mm的機械穩定性團聚體含量越多，土壤的結構性能越好。通過試驗結果可知，利用天然沸石改良黑土，能夠增加土壤中>0.25 mm的機械穩定性團聚體含量，從而改良土壤中團聚體的結構[24]。綜上所述，室內試驗時，對未經過沸石長時間培養改良的土樣，沸石摻配量為15%時改良效果最好。

干篩結果顯示在天然

2.2沸石摻配量對黑土水穩性團聚體含量的影響

由表3可知，經過天然沸石改良后，A～F試驗組土壤中>0.25 mm水穩性團聚體含量(WSA0.25)呈不規律變化，在15%摻配量時WSA0.25最小。A～F試驗組土壤中>5 mm粒級水穩性團聚體含量均有不同程度增加，變化幅度在0.36～2.49百分點之間，5～2和2～1 mm粒級水穩性團聚體含量呈不規律變化。A～F試驗組土壤中1～0.5和0.5～0.25 mm水穩性團聚體含量對比CK均有所降低。

根據土壤團聚體形成理論，土壤團聚體是以一質點為核，把土壤顆粒聚集膠結而成。利用天然沸石改良黑土，增加了作為土壤團粒形成基礎的質點核，能夠促進水穩性團聚體的形成[23]。另外，沸石具有較強的吸附性和離子交換性能[15-16]，沸石中的陽離子能夠促進土粒團聚，增加團聚體的形成[23]。而1～0.5和0.5～0.25 mm粒級水穩性團聚體含量的減少正是因為其在沸石的作用下形成了更穩定的大粒級的水穩性團聚體。另外，試驗過程中發現，天然沸石在與土壤攪拌過程中包裹在了部分團聚體表面，濕篩時在水流的作用下與土壤更好地凝聚在一起阻礙了原有團聚體的破壞，這也是大粒級水穩性團聚體含量增加的原因之一。雖然水穩性團聚體含量是反映土壤抗侵蝕能力的重要指標，但通過分析發現，由于沸石改良時間較短，WSA0.25變化不規律，所以不能用WSA0.25作為未經充分改良土壤的抗侵蝕能力的評價指標。

2.3沸石摻配量對黑土團聚體穩定性的影響

通過公式(1)～(3)計算得到表4。由表4可知，與CK相比，A～F組機械穩定性團聚體MWD隨天然沸石摻配量的增加而呈現先增大后減小的趨勢，在15%摻配量時MWD最大；水穩性團聚體MWD分別增大5.65%、6.40%、10.92%、13.94%、18.02%、24.91%。MWD是評價土壤團聚體穩定性的最重要指標，MWD值越大，土壤團聚體越穩定，土壤抗侵蝕能力越強[24]。在評價土壤抗侵蝕能力時，使用濕篩水穩性團聚體MWD作為評價指標相比干篩MWD更準確。結合表3可知，WSA0.25隨摻配量呈不規律變化，但水穩性團聚體MWD隨著摻配量的增加而增加，在15%摻配量時雖然WSA0.25最小，但MWD對比CK增大了。機械穩定性團聚體的GMD變化隨摻配量的增加呈不規律增加；水穩性團聚體的GMD與CK相比分別增加5.07%、7.36%、14.63%、16.19%、22.80%、25.38%。MWD和GMD值越大表示團聚體的團聚度越高，穩定性越強[14]。試驗發現，加入天然沸石改良能夠增大濕篩時土壤MWD和GMD值，說明用天然沸石改良黑土能夠提高黑土團聚體穩定性，提高黑土抗侵蝕能力。

表4　不同沸石摻配量處理下團聚體穩定性

PAD0.25隨摻配量增加而呈現先增大后減小的趨勢變化，A～F組破壞率對比CK均有增加。破壞率增大是因為新形成的團聚體不穩定，沸石與團聚體“反應”條件和時間不足，濕篩時在水的作用下團聚體被破壞。研究表明，在未經長時間培養的土壤改良試驗中，僅憑破壞率這一個指標不能反映改良土壤結構穩定性的強弱，在室內進行土壤改良試驗時需要進行土壤培養。

3結論

(1)天然沸石作為土壤改良劑改良土壤，能夠提高>0.25 mm機械穩定性團聚體含量(P<0.05)。室內試驗時，對未經過沸石長時間培養改良的土樣，天然沸石摻配量為15%時對提高土壤中>0.25 mm機械穩定性團聚體含量效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒級團聚體為主；WSA0.25不能作為未經沸石充分改良土壤的抗侵蝕能力的評價指標。

(2)在黑土中摻配5%～30%的天然沸石改良時，土壤水穩性團聚體MWD增加5.65%～24.91%，GMD增加5.07%～25.38%，土壤團聚體的團聚度提升，結構穩定性增強，抗侵蝕能力增強。

(3)在進行室內改良試驗時，僅通過短時間攪拌模擬土壤改良過程中的翻耕，不能夠使土壤中的團聚體與沸石充分“反應”。為使土壤得到充分改良，需要進行土壤培養，使攪拌混合后的土壤團聚體與沸石充分“反應”，來提高改良后土壤結構的穩定性。

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(責任編輯徐素霞)

[基金項目]北京林業大學青年教師科學研究中長期項目(2015ZCQ-SB-01)

[中圖分類號]S156.3

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0038-04

[作者簡介]戴顯慶(1989—)，男，黑龍江依安縣人，碩士研究生，主要研究方向為土壤修復與生態恢復；通信作者冀曉東(1978—)，男，河南鄭州市人，副教授，主要從事土壤修復與生態恢復、林木抗風、植被固土機制研究。

[收稿日期]2016-01-27