天然沸石對土壤水分運動特性及水穩性團聚體的影響

吳軍虎，劉 俠，邵凡凡，李玉晨，王澤祥

（西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048）

0 引 言

【研究意義】沸石是一種硅鋁酸鹽礦物質[1]，空間上由1個鋁原子或者硅原子與4個氧原子構成四面體[2]，具有較高的比表面積、表面電荷密度和較強的吸附性、離子交換能力[3-4]，已有部分學者將沸石用于改良土壤，土壤水穩性團聚體與土壤結構穩定性密切相關，能顯著影響水分下滲、徑流[5]，土壤水分入滲的快慢會影響水資源利用效率[6]，因此，研究沸石對土壤水分入滲及水穩性團聚體的影響有重要意義。【研究進展】魏樣等[7]將沸石用于山地新增耕地，發現施用沸石可顯著提高土壤水分。劉陸涵等[8]研究發現，沸石處理能減少水分出流量，具有明顯的保持水分效果。魏江生等[9]將沸石用于透水性強的沙質土壤，可增大土壤的有效水量和有效雨量。Eroglu等[10]研究發現單獨使用或與其他肥料混合使用，沸石都可以提高作物的產量和氮吸收，此外，沸石對P、K等主要土壤養分有同樣的效應，這與其陽離子交換量有關[11]；王浩等[12]發現沸石對輕、中度鎘污染土壤和含交換態鉛、水溶性鉛的土壤具有改良作用；沸石對土壤中菌類繁殖有一定的抑制作用，如 Zhang等[13]發現，加入沸石后，可以減少1.5%的ARGs（雄激素調節基因）復制。邱素芬等[14]研究發現，在好氧條件下，500 ℃時沸石強化熱處理對重金屬銅、鋅的固定效果明顯提高；Coltorti等[15]發現沸石能夠減少養分的流失，提高作物用水效率；Shah等[16]通過試驗研究發現沸石的存在能夠促進養分緩慢向土壤溶液中釋放，有效抑制土壤養分的淋溶流失，以供植物吸收。戴顯慶等[17]和馬媛媛等[18]研究均表明，沸石施加量為 15%時，≥0.25 mm機械穩定性團聚體量增加。【創新點】現有關于沸石改良土壤的相關研究多為改良重金屬污染土壤和土壤養分有效性二方面，對土壤團聚體和水分運動影響方面研究較少，關于沸石對黑壚土水分運動及團聚體分布的作用尚不清楚?！緮M解決關鍵問題】本文首次將沸石混入黑壚土中，通過試驗研究土壤水分運動過程和水穩性團聚體狀況，以期明確沸石對黑壚土的水分運動特性和水穩性團聚體分布的影響，為黃土地區解決水土流失問題提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣于2018年7月取自陜西省長武縣王東村（35°12′N，107°40′E，海拔 1 211 m）閑置農田 0～20 cm的耕作層，取土前，用環刀法[19]測得土壤體積質量為1.31 g/cm3，試驗前先將土樣自然風干，去除根系，隨后過2 mm篩備用。烘干法測得土壤含水率0.4%、飽和含水率為35%，利用英國馬爾文儀器有限公司生產的Mastersizer 2 000激光粒度分析儀分析其機械組成，黏粒量為8.56%，粉粒量為81.31%，砂粒量為 10.13%，根據國際制土壤質地分類標準劃分為粉砂質壤土。

沸石采用鄭州恒諾濾材公司生產的未改性天然沸石，粒徑大小為80～100目（0.15～0.18 mm），外觀為灰白色，孔隙率≥50%，具有高的陽離子交換、吸收、催化、脫水和養分保留能力[10]，在農業或飼料添加劑中使用中比較安全。

1.2 試驗方法

1.2.1 室內入滲試驗

已有研究表明，沸石量為20%時土壤持水能力最強。綜合考慮，主要研究 0、5%、10%、15%、20%共5種沸石添加量對入滲及水穩性團聚體的影響，各處理設2組重復。

試驗于2018年8月在西安理工大學土壤物理實驗室進行，入滲前，將沸石分別按照0%、5%、10%、15%、20%的質量比與土樣均勻混合，記為 T0（對照組）、T1、T2、T3、T4處理，以5 cm的裝土高度、1.31 g/cm3的體積質量，分8次裝入高50 cm、直徑5 cm的圓柱形有機玻璃土柱中，各層間刮毛，為防止土柱底部發生土粒損失，裝土前在土柱底部平鋪1層濾紙。裝土完成后，在土壤表面加鋪1層濾紙，以保證土面在入滲過程中不被沖刷至破壞，均勻入滲。供水裝置采用高50 cm、直徑5 cm的馬氏瓶，水頭控制為4 cm，入滲開始后，按設定時間記錄馬氏瓶內水面高度與土柱濕潤鋒的高度，考慮土柱高度，試驗進行300 min。

1.2.2 水穩性團聚體分析試驗

供試土樣的水穩性團聚體試驗利用荷蘭Eijkelkamp公司生產的Wet Sieving Apparatus（濕篩分裝置）測定，試驗前，取部分入滲后的土樣烘干，并將裝置配的16個鋼罐稱質量并編號，篩罐按孔徑由大到小的順序安裝在濕篩分試驗裝置上，1～8號鋼罐裝入3/4的純水，9～16號鋼罐裝入六偏磷酸鈉溶液，依次將1～8號鋼罐放在篩罐下方，下調篩罐位置，稱4.0 g烘干后的土樣加入各篩罐中，開啟濕篩分裝置振蕩3 min后，取下1～8號鋼罐，依次放上9～16號鋼罐，振蕩8 min，試驗結束后將1～16號篩罐放入烘箱，在105 ℃下烘干8 h，記錄烘干后鋼罐的質量，本試驗測定的粒徑級別分別是 2、1、0.5、0.25、0.125、0.063、0.053、0.045 mm。

1.3 分析方法

1.3.1 入滲模型

常見的入滲公式有Horton公式、Kostiakov公式、Philip公式，后2種形式簡單，便于擬合和參數確定，本文主要采用后2種公式對參數擬合。

1）Kostiakov模型

式中：f（t）為入滲率（cm/min）；a、b為常數；t為時間（min）；a表示入滲開始后第1個單位時段末的累計入滲量；b反映土壤的入滲能力的衰減速度。

2）Philip模型

式中：i為入滲率（cm/min）；S為吸滲率（cm/min）；A為穩定入滲率（cm/min）；t為入滲時間（min）。在入滲初期，S起主要作用，隨著入滲時間的增長，A逐漸成為影響入滲的主要因素。

1.3.2 土壤水穩性團聚體分析

分別用水穩性團聚體量[20]、大于0.25 mm的團聚體的量、分形維數分析土壤的水穩性。

1）水穩性團聚體量

水穩性團聚體量（%）=水穩性團聚體質量（g）/土壤樣品總質量（g）×100%

2）大于0.25 mm（R0.25）和平均質量直徑（MWD）

式中：MT為團聚體總質量：為i與i+1粒級間團聚體的粒徑平均直徑；wi為i粒級團聚體所占質量比。

3）分形維數（D）

土壤是由不同大小、形狀的顆粒、孔隙組成的具有分形特征的結構系統，常用能反映形體占有空間的有效性的分形維數來描述這一特征[21-22]，分形維數也被用來表征土壤團聚體量、土壤的通透性和抗蝕性，采用楊培嶺等[23]推導的公式計算:

對式（5）2邊同時取對數得：

2 結果與分析

2.1 沸石施加量對入滲特性影響

2.1.1 沸石施加量對累計入滲量、入滲率的影響

不同沸石添加比例下的累計入滲量、入滲率實測曲線如圖1所示（圖中不同字母表示，不同處理間差異顯著（P<0.05））。由圖1可知，整個入滲過程中，在 0～20%的添加范圍內，不斷增大沸石比例，相同時間內累計入滲量、入滲率均逐漸減小，150 min時，T0處理累計入滲量達到14.5 cm，T4處理僅有8.9 cm，累計入滲量減小了38.6%。初滲期，表面土壤含水率小，水勢梯度大，入滲率較大，此時，沸石對入滲的影響不明顯（P＞0.05），100 min后，入滲率明顯減小，累計入滲量與時間接近線性相關，這是由于入滲時間較長，入滲路徑增長，入滲面與濕潤鋒之間的水勢梯度減小，此時入滲主要受重力勢影響，已經到達穩定入滲狀態，累計入滲量與時間線性相關[24]。沸石施加量小于10%，各處理間累計入滲量、入滲率差異較大，沸石與土壤質量比高于10%后，各處理組間累計入滲量、入滲率的差異減弱，土壤中加入沸石，土壤密度增大，總孔隙度減小，當沸石添加量大于10%，密度、孔隙減小速度變緩[18]，這與累計入滲量、入滲率的組間變化趨勢一致。入滲結束時，5%、10%、15%、20%處理組的累計入滲量分別比 T0處理減少了13.24%、32.42%、36.52%、39.27%，各處理組間差異顯著，沸石可增加粉砂質壤土中小于10 μm和50～250 μm的微團聚體量，填充土壤中的部分孔隙[25]，此外，添加沸石可增大土壤的毛管持水率和飽和含水率[26]，影響水分下滲進程，綜上所述，沸石可減緩土壤水分的總體入滲過程。

圖1 不同處理累計入滲量Fig.1 Cumulative infiltration of different treatments

2.1.2 沸石施加量對濕潤鋒遷移特性的影響

濕潤鋒可反映下滲水流的垂向運動特征[27]。由圖2可發現，不同處理入滲開始前5 min，濕潤鋒推進距離相差不大，隨著入滲的進行，不同處理下的濕潤鋒推進距離差異逐漸增大。T4處理濕潤鋒運移距離變化幅度最大，對比各處理發現，由T1到T2處理間濕潤鋒運移距離變化最大。根據已有研究，混入沸石可增加土壤密度[18]，濕潤鋒運移阻力，另一方面，沸石本身是多孔結構，對水有很大的親和力[28]，進入土壤中的水分一部分被土壤中的沸石吸收，一部分向下運移，沸石添加量直接影響下滲的水量，減緩濕潤鋒的推進。

圖2 不同處理濕潤鋒的變化Fig.2 Wet front migration of different treatments

對濕潤鋒Z和入滲時間t進行擬合，符合指數函數Z=atb，a為第1個計時單位后的濕潤鋒的推進距離；b為濕潤鋒進程的衰減程度。由表1可知，擬合R2均大于0.99，且不同處理下差異極顯著，隨著沸石添加量的增加，系數a逐漸減小，系數b逐漸增加。

表1 濕潤鋒與時間的擬合參數Table1 Fitting parameters of wetting front and time

2.1.3 沸石施加量對入滲模型參數的影響

根據實測數據，進行Kostiakov模型和Philip模型擬合，結果見表2。由表2可知，各處理擬合結果決定系數均在0.99以上，擬合效果較好，在Kostiakov模型中，假設初始入滲率無窮大，時間無限大時的入滲率趨近0，與土柱入滲的情況不符[29]，模型中的參數也沒有明確的物理意義[30]，Philip模型中的吸滲率S指依靠毛管力吸收或釋放液體的能力，反映了土壤的入滲能力[31]，參數A反映穩定入滲率。土壤中沸石添加量會影響吸滲率S的大小，增大沸石添加量，吸滲率S由0.980 4減小到0.621 5。加入沸石使土壤中的毛管孔隙減小[18]，土壤水分遷移能力減弱。在Kostiakov模型中，a與前2 min的入滲速度有關，b與土壤入滲能力的衰減速度有關，各處理隨著沸石量的增加，參數a逐漸減小，與前2 min實測入滲速度結果一致。

表2 入滲參數擬合結果Table 2 Fitting results of infiltration parameters

2.2 沸石施加量對水穩性團聚體的影響

水穩性團聚體指由性質穩定的膠體膠結團聚而形成的具有抵抗水破壞能力的，在水中浸泡、沖洗而不易崩解的≥0.25 mm的土壤團粒[32]。土壤團聚體在很大程度上影響土壤的物理化學性質，較好的團粒結構有利于改善土壤透氣保水能力。

2.2.1 沸石對各級水穩性土壤團聚體量的影響

不同處理水穩性團聚體量分析見表3。從表3可以看出，添加沸石對土壤水穩性團聚體影響較為明顯，與T0處理相比，T1、T2、T3處理土壤水穩性團聚體量不同程度的增加，T4處理土壤水穩性團聚體量明顯降低，T1處理主要作用于0.5～2 mm土壤水穩性團聚體，其中0.5～1 mm粒級間的水穩性團聚體量增加最為明顯；T2處理對0.25～2 mm水穩性團聚體量影響較大，其中0.25～0.5 mm由2.35%增加至10.73%，T3處理≥0.25 mm水穩性團聚體量相比T2處理，減小了5.12%，但與T0處理相比有所增加，T4處理0.25～2 mm間各級土壤團聚體都不同程度地減小，與T0處理相比，1～2 mm的團聚體量減小了1.56%，≥0.25 mm水穩性團聚體量減小了4.75%，總體上，T1、T2、T3處理組促進水穩性團聚體的形成，其中T2處理效果最佳，T4處理不利于土壤水穩性團聚體的形成，甚至分散水穩性團聚體，破壞土壤結構。土壤中的孔隙狀況決定土壤中物質的轉移形式和速率[33]，沸石中的陽離子遇水易與其他離子進行交換，促使土粒絮凝形成團聚體的同時，也減小了土壤中的毛管孔隙總數[34]，降低土壤水分的遷移能力，影響土壤水分入滲特性。

表3 不同處理水穩性團聚體量Table 3 Water stable agglomerates of different treatments %

2.2.2 沸石對R0.25、平均質量直徑（MWD）的影響

大于0.25 mm的團聚體對土壤肥力有重要影響，沸石對水穩性大團聚體的與其添加量有關，并不是單一的相關性，在T0、T1、T2處理呈正相關，T3、T4處理組呈負相關，T1、T2處理≥0.25 mm團聚體的量比T0處理分別增加了2.83%、7.59%，T3處理≥0.25 mm水穩性團聚體量相比T0處理增加了2.47%，但與T2處理相比，降低了5.12%，T4處理組≥0.25 mm水穩性團聚體量相比T0處理明顯減少，分散了水穩性土壤團聚體，根據現有試驗，綜合考慮試驗效果和經濟成本，沸石添加量選用10%左右較為合適，MWD的變化趨勢與R0.25相似，MWD反映了土壤團聚體大小分布狀況，MWD越大，團聚體的穩定性越強，反之越小[35]。

表4 不同處理MWD和R0.25Table 4 MWD and R0.25 of different treatments

2.2.3 沸石對分形特征的影響

分形維數反映了土壤幾何形體[36]。T1、T2、T3處理分形維數分別為2.69、2.63、2.58，說明經此3種處理后，土壤的水穩性大團聚體量增大，T4處理分形維數增大至2.72。在沸石摻配量較小時，沸石顆粒對土壤顆粒的黏結作用更加明顯。分形維數的大小與各級團粒結構的多少密切相關，當土壤≥0.25 mm團聚體量增大時，分形維數減小，反之，分形維數增大。

3 討 論

3.1 沸石添加量對土壤水分入滲的影響

入滲過程受土壤質地、體積質量、團聚體等多種因素的影響[6]，添加沸石后，土壤累積入滲量、入滲率均減小，沸石能有效減緩土壤水分運動過程，與T0處理相比，入滲率、累計入滲量、濕潤鋒等均減小。沸石是一種能夠貯藏水分的疏松多孔結構[34]，并且能在外界條件改變時自由排出水分，達到蓄水保墑的目的，早前研究已經證明[37]，沸石的施加改變土壤孔隙狀況[27]，增大土壤體積質量[18]，也會減緩土壤水分下滲過程。

3.2 沸石添加量對水穩性團聚體的影響

沸石對水穩性團聚體的影響與施加量有關，當沸石含量為 0%、5%、10%、15%時，粒徑≥0.25 mm水穩性團聚體量增加，在10%時達到最大（13.73），與姜淳等[37]研究結果一致，沸石的強離子交換能力、大比表面積都能促進土粒絮凝形成團聚體。繼續增大沸石添加量至20%，粒徑≥0.25 mm水穩性團聚體總量僅有6.01%，戴顯慶等[17]、馬媛媛等[18]也得出類似的結論。小體積的團聚體量也大量增加，這些微小團聚體在水分運移和重力的雙重作用下填充土壤空隙[38]，影響土壤中的水分運動。

4 結 論

1）向黑壚土施入沸石，可減小土壤的累計入滲量和入滲率，沸石添加量越大，阻滲效果越明顯，沸石量大于10%時，入滲率、累計入滲量相比10%，變化甚微。

2）加入一定量的沸石后，沸石的大比表面積和強靜電場，有利于土壤水穩性團聚體的形成，當沸石添加量由0增加到10%時，水穩性大團聚體由10.76%增加到18.35%，但是繼續增加沸石添加量至15%，水穩性團聚體減小至13.2%，當沸石添加量到20%時，水穩性團聚體僅有6.01%，過量的沸石分散土壤中原有的水穩性團聚體結構，破環土壤的結構。

3）應用沸石改良土壤時，沸石添加量不大于10%較為適宜，對粉砂質壤土入滲影響明顯，又不致破壞土壤團聚體。