施用膨潤土增強淤積泥沙持水能力及阻控硝態氮淋失試驗研究

焦錫昆 黃波 王紅雷 張旭 張依茹

文章編號：1671-3559（2023）06-0664-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230328.002

摘要： 為了研究施用膨潤土對淤積泥沙持水能力及硝態氮淋失的影響，以黃河淤背區淤積泥沙為研究對象，通過室內一維積水入滲裝置，在淤積泥沙表層設置摻入質量分數分別為10%、20%、25%、30%的膨潤土保水層與不摻膨潤土的淤積泥沙進行對比試驗，分析入滲性能、持水能力及硝態氮淋失量的差異。 結果表明： 膨潤土可有效改善淤積泥沙入滲性能，累積入滲量隨膨潤土摻量的增加而降低；與不摻膨潤土的淤積泥沙相比，摻入膨潤土保水層的淤積泥沙累積入滲量提高21.5%～84.2%，入滲速率降低34.0%～65.6%；淤積泥沙持水能力隨膨潤土摻量的增加而增強，在累積入滲量為900 mL時，濕潤鋒運移距離減小2.1～7.7 cm，保水層含水率提高15.3%～69.8%，30 d淤積泥沙累積蒸發量減少2.9%～11.4%；膨潤土可有效降低淤積泥沙中硝態氮淋失量，有效改善了淤積泥沙中氮素的利用效果。

關鍵詞： 膨潤土；淤積泥沙；入滲性能；持水能力；淋失

中圖分類號： S278；S152.7

文獻標志碼： A

收稿日期： 2022-07-09??????? 網絡首發時間：2023-03-28T17∶21∶08

基金項目： 國家自然科學基金項目（42077048）

第一作者簡介： 焦錫昆（1996—），男，山東濟南人。碩士研究生，研究方向為河道治理與水土保持。E-mail：603613252@qq.com。

通信作者簡介： 黃波（1972—），男，山東淄博人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為河道治理、防洪治理與水土保持。E-mail：

stu_huangb@ujn.edu.cn。

網絡首發地址： https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230328.1552.004.html

Experimental Research on Enhancing Water Holding Capacity and Controlling Nitrate Nitrogen Leaching of Silting Sediment by Applying Bentonite

JIAO Xikun1，HUANG Bo1，WANG Honglei2，ZHANG Xu1，ZHANG Yiru1

（1.School of Water Conservancy and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China;

2.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A & F University，Xianyang 712100，Shaanxi，China）

Abstract：To research effects of bentonite application on water holding capacity and nitrate nitrogen leaching of silting sediment，taking silting sediment in silt-backed areas of the Yellow River as the research object，a comparison test was conducted on bentonite water retaining layers with mass fractions of 10%，20%，25%，30% and silting sediment without bentonite installed in the surface layer of silting sediment through an indoor one-dimensional water infiltration device.Differences of infiltration performance，water holding capacity，and nitrate nitrogen leaching were analyzed.The results show that the bentonite can effectively improve the infiltration performance of the silting sediment，the cumulative infiltration volume decreases with the increase of bentonite.Compared with the silting sediment without bentonite，the cumulative infiltration volume of silting sediment mixed with bentonite water retention layer increases by 21.5% to 84.2%，the infiltration rate decreases by 34.0% to 65.6%.The water holding capacity of silting sediment increases with the increase of bentonite，at the cumulative infiltration volume of 900 mL，the wetting front transport distance decreases by 2.1 cm to 7.7 cm，the water content of the water retention layer is increased by 15.3% to 69.8%，and the cumulative evaporation of 30 d silting sediment is reduced by 2.9% to 11.4%.Bentonite can effectively reduce nitrate nitrogen leaching from silting sediment，which effectively improves the utilization of nitrogen in silting sediment.

Keywords：bentonite; silting sediment; infiltration performance; water holding capacity; leaching

黃河下游淤背區以種植生態林和經濟林為主，在改善沿岸生態環境的同時也產生了良好的經濟效益；但是，淤背區是由抽取河道泥沙淤積而成，具有透水性強、持水能力弱及土壤肥力低下的特點，加之黃河下游地區屬于半干旱氣候、灌溉條件較差，因此缺水、缺肥成為制約樹木生長的主要因素。水分的入滲性能對土壤持水能力及水分的利用起決定性作用［1］，所以只有通過改良水分入滲特性，才能增強淤背區土壤的持水能力，從而實現為植物正常生長提供所需的水分。氮素具有促進植物生長的作用，土壤中氮素主要以硝態氮形式存在，硝態氮淋失占全氮損失量的30%［2］，因此降低硝態氮淋失量是改善氮素利用效果的有效手段。

膨潤土是一種具有吸水性、膨脹性、附著性等優良特點的黏土礦物，能夠在一定程度上提升沙地的生產能力，已被廣泛應用于農業、環境保護等領域［3］。Abichou等［4］指出，包裹于沙子表面的膨潤土微粒在吸水后體積膨脹變大，使得水的滲流通路受阻，增強了土樣的防滲性。李婧男等［5］研究發現，膨潤土能夠降低土壤的滲透性，有效減少土壤累積入滲量。孫夢媛等［6］的研究結果表明，施用膨潤土后可以減緩水分向土壤深層運移，土壤含水率隨土層深度的增加表現出先增加后降低的趨勢。馬斌等［7］通過室外蒸發試驗發現，土壤中摻入一定量的膨潤土可減緩土壤水分蒸發，且在施用深度為10～60 cm時蒸發量隨膨潤土摻量的增加而增大。鄭毅等［8］指出，膨潤土可有效吸附沙土中游離的NH+4，從而減少氮元素的損失量，改善沙土肥力。我國膨潤土預測資源量居世界首位，其中山東省膨潤土礦床預測產量占全國總產量的5%［9］，儲量豐富，因此在黃河下游山東河段通過設立淤背區膨潤土保水層的方式，可充分發揮當地自然資源的條件優勢，增強淤背區持水能力，提高氮素的利用效率，是提高該河段淤背區經濟效益和生態效益的有效途徑和方法。

本文中以黃河淤背區淤積泥沙為研究對象，對比在淤積泥沙表層施用不同摻量膨潤土時水分的入滲過程、持水能力及硝態氮淋失特征，提出施用一定量膨潤土改良淤積泥沙保水層的可行性方案，并運用于實際工程中，改善淤背區生態林的生長條件。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

試驗所用材料為淤積泥沙與膨潤土，其中，淤積泥沙取自山東黃河齊河段左岸（東經116°37′22″、北緯36°32′13″）淤區，淤積泥沙經風干、去雜質后過孔徑為2 mm標準篩后備用；膨潤土購自山東省濰坊市某膨潤土廠家。 試樣理化指標分析結果如表1所示。

1.2? 室內試驗裝置與方法

水分入滲試驗裝置如圖1所示，由作為供水裝置的馬氏瓶（高度為50 cm，直徑為10 cm）、固定平臺、有機玻璃圓柱（高度為100 cm，直徑為14.6 cm）以及收集淋失液的燒杯組成。 有機玻璃圓柱一側設有小孔并配備塑料軟塞，為取土測含水率用。 圓柱底平鋪一層粒徑小于1 cm的碎石，并在碎石上方放置帶有若干小孔的薄玻璃板，組成反濾層，以消除氣相阻力對上部土體帶來的影響。 反濾層上方和土樣上方均鋪墊長絲土工布，用來防止土粒進入反濾層及沖刷土樣表面。 將少量凡士林均勻涂抹在有機玻璃圓柱內側，以消除在沙土填充過程中產生的邊界效應。

采用擾動土樣進行室內一維積水入滲試驗，試驗土柱總高度為50 cm，上層20 cm由淤積泥沙與膨潤土充分混合后作為保水層，下方則全部由淤積泥沙構成，保水層共設置4種質量分數的膨潤土摻量（質量分數，以下同）試樣，分別為L1（10%）、L2（20%）、L3（25%）、L4（30%），另設置全部由淤積泥沙構成的對照組（CK），共組成5組試驗，每組試驗重復3次。試驗采用秒表計時，由馬氏瓶維持穩定水頭為3 cm進行水分入滲試驗。待各處理組土柱入滲達到飽和且底部有淋失液流出時，停止供水。

通過側壁小孔采集柱內土樣并采用烘干法測取土樣含水率，同時用燒杯收集淋失液，使用連續流動分析儀測定第1次淋失液中硝態氮的含量。在首次供水后每隔2 d繼續向土柱內供水，以同樣的方法測定第2、3次淋失液中硝態氮含量。待3次淋失試驗結束后將土柱放置于環境相對穩定的室內（控制溫度為30 ℃，相對濕度為（50±2）%）進行蒸發試驗，30 d內于每日11∶00稱量土柱質量，測定淤積泥沙水分日蒸發量。水分日蒸發量計算公式為

E=10Δm/（πr2） ，

式中： E為水分日蒸發量；Δm為前、后2 d土柱質量差；r為土柱半徑。

1.3? 試驗區概況與試驗方法

試驗區位于黃河下游德州段淤背區（樁號84+720～84+780），沿堤岸軸線方向長度為80 m，寬度為45 m，該區域屬于溫帶季風氣候，年均降雨量為547.5 mm，主要集中在7—8月，年均氣溫為14.3 ℃。

試驗區內分別設置施用膨潤土保水層和無膨潤土保水層，膨潤土摻量根據前期室內土柱試驗結果選擇保水保肥效果較好的20%。 用推土機對試驗區場地進行碾壓平整，在試驗組內進行放線分格處理，以保證膨潤土施用量均勻，采用小型旋耕機將膨潤土與表層淤積泥沙充分混合，旋耕深度為20 cm，形成膨潤土保水層。 樹苗選擇適合沙壤土生存且經濟效果較好的楊樹苗，每行樹株間距3 m，樹株間距2 m。

2? 結果與討論

2.1? 膨潤土對淤積泥沙入滲性能的影響

2.1.1? 累積入滲量

累積入滲量為在入滲歷時內水分入滲量的總和，通常用來體現入滲能力。圖2顯示了不同摻量膨潤土對淤積泥沙累積入滲量的影響。由圖可以看出，在入滲試驗最初的一段時間內，隨入滲時間的增加，對照組與試驗組的累積入滲量之間差異較小，原因是入滲試驗剛開始，膨潤土需要一定時間吸收水分，膨潤土的特性未完全發揮。 當入滲時間達到3 min后，試樣L2、L3、L4較試樣CK的累積入滲量差異開始顯著增大，而試樣L1則相對試樣CK變化較為平緩。 在同一入滲時間內4種試樣的累積入滲量明顯小于試樣CK的，其中當入滲時間為20 min時，試樣CK、L1、L2、L3、L4的累積入滲量分別為2 135.2、1 676.4、568.8、435.3、336.8 mL，其中試樣L1較試樣CK降低21.5%，試樣L2、L3、L4分別較試樣CK分別降低了74.3%、79.6%、84.2%，且試樣L2、L3、L4的累積入滲量較試樣L1的減小66.1%以上。當入滲時間為40 min時，試樣L2、L3、L4的累積入滲量較試樣L1的分別減小73.8%、78.5%、82.1%，因此，淤積泥沙累積入滲量隨膨潤土摻量的增加而減少，試樣L2、L3、L4的累積入滲量相差不大，且均大于試樣L1的。

2.1.2? 入滲速率

入滲速率為單位時間內流入土壤中的水量，是影響土壤入滲能力的主要指標之一，與土壤自身結構、初始含水率及所處地貌特征相關。 不同摻量膨潤土對淤積泥沙入滲速率的影響如圖3所示。 由圖可以看出，未施用膨潤土的試樣CK入滲速率受時間影響變化不大，總體上呈線性減小，而表層施用膨潤土的試樣的入滲速率呈現先減小后趨于平穩的趨勢。 在試驗前期（0～20 min），4種試樣的入滲速率迅速減小，說明摻用一定量的膨潤土可在較短時間內改善淤積泥沙的入滲性能，其中試樣L1、L2、L3、L4的入滲速率降低幅度較試樣CK的分別增加34.0%、64.3%、64.7%、65.6%；在試驗后期（>20 min），4種試樣的入滲速率逐漸趨于平緩；當入滲試驗結束時，試樣L1、L2、L3、L4的入滲速率分別為98.0、68.9、10.7、9.3、7.6 mL/min，分別較試樣CK的入滲速率降低29.7%、89.1%、90.5%、92.2%。 從整個入滲過程可見，膨潤土保水層有效地改善了淤積泥沙的入滲效果，且入滲速率隨膨潤土摻量的增加而降低，其中膨潤土摻量為20%、25%、30%時對淤積泥沙入滲改良效果大致相同，且比摻量為10%時效果好。

2.2? 膨潤土對淤積泥沙持水能力的影響

2.2.1? 濕潤鋒運移深度與累積入滲量的關系

濕潤鋒是指在水分入滲過程中，土壤潤濕先頭部位與干層形成的交界面，即濕潤區最前沿。 根據試驗所得數據發現，不同膨潤土摻量時淤積泥沙累積入滲量與濕潤鋒呈線性變化關系，擬合結果如圖4所示。 可以看出，在累積入滲量相同的情況下，試樣L1、L2、L3、L4的濕潤鋒運移深度均小于試樣CK的，其中當累積入滲量為900 mL時，試樣CK、L1、L2、L3、L4的濕潤鋒運移深度分別為20.5、18.4、13.6、13.1、12.8 cm，對應的單位濕潤鋒運移深度的累積入滲量分別為43.9、48.9、66.2、68.7、70.3 mL/cm，試樣L1、L2、L3、L4單位濕潤鋒運移深度的累積入滲量較試樣CK的分別提高了11.4%、50.7%、56.5%、60.2%，說明淤積泥沙持水能力隨膨潤土摻量的增加而增強，其中試樣L1的影響較弱，試樣L2、L3、L4對增強淤積泥沙持水能力影響顯著且彼此差異不大。

2.2.2? 膨潤土對淤積泥沙含水率的影響

膨潤土摻量不同時淤積泥沙不同位置的含水率如圖5所示。 由圖可以看出，由于試樣CK內部剖面質地較為均一，因此在入滲過程中含水率變化不大，含水率約為18%。 摻入膨潤土的試樣的含水率較試樣CK的明顯增大，其中試樣L1、L2、L3、L4在保水層（0～20 cm）的平均含水率較試樣CK的分別增加了15.3%、59.3%、63.4%、69.8%，但在淤積泥沙層的含水率則小于試樣CK的，呈現與保水層相反的趨勢。試樣L1、L2、L3、L4在保水層與淤積泥沙層交界處含水率發生明顯突變，在交界處附近深度為15～25 cm時的含水率分別下降11.2%、33.9%、37.4%、42.1%。這一結果與米俊珍等［10］研究在土壤中摻入膨潤土后獲得的含水率變化趨勢類似，證明膨潤土可以有效增強水分在淤積泥沙中的滯留能力。隨著入滲時間的增加，膨潤土在保水層吸收了足夠多的水分直至飽和，雖然吸水速率小于入滲速率；但是，由于膨潤土在吸水后具有較強的膨脹性，使得保水層水分入滲通道減少，形成水分入滲的緩速帶，因此造成含水率在淤積泥沙層與保水層之間存在較顯著的差異。

2.2.3? 膨潤土對淤積泥沙累積蒸發量的影響

土壤蒸發量是反映土壤持水能力和水分利用效率的重要參數。 圖6為不同摻量膨潤土對淤積泥沙累積蒸發量的影響。 由圖可知，在室內模擬穩定蒸發條件下，累積蒸發量在前期增速呈線性增長，后期增速變緩，在0～18 d時，試樣L1、L2、L3、L4的累積入滲量較試樣CK的分別降低3.7%、8.3%、9.7%、11.5%；在18～30 d時，相應的數值變為2.9%、5.2%、7.3%、11.4%。由于膨潤土顆粒的填充效果及吸水特性使摻入膨潤土的淤積泥沙的物理結構發生改變，提高了淤積泥沙內大團粒團聚體的數量，阻礙了前期以毛細管水為主的蒸發。隨蒸發時間的增加，試樣表層出現干層，抑制了水氣的擴散，造成后期累積蒸發量趨于平緩。總體來看，同一時間內累積蒸發量隨膨潤土摻量的增加而顯著降低。上述結果驗證了楊彥明等［11］研究在施用膨潤土后可顯著降低土壤蒸發量的結論，表明施用膨潤土對減少淤區淤積泥沙蒸發作用有積極作用。

2.3? 膨潤土對淤積泥沙硝態氮淋失的影響

硝態氮（NO-3-N）是氮素形態之一，較易被植物吸收但不易被土顆粒吸附，遇降雨時在土質中易發生淋失。 不同摻量膨潤土對淤積泥沙硝態氮淋失的影響如圖7所示。 由圖可以看出，第1次淋失試驗試樣CK的硝態氮淋失量很大，摻入膨潤土試樣的硝態氮淋失量明顯小于試樣CK的，試樣L1、L2、L3、L4的硝態氮淋失量較試樣CK的依次減小40.4%、49.9%、56.2%、57.1%（顯著性水平p<0.05）。 此后2次淋失試驗試樣CK的硝態氮淋失量相對于第1次的減少1/9以上，降低程度非常大，此時摻入膨潤土試樣的硝態氮淋失量均大于試樣CK的，原因是試樣CK中硝態氮在第1次淋失試驗中已經大量淋失，導致后續試驗硝態氮淋失量較小。常菲等［12］研究發現，摻入膨潤土的土壤經過4次淋失后硝態氮淋失量均小于普通土壤的，與本文中結果不同的原因在于土樣性質不同，試驗所用淤積泥沙自身保水保肥能力較弱，因此第1次淋失后土樣中硝態氮含量差距較大，造成后續淋失試驗硝態氮淋失量的不同。

試樣硝態氮累積淋失量的橫向比較見圖8。從圖中可看出，摻入膨潤土試樣的硝態氮累積淋失量明顯小于試樣CK的，且淋失量隨膨潤土摻量的增加而減小，其中試樣L1、L2、L3、L4硝態氮淋失總量分別較試樣CK減少24.2%、34.5%、40.3%、44.0%。一方面，膨潤土能夠增強保水層淤積泥沙的持水能力，從而減少了因水分流動而造成的氮素流失；另一方面，膨潤土顆粒具有較大的比表面積及強大的吸附性，可以維持淤積泥沙中氮素的存留，從而減少硝態氮的淋失。

3? 工程試驗應用效果

試驗區內楊樹種植12月后，生長情況如圖9所示。根據現場對楊樹的高度、胸徑、地徑和植被覆蓋率進行檢測，其中高度由塔尺測定，胸徑與地徑由卷尺測定，植被覆蓋度由無人機拍攝后，采用Pix4Dmapper和ArcGIS軟件對影像資料進行處理所得。采用統計產品與服務解決方案軟件（SPSS）對測得的楊樹高度、胸徑、地徑和植被覆蓋率數據進行分析，結果見表2。由表中數據可以看出，淤積泥沙表層設置施用膨潤土保水層的土地種植的楊樹高度、胸徑、地徑、植被覆蓋度均顯著優于膨潤土保水層的（p<0.05），說明在淤積泥沙表層設置膨潤土摻量為20%的保水層可有效提高土壤的持水量和肥力，改善植物生長環境，促進植物的生長發育。

4? 結論

通過室內一維積水入滲試驗，在淤積泥沙表層施用4種不同膨潤土摻量的保水層與普通淤積泥沙進行對比，分析了膨潤土對淤積泥沙中持水能力及硝態氮淋失特征的影響，并將優化的室內試驗結果用于室外工程試驗，得到以下結論：

1）從淤積泥沙累積入滲量與入滲速率的數據可以看出，膨潤土改善了保水層淤積泥沙的入滲性能，相同時間內膨潤土摻量越大，累積入滲量越小，入滲速率越慢。

2）膨潤土可增強淤積泥沙保水層持水能力，降低淤積泥沙水分蒸發量。膨潤土摻量為20%時對淤積泥沙持水效果影響最為顯著。與未摻入膨潤土的對照組相比，膨潤土保水層單位濕潤鋒運移深度的累積入滲量提高了50.7%，平均含水率提高了59.3%；30 d淤積泥沙前段（0～18 d）累積蒸發量降低8.3%，后段（18～30 d）累積蒸發量降低5.2%，有效緩解了前期蒸發作用。

3）膨潤土對淤積泥沙中硝態氮有顯著的保護作用，在保水層摻入質量分數10%～30%的膨潤土可使淤積泥沙中硝態氮淋失量降低24.2%～44.0%。

4）對比不同試樣的試驗結果以及試驗區工程實例表明，設置膨潤土摻量為20%的保水層可有效增強淤積泥沙保水保肥能力，促進植物的生長發育。

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（責任編輯：于海琴）