曹麗花，劉合滿，趙世偉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，860000，西藏林芝)

不同改良劑對黃綿土水穩(wěn)性團聚體的改良效果及其機制

曹麗花1，2，劉合滿2，趙世偉1?

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，860000，西藏林芝)

通過室內(nèi)土柱培養(yǎng)，采用聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)、沃特保水劑、β-環(huán)糊精、腐殖酸等4種土壤結(jié)構(gòu)改良劑對黃綿土水穩(wěn)性團聚體進行改良。結(jié)果表明：4種改良劑均可促進＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體的形成，在濃度0.05% ～0.40%范圍內(nèi)，其改良效果表現(xiàn)為PAM＞β-環(huán)糊精＞沃特保水劑＞腐殖酸，且黃綿土團聚體分形維數(shù)顯著降低，尤以PAM改良效果最明顯;在低濃度條件下，4種改良劑均可有效地降低土壤密度;土壤粒徑分布表明，PAM改良黃綿土水穩(wěn)性團聚體的機制是使＜1mm粒徑的團聚體團聚為更大的團聚體，尤其是團聚為＞5mm的團聚體，PAM在4種改良劑中對黃綿土改良效果最好。闡明不同改良劑對黃綿土水穩(wěn)性團聚體的改良效果及機制，可為合理利用改良劑改良土壤結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

土壤改良劑;水穩(wěn)性團聚體;分形維數(shù);土壤密度

土壤顆粒組成是土壤主要的物理屬性之一，決定了土壤水文學(xué)特征［1］、有機碳含量和分布［2］、養(yǎng)分有效性及分布特征［3-4］等。不同大小土壤顆粒可以通過一定的方式膠結(jié)在一起形成性質(zhì)穩(wěn)定的團聚體，為植物生長提供良好的土壤結(jié)構(gòu)［5-6］。土壤結(jié)構(gòu)改良劑聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、脲醛樹脂、腐植酸等高分子材料因可以增加土壤水穩(wěn)性團粒含量［7］、提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［8］、增強水肥保蓄能力［9-10］而被廣泛施用。

黃綿土是黃土高原的主要土壤類型之一，具有質(zhì)地輕、疏松綿軟易遭水蝕和風(fēng)蝕等特點［11］。在雨水的作用下，極易形成結(jié)皮，使土壤入滲率下降，增強地表徑流。唐澤軍等［12］研究表明，聚丙烯酰胺(PAM)可以增加黃綿土降雨入滲能力，且土壤降水入滲率與PAM覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系。李繼成等［13］研究了施肥條件下保水劑對黃綿土蒸發(fā)和團聚性狀的影響，結(jié)果表明，施加保水劑能減少土壤蒸發(fā)量，增加團聚體含量。然而，針對不同土壤結(jié)構(gòu)改良劑對黃綿土的改良效果研究還較少，改良劑對土壤水穩(wěn)性團聚體的改良機制還不很清楚。筆者分別選擇目前應(yīng)用較為廣泛的人工合成的超高分子量聚合物PAM、沃特保水劑、天然高分子材料腐殖酸和人工合成的環(huán)狀低聚糖類物質(zhì)β-環(huán)糊精為土壤改良劑，以黃綿土為供試土壤，研究不同濃度條件下土壤結(jié)構(gòu)改良劑對土壤水穩(wěn)性團聚體的改良效果與改良機制，以期為土壤結(jié)構(gòu)改良劑在黃綿土上的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗的黃綿土采自寧夏固原市上黃村，E 106°26'～ 106°30'，N 35°59' ～ 36°03'，海拔1534 ～1 824m，年均氣溫7.0℃，年均降雨量472mm，年總輻射量5 342.4mJ/m2，干燥度指數(shù)1.55，無霜期152 d，屬半干旱中溫帶向暖溫帶過度季風(fēng)氣候。

2 研究方法

2.1 供試土樣

供試土樣黃綿土采自上黃村糜子農(nóng)田，海拔1 615m。采樣方法為按梅花取樣法，在0～20 cm的土層取混合土樣。土壤顆粒組成以卡欽斯基制［14］分類，結(jié)果見表1。

表1 黃綿土顆粒組成Tab．1 Partical size in loessal soil

2.2 供試試劑

PAM是一種人工合成的水溶性高分子有機聚合體，為法國進口，白色顆粒;沃特保水劑為勝利油田長安集團生產(chǎn)的一種高分子功能材料，能吸收自重500～1 000倍的純水;腐殖酸由上海巨楓科技公司生產(chǎn);β-環(huán)糊精是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的含有7個葡萄糖單元的環(huán)狀低聚糖類物，由天津科密歐公司生產(chǎn)。

2.3 試驗處理及方法

用PVC塑料管做成高10 cm、直徑10 cm、體積785 cm3的土柱，土柱底部用塑料布封閉。供試土壤結(jié)構(gòu)改良劑施用濃度按照改良劑與土壤的質(zhì)量比分別設(shè)置為0、0.05%、0.10%、0.20%和0.40%，相同濃度條件下設(shè)置3個重復(fù)。分別將不同改良劑與過1mm篩的黃綿土(以烘干土為基礎(chǔ))按上述濃度直接混勻，裝成密度為1.11 g/cm3的土柱，土柱表面均勻地鋪一層石子。土壤結(jié)構(gòu)改良劑主要通過吸水—膠結(jié)作用而使土壤顆粒團聚，且團聚性能與作用時間長短有關(guān)［15-16］，將土柱土壤濕度保持在田間持水量的75%，室溫條件下培養(yǎng)。培養(yǎng)21 d后，采用濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體，用環(huán)刀法測土壤密度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

分形維數(shù)計算利用楊培嶺等［17］提出的用土壤粒徑的質(zhì)量分布代替數(shù)量分布的方法;利用DPS進行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同改良劑對＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體的改

良效果

不同改良劑對土壤＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體的改良效果如圖1所示，可見4種改良劑均可有效地改善黃綿土的結(jié)構(gòu)，增加＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體數(shù)量，且隨濃度增加呈遞增趨勢。在4個供試濃度(0.05%、0.10%、0.20%、0.40%)條件下，PAM 施入后，土壤＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)分別比對照增加了 83.87%、100.31%、127.94%和189.84%;沃特保水劑使土壤＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)分別較對照提高0.67%、24.64%、27.18%和35.12%;施入 β-環(huán)糊精后，＞0.25mm團聚體質(zhì)量分數(shù)分別比對照增加了15.46%、41.80%、88.06%和91.44%;腐殖酸施入黃綿土后，使黃綿土＞0.25mm團聚體質(zhì)量分數(shù)分別比對照增加了2.27%、2.58%、4.99%和12.08%。

圖1 不同改良劑對＞0.25mm團聚體改良效果Fig．1 Effect ofmodifiers on ＞0.25mm soil water stable aggregation

不同改良劑、相同施用濃度條件下，土壤＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)差異見表2。可知：PAM施用條件下，土壤＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)最高，改良效果均較其他3種顯著，差異達顯著水平;β-環(huán)糊精，腐殖酸和沃特保水劑對于土壤水穩(wěn)性團聚體改良效果相對較差。這可能與4種改良劑的性質(zhì)有關(guān)，PAM具有極性基團，有良好的絮凝和吸附作用，可以更好地將土壤細小顆粒吸附團聚形成更大團聚體。

表2 不同改良劑相同濃度對水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)的影響Tab．2 Effect of soil conditioners on aggregate content in the same concentration

3.2 不同改良劑對團聚體分形維數(shù)的影響

由圖2可知，隨改良劑施用濃度增加，黃綿土水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)呈遞減趨勢，即土壤結(jié)構(gòu)改良劑的施用可以降低土壤團聚體分形維數(shù)，改善土壤結(jié)構(gòu)。在供試4個濃度水平條件下，PAM改良土壤團聚體分形維數(shù)分別為2.847 7、2.849 5、2.831 0和2.784 2，分別較對照降低了2.54%、2.47%、3.11%和4.71%;β-環(huán)糊精使土壤團聚體分形維數(shù)由2.921 8(CK)降低到了2.884 6(0.4%);腐殖酸改良土壤團聚體分形維數(shù)分別為2.922 5、2.920 8、2.915 8和2.915 1;在沃特保水劑改良條件下，土壤團聚體分形維數(shù)分別比對照降低了0.02%、0.80%、0.90%和 1.28%。由此可見，在濃度為0.05%～0.40%條件下，4種改良劑均可降低團聚體分形維數(shù)，改良黃綿土結(jié)構(gòu)，且以PAM效果最好，在濃度0.05%時即達顯著效果。

圖2 不同改良劑對團聚體分形維數(shù)的影響Fig．2 Effects of soil conditionerson fractal dimension

3.3 不同土壤結(jié)構(gòu)改良劑對土壤密度的影響

由于黃綿土質(zhì)地較輕，培養(yǎng)前的磨碎處理使原有土壤顆粒結(jié)構(gòu)破壞，培養(yǎng)過程中的澆水處理使土壤顆粒之間孔隙度發(fā)生變化，土壤結(jié)構(gòu)變緊實，故土壤密度較培養(yǎng)前有所增大。不同土壤改良劑對土壤密度的影響見圖3?？芍?，經(jīng)土壤結(jié)構(gòu)改良劑處理的土壤，由于改良劑的吸水膨脹作用，增加了土壤孔隙度，使土壤密度較對照呈降低趨勢。其中：沃特保水劑降低趨勢最大，在0.05% ～0.40%施用濃度條件下，土壤密度分別比對照降低了1.99%，4.67%，8.19%和20.82%;PAM表現(xiàn)為在施用濃度0.05%時土壤密度較對照呈顯著(P＜0.05)降低趨勢，而在濃度為0.10%和0.20%時，土壤密度較0.05%濃度條件下有所增大;腐殖酸在濃度＜0.2%時對土壤密度影響較小，差異未達顯著水平，只有在供試較高濃度(0.40%)時土壤密度較對照顯著降低;β-環(huán)糊精改良土效果不明顯，隨施用濃度的增加，土壤密度分別較對照降低1.45%、3.96%、1.97%和1.13%。在施用濃度為0.05%條件下，4種改良劑對土壤密度的改良效果表現(xiàn)為PAM＞沃特保水劑＞β-環(huán)糊精＞腐殖酸，在濃度＞0.05%時，沃特保水劑改良效果最好。

圖3 不同土壤改良劑對土壤密度的影響Fig．3 Effect of soil conditioners on bulk density

3.4 不同改良劑對土壤粒徑分布的影響

4種供試土壤結(jié)構(gòu)改良劑對黃綿土各粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)均有不同程度的影響(表3)。黃綿土經(jīng)不同濃度的PAM處理后，PAM使＜1mm團聚體團聚為更大的團聚體，從而使＜1mm團聚體數(shù)量減少，尤其是對＞5mm團聚體的改良效果最為顯著，濃度從0.05%到0.40%，＞5mm團聚體質(zhì)量分數(shù)由1.60%逐漸增大到29.16%;對于β-環(huán)糊精來說，其作用機制與PAM相似，主要是＞5mm團聚體的數(shù)量增加;腐殖酸和沃特保水劑能促進黃綿土各粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)增加，但作用效果不明顯。

3.5 不同濃度對土壤顆粒分形維數(shù)的影響

由圖2可知，PAM在濃度0.05%時，土壤密度由1.247 6 g/cm3降低到1.219 9 g/cm3，比對照降低了2.22%，差異達顯著水平，而在0.05%和0.10%、0.20%之間差異不顯著(P＜0.05);β-環(huán)糊精在施用濃度為0.20%時土壤團聚體分形維數(shù)較對照差異達顯著水平，其他幾個施用濃度之間差異未達顯著水平;腐殖酸在不同濃度條件下土壤團聚體分形維數(shù)呈降低趨勢，但不同濃度及與對照之間差異未達顯著水平;沃特保水劑在濃度0.1%時較對照差異顯著。

4 討論

在土壤—水—養(yǎng)分體系中，土壤結(jié)構(gòu)改良劑通過影響土壤顆粒分布及水分和養(yǎng)分保蓄與遷移而影響土壤質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，達到改善土壤的作用。有機質(zhì)是影響土壤水穩(wěn)性團聚體的主要因素［18］，對土壤顆粒具有良好的膠結(jié)作用。應(yīng)用含碳高分子聚合物作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑施入土壤，可以快速提高土壤有機碳含量，促進土壤顆粒團聚，提高土壤大團聚體質(zhì)量分數(shù)［19］，改善土壤結(jié)構(gòu)。

表3 不同改良劑對黃綿土各級團聚體質(zhì)量分數(shù)的影響Tab．3 Effect of different soil conditioners on different size aggregates of loessal soil

有研究表明，土壤粒徑分布分維值與小于50 μm粒徑土壤顆粒體積含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤細小顆粒越多，分維越大［20］。土壤結(jié)構(gòu)改良劑可以降低土壤小顆粒質(zhì)量分數(shù)，提高土壤大團聚體質(zhì)量分數(shù)，從而使土壤顆粒分形值降低。

土壤結(jié)構(gòu)改良劑施入后，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，降低土壤密度［21］。筆者研究結(jié)果表明，4種供試改良劑均可使土壤密度降低，其中在低濃度0.05%時，PAM、沃特保水劑、β-環(huán)糊精和腐殖酸分別使土壤密度降低了2.22%、1.99%、1.45%和0.61%。

不同分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)的聚合物對土壤結(jié)構(gòu)改良性能不同［22］。研究表明，PAM對供試黃綿土水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)和團聚體分形維數(shù)效果最好，可能與PAM分子質(zhì)量大、分子鏈長、黏結(jié)作用強有關(guān)，在土壤結(jié)構(gòu)改良方面有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1)施用土壤結(jié)構(gòu)改良劑可以促使分散的土壤顆粒團聚，形成團粒，增加土壤中水穩(wěn)性團粒的質(zhì)量分數(shù)及穩(wěn)定性。隨改良劑濃度增加，土壤水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)增加，在供試濃度條件(0.05%～0.40%)條件下，不同改良劑對土壤水穩(wěn)性團聚體的改良效果表現(xiàn)為PAM＞β-環(huán)糊精＞沃特保水劑＞腐殖酸。

2)4種改良劑施入黃綿土后均可有效地降低土壤團聚體分形維數(shù)，且分形維數(shù)隨改良劑施用濃度的增加呈下降趨勢。4種改良劑中，以PAM改良黃綿土結(jié)構(gòu)效果最好。

3)4種改良劑均可降低土壤密度，而以沃特保水劑效果最好。

4)土壤結(jié)構(gòu)改良劑的施用主要使土壤小顆粒膠結(jié)團聚成較大顆粒，從而增加土壤大團聚體質(zhì)量分數(shù)，增強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。PAM主要作用于顆粒直徑＞1mm的團聚體，尤其是＞5mm團聚體;β-環(huán)糊精對黃綿土改良機制與 PAM一致，主要是＞5mm團聚體數(shù)量增加幅度最大;腐殖酸和沃特保水劑對各級團聚體作用效果不明顯。

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Effect of soil conditioners on water stability of soil aggregates and itsmechanisms in loessal soil

Cao Lihua1，2，Liu Heman2，Zhao Shiwei1

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;2.Department of Resources and Environment，Tibet Agricultural and Animal Husbandry College，860000，Linzhi，Tibet：China)

Soil conditioners，which are widely used in preventing soil and water losses，could improve soil physical structure and provide good conditions for plant growth.PAM，water super absorbent polymer，β-cyclodextrin and humic acid were used as soil conditioners in this paper.The results showed that all of the four conditioners could promote the formation of＞0.25mm water-stable aggregates.Within the test range of 0.05%-0.40%，the improved effect showed PAM ＞β-cyclodextrin ＞water super absorbent polymer ＞ humic acid，and the fractal dimension of aggregates decreased largely，especially for the PAM.All of the four conditioners could reduce the soil bulk density at the low concentration.From soil particle size distribution，it can be observed that ＜1mm soil water-stable aggregates could form to ＞1mm soil water-stable aggregates，especially ＞5mm soil water-stable aggregates obviously，which will explain how PAM worked on soil structure.In the four conditioners，PAM played the best role in improving loessal soil structure.This paper discovered the effect andmechanism of soil conditioners on loessal soil，which will provide theoretic basis of using and improving soil conditioners reasonably.

soil structuralmodifiers;water-stable aggregates;fractal dimension;bulk density

2011-05-15

2011-08-01

西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室基金“退化草地碳動態(tài)及溫濕度效應(yīng)”(10501-249)

曹麗花(1980—)，女，講師，碩士。主要研究方向：退化土壤修復(fù)。E-mail：clh-m@163.com

?責(zé)任作者簡介：趙世偉(1962—)，男，研究員。主要研究方向：土壤改良與環(huán)境效應(yīng)。E-mail：swzhao@ms.iswc.ac.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)