戴顯慶，冀曉東，楊茂林，彭紹好，馬媛媛

(北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

天然沸石對黑土團聚體含量及穩(wěn)定性的影響

戴顯慶，冀曉東，楊茂林，彭紹好，馬媛媛

(北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

[關(guān)鍵詞]天然沸石；黑土；團聚體含量；水穩(wěn)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(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量，分析了不同摻配量天然沸石對土壤平均質(zhì)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(wěn)定性團聚體含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(WSA0.25)的影響，結(jié)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(wěn)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(wěn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(qū)是全國商品糧生產(chǎn)的“穩(wěn)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(dá)20 cm的面積僅占30.5%，達(dá)18 cm的占42.3%。第三次遙感調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，黑龍江省黑土區(qū)的水蝕面積為8.88萬km2[1-2]。黑土區(qū)水蝕多發(fā)生在每年降雨集中且多以暴雨形式出現(xiàn)的6—8月份[3]。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)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(fā)生遷移，而土壤團聚體的穩(wěn)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(wěn)性團聚體和大團聚體逐漸減少，微團聚體增多，土壤結(jié)構(gòu)性變差，這將影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[7-8]。國內(nèi)外學(xué)者研究土壤抗侵蝕性時發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體特別是水穩(wěn)性團聚體的特征對土壤侵蝕影響很大，土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和穩(wěn)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(biāo)[5,9-13]。并且，土壤平均質(zhì)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(biāo)[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(huán)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(fā)現(xiàn)，沸石處理后土壤抗沖性指數(shù)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(fā)現(xiàn)，在鹽堿土中加入10%人造沸石能夠提高土壤MWD和飽和導(dǎo)水率，鹽堿土壤加入人造沸石的改進(jìn)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(wěn)定性團聚體含量及水穩(wěn)性團聚體含量，分析MWD、GMD、團聚體破壞率(PAD0.25)和>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(WSA0.25)的變化，旨在為有效應(yīng)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(qū)概況

采樣地點位于黑龍江省齊齊哈爾市依安縣新興鎮(zhèn)(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(qū)。北靠烏裕爾河，海拔160～220 m。氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)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(jù)GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)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(nèi)用保溫塑料板密封，帶回實驗室風(fēng)干。在土樣風(fēng)干時，對較大的土塊，按照本身的結(jié)構(gòu)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(zhì)見表2。

表2　土壤基本理化性質(zhì)

1.3試驗方法

機械穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性的傳統(tǒng)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(yè)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)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(jìn)入空氣，以免破壞團聚體。開動馬達(dá)，進(jìn)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(jié)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(fēng)干燥處風(fēng)干24 h后稱量記錄，結(jié)果取4組平行試驗的均值。

試驗A～F組：按照樣品質(zhì)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(nèi)，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(biāo)計算

(1)平均質(zhì)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(zhì)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(shù)。

(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(zhì)量百分含量；WA0.25為>0.25 mm濕篩團聚體質(zhì)量百分含量。

2試驗結(jié)果

2.1沸石摻配量對黑土機械穩(wěn)定性團聚體含量的影響

由表3可知：與CK對比，經(jīng)過改良，干篩時A～F組試驗中>0.25 mm機械穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)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(wěn)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(fā)現(xiàn)，隨天然沸石摻配量增加，2～1和1～0.5 mm粒級機械穩(wěn)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(xí)良等[23]研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定性團聚體含量越多，土壤的結(jié)構(gòu)性能越好。通過試驗結(jié)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(wěn)定性團聚體含量，從而改良土壤中團聚體的結(jié)構(gòu)[24]。綜上所述，室內(nèi)試驗時，對未經(jīng)過沸石長時間培養(yǎng)改良的土樣，沸石摻配量為15%時改良效果最好。

干篩結(jié)果顯示在天然

2.2沸石摻配量對黑土水穩(wěn)性團聚體含量的影響

由表3可知，經(jīng)過天然沸石改良后，A～F試驗組土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(WSA0.25)呈不規(guī)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(wěn)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(wěn)性團聚體含量呈不規(guī)律變化。A～F試驗組土壤中1～0.5和0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量對比CK均有所降低。

根據(jù)土壤團聚體形成理論，土壤團聚體是以一質(zhì)點為核，把土壤顆粒聚集膠結(jié)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(chǔ)的質(zhì)點核，能夠促進(jìn)水穩(wěn)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(jìn)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(wěn)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(wěn)定的大粒級的水穩(wěn)性團聚體。另外，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，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(wěn)性團聚體含量增加的原因之一。雖然水穩(wěn)性團聚體含量是反映土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)，但通過分析發(fā)現(xiàn)，由于沸石改良時間較短，WSA0.25變化不規(guī)律，所以不能用WSA0.25作為未經(jīng)充分改良土壤的抗侵蝕能力的評價指標(biāo)。

2.3沸石摻配量對黑土團聚體穩(wěn)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(wěn)定性團聚體MWD隨天然沸石摻配量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在15%摻配量時MWD最大；水穩(wěn)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(wěn)定性的最重要指標(biāo)，MWD值越大，土壤團聚體越穩(wěn)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(wěn)性團聚體MWD作為評價指標(biāo)相比干篩MWD更準(zhǔn)確。結(jié)合表3可知，WSA0.25隨摻配量呈不規(guī)律變化，但水穩(wěn)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(wěn)定性團聚體的GMD變化隨摻配量的增加呈不規(guī)律增加；水穩(wěn)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(wěn)定性越強[14]。試驗發(fā)現(xiàn)，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(wěn)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(wěn)定性

PAD0.25隨摻配量增加而呈現(xiàn)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(wěn)定，沸石與團聚體“反應(yīng)”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(jīng)長時間培養(yǎng)的土壤改良試驗中，僅憑破壞率這一個指標(biāo)不能反映改良土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的強弱，在室內(nèi)進(jìn)行土壤改良試驗時需要進(jìn)行土壤培養(yǎng)。

3結(jié)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(wěn)定性團聚體含量(P<0.05)。室內(nèi)試驗時，對未經(jīng)過沸石長時間培養(yǎng)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(wěn)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(jīng)沸石充分改良土壤的抗侵蝕能力的評價指標(biāo)。

(2)在黑土中摻配5%～30%的天然沸石改良時，土壤水穩(wěn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強，抗侵蝕能力增強。

(3)在進(jìn)行室內(nèi)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(yīng)”。為使土壤得到充分改良，需要進(jìn)行土壤培養(yǎng)，使攪拌混合后的土壤團聚體與沸石充分“反應(yīng)”，來提高改良后土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

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

[中圖分類號]S156.3

[文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)與生態(tài)恢復(fù)；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(fù)與生態(tài)恢復(fù)、林木抗風(fēng)、植被固土機制研究。

[收稿日期]2016-01-27