馬海于，李誠志，3

（1.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，新疆烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué)教育部綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆烏魯木齊 830017；3.新疆精河溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，新疆精河 833300）

0 引言

在我國干旱、半干旱區(qū)，沙化土地面積分布廣泛，包括自然形成的風(fēng)沙土、戈壁土以及礦山開采過程中形成的沙質(zhì)土壤。這種沙質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)性差、顆粒粗糙，主要為粗砂和細沙，顆粒間孔隙大，土壤結(jié)構(gòu)疏松，水分滲透速度快，土壤保水、保肥能力差［1］。干旱、半干旱區(qū)沙土上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，礦山生態(tài)修復(fù)中的植被恢復(fù)，均需要改善土壤條件，提高土壤持水能力。

土壤水分是植物生長所需要的直接水源，是維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必要條件［2］。土壤所吸持的水分包含有兩部分：土壤顆粒物分子引力吸持的水分和土壤孔隙中毛細管吸持的水分［3］。植被主要利用后者所吸持的水分。影響土壤持水能力的因素眾多，包括：土壤顆粒性質(zhì)、土壤鹽分、土壤有機質(zhì)、土壤總孔隙度、土壤粘粒含量、毛管孔隙度、土壤粉粒含量等［4-7］。在影響土壤持水能力的眾多因素中，土壤孔隙度以及粘粒含量影響較大，改善土壤持水能力也往往從這2 個方面入手。增強土壤持水能力是干旱區(qū)水分利用研究的一個重要方向。尋找經(jīng)濟高效的保水材料和保水方法來提高土壤持水能力是我國西北干旱區(qū)水分利用研究的熱點問題之一。

目前，關(guān)于土壤持水能力的改善方法大致有4 種，即：土壤免耕、秸稈覆蓋、土壤混合法及使用保水劑。韓麗文等［8］研究表明免耕、秸稈覆蓋土壤相比于傳統(tǒng)的耕地，含水率較高。土壤免耕改善了其土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤自身蓄水量；秸稈覆蓋土壤能隔絕水分蒸發(fā)，提高了土壤的持水能力［9］。土壤混合法就是把持水能力較強的土壤與持水能力較弱的土壤相混合，改善持水性差的土壤的物理結(jié)構(gòu)，從而達到保水目的。李明玉［10］發(fā)現(xiàn)生物炭加入黏土中形成的混合土可以降低土體的密度和顆粒相對密度，提高土體的液塑限和pH 值。隨著生物炭摻量的增加，生物炭-黏土混合土的最優(yōu)含水率逐漸增大，最大干密度逐漸減小。土壤保水劑是一種高分子聚合物，是利用保水性能力高的樹脂制成。保水劑吸水能力相當強，能吸收比自身重千百倍的水分，且能長久的保持。張妙［11］研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺（PAM）保水劑施入土壤中可以降低土壤容重、增大土壤孔隙度、增加土壤滲透性和保水性。已有的土壤持水能力改良方法雖然效果顯著但也存在很多不足，比如土壤免耕、秸稈覆蓋僅適用于耕地土壤，保水劑價格高昂，土壤混合法則沒有確定一個合理的閾值。因此，繼續(xù)尋求價格低廉、保水能力好，且能大量應(yīng)用的土壤改良材料及方法對西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及礦山生態(tài)修復(fù)具有十分重要的意義。

膨潤土有較強的吸水能力，可吸附自身質(zhì)量約十倍的水分［12-14］，可用于提高沙質(zhì)土壤的保水蓄水能力。鑒于此，試驗將0～50 μm 的膨潤土和150～200 μm 的沙粒按不同比例混合，形成混合土壤來研究膨潤土添加對土壤持水能力的影響，尋找合適的配比，提高沙土持水能力。為我國西北干旱、半干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和礦山生態(tài)修復(fù)提供新技術(shù)和新理論。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的沙土源自于青河縣砂鐵礦的尾礦庫，密度為1.477 9 g/cm3。為避免沙土粒徑對實驗的影響，試驗前對沙土進行篩分，選擇粒徑比例最大的（粒徑150～200 μm）組分作為實驗用沙土。膨潤土來自河南南陽浩發(fā)膨潤土有限公司，粒徑為0～50 μm，密度為1.109 8 g/cm3。為消除沙土含有的自然離子的影響，用去離子水對沙土進行清洗，直到清洗過后沙土的懸濁液的電導(dǎo)率小于50 μS/cm，將沙土放入恒溫105 ℃烘箱中烘干備用。

1.2 試驗設(shè)計

將0～50 μm 膨潤土和清洗后的沙粒按比例（如表1所示）進行混合試驗，每個比例設(shè)置3 個平行對照組。將混合好的土樣裝入環(huán)刀中，通過環(huán)刀法測土壤容重和總孔隙度。將裝滿混合土樣的環(huán)刀放于盛有水的磁盤上，環(huán)刀頂部使用保鮮膜封?。ǚ乐顾终舭l(fā)），讓混合土樣自然吸水。每日對吸水環(huán)刀土樣進行稱重，直至環(huán)刀中的土樣不再吸水為止（連續(xù)3日環(huán)刀土樣重量差值在0.01 g內(nèi)），即達到飽和持水量?；旌贤翗拥竭_飽和持水量后進行自然蒸發(fā)實驗。將環(huán)刀表面的保鮮膜去掉，在室內(nèi)環(huán)境進行土壤水分蒸發(fā)試驗。每天定時（每日12 點）記錄一次環(huán)刀土樣重量數(shù)據(jù)，因為前人研究發(fā)現(xiàn)，在分別施加聚丙烯酰胺（PAM）和羥甲基纖維素鈉（CMC）兩種保水劑時，土壤樣品均在蒸發(fā)12 d 后逐漸接近穩(wěn)定蒸發(fā)［15］，所以，試驗選擇連續(xù)測定16 d，計算土壤日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量。

表1 膨潤土（0～50 μm）和沙土（150～200 μm）混合比例（體積比）%Tab.1 Bentonite（0～50 μm）and sandy soil（150～200 μm）mixture ratio（volume ratio）

1.3 測試指標和方法

（1）土壤容重。土壤容重采用環(huán)刀法測定。先稱重干凈環(huán)刀，得到質(zhì)量m1，然后稱裝有混合土樣的環(huán)刀總重，得到質(zhì)量m2。采用公式（1）計算土壤容重。

式中：Pb為土壤容重，g/cm3；m1為環(huán)刀質(zhì)量，g；m2為環(huán)刀加混合土樣質(zhì)量，g；V為環(huán)刀容積，cm3。

（2）土壤飽和持水量。將裝滿混合土樣的環(huán)刀放于盛水的磁盤上，讓混合土樣自然吸水，每日對吸水環(huán)刀土樣進行稱重，直至環(huán)刀中的土樣不再吸水為止（連續(xù)3 日環(huán)刀土樣重量差值在0.01 g內(nèi)），即達到飽和持水量。計算公式（2）：

式中：X為土壤飽和持水量，%；m3為吸水達到飽和后環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g；m2為吸水前環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g；m1為環(huán)刀質(zhì)量，g。

（3）土壤毛管持水量。參照《LY-T1215-1999 森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》（LYT 1215-1999）中的土壤毛管水量測定方法，將吸水達到飽和后的環(huán)刀放置在預(yù)先備好的沙盤中2 h，讓土壤中非毛管水全部流出后稱重，計算土壤毛管持水量（%），計算公式（3）：

式中：Cm為土壤毛管持水量，%；m4為吸水達到飽和后又置沙兩小時后的環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g；m2為吸水前環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g；m1為環(huán)刀質(zhì)量，g。

（4）土壤日蒸發(fā)量。將吸水飽和后的土樣去掉保鮮膜，然后將其放在天平上。每天定時記錄土樣重量，計算每日土壤水分蒸發(fā)量。

式中：vt為土壤日蒸發(fā)量，g；mt為t天蒸發(fā)掉的質(zhì)量，g；mt－1為（t－1）天的蒸發(fā)量，t為天數(shù)，d。

（5）土壤的殘余水量。

式中：Q為土壤的殘余水量，%；m5為土壤累積蒸發(fā)量，g；m3為吸水達到飽和后環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g；m2為吸水前環(huán)刀加土樣質(zhì)量，g。

（6）總孔隙度。根據(jù)土壤容重，可估計得總孔隙度：

式中：Tp為總孔隙度，%；Pb為土壤容重，g/cm3；Pp為土壤比重（平均密度是2.65 g/cm3）。

（7）毛管孔隙度。

式中：Gm為毛管孔隙度，%；Cm為毛管持水量，%；Pb為土壤容重，g/cm3。

（8）非毛管孔隙度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010 對所有數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析，顯著性水平用P表示（P<0.05）。使用OriginPro 2021 軟件進行作圖。用良田高拍儀軟件V6.02進行拍，使用Ps軟件對圖片進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混合比例對土壤物理性質(zhì)的影響

隨著膨潤土比例的增加，土壤樣品質(zhì)量、非毛管孔隙度和容重逐漸減小，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸增加。當膨潤土比例為16%時，其土壤樣品質(zhì)量和土壤容重值最低，分別為141.9 g、1.419 g/cm3。當膨潤土比例為0時（即對照組樣品），其土壤樣品質(zhì)量和土壤容重值最高，分別為147.79 g、1.477 9 g/cm3。當膨潤土比例為16%時，其土壤樣品質(zhì)量和土壤容重值均是當膨潤土比例為0 時的96.01%。當膨潤土比例為16%時，總孔隙度為46.45%，分別是膨潤土比例為0、4%、8%、12%時的1.050 3倍、1.037 2 倍、1.024 6 倍、1.012 2 倍。當膨潤土比例為16%時，毛管孔隙度為41.79%，分別是膨潤土比例為0、4%、8%、12%時的1.115 7 倍、1.095 2 倍、1.075 1 倍、1.034 8 倍。當膨潤土比例為16%時，非毛管孔隙度為4.66%，分別是膨潤土比例為0、4%、8%、12%時的68.84%、70.35%、72.07%、84.61%。膨潤土的添加在一定程度上降低了土壤的容重和非毛管孔隙度，增加了土壤的總孔隙度和毛管孔隙度。

表2 不同混合比例土壤的物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of soils with different mixing ratios

2.2 不同混合比例對土壤飽和持水量的影響

不同混合比例土壤的飽和持水量和所需的時間如圖1 所示。隨著膨潤土比例的增加，土壤飽和持水量和所需的時間均大幅增加。當膨潤土的比例為4%、8%、12%和16%時均遠遠高于對照組（P<0.05）。當膨潤土的比例為8%和16%時，土壤飽和持水量分別是對照組的1.070 4 倍、1.175 7 倍。當膨潤土的比例為16%時，土壤飽和持水量最高，為30.404%。當膨潤土的比例為4%、8%、12%和16%時，達到土壤飽和持水量所需時間分別是對照組的13.534 倍、23.134 倍、47 倍、64.2 倍。當膨潤土的比例為16%時，所需時間最長，為321 h。由此可見，添加膨潤土極大的增加了土壤飽和持水量，同時也極大延長了土壤的吸水時間。

圖1 不同混合比例對土壤飽和持水量的影響Fig.1 Influence of different mixing ratios on soil saturated water holdup

2.3 不同混合比例土壤的累積蒸發(fā)量

不同混合比例土壤的累積蒸發(fā)量如圖2所示。隨著膨潤土比例的增加，土壤累積蒸發(fā)量逐漸減小。當膨潤土比例為4%、8%、12%和16%時，土壤累積蒸發(fā)量均小于對照組，分別減少1.034%、1.428%、4.504%和4.819%。當膨潤土比例為16%時，土壤的累積蒸發(fā)量最小，僅為36.21 g，略小于膨潤土比例為12%時的累積蒸發(fā)量。當膨潤土比例為0 時，累積蒸發(fā)量在前7 d迅速增加，7～10 d增加速率變緩，10 d后累積蒸發(fā)量保持不變，停止蒸發(fā)。在前面4 d，膨潤土的添加對土壤累積蒸發(fā)量影響不大。4 d 后，膨潤土的添加對土壤累積蒸發(fā)量的抑制效果逐漸變的明顯。當膨潤土比例為0、4%、8%、12%和16%時，土壤累積蒸發(fā)量曲線均在6～7 d 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由快速增加變?yōu)榫徛黾印Ｓ纱丝芍?，膨潤土的添加對土壤蒸發(fā)具有較強的抑制作用。隨著膨潤土比例的增加，對土壤蒸發(fā)的抑制作用逐漸增強。

圖2 不同混合比例土壤的累積蒸發(fā)量Fig.2 Cumulative evaporation of soils with different mixing ratios

2.4 不同混合比例土壤的日蒸發(fā)量

不同混合比例土壤的日蒸發(fā)量如圖3 所示，隨著天數(shù)的增加，土壤的日蒸發(fā)量均先快速降低，后緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。當膨潤土的比例為0時，土壤日蒸發(fā)量在前面的9 d內(nèi)均高于摻了膨潤土的混合土壤，當?shù)降?1 d 時，土壤的日蒸發(fā)量幾乎為0，即蒸發(fā)結(jié)束。然而，添加膨潤土的土壤仍在進行蒸發(fā)。當膨潤土比例為4%、8%和12%時，在前面的11 d 內(nèi)土壤的日蒸發(fā)量均略高于膨潤土比例為16%時的土壤日蒸發(fā)量，在11 d以后均逐漸降低，并且逐漸低于膨潤土比例為16%時的土壤日蒸發(fā)量。由此可見，膨潤土的添加在一定程度上抑制了土壤的蒸發(fā)，降低了土壤的失水速率，使得土壤中的水分得到緩慢的釋放，提高了土壤的保水能力。

圖3 不同混合比例土壤的日蒸發(fā)量Fig.3 Daily evaporation of soils with different mixing ratios

2.5 不同混合比例土壤的含水量

隨著膨潤土比例的增加，土壤的毛管持水量和殘余水量均逐漸增加。當膨潤土比例為16%時，土壤的毛管持水量和殘余水量值均最大，分別為29.45%、15.99%。當膨潤土比例為0 時，土壤的毛管持水量和殘余水量值均最小，分別僅為25.34%、0.47%。當膨潤土比例為0時，土壤殘余水量的方差最小。當膨潤土比例為4%、8%、12%和16%時，土壤殘余水量的方差均較大。當膨潤土比例為4%時，土壤毛管持水量的方差最小。當膨潤土比例為8%、12%和16%時，土壤毛管持水量的方差均較大。這可能是由于膨潤土與沙土混合的均勻度不同造成的。當膨潤土比例為0時，由于土壤中的水分幾乎蒸發(fā)殆盡，導(dǎo)致土壤表面的沙粒極為松散。當膨潤土比例為4%時，土壤表面開始出現(xiàn)了一定的板結(jié)現(xiàn)象，其表面松散的沙粒也略微減少。當膨潤土比例為8%、12%和16%時，土壤表面松散的沙粒顯著減少。由此可見，隨著膨潤土比例的增加，土壤表面松散的沙粒也越來越少，這可能是由于沙粒在膨潤土的作用下膠結(jié)在一起，使得土壤表面變得致密堅硬。膨潤土的增加，使土壤的持水能力得到極大提高。這可能是由于膨潤土的添加使得土壤中的大孔隙減少，細小孔隙增加，由此導(dǎo)致土壤中的毛管孔隙增加，導(dǎo)致土壤中能儲存更多的水分。同時，膨潤土的添加能使得土壤表面松散的沙粒膠結(jié)在一起，形成一層致密堅硬的土層，對土壤內(nèi)部水分的蒸發(fā)在一定程度上也具有抑制作用，因此在一定程度上也提高了土壤的持水能力（見圖5）。

圖4 不同混合比例土壤的含水量Fig.4 Moisture content of soils with different mixing ratios

圖5 不同混合比例土壤的表面圖Fig.5 Surface map of soil with different mixing ratios

3 討論

試驗對5 種不同混合比例土壤持水能力的研究結(jié)果表明，添加膨潤土后的土壤持水能力均大于對照組，土壤飽和持水量、毛管持水量和殘余水量均隨著膨潤土比例的增加逐漸增加。并且膨潤土的添加使得土壤容重降低，土壤總孔隙度增加，大孔隙減少，毛管孔隙增加，容納毛管水更多，因此使得沙質(zhì)土壤變得更有利于植被生長發(fā)育。

土壤容重和孔隙度是土壤物理特性的2 項重要指標，反映土壤的通氣透水情況，可以一定程度的反映土壤持水能力的大小［16，17］。容重是反映土壤緊實度的一個重要指標，也是衡量土壤質(zhì)量的一個重要參數(shù)，反映土壤通氣性、透水性等性狀［18，19］。土壤容重是多因素影響的土壤物理參數(shù)，如植被根系、土壤水分狀況和土壤通氣狀況等。土壤容重與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機肥含量以及各種自然因素和人工管理措施等密切相關(guān)［20］。研究表明土壤容重越大，土壤越緊實，土壤團粒結(jié)構(gòu)越少，且透水、通氣性差，涵養(yǎng)水源功能也隨之降低，容重小則相反［21］?？紫抖确从惩寥揽紫稜顩r和松緊程度，具有通氣、透水和保水的作用，也可以儲存有機物。土壤孔隙按其直徑的大小可以分為毛管孔隙和非毛管孔隙。毛管孔隙具有毛細作用，而且孔隙中的水分傳導(dǎo)率大，易于被植物吸收利用。因此毛管孔隙度是表征植被吸收水分并維持自身生長發(fā)育的一個關(guān)鍵性指標。研究發(fā)現(xiàn)，隨著膨潤土比例的增加，土壤容重呈線性關(guān)系逐漸減小，如圖6 所示；與容重相反，土壤總孔隙度隨著膨潤土比例的增加呈線性增加；毛管孔隙度也隨著膨潤土比例的增加而逐漸增加。這可能是由于膨潤土的粒徑小，遠小于沙土的粒徑，使得其能夠填充到沙土的大孔隙中，使得大孔隙減少，細小孔隙增多，毛管孔隙增多，土壤毛管水增多。非毛管孔隙比較大，不具有毛細作用，其孔隙中的水分可在重力的作用下排出。非毛管孔隙度一方面反映土壤通氣狀況，另一方面在下雨時，通氣發(fā)達的土壤可以快速吸收雨水，使之不造成地表徑流。因此非毛管孔隙度的大小反映了土壤的通氣性、透水性和涵養(yǎng)水源的能力的大小。前人研究發(fā)現(xiàn)非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，越有利于土壤滲透和水分下滲，但不利于土壤中水分的保持［22］。研究發(fā)現(xiàn)隨著膨潤土比例的增加，土壤非毛管孔隙逐漸減少。說明隨著膨潤土比例的增加，土壤的通透性變?nèi)?，不利于土壤的滲透和下滲。土壤持水性作為土壤生態(tài)功能的重要指標，反映了土壤蓄集和保持水分的能力，其大小主要取決于土壤厚度、土壤孔隙度狀況等［23］。由圖1可知，添加膨潤土的土壤其飽和持水量和土壤的吸水時間較對照組均有較大的提高，且隨著膨潤土比例的增加而逐漸增大。由圖4 可知，添加膨潤土的土壤其毛管持水量和殘余水量較對照組均有較大的提高，且隨著膨潤土比例的增加而逐漸增大。其主要是由于添加膨潤土使得土壤的總孔隙度增加，特別是毛管孔隙度的增加，使得土壤持水能力得到大幅提高，同時小粒徑的膨潤土填充到沙土的大孔隙中，使得土壤中的細小孔隙增加，導(dǎo)致土壤的吸水過程變得緩慢，使其能夠在更長的時間內(nèi)吸收更多的水分。同時膨潤土的添加也能使得土壤表面松散的沙粒膠結(jié)在一起，使得土壤表面變得致密堅硬，對土壤內(nèi)部水分的蒸發(fā)在一定程度上也具有抑制作用，從而使得土壤的持水能力得到大大提高。土壤的持水能力越強說明土壤能夠容納更多的降水，更能充分地發(fā)揮土壤保持水分的功能。

圖6 不同混合比例土壤的物理性質(zhì)Fig.6 Physical properties of soils with different mixing ratios

此方法中用到的膨潤土原料分布廣泛，價格低廉，保水能力好，并且此方法操作簡便易于實行，能夠明顯提高沙質(zhì)土壤持水能力。不過，在試驗中用到的沙土粒徑單一，此方法所確定的最優(yōu)比例僅適用于礦區(qū)沙質(zhì)土壤持水能力的改善，對于其他類型的土壤，其膨潤土施用量的多少，還需重新確定。

另外，雖然土壤容重和孔隙度是描述土壤物理性質(zhì)的重要指標［24，25］，可以一定程度的反映土壤持水能力的大小，但是土壤持水能力還與土壤結(jié)構(gòu)、鹽分、黏粒含量等［26，27］有關(guān)，這些參數(shù)的影響在此次試驗中沒有充分考慮。尤其是土壤鹽分。因為，我國西北干旱、半干旱區(qū)的大部分土壤均為鹽堿土，土壤中含有大量鹽分，例如NaCl、Na2SO4、Na2CO3等［28-30］，均會影響土壤持水能力。在以后的研究中，可以考慮鹽分的影響。

4 結(jié)論

本文進行了膨潤土與沙土混合土壤的吸水與蒸發(fā)試驗，通過對混合土壤容重、土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤累積蒸發(fā)量和日蒸發(fā)量的分析，來研究膨潤土含量對沙土持水能力的影響。得出以下結(jié)論：

（1）隨著膨潤土比例的增加，土壤容重和非毛管孔隙度逐漸減小，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸增加，有利于土壤儲存更多的毛管水，供植物吸收利用。

（2）添加膨潤土的土壤其飽和持水量較對照組均有較大的提高，同時也延長了土壤的吸水時間。隨著膨潤土比例的增加，土壤飽和持水量和土壤的吸水時間表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。膨潤土的添加使得土壤的吸水過程變得緩慢。

（3）膨潤土的添加，土壤的累積蒸發(fā)量和日蒸發(fā)量均在一定程度上得到了抑制，同時也大大延長了土壤的蒸發(fā)時間。隨著膨潤土比例的增加，對土壤中水分的蒸發(fā)抑制程度也在逐漸增強。膨潤土的添加也能使得土壤表面松散的沙粒膠結(jié)在一起，使得土壤表面變得致密堅硬，對土壤內(nèi)部水分的蒸發(fā)在一定程度上也具有抑制作用。因此，向土壤中添加膨潤土，能夠極大的抑制土壤中水分的蒸發(fā)，使得土壤的釋水過程變得緩慢，有利于土壤在更長的時間內(nèi)保持更多的水分。

（4）隨著土壤中膨潤土比例的增加，土壤累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)天數(shù)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，土壤日蒸發(fā)量與蒸發(fā)天數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系。隨著膨潤土比例的增加，土壤的殘余水量逐漸增加。因此，膨潤土的添加，使得土壤的持水能力得到極大提高。