天然沸石對(duì)黑土團(tuán)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)

天然沸石對(duì)黑土團(tuán)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(tuán)聚體含量；水穩(wěn)性團(tuán)聚體

[摘要]通過天然沸石改良黑土試驗(yàn)，采用干篩法、濕篩法分別測(cè)定土壤中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，分析了不同摻配量天然沸石對(duì)土壤平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)、>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)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(shí)的MWD和GMD，提高>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量；在天然沸石摻配量為15%時(shí)對(duì)提高土壤中>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體為主；改良后土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度提升，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(guó)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(wàn)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(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，土壤物理特性受團(tuán)聚體各粒級(jí)分布變化影響。降雨侵蝕過程中，雨滴擊濺和徑流搬運(yùn)會(huì)使土壤團(tuán)聚體發(fā)生遷移，而土壤團(tuán)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(tuán)聚體和大團(tuán)聚體逐漸減少，微團(tuán)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(guó)內(nèi)外學(xué)者研究土壤抗侵蝕性時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體特別是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征對(duì)土壤侵蝕影響很大，土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力的指標(biāo)[14]。

天然沸石價(jià)格低廉、來源廣泛且無毒無害，具有較強(qiáng)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(tuán)聚體含量。Li Hua等[16]的研究表明，添加沸石能夠提高對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成起著重要作用的>0.25 mm的團(tuán)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(duì)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(cè)定天然沸石改良黑土的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量及水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，分析MWD、GMD、團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)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(diǎn)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(zhǎng)，多為150～300 m，平均坡度3°，匯水面積大，徑流沖刷能力強(qiáng)，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(gòu)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(gè)主次成分量測(cè)定》，采用飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀測(cè)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(yàn)地耕地，為碳酸鹽黑鈣土。取樣深度15～30 cm，每隔50 m選一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。在土樣風(fēng)干時(shí)，對(duì)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(tuán)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(yàn)方法

機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體測(cè)定采用干篩法(篩孔直徑5、2、1、0.5、0.25 mm)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定采用濕篩法非真空慢速濕潤(rùn)[20-21]。濕篩法是測(cè)定團(tuán)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(tuán)聚體破碎機(jī)制，多用于衡量土壤全樣團(tuán)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(tuán)聚體分析儀。

對(duì)照組(CK)：非真空慢速濕潤(rùn)，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(jì)20 mL，使土樣緩慢全部潤(rùn)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(gè)過程要小心勿使三角瓶進(jìn)入空氣，以免破壞團(tuán)聚體。開動(dòng)馬達(dá)，進(jìn)行篩分，篩組上下行程40 mm，篩分時(shí)間30 min(機(jī)器定時(shí))，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(jí)團(tuán)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(yàn)的均值。

試驗(yàn)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(shí)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(yàn)步驟同CK。

1.4團(tuán)聚體指標(biāo)計(jì)算

(1)平均質(zhì)量直徑(MWD)的計(jì)算。公式為

MWD=∑XiWi

(1)

式中：Xi為某一粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm；Wi為某一粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量。

(2)幾何平均直徑(GMD)的計(jì)算。公式為

(2)

式中：lnXi為土壤某一粒級(jí)平均直徑的自然對(duì)數(shù)。

(3)團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)的計(jì)算。公式為

(3)

式中：DA0.25為>0.25 mm干篩團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量；WA0.25為>0.25 mm濕篩團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1沸石摻配量對(duì)黑土機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的影響

由表3可知：與CK對(duì)比，經(jīng)過改良，干篩時(shí)A～F組試驗(yàn)中>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量分別增加4.31、5.28、10.05、9.32、9.22、6.26百分點(diǎn)(P<0.05)，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但各試驗(yàn)組均比CK有所增加。天然沸石摻配量為15%時(shí)，>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量增加最多，<0.25 mm微團(tuán)聚體含量最少；再增加摻配量，>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量反而比摻配量15%時(shí)降低，<0.25 mm微團(tuán)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(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量變化幅度較大，而>5和0.5～0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)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(shí)，2～1 mm粒級(jí)團(tuán)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(qiáng)的靜電場(chǎng)，能夠把膠體黏土顆粒吸附到它的周圍，利于土壤團(tuán)聚體的形成。土壤中>0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量越多，土壤的結(jié)構(gòu)性能越好。通過試驗(yàn)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，從而改良土壤中團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)[24]。綜上所述，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)未經(jīng)過沸石長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)改良的土樣，沸石摻配量為15%時(shí)改良效果最好。

干篩結(jié)果顯示在天然

2.2沸石摻配量對(duì)黑土水穩(wěn)性團(tuán)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(yàn)組土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WSA0.25)呈不規(guī)律變化，在15%摻配量時(shí)WSA0.25最小。A～F試驗(yàn)組土壤中>5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均有不同程度增加，變化幅度在0.36～2.49百分點(diǎn)之間，5～2和2～1 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈不規(guī)律變化。A～F試驗(yàn)組土壤中1～0.5和0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)比CK均有所降低。

根據(jù)土壤團(tuán)聚體形成理論，土壤團(tuán)聚體是以一質(zhì)點(diǎn)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(tuán)粒形成基礎(chǔ)的質(zhì)點(diǎn)核，能夠促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[23]。另外，沸石具有較強(qiáng)的吸附性和離子交換性能[15-16]，沸石中的陽(yáng)離子能夠促進(jìn)土粒團(tuán)聚，增加團(tuán)聚體的形成[23]。而1～0.5和0.5～0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的減少正是因?yàn)槠湓诜惺淖饔孟滦纬闪烁€(wěn)定的大粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。另外，試驗(yàn)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(tuán)聚體表面，濕篩時(shí)在水流的作用下與土壤更好地凝聚在一起阻礙了原有團(tuán)聚體的破壞，這也是大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加的原因之一。雖然水穩(wěn)性團(tuán)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(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3沸石摻配量對(duì)黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

通過公式(1)～(3)計(jì)算得到表4。由表4可知，與CK相比，A～F組機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(shì)，在15%摻配量時(shí)MWD最大；水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD分別增大5.65%、6.40%、10.92%、13.94%、18.02%、24.91%。MWD是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的最重要指標(biāo)，MWD值越大，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)[24]。在評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力時(shí)，使用濕篩水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD作為評(píng)價(jià)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(tuán)聚體MWD隨著摻配量的增加而增加，在15%摻配量時(shí)雖然WSA0.25最小，但MWD對(duì)比CK增大了。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[14]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入天然沸石改良能夠增大濕篩時(shí)土壤MWD和GMD值，說明用天然沸石改良黑土能夠提高黑土團(tuán)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(tuán)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(shì)變化，A～F組破壞率對(duì)比CK均有增加。破壞率增大是因?yàn)樾滦纬傻膱F(tuán)聚體不穩(wěn)定，沸石與團(tuán)聚體“反應(yīng)”條件和時(shí)間不足，濕篩時(shí)在水的作用下團(tuán)聚體被破壞。研究表明，在未經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)的土壤改良試驗(yàn)中，僅憑破壞率這一個(gè)指標(biāo)不能反映改良土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，在室內(nèi)進(jìn)行土壤改良試驗(yàn)時(shí)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(P<0.05)。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)未經(jīng)過沸石長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)改良的土樣，天然沸石摻配量為15%時(shí)對(duì)提高土壤中>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)在黑土中摻配5%～30%的天然沸石改良時(shí)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD增加5.65%～24.91%，GMD增加5.07%～25.38%，土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度提升，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗侵蝕能力增強(qiáng)。

(3)在進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)時(shí)，僅通過短時(shí)間攪拌模擬土壤改良過程中的翻耕，不能夠使土壤中的團(tuán)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(tuán)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(xiàng)目]北京林業(yè)大學(xué)青年教師科學(xué)研究中長(zhǎng)期項(xiàng)目(2015ZCQ-SB-01)

[中圖分類號(hào)]S156.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0038-04

[作者簡(jiǎn)介]戴顯慶(1989—)，男，黑龍江依安縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥佬迯?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(jī)制研究。

[收稿日期]2016-01-27