新型土壤改良劑Ar kadolith對(duì)沙質(zhì)土壤主要物理性質(zhì)的影響

張賓賓，郭建斌，蔣坤云，賈子利，程中秋，李志洪

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

土壤作為植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的基質(zhì)，要源源不斷地供給植物正常生長(zhǎng)過程所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水分和空氣，因此，協(xié)調(diào)這些物質(zhì)的供應(yīng)對(duì)于植物的良好生長(zhǎng)具有重要的意義。而土壤的各種物理特性正是發(fā)揮這種調(diào)節(jié)功能的前提和基礎(chǔ)，因?yàn)樗粌H決定著土壤中水、氣、熱和生物狀況，而且也影響著土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素的有效性和供給能力［1］。風(fēng)沙土土質(zhì)疏松，土壤部分或幾乎全由細(xì)砂顆粒組成，且沙層深厚，顆粒均一，細(xì)沙含量（0．25～0．05 mm）多在90%以上，黏粒含量（＜0．001 mm）很低，一般都在2%以下，土壤透水性、透氣性高，沙土的這些特點(diǎn)嚴(yán)重影響了植物的生長(zhǎng)，地表缺乏植被覆蓋，因而也加劇了沙粒的移動(dòng)，從而使有機(jī)質(zhì)隨土壤表層細(xì)土物質(zhì)被大量吹失，導(dǎo)致土壤的惡性循環(huán)。本文通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，探究土壤改良劑Ar kadolit h改良沙土的物理特性及土壤水分性狀變化的效應(yīng)，為利用土壤改良劑Ar kadolit h改良內(nèi)蒙古沙區(qū)沙質(zhì)土壤提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 供試材料

1．1．1 供試土樣 土樣采自于內(nèi)蒙古林科院達(dá)拉特旗沙漠綜合科學(xué)研究站的風(fēng)沙土。該站地處庫布齊沙漠東緣。該區(qū)位于黃河以南的二級(jí)階地上，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量一般為240～360 mm，年平均蒸發(fā)量2 160 mm。極端最高氣溫40．2℃，極端最低氣溫－34．5℃，≥10℃年有效積溫為3 197．4℃，無霜期為130～140 d，8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)27 d，揚(yáng)沙日數(shù)58 d，多出現(xiàn)在3－5月，年平均風(fēng)速3．3 m／s，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)30 m／s。該土壤為典型的沙土，土壤顆粒中砂粒含量達(dá)到總量的94%，粉粒約為5%，而黏粒幾乎沒有。采樣方法：按梅花取樣法，在0－20 c m的土層分別取混合土樣、原狀土。

1．1．2 供試試劑 土壤改良劑Arkadolith作為一種天然礦物的混合物，由9種不同礦物組成，這些礦物在中國(guó)均有分布。該種混合物通過一定工藝可以去除富含營(yíng)養(yǎng)的生活污水和特定范圍內(nèi)的工業(yè)廢水中的陰離子（NO－3、PO3－4），同時(shí)將陰離子的養(yǎng)分吸附在礦物的表面，一方面達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，另一方面則形成富含養(yǎng)分的土壤改良劑。該種土壤改良劑可以根據(jù)植物對(duì)養(yǎng)分的需求釋放適量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，作用高效持久，同時(shí)可以改善土壤的水文特性，提高保水、持水能力，且不會(huì)造成二次污染。由于土壤改良劑Arkadolith是一種天然礦物組成的土壤改良劑，改良土壤的作用長(zhǎng)久、高效，同時(shí)天然礦物無污染，使用安全，應(yīng)用前景廣闊。該種改良劑的土壤化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 改良劑Ar kadolith的土壤化學(xué)性質(zhì)

1．2 試驗(yàn)處理與方法

試驗(yàn)于2010年4－10月于北京鷲峰森林公園人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)采用規(guī)格為30 c m（內(nèi)徑）×22 c m（高）的底部帶有出水孔的花盆進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：（1）CK：對(duì)照，不添加任何改良劑；（2）A1：改良劑的施用率為沙土質(zhì)量的4%；（3）A2：改良劑的施用率為沙土質(zhì)量的8%；（4）A3：改良劑的施用率為沙土質(zhì)量的12%；（5）A4：改良劑的施用率為沙土質(zhì)量的16%。每種處理設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)15盆。土樣配好后放在室內(nèi)培養(yǎng)，培養(yǎng)期間每隔15 d灌水一次，并使各處理達(dá)到水飽和狀態(tài)。這樣處理的目的是模擬自然條件下土壤的干濕交替作用，以使不同處理的土樣形成一定的“土壤結(jié)構(gòu)”。經(jīng)過6個(gè)月的處理后，每個(gè)花盆利用環(huán)刀分別取樣一次，保證每項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)3個(gè)重復(fù)。

土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用X－ray顆粒光柵掃描分析儀分析；水穩(wěn)性團(tuán)聚體利用濕篩法進(jìn)行測(cè)定；土壤水分特征曲線采用離心機(jī)法測(cè)定。

所獲得的數(shù)據(jù)用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 Ar kadolith的施用對(duì)土壤比重、容重及孔隙度的影響

通常土壤孔隙度及孔隙比是衡量土壤孔性的重要指標(biāo)，而兩者與土壤的比重和容重又有著密切的聯(lián)系。土壤比重的數(shù)值大小主要取決于土壤固相組成物質(zhì)的種類和相對(duì)含量，土壤容重受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性、松緊度影響較大［2］。由測(cè)定結(jié)果可以看出（表2），隨著改良劑施用量的增加，各處理土壤容重、比重相較于對(duì)照呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，其中土壤容重、比重的降低幅度分別為6．12%～18．37%和8．08%～17．51%。而孔隙度與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，容重愈小，則孔隙度愈大，與CK相比，孔隙度增加幅度為5．37%～27．17%，孔隙比與孔隙度變化規(guī)律相同。經(jīng)回歸分析，得出土壤容重與總孔隙度的回歸方程為

f0＝－0．413ρb＋1．013， R2＝0．953

式中：f0——土壤孔隙度（%）；ρb——土壤容重（g／c m3）。經(jīng)方差分析證明，施加土壤改良劑各處理容重、比重、孔隙度、孔隙比較對(duì)照達(dá)差異極顯著水平（P＜0．01）。

表2 不同處理對(duì)土壤容重、比重、及孔隙度的影響

2．2 Ar kadolith的施用對(duì)土壤機(jī)械組成的影響

沙土機(jī)械組成是其本身成土過程的必然結(jié)果，決定著沙土的持水與保肥能力。細(xì)顆粒能夠促進(jìn)水分的保持與養(yǎng)分的供給，為植物的生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。一般來說，沙地水分與營(yíng)養(yǎng)狀況取決于0．05 mm以下粒級(jí)，該粒級(jí)含量越多，土壤水分與養(yǎng)分含量就越高［3］。對(duì)本試驗(yàn)各處理土壤的機(jī)械組成進(jìn)行測(cè)定，得到土壤機(jī)械組成變化表（表3）。由表3可以發(fā)現(xiàn)，添加改良劑對(duì)粒級(jí)在1～0．05 mm之間的砂粒沒有明顯的影響，當(dāng)粒級(jí)＜0．05 mm時(shí)，4種處理土壤粒徑分布相比對(duì)照有了一定的區(qū)別，表現(xiàn)為小粒徑顆粒有所增加，但各添加改良劑處理粒徑分布大體一致。各改良劑處理與CK相比，粒級(jí)在0．01～0．005 mm 和0．005～0．001 mm之間的粉粒、＜0．01 mm 物理性黏粒都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，分別增加2．4～3．2倍、7．9～11．1倍和3．3～4．0倍。其中以上兩種粉粒以及物理性黏粒均以A1處理增加最大。而粒級(jí)在0．05～0．01 mm的粉粒與CK相比則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，降低幅度為12．5%～18．3%。其中以A3處理降低最多，A2處理降低最小。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，通過添加土壤改良劑Ar kadolith，使原來無黏粒的沙土出現(xiàn)了少量的黏粒并且物理性黏粒含量由原來的5．23%增加到17．3%～21．1%，使土壤質(zhì)地類型由沙土轉(zhuǎn)變?yōu)槿蕾|(zhì)沙土，土壤質(zhì)地的改良是有效改善土壤水分性狀的關(guān)鍵因素，改良劑的施用對(duì)沙土質(zhì)地改良明顯，從而能有效改變沙質(zhì)土壤不良的水分物理性狀。

表3 不同處理對(duì)土壤機(jī)械組成的影響 %

2．3 Ar kadolith的施用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

土壤結(jié)構(gòu)是土壤中各種不同大小、形態(tài)和性質(zhì)的土壤團(tuán)聚體的總和。良好的土壤結(jié)構(gòu)狀況是質(zhì)與量的結(jié)合，一方面要有較多的孔隙容量及適當(dāng)?shù)目讖椒峙?；另一方面要有一定的穩(wěn)定性，尤其是水穩(wěn)性，能使土壤保持良好的孔隙狀況［4］。表4為本試驗(yàn)各處理土壤不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成。由表4可以看出，隨著改良劑施用量的增加，各粒級(jí)團(tuán)聚體相較于對(duì)照均有明顯的增加，以＞5 mm和＞0．25 mm兩者為例，增加幅度分別為28．84%～66．67%和28．21%～63．49%，其中＞5 mm團(tuán)聚體總量以A3增加最大、＞0．25 mm團(tuán)聚體總量以A4增加最大。這主要是由于土壤改良劑Ar kadolit h含有多種礦物（如高嶺石、水鋁礦等），而這些礦物具有較大的比表面和較強(qiáng)的靜電場(chǎng)，施用后可以把細(xì)土和黏粒吸附到它的周圍，漸漸形成微團(tuán)聚體，使得水穩(wěn)性團(tuán)聚體較對(duì)照顯著增加，另外該改良劑還含有在工業(yè)廢水中吸附的大量養(yǎng)分，可明顯增加沙土中有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量，而有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)＞5 mm和＞0．25 mm團(tuán)聚體總量進(jìn)行方差分析表明，各處理較對(duì)照均達(dá)到差異極顯著水平（P＜0．01）。

2．4 Ar kadolith的施用對(duì)土壤水分特征的影響

土壤水分特征曲線反映了土壤持水的基本特性，用環(huán)刀取原狀土，用離心機(jī)法測(cè)定土壤水特征曲線。由圖1可以看出，對(duì)照及4種處理的土壤水分特征曲線逐漸向右移動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，即隨著改良劑施用量的增加，相同土壤吸力時(shí)土壤含水量逐漸增加，這表明土壤改良劑Ar kadolith的施用改變了沙土水分特征，提高了沙質(zhì)土壤水分的吸持能力。且這種趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著改良劑施用量的增加而增強(qiáng)。土壤有效水是易被植物根系吸收利用的水分。一般認(rèn)為，介于0．03 MPa和1．5 MPa土壤吸力中的土壤水是土壤有效水的數(shù)量［5］。通過添加改良劑Arkadolith提高土壤有效水的含量，4種處理較對(duì)照增加30．7%～75．5%，其變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著改良劑施用率的增加，土壤有效水含量也增多。但同時(shí)需要說明的是4種處理土壤水分特征曲線仍表現(xiàn)出在較小吸力下平緩，而較大吸力時(shí)陡直的典型的沙質(zhì)土壤水分特征，這主要是因?yàn)殡m然通過添加改良劑，使原沙土中粉粒和黏粒有一定程度的增加，但其質(zhì)地組成中砂粒還是占其主要部分，即質(zhì)地類型沒有本質(zhì)的變化。

表4 不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響 %

圖1 各處理土壤水分特征曲線（脫濕曲線）

將CK及施加改良劑各處理的土壤水分特征曲線采用Gar dner的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式H＝Aθ－B進(jìn)行擬合［6］，其中 H 為土壤吸力（MPa），θ為土壤含水率（%），A，B為系數(shù)。土壤比水容量Cθ是評(píng)價(jià)土壤水分有效性的重要指標(biāo)，是指單位土壤基質(zhì)勢(shì)變化所引起的含水率變化，即 Cθ＝dθ／dφp＝－dθ／d H［7］。因此，為進(jìn)行土壤比水容量的比較分析，將Gardner的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換得到以θ為因變量的關(guān)系式：

θ＝AH－B（1）

比水容量在數(shù)值上等于土壤水分特征曲線的斜率，故對(duì)式（1）求導(dǎo)得：

Cθ＝－dθ／d H＝ABH－（B＋1）（2）

表5 不同處理土壤水分特征曲線擬合方程及參數(shù)

表5顯示，Gar dner的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式較好地模擬了各種處理土壤水分特征曲線，擬合度均高于0．89。一般參數(shù)A表示土壤水分特征曲線的高低，即持水能力的大小，A值越大，持水能力越強(qiáng)。此外，式（2）比水容量公式中指數(shù)（B＋1）表示含水率隨吸力變化快慢程度，B＋1越大，土壤水分含量變化越快，即脫水曲線中土壤失水越快。由表5可以看出，相較于對(duì)照，由于改良劑的施加使A值增大明顯，而B＋1相對(duì)減小，據(jù)此可以得出，改良劑的施用增強(qiáng)了沙土持水能力和供水水平，且持水能力表現(xiàn)為隨著改良劑施用率增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

（1）施用土壤改良劑Ar kadolit h后，4種處理土壤的容重、比重與CK相比呈下降趨勢(shì)，且隨著施用量的增加而逐步減小，孔隙比與孔隙度變化規(guī)律相同。同時(shí)，Arkadolith的施用有效地降低了沙土的沙質(zhì)特點(diǎn)，改良了沙土的機(jī)械組成，表現(xiàn)在通過施加改良劑，粒級(jí)在0．01～0．005 mm和0．005～0．001 mm之間的粉粒、＜0．01 mm物理性黏粒都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而粒級(jí)在0．05～0．01 mm之間的粉粒與CK相比則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

（2）由于土壤改良劑Ar kadolit h具有較大的比表面和較強(qiáng)的靜電場(chǎng)，施用后可以把細(xì)土和黏粒吸附到它的周圍，漸漸形成微團(tuán)聚體。隨著改良劑施用量的增加，各粒級(jí)團(tuán)聚體相較于對(duì)照均有明顯的增加，各處理較對(duì)照均達(dá)到差異極顯著水平（P＜0．01）。

（3）利用Gar dner的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式H＝Aθ－B較好地?cái)M合了不同處理土壤水分特征曲線，得出Ar kadolith的施用增強(qiáng)了沙土持水能力和供水水平，且持水能力表現(xiàn)為隨著改良劑施用率增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)。

［1］ 王夏暉，王益權(quán)．黃土高原幾種主要土壤的物理性質(zhì)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（2）：99－103．

［2］ 魏自民，谷思玉，趙越，等．有機(jī)物料對(duì)風(fēng)沙土主要物理性質(zhì)的影響［J］．吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，28（3）：16－18．

［3］ 范圣庫，高占彪，何萬義，等．宣化縣黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地土壤物理性質(zhì)的研究［J］．河北林業(yè)科技，2010（1）：1－3．

［4］ Tisdall J M，Osdas J M．土壤中的有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體［J］．土壤學(xué)進(jìn)展，1985（2）：32－39．

［5］ 張航，徐明崗，張富倉，等．陜西農(nóng)業(yè)土壤持水性能及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系［J］．干旱地區(qū)研究，1994，12（2）：32－37．

［6］ 吳旭春．作物在不同位置秸稈覆蓋條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)田間試驗(yàn)研究［D］．烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007．

［7］ Daniel H．Environ mental Soil Physics［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1988：20－23．