天然沸石對土壤水分運動特性及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

吳軍虎，劉 俠，邵凡凡，李玉晨，王澤祥

（西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048）

0 引 言

【研究意義】沸石是一種硅鋁酸鹽礦物質(zhì)[1]，空間上由1個鋁原子或者硅原子與4個氧原子構(gòu)成四面體[2]，具有較高的比表面積、表面電荷密度和較強(qiáng)的吸附性、離子交換能力[3-4]，已有部分學(xué)者將沸石用于改良土壤，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性密切相關(guān)，能顯著影響水分下滲、徑流[5]，土壤水分入滲的快慢會影響水資源利用效率[6]，因此，研究沸石對土壤水分入滲及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】魏樣等[7]將沸石用于山地新增耕地，發(fā)現(xiàn)施用沸石可顯著提高土壤水分。劉陸涵等[8]研究發(fā)現(xiàn)，沸石處理能減少水分出流量，具有明顯的保持水分效果。魏江生等[9]將沸石用于透水性強(qiáng)的沙質(zhì)土壤，可增大土壤的有效水量和有效雨量。Eroglu等[10]研究發(fā)現(xiàn)單獨使用或與其他肥料混合使用，沸石都可以提高作物的產(chǎn)量和氮吸收，此外，沸石對P、K等主要土壤養(yǎng)分有同樣的效應(yīng)，這與其陽離子交換量有關(guān)[11]；王浩等[12]發(fā)現(xiàn)沸石對輕、中度鎘污染土壤和含交換態(tài)鉛、水溶性鉛的土壤具有改良作用；沸石對土壤中菌類繁殖有一定的抑制作用，如 Zhang等[13]發(fā)現(xiàn)，加入沸石后，可以減少1.5%的ARGs（雄激素調(diào)節(jié)基因）復(fù)制。邱素芬等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在好氧條件下，500 ℃時沸石強(qiáng)化熱處理對重金屬銅、鋅的固定效果明顯提高；Coltorti等[15]發(fā)現(xiàn)沸石能夠減少養(yǎng)分的流失，提高作物用水效率；Shah等[16]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)沸石的存在能夠促進(jìn)養(yǎng)分緩慢向土壤溶液中釋放，有效抑制土壤養(yǎng)分的淋溶流失，以供植物吸收。戴顯慶等[17]和馬媛媛等[18]研究均表明，沸石施加量為 15%時，≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體量增加?！緞?chuàng)新點】現(xiàn)有關(guān)于沸石改良土壤的相關(guān)研究多為改良重金屬污染土壤和土壤養(yǎng)分有效性二方面，對土壤團(tuán)聚體和水分運動影響方面研究較少，關(guān)于沸石對黑壚土水分運動及團(tuán)聚體分布的作用尚不清楚?！緮M解決關(guān)鍵問題】本文首次將沸石混入黑壚土中，通過試驗研究土壤水分運動過程和水穩(wěn)性團(tuán)聚體狀況，以期明確沸石對黑壚土的水分運動特性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響，為黃土地區(qū)解決水土流失問題提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣于2018年7月取自陜西省長武縣王東村（35°12′N，107°40′E，海拔 1 211 m）閑置農(nóng)田 0～20 cm的耕作層，取土前，用環(huán)刀法[19]測得土壤體積質(zhì)量為1.31 g/cm3，試驗前先將土樣自然風(fēng)干，去除根系，隨后過2 mm篩備用。烘干法測得土壤含水率0.4%、飽和含水率為35%，利用英國馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的Mastersizer 2 000激光粒度分析儀分析其機(jī)械組成，黏粒量為8.56%，粉粒量為81.31%，砂粒量為 10.13%，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為粉砂質(zhì)壤土。

沸石采用鄭州恒諾濾材公司生產(chǎn)的未改性天然沸石，粒徑大小為80～100目（0.15～0.18 mm），外觀為灰白色，孔隙率≥50%，具有高的陽離子交換、吸收、催化、脫水和養(yǎng)分保留能力[10]，在農(nóng)業(yè)或飼料添加劑中使用中比較安全。

1.2 試驗方法

1.2.1 室內(nèi)入滲試驗

已有研究表明，沸石量為20%時土壤持水能力最強(qiáng)。綜合考慮，主要研究 0、5%、10%、15%、20%共5種沸石添加量對入滲及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響，各處理設(shè)2組重復(fù)。

試驗于2018年8月在西安理工大學(xué)土壤物理實驗室進(jìn)行，入滲前，將沸石分別按照0%、5%、10%、15%、20%的質(zhì)量比與土樣均勻混合，記為 T0（對照組）、T1、T2、T3、T4處理，以5 cm的裝土高度、1.31 g/cm3的體積質(zhì)量，分8次裝入高50 cm、直徑5 cm的圓柱形有機(jī)玻璃土柱中，各層間刮毛，為防止土柱底部發(fā)生土粒損失，裝土前在土柱底部平鋪1層濾紙。裝土完成后，在土壤表面加鋪1層濾紙，以保證土面在入滲過程中不被沖刷至破壞，均勻入滲。供水裝置采用高50 cm、直徑5 cm的馬氏瓶，水頭控制為4 cm，入滲開始后，按設(shè)定時間記錄馬氏瓶內(nèi)水面高度與土柱濕潤鋒的高度，考慮土柱高度，試驗進(jìn)行300 min。

1.2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析試驗

供試土樣的水穩(wěn)性團(tuán)聚體試驗利用荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的Wet Sieving Apparatus（濕篩分裝置）測定，試驗前，取部分入滲后的土樣烘干，并將裝置配的16個鋼罐稱質(zhì)量并編號，篩罐按孔徑由大到小的順序安裝在濕篩分試驗裝置上，1～8號鋼罐裝入3/4的純水，9～16號鋼罐裝入六偏磷酸鈉溶液，依次將1～8號鋼罐放在篩罐下方，下調(diào)篩罐位置，稱4.0 g烘干后的土樣加入各篩罐中，開啟濕篩分裝置振蕩3 min后，取下1～8號鋼罐，依次放上9～16號鋼罐，振蕩8 min，試驗結(jié)束后將1～16號篩罐放入烘箱，在105 ℃下烘干8 h，記錄烘干后鋼罐的質(zhì)量，本試驗測定的粒徑級別分別是 2、1、0.5、0.25、0.125、0.063、0.053、0.045 mm。

1.3 分析方法

1.3.1 入滲模型

常見的入滲公式有Horton公式、Kostiakov公式、Philip公式，后2種形式簡單，便于擬合和參數(shù)確定，本文主要采用后2種公式對參數(shù)擬合。

1）Kostiakov模型

式中：f（t）為入滲率（cm/min）；a、b為常數(shù)；t為時間（min）；a表示入滲開始后第1個單位時段末的累計入滲量；b反映土壤的入滲能力的衰減速度。

2）Philip模型

式中：i為入滲率（cm/min）；S為吸滲率（cm/min）；A為穩(wěn)定入滲率（cm/min）；t為入滲時間（min）。在入滲初期，S起主要作用，隨著入滲時間的增長，A逐漸成為影響入滲的主要因素。

1.3.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析

分別用水穩(wěn)性團(tuán)聚體量[20]、大于0.25 mm的團(tuán)聚體的量、分形維數(shù)分析土壤的水穩(wěn)性。

1）水穩(wěn)性團(tuán)聚體量

水穩(wěn)性團(tuán)聚體量（%）=水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量（g）/土壤樣品總質(zhì)量（g）×100%

2）大于0.25 mm（R0.25）和平均質(zhì)量直徑（MWD）

式中：MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量：為i與i+1粒級間團(tuán)聚體的粒徑平均直徑；wi為i粒級團(tuán)聚體所占質(zhì)量比。

3）分形維數(shù)（D）

土壤是由不同大小、形狀的顆粒、孔隙組成的具有分形特征的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，常用能反映形體占有空間的有效性的分形維數(shù)來描述這一特征[21-22]，分形維數(shù)也被用來表征土壤團(tuán)聚體量、土壤的通透性和抗蝕性，采用楊培嶺等[23]推導(dǎo)的公式計算:

對式（5）2邊同時取對數(shù)得：

2 結(jié)果與分析

2.1 沸石施加量對入滲特性影響

2.1.1 沸石施加量對累計入滲量、入滲率的影響

不同沸石添加比例下的累計入滲量、入滲率實測曲線如圖1所示（圖中不同字母表示，不同處理間差異顯著（P<0.05））。由圖1可知，整個入滲過程中，在 0～20%的添加范圍內(nèi)，不斷增大沸石比例，相同時間內(nèi)累計入滲量、入滲率均逐漸減小，150 min時，T0處理累計入滲量達(dá)到14.5 cm，T4處理僅有8.9 cm，累計入滲量減小了38.6%。初滲期，表面土壤含水率小，水勢梯度大，入滲率較大，此時，沸石對入滲的影響不明顯（P＞0.05），100 min后，入滲率明顯減小，累計入滲量與時間接近線性相關(guān)，這是由于入滲時間較長，入滲路徑增長，入滲面與濕潤鋒之間的水勢梯度減小，此時入滲主要受重力勢影響，已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)定入滲狀態(tài)，累計入滲量與時間線性相關(guān)[24]。沸石施加量小于10%，各處理間累計入滲量、入滲率差異較大，沸石與土壤質(zhì)量比高于10%后，各處理組間累計入滲量、入滲率的差異減弱，土壤中加入沸石，土壤密度增大，總孔隙度減小，當(dāng)沸石添加量大于10%，密度、孔隙減小速度變緩[18]，這與累計入滲量、入滲率的組間變化趨勢一致。入滲結(jié)束時，5%、10%、15%、20%處理組的累計入滲量分別比 T0處理減少了13.24%、32.42%、36.52%、39.27%，各處理組間差異顯著，沸石可增加粉砂質(zhì)壤土中小于10 μm和50～250 μm的微團(tuán)聚體量，填充土壤中的部分孔隙[25]，此外，添加沸石可增大土壤的毛管持水率和飽和含水率[26]，影響水分下滲進(jìn)程，綜上所述，沸石可減緩?fù)寥浪值目傮w入滲過程。

圖1 不同處理累計入滲量Fig.1 Cumulative infiltration of different treatments

2.1.2 沸石施加量對濕潤鋒遷移特性的影響

濕潤鋒可反映下滲水流的垂向運動特征[27]。由圖2可發(fā)現(xiàn)，不同處理入滲開始前5 min，濕潤鋒推進(jìn)距離相差不大，隨著入滲的進(jìn)行，不同處理下的濕潤鋒推進(jìn)距離差異逐漸增大。T4處理濕潤鋒運移距離變化幅度最大，對比各處理發(fā)現(xiàn)，由T1到T2處理間濕潤鋒運移距離變化最大。根據(jù)已有研究，混入沸石可增加土壤密度[18]，濕潤鋒運移阻力，另一方面，沸石本身是多孔結(jié)構(gòu)，對水有很大的親和力[28]，進(jìn)入土壤中的水分一部分被土壤中的沸石吸收，一部分向下運移，沸石添加量直接影響下滲的水量，減緩濕潤鋒的推進(jìn)。

圖2 不同處理濕潤鋒的變化Fig.2 Wet front migration of different treatments

對濕潤鋒Z和入滲時間t進(jìn)行擬合，符合指數(shù)函數(shù)Z=atb，a為第1個計時單位后的濕潤鋒的推進(jìn)距離；b為濕潤鋒進(jìn)程的衰減程度。由表1可知，擬合R2均大于0.99，且不同處理下差異極顯著，隨著沸石添加量的增加，系數(shù)a逐漸減小，系數(shù)b逐漸增加。

表1 濕潤鋒與時間的擬合參數(shù)Table1 Fitting parameters of wetting front and time

2.1.3 沸石施加量對入滲模型參數(shù)的影響

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行Kostiakov模型和Philip模型擬合，結(jié)果見表2。由表2可知，各處理擬合結(jié)果決定系數(shù)均在0.99以上，擬合效果較好，在Kostiakov模型中，假設(shè)初始入滲率無窮大，時間無限大時的入滲率趨近0，與土柱入滲的情況不符[29]，模型中的參數(shù)也沒有明確的物理意義[30]，Philip模型中的吸滲率S指依靠毛管力吸收或釋放液體的能力，反映了土壤的入滲能力[31]，參數(shù)A反映穩(wěn)定入滲率。土壤中沸石添加量會影響吸滲率S的大小，增大沸石添加量，吸滲率S由0.980 4減小到0.621 5。加入沸石使土壤中的毛管孔隙減小[18]，土壤水分遷移能力減弱。在Kostiakov模型中，a與前2 min的入滲速度有關(guān)，b與土壤入滲能力的衰減速度有關(guān)，各處理隨著沸石量的增加，參數(shù)a逐漸減小，與前2 min實測入滲速度結(jié)果一致。

表2 入滲參數(shù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of infiltration parameters

2.2 沸石施加量對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

水穩(wěn)性團(tuán)聚體指由性質(zhì)穩(wěn)定的膠體膠結(jié)團(tuán)聚而形成的具有抵抗水破壞能力的，在水中浸泡、沖洗而不易崩解的≥0.25 mm的土壤團(tuán)粒[32]。土壤團(tuán)聚體在很大程度上影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有利于改善土壤透氣保水能力。

2.2.1 沸石對各級水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體量的影響

不同處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體量分析見表3。從表3可以看出，添加沸石對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響較為明顯，與T0處理相比，T1、T2、T3處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體量不同程度的增加，T4處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體量明顯降低，T1處理主要作用于0.5～2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，其中0.5～1 mm粒級間的水穩(wěn)性團(tuán)聚體量增加最為明顯；T2處理對0.25～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量影響較大，其中0.25～0.5 mm由2.35%增加至10.73%，T3處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量相比T2處理，減小了5.12%，但與T0處理相比有所增加，T4處理0.25～2 mm間各級土壤團(tuán)聚體都不同程度地減小，與T0處理相比，1～2 mm的團(tuán)聚體量減小了1.56%，≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量減小了4.75%，總體上，T1、T2、T3處理組促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，其中T2處理效果最佳，T4處理不利于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，甚至分散水穩(wěn)性團(tuán)聚體，破壞土壤結(jié)構(gòu)。土壤中的孔隙狀況決定土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移形式和速率[33]，沸石中的陽離子遇水易與其他離子進(jìn)行交換，促使土粒絮凝形成團(tuán)聚體的同時，也減小了土壤中的毛管孔隙總數(shù)[34]，降低土壤水分的遷移能力，影響土壤水分入滲特性。

表3 不同處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體量Table 3 Water stable agglomerates of different treatments %

2.2.2 沸石對R0.25、平均質(zhì)量直徑（MWD）的影響

大于0.25 mm的團(tuán)聚體對土壤肥力有重要影響，沸石對水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的與其添加量有關(guān)，并不是單一的相關(guān)性，在T0、T1、T2處理呈正相關(guān)，T3、T4處理組呈負(fù)相關(guān)，T1、T2處理≥0.25 mm團(tuán)聚體的量比T0處理分別增加了2.83%、7.59%，T3處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量相比T0處理增加了2.47%，但與T2處理相比，降低了5.12%，T4處理組≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量相比T0處理明顯減少，分散了水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體，根據(jù)現(xiàn)有試驗，綜合考慮試驗效果和經(jīng)濟(jì)成本，沸石添加量選用10%左右較為合適，MWD的變化趨勢與R0.25相似，MWD反映了土壤團(tuán)聚體大小分布狀況，MWD越大，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越強(qiáng)，反之越小[35]。

表4 不同處理MWD和R0.25Table 4 MWD and R0.25 of different treatments

2.2.3 沸石對分形特征的影響

分形維數(shù)反映了土壤幾何形體[36]。T1、T2、T3處理分形維數(shù)分別為2.69、2.63、2.58，說明經(jīng)此3種處理后，土壤的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量增大，T4處理分形維數(shù)增大至2.72。在沸石摻配量較小時，沸石顆粒對土壤顆粒的黏結(jié)作用更加明顯。分形維數(shù)的大小與各級團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的多少密切相關(guān)，當(dāng)土壤≥0.25 mm團(tuán)聚體量增大時，分形維數(shù)減小，反之，分形維數(shù)增大。

3 討 論

3.1 沸石添加量對土壤水分入滲的影響

入滲過程受土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量、團(tuán)聚體等多種因素的影響[6]，添加沸石后，土壤累積入滲量、入滲率均減小，沸石能有效減緩?fù)寥浪诌\動過程，與T0處理相比，入滲率、累計入滲量、濕潤鋒等均減小。沸石是一種能夠貯藏水分的疏松多孔結(jié)構(gòu)[34]，并且能在外界條件改變時自由排出水分，達(dá)到蓄水保墑的目的，早前研究已經(jīng)證明[37]，沸石的施加改變土壤孔隙狀況[27]，增大土壤體積質(zhì)量[18]，也會減緩?fù)寥浪窒聺B過程。

3.2 沸石添加量對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

沸石對水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響與施加量有關(guān)，當(dāng)沸石含量為 0%、5%、10%、15%時，粒徑≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體量增加，在10%時達(dá)到最大（13.73），與姜淳等[37]研究結(jié)果一致，沸石的強(qiáng)離子交換能力、大比表面積都能促進(jìn)土粒絮凝形成團(tuán)聚體。繼續(xù)增大沸石添加量至20%，粒徑≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量僅有6.01%，戴顯慶等[17]、馬媛媛等[18]也得出類似的結(jié)論。小體積的團(tuán)聚體量也大量增加，這些微小團(tuán)聚體在水分運移和重力的雙重作用下填充土壤空隙[38]，影響土壤中的水分運動。

4 結(jié) 論

1）向黑壚土施入沸石，可減小土壤的累計入滲量和入滲率，沸石添加量越大，阻滲效果越明顯，沸石量大于10%時，入滲率、累計入滲量相比10%，變化甚微。

2）加入一定量的沸石后，沸石的大比表面積和強(qiáng)靜電場，有利于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，當(dāng)沸石添加量由0增加到10%時，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體由10.76%增加到18.35%，但是繼續(xù)增加沸石添加量至15%，水穩(wěn)性團(tuán)聚體減小至13.2%，當(dāng)沸石添加量到20%時，水穩(wěn)性團(tuán)聚體僅有6.01%，過量的沸石分散土壤中原有的水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，破環(huán)土壤的結(jié)構(gòu)。

3）應(yīng)用沸石改良土壤時，沸石添加量不大于10%較為適宜，對粉砂質(zhì)壤土入滲影響明顯，又不致破壞土壤團(tuán)聚體。