天然沸石对黑土团聚体含量及稳定性的影响

戴显庆，冀晓东，杨茂林，彭绍好，马媛媛

(北京林业大学 北京市水土保持工程技术研究中心，北京 100083)

天然沸石对黑土团聚体含量及稳定性的影响

戴显庆，冀晓东，杨茂林，彭绍好，马媛媛

(北京林业大学 北京市水土保持工程技术研究中心，北京 100083)

[关键词]天然沸石；黑土；团聚体含量；水稳性团聚体

[摘要]通过天然沸石改良黑土试验，采用干筛法、湿筛法分别测定土壤中机械稳定性团聚体和水稳性团聚体含量，分析了不同掺配量天然沸石对土壤平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体破坏率(PAD0.25)、>0.25 mm机械稳定性团聚体含量和>0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA0.25)的影响，结果表明：在黑土中加入天然沸石能够提高黑土湿筛时的MWD和GMD，提高>0.25 mm机械稳定性团聚体含量；在天然沸石掺配量为15%时对提高土壤中>0.25 mm机械稳定性团聚体含量的效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒级团聚体为主；改良后土壤团聚体的团聚度提升，结构稳定性增强，说明用天然沸石改良黑土能够提高黑土抗侵蚀能力。

东北黑土区是全国商品粮生产的“稳压器”，多为波状起伏的漫岗地形。典型黑土带耕层黑土厚度达20 cm的面积仅占30.5%，达18 cm的占42.3%。第三次遥感调查数据显示，黑龙江省黑土区的水蚀面积为8.88万km2[1-2]。黑土区水蚀多发生在每年降雨集中且多以暴雨形式出现的6—8月份[3]。土壤团聚体是土壤结构的基本组成单位，土壤物理特性受团聚体各粒级分布变化影响。降雨侵蚀过程中，雨滴击溅和径流搬运会使土壤团聚体发生迁移，而土壤团聚体的稳定性反映了土壤抵抗侵蚀的能力[4-6]。随着土壤侵蚀的日益加剧，土壤中的水稳性团聚体和大团聚体逐渐减少，微团聚体增多，土壤结构性变差，这将影响土壤结构稳定性和抗侵蚀能力[7-8]。国内外学者研究土壤抗侵蚀性时发现，土壤团聚体特别是水稳性团聚体的特征对土壤侵蚀影响很大，土壤水稳性团聚体的数量和稳定性是决定土壤抗蚀性和抗冲性的重要因子，常常被作为评价土壤抗侵蚀能力的重要指标[5,9-13]。并且，土壤平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)也能够作为评价土壤抗侵蚀能力的指标[14]。

天然沸石价格低廉、来源广泛且无毒无害，具有较强的离子交换能力和吸附能力，作为环境友好型的土壤改良剂逐步引起了广泛重视[15]。添加沸石改良土壤，能够提高土壤中团聚体含量。Li Hua等[16]的研究表明，添加沸石能够提高对土壤团聚体的形成起着重要作用的>0.25 mm的团聚体含量。耿宝军等[17]研究发现，沸石处理后土壤抗冲性指数是对照处理的1.33倍，施用沸石能够提高土壤抗侵蚀能力。Moritani等[18]研究发现，在盐碱土中加入10%人造沸石能够提高土壤MWD和饱和导水率，盐碱土壤加入人造沸石的改进方式能够显著地降低土壤流失量。本研究通过测定天然沸石改良黑土的机械稳定性团聚体含量及水稳性团聚体含量，分析MWD、GMD、团聚体破坏率(PAD0.25)和>0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA0.25)的变化，旨在为有效应用天然沸石改良黑土、提高黑土抗侵蚀能力提供参考。

1研究材料与方法

1.1研究区概况

采样地点位于黑龙江省齐齐哈尔市依安县新兴镇(124°50′～125°42′E、47°16′～48°20′N)，属克拜波状平原和松嫩平原过渡地带，为典型的漫川漫岗地形，坡面较长，多为150～300 m，平均坡度3°，汇水面积大，径流冲刷能力强，属中轻度水蚀区。北靠乌裕尔河，海拔160～220 m。气候属寒温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温2.4 ℃，年平均降水量为476 mm，1982—2006年间无霜期年平均值134 d[19]。

1.2样品采集与材料选择

本研究采用的天然沸石购自河北灵寿县某沸石厂。根据GB/T 14506.28—2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第28部分：16个主次成分量测定》，采用飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪测定天然沸石成分，其成分见表1。

表1　天然沸石主要成分　%

供试土壤于2014年7月初采自试验地耕地，为碳酸盐黑钙土。取样深度15～30 cm，每隔50 m选一点取土，将土样置于自制的硬纸箱中，箱内用保温塑料板密封，带回实验室风干。在土样风干时，对较大的土块，按照本身的结构面轻轻剥开，去除根系、枯落物等杂物，使土壤成为直径小于10 mm的团块。用定制的不锈钢土壤筛(筛子直径30 cm，筛孔直径5、2、1、0.5、0.25 mm)干筛4 kg土样备用，其基本理化性质见表2。

表2　土壤基本理化性质

1.3试验方法

机械稳定性团聚体测定采用干筛法(筛孔直径5、2、1、0.5、0.25 mm)，水稳性团聚体测定采用湿筛法非真空慢速湿润[20-21]。湿筛法是测定团聚体稳定性的传统方法，其破碎过程基本上包括所有团聚体破碎机制，多用于衡量土壤全样团聚体破坏[22]。仪器采用北京祥宁伟业仪器设备有限公司生产的XY-100型团聚体分析仪。

对照组(CK)：非真空慢速湿润，将50.00 g配置好的土样放到150 mL三角瓶中，轻摇使其均匀分布在底面，用胶头滴管每隔20 s均匀地向三角瓶四壁滴加蒸馏水共计20 mL，使土样缓慢全部润湿，静置5 min，之后缓慢均匀地向三角瓶中注满蒸馏水，用橡胶膜封住瓶口，倒置到沉浸在蒸馏水中的无盖无底筛组上(5、2、1、0.5、0.25 mm)，取下橡胶膜让土样在水中自由沉降到筛组上，再用橡胶膜封住瓶口，将三角瓶带离水面，这个过程要小心勿使三角瓶进入空气，以免破坏团聚体。开动马达，进行筛分，筛组上下行程40 mm，筛分时间30 min(机器定时)，筛分过程中筛组始终保持在水面以下。筛分结束后，将筛组缓慢提出水面，把各级团聚体洗至烧杯中，沉淀30 min后倾去上部清液，在75 ℃烘箱中烘干4 h，取出放置于阴凉通风干燥处风干24 h后称量记录，结果取4组平行试验的均值。

试验A～F组：按照样品质量的5%、10%、15%、20%、25%、30%将天然沸石直接掺配到称量好的土壤样品中，掺配时置于洁净干燥的托盘内，将沸石粉末均匀撒在土壤表面，用玻璃棒轻轻搅拌2 min，使沸石与土壤充分混合，其他试验步骤同CK。

1.4团聚体指标计算

(1)平均质量直径(MWD)的计算。公式为

MWD=∑XiWi

(1)

式中：Xi为某一粒级团聚体的平均直径，mm；Wi为某一粒级团聚体的质量百分含量。

(2)几何平均直径(GMD)的计算。公式为

(2)

式中：lnXi为土壤某一粒级平均直径的自然对数。

(3)团聚体破坏率(PAD0.25)的计算。公式为

(3)

式中：DA0.25为>0.25 mm干筛团聚体质量百分含量；WA0.25为>0.25 mm湿筛团聚体质量百分含量。

2试验结果

2.1沸石掺配量对黑土机械稳定性团聚体含量的影响

由表3可知：与CK对比，经过改良，干筛时A～F组试验中>0.25 mm机械稳定性团聚体含量分别增加4.31、5.28、10.05、9.32、9.22、6.26百分点(P<0.05)，呈现先增大后减小的趋势，但各试验组均比CK有所增加。天然沸石掺配量为15%时，>0.25 mm机械稳定性团聚体含量增加最多，<0.25 mm微团聚体含量最少；再增加掺配量，>0.25 mm机械稳定性团聚体含量反而比掺配量15%时降低，<0.25 mm微团聚体含量增加。研究发现，随天然沸石掺配量增加，2～1和1～0.5 mm粒级机械稳定性团聚体含量变化幅度较大，而>5和0.5～0.25 mm粒级的团聚体含量均随掺配量的增加而降低。在天然沸石掺配量为15%时，2～1 mm粒级团聚体含量是CK的1.78倍。

霍习良等[23]研究发现，沸石具有很大的比表面积和较强的静电场，能够把胶体黏土颗粒吸附到它的周围，利于土壤团聚体的形成。土壤中>0.25 mm的机械稳定性团聚体含量越多，土壤的结构性能越好。通过试验结果可知，利用天然沸石改良黑土，能够增加土壤中>0.25 mm的机械稳定性团聚体含量，从而改良土壤中团聚体的结构[24]。综上所述，室内试验时，对未经过沸石长时间培养改良的土样，沸石掺配量为15%时改良效果最好。

干筛结果显示在天然

2.2沸石掺配量对黑土水稳性团聚体含量的影响

由表3可知，经过天然沸石改良后，A～F试验组土壤中>0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA0.25)呈不规律变化，在15%掺配量时WSA0.25最小。A～F试验组土壤中>5 mm粒级水稳性团聚体含量均有不同程度增加，变化幅度在0.36～2.49百分点之间，5～2和2～1 mm粒级水稳性团聚体含量呈不规律变化。A～F试验组土壤中1～0.5和0.5～0.25 mm水稳性团聚体含量对比CK均有所降低。

根据土壤团聚体形成理论，土壤团聚体是以一质点为核，把土壤颗粒聚集胶结而成。利用天然沸石改良黑土，增加了作为土壤团粒形成基础的质点核，能够促进水稳性团聚体的形成[23]。另外，沸石具有较强的吸附性和离子交换性能[15-16]，沸石中的阳离子能够促进土粒团聚，增加团聚体的形成[23]。而1～0.5和0.5～0.25 mm粒级水稳性团聚体含量的减少正是因为其在沸石的作用下形成了更稳定的大粒级的水稳性团聚体。另外，试验过程中发现，天然沸石在与土壤搅拌过程中包裹在了部分团聚体表面，湿筛时在水流的作用下与土壤更好地凝聚在一起阻碍了原有团聚体的破坏，这也是大粒级水稳性团聚体含量增加的原因之一。虽然水稳性团聚体含量是反映土壤抗侵蚀能力的重要指标，但通过分析发现，由于沸石改良时间较短，WSA0.25变化不规律，所以不能用WSA0.25作为未经充分改良土壤的抗侵蚀能力的评价指标。

2.3沸石掺配量对黑土团聚体稳定性的影响

通过公式(1)～(3)计算得到表4。由表4可知，与CK相比，A～F组机械稳定性团聚体MWD随天然沸石掺配量的增加而呈现先增大后减小的趋势，在15%掺配量时MWD最大；水稳性团聚体MWD分别增大5.65%、6.40%、10.92%、13.94%、18.02%、24.91%。MWD是评价土壤团聚体稳定性的最重要指标，MWD值越大，土壤团聚体越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[24]。在评价土壤抗侵蚀能力时，使用湿筛水稳性团聚体MWD作为评价指标相比干筛MWD更准确。结合表3可知，WSA0.25随掺配量呈不规律变化，但水稳性团聚体MWD随着掺配量的增加而增加，在15%掺配量时虽然WSA0.25最小，但MWD对比CK增大了。机械稳定性团聚体的GMD变化随掺配量的增加呈不规律增加；水稳性团聚体的GMD与CK相比分别增加5.07%、7.36%、14.63%、16.19%、22.80%、25.38%。MWD和GMD值越大表示团聚体的团聚度越高，稳定性越强[14]。试验发现，加入天然沸石改良能够增大湿筛时土壤MWD和GMD值，说明用天然沸石改良黑土能够提高黑土团聚体稳定性，提高黑土抗侵蚀能力。

表4　不同沸石掺配量处理下团聚体稳定性

PAD0.25随掺配量增加而呈现先增大后减小的趋势变化，A～F组破坏率对比CK均有增加。破坏率增大是因为新形成的团聚体不稳定，沸石与团聚体“反应”条件和时间不足，湿筛时在水的作用下团聚体被破坏。研究表明，在未经长时间培养的土壤改良试验中，仅凭破坏率这一个指标不能反映改良土壤结构稳定性的强弱，在室内进行土壤改良试验时需要进行土壤培养。

3结论

(1)天然沸石作为土壤改良剂改良土壤，能够提高>0.25 mm机械稳定性团聚体含量(P<0.05)。室内试验时，对未经过沸石长时间培养改良的土样，天然沸石掺配量为15%时对提高土壤中>0.25 mm机械稳定性团聚体含量效果最好，且主要以增加2～1、1～0.5 mm粒级团聚体为主；WSA0.25不能作为未经沸石充分改良土壤的抗侵蚀能力的评价指标。

(2)在黑土中掺配5%～30%的天然沸石改良时，土壤水稳性团聚体MWD增加5.65%～24.91%，GMD增加5.07%～25.38%，土壤团聚体的团聚度提升，结构稳定性增强，抗侵蚀能力增强。

(3)在进行室内改良试验时，仅通过短时间搅拌模拟土壤改良过程中的翻耕，不能够使土壤中的团聚体与沸石充分“反应”。为使土壤得到充分改良，需要进行土壤培养，使搅拌混合后的土壤团聚体与沸石充分“反应”，来提高改良后土壤结构的稳定性。

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(责任编辑徐素霞)

[基金项目]北京林业大学青年教师科学研究中长期项目(2015ZCQ-SB-01)

[中图分类号]S156.3

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)05-0038-04

[作者简介]戴显庆(1989—)，男，黑龙江依安县人，硕士研究生，主要研究方向为土壤修复与生态恢复；通信作者冀晓东(1978—)，男，河南郑州市人，副教授，主要从事土壤修复与生态恢复、林木抗风、植被固土机制研究。

[收稿日期]2016-01-27