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    天然沸石對(duì)黑土團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性的影響

    2016-06-23 01:41:28戴顯慶冀曉東楊茂林彭紹好馬媛媛
    中國(guó)水土保持 2016年5期
    關(guān)鍵詞:黑土

    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

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