凹凸棒土對土壤團粒結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)的影響

楊 婷，吳軍虎

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安 710048)

凹凸棒土簡稱凹凸土(attapulgite，ATP)，又被稱為坡縷石(palygors—kite)，是一種以含水富鎂硅酸鹽為主的層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)粘土礦，無毒、無味、無刺激性，其晶體一般呈現(xiàn)比較直的針狀、纖維狀，其內(nèi)部是排列平行的孔道構(gòu)造，豐富的纖維使其具有較多平行的隧道空隙，因此ATP內(nèi)空隙體積約占總體積的30%，擁有巨大的比表面積。天然的ATP土質(zhì)非常細(xì)膩，質(zhì)地較輕，吸水性極強，內(nèi)表面積大約為600 m2·g-1，外表面積約為300 m2·g-1。其廣泛的應(yīng)用以及巨大的潛在應(yīng)用價值使其在粘土礦物學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境工程、土壤科學(xué)等受到廣泛的重視[1-5]。

根據(jù)ATP較強的吸附能力，好的粘結(jié)性以及低密度等特點，在農(nóng)業(yè)中可以作為農(nóng)藥的造粒劑[6]，加有ATP的農(nóng)藥在土壤中釋放緩慢，藥效延長；經(jīng)酸處理的ATP能有效防止NH4NO3、(NH4)2SO3、尿素等氮肥中氨的流失，具有固氮作用，從而提高肥料利用率。ATP纖維狀的形態(tài)及孔道結(jié)構(gòu)使其在改善土壤強度和結(jié)塊方面有顯著作用，對土壤的物理結(jié)構(gòu)有一定影響；ATP較大的比表面積及陽離子交換能力使其在土壤中起到保水、改善土壤通氣狀況、調(diào)節(jié)土壤酸堿度等作用，也可以供給植物缺少的微量元素，促進植株的生長發(fā)育[6-8]。目前對ATP的研究，多出現(xiàn)在制備高分子材料以及水處理中，將其運用在農(nóng)業(yè)上的研究比較少，楊紅善[9]等以丙烯酸、丙烯酰胺和ATP為原料制備了有機無機復(fù)合保水劑，將其與丙烯酸和丙烯酰胺聚合保水劑作對比，土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率、團粒結(jié)構(gòu)、土壤容重和土壤孔隙度等的改善效果較純有機類保水劑明顯；王桂苓[10]等闡述了施加在土壤中的ATP能夠增強土壤的保水保肥能力，且說明了ATP在延緩肥料的釋放等方面存在很大的潛在應(yīng)用價值，是土壤水肥的有效改良劑，值得深入研究開發(fā)；Thabo Falayi等[11]將ATP施加到含重金屬的污水中，在恒溫床中攪動4 h，結(jié)果污水中的銅、鈷、錳等重金屬離子含量明顯下降。綜上所述，ATP自身的優(yōu)良特性使其在較多領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用，且前人的研究發(fā)現(xiàn)ATP在改良土壤方面有比較大的應(yīng)用價值和空間。土壤改良措施應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面是改造中低產(chǎn)田的有效途徑，它可以促進土壤團粒的形成、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高肥力、改善土壤保水保肥性、提高糧食產(chǎn)量，ATP應(yīng)用于土壤改良是一個比較嶄新的領(lǐng)域，因此，本文將對ATP在土壤團粒結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)方面展開研究。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗用土取自中科院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站，該試驗站位于陜西省長武縣西12 km的陜甘分界處，地理坐標(biāo)為107°41′E，35°14′N，為典型的黃土高原溝壑地貌，海拔1 215～1 225 m，日照時數(shù)2 226 h，年均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫-7℃，7月份平均氣溫22.1℃，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量578.5 mm，降水年際變異較大，且降水季節(jié)性分布不均，降水集中在7—9月，占全年降水總量的55%以上，地帶性土壤表層為黃綿土，下層為黑壚土，質(zhì)地均勻疏松。本試驗所取土壤為表層黃綿土，其容重為1.38 g·cm-1，有機質(zhì)為2.24 g·kg-1，總氮為0.22 g·kg-1，pH為8.3，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，黏粒含量為8.56%，粉粒含量為81.31%，砂粒含量為10.13%，屬于粉砂質(zhì)壤土。試驗前將土樣過2 mm篩后備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤水分特征曲線試驗 試驗采用日本Kokusan公司生產(chǎn)的H-1400pF土壤水分特征曲線測量系統(tǒng)測定。將ATP含量為0、10、20、30、40 g·kg-1處理的土樣裝入高5 cm，內(nèi)徑5 cm的環(huán)刀內(nèi)，稱其質(zhì)量并記錄。試驗前放入蒸餾水中浸泡48 h使其飽和，稱其飽和后的質(zhì)量并記錄。將充分飽和后的土樣放入離心機中，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，每次離心90 min后稱其環(huán)刀內(nèi)土樣的質(zhì)量，即可測定不同轉(zhuǎn)速下的土壤含水率。

1.2.2 土壤顆粒分析試驗 將測完基礎(chǔ)水力參數(shù)的不同處理土樣經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過2 mm篩。分別取土樣0.5 g于100 mL的燒杯中，加入10 mL濃度為10%的雙氧水，在加熱板上加熱以去除土壤中的有機質(zhì)，待其充分反應(yīng)之后再加入10 mL濃度為10%的鹽酸，加熱煮沸以去除土壤中的碳酸鹽，待其充分反應(yīng)后在燒杯加滿蒸餾水，靜置12 h后再用注射器將上清液抽離，再加入10 mL濃度為0.05 mol·L-1的六偏磷酸鈉分散劑，把土樣添加到進樣器以后再用超聲波分散10 min，最后用英國馬爾文Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定(體積分?jǐn)?shù))。

1.2.3 土壤水穩(wěn)性團聚體試驗 試驗采用由荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的Wet Sieving Apparatus(濕篩分裝置)進行測定。將測完基礎(chǔ)水力參數(shù)曬干并過2 mm篩后的不同處理土樣裝入8個篩罐中，再將這些篩灌放入裝有水的不銹鋼罐內(nèi)，將開關(guān)開至3 min處啟動馬達(dá)，篩罐上下運動3 min，不穩(wěn)定的個體將分解，經(jīng)過篩罐后集中在篩罐下的水罐中。待篩罐中的液體充分漏出后移走不銹鋼罐，重新放上新的裝有水并加入2 g·L-1六偏磷酸鈉溶液的不銹鋼罐。將開關(guān)開至continue處啟動馬達(dá)，篩罐上下運動8 min后停止。此時，全部整體被破壞。烘干不銹鋼罐后稱重，用總質(zhì)量減去不銹鋼罐里的土壤質(zhì)量即為穩(wěn)定物質(zhì)的質(zhì)量。

1.3 計算方法

1.3.1 土壤粒徑分形模型 試驗中測得的土壤粒徑分?jǐn)?shù)是體積含量，利用Katz模型將其轉(zhuǎn)換計算土壤粒徑分形模型[12]：

式中，di為某一粒級的特征粒徑，Vd>di表示大于粒徑di時的土壤體積；A、k為描述形狀和尺度的常數(shù)；D1為土壤粒徑分形維數(shù)。

1.3.2 土壤水分特征曲線分形模型 采用Tyler和Wheatcraft模型與DeGennes在兩種孔隙表面分形兩種模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的水分特征曲線分形模型[13]：

式中，θ為體積含水量；θs為飽和含水量；h為土壤吸力；hd為土壤進氣吸力；D2為土壤水分特征曲線分形維數(shù)。

1.3.3 土壤非飽和傳導(dǎo)度分形模型 本文采用Mualem建立的理論模型，該模型將土壤含水率、土水勢及非飽和傳導(dǎo)度結(jié)合起來推導(dǎo)出土壤非飽和傳導(dǎo)度分形模型[14]：

式中，K、Ks分別為非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)及飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)；θ為體積含水量；θs為飽和含水量；h為土壤吸力；hd為土壤進氣吸力；D3為土壤水分特征曲線分形維數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于分形維數(shù)的ATP對土壤團粒結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 ATP對土壤顆粒分布的影響 將測完基礎(chǔ)水力參數(shù)的不同ATP含量土壤自然風(fēng)干，過2 mm篩后用英國馬爾文Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定，根據(jù)其特征粒徑的分級標(biāo)準(zhǔn)劃分以下幾個級別：<0.001、0.001～0.002、0.002～0.011、0.011～0.02、0.02～1.01、>1.01 mm，測定結(jié)果見表1。從土壤顆粒含量的分布可以看出在不同粒徑范圍，ATP含量為30 g·kg-1時均出現(xiàn)拐點；當(dāng)粒級分布在<0.001、0.001～0.002、0.002～0.011 mm范圍時，土壤顆粒含量在不同級別均隨著ATP含量的增加呈先減小后增大的趨勢；當(dāng)粒級分布在0.011～0.02、0.02～1.01、>1.01 mm范圍時，土壤顆粒含量在不同級別均隨著ATP含量的增加呈先增大后減小的趨勢；土壤中的黏粒(<0.002 mm)、粉粒(≥0.002～0.02 mm)比例均在減小，砂粒(≥0.02～2 mm)比例增大。ATP含量為10 g·kg-1時，黏粒含量減小了0.87%，粉粒含量減小了2.58%，砂粒含量增加了3.44%；ATP含量為20 g·kg-1時，黏粒含量減小了0.89%，粉粒含量減小了14.74%，砂粒含量增加了8.69%；ATP含量為30 g·kg-1時，黏粒含量減小了2.22%，粉粒含量減小了23.41%，砂粒含量增加了0.97%；ATP含量為40 g·kg-1時，黏粒含量減小了1.32%，粉粒含量減小了14.8%，砂粒含量增加了8.91%，由此可以看出ATP施加到土壤中會使土壤中的細(xì)小顆粒凝聚變成大顆粒，從而使大粒級土壤顆粒含量增加，小粒級土壤顆粒減小，當(dāng)ATP含量為30 g·kg-1時的大顆粒含量變化值最大，因此，可以說明將ATP施加到土壤中可以改變土壤的粒徑結(jié)構(gòu)。

表1 不同ATP含量對土壤顆粒分布影響/%

2.1.2 ATP對土壤團粒結(jié)構(gòu)的影響 土壤團粒結(jié)構(gòu)直接影響土壤的通氣狀況，對于土壤的熱狀況、透水性也有一定影響。圖1是不同處理土樣粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體變化曲線。通常認(rèn)為粒徑>0.25 mm的團聚體對土壤肥力具有重要影響，>0.25 mm的團粒含量越高，土壤疏松，土壤容重越小，土壤通氣性大，土壤儲存與供給作物生長所需水分的能力越好[15]。從圖中可以看出，隨著ATP含量的增加，水穩(wěn)性團聚體在ATP施加亮為0～30 g·kg-1內(nèi)呈增長趨勢，當(dāng)ATP含量大于30 g·kg-1時，水穩(wěn)性團聚體幾乎不再增加。結(jié)合2.1.1對加入ATP的土壤顆粒分級的分析可知，纖維狀的ATP加入土壤中，破壞了土壤本身的結(jié)構(gòu)，使原本塊結(jié)的土壤分散，又因ATP的膠凝特性，使被打散的細(xì)小土壤顆粒重組生成大顆粒土壤，且ATP含量越多，其膠凝特性越強，土壤粒徑>0.25 mm的顆粒含量越多，這種特性在ATP施加量>30 g·kg-1時出現(xiàn)相反現(xiàn)象。

圖1 ATP含量對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

Fig.1 Influence of ATP content to soil water stable aggregate

2.1.3 ATP對土壤水分特征曲線、土壤粒徑分形維數(shù)的影響 土壤質(zhì)地與分形維數(shù)密切相關(guān)，土壤質(zhì)地越細(xì)對應(yīng)的分形維數(shù)越大[16]，圖2是ATP含量對土壤水分特征曲線分形維數(shù)、土壤粒徑分形維數(shù)的影響，從圖中可以看出，土壤水分特征曲線分形維數(shù)從2.859增加至2.876，與ATP施加量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤粒徑分形維數(shù)從2.645減小至2.628，與ATP施加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)ATP含量不超過30 g·kg-1時隨著ATP含量的增加，土壤含有水分時質(zhì)地較細(xì)，黏粒含量較高，持水性能較高，當(dāng)土壤中水分蒸發(fā)，施加ATP的土壤大顆粒含量和砂粒含量增加，土壤通透性增強。

根據(jù)ATP的性質(zhì)分析原因，可能是當(dāng)土壤中充滿水的時候，ATP的吸附性以及保水性使土壤通過水分作為介質(zhì)將土壤顆粒粘結(jié)在一起，待土壤中的水分蒸發(fā)結(jié)束后，毛發(fā)及纖維狀的ATP穿插在土壤中，土壤中的大孔隙增加，砂粒含量增加，土壤更加疏松，由此可知ATP具有改良土壤的作用。從圖中還可以看出加入的ATP含量為40 g·kg-1時的土壤水分特征曲線分形維數(shù)減小，土壤粒徑分形維數(shù)增大，與整體呈相反趨勢發(fā)展，因此，可以說明當(dāng)ATP含量為30 g·kg-1時效果最佳。

圖2 ATP含量對土壤水分特征曲線、土壤粒徑分形維數(shù)的影響

Fig.2 Influence of ATP content to soil moisture characteristic curve and the fractal dimension of soil particle size

2.2 基于分形維數(shù)的ATP對土壤水力參數(shù)的影響

2.2.1 基于分形維數(shù)的不同含量ATP土壤水分特征曲線模型計算 根據(jù)表1參數(shù)利用土壤水分特征曲線分形模型對土壤水分特征曲線不同吸力對應(yīng)的土壤含水率進行驗證，圖3是不同含量ATP利用土壤水分特征曲線分形模型計算的不同吸力下的土壤含水率，圖中將實測土壤水分特征曲線各吸力下的土壤含水率與相應(yīng)吸力下的土壤含水率計算值相比較，發(fā)現(xiàn)兩種方式下的含水率與吸力變化趨勢相似，各ATP含量下不同吸力對應(yīng)的含水率模擬計算值均大于實測值，利用公式RMSE=|1/n∑(θ實測-θ模擬)|1/2計算其均方根誤差，結(jié)果表明ATP含量在0、10、20、30、40 g·kg-1時的RMSE分別為0.043、0.049、0.050、0.051、0.045，均在0.1以內(nèi)，因此利用分形維數(shù)預(yù)測土壤水分特征曲線效果較好。

表2 土壤基礎(chǔ)參數(shù)表

圖3不同ATP含量土壤水分特征曲線實測值與計算值

Fig.3 The measured values and calculated values of the soil moisture characteristic curve with different ATP content

2.2.2 不同含量ATP對基于分形維數(shù)非飽和水力傳導(dǎo)度預(yù)測值的影響 根據(jù)實測的土壤體積含水率，利用非飽和水力傳導(dǎo)度分形模型對不同含量ATP水力傳導(dǎo)度進行預(yù)測，結(jié)果如圖4。圖中可以看出不同含量ATP水力傳導(dǎo)度的增長趨勢不同，ATP含量為10、20、30、40 g·kg-1的水力傳導(dǎo)度增加量分別是0 g·kg-1的1.90、1.75、2.71、5.04倍，可以看出未施加ATP的土壤水分入滲較快；體積含水率<0.21 cm3·cm-3時的水力傳導(dǎo)度沒有明顯變化趨勢，>0.21 cm3·cm-3后隨ATP含量的增加呈增大趨勢，且ATP含量越小，水力傳導(dǎo)度的增長范圍越大，同一含水率下的水力傳導(dǎo)度隨著ATP含量的增加而減小。根據(jù)ATP的特性分析可知當(dāng)土壤充滿水時，ATP對水的吸附性使ATP顆粒粘結(jié)，填充土壤中的大孔隙，使土壤中的小孔隙增多，減緩了水流的運動，增加了土壤的持水能力。

圖4不同ATP含量對土壤非飽和水力傳導(dǎo)度預(yù)測值的影響

Fig.4 Effects of different ATP content to the predicted values of unsaturated soil hydraulic conductivity

3 結(jié)論與討論

(1) 與對照相比，ATP的加入使土壤黏粒、粉粒、砂粒比例增大，隨著ATP含量的增加，黏粒比例從9.28%減小至7.06%，粉粒比例從50.21%減小至26.8%，砂粒比例從40.52%增加至41.49%，黏粒、粉粒比例與ATP含量增加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，砂粒比例與ATP含量呈正相關(guān)關(guān)系。隨著ATP含量的增加，>0.25 mm的團聚體含量增大，土壤水分特征曲線分形維數(shù)與ATP增加量呈正相關(guān)，土壤粒徑分形維數(shù)與ATP增加量呈負(fù)相關(guān)，兩者之間的變化趨勢相反。

(2) 利用水分特征曲線分形模型對不同吸力對應(yīng)的土壤含水率進行模擬，模擬結(jié)果與實測相應(yīng)吸力下的土壤含水率變化趨勢相同，兩者之間的土壤含水率差值基本在0.020～0.035 cm3·cm-3之間，其均方根誤差RMSE均在0.1以內(nèi)，模擬效果良好；利用水力傳導(dǎo)度分形模型對不同含量ATP水力傳導(dǎo)度進行計算，未施加ATP的土壤水力傳導(dǎo)度變化范圍最大，>0.21 cm3·cm-3的體積含水率對應(yīng)的水力傳導(dǎo)度與ATP含量呈負(fù)相關(guān)。

(3) 土壤粒徑在ATP含量為30 g·kg-1時黏粒、粉粒含量比例最小，砂粒含量比例最大，>0.25 mm的團聚體在ATP含量為30 g·kg-1時含量比例最大，為28.25%，土壤水分特征曲線分形維數(shù)在ATP含量為30 g·kg-1時最大，為2.8759，土壤粒徑分形維數(shù)在ATP含量為30 g·kg-1時最小，為2.6096，因此，ATP作為土壤改良劑在施加量為30 g·kg-1時達(dá)到最佳改良效果。

本試驗只考慮到土壤團粒結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)，未涉及到土壤養(yǎng)分方面的研究；根據(jù)本試驗的結(jié)論，ATP對改良土壤有顯著效果，可將ATP用于黃土高原等嚴(yán)重水土流失及土壤嚴(yán)重板結(jié)的地方。

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