凹凸棒土对土壤团粒结构及水力参数的影响

杨 婷，吴军虎

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 陕西 西安 710048)

凹凸棒土简称凹凸土(attapulgite，ATP)，又被称为坡缕石(palygors—kite)，是一种以含水富镁硅酸盐为主的层链状过渡结构粘土矿，无毒、无味、无刺激性，其晶体一般呈现比较直的针状、纤维状，其内部是排列平行的孔道构造，丰富的纤维使其具有较多平行的隧道空隙，因此ATP内空隙体积约占总体积的30%，拥有巨大的比表面积。天然的ATP土质非常细腻，质地较轻，吸水性极强，内表面积大约为600 m2·g-1，外表面积约为300 m2·g-1。其广泛的应用以及巨大的潜在应用价值使其在粘土矿物学、物理化学、材料科学、环境工程、土壤科学等受到广泛的重视[1-5]。

根据ATP较强的吸附能力，好的粘结性以及低密度等特点，在农业中可以作为农药的造粒剂[6]，加有ATP的农药在土壤中释放缓慢，药效延长；经酸处理的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，从而提高肥料利用率。ATP纤维状的形态及孔道结构使其在改善土壤强度和结块方面有显著作用，对土壤的物理结构有一定影响；ATP较大的比表面积及阳离子交换能力使其在土壤中起到保水、改善土壤通气状况、调节土壤酸碱度等作用，也可以供给植物缺少的微量元素，促进植株的生长发育[6-8]。目前对ATP的研究，多出现在制备高分子材料以及水处理中，将其运用在农业上的研究比较少，杨红善[9]等以丙烯酸、丙烯酰胺和ATP为原料制备了有机无机复合保水剂，将其与丙烯酸和丙烯酰胺聚合保水剂作对比，土壤含水量、pH值、电导率、团粒结构、土壤容重和土壤孔隙度等的改善效果较纯有机类保水剂明显；王桂苓[10]等阐述了施加在土壤中的ATP能够增强土壤的保水保肥能力，且说明了ATP在延缓肥料的释放等方面存在很大的潜在应用价值，是土壤水肥的有效改良剂，值得深入研究开发；Thabo Falayi等[11]将ATP施加到含重金属的污水中，在恒温床中搅动4 h，结果污水中的铜、钴、锰等重金属离子含量明显下降。综上所述，ATP自身的优良特性使其在较多领域都有较好的应用，且前人的研究发现ATP在改良土壤方面有比较大的应用价值和空间。土壤改良措施应用在农业方面是改造中低产田的有效途径，它可以促进土壤团粒的形成、改良土壤结构、提高肥力、改善土壤保水保肥性、提高粮食产量，ATP应用于土壤改良是一个比较崭新的领域，因此，本文将对ATP在土壤团粒结构等基础方面展开研究。

1 材料与方法

1.1 供试土样

试验用土取自中科院长武农业生态试验站，该试验站位于陕西省长武县西12 km的陕甘分界处，地理坐标为107°41′E，35°14′N，为典型的黄土高原沟壑地貌，海拔1 215～1 225 m，日照时数2 226 h，年均气温9.1℃，1月份平均气温-7℃，7月份平均气温22.1℃，属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量578.5 mm，降水年际变异较大，且降水季节性分布不均，降水集中在7—9月，占全年降水总量的55%以上，地带性土壤表层为黄绵土，下层为黑垆土，质地均匀疏松。本试验所取土壤为表层黄绵土，其容重为1.38 g·cm-1，有机质为2.24 g·kg-1，总氮为0.22 g·kg-1，pH为8.3，根据国际制土壤质地分类标准，黏粒含量为8.56%，粉粒含量为81.31%，砂粒含量为10.13%，属于粉砂质壤土。试验前将土样过2 mm筛后备用。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤水分特征曲线试验 试验采用日本Kokusan公司生产的H-1400pF土壤水分特征曲线测量系统测定。将ATP含量为0、10、20、30、40 g·kg-1处理的土样装入高5 cm，内径5 cm的环刀内，称其质量并记录。试验前放入蒸馏水中浸泡48 h使其饱和，称其饱和后的质量并记录。将充分饱和后的土样放入离心机中，设置不同的转速，每次离心90 min后称其环刀内土样的质量，即可测定不同转速下的土壤含水率。

1.2.2 土壤颗粒分析试验 将测完基础水力参数的不同处理土样经自然风干后研磨过2 mm筛。分别取土样0.5 g于100 mL的烧杯中，加入10 mL浓度为10%的双氧水，在加热板上加热以去除土壤中的有机质，待其充分反应之后再加入10 mL浓度为10%的盐酸，加热煮沸以去除土壤中的碳酸盐，待其充分反应后在烧杯加满蒸馏水，静置12 h后再用注射器将上清液抽离，再加入10 mL浓度为0.05 mol·L-1的六偏磷酸钠分散剂，把土样添加到进样器以后再用超声波分散10 min，最后用英国马尔文Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定(体积分数)。

1.2.3 土壤水稳性团聚体试验 试验采用由荷兰Eijkelkamp公司生产的Wet Sieving Apparatus(湿筛分装置)进行测定。将测完基础水力参数晒干并过2 mm筛后的不同处理土样装入8个筛罐中，再将这些筛灌放入装有水的不锈钢罐内，将开关开至3 min处启动马达，筛罐上下运动3 min，不稳定的个体将分解，经过筛罐后集中在筛罐下的水罐中。待筛罐中的液体充分漏出后移走不锈钢罐，重新放上新的装有水并加入2 g·L-1六偏磷酸钠溶液的不锈钢罐。将开关开至continue处启动马达，筛罐上下运动8 min后停止。此时，全部整体被破坏。烘干不锈钢罐后称重，用总质量减去不锈钢罐里的土壤质量即为稳定物质的质量。

1.3 计算方法

1.3.1 土壤粒径分形模型 试验中测得的土壤粒径分数是体积含量，利用Katz模型将其转换计算土壤粒径分形模型[12]：

式中，di为某一粒级的特征粒径，Vd>di表示大于粒径di时的土壤体积；A、k为描述形状和尺度的常数；D1为土壤粒径分形维数。

1.3.2 土壤水分特征曲线分形模型 采用Tyler和Wheatcraft模型与DeGennes在两种孔隙表面分形两种模型的基础上推导出的水分特征曲线分形模型[13]：

式中，θ为体积含水量；θs为饱和含水量；h为土壤吸力；hd为土壤进气吸力；D2为土壤水分特征曲线分形维数。

1.3.3 土壤非饱和传导度分形模型 本文采用Mualem建立的理论模型，该模型将土壤含水率、土水势及非饱和传导度结合起来推导出土壤非饱和传导度分形模型[14]：

式中，K、Ks分别为非饱和水力传导系数及饱和水力传导系数；θ为体积含水量；θs为饱和含水量；h为土壤吸力；hd为土壤进气吸力；D3为土壤水分特征曲线分形维数。

2 结果与分析

2.1 基于分形维数的ATP对土壤团粒结构的影响

2.1.1 ATP对土壤颗粒分布的影响 将测完基础水力参数的不同ATP含量土壤自然风干，过2 mm筛后用英国马尔文Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定，根据其特征粒径的分级标准划分以下几个级别：<0.001、0.001～0.002、0.002～0.011、0.011～0.02、0.02～1.01、>1.01 mm，测定结果见表1。从土壤颗粒含量的分布可以看出在不同粒径范围，ATP含量为30 g·kg-1时均出现拐点；当粒级分布在<0.001、0.001～0.002、0.002～0.011 mm范围时，土壤颗粒含量在不同级别均随着ATP含量的增加呈先减小后增大的趋势；当粒级分布在0.011～0.02、0.02～1.01、>1.01 mm范围时，土壤颗粒含量在不同级别均随着ATP含量的增加呈先增大后减小的趋势；土壤中的黏粒(<0.002 mm)、粉粒(≥0.002～0.02 mm)比例均在减小，砂粒(≥0.02～2 mm)比例增大。ATP含量为10 g·kg-1时，黏粒含量减小了0.87%，粉粒含量减小了2.58%，砂粒含量增加了3.44%；ATP含量为20 g·kg-1时，黏粒含量减小了0.89%，粉粒含量减小了14.74%，砂粒含量增加了8.69%；ATP含量为30 g·kg-1时，黏粒含量减小了2.22%，粉粒含量减小了23.41%，砂粒含量增加了0.97%；ATP含量为40 g·kg-1时，黏粒含量减小了1.32%，粉粒含量减小了14.8%，砂粒含量增加了8.91%，由此可以看出ATP施加到土壤中会使土壤中的细小颗粒凝聚变成大颗粒，从而使大粒级土壤颗粒含量增加，小粒级土壤颗粒减小，当ATP含量为30 g·kg-1时的大颗粒含量变化值最大，因此，可以说明将ATP施加到土壤中可以改变土壤的粒径结构。

表1 不同ATP含量对土壤颗粒分布影响/%

2.1.2 ATP对土壤团粒结构的影响 土壤团粒结构直接影响土壤的通气状况，对于土壤的热状况、透水性也有一定影响。图1是不同处理土样粒径>0.25 mm的水稳性团聚体变化曲线。通常认为粒径>0.25 mm的团聚体对土壤肥力具有重要影响，>0.25 mm的团粒含量越高，土壤疏松，土壤容重越小，土壤通气性大，土壤储存与供给作物生长所需水分的能力越好[15]。从图中可以看出，随着ATP含量的增加，水稳性团聚体在ATP施加亮为0～30 g·kg-1内呈增长趋势，当ATP含量大于30 g·kg-1时，水稳性团聚体几乎不再增加。结合2.1.1对加入ATP的土壤颗粒分级的分析可知，纤维状的ATP加入土壤中，破坏了土壤本身的结构，使原本块结的土壤分散，又因ATP的胶凝特性，使被打散的细小土壤颗粒重组生成大颗粒土壤，且ATP含量越多，其胶凝特性越强，土壤粒径>0.25 mm的颗粒含量越多，这种特性在ATP施加量>30 g·kg-1时出现相反现象。

图1 ATP含量对土壤水稳性团聚体的影响

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

2.1.3 ATP对土壤水分特征曲线、土壤粒径分形维数的影响 土壤质地与分形维数密切相关，土壤质地越细对应的分形维数越大[16]，图2是ATP含量对土壤水分特征曲线分形维数、土壤粒径分形维数的影响，从图中可以看出，土壤水分特征曲线分形维数从2.859增加至2.876，与ATP施加量呈正相关关系，土壤粒径分形维数从2.645减小至2.628，与ATP施加量呈负相关关系，说明当ATP含量不超过30 g·kg-1时随着ATP含量的增加，土壤含有水分时质地较细，黏粒含量较高，持水性能较高，当土壤中水分蒸发，施加ATP的土壤大颗粒含量和砂粒含量增加，土壤通透性增强。

根据ATP的性质分析原因，可能是当土壤中充满水的时候，ATP的吸附性以及保水性使土壤通过水分作为介质将土壤颗粒粘结在一起，待土壤中的水分蒸发结束后，毛发及纤维状的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。从图中还可以看出加入的ATP含量为40 g·kg-1时的土壤水分特征曲线分形维数减小，土壤粒径分形维数增大，与整体呈相反趋势发展，因此，可以说明当ATP含量为30 g·kg-1时效果最佳。

图2 ATP含量对土壤水分特征曲线、土壤粒径分形维数的影响

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

2.2 基于分形维数的ATP对土壤水力参数的影响

2.2.1 基于分形维数的不同含量ATP土壤水分特征曲线模型计算 根据表1参数利用土壤水分特征曲线分形模型对土壤水分特征曲线不同吸力对应的土壤含水率进行验证，图3是不同含量ATP利用土壤水分特征曲线分形模型计算的不同吸力下的土壤含水率，图中将实测土壤水分特征曲线各吸力下的土壤含水率与相应吸力下的土壤含水率计算值相比较，发现两种方式下的含水率与吸力变化趋势相似，各ATP含量下不同吸力对应的含水率模拟计算值均大于实测值，利用公式RMSE=|1/n∑(θ实测-θ模拟)|1/2计算其均方根误差，结果表明ATP含量在0、10、20、30、40 g·kg-1时的RMSE分别为0.043、0.049、0.050、0.051、0.045，均在0.1以内，因此利用分形维数预测土壤水分特征曲线效果较好。

表2 土壤基础参数表

图3不同ATP含量土壤水分特征曲线实测值与计算值

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对基于分形维数非饱和水力传导度预测值的影响 根据实测的土壤体积含水率，利用非饱和水力传导度分形模型对不同含量ATP水力传导度进行预测，结果如图4。图中可以看出不同含量ATP水力传导度的增长趋势不同，ATP含量为10、20、30、40 g·kg-1的水力传导度增加量分别是0 g·kg-1的1.90、1.75、2.71、5.04倍，可以看出未施加ATP的土壤水分入渗较快；体积含水率<0.21 cm3·cm-3时的水力传导度没有明显变化趋势，>0.21 cm3·cm-3后随ATP含量的增加呈增大趋势，且ATP含量越小，水力传导度的增长范围越大，同一含水率下的水力传导度随着ATP含量的增加而减小。根据ATP的特性分析可知当土壤充满水时，ATP对水的吸附性使ATP颗粒粘结，填充土壤中的大孔隙，使土壤中的小孔隙增多，减缓了水流的运动，增加了土壤的持水能力。

图4不同ATP含量对土壤非饱和水力传导度预测值的影响

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

3 结论与讨论

(1) 与对照相比，ATP的加入使土壤黏粒、粉粒、砂粒比例增大，随着ATP含量的增加，黏粒比例从9.28%减小至7.06%，粉粒比例从50.21%减小至26.8%，砂粒比例从40.52%增加至41.49%，黏粒、粉粒比例与ATP含量增加量呈负相关关系，砂粒比例与ATP含量呈正相关关系。随着ATP含量的增加，>0.25 mm的团聚体含量增大，土壤水分特征曲线分形维数与ATP增加量呈正相关，土壤粒径分形维数与ATP增加量呈负相关，两者之间的变化趋势相反。

(2) 利用水分特征曲线分形模型对不同吸力对应的土壤含水率进行模拟，模拟结果与实测相应吸力下的土壤含水率变化趋势相同，两者之间的土壤含水率差值基本在0.020～0.035 cm3·cm-3之间，其均方根误差RMSE均在0.1以内，模拟效果良好；利用水力传导度分形模型对不同含量ATP水力传导度进行计算，未施加ATP的土壤水力传导度变化范围最大，>0.21 cm3·cm-3的体积含水率对应的水力传导度与ATP含量呈负相关。

(3) 土壤粒径在ATP含量为30 g·kg-1时黏粒、粉粒含量比例最小，砂粒含量比例最大，>0.25 mm的团聚体在ATP含量为30 g·kg-1时含量比例最大，为28.25%，土壤水分特征曲线分形维数在ATP含量为30 g·kg-1时最大，为2.8759，土壤粒径分形维数在ATP含量为30 g·kg-1时最小，为2.6096，因此，ATP作为土壤改良剂在施加量为30 g·kg-1时达到最佳改良效果。

本试验只考虑到土壤团粒结构及水力参数，未涉及到土壤养分方面的研究；根据本试验的结论，ATP对改良土壤有显著效果，可将ATP用于黄土高原等严重水土流失及土壤严重板结的地方。

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