不同改良剂对黄绵土水稳性团聚体的改良效果及其机制

曹丽花，刘合满，赵世伟

(1.西北农林科技大学，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌;2.西藏农牧学院资源与环境学院，860000，西藏林芝)

不同改良剂对黄绵土水稳性团聚体的改良效果及其机制

曹丽花1，2，刘合满2，赵世伟1†

(1.西北农林科技大学，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌;2.西藏农牧学院资源与环境学院，860000，西藏林芝)

通过室内土柱培养，采用聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)、沃特保水剂、β-环糊精、腐殖酸等4种土壤结构改良剂对黄绵土水稳性团聚体进行改良。结果表明：4种改良剂均可促进＞0.25mm水稳性团聚体的形成，在浓度0.05% ～0.40%范围内，其改良效果表现为PAM＞β-环糊精＞沃特保水剂＞腐殖酸，且黄绵土团聚体分形维数显著降低，尤以PAM改良效果最明显;在低浓度条件下，4种改良剂均可有效地降低土壤密度;土壤粒径分布表明，PAM改良黄绵土水稳性团聚体的机制是使＜1mm粒径的团聚体团聚为更大的团聚体，尤其是团聚为＞5mm的团聚体，PAM在4种改良剂中对黄绵土改良效果最好。阐明不同改良剂对黄绵土水稳性团聚体的改良效果及机制，可为合理利用改良剂改良土壤结构提供理论依据。

土壤改良剂;水稳性团聚体;分形维数;土壤密度

土壤颗粒组成是土壤主要的物理属性之一，决定了土壤水文学特征［1］、有机碳含量和分布［2］、养分有效性及分布特征［3-4］等。不同大小土壤颗粒可以通过一定的方式胶结在一起形成性质稳定的团聚体，为植物生长提供良好的土壤结构［5-6］。土壤结构改良剂聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、脲醛树脂、腐植酸等高分子材料因可以增加土壤水稳性团粒含量［7］、提高土壤结构稳定性［8］、增强水肥保蓄能力［9-10］而被广泛施用。

黄绵土是黄土高原的主要土壤类型之一，具有质地轻、疏松绵软易遭水蚀和风蚀等特点［11］。在雨水的作用下，极易形成结皮，使土壤入渗率下降，增强地表径流。唐泽军等［12］研究表明，聚丙烯酰胺(PAM)可以增加黄绵土降雨入渗能力，且土壤降水入渗率与PAM覆盖率呈正相关关系。李继成等［13］研究了施肥条件下保水剂对黄绵土蒸发和团聚性状的影响，结果表明，施加保水剂能减少土壤蒸发量，增加团聚体含量。然而，针对不同土壤结构改良剂对黄绵土的改良效果研究还较少，改良剂对土壤水稳性团聚体的改良机制还不很清楚。笔者分别选择目前应用较为广泛的人工合成的超高分子量聚合物PAM、沃特保水剂、天然高分子材料腐殖酸和人工合成的环状低聚糖类物质β-环糊精为土壤改良剂，以黄绵土为供试土壤，研究不同浓度条件下土壤结构改良剂对土壤水稳性团聚体的改良效果与改良机制，以期为土壤结构改良剂在黄绵土上的合理施用提供科学依据。

1 研究区概况

试验的黄绵土采自宁夏固原市上黄村，E 106°26'～ 106°30'，N 35°59' ～ 36°03'，海拔1534 ～1 824m，年均气温7.0℃，年均降雨量472mm，年总辐射量5 342.4mJ/m2，干燥度指数1.55，无霜期152 d，属半干旱中温带向暖温带过度季风气候。

2 研究方法

2.1 供试土样

供试土样黄绵土采自上黄村糜子农田，海拔1 615m。采样方法为按梅花取样法，在0～20 cm的土层取混合土样。土壤颗粒组成以卡钦斯基制［14］分类，结果见表1。

表1 黄绵土颗粒组成Tab．1 Partical size in loessal soil

2.2 供试试剂

PAM是一种人工合成的水溶性高分子有机聚合体，为法国进口，白色颗粒;沃特保水剂为胜利油田长安集团生产的一种高分子功能材料，能吸收自重500～1 000倍的纯水;腐殖酸由上海巨枫科技公司生产;β-环糊精是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的含有7个葡萄糖单元的环状低聚糖类物，由天津科密欧公司生产。

2.3 试验处理及方法

用PVC塑料管做成高10 cm、直径10 cm、体积785 cm3的土柱，土柱底部用塑料布封闭。供试土壤结构改良剂施用浓度按照改良剂与土壤的质量比分别设置为0、0.05%、0.10%、0.20%和0.40%，相同浓度条件下设置3个重复。分别将不同改良剂与过1mm筛的黄绵土(以烘干土为基础)按上述浓度直接混匀，装成密度为1.11 g/cm3的土柱，土柱表面均匀地铺一层石子。土壤结构改良剂主要通过吸水—胶结作用而使土壤颗粒团聚，且团聚性能与作用时间长短有关［15-16］，将土柱土壤湿度保持在田间持水量的75%，室温条件下培养。培养21 d后，采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体，用环刀法测土壤密度。

2.4 数据处理

分形维数计算利用杨培岭等［17］提出的用土壤粒径的质量分布代替数量分布的方法;利用DPS进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同改良剂对＞0.25mm水稳性团聚体的改

良效果

不同改良剂对土壤＞0.25mm水稳性团聚体的改良效果如图1所示，可见4种改良剂均可有效地改善黄绵土的结构，增加＞0.25mm水稳性团聚体数量，且随浓度增加呈递增趋势。在4个供试浓度(0.05%、0.10%、0.20%、0.40%)条件下，PAM 施入后，土壤＞0.25mm水稳性团聚体质量分数分别比对照增加了 83.87%、100.31%、127.94%和189.84%;沃特保水剂使土壤＞0.25mm水稳性团聚体质量分数分别较对照提高0.67%、24.64%、27.18%和35.12%;施入 β-环糊精后，＞0.25mm团聚体质量分数分别比对照增加了15.46%、41.80%、88.06%和91.44%;腐殖酸施入黄绵土后，使黄绵土＞0.25mm团聚体质量分数分别比对照增加了2.27%、2.58%、4.99%和12.08%。

图1 不同改良剂对＞0.25mm团聚体改良效果Fig．1 Effect ofmodifiers on ＞0.25mm soil water stable aggregation

不同改良剂、相同施用浓度条件下，土壤＞0.25mm水稳性团聚体质量分数差异见表2。可知：PAM施用条件下，土壤＞0.25mm水稳性团聚体质量分数最高，改良效果均较其他3种显著，差异达显著水平;β-环糊精，腐殖酸和沃特保水剂对于土壤水稳性团聚体改良效果相对较差。这可能与4种改良剂的性质有关，PAM具有极性基团，有良好的絮凝和吸附作用，可以更好地将土壤细小颗粒吸附团聚形成更大团聚体。

表2 不同改良剂相同浓度对水稳性团聚体质量分数的影响Tab．2 Effect of soil conditioners on aggregate content in the same concentration

3.2 不同改良剂对团聚体分形维数的影响

由图2可知，随改良剂施用浓度增加，黄绵土水稳性团聚体分形维数呈递减趋势，即土壤结构改良剂的施用可以降低土壤团聚体分形维数，改善土壤结构。在供试4个浓度水平条件下，PAM改良土壤团聚体分形维数分别为2.847 7、2.849 5、2.831 0和2.784 2，分别较对照降低了2.54%、2.47%、3.11%和4.71%;β-环糊精使土壤团聚体分形维数由2.921 8(CK)降低到了2.884 6(0.4%);腐殖酸改良土壤团聚体分形维数分别为2.922 5、2.920 8、2.915 8和2.915 1;在沃特保水剂改良条件下，土壤团聚体分形维数分别比对照降低了0.02%、0.80%、0.90%和 1.28%。由此可见，在浓度为0.05%～0.40%条件下，4种改良剂均可降低团聚体分形维数，改良黄绵土结构，且以PAM效果最好，在浓度0.05%时即达显著效果。

图2 不同改良剂对团聚体分形维数的影响Fig．2 Effects of soil conditionerson fractal dimension

3.3 不同土壤结构改良剂对土壤密度的影响

由于黄绵土质地较轻，培养前的磨碎处理使原有土壤颗粒结构破坏，培养过程中的浇水处理使土壤颗粒之间孔隙度发生变化，土壤结构变紧实，故土壤密度较培养前有所增大。不同土壤改良剂对土壤密度的影响见图3。可知，经土壤结构改良剂处理的土壤，由于改良剂的吸水膨胀作用，增加了土壤孔隙度，使土壤密度较对照呈降低趋势。其中：沃特保水剂降低趋势最大，在0.05% ～0.40%施用浓度条件下，土壤密度分别比对照降低了1.99%，4.67%，8.19%和20.82%;PAM表现为在施用浓度0.05%时土壤密度较对照呈显著(P＜0.05)降低趋势，而在浓度为0.10%和0.20%时，土壤密度较0.05%浓度条件下有所增大;腐殖酸在浓度＜0.2%时对土壤密度影响较小，差异未达显著水平，只有在供试较高浓度(0.40%)时土壤密度较对照显著降低;β-环糊精改良土效果不明显，随施用浓度的增加，土壤密度分别较对照降低1.45%、3.96%、1.97%和1.13%。在施用浓度为0.05%条件下，4种改良剂对土壤密度的改良效果表现为PAM＞沃特保水剂＞β-环糊精＞腐殖酸，在浓度＞0.05%时，沃特保水剂改良效果最好。

图3 不同土壤改良剂对土壤密度的影响Fig．3 Effect of soil conditioners on bulk density

3.4 不同改良剂对土壤粒径分布的影响

4种供试土壤结构改良剂对黄绵土各粒级团聚体质量分数均有不同程度的影响(表3)。黄绵土经不同浓度的PAM处理后，PAM使＜1mm团聚体团聚为更大的团聚体，从而使＜1mm团聚体数量减少，尤其是对＞5mm团聚体的改良效果最为显著，浓度从0.05%到0.40%，＞5mm团聚体质量分数由1.60%逐渐增大到29.16%;对于β-环糊精来说，其作用机制与PAM相似，主要是＞5mm团聚体的数量增加;腐殖酸和沃特保水剂能促进黄绵土各粒级团聚体质量分数增加，但作用效果不明显。

3.5 不同浓度对土壤颗粒分形维数的影响

由图2可知，PAM在浓度0.05%时，土壤密度由1.247 6 g/cm3降低到1.219 9 g/cm3，比对照降低了2.22%，差异达显著水平，而在0.05%和0.10%、0.20%之间差异不显著(P＜0.05);β-环糊精在施用浓度为0.20%时土壤团聚体分形维数较对照差异达显著水平，其他几个施用浓度之间差异未达显著水平;腐殖酸在不同浓度条件下土壤团聚体分形维数呈降低趋势，但不同浓度及与对照之间差异未达显著水平;沃特保水剂在浓度0.1%时较对照差异显著。

4 讨论

在土壤—水—养分体系中，土壤结构改良剂通过影响土壤颗粒分布及水分和养分保蓄与迁移而影响土壤质量与生态环境效应，达到改善土壤的作用。有机质是影响土壤水稳性团聚体的主要因素［18］，对土壤颗粒具有良好的胶结作用。应用含碳高分子聚合物作为土壤结构改良剂施入土壤，可以快速提高土壤有机碳含量，促进土壤颗粒团聚，提高土壤大团聚体质量分数［19］，改善土壤结构。

表3 不同改良剂对黄绵土各级团聚体质量分数的影响Tab．3 Effect of different soil conditioners on different size aggregates of loessal soil

有研究表明，土壤粒径分布分维值与小于50 μm粒径土壤颗粒体积含量呈显著正相关关系，即土壤细小颗粒越多，分维越大［20］。土壤结构改良剂可以降低土壤小颗粒质量分数，提高土壤大团聚体质量分数，从而使土壤颗粒分形值降低。

土壤结构改良剂施入后，能够改善土壤结构，增加土壤孔隙度，降低土壤密度［21］。笔者研究结果表明，4种供试改良剂均可使土壤密度降低，其中在低浓度0.05%时，PAM、沃特保水剂、β-环糊精和腐殖酸分别使土壤密度降低了2.22%、1.99%、1.45%和0.61%。

不同分子质量和分子结构的聚合物对土壤结构改良性能不同［22］。研究表明，PAM对供试黄绵土水稳性团聚体质量分数和团聚体分形维数效果最好，可能与PAM分子质量大、分子链长、黏结作用强有关，在土壤结构改良方面有良好的应用前景。

5 结论

1)施用土壤结构改良剂可以促使分散的土壤颗粒团聚，形成团粒，增加土壤中水稳性团粒的质量分数及稳定性。随改良剂浓度增加，土壤水稳性团聚体质量分数增加，在供试浓度条件(0.05%～0.40%)条件下，不同改良剂对土壤水稳性团聚体的改良效果表现为PAM＞β-环糊精＞沃特保水剂＞腐殖酸。

2)4种改良剂施入黄绵土后均可有效地降低土壤团聚体分形维数，且分形维数随改良剂施用浓度的增加呈下降趋势。4种改良剂中，以PAM改良黄绵土结构效果最好。

3)4种改良剂均可降低土壤密度，而以沃特保水剂效果最好。

4)土壤结构改良剂的施用主要使土壤小颗粒胶结团聚成较大颗粒，从而增加土壤大团聚体质量分数，增强土壤结构稳定性。PAM主要作用于颗粒直径＞1mm的团聚体，尤其是＞5mm团聚体;β-环糊精对黄绵土改良机制与 PAM一致，主要是＞5mm团聚体数量增加幅度最大;腐殖酸和沃特保水剂对各级团聚体作用效果不明显。

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Effect of soil conditioners on water stability of soil aggregates and itsmechanisms in loessal soil

Cao Lihua1，2，Liu Heman2，Zhao Shiwei1

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;2.Department of Resources and Environment，Tibet Agricultural and Animal Husbandry College，860000，Linzhi，Tibet：China)

Soil conditioners，which are widely used in preventing soil and water losses，could improve soil physical structure and provide good conditions for plant growth.PAM，water super absorbent polymer，β-cyclodextrin and humic acid were used as soil conditioners in this paper.The results showed that all of the four conditioners could promote the formation of＞0.25mm water-stable aggregates.Within the test range of 0.05%-0.40%，the improved effect showed PAM ＞β-cyclodextrin ＞water super absorbent polymer ＞ humic acid，and the fractal dimension of aggregates decreased largely，especially for the PAM.All of the four conditioners could reduce the soil bulk density at the low concentration.From soil particle size distribution，it can be observed that ＜1mm soil water-stable aggregates could form to ＞1mm soil water-stable aggregates，especially ＞5mm soil water-stable aggregates obviously，which will explain how PAM worked on soil structure.In the four conditioners，PAM played the best role in improving loessal soil structure.This paper discovered the effect andmechanism of soil conditioners on loessal soil，which will provide theoretic basis of using and improving soil conditioners reasonably.

soil structuralmodifiers;water-stable aggregates;fractal dimension;bulk density

2011-05-15

2011-08-01

西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金“退化草地碳动态及温湿度效应”(10501-249)

曹丽花(1980—)，女，讲师，硕士。主要研究方向：退化土壤修复。E-mail：clh-m@163.com

†责任作者简介：赵世伟(1962—)，男，研究员。主要研究方向：土壤改良与环境效应。E-mail：swzhao@ms.iswc.ac.cn

(责任编辑：宋如华)