天然沸石对土壤水分运动特性及水稳性团聚体的影响

吴军虎，刘 侠，邵凡凡，李玉晨，王泽祥

（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048）

0 引 言

【研究意义】沸石是一种硅铝酸盐矿物质[1]，空间上由1个铝原子或者硅原子与4个氧原子构成四面体[2]，具有较高的比表面积、表面电荷密度和较强的吸附性、离子交换能力[3-4]，已有部分学者将沸石用于改良土壤，土壤水稳性团聚体与土壤结构稳定性密切相关，能显著影响水分下渗、径流[5]，土壤水分入渗的快慢会影响水资源利用效率[6]，因此，研究沸石对土壤水分入渗及水稳性团聚体的影响有重要意义。【研究进展】魏样等[7]将沸石用于山地新增耕地，发现施用沸石可显著提高土壤水分。刘陆涵等[8]研究发现，沸石处理能减少水分出流量，具有明显的保持水分效果。魏江生等[9]将沸石用于透水性强的沙质土壤，可增大土壤的有效水量和有效雨量。Eroglu等[10]研究发现单独使用或与其他肥料混合使用，沸石都可以提高作物的产量和氮吸收，此外，沸石对P、K等主要土壤养分有同样的效应，这与其阳离子交换量有关[11]；王浩等[12]发现沸石对轻、中度镉污染土壤和含交换态铅、水溶性铅的土壤具有改良作用；沸石对土壤中菌类繁殖有一定的抑制作用，如 Zhang等[13]发现，加入沸石后，可以减少1.5%的ARGs（雄激素调节基因）复制。邱素芬等[14]研究发现，在好氧条件下，500 ℃时沸石强化热处理对重金属铜、锌的固定效果明显提高；Coltorti等[15]发现沸石能够减少养分的流失，提高作物用水效率；Shah等[16]通过试验研究发现沸石的存在能够促进养分缓慢向土壤溶液中释放，有效抑制土壤养分的淋溶流失，以供植物吸收。戴显庆等[17]和马媛媛等[18]研究均表明，沸石施加量为 15%时，≥0.25 mm机械稳定性团聚体量增加。【创新点】现有关于沸石改良土壤的相关研究多为改良重金属污染土壤和土壤养分有效性二方面，对土壤团聚体和水分运动影响方面研究较少，关于沸石对黑垆土水分运动及团聚体分布的作用尚不清楚。【拟解决关键问题】本文首次将沸石混入黑垆土中，通过试验研究土壤水分运动过程和水稳性团聚体状况，以期明确沸石对黑垆土的水分运动特性和水稳性团聚体分布的影响，为黄土地区解决水土流失问题提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样于2018年7月取自陕西省长武县王东村（35°12′N，107°40′E，海拔 1 211 m）闲置农田 0～20 cm的耕作层，取土前，用环刀法[19]测得土壤体积质量为1.31 g/cm3，试验前先将土样自然风干，去除根系，随后过2 mm筛备用。烘干法测得土壤含水率0.4%、饱和含水率为35%，利用英国马尔文仪器有限公司生产的Mastersizer 2 000激光粒度分析仪分析其机械组成，黏粒量为8.56%，粉粒量为81.31%，砂粒量为 10.13%，根据国际制土壤质地分类标准划分为粉砂质壤土。

沸石采用郑州恒诺滤材公司生产的未改性天然沸石，粒径大小为80～100目（0.15～0.18 mm），外观为灰白色，孔隙率≥50%，具有高的阳离子交换、吸收、催化、脱水和养分保留能力[10]，在农业或饲料添加剂中使用中比较安全。

1.2 试验方法

1.2.1 室内入渗试验

已有研究表明，沸石量为20%时土壤持水能力最强。综合考虑，主要研究 0、5%、10%、15%、20%共5种沸石添加量对入渗及水稳性团聚体的影响，各处理设2组重复。

试验于2018年8月在西安理工大学土壤物理实验室进行，入渗前，将沸石分别按照0%、5%、10%、15%、20%的质量比与土样均匀混合，记为 T0（对照组）、T1、T2、T3、T4处理，以5 cm的装土高度、1.31 g/cm3的体积质量，分8次装入高50 cm、直径5 cm的圆柱形有机玻璃土柱中，各层间刮毛，为防止土柱底部发生土粒损失，装土前在土柱底部平铺1层滤纸。装土完成后，在土壤表面加铺1层滤纸，以保证土面在入渗过程中不被冲刷至破坏，均匀入渗。供水装置采用高50 cm、直径5 cm的马氏瓶，水头控制为4 cm，入渗开始后，按设定时间记录马氏瓶内水面高度与土柱湿润锋的高度，考虑土柱高度，试验进行300 min。

1.2.2 水稳性团聚体分析试验

供试土样的水稳性团聚体试验利用荷兰Eijkelkamp公司生产的Wet Sieving Apparatus（湿筛分装置）测定，试验前，取部分入渗后的土样烘干，并将装置配的16个钢罐称质量并编号，筛罐按孔径由大到小的顺序安装在湿筛分试验装置上，1～8号钢罐装入3/4的纯水，9～16号钢罐装入六偏磷酸钠溶液，依次将1～8号钢罐放在筛罐下方，下调筛罐位置，称4.0 g烘干后的土样加入各筛罐中，开启湿筛分装置振荡3 min后，取下1～8号钢罐，依次放上9～16号钢罐，振荡8 min，试验结束后将1～16号筛罐放入烘箱，在105 ℃下烘干8 h，记录烘干后钢罐的质量，本试验测定的粒径级别分别是 2、1、0.5、0.25、0.125、0.063、0.053、0.045 mm。

1.3 分析方法

1.3.1 入渗模型

常见的入渗公式有Horton公式、Kostiakov公式、Philip公式，后2种形式简单，便于拟合和参数确定，本文主要采用后2种公式对参数拟合。

1）Kostiakov模型

式中：f（t）为入渗率（cm/min）；a、b为常数；t为时间（min）；a表示入渗开始后第1个单位时段末的累计入渗量；b反映土壤的入渗能力的衰减速度。

2）Philip模型

式中：i为入渗率（cm/min）；S为吸渗率（cm/min）；A为稳定入渗率（cm/min）；t为入渗时间（min）。在入渗初期，S起主要作用，随着入渗时间的增长，A逐渐成为影响入渗的主要因素。

1.3.2 土壤水稳性团聚体分析

分别用水稳性团聚体量[20]、大于0.25 mm的团聚体的量、分形维数分析土壤的水稳性。

1）水稳性团聚体量

水稳性团聚体量（%）=水稳性团聚体质量（g）/土壤样品总质量（g）×100%

2）大于0.25 mm（R0.25）和平均质量直径（MWD）

式中：MT为团聚体总质量：为i与i+1粒级间团聚体的粒径平均直径；wi为i粒级团聚体所占质量比。

3）分形维数（D）

土壤是由不同大小、形状的颗粒、孔隙组成的具有分形特征的结构系统，常用能反映形体占有空间的有效性的分形维数来描述这一特征[21-22]，分形维数也被用来表征土壤团聚体量、土壤的通透性和抗蚀性，采用杨培岭等[23]推导的公式计算:

对式（5）2边同时取对数得：

2 结果与分析

2.1 沸石施加量对入渗特性影响

2.1.1 沸石施加量对累计入渗量、入渗率的影响

不同沸石添加比例下的累计入渗量、入渗率实测曲线如图1所示（图中不同字母表示，不同处理间差异显著（P<0.05））。由图1可知，整个入渗过程中，在 0～20%的添加范围内，不断增大沸石比例，相同时间内累计入渗量、入渗率均逐渐减小，150 min时，T0处理累计入渗量达到14.5 cm，T4处理仅有8.9 cm，累计入渗量减小了38.6%。初渗期，表面土壤含水率小，水势梯度大，入渗率较大，此时，沸石对入渗的影响不明显（P＞0.05），100 min后，入渗率明显减小，累计入渗量与时间接近线性相关，这是由于入渗时间较长，入渗路径增长，入渗面与湿润锋之间的水势梯度减小，此时入渗主要受重力势影响，已经到达稳定入渗状态，累计入渗量与时间线性相关[24]。沸石施加量小于10%，各处理间累计入渗量、入渗率差异较大，沸石与土壤质量比高于10%后，各处理组间累计入渗量、入渗率的差异减弱，土壤中加入沸石，土壤密度增大，总孔隙度减小，当沸石添加量大于10%，密度、孔隙减小速度变缓[18]，这与累计入渗量、入渗率的组间变化趋势一致。入渗结束时，5%、10%、15%、20%处理组的累计入渗量分别比 T0处理减少了13.24%、32.42%、36.52%、39.27%，各处理组间差异显著，沸石可增加粉砂质壤土中小于10 µm和50～250 µm的微团聚体量，填充土壤中的部分孔隙[25]，此外，添加沸石可增大土壤的毛管持水率和饱和含水率[26]，影响水分下渗进程，综上所述，沸石可减缓土壤水分的总体入渗过程。

图1 不同处理累计入渗量Fig.1 Cumulative infiltration of different treatments

2.1.2 沸石施加量对湿润锋迁移特性的影响

湿润锋可反映下渗水流的垂向运动特征[27]。由图2可发现，不同处理入渗开始前5 min，湿润锋推进距离相差不大，随着入渗的进行，不同处理下的湿润锋推进距离差异逐渐增大。T4处理湿润锋运移距离变化幅度最大，对比各处理发现，由T1到T2处理间湿润锋运移距离变化最大。根据已有研究，混入沸石可增加土壤密度[18]，湿润锋运移阻力，另一方面，沸石本身是多孔结构，对水有很大的亲和力[28]，进入土壤中的水分一部分被土壤中的沸石吸收，一部分向下运移，沸石添加量直接影响下渗的水量，减缓湿润锋的推进。

图2 不同处理湿润锋的变化Fig.2 Wet front migration of different treatments

对湿润锋Z和入渗时间t进行拟合，符合指数函数Z=atb，a为第1个计时单位后的湿润锋的推进距离；b为湿润锋进程的衰减程度。由表1可知，拟合R2均大于0.99，且不同处理下差异极显著，随着沸石添加量的增加，系数a逐渐减小，系数b逐渐增加。

表1 湿润锋与时间的拟合参数Table1 Fitting parameters of wetting front and time

2.1.3 沸石施加量对入渗模型参数的影响

根据实测数据，进行Kostiakov模型和Philip模型拟合，结果见表2。由表2可知，各处理拟合结果决定系数均在0.99以上，拟合效果较好，在Kostiakov模型中，假设初始入渗率无穷大，时间无限大时的入渗率趋近0，与土柱入渗的情况不符[29]，模型中的参数也没有明确的物理意义[30]，Philip模型中的吸渗率S指依靠毛管力吸收或释放液体的能力，反映了土壤的入渗能力[31]，参数A反映稳定入渗率。土壤中沸石添加量会影响吸渗率S的大小，增大沸石添加量，吸渗率S由0.980 4减小到0.621 5。加入沸石使土壤中的毛管孔隙减小[18]，土壤水分迁移能力减弱。在Kostiakov模型中，a与前2 min的入渗速度有关，b与土壤入渗能力的衰减速度有关，各处理随着沸石量的增加，参数a逐渐减小，与前2 min实测入渗速度结果一致。

表2 入渗参数拟合结果Table 2 Fitting results of infiltration parameters

2.2 沸石施加量对水稳性团聚体的影响

水稳性团聚体指由性质稳定的胶体胶结团聚而形成的具有抵抗水破坏能力的，在水中浸泡、冲洗而不易崩解的≥0.25 mm的土壤团粒[32]。土壤团聚体在很大程度上影响土壤的物理化学性质，较好的团粒结构有利于改善土壤透气保水能力。

2.2.1 沸石对各级水稳性土壤团聚体量的影响

不同处理水稳性团聚体量分析见表3。从表3可以看出，添加沸石对土壤水稳性团聚体影响较为明显，与T0处理相比，T1、T2、T3处理土壤水稳性团聚体量不同程度的增加，T4处理土壤水稳性团聚体量明显降低，T1处理主要作用于0.5～2 mm土壤水稳性团聚体，其中0.5～1 mm粒级间的水稳性团聚体量增加最为明显；T2处理对0.25～2 mm水稳性团聚体量影响较大，其中0.25～0.5 mm由2.35%增加至10.73%，T3处理≥0.25 mm水稳性团聚体量相比T2处理，减小了5.12%，但与T0处理相比有所增加，T4处理0.25～2 mm间各级土壤团聚体都不同程度地减小，与T0处理相比，1～2 mm的团聚体量减小了1.56%，≥0.25 mm水稳性团聚体量减小了4.75%，总体上，T1、T2、T3处理组促进水稳性团聚体的形成，其中T2处理效果最佳，T4处理不利于土壤水稳性团聚体的形成，甚至分散水稳性团聚体，破坏土壤结构。土壤中的孔隙状况决定土壤中物质的转移形式和速率[33]，沸石中的阳离子遇水易与其他离子进行交换，促使土粒絮凝形成团聚体的同时，也减小了土壤中的毛管孔隙总数[34]，降低土壤水分的迁移能力，影响土壤水分入渗特性。

表3 不同处理水稳性团聚体量Table 3 Water stable agglomerates of different treatments %

2.2.2 沸石对R0.25、平均质量直径（MWD）的影响

大于0.25 mm的团聚体对土壤肥力有重要影响，沸石对水稳性大团聚体的与其添加量有关，并不是单一的相关性，在T0、T1、T2处理呈正相关，T3、T4处理组呈负相关，T1、T2处理≥0.25 mm团聚体的量比T0处理分别增加了2.83%、7.59%，T3处理≥0.25 mm水稳性团聚体量相比T0处理增加了2.47%，但与T2处理相比，降低了5.12%，T4处理组≥0.25 mm水稳性团聚体量相比T0处理明显减少，分散了水稳性土壤团聚体，根据现有试验，综合考虑试验效果和经济成本，沸石添加量选用10%左右较为合适，MWD的变化趋势与R0.25相似，MWD反映了土壤团聚体大小分布状况，MWD越大，团聚体的稳定性越强，反之越小[35]。

表4 不同处理MWD和R0.25Table 4 MWD and R0.25 of different treatments

2.2.3 沸石对分形特征的影响

分形维数反映了土壤几何形体[36]。T1、T2、T3处理分形维数分别为2.69、2.63、2.58，说明经此3种处理后，土壤的水稳性大团聚体量增大，T4处理分形维数增大至2.72。在沸石掺配量较小时，沸石颗粒对土壤颗粒的黏结作用更加明显。分形维数的大小与各级团粒结构的多少密切相关，当土壤≥0.25 mm团聚体量增大时，分形维数减小，反之，分形维数增大。

3 讨 论

3.1 沸石添加量对土壤水分入渗的影响

入渗过程受土壤质地、体积质量、团聚体等多种因素的影响[6]，添加沸石后，土壤累积入渗量、入渗率均减小，沸石能有效减缓土壤水分运动过程，与T0处理相比，入渗率、累计入渗量、湿润锋等均减小。沸石是一种能够贮藏水分的疏松多孔结构[34]，并且能在外界条件改变时自由排出水分，达到蓄水保墒的目的，早前研究已经证明[37]，沸石的施加改变土壤孔隙状况[27]，增大土壤体积质量[18]，也会减缓土壤水分下渗过程。

3.2 沸石添加量对水稳性团聚体的影响

沸石对水稳性团聚体的影响与施加量有关，当沸石含量为 0%、5%、10%、15%时，粒径≥0.25 mm水稳性团聚体量增加，在10%时达到最大（13.73），与姜淳等[37]研究结果一致，沸石的强离子交换能力、大比表面积都能促进土粒絮凝形成团聚体。继续增大沸石添加量至20%，粒径≥0.25 mm水稳性团聚体总量仅有6.01%，戴显庆等[17]、马媛媛等[18]也得出类似的结论。小体积的团聚体量也大量增加，这些微小团聚体在水分运移和重力的双重作用下填充土壤空隙[38]，影响土壤中的水分运动。

4 结 论

1）向黑垆土施入沸石，可减小土壤的累计入渗量和入渗率，沸石添加量越大，阻渗效果越明显，沸石量大于10%时，入渗率、累计入渗量相比10%，变化甚微。

2）加入一定量的沸石后，沸石的大比表面积和强静电场，有利于土壤水稳性团聚体的形成，当沸石添加量由0增加到10%时，水稳性大团聚体由10.76%增加到18.35%，但是继续增加沸石添加量至15%，水稳性团聚体减小至13.2%，当沸石添加量到20%时，水稳性团聚体仅有6.01%，过量的沸石分散土壤中原有的水稳性团聚体结构，破环土壤的结构。

3）应用沸石改良土壤时，沸石添加量不大于10%较为适宜，对粉砂质壤土入渗影响明显，又不致破坏土壤团聚体。