膨润土添加对沙土持水能力的改善

马海于，李诚志，3

（1.新疆大学生态与环境学院，新疆乌鲁木齐 830017；2.新疆大学教育部绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830017；3.新疆精河温带荒漠生态系统教育部野外科学观测研究站，新疆精河 833300）

0 引言

在我国干旱、半干旱区，沙化土地面积分布广泛，包括自然形成的风沙土、戈壁土以及矿山开采过程中形成的沙质土壤。这种沙质土壤结构性差、颗粒粗糙，主要为粗砂和细沙，颗粒间孔隙大，土壤结构疏松，水分渗透速度快，土壤保水、保肥能力差［1］。干旱、半干旱区沙土上的农业生产，矿山生态修复中的植被恢复，均需要改善土壤条件，提高土壤持水能力。

土壤水分是植物生长所需要的直接水源，是维持农业生产发展的必要条件［2］。土壤所吸持的水分包含有两部分：土壤颗粒物分子引力吸持的水分和土壤孔隙中毛细管吸持的水分［3］。植被主要利用后者所吸持的水分。影响土壤持水能力的因素众多，包括：土壤颗粒性质、土壤盐分、土壤有机质、土壤总孔隙度、土壤粘粒含量、毛管孔隙度、土壤粉粒含量等［4-7］。在影响土壤持水能力的众多因素中，土壤孔隙度以及粘粒含量影响较大，改善土壤持水能力也往往从这2 个方面入手。增强土壤持水能力是干旱区水分利用研究的一个重要方向。寻找经济高效的保水材料和保水方法来提高土壤持水能力是我国西北干旱区水分利用研究的热点问题之一。

目前，关于土壤持水能力的改善方法大致有4 种，即：土壤免耕、秸秆覆盖、土壤混合法及使用保水剂。韩丽文等［8］研究表明免耕、秸秆覆盖土壤相比于传统的耕地，含水率较高。土壤免耕改善了其土壤的理化性质，提高了土壤自身蓄水量；秸秆覆盖土壤能隔绝水分蒸发，提高了土壤的持水能力［9］。土壤混合法就是把持水能力较强的土壤与持水能力较弱的土壤相混合，改善持水性差的土壤的物理结构，从而达到保水目的。李明玉［10］发现生物炭加入黏土中形成的混合土可以降低土体的密度和颗粒相对密度，提高土体的液塑限和pH 值。随着生物炭掺量的增加，生物炭-黏土混合土的最优含水率逐渐增大，最大干密度逐渐减小。土壤保水剂是一种高分子聚合物，是利用保水性能力高的树脂制成。保水剂吸水能力相当强，能吸收比自身重千百倍的水分，且能长久的保持。张妙［11］研究发现聚丙烯酰胺（PAM）保水剂施入土壤中可以降低土壤容重、增大土壤孔隙度、增加土壤渗透性和保水性。已有的土壤持水能力改良方法虽然效果显著但也存在很多不足，比如土壤免耕、秸秆覆盖仅适用于耕地土壤，保水剂价格高昂，土壤混合法则没有确定一个合理的阈值。因此，继续寻求价格低廉、保水能力好，且能大量应用的土壤改良材料及方法对西北干旱区农业生产以及矿山生态修复具有十分重要的意义。

膨润土有较强的吸水能力，可吸附自身质量约十倍的水分［12-14］，可用于提高沙质土壤的保水蓄水能力。鉴于此，试验将0～50 μm 的膨润土和150～200 μm 的沙粒按不同比例混合，形成混合土壤来研究膨润土添加对土壤持水能力的影响，寻找合适的配比，提高沙土持水能力。为我国西北干旱、半干旱区的农业生产和矿山生态修复提供新技术和新理论。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的沙土源自于青河县砂铁矿的尾矿库，密度为1.477 9 g/cm3。为避免沙土粒径对实验的影响，试验前对沙土进行筛分，选择粒径比例最大的（粒径150～200 μm）组分作为实验用沙土。膨润土来自河南南阳浩发膨润土有限公司，粒径为0～50 μm，密度为1.109 8 g/cm3。为消除沙土含有的自然离子的影响，用去离子水对沙土进行清洗，直到清洗过后沙土的悬浊液的电导率小于50 μS/cm，将沙土放入恒温105 ℃烘箱中烘干备用。

1.2 试验设计

将0～50 μm 膨润土和清洗后的沙粒按比例（如表1所示）进行混合试验，每个比例设置3 个平行对照组。将混合好的土样装入环刀中，通过环刀法测土壤容重和总孔隙度。将装满混合土样的环刀放于盛有水的磁盘上，环刀顶部使用保鲜膜封住（防止水分蒸发），让混合土样自然吸水。每日对吸水环刀土样进行称重，直至环刀中的土样不再吸水为止（连续3日环刀土样重量差值在0.01 g内），即达到饱和持水量。混合土样到达饱和持水量后进行自然蒸发实验。将环刀表面的保鲜膜去掉，在室内环境进行土壤水分蒸发试验。每天定时（每日12 点）记录一次环刀土样重量数据，因为前人研究发现，在分别施加聚丙烯酰胺（PAM）和羟甲基纤维素钠（CMC）两种保水剂时，土壤样品均在蒸发12 d 后逐渐接近稳定蒸发［15］，所以，试验选择连续测定16 d，计算土壤日蒸发量和累积蒸发量。

表1 膨润土（0～50 μm）和沙土（150～200 μm）混合比例（体积比）%Tab.1 Bentonite（0～50 μm）and sandy soil（150～200 μm）mixture ratio（volume ratio）

1.3 测试指标和方法

（1）土壤容重。土壤容重采用环刀法测定。先称重干净环刀，得到质量m1，然后称装有混合土样的环刀总重，得到质量m2。采用公式（1）计算土壤容重。

式中：Pb为土壤容重，g/cm3；m1为环刀质量，g；m2为环刀加混合土样质量，g；V为环刀容积，cm3。

（2）土壤饱和持水量。将装满混合土样的环刀放于盛水的磁盘上，让混合土样自然吸水，每日对吸水环刀土样进行称重，直至环刀中的土样不再吸水为止（连续3 日环刀土样重量差值在0.01 g内），即达到饱和持水量。计算公式（2）：

式中：X为土壤饱和持水量，%；m3为吸水达到饱和后环刀加土样质量，g；m2为吸水前环刀加土样质量，g；m1为环刀质量，g。

（3）土壤毛管持水量。参照《LY-T1215-1999 森林土壤水分-物理性质的测定》（LYT 1215-1999）中的土壤毛管水量测定方法，将吸水达到饱和后的环刀放置在预先备好的沙盘中2 h，让土壤中非毛管水全部流出后称重，计算土壤毛管持水量（%），计算公式（3）：

式中：Cm为土壤毛管持水量，%；m4为吸水达到饱和后又置沙两小时后的环刀加土样质量，g；m2为吸水前环刀加土样质量，g；m1为环刀质量，g。

（4）土壤日蒸发量。将吸水饱和后的土样去掉保鲜膜，然后将其放在天平上。每天定时记录土样重量，计算每日土壤水分蒸发量。

式中：vt为土壤日蒸发量，g；mt为t天蒸发掉的质量，g；mt－1为（t－1）天的蒸发量，t为天数，d。

（5）土壤的残余水量。

式中：Q为土壤的残余水量，%；m5为土壤累积蒸发量，g；m3为吸水达到饱和后环刀加土样质量，g；m2为吸水前环刀加土样质量，g。

（6）总孔隙度。根据土壤容重，可估计得总孔隙度：

式中：Tp为总孔隙度，%；Pb为土壤容重，g/cm3；Pp为土壤比重（平均密度是2.65 g/cm3）。

（7）毛管孔隙度。

式中：Gm为毛管孔隙度，%；Cm为毛管持水量，%；Pb为土壤容重，g/cm3。

（8）非毛管孔隙度。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010 对所有数据进行预处理。用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，显著性水平用P表示（P<0.05）。使用OriginPro 2021 软件进行作图。用良田高拍仪软件V6.02进行拍，使用Ps软件对图片进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同混合比例对土壤物理性质的影响

随着膨润土比例的增加，土壤样品质量、非毛管孔隙度和容重逐渐减小，总孔隙度和毛管孔隙度逐渐增加。当膨润土比例为16%时，其土壤样品质量和土壤容重值最低，分别为141.9 g、1.419 g/cm3。当膨润土比例为0时（即对照组样品），其土壤样品质量和土壤容重值最高，分别为147.79 g、1.477 9 g/cm3。当膨润土比例为16%时，其土壤样品质量和土壤容重值均是当膨润土比例为0 时的96.01%。当膨润土比例为16%时，总孔隙度为46.45%，分别是膨润土比例为0、4%、8%、12%时的1.050 3倍、1.037 2 倍、1.024 6 倍、1.012 2 倍。当膨润土比例为16%时，毛管孔隙度为41.79%，分别是膨润土比例为0、4%、8%、12%时的1.115 7 倍、1.095 2 倍、1.075 1 倍、1.034 8 倍。当膨润土比例为16%时，非毛管孔隙度为4.66%，分别是膨润土比例为0、4%、8%、12%时的68.84%、70.35%、72.07%、84.61%。膨润土的添加在一定程度上降低了土壤的容重和非毛管孔隙度，增加了土壤的总孔隙度和毛管孔隙度。

表2 不同混合比例土壤的物理性质Tab.2 Physical properties of soils with different mixing ratios

2.2 不同混合比例对土壤饱和持水量的影响

不同混合比例土壤的饱和持水量和所需的时间如图1 所示。随着膨润土比例的增加，土壤饱和持水量和所需的时间均大幅增加。当膨润土的比例为4%、8%、12%和16%时均远远高于对照组（P<0.05）。当膨润土的比例为8%和16%时，土壤饱和持水量分别是对照组的1.070 4 倍、1.175 7 倍。当膨润土的比例为16%时，土壤饱和持水量最高，为30.404%。当膨润土的比例为4%、8%、12%和16%时，达到土壤饱和持水量所需时间分别是对照组的13.534 倍、23.134 倍、47 倍、64.2 倍。当膨润土的比例为16%时，所需时间最长，为321 h。由此可见，添加膨润土极大的增加了土壤饱和持水量，同时也极大延长了土壤的吸水时间。

图1 不同混合比例对土壤饱和持水量的影响Fig.1 Influence of different mixing ratios on soil saturated water holdup

2.3 不同混合比例土壤的累积蒸发量

不同混合比例土壤的累积蒸发量如图2所示。随着膨润土比例的增加，土壤累积蒸发量逐渐减小。当膨润土比例为4%、8%、12%和16%时，土壤累积蒸发量均小于对照组，分别减少1.034%、1.428%、4.504%和4.819%。当膨润土比例为16%时，土壤的累积蒸发量最小，仅为36.21 g，略小于膨润土比例为12%时的累积蒸发量。当膨润土比例为0 时，累积蒸发量在前7 d迅速增加，7～10 d增加速率变缓，10 d后累积蒸发量保持不变，停止蒸发。在前面4 d，膨润土的添加对土壤累积蒸发量影响不大。4 d 后，膨润土的添加对土壤累积蒸发量的抑制效果逐渐变的明显。当膨润土比例为0、4%、8%、12%和16%时，土壤累积蒸发量曲线均在6～7 d 出现转折，由快速增加变为缓慢增加。由此可知，膨润土的添加对土壤蒸发具有较强的抑制作用。随着膨润土比例的增加，对土壤蒸发的抑制作用逐渐增强。

图2 不同混合比例土壤的累积蒸发量Fig.2 Cumulative evaporation of soils with different mixing ratios

2.4 不同混合比例土壤的日蒸发量

不同混合比例土壤的日蒸发量如图3 所示，随着天数的增加，土壤的日蒸发量均先快速降低，后缓慢降低，最后趋于稳定。当膨润土的比例为0时，土壤日蒸发量在前面的9 d内均高于掺了膨润土的混合土壤，当到第11 d 时，土壤的日蒸发量几乎为0，即蒸发结束。然而，添加膨润土的土壤仍在进行蒸发。当膨润土比例为4%、8%和12%时，在前面的11 d 内土壤的日蒸发量均略高于膨润土比例为16%时的土壤日蒸发量，在11 d以后均逐渐降低，并且逐渐低于膨润土比例为16%时的土壤日蒸发量。由此可见，膨润土的添加在一定程度上抑制了土壤的蒸发，降低了土壤的失水速率，使得土壤中的水分得到缓慢的释放，提高了土壤的保水能力。

图3 不同混合比例土壤的日蒸发量Fig.3 Daily evaporation of soils with different mixing ratios

2.5 不同混合比例土壤的含水量

随着膨润土比例的增加，土壤的毛管持水量和残余水量均逐渐增加。当膨润土比例为16%时，土壤的毛管持水量和残余水量值均最大，分别为29.45%、15.99%。当膨润土比例为0 时，土壤的毛管持水量和残余水量值均最小，分别仅为25.34%、0.47%。当膨润土比例为0时，土壤残余水量的方差最小。当膨润土比例为4%、8%、12%和16%时，土壤残余水量的方差均较大。当膨润土比例为4%时，土壤毛管持水量的方差最小。当膨润土比例为8%、12%和16%时，土壤毛管持水量的方差均较大。这可能是由于膨润土与沙土混合的均匀度不同造成的。当膨润土比例为0时，由于土壤中的水分几乎蒸发殆尽，导致土壤表面的沙粒极为松散。当膨润土比例为4%时，土壤表面开始出现了一定的板结现象，其表面松散的沙粒也略微减少。当膨润土比例为8%、12%和16%时，土壤表面松散的沙粒显著减少。由此可见，随着膨润土比例的增加，土壤表面松散的沙粒也越来越少，这可能是由于沙粒在膨润土的作用下胶结在一起，使得土壤表面变得致密坚硬。膨润土的增加，使土壤的持水能力得到极大提高。这可能是由于膨润土的添加使得土壤中的大孔隙减少，细小孔隙增加，由此导致土壤中的毛管孔隙增加，导致土壤中能储存更多的水分。同时，膨润土的添加能使得土壤表面松散的沙粒胶结在一起，形成一层致密坚硬的土层，对土壤内部水分的蒸发在一定程度上也具有抑制作用，因此在一定程度上也提高了土壤的持水能力（见图5）。

图4 不同混合比例土壤的含水量Fig.4 Moisture content of soils with different mixing ratios

图5 不同混合比例土壤的表面图Fig.5 Surface map of soil with different mixing ratios

3 讨论

试验对5 种不同混合比例土壤持水能力的研究结果表明，添加膨润土后的土壤持水能力均大于对照组，土壤饱和持水量、毛管持水量和残余水量均随着膨润土比例的增加逐渐增加。并且膨润土的添加使得土壤容重降低，土壤总孔隙度增加，大孔隙减少，毛管孔隙增加，容纳毛管水更多，因此使得沙质土壤变得更有利于植被生长发育。

土壤容重和孔隙度是土壤物理特性的2 项重要指标，反映土壤的通气透水情况，可以一定程度的反映土壤持水能力的大小［16，17］。容重是反映土壤紧实度的一个重要指标，也是衡量土壤质量的一个重要参数，反映土壤通气性、透水性等性状［18，19］。土壤容重是多因素影响的土壤物理参数，如植被根系、土壤水分状况和土壤通气状况等。土壤容重与土壤质地、结构、有机肥含量以及各种自然因素和人工管理措施等密切相关［20］。研究表明土壤容重越大，土壤越紧实，土壤团粒结构越少，且透水、通气性差，涵养水源功能也随之降低，容重小则相反［21］。孔隙度反映土壤孔隙状况和松紧程度，具有通气、透水和保水的作用，也可以储存有机物。土壤孔隙按其直径的大小可以分为毛管孔隙和非毛管孔隙。毛管孔隙具有毛细作用，而且孔隙中的水分传导率大，易于被植物吸收利用。因此毛管孔隙度是表征植被吸收水分并维持自身生长发育的一个关键性指标。研究发现，随着膨润土比例的增加，土壤容重呈线性关系逐渐减小，如图6 所示；与容重相反，土壤总孔隙度随着膨润土比例的增加呈线性增加；毛管孔隙度也随着膨润土比例的增加而逐渐增加。这可能是由于膨润土的粒径小，远小于沙土的粒径，使得其能够填充到沙土的大孔隙中，使得大孔隙减少，细小孔隙增多，毛管孔隙增多，土壤毛管水增多。非毛管孔隙比较大，不具有毛细作用，其孔隙中的水分可在重力的作用下排出。非毛管孔隙度一方面反映土壤通气状况，另一方面在下雨时，通气发达的土壤可以快速吸收雨水，使之不造成地表径流。因此非毛管孔隙度的大小反映了土壤的通气性、透水性和涵养水源的能力的大小。前人研究发现非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，越有利于土壤渗透和水分下渗，但不利于土壤中水分的保持［22］。研究发现随着膨润土比例的增加，土壤非毛管孔隙逐渐减少。说明随着膨润土比例的增加，土壤的通透性变弱，不利于土壤的渗透和下渗。土壤持水性作为土壤生态功能的重要指标，反映了土壤蓄集和保持水分的能力，其大小主要取决于土壤厚度、土壤孔隙度状况等［23］。由图1可知，添加膨润土的土壤其饱和持水量和土壤的吸水时间较对照组均有较大的提高，且随着膨润土比例的增加而逐渐增大。由图4 可知，添加膨润土的土壤其毛管持水量和残余水量较对照组均有较大的提高，且随着膨润土比例的增加而逐渐增大。其主要是由于添加膨润土使得土壤的总孔隙度增加，特别是毛管孔隙度的增加，使得土壤持水能力得到大幅提高，同时小粒径的膨润土填充到沙土的大孔隙中，使得土壤中的细小孔隙增加，导致土壤的吸水过程变得缓慢，使其能够在更长的时间内吸收更多的水分。同时膨润土的添加也能使得土壤表面松散的沙粒胶结在一起，使得土壤表面变得致密坚硬，对土壤内部水分的蒸发在一定程度上也具有抑制作用，从而使得土壤的持水能力得到大大提高。土壤的持水能力越强说明土壤能够容纳更多的降水，更能充分地发挥土壤保持水分的功能。

图6 不同混合比例土壤的物理性质Fig.6 Physical properties of soils with different mixing ratios

此方法中用到的膨润土原料分布广泛，价格低廉，保水能力好，并且此方法操作简便易于实行，能够明显提高沙质土壤持水能力。不过，在试验中用到的沙土粒径单一，此方法所确定的最优比例仅适用于矿区沙质土壤持水能力的改善，对于其他类型的土壤，其膨润土施用量的多少，还需重新确定。

另外，虽然土壤容重和孔隙度是描述土壤物理性质的重要指标［24，25］，可以一定程度的反映土壤持水能力的大小，但是土壤持水能力还与土壤结构、盐分、黏粒含量等［26，27］有关，这些参数的影响在此次试验中没有充分考虑。尤其是土壤盐分。因为，我国西北干旱、半干旱区的大部分土壤均为盐碱土，土壤中含有大量盐分，例如NaCl、Na2SO4、Na2CO3等［28-30］，均会影响土壤持水能力。在以后的研究中，可以考虑盐分的影响。

4 结论

本文进行了膨润土与沙土混合土壤的吸水与蒸发试验，通过对混合土壤容重、土壤含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤累积蒸发量和日蒸发量的分析，来研究膨润土含量对沙土持水能力的影响。得出以下结论：

（1）随着膨润土比例的增加，土壤容重和非毛管孔隙度逐渐减小，总孔隙度和毛管孔隙度逐渐增加，有利于土壤储存更多的毛管水，供植物吸收利用。

（2）添加膨润土的土壤其饱和持水量较对照组均有较大的提高，同时也延长了土壤的吸水时间。随着膨润土比例的增加，土壤饱和持水量和土壤的吸水时间表现出逐渐增加的趋势。膨润土的添加使得土壤的吸水过程变得缓慢。

（3）膨润土的添加，土壤的累积蒸发量和日蒸发量均在一定程度上得到了抑制，同时也大大延长了土壤的蒸发时间。随着膨润土比例的增加，对土壤中水分的蒸发抑制程度也在逐渐增强。膨润土的添加也能使得土壤表面松散的沙粒胶结在一起，使得土壤表面变得致密坚硬，对土壤内部水分的蒸发在一定程度上也具有抑制作用。因此，向土壤中添加膨润土，能够极大的抑制土壤中水分的蒸发，使得土壤的释水过程变得缓慢，有利于土壤在更长的时间内保持更多的水分。

（4）随着土壤中膨润土比例的增加，土壤累积蒸发量与蒸发天数呈对数函数关系，土壤日蒸发量与蒸发天数呈幂函数关系。随着膨润土比例的增加，土壤的残余水量逐渐增加。因此，膨润土的添加，使得土壤的持水能力得到极大提高。