0 引言
珍珠岩是一种酸性火山玻璃质熔岩，在高温下体积能够迅速膨胀高达数十倍，从而形成多孔状的膨胀珍珠岩[1]。我国的珍珠岩资源丰富，截止到2015年底，已探明的储量为3.9×108 t左右[2]。我国使用的珍珠岩主要局限于20～60目之间的矿砂，并且广泛应用于建筑、石油、化工等工程方面[3]，其余粉矿会作为尾矿丢弃，这不仅造成资源的浪费，而且还会污染矿区的周边环境[4]。因此，综合开发利用珍珠岩是我国珍珠岩行业发展的重要课题。
环境材料是具有最大使用功能、最低环境负荷的人类所需材料，包括改造的现有传统材料和新开发的环境材料，其最大特征是具有功能性、环保性和经济性[5-6]。珍珠岩作为一种环境材料，在建筑和化学工业中应用广泛[7]。珍珠岩在园艺上非常重要，可作为无土栽培介质和盆栽混合物[8]。基质培养在世界各国越来越重要，如岩棉在西北欧很常见，而珍珠岩在南欧有大量的使用[9]。珍珠岩具有无数不规则的密闭气孔，蜂窝状结构很发达，具有吸附性、吸水性、疏松性、透气性、保墒性、贮存（肥、水）性和无菌性等综合优良特性[10]，所以珍珠岩在土壤改良与提高作物产量方面的应用正在扩大，这对珍珠岩来说是一个增长的领域[11-12]。如东北将膨胀珍珠岩废料微粉应用到大田作物方面；云南省烟草生产基地用珍珠岩施肥烟叶而取代进口化肥；河南省将其施用于花生、红挤等根茎作物等[13]。房超等[14]选用泥炭土、珍珠岩、蛭石改良剂混配进行麦草种植，试验表明珍珠岩能够改善赤泥基质的物理机械结构。王啸宇等[15]对10种屋顶绿化栽培基质材料的筛选与组合，发现珍珠岩具有较快的吸水速率。胡雨彤等[16]研究表明，添加60%珍珠岩可改善污泥的通透性差和盐分高等问题，进而影响污泥理性状来改善孔雀草生长，对植物地上、地下部分生长均有良好的调节作用。Naddaf等[17]研究表明，堆肥猪粪与珍珠岩质量比按1∶1混合后，增加了实际含水率并降低了实际空气量。以上研究表明，珍珠岩能够很好地调节土壤水气，在农业保水防涝方面具有重要研究价值，但珍珠岩粒径大小对调节土壤或基质水气的变化特征鲜有报道。
基于此，通过观察珍珠岩表面结构、探究其吸失水性质及对土壤水分的影响，旨在说明不同粒径的珍珠岩对土壤水分的影响，为选用珍珠岩粒径及其协调土壤水气平衡提供一定理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
珍珠岩由太原理工大学材料与工程学院提供，原产地为河南信阳，主要化学成分质量百分比为：SiO2，72.93%；Fe2O3，0.53%；Al2O3，12.9%；FeO，0.18%；MgO，0.16%；CaO，0.76%；K2O，5.30%；MnO，0.06%；Na2O，2.57%；烧失量，4.97%[18]。
土壤采自山西省太谷县侯城乡荒地（0～20 cm），为石灰性褐土，pH值为8.1，碱解氮质量分数为51.0 mg/kg，速效磷质量分数为6.5 mg/kg，速效钾质量分数为86.8 mg/kg，含水率为8.14%，孔隙度为50.93%。此土壤经风干后过2 mm筛，备用。
1.2 试验方法
1.2.1 珍珠岩的扫描电镜分析
珍珠岩经过超声清洗、干燥后，用导电胶固定在样品台上，经真空喷金后，放在扫描电镜下观察，选取清晰图片，拍片保存。
1.2.2 珍珠岩的保水性能测定
将一定质量（记为m1）的珍珠岩，大粒径、中粒径、小粒径的处理分别记为B、M、L，使其各自吸水达到饱和，然后分别在30℃与50℃下静置，每隔0.5 h称质量（记为m2），按珍珠岩的保水率B[19]计算式为：
1.2.3 盆栽试验
试验于2017年10月在山西农业大学资源环境学院实验室内进行。表1所示为各试验处理设置及基本物理性质，各处理3次重复。试验选用聚乙烯盆，每盆下放置1个底盘，每盆种饱满的小麦种子30粒。从底盘中浇水，第1天每盆浇水400 mL，每天每盆浇水50 mL，各盆随机排列并定期移换位置，常规管理。待出苗3 d后间苗至20株，停止浇水，然后每隔5 d采样，用烘干法测定土壤含水率[20]。
表1 各处理设置及基本物理性质
处理CK1 B1 M1 L1干土质量/kg 1 1 1 1珍珠岩0 g 10 g大粒径10 g中粒径10 g小粒径体积质量/（g·cm-3）1.37 1.30 1.36 1.48总孔隙度/%47.25 50.00 47.69 43.14
1.2.4 土壤水分入渗试验
2017年10 月在室内采用一维垂直定水头法测定珍珠岩混合土壤入渗过程，试验用内径10 cm，高50 cm，厚0.8 cm的有机玻璃柱，其底部均匀分布多个半径为2 mm的细孔。在土柱底部装5 cm半径为0.6 mm的玻璃珠并在其上层铺薄层纱布以防止土粒落入。试验使用内径为19 cm，高为45 cm的圆柱体马氏瓶供水，所有处理的供水水头控制在5 cm。
各处理土壤与盆栽试验相同，然后将处理好的土壤分4层装入土柱中，每层高10 cm，将层间打毛，防止分层。添加大粒径珍珠岩的处理为B2，中粒径为M2，小粒径为L2，以不加珍珠岩为对照CK2，每个处理设置3个重复，共进行12次试验。在试验过程中，记录马氏瓶水位高度和湿润锋进程，在前5 min内，每隔1 min记录1次；5～70 min内，每隔5 min记录1次；70 min以后每隔10 min记录1次；直至湿润锋运移到土柱底部为止。
1.2.5入渗模型
采用Horton、Philip、kostiakov入渗模型[21]对入渗结果进行拟合，并对3种模型的适用性进行评价。
Horton模型：
式中：ft为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；f0为初始入渗速率（mm/min）；fc为稳定入渗速率（mm/min）；k为模型参数。
Philip模型：
式中：ft为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；a为稳定入渗速率（mm/min）；s为模型参数。
Kostiakov模型：
式中：ft为入渗速率（mm/min）；t为入渗时间（min）；a，b为模型参数。
1.2.6 数据分析
采用Excel 2007进行数据处理和作图，利用SPSS 24.0软件进行统计分析与方程拟合，采用LSD法检验处理间差异显著性，设定α=0.05为显著水平。
2 结果与分析
2.1 不同粒径珍珠岩的扫描电镜图像
图1为珍珠岩表面扫描电镜图像，由图1可以看出，不同粒径珍珠岩的孔隙状况不同。图1（a）为大粒径珍珠岩，粒径为1～3 mm，呈蜂窝状，表面存在着大量的开口孔隙，孔隙直径范围为30～100μm。图1（b）为中粒径珍珠岩，粒径为50～200μm，是不含孔隙的碎屑与具有孔隙结构的小颗粒的混合物，小颗粒的孔隙直径范围为1～10μm。图1（c）为小粒径珍珠岩，粒径小于50μm，呈碎屑状，不具有孔隙结构。
图1 珍珠岩扫描电镜图像
大粒径的珍珠岩经过机械破碎形成中粒径的珍珠岩，在这个过程中，大粒径的珍珠岩表面的许多大孔隙因为壁较薄，会因为敲打而破碎成不含孔隙结构的碎片状珍珠岩，而内部较小的孔隙周围有较厚的壁，易被保留下来形成小颗粒珍珠岩，所以扫描电镜下的中粒径珍珠岩颗粒的表面孔隙间隔较大，孔隙较大粒径更小。经过磨碎形成的珍珠岩粉，即形成的小颗粒珍珠岩，孔隙结构完全被破坏，形成了碎片状的珍珠岩。王怡等[1]对大粒径珍珠岩进行了扫描电镜观察，且观察结果与本研究一致，但鲜有人对更小粒径的珍珠岩进行研究。3种粒径的珍珠岩代表着3种不同状态：大粒径为结构完整型，中粒径为部分结构完整型，小粒径为结构完全破坏型。
2.2 不同温度对珍珠岩保水性的影响
珍珠岩在不同温度下的持水状况如图2所示，大粒径（B）、中粒径（M）与小粒径（L）珍珠岩的最大吸水率分别为406.33%、432.05%、257%，这说明珍珠岩具有吸水性，吸水能力从大到小依次为中粒径、大粒径、小粒径。如图2（a）可知，在30℃下，3种粒径的珍珠岩前期失水速率都较快，后期速率变慢，4.5 h后，小粒径的珍珠岩基本完全失水；6 h后，大粒径与中粒径的珍珠岩水分散失缓慢；8 h时大粒径的持水率为140.78%，中粒径为163.23%，说明在常温下，大粒径与中粒径珍珠岩都具有一定的保水能力。如图2（b）可知，50℃下，7 h后大粒径与小粒径的珍珠岩基本完全失水，而中粒径还保持着较少的水分，为32.12%，这说明高温下，珍珠岩对水分的保持能力不强。
中粒径珍珠岩最大吸水量最高，这不仅因为中粒径珍珠岩部分颗粒有较小的孔隙，还因为珍珠岩粒径变小，颗粒之间的接触角减小，从而形成更小的孔隙，小孔隙对水分的吸持能力较强；而大粒径的珍珠岩，颗粒之间形成的孔隙很大，对水分吸持能力较小；小粒径珍珠岩颗粒自身不带有孔隙，所以吸水量最小。30℃下，大粒径与中粒径的珍珠岩具有一定的保水能力，这是由于珍珠岩内部的三维网络结构将部分水分存于其中，这与石燕军等[22]制备的保水材料研究结果相似；而50℃下，3种粒径的珍珠岩在7 h后基本完全失水，这可能是因为高温下水分容易蒸发，这也能说明珍珠岩主要靠孔隙吸持水分。
图2 不同温度下珍珠岩持水率
2.3 珍珠岩对土壤含水率的影响
土壤改良剂能改善土壤水分状况[23]，珍珠岩常用于改良土壤结构，对土壤水分影响也较大。由图3可知，在盆栽试验中，相同处理停止浇水后的第5天、第10天、第15天测定的土壤含水率，差异均显著（p＜0.05），随着天数的增多，土壤含水率显著降低。第5天，以M1处理（中粒径）含水率最高，其值为26.89%，但测定的含水率与CK1差异不显著，说明添加中粒径的珍珠岩对土壤水分有一定的保蓄能力；B1处理和L1处理的含水率分别为20.53%、23.57%，都低于CK1，其中B1处理与CK1之间差异显著（p＜0.05），说明大粒径与小粒径的珍珠岩能促进土壤水分的蒸发，减少土壤含水率。第10天与第15天各处理的含水率趋势与第5天的相似。总的来说，不同粒径珍珠岩对土壤水分影响较大，过大和过小的粒径都会增加土壤水分的散失，不利于保水，而中粒径的珍珠岩具有一定的保水效果。大粒径与中粒径的珍珠岩具有较强的吸水性，且具有较好的保水性，但在供水量一定时，添加大粒径珍珠岩的土壤水分散失更快，这可能是由于大粒径珍珠岩密度小，本身具有大量的大孔隙，它能减小土壤体积质量，疏松土壤，增加土壤透气性，加快土壤水分蒸发[24]，这与胡雨彤等[16]利用珍珠岩作为污泥透气性调节材料，发现添加珍珠岩能改善污泥透气性差的问题的研究结果相似。中粒径的珍珠岩粒径为50～200μm，对土壤结构影响不大，而自身孔隙大小为1～10μm，处于土壤毛管孔隙范围，保水能力较强[16]。小粒径珍珠岩颗粒微小且不带孔隙，不具有保水性且在土壤中会填充土壤的大孔隙，总孔隙度减小，由于毛管现象，下土层土壤水分不断向上移动而蒸发，加快土壤水分损失。在早期的报告[25]中称珍珠岩添加到黏土中可以疏松土壤，促进土壤水分的蒸发，添加到沙土中可以起到保水保墒的作用，这与本研究结果不符，可能是因为珍珠岩在土壤中对水分的影响还与珍珠岩粒径有关。珍珠岩粒径大小是影响土壤水分的重要因素，所以在不同的土壤类型中，应该基于不同目的选择适宜粒径的珍珠岩。
2.4 珍珠岩对土壤水分入渗的影响
2.4.1 珍珠岩对土壤累积入渗量的影响
图3 施入不同粒径珍珠岩的土壤含水率
图4 施入不同粒径珍珠岩的土壤累积入渗量
不同粒径珍珠岩土壤累积入渗量如图4所示。从图4可以看出，相同比例的施入量，不同粒径的珍珠岩对土壤累积入渗量的影响较为明显。相同时间内，B2处理与M2处理的累积入渗量明显高于CK2，而L2处理（小粒径）低于CK2，以80 min的累积入渗量为例，CK2、B2、M2、L2处理的累积入渗量分别为5.22、5.67、6.69、4.15 cm。这表明施入大粒径与中粒径的珍珠岩能增加土壤水分入渗量，以中粒径促进效果更明显，而小粒径的珍珠岩会明显抑制土壤水分入渗量。
添加大粒径与中粒径的土柱，土壤累积入渗量增多，这是因为加入珍珠岩，使土壤孔隙度增加，水分通量增加。而添加大粒径珍珠岩的土柱累积入渗量低于中粒径的，这可能是因为大粒径会阻断毛管孔隙，在一定程度上会阻碍水流向下流动，但其表面有许多的大孔隙，会增加土壤孔隙度，土体的容水量并不会减小，所以比CK2累积入渗量更大。小粒径的珍珠岩颗粒微小且不带孔隙，添加在土壤中，会填充土壤孔隙，使土壤孔隙度减小，所以表现为累积入渗量最低，这与何利昌等[26]添加细颗粒物质能抑制土壤水分入渗的研究结果相似。
2.4.2 珍珠岩对土壤湿润锋的影响
湿润锋是湿润区的最前断面，该指标对于作物生长具有重要意义，如水分入渗过浅则不能满足作物需求，入渗过深则导致渗漏损失[27]。由图5可知，相同时间内，M2处理的湿润锋深度最大，B2处理要低于CK2，但差异不明显，L2处理显著低于CK2。在100 min时，CK2、B2、M2、L2处理的湿润锋深度分别为18.72、17.86、21.31、13.70 cm，这说明添加中粒径的珍珠岩能加快土壤湿润锋推进，增加土壤水分入渗深度，而小粒径的珍珠岩显著减慢湿润锋的推进速率，减少土壤水分入渗深度，大粒径珍珠岩对土壤湿润锋的影响不明显。湿润锋推移的速度反映了土壤中水分运动的快慢，添加大粒径与中粒径珍珠岩促进了湿润锋运移，这是因为它们改善了土壤颗粒的级配，使得孔隙分布良好，珍珠岩自身带有孔隙，使得水吸力增大，因而水分运动较快，小粒径的珍珠岩会填充土壤孔隙，孔隙减少，从而使湿润锋推移速率减小，这与胡传旺等[28]研究的南方典型土壤水力特征相似。
2.4.3 珍珠岩粒径对入渗模型参数的影响
为了进一步研究添加不同粒径珍珠岩土壤的入渗过程，选用Horton、Philip、kostiakov模型对其土壤入渗过程进行拟合，各模型参数见表2。Horton模型中，k可以反映入渗曲线斜率，k值越大，瞬时入渗率衰减越快。由表2可知，添加3种粒径的珍珠岩中，以中粒径的k值最大，小粒径与大粒径的k值较小，这说明随着粒径的变化，瞬时入渗率衰减变化没有明显规律，这与詹振芝等[29]的研究结果不一致。一定程度上，Philip模型参数s可以反映初始入渗率的大小，数据中反映的情况与其他2个模型相同，都是以添加中粒径珍珠岩的处理最大，表明中粒径的珍珠岩能促进土壤入渗。kostiakov模型中的a值与Horton方程中的k值物理意义相似，变化规律也同Horton方程中的k值相同。R2是回归方程的决定系数，其值越大表明拟合效果越好。Horton方程拟合的R2值在0.774～0.953之间，平均值为0.887；Philip方程拟合的R2值在0.705～0.859之间，平均值为0.793；kostiakov方程拟合的R2值在0.707～0.906之间，平均值为0.821，说明Horton方程拟合效果最好，更适合本试验的入渗模型。
图5 施入不同粒径珍珠岩的土壤湿润锋深度
表2 不同粒径珍珠岩处理下的土壤水分入渗模型参数
不同粒径珍珠岩处理CK2 B2 M2 L2 Horton模型f0 5.04 7.42 12.64 7.31 k 0.40 0.66 0.78 0.61 R2 0.774 0.899 0.921 0.953 Philip模型S 6.85 7.05 10.43 7.56 R2 0.705 0.808 0.801 0.859 Kostiakov模型a 3.37 3.73 5.60 3.96 b 0.52 0.56 0.68 0.72 R2 0.707 0.823 0.849 0.906
有研究表明将珍珠岩施入土壤，可以防止土壤水分流失，提高土壤保墒能力[30-31]，这与本研究不太一致，本研究发现，不同粒径珍珠岩对土壤水分的影响不同，大粒径的珍珠岩用于多水分的土壤中，可以起到疏松土壤，增加大孔隙数量，能有效促进土壤水分蒸发，增进土壤水分下渗；较小粒径的珍珠岩对土体结构不会造成太大的影响，并且具有一定的保水渗水能力，所以在干旱地区具有应用价值，尤其作为盆栽基质时，可以减少浇水量，节约水资源。而房超等[14]、胡雨彤等[16]、刘宪辉[24]在利用珍珠岩改良土壤的研究中未对珍珠岩粒径进行表述，本研究发现，孔隙结构完全遭到破坏的小颗粒珍珠岩并不适合作为土壤改良剂，因为它无论对土壤水分还是结构都有不良影响，因此，在选择利用珍珠岩时，应该综合考虑珍珠岩的特性，基于不同目的选用合适粒径的珍珠岩。
3 结论
1）不同粒径大小的珍珠岩孔隙状况不同，粒径越大，表面孔隙越大，孔隙数量也越多。
2）大粒径与中粒径的珍珠岩具有能吸收自身质量4倍多的水分，在常温下具有一定的保水能力。
3）大粒径（1～3 mm）珍珠岩能增加土壤的透气性，加快土壤水分的散失；中粒径（50～200μm）珍珠岩能协调土壤通气状况，并且能增加土壤有效孔隙，具有一定的保水性；小粒径（＜50μm）珍珠岩会对土壤造成不良影响，会减小孔隙度，不利于土壤的保水。
4）大粒径与中粒径珍珠岩可以促进土壤水分入渗，使土壤水分累积入渗量和湿润锋深度增加，相比而言，中粒径（50～200μm）珍珠岩的促进效果最好。对比3种入渗模型，Horton方程更适何模拟不同粒径珍珠岩的土壤的入渗过程，适合添加不同粒径珍珠岩的土壤入渗模型。
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