改良劑對粉砂質涂地土壤水穩定性團聚體形成和養分供應能力的影響

謝國雄 季淑楓 孔樟良 應金耀

摘 ?要：比較了國內外常用的3種結構改良劑（聚丙烯酰胺、β-環糊精和腐殖酸）對促進粉砂質涂地土壤水穩定性團聚體形成的效果，分析了應用結構改良劑對土壤養分供應能力的影響。結果表明，施用3種結構改良劑均可在一定程度上促進水穩定性團聚體的形成，水穩定性團聚體的數量隨改良劑用量增加而增加。3種改良劑對水穩定性團聚體的改良效果由高至低順次為：聚丙烯酰胺>β-環糊精>腐殖酸。聚丙烯酰胺和β-環糊精的適用量以0.20%為宜。施用腐殖酸對土壤氮、磷、鉀養分供應影響不明顯;但聚丙烯酰胺和β-環糊精可明顯改變土壤養分的供應狀況。對于施肥后再施用改良劑的土壤，土壤釋放養分的能力有一定的減弱;而對于施改良劑后再施肥料，土壤對化肥中養分的吸持能力減弱，供肥能力增加。

關鍵詞：結構改良劑;砂質土壤;水穩定性團聚體;養分供應能力

中圖分類號：S153 ? ?文獻標志碼：A ? ?論文編號：2014-0464

Effects of Amendments on Formation of Water-Stable Aggregates and

Supply Capacity of Nutrients in Silty Coastal Soil

Xie Guoxiong1， Ji Shufeng1， Kong Zhangliang2， Ying Jinyao3

（1Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Hangzhou 310020， Zhejiang， China;

2Agricultural Bureau of Jiande City， Jiande 311600， Zhejiang， China;

3Agricultural Bureau of Xiaoshan District， Xiaoshan 311200， Zhejiang， China）

Abstract： A pot incubation experiment was conducted to compare the effects of three structure modifiers （polyacrylamide， β-cyclodextrin， and humic acid）， used widely at home and abroad， on formation of water-stable aggregates and supply capacity of nutrients in a silty coastal soil. The result showed that application of each of three structure modifiers could improve the formation of water-stable aggregates in the soil， and the amounts of >0.25 mm water-stable aggregates in the soil increased with increasing the rates of the modifiers. The improved effects decreased in the order of polyacrylamide > β-cyclodextrin > humic acid. The optimal dosage of polyacrylamide and β-cyclodextrin for modifying soil structure was about 0.20%. Application of humic acid had no significant effect on supply capacity of nutrients in the soil. However， application of polyacrylamide and β-cyclodextrin could change supply capacity of nutrients in the soil. The soil， added with modifiers after application of chemical fertilizers， had weaker supply capacity of nutrients as compared with control without application of any amendments. While the soil， added with chemical fertilizers after application of modifiers， had stronger supply capacity of nutrients as compared with control.

Key words： Structure Modifiers; Sandy Soil; Water-Stable Aggregate; Supply Capacity of Nutrients

0 ?引言

土壤結構穩定性是土壤理化性狀中一個非常重要的參數，其不僅影響植物生長所需的土壤水分和養分的儲量與供應能力，而且還左右著土壤中氣體交流、熱量平衡、微生物活動及根系的延伸等。水穩定性團聚體的數量可反映土壤結構的穩定性[1-2]。在農業生產中，通過各種途徑提高土壤結構的穩定性將有助于提高土壤的生產力。濱海涂地是浙江省重要的土地資源，其土壤質地和化學性質有較大的空間變化，其中分布在錢塘江兩岸的涂地主要呈（粉）砂質[3]。這些土壤因質地較輕，缺乏無機膠體，土壤有機物質低，土壤多呈散粒狀，在降雨時極易受到沖刷，發生顯著的水土流失。因這些土壤缺乏對有機質保護的礦物膠體，有機物質的礦化速率高，進入土壤的有機物質可在短時間內礦化，有機質不易積累，因此采用常規的施有機肥的方法較難提高這些土壤的水穩定性團聚體，改善土壤的結構性。土壤結構改良劑的研究至今已有一百余年的歷史，目前土壤結構改良劑主要應用于美國、俄羅斯、利比亞、科威特、比利時等石油產品豐富的國家，中國隨著化學工業的發展近年來也逐漸重視。已經研究與應用的結構改良劑包括天然土壤結構改良劑和人工合成土壤結構改良劑二大類，前者包括腐殖酸類、多聚糖類、纖維素類、木質素類等，后者包括聚乙烯醇類、聚丙烯酰胺（PAM）類、瀝青乳劑和聚丙烯腈等[4-6]。這些改良劑在土壤中有較高的穩定性，毒性弱，試驗應用中都顯示出一定的效果，可有效改善土壤結構、提高土壤蓄水能力、提高土溫、增強抗蝕性[7-13]。浙江省土壤改良研究已有較長的歷史，但以往的研究中多采用施用有機肥、石灰和客土法來改善土壤結構性，針對不同土壤結構改良劑對土壤結構性影響研究不多。而一些高分子類的改良劑目前在中國也多用于北方地區的土壤改良[7-9]。為了探索這些改良劑是否適于浙江省砂質土壤的改良，筆者選擇了國內外常用的3種結構改良劑（聚丙烯酰胺、β-環糊精和腐殖酸），研究其對粉砂質涂地土壤水穩定性團聚體形成的效果，分析了應該結構改良劑對土壤養分供應能力的影響。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料

1.1.1 ?供試土壤 ?供試土壤質地呈粉砂質，土壤類型為淡涂砂（屬潮土），采自杭州市蕭山區。采集土壤為耕作層，采樣深度0～20 cm。土樣經風干混勻后用于試驗，土壤理化性狀見表1。

1.1.2 ?供試改良劑 ?供試改良劑包括PAM、β-環糊精和腐殖酸。PAM是一種人工合成的水溶性高分子有機聚合體，呈白色顆粒;β-環糊精是由直鏈淀粉在由芽孢桿菌產生的環糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成的含7個葡萄糖單元的環狀低聚糖類物;腐殖酸是以泥炭、褐煤為原料制成的褐腐酸鈉，是一類多環稠環有機化合物，其結構類似土壤腐殖質。

1.2 ?試驗設計與方法

試驗因素包括結構改良劑種類、結構改良劑用量、化肥與改良劑施用次序等3方面。結構改良劑種類包括PAM、β-環糊精和腐殖酸等3種;結構改良劑用量（以干土為基準）設0.05%、0.10%、0.20%和0.50%，同時設不施結構改良對照;化肥與改良劑施用次序包括先施肥后施改良劑與先施改良劑后施肥等2種，施入NH4-N、NO3-N、PO4-P和K等養分（以干土為基準）數量分別為25、25、30、30 mg/kg，相應的化肥分別為氯化銨、硝酸鈉、磷酸二氫鈣和氯化鉀。共有25個處理，每一處理重復3次。

試驗在直徑25 cm高20 cm的塑料容器中進行，用土量各為3.5 kg。供試土壤改良劑施用量和肥料用量根據設定的比例與土壤實際重量計算。對于先施肥料后施改良劑的處理，先將肥料與土壤充分混勻后，加入適量的水，使土壤含水量達到田間持水量的75%左右，裝入培養容器中，培養1周后，再與需加入的改良劑混勻，重新裝盆;對于先施改良劑后施肥料的處理，先將改良劑與土壤充分混勻后，加入適量的水，使土壤含水量達到田間持水量的75%左右，裝入培養容器中，培養1周后，再與需加入的肥料混勻，重新裝盆;重新裝盆后繼續培養2個月，其間，在土表覆3層砂布以防止加水直接沖刷土壤，培養期間根據重量法加入去離子水使土壤含水量保持在相當于田間持水量的70%～80%。培養2個月后，利用環刀法測定密度，用濕篩法測定水穩定性團聚體;部分土壤經風干后過2 mm土篩用于有效養分的測定。

土壤pH用電位計測定，土水比為1∶2.5;土壤密度用密度圈測定[14];土壤中的有機碳用重鉻酸鉀外加熱法測定;NH4-N、NO3-N用2 mol/L KCl提取，納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定[15]。土壤有效磷（Olsen P）用0.5 mol/L NaHCO3（pH 8.5）溶液提取，比色法測定[14];速效鉀用1 mol/L醋酸銨提取[14];鉀用火焰光度計法測定。數據采用Microsoft Excel 2003軟件處理，本研究數據為3個重復分層土樣分析結果的平均值。

2 ?結果與討論

2.1 ?土壤密度

化肥與改良劑施用次序對土壤密度與土壤水穩定性團聚體的組成影響均不明顯，故在研究改良劑施用對土壤密度與土壤水穩定性團聚體影響分析時，把先施肥后施改良劑與先施改良劑后施肥等2類試驗結果合并統計（表2）。施用改良劑后，土壤密度有所下降（表2），所有施用改良劑的土壤密度均低于對照土壤（1.62 g/cm3），這一結果表明施用結構改良劑可增加內部孔隙，改善土壤通氣性。其中，當改良劑用量在0.10%以上時，土壤密度都顯著低于對照處理。當結構改良劑用量為0.05%時，只有施用腐殖酸的處理土壤密度顯著低于對照土壤。總體上，改良劑降低土壤密度的效果是腐殖酸>β-環糊精>PAM。

2.2 ?土壤水穩定性團聚體

表2結果表明，施用3種結構改良劑均顯著提高了土壤中的大粒徑團聚體。當相同數量的改良劑被應用時，對水穩定性團聚體的增加效果是PAM>β-環糊精>腐殖酸。土壤經不同濃度的PAM處理后，大團聚體隨PAM濃度的增大而有很大程度的增加，對照土壤因缺乏膠結物質，基本上無>5 mm的水穩定性團聚體，但當施用0.05%PAM后，已出現了約4%的>5 mm的水穩定性團聚體;當PAM施用濃度增大至0.10%和0.20%時，>5 mm的水穩定性團聚體呈成倍增加，當PAM的施用量從0.20%至0.50%時，>5 mm的水穩定性團聚體增幅有所減緩。同樣，對于>2 mm和>0.25 mm水穩定性團聚體，當PAM施用量在0.20%以內時，其增幅非常明顯，當PAM施用量從0.20%增至0.50%時，水穩定性團聚體的增幅逐漸減緩。這表明對于研究土壤，添加0.20%濃度的PAM已足夠維持其較高的水穩定性團聚體的數量。施用β-環糊精對土壤各粒級水穩定性團聚體的影響的變化趨勢基本上與施用PAM相似，其合適的用量也約為0.20%，但施用β-環糊精增加土壤水穩定性團聚體的幅度均低于PAM，特別是其對>5 mm團聚體的影響明顯小于PAM。施用腐殖酸對>5 mm和>2 mm水穩定性團聚體形成的促進作用相對不明顯，特別是當其添加濃度低于0.10%時，幾乎對>5 mm和>2 mm水穩定性團聚體沒有影響，但對于>0.25 mm水穩定性團聚體的形成影響較為明顯，這說明施用腐殖酸對2.00～0.25 mm粒級的團聚體形成影響較大。但施用腐殖酸的水穩定性團聚體的數量也只有施用PAM團聚體的一半略多。水穩定性團聚體隨腐殖酸濃度的增加似乎沒有像施用PAM和β-環糊精在高濃度時減緩的現象，前者隨濃度增加呈直線增加。

2.3 ?土壤有效養分

從表3和表4的分析結果可知，先施肥后施改良劑與先施改良劑后施肥這2類處理的土壤養分隨結構改良劑施用與否及改良劑施用量增加的變化趨勢并不相同。對于先施肥后施改良劑的處理，與對照比較，添加PAM和β-環糊精等2種結構改良劑后，土壤中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效鉀含量呈現下降趨勢（表3），下降程度隨改良劑添加量的增加而呈現增加。但添加腐殖酸對養分影響不明顯。而對于先施改良劑后施肥的處理，與對照比較，添加PAM和β-環糊精等2種結構改良劑后，土壤中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效鉀含量呈現增加的趨勢（表4），上升程度隨改良劑添加量的增加而呈現增加。導致二者差異的原因可能是結構改良劑與土壤、養分間發生了一定的作用。

3 ?討論

以上研究結果表明，施用改良劑后土壤密度有所下降，改善了土壤通氣性，這顯然與改良劑改變了土壤結構組成有關。有研究表明[16]，土壤結構改良劑多屬于保水劑，它們可導致土壤體積膨脹，降低土壤密度。孫云秀等[17]的田間試驗表明，地表噴施土壤結構改良劑，可降低密度0.01～0.03 g/cm3，增加孔隙度8.0%～8.3%。汪德水[18]的試驗表明，施用干土重量0.05%～0.30%的PAM可降低密度6%～10%，增加透氣性0.20～3.53倍。

施用3種結構改良劑均顯著提高了土壤中的大粒徑團聚體，但不同改良劑的作用效果有所差異，并隨改良劑施用量的變化而變化。腐殖酸對土壤水穩定性團聚體形成的促進作用不及PAM和β-環糊精，可能與腐殖酸的分子鏈相對較短有關。PAM和β-環糊精為典型的高分子化合物，由于它們的分子量高，單個分子鏈上所能結合的土壤顆粒越多，因此形成的聚合物的穩定性較高。它們與土壤物質的作用機理可能與這些改良劑含有羧基、羥基、胺基、磺酸基、季銨鹽基等，可通過氫鍵、范德華力或通過陽離子橋等與土壤顆粒結合[16]。Wallace等[19]認為高分子化合物與分散的土壤顆粒之間可通過以吸附、纏繞、貫穿或形成化學鍵等方式捕捉分散土粒使之凝聚成團粒，它使土壤大團聚體數目增加，并且使土壤形成體積很大的絮團，增加土壤表面粗糙度。

試驗表明，先施肥后施改良劑與先施改良劑后施肥這2類處理的土壤養分隨結構改良劑施用與否及改良劑施用量增加的變化趨勢并不相同。導致二者差異的原因可能是結構改良劑與土壤、養分間發生了一定的作用。對于先施肥后施改良劑的處理，首先是養分與土壤發生作用，土壤對養分發生了一定的吸附作用，之后添加的改良劑覆蓋在含有肥料的土壤外部，起到了土壤養分與提取劑之間的隔離作用，減弱了土壤養分的釋放強度，這種作用類似于緩釋肥料。相反，對于先施改良劑后施肥的處理，首先是土壤與改良劑發生了作用，改良劑在土壤表面形成的一層保護膜，減弱了之后加入的肥料中養分離子與土壤的作用。由于改良劑添加量越高，形成的保護膜越厚，隔離作用越明顯，導致了土壤養分釋放強度隨改良劑用量的增加而增加。這種效應與有人建議在磷肥中加入一些有機肥或高分子化合物可以降低土壤對磷的固定、增加磷肥利用率的原理相同[20]。但當土壤對肥料中養分固定、吸持作用較弱時，可能也會加速養分的淋失損失[20]。而腐殖酸的作用不明顯，可能與腐殖酸的這種隔離作用不明顯的關，特別是有效磷的提取劑對腐殖酸也有一定的提取效果。

4 ?結論

研究結果表明，聚丙烯酰胺、β-環糊精和腐殖酸等3種結構改良劑均可在一定程度上促進粉砂質涂地土壤水穩定性團聚體的形成，水穩定性團聚體增加數量隨改良劑用量增加而增加。對水穩定性團聚體的改良效果由高至低順次為：聚丙烯酰胺>β-環糊精>腐殖酸。在研究的改良劑施用范圍內（0～0.50%），聚丙烯酰胺和β-環糊精的適用量以0.20%為宜，而水穩定性團聚體隨腐殖酸用量增加呈線性增加。施用聚丙烯酰胺和β-環糊精可明顯改變土壤養分的供應狀況。對于施肥后再施用改良劑的土壤，土壤釋放養分的能力有一定的減弱;而對于施改良劑后再施肥料，土壤對養分的吸持能力減弱，供肥能力增加。但施用腐殖酸對土壤氮、磷、鉀養分供應影響不明顯。

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