腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土熟化及黑麥草生長(zhǎng)的效應(yīng)研究

李昉澤 毋振慶 門(mén)姝慧 黃占斌? 黃 娟 杜林峰 濮陽(yáng)雪華

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083

2 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司 深圳 518040

生土，原為考古學(xué)中一專(zhuān)有詞匯，多指未經(jīng)人類(lèi)擾亂過(guò)的原生土壤，亦稱(chēng)“死土”。目前多指物理結(jié)構(gòu)差、持水保肥能力弱的農(nóng)田土壤。生土的機(jī)械組成多為細(xì)沙和粉粒[1]。

土壤熟化是耕作土壤形成的一個(gè)過(guò)程[2]。生土熟化的技術(shù)方法主要有以下3個(gè)。（1）物理法，包括旋耕、翻耕、深松、輪作、套作和添加熟土等。研究發(fā)現(xiàn)，物理法可以有效改善生土的物理性狀，疏松土壤，改善土壤滲透性能，增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，促進(jìn)土壤中微生物活性[2～4]。（2）化學(xué)法，包括施肥和加入土壤調(diào)理劑，合理的施用有機(jī)和無(wú)機(jī)肥可以增加土壤養(yǎng)分及促進(jìn)植物生長(zhǎng)，配施土壤調(diào)理劑會(huì)促進(jìn)土壤微生物繁殖和土壤營(yíng)養(yǎng)元素的礦化[5，6]，使土壤肥力得到提高，產(chǎn)量得到增加。（3）生物法，包括加入微生物菌劑、種植植物及加入蚯蚓等有益于土壤性狀改良的動(dòng)物等。微生物菌劑可促進(jìn)土壤中有機(jī)物降解，防止病蟲(chóng)害發(fā)生[7，8]。目前，這些方法在不同地區(qū)和環(huán)境條件下有一些應(yīng)用實(shí)踐，但對(duì)生土熟化的認(rèn)識(shí)和重視程度不夠，缺乏針對(duì)生土快速熟化的材料或者產(chǎn)品，尤其在礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)中尤為明顯。

土壤修復(fù)材料和功能各有不同，腐植酸能有效調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱，改良貧瘠土壤，調(diào)節(jié)土壤pH值，促進(jìn)土壤微生物酶活性等；保水劑可增加土壤水肥保持能力，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成；生物炭自身發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)可影響土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，緩沖土壤逆境，促進(jìn)土壤微生物繁殖。因此，本研究選擇腐植酸、保水劑和生物炭等材料作為生土熟化過(guò)程中的改良劑，將不同材料的功能進(jìn)行互補(bǔ)，分析腐植酸、保水劑和生物炭不同組合對(duì)生土的土壤物理化學(xué)性能的影響，以及對(duì)黑麥草生長(zhǎng)的效應(yīng)，期望獲得即能促進(jìn)植物生長(zhǎng)又能有效快速提高土壤物理化學(xué)性能的優(yōu)化組合，以期為廢棄地的土壤改良提供技術(shù)依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

保水劑（Super absorbent polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)SAP）為河北省任丘市合信榮化工有限公司提供；腐植酸（HA）由河北省石家莊市柏坡正元化肥有限公司提供；生物炭（BC）由陜西省西安市西農(nóng)生物炭研究院有限公司提供；氮磷鉀復(fù)合肥由北京澳佳生態(tài)農(nóng)業(yè)股份有限公司提供；農(nóng)家肥（牛糞）從當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)收購(gòu)；盆栽所用黑麥草種子為江蘇省沐陽(yáng)縣綠中城綠化工程有限公司提供，品種為“冬牧70”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽，3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，SAP、 HA和BC用量分別為1～3 g/kg、3～6 g/kg和10～30 g/kg，共9個(gè)處理（表1），每個(gè)處理5次重復(fù)。

表1 盆栽正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.1 Orthogonal experimental design of pot

種盆直徑30 cm，高50 cm，每盆裝土10 kg，土壤為一半生土（當(dāng)?shù)厣疃?0 cm以下基層土壤）和一半熟土（表層0～20 cm耕層土）混合土壤，將腐植酸、保水劑和生物碳3種材料按一定配比，先稱(chēng)重混勻，然后加入相應(yīng)每組處理土盆中，再將其與土盆中土壤混勻。每盆播種20顆黑麥草，將種子均勻撒在每盆土壤表面后，輕覆一層薄土（0.3～0.5 cm左右）。試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)亭自莊村北京市輕工業(yè)研究所基地進(jìn)行。2018年4月17日播種，7月27日收獲，歷經(jīng)102天。所有處理施用土壤重量0.1%復(fù)合肥[N-P2O5-K2O（18-9-18）]，2.5%農(nóng)家肥（牛糞發(fā)酵濕重，含水率28%）。

1.3 測(cè)試指標(biāo)與方法

黑麥草株高用直尺直接測(cè)量。將每盆全部黑麥草收獲后，利用烘干法測(cè)定每個(gè)處理干重，采回植物樣在烘箱中105 ℃烘20 min殺青，再在80 ℃下烘至恒重。土壤堿解N采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效P采用NaHCO3提取——鉬銻抗比色法（Olsen法）測(cè)定；pH采用玻璃電極法測(cè)定；容重采用環(huán)刀法測(cè)定；密度采用比重瓶法測(cè)定；孔隙度利用如下公式計(jì)算：

式中：P為土壤孔隙度（%）；ρ為土壤容重（g/cm3）；s為土壤密度（g/cm3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土物理性能的影響

土壤容重反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性[9]。表2表明，施用3種環(huán)境材料均可有效降低土壤容重。其中，E7處理效果最明顯，較CK的土壤容重降低了27.4%，這與Laird等[10]和葛順?lè)涞萚11]研究結(jié)果一致。添加環(huán)境材料能有效降低土壤容重，可能是腐植酸中羥基、羧基易與土壤中的鈣離子發(fā)生凝聚反應(yīng)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成。腐植酸結(jié)合植物根系生理作用可加快土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[12，13]。保水劑可有效改善作物根際水環(huán)境，通過(guò)其保存的水分直接提供給作物，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，特別是大團(tuán)聚體比例增長(zhǎng)迅速[14，15]，當(dāng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改善時(shí)，其容重降低、孔隙度增大，具備良好通透性。添加生物質(zhì)炭也會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)的增加，土壤變得疏松多孔，容重降低[16]。

表2 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土物理性能的影響Tab.2 Effects of compound materials with humic acid on the physical properties of immature soil

土壤密度間接反映土壤的礦物組成和有機(jī)質(zhì) 含量。往往土壤密度較低時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量會(huì)比較高[17]。土壤中有機(jī)碳的增加可有效降低土壤密度。所有處理中，E7處理對(duì)密度影響最大，對(duì)比CK下降了3.90%。生物炭和腐植酸可降低土壤密度，且添加生物炭和腐植酸的量越大，密度減小得越明顯。土壤密度與土壤有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)含量有密切關(guān)系。土壤孔隙度直接影響土壤蓄墑效果和透氣性，并間接影響著土壤肥力和植物生長(zhǎng)狀況；土壤的孔隙度大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊度和有機(jī)質(zhì)含量多少有關(guān)，從表2可知，E1～E7處理土壤孔隙度平均較對(duì)照提高16%，E7處理的土壤孔隙度提高最多，比對(duì)照提高28.62%。

2.2 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土化學(xué)性能的影響

腐植酸是一種大分子酸性物質(zhì)，表面含有羧基等酸性官能團(tuán)，保水劑表面也含有氨基，它們均能在土壤中電離出H+，與堿性土壤中的OH-發(fā)生中和反應(yīng)，降低土壤的pH值，可通過(guò)酸堿中和和交換作用降低鹽堿土的pH值。生物炭盡管為堿性物質(zhì)，但會(huì)抑制其堿性官能團(tuán)電離[18，19]。由圖1可見(jiàn)，pH變化與保水劑添加量呈正相關(guān)。隨著保水劑添加量的增多，pH也逐漸增大。

圖1 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土pH的影響Fig.1 Effects of compound materials with humic acid on the pH of immature soil注：圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著（P<0.05），下同。

試驗(yàn)地區(qū)土壤容重大，孔隙度小，夏季多雨，這導(dǎo)致土壤N容易流失。CK土壤堿解N的含量為44.32 mg/kg，處于土壤養(yǎng)分第五級(jí)水平（根據(jù)《全國(guó)土壤第二次普查分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》）。由圖2可見(jiàn)，添加3種環(huán)境材料可以增加土壤對(duì)堿解N的保持能力（E1～E9處理土壤中的堿解N平均提高43.50%），處于土壤養(yǎng)分第二級(jí)水平，這與木合塔爾·吐?tīng)柡榈萚20]研究結(jié)果一致。但是，不同環(huán)境材料配比對(duì)生土快速熟化過(guò)程中堿解N的提升效果并不相同，其中E7處理對(duì)土壤堿解N提升幅度最大，這可能是因?yàn)椴牧蠌?fù)合，特別是腐植酸能促進(jìn)土壤微生物和酶的活性。一方面是土壤自生固氮菌顯著增多，使硝酸鹽的含量明顯增大，豐富了土壤的氮素營(yíng)養(yǎng)，改善了作物根系的營(yíng)養(yǎng)條件；另一方面，施用腐植酸使好氣性細(xì)菌、放線菌、纖維分解菌的數(shù)量增加，有利于加速有機(jī)物的礦化，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素的釋放。同時(shí)，生物炭可以促進(jìn)土壤中的NH3和NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-。有研究表明，溫度越高，生物炭越有利于NO3-的吸附，從而降低土壤中N的流失[21]。

圖2 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土堿解N的影響Fig.2 Effects of compound materials with humic acid on the alkaline hydrolysis nitrogen of immature soil

磷（P）是植物生長(zhǎng)所需的大量養(yǎng)分元素之一。生物炭本身含有大量的P，并且有很高的有效性。因此，生物炭的添加可增加土壤有效P含量。從圖3可以看出，E7處理雖然添加生物炭不是最多，但土壤中速效P增加最多，這可能與腐植酸和保水劑的配合使用有關(guān)。通常土壤中Ca3(PO4)2很難溶于水，而加入腐植酸發(fā)生反應(yīng)后所形成的磷酸氫鹽和磷酸二氫鹽都溶于水，易被作物吸收。當(dāng)土壤中施入腐植酸后，由于腐植酸膠體的負(fù)電特性，可以在Fe3+、Al3+表面形成一層掩蓋膜，使這類(lèi)陽(yáng)離子與磷酸根離子隔離開(kāi)來(lái)，減少了它們之間結(jié)合而形成難溶鹽的機(jī)會(huì)，使施用的P肥效力相對(duì)得以提高。這一點(diǎn)在劉秀梅等[22]研究中也得到了印證。

圖3 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土速效P的影響Fig.3 Effects of compound materials with humic acid on the available phosphorus of immature soil

2.3 腐植酸復(fù)合材料對(duì)生土上植物生長(zhǎng)的影響

腐植酸復(fù)合材料能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。9組處理株高較CK平均增加8.6 cm，干重平均增加26.74 g。從圖4可以看出，E7處理黑麥草株高和干重均為最大值，比CK分別增大17.26 cm和50.77 g，增長(zhǎng)幅度分別為50.18%和334.79%，這與上述土壤理化性能表現(xiàn)一致。腐植酸能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，改良土壤化學(xué)性質(zhì)。生物炭的高度芳香化結(jié)構(gòu)及豐富脂肪類(lèi)和氧化態(tài)結(jié)構(gòu)，為土壤微生物提供良好的生存空間。保水劑有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，羧基、羥基和季銨鹽類(lèi)等親水性官能團(tuán)，通過(guò)吸水及溶脹等兩種方式增加土壤含水量[23]，增強(qiáng)根系吸收水肥的能力和提高植物葉片葉綠素含量，調(diào)節(jié)植株葉片蒸騰作用，維持植物體內(nèi)水分平衡，取得顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng)的效果。

圖4 腐植酸復(fù)合材料對(duì)黑麥草株高和干重的影響Fig.4 Effects of compound materials with humic acid on the plant height and dry weight of ryegrass

3 結(jié)論

針對(duì)礦區(qū)廢棄地復(fù)墾中的生土物理結(jié)構(gòu)差、水肥保持能力低、提供植物營(yíng)養(yǎng)能力弱等問(wèn)題，通過(guò)向生土中添加腐植酸和保水劑及生物炭復(fù)合材料，盆栽種植黑麥草，證明了腐植酸與保水劑、生物炭復(fù)合可有效地改善生土的物理結(jié)構(gòu)，降低土壤容重和密度，提高生土孔隙度，降低生土pH，提高生土堿解N和有效P含量，促進(jìn)黑麥草生長(zhǎng)。所有處理中，E7處理對(duì)生土快速熟化效果較好。但這種促進(jìn)生土快速熟化腐植酸復(fù)合材料優(yōu)化配方對(duì)田間植物種植應(yīng)用效果如何，還需要進(jìn)一步研究。

高原外，純凈水——讀白由路研究員《植物營(yíng)養(yǎng)中理論問(wèn)題的追本溯源》一文有感

2019年4月1日，《腐植酸與土肥和諧發(fā)展》一文，編輯部發(fā)中國(guó)植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)白由路研究員審稿。4月10日，通讀了他發(fā)來(lái)的《植物營(yíng)養(yǎng)中理論問(wèn)題的追本溯源》一文。他將歷史上的土肥理論過(guò)濾了一遍，很全面。白教授不僅出題目，還在找出路。現(xiàn)提出五點(diǎn)求教于大家。

一是土壤腐植酸形成后，與土壤生命融為一體，為什么？二是地球誕生于46億年前，人于300萬(wàn)年形成后，成為地球萬(wàn)有之靈，為什么？三是不僅要找矛盾，還要解決矛盾，重在指導(dǎo)實(shí)踐。必須立于土說(shuō)土事，“土壤有機(jī)質(zhì)—腐殖質(zhì)—腐植酸”三者之間不可分割，土壤生命過(guò)程亦不可分割。四是大規(guī)模糧食生產(chǎn)，水培不可能完成。水培是水培，土生是土生，可以借鑒，而不能取代。五是尊重生物本來(lái)面目，像黑土地一樣，撒一把種子就能收成。否定之否定可以，脫離自性不成。

存在就是真理。科學(xué)解決的是階段性問(wèn)題，哲學(xué)針對(duì)科學(xué)思考人類(lèi)發(fā)展問(wèn)題。哲學(xué)問(wèn)道宗教，其目的在于找回生命的本源。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，科學(xué)上升到哲學(xué)，哲學(xué)問(wèn)詢(xún)宗教，目的是找回生命的歸宿。中國(guó)人的圣道就是返璞歸真。