土體元素活化發展方向初探

胡雅

摘 要 土體中氮、磷、鉀等營養元素的寄存量大，植物無法直接吸收利用。為了減少肥料施入，活化土壤中惰性態營養元素，研究新的元素活化方法十分必要。目前，光能、太陽能、超聲波以及生物質能夠在一定程度上活化土壤元素，但對活化機理以及活化技術研究并不深入，因此提出從元素活化機理、能態對元素的活化影響以及元素活化的裝備研發與技術集成這三方面探索土體元素活化未來的發展。

關鍵詞 土體;元素;活化

中圖分類號：S153 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.24.085

1 土體元素活化的意義

植物對氮、磷、鉀、鈣、鎂和硫的需求量較大，對鐵、錳、銅、鋅、硼、鈉、氯、錫和鉬的需求量相對較少。在農業生產中，通常采用施用化肥來補充植物生長所需的營養元素，從而達到穩產增產的效果，然而這些肥料并不能全部被植物吸收，每年有約1 800萬噸的肥料被土體寄存、固化，其元素累積量極為可觀，可被植物吸收的部分非常少，大部分以不易被植物吸收的惰性態形式存在[1]。土體元素含量與地質背景和成土作用有關，掌握良好結構土體形成的自然規律，找出關鍵因子，充分發揮自然界中光照、風吹、降水的效能，將現存的植物難以利用的惰性態元素激活，能夠加速土體中的元素活化，滿足植物吸收利用。同時形成良好的土體結構與環境，期望在少量甚至幾乎不施肥的條件下滿足植物生長所需的營養元素供應。

2 土體元素活化的研究現狀

光能、風能、水是地球上自然存在的能量來源：不同波段的光照能夠對土體中元素起到激發活化、加熱保溫作用;水作為溶劑或外力，在土體中能調肥調溫，促進土體熟化，改善土體結構;風能使養分遷移富集，生物質材料、微生物群落也可加速養分活化。

2.1 光能活化

光激發可實現從分子態等穩定態到離子態等活性態的轉變，還可實現從穩定的低能級狀態到高能級亞穩態的躍遷，使得元素從原來的惰性狀態被激活，元素活性的增強有助于和外界的交互作用。當活性態的元素被再次固定時，還可釋放能量，供給其他反應。氮循環對生態系統穩定與發展起著重要的作用，氮素的光化學轉化是氮循環的重要途徑之一。紫外光能促進無機氮的轉化，光強越大、光照時間越長，無機氮的形態轉化現象就越顯著，同時，紫外光照射還能使土體有機氮和有機碳增加[2]，然而光照對不同粒徑土體的有機碳氮和各形態無機氮的影響不顯著。土層越薄，光照對土體中NH4+和NO3-濃度升高影響越顯著，土層越厚，光照對土體中NO2-濃度升高影響越顯著。弱酸性條件下，光照對土體氮素轉化影響最大;強酸強堿情況下，能夠釋放出游離態無機氮。光能、風能和降水的協同作用也能加速土體的熟化過程[3]。

2.2 太陽能活化

當太陽光被物體吸收時，光能轉換為熱能，因此太陽光具有加熱保溫效果。太陽能可增加地溫，提高內部元素、酶、微生物的活性。此外，采用秸稈覆蓋技術可有效地補償熱量，提高地溫，調節水分，促進土體熟化，充分利用光、熱、水資源，促進作物生長和提早成熟，提高糧食產量[4]。

2.3 超聲波活化

纖維素經超聲波活化，能顯著提高纖維素與高碘酸鹽的氧化反應活性，縮短反應時間和高碘酸鹽用量，優化反應條件[5]。超聲波活化風化煤腐植酸可有效降低鉛、鎘的可移動性，明顯降低鉛、鎘的生物毒性，提高酶（過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶）活性[6]。

2.4 生物質活化

生物質秸稈中原本即存在豐富的鉀元素，但不能被利用，燃高溫熱解處理后可變成可被吸收利用的活性鉀。有效鉀在700～800 ℃能發生快速釋放及形態轉變。稻稈灰的XRD分析結果表明，秸稈灰中鉀主要以KCl、K2SO4形式存在，鉀以鹽的形式進行轉化與釋放[7]。1 000 ℃

時鉀的釋放量達到53%，鈉和鉀的釋放特性類似，但是含量少于鉀。300～500 ℃熱解條件下主要是有機鉀析出，600～800 ℃熱解條件下以氯化鉀為主要形式析出，而硫酸鉀、硅酸鉀少量析出[8]。

3 土體元素活化的發展方向

3.1 元素活化機理研究

光激發、水活化、生物轉化等作用均能實現土體中營養元素的活化。研究能夠將元素激發至活性態所需的最低能量、光波波段、最低光照強度等，以及采用水-化學能、風力、生物能等作用將元素由無效態轉變為活化態所需的最低能量，對土體加入光能，進行元素活化，勢必會對土體的環境以及生活在土體中的微生物產生影響。研究不同能量、波段及照射時長的光對土體環境的影響，以及土體中微生物群落數量、種類的變化，揭示光對土體環境及微生物群落影響的機理。通過研究不同曝曬時間、朝向坡體表面土體的肥力情況，揭示環境條件對土體元素“活化”效應和作用機理。植物殘體燃燒后，所剩余的灰分統稱為草木灰，對草木灰經過不同時間和溫度的煅燒處理，研究不同處理下草木灰中的營養元素含量和轉化率，揭示秸稈中元素通過煅燒“活化”作用機理。

3.2 能態對元素的活化影響研究

通過光照、風能、水-化學能的激發，完成元素由潛在惰性狀態向可被吸收利用的活性離子態的轉變，減少化肥的使用，增加地力。對微生物活化元素模式得到廣泛的承認，而元素的生物氧化過程十分復雜，代謝機制仍不清楚。因此，開展元素活化菌種篩選和培養、不同條件下優選菌種的活化效果，以及活化機理研究。

3.3 元素活化的裝備研發與技術集成

針對土體元素活化技術所需的裝置需求，研發能提供滿足光、溫、水活化要求的“一體化”試驗設備。亦可在現在有的農業機械設備上加裝一些能活化元素的光源、溫、水等設備，以期將元素活化與農業生產協同進行。研究生物質材料、生物催化劑等非化肥材料，以及自然存在的或通過自然條件可以改造的綠色肥力提升材料。研究中低產田的地域環境特點和治理需求，集成光活化技術、水活化技術、微生物活化等技術，構建土體元素活化復合技術。

參考文獻：

[1] 陳慰宗，楊一心，宋應謙，等.可見光激發鋱配合物的熒光光譜[J].西北大學學報：自然科學版，2001，31（5）：390-391.

[2] 張植楨.紫外光對土體氮素轉化影響的研究[D].武漢：華中農業大學，2010.

[3] 梁象武，任秉歧.淺談因地制宜在水土保持工作中的應用[J].山西水土保持科技，1993（2）：25-27.

[4] 王志祿，金樸，孫暢，等.隴南高效種植氣候生態效應及適生栽培界限研究[J].干旱氣象，2001，19（1）：33-36.

[5] 唐愛民，梁文芷.超聲波活化處理提高纖維素選擇性氧化反應性能的研究[J].聲學技術，2000，19（3）：121-124.

[6] 鐘世霞，徐玉新，駱洪義，等.超聲波活化風化煤腐植酸對小白菜吸收Pb、Cd和土體酶活性影響[J].水土保持學報，2012，26（6）：185-189.

[7] 秦建光，余春江，聶虎，等.秸稈燃燒中溫度對鉀轉化與釋放的影響[J].太陽能學報，2010，31（5）：540-544.

[8] 孟曉曉.秸稈中K元素在熱解和燃燒過程釋放特性實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

（責任編輯：劉昀）