增施不同礦物材料對土壤水肥的影響研究*

張寶強 ，魏 樣

（1.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021；4.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075）

保持良好的耕地質量是保障農作物優質高產的基本條件。我國秦嶺新增耕地的耕層淺薄、養分貧乏、水源不足、熟化度低。為了改變其現有的土壤水分肥力不足現象，改良土壤的生產和生態環境功能，在秦嶺新增山地耕地中通過添加不同類型礦物材料來改變土壤質量。環境礦物材料有著獨特的晶體結構和優異的物理化學性能，其不僅能夠改善土壤的結構和酸堿度，同時也能提升土壤的保水保肥性能，而且其儲量較為豐富，來源廣泛，價格低廉，使用后不會產生二次污染，對土壤環境有著一定的修復作用。因此，有效合理地利用環境礦物材料改良土壤具有良好的經濟效益和環境效益。環境礦物材料之所以能有效地改良土壤，與其特殊的晶體結構和表面的吸附性、膨脹性、離子交換性和酸堿性等有關[1]。在19世紀末，國外開展了土壤改良的研究與應用[2]。而國內對土壤改良的研究起步較晚，能夠用于土壤改良的環境礦物材料的種類也較少，目前仍處于發展階段。因此，我國的研究者需要加強對環境礦物材料改良土壤的研究與應用[1]。膨潤土是一種分布較為廣泛的非金屬礦產，蒙脫石是其主要的礦物成分。一般土壤的陽離子交換量為5-30cmol/kg，大部分的土壤為10-20cmol/kg[3]，膨潤土的陽離子交換量在50-90cmol/kg，膨潤土的吸水率高達100%-240%。因此，膨潤土具有較高的陽離子交換量和較強的保水能力，對提高土壤的水肥力具有良好的效果[4]。沸石在我國是一種分布較廣的非金屬礦產，黑龍江、遼寧、吉林、內蒙古、山東、河北、河南、浙江、廣西等省份均有分布，作為一種多孔狀的堿金屬和堿土金屬的硅鋁酸鹽礦物，其是由硅氧四面體、鋁水四面體組成的格架構造硅酸鹽。此結構形成了可為陽離子和水分子占據的大晶穴，較大的移動性可有效地進行陽離子交換和可逆脫水[5-7]。坡縷石又名凹凸棒石，是一種富含水鎂的硅酸鹽黏土的非金屬礦物，坡縷石具有特殊的纖維結構，同時具有不同尋常的膠體和吸附性能，所以被廣泛利用[8-9]。

本研究選用膨潤土、沸石、坡縷石三種不同的礦物材料作為秦嶺山區新增耕地質量的改良材料，通過按照一定的比例進行添加，測定不同深度土壤氮、磷、鉀的含量，從而得到適合提升土壤質量的不同礦物材料添加量。

1 研究材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2018年3-6月在陜西地建秦嶺野外監測中心站溫室進行，其位于陜西省寶雞市眉縣東南部，試驗地屬于溫帶大陸性季風氣候，海拔約700m，年均氣溫為13℃，年降水量600mm左右，試驗所用供試土壤為秦嶺山地的粉砂質壤土。土壤的理化性質為pH7.7、全氮含量為0.48g/kg、有效磷為22.2mg/kg、速效鉀含量為149.18mg/kg、有機質含量為10.08g/kg、銨態氮含量為5.08mg/kg、硝態氮含量為46.30mg/kg、土壤容重為1.517g/cm3、土壤含水率為6.89%。加入供試材料前，對試驗田進行統一處理，加入的肥料為有機肥、尿素、磷酸二銨、硫酸鉀，加入的量如表1所示。

表1 試驗施肥量

1.2 試驗設計

本試驗采用溫室田間小區試驗，供試礦物材料有三種：沸石、坡縷石（凹凸棒）、膨潤土。共設3個處理，每個處理3個水平，CK為對照，共10個小區，不同礦物材料在每個小區的添加量如表2所示。使用攪拌機將每個小區所添加的肥料和礦物材料攪拌均勻，每個小區的面積為4m2，規格為2m×2m，每塊小區之間留0.2m的過道供試驗行走，試驗布置如圖1所示。

表2 試驗設置

圖1 試驗小區布置圖

1.3 土壤養分指標的測定

作物種植前后用土鉆（0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm）采集土壤樣品測定土壤水分和容重，同時利用風干后的土壤測定其速效鉀、有效磷、全氮。其中土壤水分采用烘干法，容重采用環刀法進行測定，速效鉀使用中性乙酸銨溶液浸提、火焰光度計法測定，有效磷使用紫外分光光度計測定，全氮采用凱氏法進行測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel2010軟件進行數據的處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率變化

由圖2-圖4可知，在相同的灌溉條件下，土壤中添加不同的礦物材料沸石、坡縷石（凹凸棒）、膨潤土后，相比于對照試驗，添加沸石、膨潤土后不同深度土壤含水率的變化較為明顯，隨著沸石和膨潤土添加量的增加，土壤含水率也隨之不斷增加，每個小區沸石和膨潤土添加量在最大1200g時，0-30cm和0-60cm不同深度的土壤含水率相比于對照分別增加了29.05%、48.15%和66.43%、45.98%。添加坡縷石的試驗小區含水率表現出少量添加量時含水率增加明顯，隨著添加量的增加，不同深度含水率的增加量逐漸降低[10]。

圖2 不同添加量的沸石處理下含水率變化圖

圖3 不同添加量的坡縷石處理下含水率變化圖

圖4 不同添加量的膨潤土處理下含水率變化圖

2.2 土壤全氮含量的變化

土壤中不同形態氮素的總和即為土壤的全氮。包括有機態和無機態的氮，但不包括土壤中空氣分子所含的氮。土壤中全氮的含量會伴隨著土壤深度的增加出現降低的趨勢。土壤中全氮的含量是處于動態變化之中的，它的變化主要受氮的相對累積和消耗量的影響，受土壤有機質的生物積累和水解作用尤為明顯[11-12]。圖5-圖7為添加不同的礦物材料沸石、坡縷石（凹凸棒）、膨潤土后土壤全氮含量的變化，在施加沸石后隨著施加量的增加全氮的含量表現出了較小的增加，且增加不是很明顯。在施加坡縷石、膨潤土后，土壤全氮含量的變化無顯著性差異。

圖5 不同添加量的沸石處理下全氮含量變化圖

圖6 不同添加量的坡縷石處理下全氮含量變化圖

圖7 不同添加量的膨潤土處理下全氮含量變化圖

2.3 土壤速效鉀和有效磷含量的變化

土壤中磷和鉀是比較重要的兩種元素，作為植物生長發育的兩種主要營養元素，土壤中的鉀和磷元素是植物吸收的主要來源。不同的粘土礦物材料對土壤中的磷和鉀都具有一定的活化和增加肥效的作用。速效磷和速效鉀可使植物當季從土壤中吸收磷、鉀養分元素。有研究發現，沸石添加后可使土壤速效鉀含量平均提高20%，且施肥處理下的土壤添加一定量的沸石使得速效鉀含量比不施肥有所提高[13]。從圖8可以看出添加沸石處理后，速效鉀含量在0-30cm和0-60cm深度處，F1處理和對照相比無明顯差異性，而F2和F3處理與對照相比速效鉀的含量增加明顯，在0-30cm速效鉀含量分別增加了36.56%和50.01%，0-60cm的含量分別增加了39.50%和42.70%。由此說明，F1處理下的沸石添加量對土壤速效鉀的影響可忽略[14]。從圖9可以看出在添加坡縷石后，在F4和F6處理下，速效鉀相比F0有一定的增加，但0-30cm和0-60cm深度處F5處理下速效鉀含量相比F0處理表現出了稍許下降。在添加膨潤土后，圖10中F7相比F0未有明顯變化，F8和F9處理下都比F0有所增加，但F9比F8處理下速效鉀含量低。

圖8 不同添加量的沸石處理下速效鉀含量變化圖

圖9 不同添加量的坡縷石處理下速效鉀含量變化圖

圖10 不同添加量的膨潤土處理下速效鉀含量變化圖

速效磷作為評價土壤肥力的重要元素之一，其不僅反映了磷元素在土壤中的變化規律，同時也反映了土壤對種植作物提供肥力的水平。由圖11-圖13可知，在添加沸石、坡縷石、膨潤土后，處理 F0、F1、F2、F3 之間的變化明顯，隨著沸石添加量的增加，不同深度下土壤有效磷含量隨之規律性增加。添加坡縷石后土壤有效磷的含量整體呈現出了增加的現象，但在0-30cm深度F4、F5處理下有效磷含量變化不明顯，同樣在0-60cm深度有效磷含量的變化規律與0-30cm深度基本一致。

圖11 不同添加量的沸石處理下有效磷含量變化圖

圖12 不同添加量的坡縷石處理下有效磷含量變化圖

圖13 不同添加量的膨潤土處理下有效磷含量變化圖

3 結論

本研究的結果表明，添加不同礦物材料與肥料配施的情況下可以有效提高土壤含水率，在添加沸石和膨潤土后，隨著添加量的增加含水量也呈現出規律性增加。礦物材料對土壤含水率的影響主要是因為其具有較大的比表面積和孔體積，能夠有效保持土體內的水分、提高土壤中水分的可利用率。不同礦物材料與肥料的配施對土體內全氮含量的影響較小，施加沸石后隨著添加量的增加速效鉀的含量也增加，坡縷石和膨潤土對速效鉀含量的影響不明顯。有效磷的含量受沸石和坡縷石的影響較為明顯，在施加不同量的沸石和坡縷石時土壤速效鉀含量也隨之增加，隨著膨潤土添加量的變化有效磷也呈現規律性變化。