土體元素活化發(fā)展方向初探

胡雅

摘 要 土體中氮、磷、鉀等營養(yǎng)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(tài)營養(yǎng)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(zhì)能夠在一定程度上活化土壤元素，但對活化機(jī)理以及活化技術(shù)研究并不深入，因此提出從元素活化機(jī)理、能態(tài)對元素的活化影響以及元素活化的裝備研發(fā)與技術(shù)集成這三方面探索土體元素活化未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 土體;元素;活化

中圖分類號：S153 文獻(xiàn)標(biāo)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常采用施用化肥來補(bǔ)充植物生長所需的營養(yǎng)元素，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)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(tài)形式存在[1]。土體元素含量與地質(zhì)背景和成土作用有關(guān)，掌握良好結(jié)構(gòu)土體形成的自然規(guī)律，找出關(guān)鍵因子，充分發(fā)揮自然界中光照、風(fēng)吹、降水的效能，將現(xiàn)存的植物難以利用的惰性態(tài)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(jié)構(gòu)與環(huán)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(yǎng)元素供應(yīng)。

2 土體元素活化的研究現(xiàn)狀

光能、風(fēng)能、水是地球上自然存在的能量來源：不同波段的光照能夠?qū)ν馏w中元素起到激發(fā)活化、加熱保溫作用;水作為溶劑或外力，在土體中能調(diào)肥調(diào)溫，促進(jìn)土體熟化，改善土體結(jié)構(gòu);風(fēng)能使養(yǎng)分遷移富集，生物質(zhì)材料、微生物群落也可加速養(yǎng)分活化。

2.1 光能活化

光激發(fā)可實(shí)現(xiàn)從分子態(tài)等穩(wěn)定態(tài)到離子態(tài)等活性態(tài)的轉(zhuǎn)變，還可實(shí)現(xiàn)從穩(wěn)定的低能級狀態(tài)到高能級亞穩(wěn)態(tài)的躍遷，使得元素從原來的惰性狀態(tài)被激活，元素活性的增強(qiáng)有助于和外界的交互作用。當(dāng)活性態(tài)的元素被再次固定時，還可釋放能量，供給其他反應(yīng)。氮循環(huán)對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與發(fā)展起著重要的作用，氮素的光化學(xué)轉(zhuǎn)化是氮循環(huán)的重要途徑之一。紫外光能促進(jìn)無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，光強(qiáng)越大、光照時間越長，無機(jī)氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象就越顯著，同時，紫外光照射還能使土體有機(jī)氮和有機(jī)碳增加[2]，然而光照對不同粒徑土體的有機(jī)碳氮和各形態(tài)無機(jī)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(zhuǎn)化影響最大;強(qiáng)酸強(qiáng)堿情況下，能夠釋放出游離態(tài)無機(jī)氮。光能、風(fēng)能和降水的協(xié)同作用也能加速土體的熟化過程[3]。

2.2 太陽能活化

當(dāng)太陽光被物體吸收時，光能轉(zhuǎn)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(nèi)部元素、酶、微生物的活性。此外，采用秸稈覆蓋技術(shù)可有效地補(bǔ)償熱量，提高地溫，調(diào)節(jié)水分，促進(jìn)土體熟化，充分利用光、熱、水資源，促進(jìn)作物生長和提早成熟，提高糧食產(chǎn)量[4]。

2.3 超聲波活化

纖維素經(jīng)超聲波活化，能顯著提高纖維素與高碘酸鹽的氧化反應(yīng)活性，縮短反應(yīng)時間和高碘酸鹽用量，優(yōu)化反應(yīng)條件[5]。超聲波活化風(fēng)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(zhì)活化

生物質(zhì)秸稈中原本即存在豐富的鉀元素，但不能被利用，燃高溫?zé)峤馓幚砗罂勺兂煽杀晃绽玫幕钚遭?。有效鉀?00～800 ℃能發(fā)生快速釋放及形態(tài)轉(zhuǎn)變。稻稈灰的XRD分析結(jié)果表明，秸稈灰中鉀主要以KCl、K2SO4形式存在，鉀以鹽的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化與釋放[7]。1 000 ℃

時鉀的釋放量達(dá)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(jī)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(fā)展方向

3.1 元素活化機(jī)理研究

光激發(fā)、水活化、生物轉(zhuǎn)化等作用均能實(shí)現(xiàn)土體中營養(yǎng)元素的活化。研究能夠?qū)⒃丶ぐl(fā)至活性態(tài)所需的最低能量、光波波段、最低光照強(qiáng)度等，以及采用水-化學(xué)能、風(fēng)力、生物能等作用將元素由無效態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘧B(tài)所需的最低能量，對土體加入光能，進(jìn)行元素活化，勢必會對土體的環(huán)境以及生活在土體中的微生物產(chǎn)生影響。研究不同能量、波段及照射時長的光對土體環(huán)境的影響，以及土體中微生物群落數(shù)量、種類的變化，揭示光對土體環(huán)境及微生物群落影響的機(jī)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(huán)境條件對土體元素“活化”效應(yīng)和作用機(jī)理。植物殘體燃燒后，所剩余的灰分統(tǒng)稱為草木灰，對草木灰經(jīng)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(yǎng)元素含量和轉(zhuǎn)化率，揭示秸稈中元素通過煅燒“活化”作用機(jī)理。

3.2 能態(tài)對元素的活化影響研究

通過光照、風(fēng)能、水-化學(xué)能的激發(fā)，完成元素由潛在惰性狀態(tài)向可被吸收利用的活性離子態(tài)的轉(zhuǎn)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(rèn)，而元素的生物氧化過程十分復(fù)雜，代謝機(jī)制仍不清楚。因此，開展元素活化菌種篩選和培養(yǎng)、不同條件下優(yōu)選菌種的活化效果，以及活化機(jī)理研究。

3.3 元素活化的裝備研發(fā)與技術(shù)集成

針對土體元素活化技術(shù)所需的裝置需求，研發(fā)能提供滿足光、溫、水活化要求的“一體化”試驗(yàn)設(shè)備。亦可在現(xiàn)在有的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備上加裝一些能活化元素的光源、溫、水等設(shè)備，以期將元素活化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)協(xié)同進(jìn)行。研究生物質(zhì)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(chǎn)田的地域環(huán)境特點(diǎn)和治理需求，集成光活化技術(shù)、水活化技術(shù)、微生物活化等技術(shù)，構(gòu)建土體元素活化復(fù)合技術(shù)。

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（責(zé)任編輯：劉昀）