凹凸棒石基復(fù)合材料土壤改良效果研究——以荒漠綠洲農(nóng)田土壤為例

馮志珍,顏 宏,盧雨欣,徐 倩,白亞妮,趙文娟*

凹凸棒石基復(fù)合材料土壤改良效果研究——以荒漠綠洲農(nóng)田土壤為例

馮志珍1,2,顏 宏1,2,盧雨欣1,2,徐 倩1,2,白亞妮1,2,趙文娟1,2*

(1.陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所,陜西 西安 710043；2.陜西省酶工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710600)

以黑河中游臨澤縣荒漠綠洲農(nóng)田土壤為研究對象,研究凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分在不同施用水平下對土壤團聚體和玉米()產(chǎn)量的影響.結(jié)果表明,復(fù)合材料使試驗區(qū)土壤中石礫(>1mm)、粗砂粒(1～0.25mm)、細砂粒(0.25～0.1mm)、級細沙粒(0.1～0.05mm)含量降低,粗粉粒(0.05～0.02mm)、細粉粒(0.02～0.002mm)、黏粒(<0.002mm)含量升高;隨著復(fù)合材料施用量的增加,>2mm粒級團聚體含量逐漸升高,土壤團聚體平均重量直徑(MWD)逐漸增加,當(dāng)達到高施用水平(12t/hm2)時,MWD為6.24mm,比對照處理增加了49.6%;玉米產(chǎn)量隨著復(fù)合材料施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,當(dāng)處于中施用水平(8t/hm2)時,產(chǎn)量達到18352kg/hm2,與對照相比增產(chǎn)56.9%.綜合分析可知,復(fù)合材料一方面通過調(diào)控土壤顆粒組成與分布,促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成,改善土壤結(jié)構(gòu),影響土壤物理性質(zhì);另一方面,復(fù)合材料自身帶來的養(yǎng)分物質(zhì),會影響土壤化學(xué)性質(zhì).施用復(fù)合材料后通過土壤理化指標的改變,提高了玉米產(chǎn)量,其對荒漠綠洲農(nóng)田土壤的改良效果優(yōu)于其單一組分,具有較好的開發(fā)利用價值.

凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料；荒漠綠洲；顆粒組成；團聚體；玉米產(chǎn)量

凹凸棒石(ATP)又稱坡縷石,是一種天然的一維納米級含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物[1].利用凹凸棒石的礦質(zhì)特性,可以改善土壤環(huán)境,增加土壤通透性,為作物生長提供各種微量元素;其具有的緩釋性和吸附性,能夠與肥料相結(jié)合,緩慢釋放其中的養(yǎng)分,供農(nóng)作物生長發(fā)育.生物質(zhì)炭(BC)是一種含碳材料,具有高度的芳香結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和強大的吸附特性[2],在改善土壤結(jié)構(gòu)方面具有較大潛力[3-4].土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[5-6],土壤團聚體構(gòu)成比例及團聚體穩(wěn)定性是評價土壤結(jié)構(gòu)的重要指標[7-8].楊蘇等[9]和張賀等[10]研究表明,凹凸棒石可以通過影響團聚體構(gòu)成比例及團聚體穩(wěn)定性來改善和調(diào)節(jié)黃河故道潮土和砂質(zhì)潮土的土壤結(jié)構(gòu),并且對作物增產(chǎn)效果顯著.前人研究證實[11-13],生物質(zhì)炭可與土壤顆粒形成團聚體以及有機-無機復(fù)合體,將其施用于土壤后,可有效調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu),改善土壤質(zhì)量.

雖然有學(xué)者將凹凸棒石和生物質(zhì)炭做成復(fù)合材料,但多用于土壤重金屬鈍化和礦區(qū)污染修復(fù)[14-15],關(guān)于其對土壤結(jié)構(gòu),尤其是土壤團聚體的影響研究較少.課題組利用水熱處理方法[16-18],前期將凹凸棒石和生物質(zhì)炭負載,通過一系列結(jié)構(gòu)表征成功制備出凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料.本研究以黑河中游臨澤縣荒漠綠洲農(nóng)田土壤為研究對象,利用凹凸棒石、生物質(zhì)炭和凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料開展田間定位試驗,通過分析土壤顆粒組成、團聚體及作物產(chǎn)量的變化特征,評價凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料對荒漠綠洲農(nóng)田土壤的改良效果,以期為復(fù)合材料應(yīng)用于荒漠綠洲農(nóng)田土壤改良提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究站,該研究站地處甘肅河西走廊中部的臨澤縣,地理坐標39°21'N,100°07'E,平均海拔1384m.主站位于荒漠-綠洲過渡帶,沙漠、戈壁為主要景觀類型[19].研究區(qū)屬于典型的溫帶大陸性荒漠草原氣候,多年平均降水量112.8mm,主要集中在7～9月,年均蒸發(fā)量2390mm,年均氣溫7.6℃,最高氣溫39.1℃,最低氣溫-27℃,310℃的年積溫為3088℃,無霜期105d.地帶性土壤為灰棕漠土,綠洲農(nóng)業(yè)靠黑河水資源灌溉,在長期的耕種和熟化下,形成綠洲潮土和灌漠土,并有大片的鹽堿化土壤和風(fēng)沙土分布.主要農(nóng)作物有小麥()、玉米()、棉花()等.

試驗區(qū)土質(zhì)分布均勻,在該地區(qū)具有典型代表性.前茬作物為玉米,供試土壤基本理化性質(zhì)(表1)顯示,試驗區(qū)土壤質(zhì)地較粗糙,以砂粒為主,其顆粒組成為黏粒(<0.002mm)含量為5.17%,粉粒(0.002～ 0.05mm)含量為22.69%,砂粒(0.05～2mm)含量為72.12%,平均耕層土壤容重1.49g/cm3,pH值為7.27,養(yǎng)分含量較低,土壤較為貧瘠,其中有機質(zhì)含量6.35g/kg,全氮含量0.37g/kg.

1.2 供試土壤改良材料

凹凸棒石產(chǎn)自甘肅臨澤礦區(qū),由甘肅融萬公司提供,使用前粉碎并過200目篩;秸稈生物質(zhì)炭購自大慶禾木金年農(nóng)業(yè)科技有限公司,粒徑<0.05mm;凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料由中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所利用凹凸棒石和生物質(zhì)炭,按照質(zhì)量比1:1混合,通過水熱處理方法[20-21],將生物質(zhì)炭負載于凹凸棒石上制備而成.供試材料基本性質(zhì)見表2.

通過比表面積(BET)分析[22-23]發(fā)現(xiàn),凹凸棒石的孔隙被碳質(zhì)納米顆粒覆蓋、填充或部分堵塞,導(dǎo)致凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料的比表面積下降至79.13m2/g.宗麗等[20]研究表明,在靜電作用下凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料對金屬離子(Cr6+和Pb2+)的吸附量顯著高于凹凸棒石對金屬離子的吸附量.表2還顯示,凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料較凹凸棒石和生物質(zhì)炭具有較為優(yōu)異的性能.凹凸棒石可有效調(diào)節(jié)生物質(zhì)炭的弱堿性,使復(fù)合材料的pH值達到中性7.0,擴寬其應(yīng)用范圍;凹凸棒石較高的陽離子交換量、全磷、全鉀含量可顯著提高復(fù)合材料的吸附能力和營養(yǎng)元素含量;生物質(zhì)炭較高的有機質(zhì)和全氮含量可顯著增加復(fù)合材料的營養(yǎng)成分.

材料結(jié)構(gòu)表征如圖1、圖2所示.掃描電鏡(SEM)(圖1)顯示,凹凸棒石/生物炭復(fù)合材料表面呈現(xiàn)粗糙的多孔結(jié)構(gòu),且表面存在棒狀晶體及層狀結(jié)構(gòu),表明凹凸棒石已成功負載到生物質(zhì)炭表面.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)(圖2a)顯示,三種材料峰位置大致相同,表明材料負載后所含官能團種類未發(fā)生變化,但不同官能團峰值不同,說明官能團含量發(fā)生了改變,即復(fù)合材料在1020cm-1的C-O峰明顯增強,3420cm-1左右的-OH峰隨著復(fù)合生物質(zhì)炭而增強.X射線衍射譜圖(XRD)(圖2b)顯示,三種材料存在3個明顯的特征峰,且與凹凸棒石的晶體結(jié)構(gòu)相吻合,相比原始生物質(zhì)炭,復(fù)合材料表面SiO2特征峰明顯增多,這表明凹凸棒石成功負載到了生物質(zhì)炭表面.

圖1 凹凸棒石、生物質(zhì)炭和凹凸棒石/生物炭復(fù)合材料掃描電鏡圖

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果,采用裂區(qū)試驗設(shè)計[24-25],試驗設(shè)土壤改良材料和施用水平兩個因素,主區(qū)為土壤改良材料,設(shè)置凹凸棒石(A1)、生物質(zhì)炭(A2)、凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料(A3)3個因子;副區(qū)為施用水平,設(shè)置0t/hm2(CK)、4t/hm2(C1:低施用水平)、8t/hm2(C2:中施用水平)、12t/hm2(C3:高施用水平)4個水平,構(gòu)成二因素裂區(qū)隨機區(qū)組設(shè)計(表3).試驗共12個處理,每個處理設(shè)置3次重復(fù),共36個試驗小區(qū).每個試驗小區(qū)面積為15m2,不同小區(qū)間起壟隔開,橫向間隔0.5m作為隔離帶,縱向間隔0.7m作為水渠.

表3 試驗方案

1.4 試驗方法

于2019年4月～2021年9月開展原位定位試驗.2018年10月玉米收獲后機械深翻土地,2019年4月布設(shè)小區(qū),連續(xù)種植3a玉米,供試玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N,金張掖1701,試驗區(qū)四周種植油葵作為保護行.施肥按照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣,基施復(fù)合肥(N-P2O5-K2SO417-17-17 總養(yǎng)分351%)作為底肥,施肥量為240kg/hm2.凹凸棒石、生物質(zhì)炭、凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料三種土壤改良材料,每年按照上述試驗設(shè)計,以不同施用量施于土壤表層,通過多次翻耕與耕層土壤混勻.鋪膜、大水漫灌數(shù)天后播種玉米,行距55cm,株距28cm,出苗后定植.分別于玉米拔節(jié)期和灌漿期追施尿素(總氮346%)和復(fù)合肥,施肥量均為當(dāng)?shù)厥┓柿康?0%,即192kg/hm2.人工除雜草數(shù)次,各小區(qū)施肥水平相同,農(nóng)業(yè)管理措施與當(dāng)?shù)卮筇镛r(nóng)業(yè)管理措施相同.

1.5 土壤樣品采集、測定與玉米測產(chǎn)

1.5.1 土壤樣品采集 2021年9月玉米收獲期采集各小區(qū)耕層(0～20cm)土壤樣品.

土壤團聚體樣品的采集:每個小區(qū)隨機取兩點,用鐵鏟挖出一個平整的土壤剖面,并在剖面上修筑出一個硬質(zhì)塑料盒大小向外凸出的土柱(18cm× 8cm×12cm),然后將硬質(zhì)塑料盒輕輕套住土柱,即可采集原狀土壤樣品.土樣運回實驗室后,將各小區(qū)取的兩點土樣混勻,然后將大塊土壤沿土塊本身的裂隙分開,過10mm篩,隨后立即存放于4℃冰箱待處理.

擾動土壤樣品的采集:采用“S”型5點取樣法,使用土鉆采集各個試驗小區(qū)耕層土壤樣品,去除石礫、土壤表面凋落物和植物根系等雜物,將5個取樣點的土壤樣品充分混勻,四分法取1kg左右土壤,裝入樣品袋帶回實驗室,自然風(fēng)干,研磨粉碎后過不同孔徑篩子待測.

1.5.2 測定項目和方法 土壤團聚體組成分析采用濕篩法[26],分離出各粒級土壤團聚體.具體操作步驟:稱取40g土壤樣品平鋪于0.25mm套篩內(nèi)(每個篩子里預(yù)先放置玻璃珠),將套篩放置在沉降桶內(nèi),隨后沿桶壁緩慢加入去離子水直至沒過土樣,浸潤5min.然后上下振蕩2min,振幅為4cm,振動頻率為50次/min,最后將各層篩上的土壤樣品分別沖洗至容器中,在60℃下烘干至恒重,冷卻后稱重,用于計算土壤團聚體分布和平均重量直徑(MWD).土壤顆粒組成采用篩分法結(jié)合激光粒度分析儀(LA-300HORIBA)測定[27],其他土壤理化指標參照土壤農(nóng)化分析常用分析法測定[28].

1.5.3 玉米產(chǎn)量測定 分別于2019年、2020年和2021年9月玉米成熟后測定玉米產(chǎn)量.統(tǒng)計每個試驗小區(qū)玉米株數(shù)、雙穗株數(shù)、空稈株數(shù)、穗數(shù),并在各小區(qū)內(nèi)隨機摘取10個果穗,測量其濕重,于室外晾干后脫離,測量干重和百粒重,計算玉米產(chǎn)量[29].

1.6 數(shù)據(jù)計算

利用土壤團聚體平均重量直徑(MWD)作為評價土壤團聚體穩(wěn)定性狀況的指標,其計算式[11]為:

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0(SPSS Inc., USA)軟件進行單因素方差分析(ANOVA)和Duncan新復(fù)極差法對各變量進行顯著性檢驗,并進行Pearson相關(guān)性分析;采用Canoco 5.0進行冗余分析(RDA),采用Origin Pro 2023軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分對土壤顆粒組成的影響

表4顯示,試驗區(qū)土壤砂粒含量占絕對優(yōu)勢,粉粒居中,黏粒最少,說明該區(qū)土壤質(zhì)地較粗.土壤顆粒分析結(jié)果表明(表4),施用凹凸棒石和生物質(zhì)炭后,土壤中>1mm石礫、1～0.25mm粗砂粒、0.25～0.1mm細砂粒、0.1～0.05mm級細沙粒含量均有不同程度減少,0.05～0.02mm粗粉粒、0.02～0.002mm細粉粒、<0.002mm黏粒含量均明顯增加;施入凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料后,土壤中石礫、粗砂粒、細砂粒、級細沙粒含量與對照相比明顯減少,高水平施用量下,其占比分別為4.94%、16.80%、7.53%和43.67%,以0.1～0.05mm的極細沙粒為主,而土壤粗粉粒、細粉粒、黏粒含量與對照相比明顯增加,占比分別達到19.37%、7.43%和0.30%.可見,復(fù)合材料及其單一組分均可調(diào)控荒漠綠洲農(nóng)田土壤的顆粒組成與分布,達到調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)的目的,其中復(fù)合材料對土壤顆粒的調(diào)控效果優(yōu)于單施凹凸棒石或生物質(zhì)炭,特別對極細砂粒的調(diào)控是十分有效的.

表4 不同土壤改良材料施用后土壤顆粒分布(%)

注:數(shù)值為平均值±標準差;同列不同字母表示處理間具有顯著性差異(<0.05),下同.

2.2 凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分對土壤團聚體的影響

由圖3可知,施用3種土壤改良材料可以影響土壤水穩(wěn)性團聚體的分布組成,不同土壤改良材料或同一土壤改良材料不同施用水平的試驗處理下,土壤團聚體粒級分布存在差異.施用凹凸棒石、生物質(zhì)炭和凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料后, >2mm粒級團聚體與對照處理相比明顯增加,且隨著凹凸棒石和復(fù)合材料施用量的增加而逐漸增加,當(dāng)達到高施用水平(12t/hm2)時,>2mm粒級團聚體累積百分比分別為82.78%和82.85%,與對照處理的平均值52.19%相比,分別增加了58.6%和58.7%;但該粒級團聚體隨生物質(zhì)炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢,在低施用水平(4t/hm2)時,即達到最大值76.83 %,與對照(52.19%)相比增加了47.2%.與對照處理相比,施用低、中、高水平3種土壤改良材料后土壤中<0.2mm粒級團聚體的含量均有所減小,其中復(fù)合材料在上述3種施用水平下該粒級團聚體含量分別為15.04%、5.31%和8.53%,與對照處理平均值21.06%相比,分別減少了28.6%、74.8%和59.5%.

圖4 不同改良材料處理土壤團聚體平均重量直徑(MWD)

由圖4可知,通過凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分處理的MWD較對照處理均有所增加,且隨著改良材料施用量的增加而逐漸增加.當(dāng)達到高水平施用量(12t/hm2)時,3種材料處理后的MWD分別達到5.36,5.04和6.24mm,較對照處理平均值4.17mm分別增加了28.5%、20.9%和49.6%.研究還顯示,中、高施用水平的復(fù)合材料處理后MWD均高于單獨施用凹凸棒石或生物質(zhì)炭的處理,說明復(fù)合材料可以提高土壤團聚體穩(wěn)定性,促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,其作用顯著優(yōu)于其他兩種材料.

2.3 凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分對土壤基本性質(zhì)的影響

如表5所示,施用凹凸棒石、生物質(zhì)炭和凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料后,土壤pH值和堿解氮(AN)含量在低(4t/hm2)、中(8t/hm2)、高(12t/hm2)施用水平及對照處理之間差異均未達到顯著水平.土壤陽離子交換量(CEC)雖然在不同施用水平及對照處理之間差異不顯著,但同在高施用水平下,施用凹凸棒石(39.13cmol+/kg)和復(fù)合材料(39.23cmol+/ kg)后CEC顯著高于施用生物質(zhì)炭(29.70cmol+/kg)的處理(<0.05),其中施用復(fù)合材料的CEC隨著其施用量的增大而增大.土壤有機質(zhì)(SOM)含量在生物質(zhì)炭高施用水平下與其他施用水平之間差異顯著(<0.05),且隨著材料施用量的增大而增大;在施用復(fù)合材料后,不同施用水平及對照處理之間SOM含量差異雖不顯著,但高施用水平下SOM含量明顯較高,為12.89g/kg.土壤有效磷(AP)含量在3種材料不同施用水平及對照處理之間差異不顯著,但在復(fù)合材料高施用水平下顯著高于另外兩種材料的中低施用水平及對照處理(<0.05).土壤速效鉀(AK)含量除復(fù)合材料高施用水平下顯著高于生物質(zhì)炭中施用水平的處理外(<0.05),各處理間均無顯著性差異.

表5 不同改良材料對土壤基本性質(zhì)的影響

注:數(shù)值為平均值±標準差;同列不同字母表示處理間具有顯著性差異(<0.05).下同.

可以看出,在復(fù)合材料高施用水平下,CEC (39.23cmol+/kg)、AN(35.81g/kg)、AP(27.31g/kg)、AK(91.40g/kg)與其他處理相比,含量均達到最高,與對照處理(3種材料對照平均值分別為34.29cmol+/ kg、29.40g/kg、17.02g/kg和83.52g/kg)相比,分別增加了12.6%、17.9%、37.7%和8.6%;SOM(12.89g/kg)與施用該材料其他處理相比,含量亦達到最高,與對照處理(3種材料對照平均值為7.68g/kg)相比,增加了40.4%.

2.4 土壤理化性質(zhì)對土壤團聚體粒徑含量的影響

如圖5所示,以土壤不同級別團聚體為響應(yīng)變量,以土壤理化性質(zhì)為解釋變量進行冗余分析,結(jié)果表明,>2mm粒級團聚體與土壤pH值和AK為負相關(guān)關(guān)系,與CEC、SOM、AP和AN為正相關(guān)關(guān)系; <0.2mm和0.2～0.5mm粒級團聚體與土壤CEC、SOM、AP和AN為負相關(guān)關(guān)系,與pH值和AK為正相關(guān)關(guān)系.通過蒙特卡羅置換檢驗可知,SOM(=7.2,= 0.018)是影響土壤團聚體分布最為關(guān)鍵的環(huán)境因子,其次是 AP(=3.1,=0.094).

圖5 不同粒級團聚體與土壤理化因子的冗余分析

>2mm為>2mm粒級團聚體;1～2mm為1～2mm粒級團聚體;0.5～1mm為0.5～1mm粒級團聚體;0.2～0.5mm為0.2～0.5mm粒級團聚體;<0.2mm為<0.2mm粒級團聚體;CEC為陽離子交換量;SOM為土壤有機質(zhì);AN為堿解氮;AP為有效磷;AK為速效鉀

2.5 凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分對作物產(chǎn)量的影響

2019年、2020年和2021年連續(xù)3a施用凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料及其單一組分后,玉米平均產(chǎn)量如圖6所示.凹凸棒石施用對玉米產(chǎn)量有明顯提升作用,隨著凹凸棒石施用量的增加,玉米產(chǎn)量逐漸增加,當(dāng)施用量為高施用水平12t/hm2時,產(chǎn)量達到16494kg/hm2,與對照(11696kg/hm2)相比增產(chǎn)41.0%,但其產(chǎn)量在低(4t/hm2)、中(8t/hm2)、高(12t/hm2)施用水平及對照處理之間,均未達到顯著水平.生物質(zhì)炭施用后,玉米產(chǎn)量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而逐漸減少,當(dāng)施用量為12t/hm2時,產(chǎn)量降至8019kg/ hm2,較對照處理減少了31.4%,各處理間差異均不顯著.施用凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料后,玉米產(chǎn)量隨著復(fù)合材料施用量的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律,當(dāng)復(fù)合材料施用量為8t/hm2時,產(chǎn)量達到最大值18352kg/hm2,與對照處理相比顯著增加了56.9% (<0.05),其他處理間無顯著差異.通過對比發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料中施用水平下玉米產(chǎn)量(18352kg/hm2),比凹凸棒石高施用水平下(16494kg/hm2)增加了11.3%.可見,復(fù)合材料與其他兩種材料相比,對玉米產(chǎn)量的提升作用較好.

柱上不同字母表示處理間具有顯著性差異(<0.05).下同.

2.6 土壤團聚體穩(wěn)定性指標與土壤理化性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的相關(guān)性分析

據(jù)圖7相關(guān)性分析可知,研究區(qū)土壤中>2mm粒級團聚體與0.5～1mm粒級團聚體、0.2～0.5mm粒級團聚體、<0.2mm粒級團聚體呈顯著負相關(guān)關(guān)系(<0.05);MWD與土壤中>2mm粒級團聚體呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05),與0.5～1mm粒級團聚體、0.2～0.5mm粒級團聚體、<0.2mm粒級團聚體呈顯著負相關(guān)關(guān)系(<0.05);AP與土壤中1～2mm粒級團聚體呈顯著負相關(guān)關(guān)系(<0.05),與MWD、CEC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05);AK與AN呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05);玉米產(chǎn)量與土壤中>2mm粒級團聚體、MWD、AP呈正相關(guān)關(guān)系,但不顯著(<0.05),與CEC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05);與0.5～1mm粒級團聚體、0.2～0.5mm粒級團聚體、<0.2mm粒級團聚體、SOM呈負相關(guān)關(guān)系,但不顯著(<0.05).

>2mm為>2mm粒級團聚體;1～2mm為1～2mm粒級團聚體;0.5～1mm為0.5～1mm粒級團聚體;0.2～0.5mm為0.2～0.5mm粒級團聚體;<0.2mm為<0.2mm粒級團聚體;MWD為平均重量直徑;pH值為氫離子濃度;CEC為陽離子交換量;SOM為土壤有機質(zhì);AN為堿解氮;AP為有效磷;AK為速效鉀;Yield為產(chǎn)量

3 討論

3.1 復(fù)合材料對土壤顆粒組成的影響

土壤顆粒組成(SPSD)是指土壤固相中礦物顆粒的大小及組成比例[30],是最基本的土壤物理性質(zhì),不僅決定土壤質(zhì)地和孔隙狀況,也影響土壤肥力[31].本研究發(fā)現(xiàn),試驗區(qū)土壤質(zhì)地較粗糙,土壤砂粒(0.05～2mm)占絕對優(yōu)勢,含量為72.12%,是由于強烈的風(fēng)力侵蝕作用,對土壤物質(zhì)進行了篩選,導(dǎo)致土壤顆粒粗化,土壤保水保肥能力差[32].施用凹凸棒石/生物質(zhì)炭復(fù)合材料后,土壤中石礫、粗砂粒、細砂粒、級細沙粒含量降低,而粗粉粒、細粉粒、黏粒含量升高,土壤顆粒組成呈細化趨勢,但土壤顆粒仍以級細沙粒為主,這與蘇永中等[33]和李晶等[34]的研究結(jié)果一致.蘇永中等[33]和李晶等[34]在臨澤站的研究結(jié)果顯示,試驗區(qū)土壤砂粒含量較高,粉粒、黏粒含量較低.本研究還發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合材料施用量的增加,土壤中石礫、粗砂粒、細砂粒、級細沙粒含量基本呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢,而粗粉粒、細粉粒、黏粒含量大致呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢,說明復(fù)合材料可以通過調(diào)控土壤顆粒組成與分布而調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu),這可能是因為復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)間接改善了試驗區(qū)荒漠綠洲土壤的顆粒組成.

3.2 復(fù)合材料對土壤團聚體的影響

單個土壤礦物顆粒在有機物等膠結(jié)作用下形成較小(低層次)的微團聚體,微團聚體在生物和物理因素作用下進一步形成較大(高層次)的團聚體[35].土壤團聚體是表征土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元[36],在一定程度上能夠反映土壤質(zhì)量,體現(xiàn)土地生產(chǎn)力.

凹凸棒石纖維狀的形態(tài)及孔道結(jié)構(gòu)使其在改善土壤強度和結(jié)塊方面有顯著作用,對土壤物理結(jié)構(gòu)有一定影響.楊婷等研究表明[37],在一定施用量范圍內(nèi),水穩(wěn)性團聚體隨著凹凸棒石含量的增加呈增長趨勢,當(dāng)施用量大于30g/kg時,水穩(wěn)性團聚體幾乎不再增加.施用生物質(zhì)炭能夠顯著增加土壤水穩(wěn)性大團聚體比例,調(diào)節(jié)團聚體水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)[38].惠超等[39]研究表明,適量添加生物質(zhì)炭可以顯著增加土壤中>0.25mm大團聚體含量,降低土壤中<0.25mm微團聚體含量.紀立東等[40]研究證實,生物質(zhì)炭施用量增加會導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的增加.

在本研究中,試驗區(qū)土壤中>2mm粒級為優(yōu)勢粒徑團聚體,隨著復(fù)合材料施用量的增加,>2mm粒級團聚體含量逐漸升高,0.5～1mm和0.2～0.5mm粒級團聚體含量逐漸降低;但當(dāng)復(fù)合材料施用量達到12t/hm2時,>2mm粒級團聚體的增加趨于平穩(wěn), 0.5～1mm和0.2～0.5mm粒級團聚體有所上升.MWD常用來表征土壤中團聚體的穩(wěn)定狀況,其值越大,表示土壤團聚度越高,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[41].本研究中,MWD隨著復(fù)合材料施用量的增加而逐漸增加,研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致,說明一定用量的復(fù)合材料可以促進土壤微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化,促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成.其過程可能與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)有關(guān),其一,復(fù)合材料提供了凝結(jié)核,促使微團聚體在靜電吸附的作用下團聚轉(zhuǎn)化為大團聚體,如施加復(fù)合材料后,土壤中的CEC明顯增加;其二,可能是一些細小的土壤顆粒,例如砂礫等,摻雜進入復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)中,在水力學(xué)作用、凍融/干濕交替作用下運動,逐步團聚成大顆粒.

3.3 復(fù)合材料對作物產(chǎn)量的影響

本研究中,玉米產(chǎn)量隨凹凸棒石施用量的增加而增加,隨生物質(zhì)炭施用量的增加而減少,隨復(fù)合材料施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢.生物質(zhì)炭在提高作物產(chǎn)量和培肥土壤方面已有大量應(yīng)用[42-44].然而,由于生物質(zhì)炭原材料、制備溫度,以及土壤類型、作物種類等差異,其在提高作物產(chǎn)量方面仍存在爭議[45].Uzoma等[46]研究表明,隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,玉米產(chǎn)量顯著提高,但施用量為15t/hm2的處理比20t/hm2產(chǎn)量高.張晗芝等[47]的研究也指出玉米苗期生物質(zhì)炭抑制了植株的生長發(fā)育,表現(xiàn)為添加量越大抑制效果越明顯.因此,生物質(zhì)炭施用后玉米減產(chǎn),可能與材料施用量過大有關(guān),生物質(zhì)炭制備過程中會產(chǎn)生焦油、多環(huán)芳香烴等有機污染物,施入土壤后可能對作物生長產(chǎn)生負面影響;也可能與材料施用后土壤pH值呈堿性也有關(guān),導(dǎo)致出苗率不高.

復(fù)合材料施用后,對玉米產(chǎn)量的提升效果優(yōu)于其單一組分,其原因可能在于復(fù)合材料通過調(diào)控土壤顆粒組成與分布,促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成,有效改善了土壤結(jié)構(gòu),而土壤顆粒組成及團聚體分布的微小差異往往決定了土壤的其他理化性質(zhì)[48-49].本研究中,>2mm粒級團聚體含量與MWD、CEC、SOM、AP、AN均呈正相關(guān)關(guān)系,也驗證了這一點,而玉米產(chǎn)量與>2mm粒級團聚體、MWD、AP和CEC呈正相關(guān)關(guān)系,說明土壤結(jié)構(gòu)通過影響土壤物理性質(zhì)而提高玉米產(chǎn)量.此外,復(fù)合材料自身帶來的養(yǎng)分物質(zhì),也會影響土壤化學(xué)性質(zhì),材料中凹凸棒石的添加,還可以有效緩解生物質(zhì)炭對作物生長的抑制作用.

通過對復(fù)合材料施用后玉米產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行分析(表6),發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料施用量為0,4,8和12t/hm2時,產(chǎn)生的純收益分別為22161,28745,34306和17487 元/hm2,產(chǎn)出投入比分別為2.74,2.72,2.65和1.71.由此可見,復(fù)合材料施用后雖然可以顯著提高玉米產(chǎn)量,尤其當(dāng)施用量為8t/hm2時,玉米產(chǎn)量達到18352kg/hm2,增產(chǎn)56.9%,但是其產(chǎn)出投出比(2.65)略低于對照處理(2.74).因此,后續(xù)不僅要對復(fù)合材料的生態(tài)毒性效應(yīng)進行科學(xué)評估,還要對其生產(chǎn)制備工藝進行優(yōu)化,以降低其生產(chǎn)成本,提高其經(jīng)濟效益.

表6 復(fù)合材料投入產(chǎn)出比較

4 結(jié)論

4.1 復(fù)合材料可以使荒漠綠洲農(nóng)田土壤中石礫、粗砂粒、細砂粒、級細沙粒含量降低,粗粉粒、細粉粒、黏粒含量升高.

4.2 復(fù)合材料可以促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成,增強土壤團聚體穩(wěn)定性:隨著復(fù)合材料施用量的增加, >2mm粒級團聚體含量逐漸升高,MWD逐漸增加,當(dāng)達到12t/hm2時,MWD為6.24mm,與對照處理相比增加了49.6%.

4.3 玉米產(chǎn)量隨著復(fù)合材料施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,當(dāng)施用量為8t/hm2時,玉米產(chǎn)量達到18352kg/hm2,與對照處理相比增產(chǎn)56.9%.復(fù)合材料一方面通過調(diào)控土壤顆粒組成與分布,促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成,改善土壤結(jié)構(gòu),影響土壤物理性質(zhì);另一方面,復(fù)合材料自身帶來的養(yǎng)分物質(zhì),會影響土壤化學(xué)性質(zhì).施用復(fù)合材料后通過土壤理化指標的改變,提高了玉米產(chǎn)量,其對荒漠綠洲農(nóng)田土壤的改良效果優(yōu)于其單一組分.

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致謝：本實驗于中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究站完成,在此表示感謝.

Effects of attapulgite-based composites on soil improvement——Take desert-oasis farmland soil as an example.

FENG Zhi-zhen1,2, YAN Hong1,2, LU Yu-xin1,2, XU Qian1,2, BAI Ya-ni1,2, ZHAO Wen-juan1,2*

(1.Bio-Agriculture Institute of Shaanxi, Xi’an 710043, China；2.Enzyme Engineering Research Center of Shaanxi Province, Xi’an 710600, China)., 2023,43(10)：5358～5338

Effects of attapulgite/biochar composite and its individual component on soil aggregate and corn (.) yields at different application levels were studied in desert-oasis farmland soil in Linze County, middle reaches of Heihe River. Results showed that the composite reduced the gravel particles (>1mm), coarse sand particles (1～0.25mm), fine sand particles (0.25～0.1mm), and grade fine sand particles (0.1～0.05mm), while increasing the coarse silt particles (0.05～0.02mm), fine silt particles (0.02～0.002mm) and clay particles (<0.002mm). The soil aggregate content of >2mm and the average weight diameter (MWD) were gradually increased with an increase in the application dosage of composite. When the application dosage of composite reached a high level(12t/hm2), the MWD reached the maximum of 6.24mm, which increased 49.6% comparing to the control treatments. With the increasing application dosage of composite, corn yields firstly increased and then decreased. When medium application dosage was applied(8t/hm2), the yield reached 18352kg/hm2, increased 56.9% comparing with the control treatment. To conclude, the attapulgite/biochar composite promoted the formation of soil aggregate structure by regulating soil particle distribution, and further improved soil structure and physicochemical properties. On the other hand, the nutrients of the composite affected the soil chemical properties. The corn yields were increased by the change of soil physicochemical properties after applying attapulgite/biochar composite. The composite had greater effect than individual in improvement of farmland soil in desert-oasis, had better development and utilization value.

attapulgite/biochar composite；desert-oasis；particle distribution；aggregate；corn yields

X53

A

1000-6923(2023)10-5328-11

2023-04-18

陜西省科學(xué)院科技計劃項目(2020k-29);陜西省重點研發(fā)計劃一般項目(2022NY-072);陜西省重點研發(fā)計劃重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈項目(2021ZDLNY05-01);咸陽市秦創(chuàng)原科技創(chuàng)新專項(L2022-QCYZX- NY-006)

* 責(zé)任作者, 研究員, myszhwj@xab.ac.cn

馮志珍(1986-),女,內(nèi)蒙古呼和浩特市人,助理研究員,博士,從事凹凸棒石復(fù)合材料研發(fā)與土壤修復(fù)改良研究.發(fā)表論文5篇. fengzz@xab.ac.cn.

馮志珍,顏 宏,盧雨欣,等.凹凸棒石基復(fù)合材料土壤改良效果研究——以荒漠綠洲農(nóng)田土壤為例 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5328-5338.

Feng Z Z, Yan H, Lu Y X, et al. Effects of attapulgite-based composites on soil improvement——Take desert-oasis farmland soil as an example [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5328-5338.