胡雅

摘 要 土体中氮、磷、钾等营养元素的寄存量大，植物无法直接吸收利用。为了减少肥料施入，活化土壤中惰性态营养元素，研究新的元素活化方法十分必要。目前，光能、太阳能、超声波以及生物质能够在一定程度上活化土壤元素，但对活化机理以及活化技术研究并不深入，因此提出从元素活化机理、能态对元素的活化影响以及元素活化的装备研发与技术集成这三方面探索土体元素活化未来的发展。

关键词 土体;元素;活化

中图分类号：S153 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.24.085

1 土体元素活化的意义

植物对氮、磷、钾、钙、镁和硫的需求量较大，对铁、锰、铜、锌、硼、钠、氯、锡和钼的需求量相对较少。在农业生产中，通常采用施用化肥来补充植物生长所需的营养元素，从而达到稳产增产的效果，然而这些肥料并不能全部被植物吸收，每年有约1 800万吨的肥料被土体寄存、固化，其元素累积量极为可观，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态形式存在[1]。土体元素含量与地质背景和成土作用有关，掌握良好结构土体形成的自然规律，找出关键因子，充分发挥自然界中光照、风吹、降水的效能，将现存的植物难以利用的惰性态元素激活，能够加速土体中的元素活化，满足植物吸收利用。同时形成良好的土体结构与环境，期望在少量甚至几乎不施肥的条件下满足植物生长所需的营养元素供应。

2 土体元素活化的研究现状

光能、风能、水是地球上自然存在的能量来源：不同波段的光照能够对土体中元素起到激发活化、加热保温作用;水作为溶剂或外力，在土体中能调肥调温，促进土体熟化，改善土体结构;风能使养分迁移富集，生物质材料、微生物群落也可加速养分活化。

2.1 光能活化

光激发可实现从分子态等稳定态到离子态等活性态的转变，还可实现从稳定的低能级状态到高能级亚稳态的跃迁，使得元素从原来的惰性状态被激活，元素活性的增强有助于和外界的交互作用。当活性态的元素被再次固定时，还可释放能量，供给其他反应。氮循环对生态系统稳定与发展起着重要的作用，氮素的光化学转化是氮循环的重要途径之一。紫外光能促进无机氮的转化，光强越大、光照时间越长，无机氮的形态转化现象就越显著，同时，紫外光照射还能使土体有机氮和有机碳增加[2]，然而光照对不同粒径土体的有机碳氮和各形态无机氮的影响不显著。土层越薄，光照对土体中NH4+和NO3-浓度升高影响越显著，土层越厚，光照对土体中NO2-浓度升高影响越显著。弱酸性条件下，光照对土体氮素转化影响最大;强酸强碱情况下，能够释放出游离态无机氮。光能、风能和降水的协同作用也能加速土体的熟化過程[3]。

2.2 太阳能活化

当太阳光被物体吸收时，光能转换为热能，因此太阳光具有加热保温效果。太阳能可增加地温，提高内部元素、酶、微生物的活性。此外，采用秸秆覆盖技术可有效地补偿热量，提高地温，调节水分，促进土体熟化，充分利用光、热、水资源，促进作物生长和提早成熟，提高粮食产量[4]。

2.3 超声波活化

纤维素经超声波活化，能显著提高纤维素与高碘酸盐的氧化反应活性，缩短反应时间和高碘酸盐用量，优化反应条件[5]。超声波活化风化煤腐植酸可有效降低铅、镉的可移动性，明显降低铅、镉的生物毒性，提高酶（过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶）活性[6]。

2.4 生物质活化

生物质秸秆中原本即存在丰富的钾元素，但不能被利用，燃高温热解处理后可变成可被吸收利用的活性钾。有效钾在700～800 ℃能发生快速释放及形态转变。稻秆灰的XRD分析结果表明，秸秆灰中钾主要以KCl、K2SO4形式存在，钾以盐的形式进行转化与释放[7]。1 000 ℃

时钾的释放量达到53%，钠和钾的释放特性类似，但是含量少于钾。300～500 ℃热解条件下主要是有机钾析出，600～800 ℃热解条件下以氯化钾为主要形式析出，而硫酸钾、硅酸钾少量析出[8]。

3 土体元素活化的发展方向

3.1 元素活化机理研究

光激发、水活化、生物转化等作用均能实现土体中营养元素的活化。研究能够将元素激发至活性态所需的最低能量、光波波段、最低光照强度等，以及采用水-化学能、风力、生物能等作用将元素由无效态转变为活化态所需的最低能量，对土体加入光能，进行元素活化，势必会对土体的环境以及生活在土体中的微生物产生影响。研究不同能量、波段及照射时长的光对土体环境的影响，以及土体中微生物群落数量、种类的变化，揭示光对土体环境及微生物群落影响的机理。通过研究不同曝晒时间、朝向坡体表面土体的肥力情况，揭示环境条件对土体元素“活化”效应和作用机理。植物残体燃烧后，所剩余的灰分统称为草木灰，对草木灰经过不同时间和温度的煅烧处理，研究不同处理下草木灰中的营养元素含量和转化率，揭示秸秆中元素通过煅烧“活化”作用机理。

3.2 能态对元素的活化影响研究

通过光照、风能、水-化学能的激发，完成元素由潜在惰性状态向可被吸收利用的活性离子态的转变，减少化肥的使用，增加地力。对微生物活化元素模式得到广泛的承认，而元素的生物氧化过程十分复杂，代谢机制仍不清楚。因此，开展元素活化菌种筛选和培养、不同条件下优选菌种的活化效果，以及活化机理研究。

3.3 元素活化的装备研发与技术集成

针对土体元素活化技术所需的装置需求，研发能提供满足光、温、水活化要求的“一体化”试验设备。亦可在现在有的农业机械设备上加装一些能活化元素的光源、温、水等设备，以期将元素活化与农业生产协同进行。研究生物质材料、生物催化剂等非化肥材料，以及自然存在的或通过自然条件可以改造的绿色肥力提升材料。研究中低产田的地域环境特点和治理需求，集成光活化技术、水活化技术、微生物活化等技术，构建土体元素活化复合技术。

参考文献：

[1] 陈慰宗，杨一心，宋应谦，等.可见光激发铽配合物的荧光光谱[J].西北大学学报：自然科学版，2001，31（5）：390-391.

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

[4] 王志禄，金朴，孙畅，等.陇南高效种植气候生态效应及适生栽培界限研究[J].干旱气象，2001，19（1）：33-36.

[5] 唐爱民，梁文芷.超声波活化处理提高纤维素选择性氧化反应性能的研究[J].声学技术，2000，19（3）：121-124.

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[7] 秦建光，余春江，聂虎，等.秸秆燃烧中温度对钾转化与释放的影响[J].太阳能学报，2010，31（5）：540-544.

[8] 孟晓晓.秸秆中K元素在热解和燃烧过程释放特性实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

（责任编辑：刘昀）