冯志珍,颜 宏,卢雨欣,徐 倩,白亚妮,赵文娟*

凹凸棒石基复合材料土壤改良效果研究——以荒漠绿洲农田土壤为例

冯志珍1,2,颜 宏1,2,卢雨欣1,2,徐 倩1,2,白亚妮1,2,赵文娟1,2*

(1.陕西省生物农业研究所,陕西 西安 710043；2.陕西省酶工程技术研究中心,陕西 西安 710600)

以黑河中游临泽县荒漠绿洲农田土壤为研究对象,研究凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分在不同施用水平下对土壤团聚体和玉米()产量的影响.结果表明,复合材料使试验区土壤中石砾(>1mm)、粗砂粒(1～0.25mm)、细砂粒(0.25～0.1mm)、级细沙粒(0.1～0.05mm)含量降低,粗粉粒(0.05～0.02mm)、细粉粒(0.02～0.002mm)、黏粒(<0.002mm)含量升高;随着复合材料施用量的增加,>2mm粒级团聚体含量逐渐升高,土壤团聚体平均重量直径(MWD)逐渐增加,当达到高施用水平(12t/hm2)时,MWD为6.24mm,比对照处理增加了49.6%;玉米产量随着复合材料施用量的增加呈现先增加后减少的变化趋势,当处于中施用水平(8t/hm2)时,产量达到18352kg/hm2,与对照相比增产56.9%.综合分析可知,复合材料一方面通过调控土壤颗粒组成与分布,促进土壤团粒结构形成,改善土壤结构,影响土壤物理性质;另一方面,复合材料自身带来的养分物质,会影响土壤化学性质.施用复合材料后通过土壤理化指标的改变,提高了玉米产量,其对荒漠绿洲农田土壤的改良效果优于其单一组分,具有较好的开发利用价值.

凹凸棒石/生物质炭复合材料；荒漠绿洲；颗粒组成；团聚体；玉米产量

凹凸棒石(ATP)又称坡缕石,是一种天然的一维纳米级含水富镁铝硅酸盐黏土矿物[1].利用凹凸棒石的矿质特性,可以改善土壤环境,增加土壤通透性,为作物生长提供各种微量元素;其具有的缓释性和吸附性,能够与肥料相结合,缓慢释放其中的养分,供农作物生长发育.生物质炭(BC)是一种含碳材料,具有高度的芳香结构、较大的比表面积和强大的吸附特性[2],在改善土壤结构方面具有较大潜力[3-4].土壤团聚体是土壤结构的基本单元[5-6],土壤团聚体构成比例及团聚体稳定性是评价土壤结构的重要指标[7-8].杨苏等[9]和张贺等[10]研究表明,凹凸棒石可以通过影响团聚体构成比例及团聚体稳定性来改善和调节黄河故道潮土和砂质潮土的土壤结构,并且对作物增产效果显著.前人研究证实[11-13],生物质炭可与土壤颗粒形成团聚体以及有机-无机复合体,将其施用于土壤后,可有效调节土壤结构,改善土壤质量.

虽然有学者将凹凸棒石和生物质炭做成复合材料,但多用于土壤重金属钝化和矿区污染修复[14-15],关于其对土壤结构,尤其是土壤团聚体的影响研究较少.课题组利用水热处理方法[16-18],前期将凹凸棒石和生物质炭负载,通过一系列结构表征成功制备出凹凸棒石/生物质炭复合材料.本研究以黑河中游临泽县荒漠绿洲农田土壤为研究对象,利用凹凸棒石、生物质炭和凹凸棒石/生物质炭复合材料开展田间定位试验,通过分析土壤颗粒组成、团聚体及作物产量的变化特征,评价凹凸棒石/生物质炭复合材料对荒漠绿洲农田土壤的改良效果,以期为复合材料应用于荒漠绿洲农田土壤改良提供理论支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院生态系统研究网络临泽内陆河流域综合研究站,该研究站地处甘肃河西走廊中部的临泽县,地理坐标39°21'N,100°07'E,平均海拔1384m.主站位于荒漠-绿洲过渡带,沙漠、戈壁为主要景观类型[19].研究区属于典型的温带大陆性荒漠草原气候,多年平均降水量112.8mm,主要集中在7～9月,年均蒸发量2390mm,年均气温7.6℃,最高气温39.1℃,最低气温-27℃,³10℃的年积温为3088℃,无霜期105d.地带性土壤为灰棕漠土,绿洲农业靠黑河水资源灌溉,在长期的耕种和熟化下,形成绿洲潮土和灌漠土,并有大片的盐碱化土壤和风沙土分布.主要农作物有小麦()、玉米()、棉花()等.

试验区土质分布均匀,在该地区具有典型代表性.前茬作物为玉米,供试土壤基本理化性质(表1)显示,试验区土壤质地较粗糙,以砂粒为主,其颗粒组成为黏粒(<0.002mm)含量为5.17%,粉粒(0.002～ 0.05mm)含量为22.69%,砂粒(0.05～2mm)含量为72.12%,平均耕层土壤容重1.49g/cm3,pH值为7.27,养分含量较低,土壤较为贫瘠,其中有机质含量6.35g/kg,全氮含量0.37g/kg.

1.2 供试土壤改良材料

凹凸棒石产自甘肃临泽矿区,由甘肃融万公司提供,使用前粉碎并过200目筛;秸秆生物质炭购自大庆禾木金年农业科技有限公司,粒径<0.05mm;凹凸棒石/生物质炭复合材料由中国科学院兰州化学物理研究所利用凹凸棒石和生物质炭,按照质量比1:1混合,通过水热处理方法[20-21],将生物质炭负载于凹凸棒石上制备而成.供试材料基本性质见表2.

通过比表面积(BET)分析[22-23]发现,凹凸棒石的孔隙被碳质纳米颗粒覆盖、填充或部分堵塞,导致凹凸棒石/生物质炭复合材料的比表面积下降至79.13m2/g.宗丽等[20]研究表明,在静电作用下凹凸棒石/生物质炭复合材料对金属离子(Cr6+和Pb2+)的吸附量显著高于凹凸棒石对金属离子的吸附量.表2还显示,凹凸棒石/生物质炭复合材料较凹凸棒石和生物质炭具有较为优异的性能.凹凸棒石可有效调节生物质炭的弱碱性,使复合材料的pH值达到中性7.0,扩宽其应用范围;凹凸棒石较高的阳离子交换量、全磷、全钾含量可显著提高复合材料的吸附能力和营养元素含量;生物质炭较高的有机质和全氮含量可显著增加复合材料的营养成分.

材料结构表征如图1、图2所示.扫描电镜(SEM)(图1)显示,凹凸棒石/生物炭复合材料表面呈现粗糙的多孔结构,且表面存在棒状晶体及层状结构,表明凹凸棒石已成功负载到生物质炭表面.傅里叶变换红外光谱(FTIR)(图2a)显示,三种材料峰位置大致相同,表明材料负载后所含官能团种类未发生变化,但不同官能团峰值不同,说明官能团含量发生了改变,即复合材料在1020cm-1的C-O峰明显增强,3420cm-1左右的-OH峰随着复合生物质炭而增强.X射线衍射谱图(XRD)(图2b)显示,三种材料存在3个明显的特征峰,且与凹凸棒石的晶体结构相吻合,相比原始生物质炭,复合材料表面SiO2特征峰明显增多,这表明凹凸棒石成功负载到了生物质炭表面.

图1 凹凸棒石、生物质炭和凹凸棒石/生物炭复合材料扫描电镜图

1.3 试验设计

根据预实验结果,采用裂区试验设计[24-25],试验设土壤改良材料和施用水平两个因素,主区为土壤改良材料,设置凹凸棒石(A1)、生物质炭(A2)、凹凸棒石/生物质炭复合材料(A3)3个因子;副区为施用水平,设置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个水平,构成二因素裂区随机区组设计(表3).试验共12个处理,每个处理设置3次重复,共36个试验小区.每个试验小区面积为15m2,不同小区间起垄隔开,横向间隔0.5m作为隔离带,纵向间隔0.7m作为水渠.

表3 试验方案

1.4 试验方法

于2019年4月～2021年9月开展原位定位试验.2018年10月玉米收获后机械深翻土地,2019年4月布设小区,连续种植3a玉米,供试玉米为当地主栽品种,金张掖1701,试验区四周种植油葵作为保护行.施肥按照当地施肥习惯,基施复合肥(N-P2O5-K2SO417-17-17 总养分³51%)作为底肥,施肥量为240kg/hm2.凹凸棒石、生物质炭、凹凸棒石/生物质炭复合材料三种土壤改良材料,每年按照上述试验设计,以不同施用量施于土壤表层,通过多次翻耕与耕层土壤混匀.铺膜、大水漫灌数天后播种玉米,行距55cm,株距28cm,出苗后定植.分别于玉米拔节期和灌浆期追施尿素(总氮³46%)和复合肥,施肥量均为当地施肥量的80%,即192kg/hm2.人工除杂草数次,各小区施肥水平相同,农业管理措施与当地大田农业管理措施相同.

1.5 土壤样品采集、测定与玉米测产

1.5.1 土壤样品采集 2021年9月玉米收获期采集各小区耕层(0～20cm)土壤样品.

土壤团聚体样品的采集:每个小区随机取两点,用铁铲挖出一个平整的土壤剖面,并在剖面上修筑出一个硬质塑料盒大小向外凸出的土柱(18cm× 8cm×12cm),然后将硬质塑料盒轻轻套住土柱,即可采集原状土壤样品.土样运回实验室后,将各小区取的两点土样混匀,然后将大块土壤沿土块本身的裂隙分开,过10mm筛,随后立即存放于4℃冰箱待处理.

扰动土壤样品的采集:采用“S”型5点取样法,使用土钻采集各个试验小区耕层土壤样品,去除石砾、土壤表面凋落物和植物根系等杂物,将5个取样点的土壤样品充分混匀,四分法取1kg左右土壤,装入样品袋带回实验室,自然风干,研磨粉碎后过不同孔径筛子待测.

1.5.2 测定项目和方法 土壤团聚体组成分析采用湿筛法[26],分离出各粒级土壤团聚体.具体操作步骤:称取40g土壤样品平铺于0.25mm套筛内(每个筛子里预先放置玻璃珠),将套筛放置在沉降桶内,随后沿桶壁缓慢加入去离子水直至没过土样,浸润5min.然后上下振荡2min,振幅为4cm,振动频率为50次/min,最后将各层筛上的土壤样品分别冲洗至容器中,在60℃下烘干至恒重,冷却后称重,用于计算土壤团聚体分布和平均重量直径(MWD).土壤颗粒组成采用筛分法结合激光粒度分析仪(LA-300HORIBA)测定[27],其他土壤理化指标参照土壤农化分析常用分析法测定[28].

1.5.3 玉米产量测定 分别于2019年、2020年和2021年9月玉米成熟后测定玉米产量.统计每个试验小区玉米株数、双穗株数、空秆株数、穗数,并在各小区内随机摘取10个果穗,测量其湿重,于室外晾干后脱离,测量干重和百粒重,计算玉米产量[29].

1.6 数据计算

利用土壤团聚体平均重量直径(MWD)作为评价土壤团聚体稳定性状况的指标,其计算式[11]为:

1.7 数据分析

采用SPSS 22.0(SPSS Inc., USA)软件进行单因素方差分析(ANOVA)和Duncan新复极差法对各变量进行显著性检验,并进行Pearson相关性分析;采用Canoco 5.0进行冗余分析(RDA),采用Origin Pro 2023软件作图.

2 结果与分析

2.1 凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分对土壤颗粒组成的影响

表4显示,试验区土壤砂粒含量占绝对优势,粉粒居中,黏粒最少,说明该区土壤质地较粗.土壤颗粒分析结果表明(表4),施用凹凸棒石和生物质炭后,土壤中>1mm石砾、1～0.25mm粗砂粒、0.25～0.1mm细砂粒、0.1～0.05mm级细沙粒含量均有不同程度减少,0.05～0.02mm粗粉粒、0.02～0.002mm细粉粒、<0.002mm黏粒含量均明显增加;施入凹凸棒石/生物质炭复合材料后,土壤中石砾、粗砂粒、细砂粒、级细沙粒含量与对照相比明显减少,高水平施用量下,其占比分别为4.94%、16.80%、7.53%和43.67%,以0.1～0.05mm的极细沙粒为主,而土壤粗粉粒、细粉粒、黏粒含量与对照相比明显增加,占比分别达到19.37%、7.43%和0.30%.可见,复合材料及其单一组分均可调控荒漠绿洲农田土壤的颗粒组成与分布,达到调节土壤结构的目的,其中复合材料对土壤颗粒的调控效果优于单施凹凸棒石或生物质炭,特别对极细砂粒的调控是十分有效的.

表4 不同土壤改良材料施用后土壤颗粒分布(%)

注:数值为平均值±标准差;同列不同字母表示处理间具有显著性差异(<0.05),下同.

2.2 凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分对土壤团聚体的影响

由图3可知,施用3种土壤改良材料可以影响土壤水稳性团聚体的分布组成,不同土壤改良材料或同一土壤改良材料不同施用水平的试验处理下,土壤团聚体粒级分布存在差异.施用凹凸棒石、生物质炭和凹凸棒石/生物质炭复合材料后, >2mm粒级团聚体与对照处理相比明显增加,且随着凹凸棒石和复合材料施用量的增加而逐渐增加,当达到高施用水平(12t/hm2)时,>2mm粒级团聚体累积百分比分别为82.78%和82.85%,与对照处理的平均值52.19%相比,分别增加了58.6%和58.7%;但该粒级团聚体随生物质炭施用量的增加呈现先增加后趋于平稳的变化趋势,在低施用水平(4t/hm2)时,即达到最大值76.83 %,与对照(52.19%)相比增加了47.2%.与对照处理相比,施用低、中、高水平3种土壤改良材料后土壤中<0.2mm粒级团聚体的含量均有所减小,其中复合材料在上述3种施用水平下该粒级团聚体含量分别为15.04%、5.31%和8.53%,与对照处理平均值21.06%相比,分别减少了28.6%、74.8%和59.5%.

图4 不同改良材料处理土壤团聚体平均重量直径(MWD)

由图4可知,通过凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分处理的MWD较对照处理均有所增加,且随着改良材料施用量的增加而逐渐增加.当达到高水平施用量(12t/hm2)时,3种材料处理后的MWD分别达到5.36,5.04和6.24mm,较对照处理平均值4.17mm分别增加了28.5%、20.9%和49.6%.研究还显示,中、高施用水平的复合材料处理后MWD均高于单独施用凹凸棒石或生物质炭的处理,说明复合材料可以提高土壤团聚体稳定性,促进土壤团粒结构的形成,其作用显著优于其他两种材料.

2.3 凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分对土壤基本性质的影响

如表5所示,施用凹凸棒石、生物质炭和凹凸棒石/生物质炭复合材料后,土壤pH值和碱解氮(AN)含量在低(4t/hm2)、中(8t/hm2)、高(12t/hm2)施用水平及对照处理之间差异均未达到显著水平.土壤阳离子交换量(CEC)虽然在不同施用水平及对照处理之间差异不显著,但同在高施用水平下,施用凹凸棒石(39.13cmol+/kg)和复合材料(39.23cmol+/ kg)后CEC显著高于施用生物质炭(29.70cmol+/kg)的处理(<0.05),其中施用复合材料的CEC随着其施用量的增大而增大.土壤有机质(SOM)含量在生物质炭高施用水平下与其他施用水平之间差异显著(<0.05),且随着材料施用量的增大而增大;在施用复合材料后,不同施用水平及对照处理之间SOM含量差异虽不显著,但高施用水平下SOM含量明显较高,为12.89g/kg.土壤有效磷(AP)含量在3种材料不同施用水平及对照处理之间差异不显著,但在复合材料高施用水平下显著高于另外两种材料的中低施用水平及对照处理(<0.05).土壤速效钾(AK)含量除复合材料高施用水平下显著高于生物质炭中施用水平的处理外(<0.05),各处理间均无显著性差异.

表5 不同改良材料对土壤基本性质的影响

注:数值为平均值±标准差;同列不同字母表示处理间具有显著性差异(<0.05).下同.

可以看出,在复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)与其他处理相比,含量均达到最高,与对照处理(3种材料对照平均值分别为34.29cmol+/ kg、29.40g/kg、17.02g/kg和83.52g/kg)相比,分别增加了12.6%、17.9%、37.7%和8.6%;SOM(12.89g/kg)与施用该材料其他处理相比,含量亦达到最高,与对照处理(3种材料对照平均值为7.68g/kg)相比,增加了40.4%.

2.4 土壤理化性质对土壤团聚体粒径含量的影响

如图5所示,以土壤不同级别团聚体为响应变量,以土壤理化性质为解释变量进行冗余分析,结果表明,>2mm粒级团聚体与土壤pH值和AK为负相关关系,与CEC、SOM、AP和AN为正相关关系; <0.2mm和0.2～0.5mm粒级团聚体与土壤CEC、SOM、AP和AN为负相关关系,与pH值和AK为正相关关系.通过蒙特卡罗置换检验可知,SOM(=7.2,= 0.018)是影响土壤团聚体分布最为关键的环境因子,其次是 AP(=3.1,=0.094).

图5 不同粒级团聚体与土壤理化因子的冗余分析

>2mm为>2mm粒级团聚体;1～2mm为1～2mm粒级团聚体;0.5～1mm为0.5～1mm粒级团聚体;0.2～0.5mm为0.2～0.5mm粒级团聚体;<0.2mm为<0.2mm粒级团聚体;CEC为阳离子交换量;SOM为土壤有机质;AN为碱解氮;AP为有效磷;AK为速效钾

2.5 凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分对作物产量的影响

2019年、2020年和2021年连续3a施用凹凸棒石/生物质炭复合材料及其单一组分后,玉米平均产量如图6所示.凹凸棒石施用对玉米产量有明显提升作用,随着凹凸棒石施用量的增加,玉米产量逐渐增加,当施用量为高施用水平12t/hm2时,产量达到16494kg/hm2,与对照(11696kg/hm2)相比增产41.0%,但其产量在低(4t/hm2)、中(8t/hm2)、高(12t/hm2)施用水平及对照处理之间,均未达到显著水平.生物质炭施用后,玉米产量随着生物质炭施用量的增加而逐渐减少,当施用量为12t/hm2时,产量降至8019kg/ hm2,较对照处理减少了31.4%,各处理间差异均不显著.施用凹凸棒石/生物质炭复合材料后,玉米产量随着复合材料施用量的增加呈现出先增加后减少的规律,当复合材料施用量为8t/hm2时,产量达到最大值18352kg/hm2,与对照处理相比显著增加了56.9% (<0.05),其他处理间无显著差异.通过对比发现,复合材料中施用水平下玉米产量(18352kg/hm2),比凹凸棒石高施用水平下(16494kg/hm2)增加了11.3%.可见,复合材料与其他两种材料相比,对玉米产量的提升作用较好.

柱上不同字母表示处理间具有显著性差异(<0.05).下同.

2.6 土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质和玉米产量的相关性分析

据图7相关性分析可知,研究区土壤中>2mm粒级团聚体与0.5～1mm粒级团聚体、0.2～0.5mm粒级团聚体、<0.2mm粒级团聚体呈显著负相关关系(<0.05);MWD与土壤中>2mm粒级团聚体呈显著正相关关系(<0.05),与0.5～1mm粒级团聚体、0.2～0.5mm粒级团聚体、<0.2mm粒级团聚体呈显著负相关关系(<0.05);AP与土壤中1～2mm粒级团聚体呈显著负相关关系(<0.05),与MWD、CEC呈显著正相关关系(<0.05);AK与AN呈显著正相关关系(<0.05);玉米产量与土壤中>2mm粒级团聚体、MWD、AP呈正相关关系,但不显著(<0.05),与CEC呈显著正相关关系(<0.05);与0.5～1mm粒级团聚体、0.2～0.5mm粒级团聚体、<0.2mm粒级团聚体、SOM呈负相关关系,但不显著(<0.05).

>2mm为>2mm粒级团聚体;1～2mm为1～2mm粒级团聚体;0.5～1mm为0.5～1mm粒级团聚体;0.2～0.5mm为0.2～0.5mm粒级团聚体;<0.2mm为<0.2mm粒级团聚体;MWD为平均重量直径;pH值为氢离子浓度;CEC为阳离子交换量;SOM为土壤有机质;AN为碱解氮;AP为有效磷;AK为速效钾;Yield为产量

3 讨论

3.1 复合材料对土壤颗粒组成的影响

土壤颗粒组成(SPSD)是指土壤固相中矿物颗粒的大小及组成比例[30],是最基本的土壤物理性质,不仅决定土壤质地和孔隙状况,也影响土壤肥力[31].本研究发现,试验区土壤质地较粗糙,土壤砂粒(0.05～2mm)占绝对优势,含量为72.12%,是由于强烈的风力侵蚀作用,对土壤物质进行了筛选,导致土壤颗粒粗化,土壤保水保肥能力差[32].施用凹凸棒石/生物质炭复合材料后,土壤中石砾、粗砂粒、细砂粒、级细沙粒含量降低,而粗粉粒、细粉粒、黏粒含量升高,土壤颗粒组成呈细化趋势,但土壤颗粒仍以级细沙粒为主,这与苏永中等[33]和李晶等[34]的研究结果一致.苏永中等[33]和李晶等[34]在临泽站的研究结果显示,试验区土壤砂粒含量较高,粉粒、黏粒含量较低.本研究还发现,随着复合材料施用量的增加,土壤中石砾、粗砂粒、细砂粒、级细沙粒含量基本呈现逐渐降低的变化趋势,而粗粉粒、细粉粒、黏粒含量大致呈现逐渐升高的变化趋势,说明复合材料可以通过调控土壤颗粒组成与分布而调节土壤结构,这可能是因为复合材料的多孔结构间接改善了试验区荒漠绿洲土壤的颗粒组成.

3.2 复合材料对土壤团聚体的影响

单个土壤矿物颗粒在有机物等胶结作用下形成较小(低层次)的微团聚体,微团聚体在生物和物理因素作用下进一步形成较大(高层次)的团聚体[35].土壤团聚体是表征土壤结构的基本组成单元[36],在一定程度上能够反映土壤质量,体现土地生产力.

凹凸棒石纤维状的形态及孔道结构使其在改善土壤强度和结块方面有显著作用,对土壤物理结构有一定影响.杨婷等研究表明[37],在一定施用量范围内,水稳性团聚体随着凹凸棒石含量的增加呈增长趋势,当施用量大于30g/kg时,水稳性团聚体几乎不再增加.施用生物质炭能够显著增加土壤水稳性大团聚体比例,调节团聚体水稳性结构[38].惠超等[39]研究表明,适量添加生物质炭可以显著增加土壤中>0.25mm大团聚体含量,降低土壤中<0.25mm微团聚体含量.纪立东等[40]研究证实,生物质炭施用量增加会导致土壤水稳性大团聚体含量的增加.

在本研究中,试验区土壤中>2mm粒级为优势粒径团聚体,随着复合材料施用量的增加,>2mm粒级团聚体含量逐渐升高,0.5～1mm和0.2～0.5mm粒级团聚体含量逐渐降低;但当复合材料施用量达到12t/hm2时,>2mm粒级团聚体的增加趋于平稳, 0.5～1mm和0.2～0.5mm粒级团聚体有所上升.MWD常用来表征土壤中团聚体的稳定状况,其值越大,表示土壤团聚度越高,结构稳定性越好[41].本研究中,MWD随着复合材料施用量的增加而逐渐增加,研究结果与上述研究结果一致,说明一定用量的复合材料可以促进土壤微团聚体向大团聚体转化,促进土壤团粒结构的形成.其过程可能与复合材料的结构有关,其一,复合材料提供了凝结核,促使微团聚体在静电吸附的作用下团聚转化为大团聚体,如施加复合材料后,土壤中的CEC明显增加;其二,可能是一些细小的土壤颗粒,例如砂砾等,掺杂进入复合材料的多孔结构中,在水力学作用、冻融/干湿交替作用下运动,逐步团聚成大颗粒.

3.3 复合材料对作物产量的影响

本研究中,玉米产量随凹凸棒石施用量的增加而增加,随生物质炭施用量的增加而减少,随复合材料施用量的增加呈现先增加后减少的变化趋势.生物质炭在提高作物产量和培肥土壤方面已有大量应用[42-44].然而,由于生物质炭原材料、制备温度,以及土壤类型、作物种类等差异,其在提高作物产量方面仍存在争议[45].Uzoma等[46]研究表明,随着生物质炭施用量的增加,玉米产量显著提高,但施用量为15t/hm2的处理比20t/hm2产量高.张晗芝等[47]的研究也指出玉米苗期生物质炭抑制了植株的生长发育,表现为添加量越大抑制效果越明显.因此,生物质炭施用后玉米减产,可能与材料施用量过大有关,生物质炭制备过程中会产生焦油、多环芳香烃等有机污染物,施入土壤后可能对作物生长产生负面影响;也可能与材料施用后土壤pH值呈碱性也有关,导致出苗率不高.

复合材料施用后,对玉米产量的提升效果优于其单一组分,其原因可能在于复合材料通过调控土壤颗粒组成与分布,促进土壤团粒结构形成,有效改善了土壤结构,而土壤颗粒组成及团聚体分布的微小差异往往决定了土壤的其他理化性质[48-49].本研究中,>2mm粒级团聚体含量与MWD、CEC、SOM、AP、AN均呈正相关关系,也验证了这一点,而玉米产量与>2mm粒级团聚体、MWD、AP和CEC呈正相关关系,说明土壤结构通过影响土壤物理性质而提高玉米产量.此外,复合材料自身带来的养分物质,也会影响土壤化学性质,材料中凹凸棒石的添加,还可以有效缓解生物质炭对作物生长的抑制作用.

通过对复合材料施用后玉米产生的经济效益进行分析(表6),发现复合材料施用量为0,4,8和12t/hm2时,产生的纯收益分别为22161,28745,34306和17487 元/hm2,产出投入比分别为2.74,2.72,2.65和1.71.由此可见,复合材料施用后虽然可以显著提高玉米产量,尤其当施用量为8t/hm2时,玉米产量达到18352kg/hm2,增产56.9%,但是其产出投出比(2.65)略低于对照处理(2.74).因此,后续不仅要对复合材料的生态毒性效应进行科学评估,还要对其生产制备工艺进行优化,以降低其生产成本,提高其经济效益.

表6 复合材料投入产出比较

4 结论

4.1 复合材料可以使荒漠绿洲农田土壤中石砾、粗砂粒、细砂粒、级细沙粒含量降低,粗粉粒、细粉粒、黏粒含量升高.

4.2 复合材料可以促进土壤团粒结构形成,增强土壤团聚体稳定性:随着复合材料施用量的增加, >2mm粒级团聚体含量逐渐升高,MWD逐渐增加,当达到12t/hm2时,MWD为6.24mm,与对照处理相比增加了49.6%.

4.3 玉米产量随着复合材料施用量的增加呈现先增加后减少的变化趋势,当施用量为8t/hm2时,玉米产量达到18352kg/hm2,与对照处理相比增产56.9%.复合材料一方面通过调控土壤颗粒组成与分布,促进土壤团粒结构形成,改善土壤结构,影响土壤物理性质;另一方面,复合材料自身带来的养分物质,会影响土壤化学性质.施用复合材料后通过土壤理化指标的改变,提高了玉米产量,其对荒漠绿洲农田土壤的改良效果优于其单一组分.

[1] 王文波,牟 斌,张俊平,等.凹凸棒石:从矿物材料到功能材料[J]. 中国科学:化学, 2018,48(12):1432-1451. Wang W B, Mu B, Zhang J P, et al. Attapulgite: from clay minerals to functional materials [J]. Scientia Sinica Chimica, 2018,48(12):1432- 1451.

[2] Lam Y Y, Lau S S S, Wong J W C. Removal of Cd(II) from aqueous solutions using plant-derived biochar: Kinetics, isotherm and characterization [J]. Bioresource Technology Reports, 2019,8:100323.

[3] Zhou H, Fang H, Zhang Q, et al. Biochar enhances soil hydraulic function but not soil aggregation in a sandy loam [J]. European Journal of Soil Science, 2019,70:291-300.

[4] 武爱莲,王劲松,董二伟,等.施用生物炭和秸秆对石灰性褐土氮肥去向的影响[J]. 土壤学报, 2019,56(1):176-185. Wu A L, Wang J S, Dong E W, et al. Effect of application of biochar and straw on fate of fertilizer N in cinnamon soil [J]. Acta Pedologica Sinica, 2019,56(1):176-185.

[5] 李 明,秦 洁,红 雨,等.氮素添加对贝加尔针茅草原土壤团聚体碳、氮和磷生态化学计量学特征的影响[J]. 草业学报, 2019,28(12): 29-40. Li M, Qin J, Hong Y, et al. Effects of nitrogen addition on ecological stoichiometric characteristics of carbon, nitrogen and phosphorus ingrassland soil aggregates [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019,28(12):29-40.

[6] 刘亚龙,王 萍,汪景宽.土壤团聚体的形成和稳定机制:研究进展与展望[J]. 土壤学报, 2023,60(3):627-643. Liu Y L, Wang P, Wang J K. Formation and stability mechanism of soil aggregates: Progress and prospect [J]. Acta Pedologica Sinica, 2023,60(3):627-643.

[7] Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000,32(14): 2099-2103.

[8] 陈 帅,孙 涛.松嫩草地不同退化阶段的土壤团聚体稳定性[J]. 草业学报, 2017,34(2):217-223. Chen S, Sun T. Research of soil aggregate stability in the different degradation stages of Songnen grassland [J]. Acta Prataculturae Sinica, 2017,34(2):217-223.

[9] 杨 苏,李传哲,徐 聪,等.绿肥和凹凸棒添加对黄河故道潮土土壤结构和碳氮含量的影响[J]. 水土保持通报, 2020,40(2):199-204. Yang S, Li C Z, Xu C, et al. Effects of adding straw and attapulgite on soil structure and carbon and nitrogen contents of Old Yellow River Course [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020,40(2):199- 204.

[10] 张 贺,杨 静,周吉祥,等.连续施用土壤改良剂对砂质潮土团聚体及作物产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2021,27(5):791-801. Zhang H, Yang J, Zhou J X, et al. Effects of organic and inorganic amendments on aggregation and crop yields in sandy fluvo-aquic soil [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021,27(5):791-801.

[11] Zheng H, Wang X, Luo X, et al. Biochar-induced negative carbon mineralization priming effects in a coastal wetland soil: Roles of soil aggregation and microbial modulation [J]. Science of the Total Environment, 2018,610:951-960.

[12] 张 帅.生物炭施用对潮土团聚体碳氮及微生物特性的影响 [D]. 北京:中国农业科学院, 2021. Zhang S. Effect of biochar application on carbon, nitrogen and microbial characteristics within aggregates of fluvo-aquic soil [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2021.

[13] Obia A, Mulder J, Martinsn V, et al. In situ effects of biochar on aggregation, water retention and porosity in light-textured tropical soils [J]. Soil and Tillage Research, 2016,155:35-44.

[14] 郭 淼,李贝贝,许琳玥,等.氢氧化钠改性生物炭/凹凸棒石复合材料对铅、镉的吸附机理研究 [J]. 生态与农村环境学报, https://doi.org/ 10.19741/j.issn.1673-4831.2022.0851. Guo M, Li B B, Xu L Y, et al. Study on the adsorption mechanism of sodium hydroxide modified biochar/attapulgite composites for lead and cadmium [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, https://doi.org/10.19741/j.issn.1673-4831.2022.0851.

[15] 陶 玲,黄 磊,周怡蕾,等.污泥-凹凸棒石共热解生物炭对矿区土壤重金属生物有效性和环境风险的影响 [J]. 生态环境学报, 2022,31(8):1637-1646. Tao L, Huang L, Zhou Y L, et al. Influences of biochar prepared by co-pyrolysis with sludge and attapulgite on bioavailability and environmental risk of heavy metals in mining soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2022,31(8):1637-1646.

[16] Tian G Y, Wang W B, Zhu Y F, et al. Carbon/attapulgite composites as recycled palm oil-decoloring and dye adsorbents[J]. Materials, 2018, 11(1):86.

[17] Tang J, Zong L, Mu B, et al. Preparation and cyclic utilization assessment of palygorskite/carbon composites for sustainable efficient removal of methyl violet [J]. Applied Clay Science, 2018,161:317- 325.

[18] Tang J, Zong L, Mu B, et al. Attapulgite/carbon composites as a recyclable adsorbent for antibiotics removal [J]. Korean J. Chem. Eng., 2018,35(8),1650-1661.

[19] 郝丽娜,粟晓玲.黑河干流中游地区适宜绿洲及耕地规模确定[J]. 农业工程学报, 2015,31(10):262-268. Hao L N, Su X L. Determination for suitable scale of oasis and cultivated land in middle reaches of Heihe River basin [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(10):262-268.

[20] 宗 莉,唐 洁,牟 斌,等.凹凸棒石/炭复合吸附材料研究进展[J]. 化工进展, 2021,40(1):282-296. Zong L, Tang J, Mu B, et al. Research progress on attapulgite/carbon composites used as adsorbent [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021,40(1):282-296.

[21] 李贝贝,张亚平,郭炳跃,等,生物炭/凹凸棒石复合材料对铅镉的吸附[J]. 农业环境科学学报, 2023,42(5):1116-1127. Li B B, Zhang Y P, Guo B Y, et al. Adsorption characteristics of Cd2+and Pb2+on biochar/attapulgite composites [J]. Journal of Agro- Environment Science, 2023,42(5):1116-1127.

[22] 王彤彤,崔庆亮,王丽丽,等.Al改性柠条生物炭对P的吸附特性及其机制 [J]. 中国环境科学, 2018,38(6):2210-2222. Wang T T, Cui Q L, Wang L L, et al. Adsorption characteristics and mechanism of phosphate from aqueous solutions on Al modification biochar produced from[J]. China Environmental Science, 2018,38(6):2210-2222.

[23] 王彤彤,马江波,曲 东,等.两种木材生物炭对铜离子的吸附特性及其机理研究 [J]. 环境科学, 2017,38(5):2161-2171. Wang T T, Ma J B, Qu D, et al. Characteristics and mechanism of copper adsorption from aqueous solutions on biochar produced from sawdust and Apple branch [J]. Environmental Science, 2017,38(5): 2161-2171.

[24] 莫惠栋.农业试验统计(第二版) [M]. 上海:上海科技出版社, 1992: 224-259. Mo H D. Agricultural trial statistics (2nd Edition) [M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1992:224-259.

[25] 韩 梅,刘 蕊,李正鹏,等.种植绿肥对作物产量和细菌群落稳定性的影响[J]. 中国环境科学, 2021,41(11):5382-5390. Han M, Liu R, Li Z P, et al. Green manuring increased crop yields and the stability of bacterial community [J]. China Environmental Science, 2021,41(11):5382-5390.

[26] Liao H, Zhang Y, Wang K, et al. Complexity of bacterial and fungal network increases with soil aggregate size in an agricultural Inceptisol [J]. Applied Soil Ecology, 2020,154:103640.

[27] 雷泽勇,于东伟,周凤艳,等.樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响[J]. 生态学报, 2020,40(15):5367-5376. Lei Z Y, Yu D W, Zhou F Y, et al. Effects of afforestation withvar.on change of soil particle size distribution in sandy land [J]. Acta Ecologica Sinica, 2020,40(15):5367-5376.

[28] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M]. 北京:中国农业科技出版社, 2000. Lu R K. Analytical methods for soil and agro-chemistry [M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[29] Yang W G, Han Y, Zheng F L, et al. Investigating spatial distribution of soil quality index and its impacts on corn yield in a cultivated catchment of the Chinese Mollisol Region [J]. Soil Science Society of America Journal, 2016,88:317-327.

[30] Pardo A, Amato M, Chiaranda FQ. Relationships between soil structure, root distribution and water uptake of chickpea () Plant Growth and Water Distribution [J]. European Journal of Agronomy, 2000,13:39-45.

[31] Lal R, Shukla M K. Principles of Soil Physics [M]. New York: Academic, Marcel Dekker, Inc. 2004:12-256.

[32] Su Y Z, Zhao H L, Zhao W Z, et al. Fractal features of soil particle size distribution and the implication for indicting desertification [J]. Geoderma, 2004,122:43-49.

[33] 苏永中,杨 晓,杨 荣.黑河中游边缘荒漠-绿洲非饱和带土壤质地对土壤氮积累与地下水氮污染的影响[J]. 环境科学, 2014,35(10): 3683-3691. Su Y Z, Yang X, Yang R. Effect of soil texture in unsaturated zone on soil nitrate accumulation and groundwater nitrate contamination in a marginal oasis in the middle of Heihe River Rasin [J]. Environmental Science, 2014,35(10):3683-3691.

[34] 李 晶,何志斌,王建兵,等.荒漠绿洲农田土壤水热动态及硝态氮淋溶特征[J]. 中国沙漠, 2022,42(5):245-257. Li J, He Z B, Wang J B, et al. Soil hydrothermal dynamics and nitrate leaching characteristics in farmland in desert oasis [J]. Journal of Desert Research, 2022,42(5):245-257.

[35] 刘玲玲,李 超,房 焕,等.免耕对稻油轮作系统土壤结构的影响[J]. 土壤学报, 2021,58(2):412-420. Liu L L, Li C, Fang H, et al. Effect of no-till farming on soil structure in rice-rapeseed rotation system [J]. Acta Pedologica Sinica, 2021, 58(2):412-420.

[36] 夏围围,李乙坤,张 萌,等.硝化微生物在土壤团聚体中的分布及其对种植方式的响应[J]. 土壤学报, 2022.DOI:10.11766/ trxb202203220126. Xia W W, Li Y K, Zhang M, et al. Distribution patterns of nitrifiers within soil aggregates under different cropping systems [J]. Acta Pedologica Sinica, 2022.DOI:10.11766/trxb202203220126.

[37] 杨 婷,吴军虎.凹凸棒土对土壤团粒结构及水力参数的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2017,35(6):46-51. Yang T, Wu J H. Effect of attapulgite to soil aggregate structure and hydraulic parameters [J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2017,35(6):46-51.

[38] Zeelie A. Effect of biochar on selected soil physical properties of sandy soil with low agricultural suitability [D]. Stellenbosch: Stellenbosch University, 2012.

[39] 惠 超,杨卫君,宋世龙,等.生物炭施用对麦田土壤团聚体机械稳定性及春小麦产量的影响[J]. 土壤通报, 2022,53(2):349-355. Hui C, Yang W J, Song S L, et al. Effects of biochar application on mechanical stability of soil aggregates and yield of spring wheat [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022,53(2):349-355.

[40] 纪立东,柳骁桐,司海丽,等.生物炭对土壤理化性质和玉米生长的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2021,39(5):114-120. Ji L D, Liu X T, Si H L. et al. Effects of biomass charcoal on soil physicochemical properties and corn growth [J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2021,39(5):114-120.

[41] 谢 坤,耿明建,聂 军,等.长期紫云英还田与化肥配施下水稻土团聚体中铁氧化物的演变规律[J]. 土壤学报, 2022.DOI:10.11766/ trxb202111110611. Xie K, Geng M J, Nie J, et al. Evolution of iron oxides in aggregates of paddy soil under long-term returning of Chinese Milk Vetch and combined application of chemical fertilizers [J]. Acta Pedologica Sinica, 2022.DOI:10.11766/trxb202111110611.

[42] 陈温福,张伟明,孟 军.农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学, 2013,46(16):3324-3333. Chen W F, Zhang W M, Meng J. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013,46(16):3324-3333.

[43] Zhao X, Wang J W, Xu H J, et al. Effects of crop-straw biochar on crop growth and soil fertility over a wheat/millet rotation in soils of China [J]. Soil Use and Management, 2014,30(3):311-319.

[44] 李一凡,郭嘉朋,黄 洁,等.不同老化方法对生物炭表面特征及镉吸附能力的影响 [J]. 农业工程学报, 2023,39(11):238-244. Li Y F, Guo J M, Huang J, et al. Effects of aging methods on surface characteristics and cadmium adsorption in biochar [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2023,39(11):238- 244.

[45] 李 阳,黄 梅,沈 飞,等.生物炭早期植物毒性评估培养方法研究[J]. 生态毒理学报, 2016,11(4):168-175. Li Y, Huang M, Shen F, et al. Investigations on cultivation methods for assessing the early phytotoxicity of biochar [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016,11(4):168-175.

[46] Uzoma K C, Inoue M, Andry H, et al. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition [J]. Soil Use and Management, 2011,27(2):205-212.

[47] 张晗芝,黄 云,刘 钢,等.生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J]. 生态环境学报, 2010,19(11):2713-2717. Zhang H Z, Huang Y, Liu G, et al. Effects of biochar on corn growth, nutrient uptake and soil chemical properties in seeding stage [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2010,19(11):2713-2717.

[48] 李涵韬,余 健,方凤满,等.复垦对土壤颗粒组成、分形维数、团聚体影响 [J]. 环境科学与技术, 2015,38(8):11-21. Li H T, Yu J, Fang F M, et al. Soil particle size distribution, fractal dimension, soil aggregate feature and change after land leveling reclamation [J]. Environmental Science & Technology, 2015,38(8): 11-21.

[49] Wang H F, Hu W Y, Wu Q M, et al. Effectiveness evaluation of environmentally friendly stabilizers on remediation of Cd and Pb in agricultural soils by multi-scale experiments [J]. Journal of Cleaner Production, 2021,311:127673.

致谢：本实验于中国科学院生态系统研究网络临泽内陆河流域综合研究站完成,在此表示感谢.

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

陕西省科学院科技计划项目(2020k-29);陕西省重点研发计划一般项目(2022NY-072);陕西省重点研发计划重点产业创新链项目(2021ZDLNY05-01);咸阳市秦创原科技创新专项(L2022-QCYZX- NY-006)

* 责任作者, 研究员, myszhwj@xab.ac.cn

冯志珍(1986-),女,内蒙古呼和浩特市人,助理研究员,博士,从事凹凸棒石复合材料研发与土壤修复改良研究.发表论文5篇. fengzz@xab.ac.cn.

冯志珍,颜 宏,卢雨欣,等.凹凸棒石基复合材料土壤改良效果研究——以荒漠绿洲农田土壤为例 [J]. 中国环境科学, 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.