PAM與天然土壤改良材料混合對部分土壤理化性質(zhì)的影響

康倍銘，徐 健，吳淑芳，，徐曉敏，馮 浩

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國石油長慶油田分公司，西安7100182；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌712100）

在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為滿足人口增加對糧食生產(chǎn)的需求，人們大量不合理地利用耕地并無節(jié)制地使用化肥和農(nóng)藥，這些最終導(dǎo)致了土壤理化性質(zhì)惡化。高分子土壤結(jié)構(gòu)改良劑聚丙烯酰胺（PAM）是目前應(yīng)用較 多 的 土 壤 改 良 劑 之 一［1］。 曹 麗 花 等［2］采 用PAM、B－環(huán)糊精、沃特保水劑、腐殖酸4種土壤結(jié)構(gòu)改良劑，通過室內(nèi)土柱培養(yǎng)，結(jié)果表明4種改良劑在濃度為0.05%～0.4%時，均可改善風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)。員學(xué)峰等［3］研究小區(qū)試驗表明施加當(dāng)PAM施用濃度為0.5～2.0g／m2時，玉米增產(chǎn)幅度為5.54%～14.51%。但高分子土壤改良劑生產(chǎn)工藝和原料來源要求較高，價格昂貴，使其大范圍應(yīng)用受限，一定程度上限制了此類土壤改良劑的推廣［4］。

除以上高分子土壤改良劑以外，天然土壤改良材料因價格低廉、有機(jī)質(zhì)含量高，已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)試驗中小范圍得以應(yīng)用。天然土壤改良材料如油菜渣、草炭、風(fēng)化煤、頁巖、蛭石、秸稈等在改土培肥方面已取得一定成效且有相關(guān)報道。如陳克亮等［5］通過盆栽試驗研究了不同含量的油田油渣對玉米生長及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在土壤中施加適量油渣不會對玉米生長及品質(zhì)造成不利影響，而且土壤中摻入一定量油渣可改善土壤的理化性質(zhì)，增強(qiáng)持水能力和增加土壤養(yǎng)分，從而提高玉米出苗率。Spaccini等［6］研究了玉米秸稈覆蓋和玉米秸稈混合施入土壤兩種利用方式對土壤團(tuán)聚體的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈施入土壤后更能提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且秸稈還田量一般以2 250～3 750kg／hm2為宜。陳雙燕等［7］利用蛭石基質(zhì)引發(fā)處理結(jié)縷草種子，在最適溫度條件下，能夠顯著提高種子的最終發(fā)芽率、發(fā)芽速度和發(fā)芽的整齊度。陳伏生等［8］通過盆栽試驗比較了施用不同劑量的草炭（0%，2%，5%，8%及10%）對風(fēng)沙土改良的效果和對白菜生長及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：草炭能增強(qiáng)風(fēng)沙土的持水能力，降低土壤的pH值，增加土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷等的含量；白菜根系長度、生物量、高生長和地上部分的生物量均有增加，其中8%草炭處理為最佳，同時施用草炭還有利于提高白菜干物質(zhì)的積累及其品質(zhì)。苗利國等［9］利用頁巖有機(jī)肥料對沈陽檜苗木生長的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明施用新型頁巖有機(jī)肥料對苗木的高度有明顯的促進(jìn)作用。新疆生物土壤沙漠研究所［10］在多年大田試驗后得出，可以單獨(dú)使用風(fēng)化煤，用量以稍大為好，在試驗中用7 500～15 000kg。

因PAM特殊分子結(jié)構(gòu)與這些天然土壤改良材料存在交互作用，研究表明PAM與天然土壤改良材料混施可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長等，如：馮瑞云等［11］以高分子材料聚丙烯酰胺（PAM）、秸稈纖維素為試材，系統(tǒng)分析了土壤改良劑擴(kuò)蓄增容效果。結(jié)果表明，秸稈擴(kuò)蓄肥具有較強(qiáng)的保水性能，有效降低土壤體積質(zhì)量，提高非毛管孔隙比例，增加土壤孔隙度。李剛等［12］通過球磨插層法將吸水性高分子在蛭石層間插層聚合，制備成的有機(jī)復(fù)合吸水材料，結(jié)合了高分子吸水材料與礦物型吸水材料的優(yōu)點，吸水量大；蛭石的加入可以降低吸水材料的成本，同時還可以起到改良土壤的作用。遲永剛等［13］通過盆栽實驗對玉米幼苗生長及生理特性的監(jiān)測，探討了水分脅迫和正常供水條件下PAM分別與泥炭、沸石和稀土復(fù)合應(yīng)用的互作效應(yīng)。結(jié)果表明，保水劑＋泥炭在兩種水分條件下均能復(fù)合應(yīng)用，可有效促進(jìn)玉米生長和提高水分利用效率。

基于上述研究現(xiàn)狀，本研究利用上述研究思路，將少量PAM分別與油渣、秸稈、蛭石、頁巖、草炭、風(fēng)化煤按一定比例混合，施入土壤，培養(yǎng)一定時期后，研究其對土壤結(jié)構(gòu)、保水持水以及有機(jī)質(zhì)含量的影響，尋找與PAM混合效果較好的土壤改良材料，有望為低成本多功能復(fù)合土壤改良劑研發(fā)提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用土采自陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗站，土壤類型為土，其砂粒、粉粒、黏粒含量分別為8.3%，62.9%，28.8%，質(zhì)地為粉黏壤土。

聚丙烯酰胺（PAM）由勝利煉油廠勞動服務(wù)公司生產(chǎn)，分子量大于800萬，粉末狀，4～6萬元／t；蛭石購于河北省石家莊市靈壽縣敏誠蛭石加工廠（500元／t）；油渣購于楊凌油渣廠，為生產(chǎn)油菜油后剩余的油菜渣（1 900元／t）；秸稈為西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗站試驗田內(nèi)的玉米秸稈；草炭購于河北省石家莊市靈壽縣敏誠草炭有限公司（1 000元／t）；頁巖購于陜西省三原縣，為油頁巖（690元／t）；風(fēng)化煤購于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣華亭煤礦（600元／t）。以上土壤及蛭石、油渣、秸稈、風(fēng)化煤、頁巖、草炭均風(fēng)干后磨碎至粉末狀過2mm篩。

1.2 試驗處理

設(shè)計處理用量參考以往相關(guān)研究報道［2］，PAM施用濃度為0.05%；油渣、秸稈、蛭石質(zhì)量占總質(zhì)量分別為0.3%，0.6%，1%；風(fēng)化煤、草炭、頁巖質(zhì)量占總質(zhì)量分別為3%，5%，10%。實驗設(shè)置20個處理，重復(fù)6次，如表1所示。

表1 試驗設(shè)計處理

1.3 研究方法

試驗主要在室內(nèi)進(jìn)行，將上述處理的土樣按容重1.25g／cm3分層均勻填裝到直徑10cm，高12cm的PVC管中，管的底端用紗布密封，裝土高度10cm。采用自吸水方式來濕潤土柱至飽和，24h后放于人工氣候箱中（溫度35℃，相對濕度70%）培養(yǎng)，控制土柱含水量下限為80%的田間持水量（CK處理的田間持水量），如低于此含水量，將土柱進(jìn)行飽和處理后繼續(xù)放入氣候箱培養(yǎng)［14］。培養(yǎng)60d后，用環(huán)刀取土3個重復(fù)，先用離心機(jī)測定不同水吸力下土壤含水量，再烘干計算土壤容重，比重瓶法測定土壤比重，土壤總孔隙度通過公式計算獲得，土壤總孔隙度＝（1－容重／比重）×100%。使用濕篩法測定其水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)［15］。剩余3個重復(fù)的土柱放在盛有薄層水的水槽中，讓土柱自動吸水濕潤，待全部土柱表面濕潤，取出放置24h，在自然條件下利用稱重法觀測土壤蒸發(fā)情況［16］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Execl和SAS 6.2軟件處理數(shù)據(jù)，對測定結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan新復(fù)極差法（α＝0.05）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM與天然土壤改良材料混合對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和孔隙度的影響

根據(jù)團(tuán)聚體形成的多級團(tuán)聚理論，一般把濕篩法獲得＞0.25mm的團(tuán)聚體稱為土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要的貢獻(xiàn)［17］。由表2不同處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量表發(fā)現(xiàn)：單施PAM后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加，相比對照增加了48.35%；PAM分別與各材料混合，其土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均較單施PAM處理有不同程度的增加，其中，PAM與0.6%的秸稈處理，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較單施PAM增加最大，為2.5倍。其次，PAM 與0.3%的油渣處理，較單施PAM增加2.4倍，PAM與頁巖、蛭石處理后其水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增幅較小，較單施PAM增加3.1%，5.1%。

土壤孔隙度也是評價土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)［18］。由圖1發(fā)現(xiàn)，除PAM與頁巖混合處理（YYP）對土壤孔隙度有負(fù)增加現(xiàn)象外，其余處理土壤孔隙度較對照和單施PAM 有所增加，相對對照增幅2.1%～4.4%，但相對單施PAM處理，增幅在2.3%以下，其增加幅度并不顯著。

圖1 不同材料處理土壤孔隙度比較

2.2 PAM與天然土壤改良材料混合對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)對土壤物理性質(zhì)有深遠(yuǎn)影響，它影響著土壤結(jié)構(gòu)、水的滲透、水的保持和組成。圖2為各天然土壤改良材料有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化煤、油渣、玉米秸稈有機(jī)質(zhì)含量較高。表3為PAM與不同材料混合后培養(yǎng)前后土壤有機(jī)質(zhì)含量，由表3發(fā)現(xiàn)，單施PAM對土壤有機(jī)質(zhì)影響不顯著，所有處理均提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同種材料，施入濃度越大，培養(yǎng)前后其土壤有機(jī)質(zhì)含量越高。其中：PAM分別與三種高用量材料（頁巖、草炭、風(fēng)化煤）混施土壤中，風(fēng)化煤處理對土壤有機(jī)質(zhì)增加顯著，培養(yǎng)后其土壤損失有機(jī)質(zhì)的百分比較高，幅度約50%，頁巖處理培養(yǎng)后土壤損失有機(jī)質(zhì)的百分比最小，幅度約為6%；PAM分別與三種低用量材料（油渣、秸稈、蛭石）混施土壤處理中，蛭石處理培養(yǎng)前后對土壤有機(jī)質(zhì)增加不明顯，隨用量增加油渣處理培養(yǎng)后土壤損失有機(jī)質(zhì)百分比增大，且變幅較大。

表2 不同處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量比較

表3 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量

圖2 各天然土壤改良材料有機(jī)質(zhì)含量

2.3 PAM與天然土壤改良材料混合對土壤水分的影響

土壤有效水含量在10kPa水吸力下土壤所持水量與1 500kPa水吸力下土壤所持水量之差，為土壤可供作物吸收的有效水量［19］。本研究通過離心機(jī)法測定了不同水吸力下土壤持水量，選用有效水含量作為土壤保水性指標(biāo)［20］，圖3為各材料平均有效水含量，結(jié)果表明：PAM與風(fēng)化煤處理后土壤持水性較好，其有效含水量較對照提高了10.8%，較單施PAM處理提高7.9%，油渣、蛭石次之，較對照均提高了6.5%，較單施PAM處理均提高3.7%，PAM與頁巖處理最差，較對照降低了1.1%，較單施PAM處理降低了3.7%。處理中保水性較好的為PAM與風(fēng)化煤處理，當(dāng)風(fēng)化煤為3%的濃度時，其持水性能最突出，較對照提高23.2%，較單施PAM提高20%。

圖3 不同材料處理土壤有效水含量比較

圖4 為各材料處理隨時間變化的蒸發(fā)過程圖，各處理初始含水量為吸水至飽和后除去重力水的土壤含水量，所有處理均較對照含水量有所提高，其中PAM與秸稈處理其儲存于土壤的水分最大，初始含水量較單施PAM土壤含水量提高了11.6%。其次PAM與油渣處理其初始含水量較單施PAM提高5.1%。隨著蒸發(fā)時間推移，各處理蒸發(fā)速率基本相等（如圖4中各曲線斜率），蒸發(fā)結(jié)束后，PAM與秸稈、PAM與油渣、PAM與蛭石處理的土壤其含水量相對較高，基本上均失去約21%的土壤水分，即初期土壤吸水量越多，蒸發(fā)結(jié)束后，其含水量仍相對較高。

為更準(zhǔn)確反映各處理的抗蒸發(fā)能力，本研究選用了蒸發(fā)失水比指標(biāo)，即在某一時段內(nèi)的蒸發(fā)量與土柱吸水總量的比值來反映各處理抗蒸發(fā)性能強(qiáng)弱，其值越小，說明抗蒸發(fā)性能越強(qiáng)。通過計算，秸稈、油渣、蛭石蒸發(fā)失水分別為54.17%，54.53%，55.93%，比單施PAM 處理平均減少9.3%，8.7%，6.3%，抗蒸發(fā)能力較強(qiáng)，其中，PAM與1%秸稈和1%的油渣處理抗蒸發(fā)能力最強(qiáng)。

圖4 不同材料處理土壤含水量隨時間的變化

3 結(jié)論

6種天然土壤改良材料與PAM混合后不僅能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤肥力，而且增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時提高了土壤有效水含量，增強(qiáng)土壤抗蒸發(fā)能力。6種天然土壤改良材料與PAM混合施用對土壤結(jié)構(gòu)影響發(fā)現(xiàn)，PAM與油渣和PAM與秸稈處理其平均水穩(wěn)性團(tuán)粒含量增加最為顯著，對于單施PAM，各處理對土壤孔隙度無顯著影響。各處理對土壤有機(jī)質(zhì)提高效果相比，培養(yǎng)前后均不同程度提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其高低與材料自身有機(jī)質(zhì)含量及用量相關(guān)，6種天然土壤改良劑中，PAM與風(fēng)化煤處理培養(yǎng)后土壤損失有機(jī)質(zhì)百分比最大，約為50%。各處理對土壤水分效果相比，除頁巖外，各處理均提高了土壤保水性和增強(qiáng)了土壤抗蒸發(fā)性，其中PAM與3%的風(fēng)化煤處理顯著提高了土壤有效水含量，PAM與1%的秸稈處理和PAM與1%的油渣處理抗蒸發(fā)性能較強(qiáng)。

總體上，PAM與風(fēng)化煤、秸稈、油渣處理對穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)質(zhì)含量，保持土壤水分等方面有顯著改善作用，今后還需進(jìn)一步研制多功能的土壤改良劑，研究其適用性、適宜用量和作用機(jī)理。

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