三種環(huán)境材料對土壤水肥保持效應(yīng)的影響研究

劉陸涵，馬 妍，劉振海，彭 菲，黃占斌

三種環(huán)境材料對土壤水肥保持效應(yīng)的影響研究

劉陸涵1，2，馬 妍1*，劉振海1，彭 菲1，黃占斌1*

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.北京首創(chuàng)環(huán)境投資有限公司，北京100083）

采用土柱淋溶實驗方法，探究了土壤保水劑、腐植酸和沸石對土壤水分保持、控氮釋磷的效應(yīng)，通過過程分析探討水肥保持增效的機(jī)制。試驗結(jié)果表明：保水劑對土壤水分保持效果最明顯，沸石對氮肥保持和磷肥活化效果最好，在一定范圍內(nèi)隨添加量增多效果有增強(qiáng)趨勢且效果持久；當(dāng)保水劑添加量為2 g·kg-1時，土壤水分淋出量相比CK減少4.4%，腐植酸添加量為1.0 g·kg-1，氮素淋出量相比CK減少17.4%，沸石添加量為12 g·kg-1時，磷素淋出量相比CK增加68.0%；沸石添加量為9 g·kg-1時，氮磷肥同步增效最好，相比CK，土壤氮素淋出量減少25.1%，磷素淋出量增多29.2%。研究表明，三種環(huán)境材料施用對土壤水肥保持具有明顯的增強(qiáng)效果。

環(huán)境材料；保水劑；腐植酸；沸石；土壤水分；控氮釋磷

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是作物生長所需水分和營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源。氮磷肥施用在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中效益明顯，但也存在不合理使用性，氮磷是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。有研究表明[1-4]：我國氮肥和磷肥當(dāng)季利用率僅有35%左右和10%～20%，約75%以上的磷滯留在土壤中，不僅增加農(nóng)業(yè)成本，還造成大部分地區(qū)土壤酸化。減少水肥在土壤中的流失是提高土壤養(yǎng)分、治理面源污染的主要途徑，氮肥增效主要是增加氮素的保持效果，增強(qiáng)緩釋效應(yīng)；磷肥增效主要是增強(qiáng)磷素的可溶性，即減少土壤溶液中鈣鎂等離子與磷酸根離子的結(jié)合。

保水劑是新興的高吸水性樹脂，在農(nóng)業(yè)面源污染治理中廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊[5]。研究表明，保水劑不僅改善土壤水分狀況、提高作物產(chǎn)量和水分子利用效率，還促進(jìn)植株對土壤氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收[6-14]。保水劑分子遇水膨脹時，可將分散的土壤顆粒結(jié)成團(tuán)塊狀，同時能夠增強(qiáng)土壤持水能力，減少水分和土壤養(yǎng)分的流失，從而提高水肥利用效率。腐植酸是自然環(huán)境中廣泛存在的一類高分子物質(zhì)，占土壤和水圈生態(tài)體系總有機(jī)質(zhì)的50%～80%[15]，腐植酸本身可作為肥料施入土壤，對銨態(tài)氮的保持效果較好[16-19]，還能活化土壤中已存在的被固定的磷肥，進(jìn)一步提高磷肥利用率[20]。沸石是以硅氧四面體和鋁氧四面體為基本結(jié)構(gòu)單元的硅酸鹽礦物，內(nèi)部為三維空間架狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的吸附性和離子交換性[21]。大量研究證明[22-24]，將沸石應(yīng)用在土壤中可以提高肥料利用率，增強(qiáng)土壤保水保肥抗旱的效果，減少養(yǎng)分流失，改善土壤氮素釋放和流失狀況，提高氮肥利用率，提高作物產(chǎn)量，降低作物生長成本。

目前，對保水劑等環(huán)境材料的研究主要集中在材料對土壤物理性狀和化學(xué)性質(zhì)的影響方面，如土壤團(tuán)聚體變化和水分常數(shù)變化等；在肥料保持方面，研究多集中于對氮肥的效應(yīng)，而對磷活化研究性狀相對較少。本研究根據(jù)已有的研究進(jìn)展，針對土壤氮磷肥保持增效和水分保持同步開展系列實驗。本文為系統(tǒng)研究的第一環(huán)節(jié)，采用土柱淋溶模擬實驗，選取保水劑、腐植酸和沸石，研究單一環(huán)境材料對土壤水分和氮磷肥保持增效的影響，探討對土壤水肥增效機(jī)制，期望從根本上減少土壤水肥的淋失，提高水分和氮磷肥利用率，控制并減少面源污染，為開發(fā)新型肥料添加劑提供依據(jù)，并為環(huán)境材料的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

環(huán)境材料：保水劑，聚丙烯酸鈉鹽型，白色晶體顆粒，60～80目，北京金元易生態(tài)工程技術(shù)中心提供；腐植酸，黑色粉狀，80～100目，其中黃腐酸16.7%，由內(nèi)蒙古霍林河煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司提供；沸石，乳白色顆粒，60～80目，化學(xué)純，天津市津科精細(xì)化工研究所生產(chǎn)。

供試土壤：北京市通州區(qū)農(nóng)田表層土壤。土壤容重1.23 g·cm-3，0.25～5.00 mm土壤團(tuán)聚體占50.6%；土壤堿解氮15.75 g·kg-1，速效磷54.40 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)18.91 g·kg-1，陽離子交換量（CEC）6.19 cmol·kg-1，電導(dǎo)率（EC）0.33 μS·cm-1，含水率7.6%，孔隙度50.5%，pH值7.49。經(jīng)風(fēng)干、碾碎和剔除雜物后過2mm篩，備用。

供試肥料：尿素，H2NCONH2，分析純，廣東光華科技股份有限公司；過磷酸鈣，Ca（H2PO4）2·H2O，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

土柱淋溶裝置：主體是定制的有機(jī)玻璃柱和玻璃土柱架（圖1）。玻璃柱的內(nèi)徑、外徑和高分別為5、6、35 cm。在淋溶柱底部放置兩塊制有小孔的有機(jī)玻璃濾板，濾板之間夾一層200目的濾布。每柱裝入500 g過2 mm篩后風(fēng)干土壤和肥料的混合物（肥料混施于土壤，尿素和過磷酸鈣添加量分別為1000、750 g·kg-1），表面覆蓋少量（約40 g，0.5 cm厚）純凈石英砂，加水時起到緩沖作用，防擾亂土層。

圖1 土柱淋溶模擬實驗裝置Figure 1 Soil column leaching experiment equipment

1.2 實驗設(shè)計

采用單因素優(yōu)選法，分析三種材料對土壤水肥增效機(jī)制。每組處理分別添加一種環(huán)境材料，每種材料選取5個添加水平，保水劑（A）與腐植酸（B）選取水平相同，分別為土壤干重的0.025%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%（即0.25、0.5、1.0、1.5、2.0 g·kg-1干土），沸石（C）分別選取土壤干重的0.15%、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%（即1.5、3、6、9、12 g·kg-1干土）。另設(shè)CK處理，不添加任何環(huán)境材料，只添加肥料（表1）。共16個處理，設(shè)3個重復(fù)。

表1 土柱淋溶試驗設(shè)計Table 1 Soil column leaching experiment design

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤水分：淋溶前，加250 mL水使土壤水分接近飽和持水量，室溫下放置1 d，使土肥充分混合。首次淋溶加入250 mL水，收集24 h淋溶液。將淋溶柱放置在室溫條件下，自然蒸發(fā)，約7 d后稱重，至土壤含水率降到50%左右時，進(jìn)行第Ⅱ次淋溶，每次淋溶過程相同，分別在培養(yǎng)第2、9、16、23、30、37、44、51 d時淋溶，并用量筒直接測定淋溶液體積。

淋溶液總氮：采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定（HJ636-2012代替GB11894—1989）?？偭祝翰捎眠^硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測定（GB 11893—1989）。

采用Origin 8.5和SPSS 19.0進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境材料不同添加水平對土壤水分保持的影響

2.1.1 對淋溶過程的影響分析

淋溶液體積即土壤水分流失量。保水劑組首次淋溶液體積最少，試驗處理均比CK少；第Ⅱ次淋溶時，試驗處理均比CK多，保水劑并沒表現(xiàn)出保水作用，可能是首次淋溶后土壤水分基本呈飽和狀態(tài)，保水劑本身的膨脹增大了淋溶土壤整體的孔隙度，使水分更容易淋出；從第Ⅲ次到第Ⅷ次淋溶，試驗處理均比CK少，說明保水劑發(fā)揮作用的時間較長久，具有反復(fù)吸水的功能（圖2）。

腐植酸組第Ⅰ、Ⅱ次淋溶液體積與保水劑組具有相同的規(guī)律；第Ⅲ次淋溶僅有水平5低于CK，說明腐植酸保水作用的發(fā)揮較遲緩；第Ⅳ到第Ⅶ次淋溶中，各水平淋溶液體積變化均不大，均能起到一定保水作用；第Ⅷ次淋溶時，淋溶液體積與CK無明顯差異，說明在淋溶后期，腐植酸保水功能降低。

沸石組首次淋溶保水作用最大；在往后的淋溶過程中，各水平淋溶液體積與CK相差不大，尤其第Ⅴ次淋溶后，淋溶液體積較前幾次有所上升，雖低于CK，但各水平之間差距已不明顯，說明沸石保水作用主要體現(xiàn)在首次淋溶，且淋溶后期添加水平的變化對淋溶液體積影響很小。

2.1.2 對淋溶液總體積的影響

環(huán)境材料對土壤水分保持效果明顯，保水劑水分保持效果最優(yōu)，腐植酸次之，沸石最差。保水劑組水平5處理淋溶液總體積最小，減少4.4%；腐植酸組水平2處理最小，減少1.1%；沸石組水平5處理最小，減少0.9%（圖3）。

由淋溶液總體積差異對比分析可知（表2），環(huán)境材料的添加使淋溶液體積顯著降低，且在多數(shù)水平下達(dá)到顯著水平。保水劑組水平1、2和3淋溶液總體積之間不存在顯著性差異；腐植酸組各水平所對應(yīng)淋溶液總體積間差異并不明顯，但水平1、2和5相比CK仍有顯著差異，且在水平5處淋溶液總體積達(dá)到最小值；沸石組水平2、3、4和5淋溶液總體積相比CK存在顯著性差異。

2.2 環(huán)境材料不同添加水平對土壤氮肥增效的影響

2.2.1 對氮素淋出的過程分析

淋洗損失是造成農(nóng)田氮肥流失的主要原因，試驗處理相比CK均起到氮素保持作用。首次淋溶時，各處理氮素淋出量差別最大，且保水劑和腐植酸組氮素淋出量在前3次淋溶時差異顯著，此時土壤中氮素含量隨淋溶次數(shù)的增加不斷減少；第Ⅳ次淋溶時，保水劑和腐植酸組氮素淋出量已相差不大，沸石組差異明顯，均低于CK；在第Ⅴ次淋溶過后各水平間的差異均不明顯，說明沸石對氮素保持的影響最大，且作用持續(xù)時間長（圖4）。

2.2.2 對氮素淋出總量的影響

環(huán)境材料對土壤氮肥增效明顯，沸石對土壤氮增效最優(yōu)，腐植酸次之，保水劑最差。沸石組水平4氮素淋出總量最少，減少25.1%；腐植酸組水平3的最少，減少17.4%；保水劑組水平2的最少，減少7.6%（圖5）。由氮素淋出總量差異對比分析可知（表3），環(huán)境材料的添加對土壤氮肥增效有一定的作用，且在多數(shù)水平下達(dá)到顯著性水平。保水劑組水平2、3和4氮素淋出總量相比CK有顯著性差異，但5個添加水平間差異不明顯；腐植酸組5個水平氮素淋出總量相比CK均有顯著性差異，且水平2和3分別與水平1和4有明顯差異；沸石組5個水平氮素淋出總量相比CK差異明顯，但除水平1與水平4之間有明顯差異外，其余3個水平差異不顯著。

表2 不同處理淋溶液體積差異對比性分析（mL）Table 2 Variance analysis of leaching solution volume of different treatments（mL）

圖2 不同環(huán)境材料組8次淋溶液體積變化Figure 2 The change of leaching solution volume during eight times of leaching

圖3 不同環(huán)境材料對淋溶液總體積的影響Figure 3 Effects of different environmental materials on the leaching solution volume

圖4 不同環(huán)境材料處理對氮素淋出量的影響Figure 4 The effect of different treatments on nitrogen leaching amount

圖5 三種環(huán)境材料不同水平下氮素累積淋出總量變化Figure 5 Nitrogen accumulated leaching quantity changes under different levels of three kinds of environmental materials

2.3 環(huán)境材料不同添加水平對土壤磷肥活化的影響

2.3.1 對磷素淋出的過程分析

磷肥施入土壤易被固定，只有將磷素存在形式轉(zhuǎn)化為可溶性磷，才有可能被植物利用。圖6是三種環(huán)境材料不同水平磷素淋出量。在8次淋溶過程中，磷素淋出量并不是逐漸減小，與氮素淋出規(guī)律有明顯不同。保水劑組磷活化效果最顯著的時期為淋溶中后期；腐植酸組主要體現(xiàn)在中期；沸石組前4次淋溶時對磷活化效果比后幾次要好，但與保水劑和腐植酸組相比，對磷活化的持久性相對較弱。

2.3.2 對磷素淋出總量的影響

保水劑、腐植酸和沸石可促進(jìn)磷肥活化，沸石對土壤磷肥活化效果最優(yōu)，保水劑次之，腐植酸最小。沸石組水平5磷素淋出總量最多，增加68.0%；保水劑組水平5的最多，增加31.2%；腐植酸組水平2的最多，增加14.4%（圖7）。

由磷素淋出總量顯著性分析可知（表4），環(huán)境材料的添加對土壤磷肥活化有顯著作用，且在多數(shù)水平下達(dá)到顯著性水平。保水劑組水平1、2、4和5磷素淋出總量與CK相比差異顯著，其中水平5與CK差異最為顯著，水平1、2和4之間無顯著性差異；腐植酸組水平1和2磷素淋出總量相比CK有顯著性差異，其中水平2差異最為明顯；沸石組5個添加水平下磷素淋出總量之間差異明顯，其中水平4和5相比CK差異顯著。

2.4 三種環(huán)境材料對土壤氮磷肥同步增效的影響

2.4.1 最優(yōu)水平下氮素淋溶過程對比

處理對氮素淋出量的影響明顯不同，且均是在首次淋溶時氮素淋出量最大，而后隨著淋溶次數(shù)的增加，氮素淋出量逐漸減?。▓D8）。首次淋溶時，相比CK，保水劑添加水平2的處理氮素淋出量減少7.6%，腐植酸添加水平3處理減少15.0%，沸石添加水平4處理減少21.0%。

2.4.2 最優(yōu)水平下磷素淋溶過程對比

保水劑添加水平5和腐植酸添加水平2的處理磷素累積淋出量在前4次差異不明顯，在第Ⅴ次淋溶后逐漸表現(xiàn)出明顯差異，說明環(huán)境材料對磷素淋溶的促進(jìn)作用具有持久性。沸石添加水平5的處理8次淋溶過程中磷素累積淋出量均高于其他處理，這種差異主要體現(xiàn)在首次淋溶時，相比CK，磷素淋出量增加126.2%，其次是第Ⅲ次淋溶時，磷素淋出量增加93.1%，在第Ⅷ次淋溶時，僅比CK磷素淋出量高出24.3%，呈現(xiàn)出隨淋溶次數(shù)的增加而減小的趨勢

（圖9）。

表3 不同處理氮素累積淋出總量的差異對比分析（mL）Table 3 Variance analysis of nitrogen leaching total amount of different treatments（mL）

表4 不同處理磷素累積淋出總量的差異對比分析（mL）Table 4 Variance analysis of phosphorus leaching total amount of different treatments（mL）

圖6 不同環(huán)境材料處理對磷素淋出量的影響Figure 6 The effect of different treatments on phosphorus leaching amount

圖7 三種環(huán)境材料不同水平下磷素淋出總量變化Figure 7 The change of phosphorus leaching amount under different added levels of three kinds of environmental materials

圖8 三種環(huán)境材料氮增效最優(yōu)水平淋溶過程對比Figure 8 Comparison of the nitrogen leaching process of the optimal levels of three kinds of environmental materials

圖9 三種環(huán)境材料磷活化最優(yōu)水平淋溶過程對比Figure 9 Comparison of the phosphorus leaching process of the optimal levels of three kinds of environmental materials

通過對各組曲線進(jìn)行線性擬合，磷素累積淋出量與淋溶次數(shù)的相關(guān)性均達(dá)到98%以上，CK處理磷素累積淋出量與淋溶次數(shù)之間相關(guān)方程為y=276.0x+139.1（R2=0.984）；保水劑添加水平5、腐植酸添加水平2和沸石添加水平5處理的磷素淋出量與淋溶次數(shù)之間的相關(guān)方程分別為y=348.0x-128.5（R2=0.995），y=280.3x-50.1（R2=0.991），y=464.7x+139.1（R2=0.987），均與CK的98.4%水平相當(dāng)。這說明環(huán)境材料的添加并不影響磷素的淋出規(guī)律，8次淋溶過程中解磷過程一直持續(xù)。相關(guān)方程中，沸石添加水平5處理的k=465，保水劑添加水平5處理的k=348，說明隨著淋溶次數(shù)的增加沸石水平5處理的磷素累積淋出量變化快、增量大，間接說明沸石對磷活化作用顯著。

2.4.3 三種環(huán)境材料對土壤氮增效和磷活化的分析

將氮素淋出總量和磷素淋出總量分別與材料添加量建立一元二次回歸方程（圖10），按照回歸分析結(jié)果，通過函數(shù)最優(yōu)解方法處理，得到三種材料在氮增效和磷活化效果最佳的添加量。

保水劑組氮素淋出總量回歸方程為y=26.63x2-61.92x+564.4（R2=0.713），磷素淋出總量回歸方程為y=0.145x2-0.063x+2.221（R2=0.682）。當(dāng)添加量為1.168 g·kg-1時氮磷肥同步增效最好，在5個水平中，水平3即添加量為1.00 g·kg-1時，氮磷肥同步增效最好，相比CK，氮素淋出量減少6.0%，磷素淋出量增多5.0%。腐植酸組氮素淋出總量回歸方程為y=49.54x2-120.7x+547.9（R2=0.541），磷素淋出總量回歸方程為y=-0.128x2+0.196x+2.200（R2=0.290）。當(dāng)添加量為1.217 g·kg-1時氮磷肥同步增效最好，在5個水平中，水平3即添加量為1.00 g·kg-1時，氮磷肥同步增效最好，相比CK，氮素淋出量減少17.2%，磷素淋出量增多2.1%。沸石組氮素淋出總量回歸方程y=2.078x2-32.02x+544.0（R2=0.831），磷素淋出總量回歸方程為y=0.015x2-0.079x+2.150（R2=0.986）。當(dāng)添加量為7.741 g·kg-1時氮磷肥同步增效最好，在5個水平中，水平4即添加量為9 g·kg-1時，氮磷肥同步增效最好，相比CK，氮素淋出量減少25.1%，磷素淋出量增多29.2%。

綜合來看，沸石對土壤氮磷肥同步增效最佳，其水平4土壤氮磷肥同步增效最好。

3 結(jié)論

（1）通過顯著性分析，三種環(huán)境材料在所取大部分水平下對土壤水分保持、氮肥增效和磷肥活化均有顯著性差異，表明環(huán)境材料施用對土壤水肥增效明顯。

（2）保水劑的水分保持效果優(yōu)于沸石和腐植酸，且隨著添加量增多水分保持效果有增強(qiáng)的趨勢；腐植酸的水分保持效果與添加量沒有明顯的相關(guān)作用，在水平2效果最好。

（3）沸石對氮肥保持和磷肥活化效果最好，且效果持久，在一定范圍內(nèi)添加量越多，效果越好；當(dāng)沸石添加量為9 g·kg-1時，土壤氮磷肥同步增效最好，相比CK，氮素淋出量減少25.1%，磷素淋出量增多29.2%。

圖10 三種環(huán)境材料對氮磷肥同步增效的分析Figure 10 Analysis of synchronous efficiency of three kinds of environmental materials on nitrogen and phosphorus fertilizer

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Effect of three kinds of environmental materials on soil moisture and fertility conservation

LIU Lu-han1,2,MA Yan1*,LIU Zhen-hai1,PENG Fei1,HUANG Zhan-bin1*
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology（Beijing）,Beijing 100083,China；2.Beijing Capital Environmental Investment Limited,Beijing 100083,China）

This study used the soil column leaching method to assess the effects of super absorbent polymer,humic acid,and zeolite on soil moisture retention,nitrogen conservation,and phosphorus activation synergism,and examined the mechanism of water and fertilizer conservation synergism through process analyzing.The results showed that：The super absorbent polymer had the best effect on soil moisture,while zeolite was the most effective for nitrogen conservation and phosphorus activation,and this effect was durable and increased with the amount of zeolite within certain limits.Compared to CK,the addition of 2 g·kg-1of super absorbent polymer led to a decreased by 4.4%in the water leaching rate.Similarly,with the addition of 1.0 g·kg-1humic acid,the leaching rate of nitrogen decreased by 17.4%;and with the addition of 12 g·kg-1of zeolite,the leaching rate of phosphorus increased by 68.0%.Compared to CK,the nitrogen leaching rate decreased by 25.1%and the phosphorus leaching rate increased by 29.2%with the addition of 9 g·kg-1of zeolite.In conclusion,the application of three environmental materials significantly improved soil water and fertilizer conservation.

environmental materials;super absorbent polymer;humic acid;zeolite;soil moisture;nitrogen control and phosphorous release

X53

A

1672-2043（2017）09-1811-09

10.11654/jaes.2017-0039

劉陸涵，馬 妍，劉振海，等.三種環(huán)境材料對土壤水肥保持效應(yīng)的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（9）：1811-1819.

LIU Lu-han,MA Yan,LIU Zhen-hai,et al.Effect of three kinds of environmental materials on soil moisture and fertility conservation[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（9）:1811-1819.

2017－01－07

劉陸涵（1989—），女，河北深州人，主要從事環(huán)境材料與土壤修復(fù)以及環(huán)境治理研究。E-mail：liuluhan@126.com

*通信作者：馬 妍E-mail：mayan2202@163.com；黃占斌E-mail：zbhuang2003@163.com

國家自然科學(xué)基金項目（41571303）；三峽后續(xù)工作科研課題項目（2015HXKY2-4）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（2016QH02）；北京市自然科學(xué)基金項目（8152025）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41571303）；Three Gorges Follow-up Work Research Topic（2015HXKY2-4）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities（2016QH02）；The Natural Science Foundation of Beijing,China（8152025）