膨潤土-甘草渣復合材料保肥效應研究

古麗娜爾·巴合提別克，王瑛，蘇金娟，劉永萍，楚光明，王梅

(石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003)

我國沙化土地面積已經(jīng)達到173.97萬km2，占國土面積的18.12%[1]，尤其新疆地區(qū)受沙化影響尤為嚴重，沙化土地具有通透性好、養(yǎng)分含量低、保肥能力差等特點[2]。改善沙化土地的保水保肥性能，助于沙化土壤上植物的生長，對土壤沙化治理有主要的意義。目前已有的保肥型肥料種類眾多，傳統(tǒng)保水保肥產(chǎn)品一般為高分子聚合物，大都成本較高、工藝復雜、吸水保水保肥性能差、不耐鹽、難降解、易造成土壤二次污染等，其應用范圍受到很大的限制，推廣應用緩慢[3]。因此，天然、廉價、安全的保水保肥材料備受關(guān)注。

新疆是我國甘草資源比較豐富的省區(qū)，每年產(chǎn)生的大量甘草渣沒有得到很好處理、污染環(huán)境，這些殘渣含有多種豐富的營養(yǎng)元素，用作肥料施入土壤后，可以提高土壤保水保肥能力，且甘草為天然植物，有可再生可降解的優(yōu)點[4]。在新疆地區(qū)，甘草渣資源豐富、價格低廉，也能解決農(nóng)民耕作使用肥料成本高等問題。本研究采用廉價易得并且無污染的甘草渣，制備保水保肥的膨潤土-甘草渣復合肥，起到保水保肥的效果，而且不會產(chǎn)生殘留物質(zhì)的二次污染，發(fā)掘出了甘草廢棄物新的可利用價值點。本研究對充分利用二次資源、制備生態(tài)友好型保肥類產(chǎn)品、降低干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水肥資源的消耗量、提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)、促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于甘草植物的研究已有很多報道，除了對甘草中甘草酸、總黃酮等有效成分的開發(fā)生產(chǎn)外[5-6]，也有研究表明甘草渣肥料堪稱新型的生態(tài)肥料，龔明福等[7]使用66%的甘草渣輔以22%的棉籽殼及10%的麩皮可用于平菇的生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)栽培食用菌的效果更佳，且能夠有效降低生產(chǎn)成本。秦利利等[8]利用甘草渣栽培雙孢蘑菇，發(fā)現(xiàn)具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。白明生[9]將苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3種中藥廢渣施入土壤里，發(fā)現(xiàn)鹽堿地土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分得到明顯改善，土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性顯著增加。馬全會等[10]將發(fā)酵甘草渣添加到粗河沙中進行混配作為基質(zhì)使用，發(fā)現(xiàn)添加甘草渣可明顯改善河沙的理化性狀，并促進草莓根系生長和地上部生物量積累，有學者[11]通過堆肥式腐熟發(fā)酵制成甘草渣有機基質(zhì)，進行栽培番茄并發(fā)現(xiàn)，與草炭基質(zhì)栽培相比，腐熟甘草渣基質(zhì)栽培明顯改善了番茄果實品質(zhì)，也有學者[12]按照河砂、甘草渣、牛糞質(zhì)量比為6∶1∶1的比例作為基質(zhì)栽培草莓，發(fā)現(xiàn)此處理基質(zhì)組成表現(xiàn)最優(yōu)。

膨潤土具有良好的粘結(jié)性、分散性、吸附性和離子交換性等獨特的性能，品質(zhì)優(yōu)良，可以有效改良土壤理化性質(zhì)。將膨潤土和砂質(zhì)土壤混合均勻，可改變砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)、延長水分持續(xù)時間、提高砂土的陽離子交換量和鹽基飽和度、增加砂質(zhì)土壤的保水保肥性能、減少養(yǎng)分流失[13-14]。此外，膨潤土可以用做肥料添加劑，當與肥料同時施用時，可減少養(yǎng)分流失、節(jié)省肥料和水分消耗量[15-16]。研究表明，膨潤土與有機質(zhì)同時施用，可同時提高兩者的效用，提高土壤保水保肥性能[17]，從而提高作物產(chǎn)量[18]。國內(nèi)學者對制備復合材料方面做了大量的研究，但對新疆干旱半干旱沙土地區(qū)的甘草廢棄雜物在應用和推廣方面研究較少。

為更好地掌握膨潤土的特有性能及施用量、充分利用甘草廢棄資源，本研究按照不同比例制備膨潤土與甘草的復合材料，與純沙土混合，進行了吸附水分和養(yǎng)分試驗的能力測定，為膨潤土在制備保水保肥產(chǎn)品和土壤改良應用提供科學依據(jù)。因此，本研究針對現(xiàn)在保肥型肥料存在的問題，采用室內(nèi)土柱模擬法，以新疆豐富、天然、廉價、安全的膨潤土以及廢棄甘草渣為原料，將二者按不同比例結(jié)合制成膨潤土-甘草渣復合材料，制備生態(tài)友好型的保肥產(chǎn)品，并系統(tǒng)研究加入不同配比復合材料的沙土與純沙土(CK)的保肥能力，探討最佳配比方案，旨在為生態(tài)友好型保肥材料的制備提供新思路、新方法，為廢棄資源的充分利用以及保肥型肥料的應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料的取樣時間為2019年7—9月份，膨潤土取于新疆奇臺縣國平膨潤土礦，細度為80目；甘草渣取于新疆生產(chǎn)建設兵團第一師16團甘草膏廠。

1.2 試驗方法

配比：試驗按照膨潤土含量不超過原土量的20%、營養(yǎng)土占原土15%左右時效果最佳作為試驗依據(jù)，設置3個處理，分別為復合材料占原土10%、15%、20%。每個處理按膨潤土與甘草渣1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)的重量比設計4個梯度和對照(CK)(表1～4)。

表1 供試樣品基本理化性質(zhì)

養(yǎng)分淋溶：沙土與不同配比的復合材料混合均勻后裝入PVC管，倒入1 L蒸餾水使養(yǎng)分完全沖洗干凈，加入肥料46%尿素、12%過磷酸鈣、60%氯化鉀使得沙土中氮磷鉀含量分別為N150 mg/kg，P100 mg/kg，K120 mg/kg，倒入PVC管中，最后倒入蒸餾水，用一大小適宜的燒杯承接滲漏液，做3次重復。肥料施入后將蒸餾水900 mL加入PVC管中，室溫下靜置12 h，直到無水滴出，滲漏液用于測量體積和養(yǎng)分含量。3 d后取出燒杯，第2次加蒸餾水500 mL，操作同上。第3次(距第2次加水時間4 d)加蒸餾水300 mL。第4次(距第3次加水時間6 d)加蒸餾水250 mL。測量每次淋溶后的滲漏液體積，并測定其全氮、全磷和全鉀含量(表2～4)。

表2 復合材料重量占純沙土10% 單位：g

表3 復合材料重量占純沙土15% 單位：g

表4 復合材料重量占純沙土20% 單位：g

1.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗所有數(shù)據(jù)均釆用軟件SPSS 8.5進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，利用(組內(nèi)橫向多重比較與組間間選擇最佳相結(jié)合)做顯著性分析。利用Origin 8.5進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲漏液體積及養(yǎng)分濃度特征

從復合材料重量占純沙土10%、15%、20%的每組4次淋溶的滲漏液體積看，方差分析(表5～7)表明，第1次淋溶的CK滲漏液體積顯著高于T1—T4處理滲漏液體積。CK處理滲漏液體積約為T1—T4處理滲漏液體積的2倍，且T1—T4處理膨潤土比例越大，其滲漏液體積越少。當復合材料重量占純沙土10%時，T1—T4滲漏液總量依次為1 050、1 156、1 222、1 260 mL與CK1 587 mL相比水分流失減少21%～34%；當復合材料重量占純沙土15%時，T1—T4滲漏液總量依次為886、1 040、1 090、1 181.5 mL與CK1 477.5 mL相比水分流失減少20%～40%，說明土壤保水性隨著復合材料占沙土比重的增加而增大，T1—T4處理所含的復合材料有較好的吸水性能，使得土壤滲漏液體積顯著降低，這對養(yǎng)分流失的減少上也起到了一定的作用，但當復合材料重量占純沙土20%時，其滲漏液體積遠遠高于復合材料重量占純沙土15%，T1—T4滲漏液總量依次為1 021.5、891、1 006.5、1 069.5 mL與CK1 474 mL相比水分流失減少27%～40%，可能與膨潤土含量過多有關(guān)，在試驗開始之前倒入1 L蒸餾水使養(yǎng)分完全被沖洗干凈時膨潤土吸水膨脹，其后由于水分蒸發(fā)，體積變小，在復合材料內(nèi)部留下一定的裂隙，在后幾次淋溶時，部分水分順著之前形成的孔隙流失掉了。

表5 不同淋溶次數(shù)的滲漏液體積及養(yǎng)分濃度 (復合材料重量占純沙土10%)

表5續(xù)

從滲漏液養(yǎng)分濃度看，滲漏液中除了復合材料重量占純沙土20%時淋溶外N、P、K養(yǎng)分變化規(guī)律基本一致，其保肥效果隨著復合材料中膨潤土比例的增加也相應增加，由高到低為T1、T2、T3、T4、CK，各處理養(yǎng)分的最高濃度均出現(xiàn)在第一次淋溶，隨著淋溶次數(shù)的增加，均出現(xiàn)減小的趨勢。一直到最后一次淋溶T1—T4處理滲漏液養(yǎng)分含量有所增加，這說明復合材料在短時間內(nèi)能有效減少土壤養(yǎng)分的淋出，而純沙土處理組養(yǎng)分含量逐漸降低，這和沙土本身保肥性太差，土壤中養(yǎng)分被外源水帶走淋出有關(guān)。

表6 不同淋溶次數(shù)的滲漏液體積及養(yǎng)分濃度 (復合材料重量占純沙土15%)

表7 不同淋溶次數(shù)的滲漏液體積及養(yǎng)分濃度 (復合材料重量占純沙土20%)

2.2 N淋溶特征

根據(jù)公式：養(yǎng)分滲漏量=滲漏液體積×養(yǎng)分濃度、養(yǎng)分滲漏率=養(yǎng)分滲漏量/總滲漏量，計算出各養(yǎng)分的滲漏量與滲漏率，做養(yǎng)分滲漏量柱狀圖與滲漏的累積滲漏率曲線。

如圖1所示，當所有復合材料重量占純沙土10%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計氮素總量分別為311.04、141.51、156.16、198.72、234.85 mg，累計氮素滲漏率分別為93.90%、42.72%、47.15%、60.00%、70.09%；當所有復合材料重量占純沙土15%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計氮素總量分別為329.01、112.64、169.63、182.73、236.47 mg，累計氮素滲漏率分別為93.90%、32.65%、49.16%、52.96%、70.01%；當復合材料重量占純沙土20%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計氮素總量分別為356.79、166.79、184.10、215.80、254.13 mg，累計氮素滲漏率分別為99.44%、46.47%、51.31%、60.15%、70.82%。

從各組試驗各處理滲漏養(yǎng)分量和累計滲漏率(圖1)看，復合材料占純沙土10%、15%、20%的所有水平中的CK處理的滲漏養(yǎng)分量顯著高于T1—T4處理，且T1—T4處理累計氮素總量和累計氮素滲漏率約為對照組CK的1/2左右，說明沙土空隙大、保肥能力太差，其次為20%T2、T3處理，其滲漏養(yǎng)分量和累計滲漏率顯著高于其他處理，而20%T2、T3保肥能力下降，可能因為膨潤土量太大，由于膨潤土吸水膨脹、失水收縮特性，水分從空隙溜走，導致肥料被大量沖走。所有處理組滲漏養(yǎng)分量和累計滲漏率顯著高于15%T1組，其累計氮素滲漏率僅為32.65%，保氮效果很好。由圖1可知，不同處理的N累計滲漏率隨淋溶次數(shù)的增加呈明顯增加的趨勢且T1—T4曲線位置均顯著低于CK，其第2次淋溶后對照組CK處理養(yǎng)分已基本淋出，曲線上升幅度逐漸變緩，最后趨于一條直線，T1—T4各處理呈明顯增加的趨勢，說明保氮效果很好。

圖1 不同淋洗次數(shù)的滲漏養(yǎng)分量和累計滲漏率(%)

2.3 P淋溶特征

如圖2所示，當復合材料重量占純沙土10%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計磷素總量分別為3.80、2.41、3.06、3.51、3.84 mg，累計磷素滲漏率分別為1.72%、1.08%、1.38%、1.58%、1.75%；復合材料重量占純沙土15%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計磷素總量分別為3.54、1.35、1.71、1.86、2.48 mg，累計磷素滲漏率分別為1.53%、0.57%、0.74%、0.80%、1.07%；復合材料重量占純沙土20%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計磷素總量分別為2.55、1.40、1.31、1.54、1.82 mg，累計磷素滲漏率分別為1.06%、0.57%、0.53%、0.63%、0.71%。因為土壤有固磷能力，一般情況下，P在土壤中很難隨水遷移，所以磷的淋溶損失量較N、K少。

圖2 不同淋洗次數(shù)的滲漏養(yǎng)分量以及P滲漏總量及累計滲漏率(%)

從各組試驗各處理滲漏養(yǎng)分量和累計滲漏率看，隨著復合材料占純沙土比例的增加，其保磷效果也相應增加，由高到低為T1、T2、T3、T4、CK。由圖2(左)所知，所有復合材料和土壤P的滲漏總量都很小，除了10%T1—T4外，15%和20%組各處理相差不大，其中20%T2累計滲漏率僅為0.53%，說明復合材料20%T2處理有保磷效果，其保肥效果相近于15%T1、20%T1處理，兩處理累計滲漏率皆為0.57%，10%T4處理淋失量最大為1.75%。由圖2(右)所知，因為土壤有固磷能力會使P的流失量減少，所以各個處理累積滲漏率曲線位置較低，其中T1—T4處理曲線位置明顯低于CK，不同處理的P的滲漏率隨淋溶次數(shù)的增加呈明顯增加的趨勢，但各處理釋放的養(yǎng)分遠遠低于CK處理，因為純沙土疏松空隙比較大，CK通過前兩次淋溶完后滲漏液中P全部檢出，其后兩次累積滲漏率曲線為一條直線。

2.4 K淋溶特征

如圖3所示，當復合材料重量占純沙土10%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計鉀素總量分別為111.36、59.77、75.35、86.36、90.10 mg，累計鉀素滲漏率分別為42.17%、22.62%、28.53%、32.71%、34.11%；當復合材料重量占純沙土15%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計鉀素總量分別為96.31、41.54、52.83、57.84、69.02 mg，累計鉀素滲漏率分別為34.88%、15.04%、19.14%、20.95%、24.99%；當復合材料重量占純沙土20%時，對照組CK和T1—T4處理滲漏液中的累計鉀素總量分別為97.08、41.72、43.12、54.72、63.02 mg，累計鉀素滲漏率分別為33.71%、14.46%、14.95%、18.99%、21.87%。

圖3 不同淋洗次數(shù)的滲漏養(yǎng)分量以及K累計滲漏率(%)

通過各處理之間滲漏量和滲漏率的比較發(fā)現(xiàn)，10%～20%所有沙土(CK)累計滲漏量明顯高于加入復合材料的任何一個處理組的累計滲漏量，復合材料中膨潤土比例最高的20%T1保鉀效果最佳，其累計滲漏率僅為14.46%，與20%T2、15%T1保肥效果差異不顯著，總體上各組處理保肥效果依次為20%>15%>10%，CK通過前兩次淋溶完后滲漏液中鉀素全部淋出，所以其K累積滲漏率曲線為一條直線，T1—T4處理累積滲漏總量雖然較CK小，曲線位置始終低于CK，但在后3次淋溶時仍有鉀素檢出，說明復合材料在長時間內(nèi)有保鉀效果。

3 討論

(1)從各處理的氮淋溶特征看，各組T1—T4處理的氮素累積滲漏量與滲漏率均低于CK，復合材料重量占純沙土10%時，T1—T4處理滲漏液全氮滲漏總量較CK減少54.50%、49.79%、36.11%、24.50%。復合材料重量占純沙土15%時，T1—T4處理滲漏液全氮滲漏總量較CK減少65.76%、48.44%、44.46%、28.13%。復合材料重量占純沙土20%時，T1—T4處理滲漏液全氮滲漏總量較CK減少53.25%、48.40%、39.52%、28.77%，說明復合材料有防止N流失的作用，很顯然隨著復合材料占膨潤土比例的增加，其保肥效果也相應增加，由高到低為T1、T2、T3、T4、CK，這與姚璐[19]研究結(jié)果一致；復合材料重量占純沙土10%的T1處理累計滲漏率為42.72%，復合材料重量占純沙土15%的T1處理累計滲漏率為32.65%，但復合材料重量占純沙土20%的T1處理累計滲漏率為46.47%，其保肥效果反而有所降低，其原因在于復合材料重量占純沙土20%時膨潤土量比較大，通過吸水膨脹，其后隨水分蒸發(fā)體積逐漸縮小，在復合材料內(nèi)部留下很多孔洞與裂隙，部分水分順著之前形成的孔隙流失。鞠建英[20]研究表明在劣質(zhì)土壤中膨潤土占土壤的9%，其效果最佳。超過此值可能出現(xiàn)膨潤土板結(jié)情況，導致滲漏水分越多，流失的養(yǎng)分越多。

(2)在復合材料重量占純沙土10%、15%、20%3組中，T1—T4各處理的P、K淋溶特征來看，由于土壤對磷元素有固定作用，可溶性化學磷肥施入土壤后，快速轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄曰蚓徯Я祝煌寥拦潭?。所以磷的淋溶損失量較N、K少，復合材料重量占純沙土10%、15%、20%各組中隨著復合材料中膨潤土比例的增加，其保P、K效果也相應增加，由高到低為T1、T2、T3、T4、CK。其中20%T2累計滲漏率僅為0.53%，說明復合材料20%T2處理有保磷效果，10%T4處理淋失量最大為1.75%，但由于土壤對磷元素有固定作用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需提高磷的利用率，促進磷的釋放，且10%T4處理膨潤土含量占全土5%，有研究[2]認為膨潤土用量在5%以上，會使投入成本加大，經(jīng)濟效益下降，膨潤土在沙土的最佳經(jīng)濟施用量控制在耕層土壤總重量為5%為最佳。綜合考慮，若要提高磷的利用率，促進磷的釋放，建議選擇10%(T4)為最佳經(jīng)濟施用量。

4 結(jié)論

(1)對基本理化性質(zhì)數(shù)據(jù)測定結(jié)果表明，膨潤土與甘草渣按重量比混合后形成的復合材料能克服二者各自缺點、實現(xiàn)優(yōu)勢互補。復合材料的EC值較膨潤土有大幅降低，滿足EC<2.6 mS/cm的標準，對各種作物均無害[19]；膨潤土復合材料pH呈中性，適宜直接栽種作物。

(2)養(yǎng)分淋溶試驗表明，膨潤土-甘草渣復合材料具有良好的養(yǎng)分調(diào)控能力，隨著復合材料中膨潤土比例的增加，其保肥效果也相應增加，由高到低為T1、T2、T3、T4、CK。其中復合材料重量占純沙土15%T1處理(膨潤土與甘草渣重量比為1∶1)保氮保鉀效果最佳；20%T2處理(膨潤土與甘草渣比例為1∶1.5)保磷效果最佳。

(3)當膨潤土含量占純沙土7.5%～8%時，其保肥效果最佳，超過此范圍，膨潤土由于吸水膨脹、失水收縮的特性，造成土壤板結(jié)，影響植物吸水，不利于植物正常生長。