鈣基膨潤土鳥糞石肥養(yǎng)分釋放特性及肥效研究

方雅瑜，胡逸萱，聶 芳，冉啟洋，張賽輝，羅志誠

（湖南恒凱環(huán)?？萍纪顿Y有限公司，湖南 長沙 410000）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，肥料對維護(hù)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展重大意義，氮、磷等營養(yǎng)元素在植物生長過程中發(fā)揮了重要作用，是目前農(nóng)用肥料的主要組成部分[1-2]。 據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織出具的《2020年世界糧食及農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計表明，2020年全球磷肥施用量超過6000萬t，氮肥施用量將近2億t，并呈逐年增長趨勢。但在當(dāng)前世界各國尤其是我國磷資源緊張的情況下，有學(xué)者預(yù)測，磷礦的世界探明儲量僅可維持80~100 a，而中國的磷肥需求2020—2025年預(yù)計將達(dá)1800萬t[3-4]。

鳥糞石（磷酸銨鎂）是從污水或工業(yè)廢水中回收的氮磷產(chǎn)品[5]，可作為緩釋肥施入土壤，為植物提供氮、磷、鎂等營養(yǎng)元素，從而緩解當(dāng)前磷酸鹽儲量緊張的局勢[6]。鈣基膨潤土是一種層狀硅鋁酸鹽，其陽離子交換性、吸附性、穩(wěn)定性等較為突出，對廢水中殘留的氮、磷及未沉淀的鳥糞石晶體去除效果好[7-8]。因此，將鈣基膨潤土與鳥糞石通過一定化學(xué)手段結(jié)合，不僅可以提高污水中氮磷元素的回收效率，還可以作為一種優(yōu)質(zhì)載體材料促進(jìn)鳥糞石的沉淀結(jié)晶，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供綠色、高效的原材料。研究以自制鈣基膨潤土鳥糞石肥為材料，探究其在南方酸性紅壤中的養(yǎng)分釋放特性以及對生菜生長的促進(jìn)作用，為實現(xiàn)城市生活污水資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物為意大利耐抽薹生菜。土壤培養(yǎng)試驗和盆栽試驗均以長沙市周邊0~20 cm深度酸性紅壤為供試土壤，土樣取回后置于室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干，除去枝葉和碎石等，研磨后過10目、100目篩備用。測定其土壤理化性質(zhì)如下：土壤pH值4.98，有機(jī)質(zhì)7.78 g/kg、全氮620 mg/kg、全磷344 mg/kg、全鉀1.22×104mg/kg、水解性氮（堿解氮）32.4 mg/kg、有效磷1.8 mg/kg、速效鉀52 mg/kg。

供試肥料為3種，分別為普通復(fù)混肥（NF）、緩釋復(fù)合肥（SF）、鈣基膨潤土鳥糞石肥（MCF），其中普通復(fù)混肥和緩釋復(fù)合肥為市面上常見肥料，鈣基膨潤土鳥糞石肥為實驗室前期以鈣基膨潤土為晶核應(yīng)用鳥糞石法從廢水中提取N、P制成。3種肥料的pH值及養(yǎng)分含量見表1。

表1 3種肥料的pH值及養(yǎng)分含量

土壤培養(yǎng)試驗供試容器為直徑85 mm、高98 mm、 容量450 mL的廣口高密度聚乙烯瓶；盆栽供試容器為上徑24 cm、下徑19.5 cm、高26 cm的帶托加侖盆。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 土壤培養(yǎng)試驗按MCF的用量，設(shè)置0（CK）、5（MCF1）、10（MCF2）和20 g/kg（MCF3）4個處理，分別與200 g供試土壤置于供試容器中，加入去離子水使含水量保持在田間最大持水量的60%左右（培養(yǎng)過程中定期采用稱重差額法補(bǔ)充水分保持恒重），充分拌合均勻制成樣品，覆好保鮮膜（設(shè)10個4~6 mm透氣孔）隨機(jī)放置于25℃恒溫恒濕遮光培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)1、7、14、21和28 d時，取樣風(fēng)干，測定土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷，每個處理重復(fù)3次，培養(yǎng)期間一共取樣5次，共計15瓶。

1.2.2 盆栽試驗選取自制鈣基膨潤土鳥糞石肥與其他肥料進(jìn)行植物盆栽試驗，研究自制鈣基膨潤土鳥糞石肥與市售肥料對生菜生長狀況的影響，盆栽試驗于2020年3—6月在恒凱環(huán)?？萍籍a(chǎn)業(yè)園試驗大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗設(shè)4個處理：CK（空白對照），不施肥；MCF，施加自制鈣基膨潤土鳥糞石肥2.50 g，尿素2.08 g，氯化鉀1.08 g；SF，施加緩釋復(fù)合肥4.33 g，氯化鉀0.72 g；NF，施加普通復(fù)混肥4.33 g，尿素0.94 g。除CK處理之外，其他各處理以N、P2O5、K2O計的施肥量分別為225、210和75 kg/hm2，試驗以肥料含磷量來確定施用量，若有不足的，使用尿素、氯化鉀補(bǔ)充各處理中氮、鉀含量，試驗過程中不再追肥。將過篩后的土壤和作基肥的各處理肥料充分混勻后裝盆，添加適量超純水，施用至少一周后再進(jìn)行栽種，各處理隨機(jī)排列。生菜每盆5穴，每穴1株，定期用去離子水補(bǔ)充水分。每個處理2盆，重復(fù)3次，共計盆栽24盆。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)土壤基本理化性質(zhì)測定方法如下：pH值采用玻璃電極法（水土比為2.5∶1）測定[9]；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定；全氮含量采用全自動凱氏定氮儀測定；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定；有效磷含量采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定。

1.3.2 盆栽試驗測量作物自然狀態(tài)下最高點與土壤水平面的距離為株高。收獲時用清水將作物泥土洗凈，控干水分，稱量作物鮮重。用清水、去離子水清洗作物直至干凈放入牛皮袋，置于105℃鼓風(fēng)烘箱箱中烘30 min，再降至60℃繼續(xù)烘干至恒重，稱量其干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計檢驗與分析，使用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣基膨潤土鳥糞石肥對土壤pH值及養(yǎng)分的影響

2.1.1 pH值由圖1可知，鈣基膨潤土鳥糞石肥對土壤pH值具有一定調(diào)節(jié)作用，且不同的施加濃度對土壤pH值的影響程度不同。培養(yǎng)1 d時，MCF3處理的pH值最高；培養(yǎng)7 d后，MCF1、MCF2和MCF3處理的pH值均顯著高于CK（P＜0.05），且鈣基膨潤土鳥糞石施用量越大，土壤pH值升高越多，MCF1、MCF2、MCF3處理土壤pH值分別比CK提升了0.07~0.50、0.04~0.57、0.26~0.89；而且，土壤培養(yǎng)1、7、21和28 d時，MCF3處理的土壤pH值均顯著高于其他處理（P＜0.05）。

圖1 各處理土壤pH值的變化

2.1.2 有機(jī)質(zhì)由圖2可知，整個培養(yǎng)過程中施用了鈣基膨潤土鳥糞石肥的處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK（P＜0.05），且施用量越大，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高。從培養(yǎng)時間來看，有機(jī)肥含量在培養(yǎng)初期（0~7 d）是增加的，但在培養(yǎng)中后期（7~28 d）略有下降趨勢。培養(yǎng)第7天時，各處理有機(jī)質(zhì)含量差異顯著（P＜ 0.05），其中MCF3處理的有機(jī)質(zhì)含量最高，比CK增加52.4%；在培養(yǎng)第28天時，MCF1、MCF2和MCF3處理有機(jī)質(zhì)含量分別比CK增加18.2%、39.3%和44.3%。

圖2 各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.1.3 全 氮由圖3可知，整個培養(yǎng)過程中施用了鈣基膨潤土鳥糞石肥的處理土壤全氮含量均顯著高于CK（P＜0.05）；且施用量越大，土壤全氮含量越高，培養(yǎng)28 d時，MCF1、MCF2和MCF3處理土壤全氮含量分別是CK的2.78、4.50、6.57倍；同時，施用量越大，土壤全氮含量也越穩(wěn)定，整個培養(yǎng)過程中，MCF1、MCF2和MCF3處理的全氮含量最大值與最小值之間相差分別為13.1%、7.4%和1.7%；不同施用量處理間土壤全氮含量差異顯著（P＜0.05），整個培養(yǎng)過程中，MCF3處理的土壤全氮含量是MCF1處理的2.24~2.53倍、是MCF2處理的1.4~1.57倍。

圖3 各處理土壤全氮含量的變化

2.1.4 全磷及有效磷由圖4可知，整個培養(yǎng)過程中施用了鈣基膨潤土鳥糞石肥的處理土壤全磷含量均顯著高于CK（P＜0.05），MCF1、MCF2和MCF3處理的全磷含量分別比CK平均增加16.1%、34.1%和46.2%。自培養(yǎng)第1天開始，各個處理之間的全磷含量均呈現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）；培養(yǎng)28 d時， MCF1、MCF2和MCF3處理的全磷含量分別比CK高11.5%、27.1%和42.0%。

圖4 各處理土壤全磷含量的變化

由圖5可知，隨著培養(yǎng)時間的變化，施加鈣基膨潤土鳥糞石肥的各處理土壤有效磷含量整體呈現(xiàn)出先上升后逐漸穩(wěn)定的趨勢，而對照處理中有效磷含量初期略有上升，其后呈下降趨勢。整個培養(yǎng)過程中，施加鈣基膨潤土鳥糞石肥處理的土壤有效磷含量均顯著高于CK（P＜0.05）。土壤培養(yǎng)第1天時，MCF1、MCF2和MCF3處理有效磷含量差異不顯著（P＞0.05），分別比CK高25.6%、44.2%和34.9%；培養(yǎng)14 d時，MCF1、MCF2和MCF3處理的有效磷含量差異顯著（P＜0.05），培養(yǎng)28 d時，MCF1、MCF2和MCF3處理的有效磷含量分別比CK高51.0%、84.3%和127.5%。

圖5 各處理土壤有效磷含量的變化

2.2 鈣基膨潤土鳥糞石肥對生菜生長的影響

由表2可知，相較于CK，施加肥料的各處理均能在一定程度上提升生菜的株高、鮮重及干重，其中MCF處理效果最佳，其次是SF，NF的效果稍差。NF、SF和MCF處理的生菜株高分別是CK的1.48、2.39和2.58倍，單株鮮重分別是CK處理的1.87、2.69和3.07倍，單株干重分別是CK處理的1.95、3.26和3.95倍。NF、SF、MCF處理間生菜株高以及單株鮮重差異顯著（P＜0.05），MCF、SF處理的生菜單株干重顯著重于NF和CK處理（P＜0.05）。

表2 試驗各處理的植株生物性狀

3 結(jié)論與討論

土壤培養(yǎng)試驗中，與CK相比，施加鈣基膨潤土鳥糞石肥（MCF）能提高土壤pH值及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷含量；隨培養(yǎng)時間的增加，施肥處理與CK之間的差異逐漸加大（P＜0.05）。隨著MCF施用量的增加，土壤的pH值之間升高，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷含量也隨之增加。土壤酸堿度對土壤內(nèi)部養(yǎng)分以及植物生長有一定的動態(tài)調(diào)節(jié)作用，而pH值是其變化的具體體現(xiàn)。土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，施用MCF能顯著提升酸性土壤pH值，這是MCF中的鈣基膨潤土以及自身含有的鎂元素等堿性物質(zhì)與土壤酸性物質(zhì)發(fā)生中和作用的結(jié)果[10]。土壤有機(jī)質(zhì)對土壤的孔隙度、持水性能、緩沖能力也有顯著改善作用[11]，同時也能為植物生長提供礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)[12]。施用有機(jī)肥可增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量[13]。在試驗過程中，添加MCF的各處理中土壤有效磷含量均高于CK，在培養(yǎng)期間整體呈先上升后緩慢穩(wěn)定趨勢，這主要是MCF成分中含有磷、鈣、鎂等外源元素，施用后緩慢融入土壤中的結(jié)果[14]。

生物量的提高是保障作物產(chǎn)量的前提條件，而施肥則是調(diào)控作物生物量的重要農(nóng)業(yè)措施[15]。在盆栽試驗中，施加的肥料對生菜的生長發(fā)育均有不同程度的促進(jìn)作用，生菜株高、鮮重和干重均表現(xiàn)出MCF＞SF＞NF＞CK的趨勢。NF的肥效稍差于SF和MCF，主要是因為SF和MCF在土壤中肥效釋放較為緩慢，且不易隨澆灌水分流失[16-17]。

有研究表明，與常規(guī)用肥處理相比，施用磷酸鈣鎂緩釋肥可以提升作物產(chǎn)量[18]，并促進(jìn)作物對土壤養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化[19]。而不同成分的緩釋肥對作物的產(chǎn)量以及品質(zhì)的影響不同[20]。筆者的試驗結(jié)果表明，鈣基膨潤土鳥糞石肥（MCF）的肥效優(yōu)于普通復(fù)混肥（NF） 與緩釋復(fù)合肥（SF），在改良酸性土壤的同時，也可作為一種有效的生態(tài)肥料為植物提供生長營養(yǎng)元素。