風(fēng)沙土不同用量有機(jī)酸土壤調(diào)理劑應(yīng)用效果綜合評(píng)價(jià)

崔 恒，包興國，車宗賢，邵立明，曹衛(wèi)東，寶 林，韓杰榮，張久東*

（1．甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤與肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，甘肅 武威 733017；3．國家土壤質(zhì)量涼州觀測實(shí)驗(yàn)站，甘肅 武威 733017；4．同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；5．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；6．甘肅馳奈生物能源系統(tǒng)有限公司，甘肅 蘭州 730070）

中國是世界上荒漠化最嚴(yán)重的國家之一［1］，雖然近年來我國在荒漠化防治方面成績斐然，但我國仍有超過37萬km2的沙漠化土壤亟待解決［2］。隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略，該問題也是西北地區(qū)亟待解決的核心生態(tài)環(huán)境問題［3］。而沙漠化土壤中風(fēng)沙土發(fā)育程度較低導(dǎo)致土壤顆粒小、結(jié)構(gòu)松散；保水保肥能力差導(dǎo)致其肥力低下、水分缺失嚴(yán)重［4-5］。而傳統(tǒng)對(duì)于風(fēng)沙土的治理主要采用建立大型防護(hù)林帶的方式，但土質(zhì)問題并沒有改善［6］。已有研究表明多種土壤調(diào)理劑如生物質(zhì)炭［7-8］、砒砂巖［9-10］、羧甲基纖維素鈉［11］均能有效地改善土壤本身的理化性狀，從而提高其耕性。

另一方面，據(jù)調(diào)查，我國城市垃圾產(chǎn)量巨大，餐廚垃圾占比過半，年產(chǎn)超5000萬t［12-13］。遠(yuǎn)高于一般垃圾的有機(jī)質(zhì)及水分含量，使其具有極高的利用價(jià)值，但也導(dǎo)致其處理難度大幅度提高。傳統(tǒng)的發(fā)酵利用方式伴隨酸性物質(zhì)的累積降低主產(chǎn)物的產(chǎn)率［14］。但這些有機(jī)酸物質(zhì)中高的有機(jī)物質(zhì)含量可以提高風(fēng)沙土壤肥力，改善土壤理化性狀，酸性物質(zhì)則可以降低風(fēng)沙土較高的pH，改善土壤酸堿度的同時(shí)也可以提高土壤中養(yǎng)分的有效性，是一種優(yōu)質(zhì)的土壤調(diào)理劑資源，但目前關(guān)于此方面的研究較少。因此，本文采用盆栽試驗(yàn)，建立不同用量以餐廚垃圾為原料發(fā)酵后制備的有機(jī)酸土壤調(diào)理劑，改良風(fēng)沙土效果綜合評(píng)價(jià)方程，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。以期為合理利用有機(jī)酸土壤調(diào)理劑改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)，提高其耕性提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

盆栽試驗(yàn)在2020年甘肅省武威市白云村武威綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站（38°04′ N，102°35′E）進(jìn)行。當(dāng)?shù)仄骄０?504 m，年平均溫度7.7 ℃，每年無霜期約150 d，年均降水量170 mm。

1.2 供試材料

供試土壤為武威民勤風(fēng)沙土，土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1；供試作物中玉米品種為先玉335、箭筈豌豆品種為隴箭一號(hào)；有機(jī)酸土壤調(diào)理劑由甘肅馳奈生物能源系統(tǒng)有限公司提供，以餐廚垃圾作為原料，55℃條件下高溫厭氧發(fā)酵3 d后加工所得，調(diào)理劑基礎(chǔ)性狀：pH 3.52，總碳12.5 g/L，總氮2965 mg/L，總磷242 mg/L，總鉀1402 mg/L，水溶性總鹽13.6 g/L；主要有機(jī)酸為乳酸114 mmol/L、乙酸14 mmol/L、丙酸1.6 mmol/L。

表1 土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為兩種不同的種植作物以及4個(gè)不同調(diào)理劑用量的兩因素多水平設(shè)計(jì)的盆栽試驗(yàn)，有機(jī)酸調(diào)理劑共設(shè)置4個(gè)梯度：C0（0 g/kg）、C1（20 g/kg）、C2（40 g/kg）、C3（60 g/kg），兩種供試作物玉米和箭筈豌豆，共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)24盆。

每盆（上直徑26 cm，下直徑21 cm，高27 cm）中風(fēng)沙土為10 kg，化肥用量為N 0.44 g/盆、P2O51.55 g/盆，在播種前一次性加入。每盆的調(diào)理劑用量從低到高分別為0、200、400、600 g，也在作物播種前一次性施入土壤。

試驗(yàn)于4月26日播種：玉米20粒/盆、箭筈豌豆30粒/盆，播種后第16 d統(tǒng)計(jì)出苗數(shù)，然后將玉米間苗至4株/盆、箭筈豌豆15株/盆，于玉米大喇叭口期統(tǒng)一收獲。作物生長期內(nèi)水分供給通過稱重法，每次加水至12.5 kg，用于后續(xù)水分蒸發(fā)散失量的計(jì)算。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

水分蒸發(fā)散失測定采用稱重法；土壤樣品通風(fēng)陰干后過1 mm篩用于速效氮、磷、鉀的測定，過0.149 mm篩用于全量氮、磷、鉀以及土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定，測定方法采用鮑士旦［15］的測定方法。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；土壤堿解氮含量采用堿解-擴(kuò)散法測定；土壤全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀和速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2016及SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總整理、分析以及單因素方差分析和Duncan法多重比較（α=0.05）；用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)理劑用量對(duì)作物種子出苗率的影響

從表2中可以看到，不同的調(diào)理劑用量對(duì)作物出苗數(shù)影響不同。隨著調(diào)理劑用量的提升，無論是箭筈豌豆還是玉米的出苗數(shù)均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在C1處理下出苗數(shù)最大。而調(diào)理劑用量對(duì)于箭筈豌豆出苗率影響更大，C3處理下種子出苗數(shù)顯著低于C0、C1處理，兩處理出苗數(shù)較C3處理分別提高31.19%、32.81%；但不同調(diào)理劑用量下玉米出苗數(shù)差異未達(dá)到顯著水平。

表2 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下作物種子出苗率

2.2 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量對(duì)作物生長期水分蒸發(fā)散失量的影響

從圖1中可以看到，在盆栽作物生長過程中水分的蒸發(fā)散失量呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。無論是箭筈豌豆還是玉米，水分蒸發(fā)散失量均隨有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的升高而降低。隨著時(shí)間的延長，其差異不斷增大。從圖2的水分蒸發(fā)散失總量柱狀圖可以明顯看出，當(dāng)有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量超過20 g/kg時(shí)，C2、C3處理的水分蒸發(fā)散失總量顯著降低。調(diào)理劑用量為60 g/kg的條件下水分蒸發(fā)散失量最低，在箭筈豌豆和玉米兩種作物上相較于C0處理分別顯著下降22.43%和32.42%。說明有機(jī)酸土壤調(diào)理劑可以降低作物生長期內(nèi)的水分蒸發(fā)散失，提高土壤的保水性，效果與有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量成正比。

圖1 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下作物生長期水分累積蒸發(fā)散失量

圖2 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下作物水分蒸發(fā)散失總量

2.3 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下的土壤養(yǎng)分含量

由表3可見，施用土壤有機(jī)酸土壤調(diào)理劑可顯著提高土壤肥力。對(duì)于速效養(yǎng)分而言，在兩種作物上，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的含量隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量提高不斷提高。C3處理下種植箭筈豌豆和玉米，3種養(yǎng)分含量較未施用處理分別提高167.01%、300.25%、74.32%和70.00%、212.84%、108.28%。對(duì)土壤有效磷的影響最大：玉米上，在試驗(yàn)所設(shè)處理梯度下，有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量每上升一個(gè)梯度，有效磷含量均顯著上升；箭筈豌豆上，當(dāng)有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量高于20 g/kg時(shí)，有效磷含量提升也達(dá)到顯著水平。堿解氮含量在C2處理基本達(dá)到峰值，繼續(xù)提高有機(jī)酸土壤調(diào)理劑的用量，堿解氮含量則基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。全量養(yǎng)分含量以全氮受影響最大，而土壤全鉀含量則基本不隨有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升而改變。土壤有機(jī)質(zhì)含量亦隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升而呈現(xiàn)上升的趨勢，但不同的處理之間差異不顯著。

表3 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下土壤養(yǎng)分含量

2.4 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下土壤有效養(yǎng)分占全量養(yǎng)分比例

從表4可見，在不同的作物下，隨著土壤調(diào)理劑用量的上升，氮、磷、鉀元素的有效養(yǎng)分占比變化不盡相同。在箭筈豌豆上，磷鉀元素有效養(yǎng)分占比隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升而提高，磷占比的提升效果更明顯，C3處理較C0處理提高264.18%；而堿解氮占全氮比例隨著調(diào)理劑用量的提高出現(xiàn)先升高后下降的趨勢；在C2處理下達(dá)到最大值，較C0處理提高115.83%。在玉米上，隨著調(diào)理劑用量的提升，氮、磷元素有效養(yǎng)分占比均出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，亦在C2處理下達(dá)到峰值；而鉀元素有效養(yǎng)分占比則隨著調(diào)理劑用量提升不斷提高。

表4 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下土壤有效養(yǎng)分占比 （%）

2.5 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下土壤鹽分含量

從表5中可以看到，隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提高，土壤中硫酸根離子、鈣離子、鎂離子的含量無顯著變化，但土壤中碳酸氫根離子、氯離子、鉀離子以及鈉離子含量隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升基本呈提高的趨勢。而C1處理離子含量與未施用有機(jī)酸土壤調(diào)理劑的C0處理基本持平或者略微上升。從全鹽含量也可以看到C0、C1處理全鹽含量基本持平，而C2、C3處理下全鹽含量有提升趨勢，但不同處理間全鹽含量差異未達(dá)到顯著水平。

表5 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下土壤各離子及全鹽含量

2.6 不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量效果綜合評(píng)價(jià)（主成分分析）

對(duì)不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下風(fēng)沙土上種植的兩種作物的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、碳酸氫根、氯離子、硫酸根、鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子、出苗數(shù)共計(jì)15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。在玉米和箭筈豌豆上均提取出兩個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率分別為94.98%和91.56%（表6），基本保留了原來指標(biāo)的信息，因此可以用兩主成分對(duì)不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的效果進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。載荷值的大小表示對(duì)應(yīng)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)主成分的影響的顯著性，從載荷值表中可以看到：對(duì)于風(fēng)沙土上種植玉米來說，對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大的是速效鉀、有效磷、鉀離子、鈉離子、氯離子、全鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮，對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大的是鈣離子、鎂離子、有機(jī)質(zhì)、出苗數(shù)；對(duì)于風(fēng)沙土上種植箭筈豌豆來說，對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大的是有效磷、堿解氮、速效鉀、全氮、氯離子、鉀離子、鈉離子；對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大的是鎂離子、硫酸根離子、全鉀、全磷、碳酸氫根離子、有機(jī)質(zhì)。

表6 主成分特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

進(jìn)一步根據(jù)所得主成分載荷值和特征值（表7、8）可以得到主成分的特征向量，最終可以得到主成分的表達(dá)式如下：

表7 風(fēng)沙土玉米主成分載荷向量及特征系數(shù)

玉米：

箭筈豌豆：

式中：Y1和Y2分別表示各主成分，X1～X15分別代表堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、碳酸氫根、氯離子、硫酸根、鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子和出苗數(shù)。

將不同主成分的貢獻(xiàn)率作為分配系數(shù)，結(jié)合不同的主成分表達(dá)式可以構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型方程為：

玉米：

箭筈豌豆：

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型，不同處理綜合評(píng)價(jià)得分如表9所示。在風(fēng)沙土上種植的兩種作物不同處理的得分均為C3＞C2＞C1＞C0，得分隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升而不斷提高。

表8 風(fēng)沙土箭筈豌豆主成分載荷向量及特征系數(shù)

表9 各處理綜合得分

3 討論

3.1 有機(jī)酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤肥力的影響

風(fēng)沙土發(fā)育程度較低，養(yǎng)分含量低；結(jié)構(gòu)松散，保水保肥能力差，無法滿足作物生長需求是其作為障礙性土壤的主要原因［16］。已有研究表明，餐廚垃圾干物質(zhì)主要以糖類、油脂及蛋白質(zhì)等有機(jī)物為主，且有豐富的氮、磷、鉀、鈣等元素，有機(jī)酸土壤調(diào)理劑產(chǎn)品施入土壤后可以顯著提高土壤中有效養(yǎng)分的含量［13，17］。本研究也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土施入有機(jī)酸土壤調(diào)理劑后，土壤養(yǎng)分含量顯著上升，對(duì)土壤有效磷含量的提升尤為明顯，這可能與供試土壤堿性較強(qiáng)，而有機(jī)酸土壤調(diào)理劑中累積的酸性物質(zhì)降低土壤堿性，提高土壤中磷的有效性有關(guān)［18-19］。而兩種不同類型的應(yīng)試作物中以箭筈豌豆提升效果更優(yōu)，可能與豆科作物固氮作用下高的氮碳比下微生物的活性更強(qiáng)有關(guān)［20］。土壤有機(jī)質(zhì)含量也隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提高表現(xiàn)出提升的趨勢。

3.2 有機(jī)酸土壤調(diào)理劑對(duì)水分蒸發(fā)散失量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙土施用餐廚垃圾制備的土壤有機(jī)酸土壤調(diào)理劑后，無論種植的作物是箭筈豌豆還是玉米，均可以顯著地減少生長期內(nèi)水分的蒸發(fā)散失總量，減少量隨著有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的上升不斷提高。這可能與有機(jī)酸土壤調(diào)理劑中可以提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤的持水能力有關(guān)［21］。

3.3 有機(jī)酸土壤調(diào)理劑對(duì)種子出苗率的影響

種子的萌發(fā)及出苗質(zhì)量是決定后期生長發(fā)育的關(guān)鍵階段［22］，有機(jī)酸土壤調(diào)理劑可以顯著地提高土壤肥力、降低水分蒸發(fā)散失，但出苗率隨著土壤有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量的提升出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，這可能與有機(jī)酸土壤調(diào)理劑的施用伴隨著鹽分的攜入有關(guān)。而前人的研究也發(fā)現(xiàn)，高的鹽分含量將顯著地降低作物的出苗率，這可能與滲透脅迫、離子失衡及毒害作用密切相關(guān)［23-24］。但是并非鹽分?jǐn)y入均會(huì)顯現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)，有研究表明，作物對(duì)含鹽量有一定的忍耐性，低濃度的鹽溶液不會(huì)對(duì)鹽穗木造成脅迫［25］，甚至有研究發(fā)現(xiàn)鹽溶液在較低的濃度條件下還可以促進(jìn)作物出苗［26］，這與本研究的低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的結(jié)果一致。而從不同有機(jī)酸土壤調(diào)理劑用量下各鹽基離子含量表中發(fā)現(xiàn)土壤中碳酸氫根離子、氯離子、鉀離子以及鈉離子含量提高趨勢明顯，這可能與有機(jī)酸土壤調(diào)理劑中除高量的有機(jī)質(zhì)含量之外，還存在著諸多離子，如鉀離子、鈉離子、氯離子、硫酸根離子等有關(guān)［27］，而后續(xù)的主成分分析也可以發(fā)現(xiàn)，除了堿解氮、速效鉀等養(yǎng)分含量之外，鉀離子、鈉離子、氯離子、鎂離子等均具有較高的載荷值，對(duì)應(yīng)用效果的綜合得分影響較大，但從全鹽含量來看，全鹽含量差異較小，且均未達(dá)到鹽堿化土壤的水平。可能是風(fēng)沙土本來就是一種障礙性土壤，土壤質(zhì)量較差，導(dǎo)致在風(fēng)沙土上種植的作物抗逆性較差。另一方面也可能與有機(jī)酸土壤調(diào)理劑施用于播種之前，而種子萌發(fā)期被認(rèn)為是整個(gè)生活史中抗逆性最薄弱的時(shí)期，相對(duì)鹽害率最大，導(dǎo)致出苗率較低［28-29］。但施用土壤有機(jī)酸土壤調(diào)理劑后，土壤理化性質(zhì)均顯著改善。利用主成分分析對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析也發(fā)現(xiàn)，隨著調(diào)理劑用量的提高，綜合評(píng)分不斷提高。因此，將有機(jī)酸土壤調(diào)理劑施用時(shí)期后移，避開作物生長敏感期或者分次施用，減少萌發(fā)期鹽分的攜入，施用效果可能更好。

4 結(jié)論

風(fēng)沙土上施用調(diào)理劑可以顯著地降低生育期內(nèi)水分的蒸發(fā)散失，顯著提高土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量，土壤中有機(jī)質(zhì)含量也有提高的趨勢，應(yīng)用效果在本試驗(yàn)所設(shè)梯度下與土壤有機(jī)酸的調(diào)理劑用量成正比，而兩種作物又以箭筈豌豆的應(yīng)用效果更佳。雖然隨著調(diào)理劑用量的提高除有益元素含量提高外，還會(huì)攜入鈉離子、氯離子等有害離子，出苗率也出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但利用主成分分析對(duì)15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)其綜合評(píng)分還是隨著調(diào)理劑用量的提高而提高。因此，應(yīng)在高的調(diào)理劑用量下將有機(jī)酸土壤調(diào)理劑施用時(shí)期后移，避開作物生長敏感期或者分次施用，減少萌發(fā)期鹽分的攜入，施用效果可能更好。