土壤改良劑PAM在生土改良中的應(yīng)用及效果①

邵社剛， 李婷， 朱立安， 曾清蘋， 倪棟， 林梓

1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 公路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實驗室，北京 100088；2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實驗室，廣州 510650

表土(熟土)資源是一種不可再生資源, 隨著持續(xù)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 人地矛盾突出, 諸如工程建設(shè)破壞表土資源、 占用耕地等問題日益加劇, 致使生土裸露、 耕地資源數(shù)量減少和質(zhì)量下降[1-3]． 在土地復(fù)墾過程中, 土壤的快速熟化成為恢復(fù)土地生產(chǎn)力的關(guān)鍵[3]． 生土即是深層土壤, 未經(jīng)過耕作及利用, 具有較強(qiáng)母質(zhì)屬性, 土壤物理、 化學(xué)性質(zhì)不良, 缺少有益微生物、 內(nèi)生物小循環(huán)和抗生機(jī)制． 而熟土是具備生物循環(huán)、 抗生功能的土壤[4-5]． 生土熟化是生土逐漸向熟土轉(zhuǎn)化的過程, 但其在自然條件下尤為漫長． 許多工程跡地、 高標(biāo)農(nóng)田建設(shè)等表土資源缺乏, 往往拆東墻補(bǔ)西墻, 造成資源的二次破壞, 因此有針對性地提出改良土壤的具體措施, 從根本上實現(xiàn)生土快速熟化成為研究者的重要任務(wù)．

深耕、 秸稈還田和施用土壤改良劑等措施是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中促進(jìn)生土熟化的常用方法, 其中施用土壤改良劑具有增加土壤養(yǎng)分、 優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、 提高微生物活性、 改善土壤微環(huán)境等作用, 是土壤農(nóng)藝調(diào)控措施的重要手段[6-8]． 其中, 研究者通過模擬天然高分子物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并通過人工合成高分子聚合物作為土壤改良劑, 結(jié)果表明, 該類高分子材料在改善土壤物理結(jié)構(gòu), 提高土壤穩(wěn)定性方面均有良好的效果[9-10]． 高分子材料如聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)因具有獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)、 豐富的活性基團(tuán)和良好的黏結(jié)性, 在土壤物理性質(zhì)改良方面具有實質(zhì)效果, 受到廣泛關(guān)注[10]． PAM是一種線型水溶性高分子聚合物, 水溶性好, 無毒, 具有很強(qiáng)的黏聚作用[11]． 研究表明, PAM可通過降低土壤容重, 增加大團(tuán)聚體含量, 改善土壤結(jié)構(gòu), 增強(qiáng)土壤保水、 持水性能[11-13], 可吸附固定土壤養(yǎng)分, 具有較好的保肥能力, 減少土壤養(yǎng)分流失[14-15]． 此外, PAM還可促進(jìn)作物生長, 提高作物產(chǎn)量[16]． 但其施用效果因施用量、 土壤和養(yǎng)分類型等不同而存在差異． 研究表明, 不同有機(jī)和無機(jī)土壤改良劑可通過改善土壤理化和生物學(xué)特性等方式增加土壤養(yǎng)分、 提高土壤質(zhì)量[17]． 且目前施加PAM對生土土壤養(yǎng)分改良效果的研究尚缺乏報道, 基于此, 本研究開展了室內(nèi)盆栽模擬試驗, 分析不同PAM施用量配施生物肥和微生物肥對生土土壤養(yǎng)分含量、 水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和作物生長的影響, 以期為PAM在生土土壤改良中的應(yīng)用提供參考依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生土土壤基本理化性質(zhì)為: pH值為6.39, 全氮為0.03 g/kg, 全磷為0.65 g/kg, 全鉀為2.00 g/kg, 堿解氮為5.95 mg/kg, 速效磷為5.68 mg/kg, 速效鉀為108.96 mg/kg． 供試菌劑為復(fù)合菌劑, 主要菌種為巨大芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌, 有效活菌數(shù)超過1.0億個/g, 購于河北閏沃生物技術(shù)有限公司． 供試蚯蚓糞購于佛岡沃土農(nóng)業(yè)科技有限公司, 其養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)61.7%, 全氮為2.6%, 全磷為3.5%, 全鉀為0.9%, 總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)為7%． 供試聚丙烯酰胺PAM, 陰離子型, 相對分子質(zhì)量15萬左右, 購于鞏義市振宇凈水材料廠．

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)盆栽模擬試驗, 風(fēng)干過篩的土樣充分混合后, 分別稱取2.0kg, 置于口徑16.6 cm、 高14 cm內(nèi)襯塑料袋的塑料盆中．

設(shè)置不同施用量梯度PAM配施蚯蚓糞和復(fù)合生物菌劑, 蚯蚓糞與土樣按質(zhì)量比5%進(jìn)行混合, 復(fù)合生物菌劑與土樣按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%均勻?qū)邮┯?～8 cm處． 其中, 設(shè)5個PAM施用量梯度, 即PAM施量與土樣按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%進(jìn)行混合; 另設(shè)不加入改良劑(CK)和單施5%蚯蚓糞和0.1%復(fù)合生物菌劑(CK1)作為對照處理． 共7個處理, 每處理重復(fù)3次, 共21盆．

于2021年8月20日播種, 將1 g狗牙根凈種均勻撒播于表層土壤1～2 cm處, 作物生長期間每天進(jìn)行必要的水分灌溉管理, 控制土壤含水量為田間持水量的80%, 于10月23日收獲．

1.3 測定指標(biāo)與方法

作物生長9周后收獲, 植株地上部和地下部分別收獲, 洗凈后105 ℃殺青30 min, 70 ℃烘干至恒質(zhì)量, 測定并記錄干質(zhì)量．

植株根冠比計算方法: 根冠比=根系生物量/ 地上生物量

供試土壤有機(jī)質(zhì)測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法; 全氮測定采用硫酸消煮, 堿解擴(kuò)散法; 全磷和全鉀采用氫氧化鈉熔融法, 分別用鉬銻抗比色法和火焰光度計測定． 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定采用Elliott[18]土壤團(tuán)聚體濕篩法測定．

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理, 運(yùn)用SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, 對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗; 符合正態(tài)分布和方差齊次, 則對不同施用量處理梯度的差異進(jìn)行單因素方差(One-way ANOVA)分析, 使用Tukey檢驗, 反之則使用韋爾奇方差(Welch’s ANOVA)分析, 使用Games-Howell檢驗,p<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義; 使用Origin 2021繪圖．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同PAM施用量對植株生長的影響

CK1和PAM配合施肥均可使狗牙根地上部和根系生物量顯著增加(圖1)． 與CK處理相比, 在CK1處理下, 狗牙根地上部和根系生物量分別顯著增加26.7和4.9倍(p<0.01); 施用PAM配合施肥處理狗牙根地上部和根系生物量分別顯著增加36.1～48.7,3.8～8.4倍(p<0.05), 說明施用PAM配合施肥可促進(jìn)作物生長, 提高作物產(chǎn)量． 但其促生作用隨施用量的增加而存在差異, 各處理中以0.1%PAM對狗牙根生長的促生作用最佳．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)．圖1 不同PAM施用量對植株生長的影響

2.2 不同PAM施用量對植株根冠比的影響

CK1和PAM配合施肥處理均可使狗牙根根冠比顯著降低(p<0.001)(圖2), 但兩者差異無統(tǒng)計學(xué)意義． 與CK相比, CK1可使狗牙根根冠比顯著降低81.7%, PAM配合施肥處理可使狗牙根根冠比均顯著降低83.1%～92.3%, 其中0.5%PAM可使狗牙根根冠比降低92.3%．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)．圖2 不同PAM施用量對植株根冠比的影響

2.3 不同PAM施用量對土壤養(yǎng)分的影響

CK1處理顯著降低了土壤速效鉀含量, 但對其他土壤養(yǎng)分含量無顯著影響． PAM配合施肥處理顯著增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量(p<0.01), 顯著降低了土壤速效鉀含量(表1)． 隨著PAM施用量的增加, 土壤有機(jī)質(zhì)、 全氮、 全磷、 全鉀和速效鉀含量總體表現(xiàn)為下降趨勢, 在0.1%PAM處理下為最大值, 而土壤堿解氮和速效磷含量總體表現(xiàn)為增加趨勢, 其最大值分別出現(xiàn)在0.4%PAM和0.5%PAM處理下． 與CK處理相比, 0.1%PAM處理下土壤全磷、 堿解氮含量分別顯著增加12.3%和119.0%(p<0.01)．

表1 不同PAM施用量對土壤養(yǎng)分的影響

2.4 不同PAM施用量對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

CK1和PAM配合施肥處理均對生土土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有顯著影響(p<0.001)(圖3)． 與CK處理相比, CK1處理顯著增加了生土土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(p<0.05), 增幅為14.2%; 在PAM配合施肥處理下, 生土土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加20.2%～70.6%(p<0.001)． 其中, 隨著PAM施用量的增加, PAM對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用呈先增后減趨勢, 在0.3%PAM處理下, >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為最大值, 隨后其含量顯著降低, 說明PAM施用量超過一定限度對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用減弱, 在本試驗條件下, 以0.3%PAM對土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用最佳．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05)．圖3 不同PAM施用量對土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

由表2可知, CK1和PAM配合施肥處理均顯著影響生土土壤各粒級團(tuán)聚體含量(p<0.05), 主要是使2.00～0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加, <0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量降低． 0.3%PAM處理下, 土壤1.00～2.00,0.50～1.00和0.25～0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為最大值, 較CK處理分別顯著增加472.6%,33.7%和52.4%(p<0.001); <0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為最小值, 較CK處理顯著降低42.3%(p<0.001)． 當(dāng)PAM施用量超過0.3%時, 1.00～2.00,0.50～1.00和0.25～0.50 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈下降趨勢, <0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈上升趨勢, 對生土土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量改良作用降低．

表2 不同PAM施用量對土壤各粒級團(tuán)聚體含量的影響

3 討論

施用PAM可促進(jìn)作物生長, 這已在較多作物中得以證實． 許景鋼等[19]的研究表明, 常規(guī)施肥配施PAM可使大豆根長增加, 大豆增產(chǎn)3.1%～9.4%; 廖麗佳等[20]的研究表明, 施用1%PAM浸種后栽種, 馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯率較對照分別提高24.8%和63.3%; 劉小三等[21]的研究表明, 施用PAM能不同程度地提升糯玉米鮮棒產(chǎn)量和地上部鮮生物量, 其平均增幅分別為8.5%和12.0%; 丁宇等[22]的研究表明, 施用PAM有利于平邑甜茶幼苗的生長, 植株的株高和總鮮樣質(zhì)量均顯著高于對照． 在本研究中, 添加PAM的處理均促進(jìn)了狗牙根地上部生物量的增加, 增幅為36.1～48.7倍, 綜合植株地上、 地下部生物量均表現(xiàn)為0.1%PAM促生效果最好, 與文獻(xiàn)[19-22]的研究具有一致性． PAM對狗牙根生長存在促生作用, 究其原因, 首先, PAM作為一種保水劑, 具有保肥效果, 對養(yǎng)分釋放具有緩釋作用, 可滿足狗牙根生長過程中對養(yǎng)分的需求[22-24]; 其次, PAM可將<1 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體聚合為更大粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體, 使>1 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加, 從而有效改善土壤物理性狀和水分運(yùn)移, 滿足狗牙根生長對水、 氣的要求, 為其生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境[12-13,21]; 此外, PAM能提高可提取態(tài)P含量和土壤中微量元素的有效性, 這些物質(zhì)通過范德華力與PAM結(jié)合, 參與根際反應(yīng), 最終被植株吸收利用[25-26], 從而促進(jìn)其生長．

土壤養(yǎng)分是土壤綜合肥力評價的根本, 是土壤肥力的核心, 對維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和生產(chǎn)力發(fā)揮著關(guān)鍵性作用． 而土壤理化性質(zhì)與土壤養(yǎng)分狀況息息相關(guān), 可體現(xiàn)土壤質(zhì)量, 其中, 氮、 磷等是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要因素之一, 其含量的高低對植物的生長和生產(chǎn)力水平起著十分重要的影響作用[27-28]． 劉慧軍等[29]的研究表明, PAM施入燕麥田土壤, 可提高土壤有機(jī)質(zhì)、 堿解氮、 速效磷和速效鉀的含量; 劉海林等[30]的研究表明, PAM與肥料混合施用可使膠園肥穴0～20 cm 土層中硝態(tài)氮、 速效鉀含量顯著增加138.6%和117.4%, 銨態(tài)氮含量增加32.7%; 王峻[26]的研究表明, PAM施于河道底泥可不同程度地提高底泥硝態(tài)氮、 銨態(tài)氮和堿解氮的含量, 且1 350 mg/kg PAM處理可顯著提高底泥速效鉀含量． 在本研究中, 施用PAM配合施肥處理顯著增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量, 與文獻(xiàn)[26,29-30]的研究具有相似性． 這可歸因于PAM對土壤結(jié)構(gòu)的改善, 使土壤具有良好的氣相、 液相、 固相, 進(jìn)而改善土壤質(zhì)量, 提高土壤養(yǎng)分[29]． 此外, 在本研究中, 施用PAM配合施肥處理下生土土壤速效磷含量無顯著變化, 而速效鉀含量顯著降低, 表明植株對土壤養(yǎng)分的吸收利用程度存在差異．

適宜的固、 液、 氣三相組成良好的土壤結(jié)構(gòu), 而土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位, 其數(shù)量和質(zhì)量是衡量土壤結(jié)構(gòu)性好壞的重要指標(biāo)[31]． 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體指由性質(zhì)穩(wěn)定的膠體膠結(jié)團(tuán)聚而形成的粒徑>0.25mm的土壤團(tuán)粒, 具有抵抗水破壞能力, 在水中浸泡、 沖洗而不易崩解的特點(diǎn)[12]． 對土壤養(yǎng)分循環(huán)、 調(diào)節(jié)水肥氣熱和維持作物生長等具有重要作用[26]． Lentz 等[32]在黏壤土中施用 PAM 后發(fā)現(xiàn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量比未施用PAM土壤顯著增加3～4倍; 曹麗花等[12]將PAM施于黑壚土、 黃綿土、 風(fēng)沙土發(fā)現(xiàn), 隨著PAM施用量的增加大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)粒含量明顯增加; 王峻[26]施用PAM于河道底泥, 結(jié)果表明, 添加 PAM 處理的水穩(wěn)團(tuán)聚體含量分別顯著提高了14.0%～24.8%． 在本研究中, 施用PAM處理的生土土壤>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加20.2%～70.6%(p<0.001), 與文獻(xiàn)[12,26,32]的研究具有相似性． 這可歸因于PAM對土壤<0.25mm顆粒的吸附作用, 使其聚合為粒徑更大的水穩(wěn)性團(tuán)聚體[12,26]．

4 結(jié)論

在本試驗條件下, 不同PAM用量與蚯蚓糞、 復(fù)合菌劑混合施用對狗牙根生長及生土土壤養(yǎng)分、 水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響顯著, 與CK相比, 均顯著促進(jìn)了狗牙根的生長, 降低了根冠比, 增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量, 提高>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量, 其中以PAM施用量0.1%對狗牙根生長的促生作用和生土土壤全磷、 堿解氮含量的培肥作用最佳, 以0.3%對生土土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量改良作用最好． 因此應(yīng)用農(nóng)藝措施改良生土土壤, 應(yīng)依據(jù)具體改良目標(biāo), 合理調(diào)整PAM用量．