PAM与天然土壤改良材料混合对部分土壤理化性质的影响

2014-09-06康倍铭吴淑芳徐晓敏

水土保持研究 2014年3期

康倍铭，徐健，吴淑芳，，徐晓敏，冯浩

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.中国石油长庆油田分公司，西安7100182；3.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌712100）

在长期的农业生产中，为满足人口增加对粮食生产的需求，人们大量不合理地利用耕地并无节制地使用化肥和农药，这些最终导致了土壤理化性质恶化。高分子土壤结构改良剂聚丙烯酰胺（PAM）是目前应用较多的土壤改良剂之一［1］。曹丽花等［2］采用PAM、B－环糊精、沃特保水剂、腐殖酸4种土壤结构改良剂，通过室内土柱培养，结果表明4种改良剂在浓度为0.05%～0.4%时，均可改善风沙土结构。员学峰等［3］研究小区试验表明施加当PAM施用浓度为0.5～2.0g／m2时，玉米增产幅度为5.54%～14.51%。但高分子土壤改良剂生产工艺和原料来源要求较高，价格昂贵，使其大范围应用受限，一定程度上限制了此类土壤改良剂的推广［4］。

除以上高分子土壤改良剂以外，天然土壤改良材料因价格低廉、有机质含量高，已在农业生产试验中小范围得以应用。天然土壤改良材料如油菜渣、草炭、风化煤、页岩、蛭石、秸秆等在改土培肥方面已取得一定成效且有相关报道。如陈克亮等［5］通过盆栽试验研究了不同含量的油田油渣对玉米生长及品质的影响，结果表明，在土壤中施加适量油渣不会对玉米生长及品质造成不利影响，而且土壤中掺入一定量油渣可改善土壤的理化性质，增强持水能力和增加土壤养分，从而提高玉米出苗率。Spaccini等［6］研究了玉米秸秆覆盖和玉米秸秆混合施入土壤两种利用方式对土壤团聚体的影响，发现秸秆施入土壤后更能提高土壤团聚体的稳定性，且秸秆还田量一般以2 250～3 750kg／hm2为宜。陈双燕等［7］利用蛭石基质引发处理结缕草种子，在最适温度条件下，能够显著提高种子的最终发芽率、发芽速度和发芽的整齐度。陈伏生等［8］通过盆栽试验比较了施用不同剂量的草炭（0%，2%，5%，8%及10%）对风沙土改良的效果和对白菜生长及产量的影响，结果表明：草炭能增强风沙土的持水能力，降低土壤的pH值，增加土壤中的有机质、全氮、速效氮和速效磷等的含量；白菜根系长度、生物量、高生长和地上部分的生物量均有增加，其中8%草炭处理为最佳，同时施用草炭还有利于提高白菜干物质的积累及其品质。苗利国等［9］利用页岩有机肥料对沈阳桧苗木生长的影响进行研究，结果表明施用新型页岩有机肥料对苗木的高度有明显的促进作用。新疆生物土壤沙漠研究所［10］在多年大田试验后得出，可以单独使用风化煤，用量以稍大为好，在试验中用7 500～15 000kg。

因PAM特殊分子结构与这些天然土壤改良材料存在交互作用，研究表明PAM与天然土壤改良材料混施可改善土壤结构，提高土壤肥力，促进作物生长等，如：冯瑞云等［11］以高分子材料聚丙烯酰胺（PAM）、秸秆纤维素为试材，系统分析了土壤改良剂扩蓄增容效果。结果表明，秸秆扩蓄肥具有较强的保水性能，有效降低土壤体积质量，提高非毛管孔隙比例，增加土壤孔隙度。李刚等［12］通过球磨插层法将吸水性高分子在蛭石层间插层聚合，制备成的有机复合吸水材料，结合了高分子吸水材料与矿物型吸水材料的优点，吸水量大；蛭石的加入可以降低吸水材料的成本，同时还可以起到改良土壤的作用。迟永刚等［13］通过盆栽实验对玉米幼苗生长及生理特性的监测，探讨了水分胁迫和正常供水条件下PAM分别与泥炭、沸石和稀土复合应用的互作效应。结果表明，保水剂＋泥炭在两种水分条件下均能复合应用，可有效促进玉米生长和提高水分利用效率。

基于上述研究现状，本研究利用上述研究思路，将少量PAM分别与油渣、秸秆、蛭石、页岩、草炭、风化煤按一定比例混合，施入土壤，培养一定时期后，研究其对土壤结构、保水持水以及有机质含量的影响，寻找与PAM混合效果较好的土壤改良材料，有望为低成本多功能复合土壤改良剂研发提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用土采自陕西杨凌西北农林科技大学灌溉试验站，土壤类型为土，其砂粒、粉粒、黏粒含量分别为8.3%，62.9%，28.8%，质地为粉黏壤土。

聚丙烯酰胺（PAM）由胜利炼油厂劳动服务公司生产，分子量大于800万，粉末状，4～6万元／t；蛭石购于河北省石家庄市灵寿县敏诚蛭石加工厂（500元／t）；油渣购于杨凌油渣厂，为生产油菜油后剩余的油菜渣（1 900元／t）；秸秆为西北农林科技大学灌溉试验站试验田内的玉米秸秆；草炭购于河北省石家庄市灵寿县敏诚草炭有限公司（1 000元／t）；页岩购于陕西省三原县，为油页岩（690元／t）；风化煤购于甘肃省平凉市华亭县华亭煤矿（600元／t）。以上土壤及蛭石、油渣、秸秆、风化煤、页岩、草炭均风干后磨碎至粉末状过2mm筛。

1.2 试验处理

设计处理用量参考以往相关研究报道［2］，PAM施用浓度为0.05%；油渣、秸秆、蛭石质量占总质量分别为0.3%，0.6%，1%；风化煤、草炭、页岩质量占总质量分别为3%，5%，10%。实验设置20个处理，重复6次，如表1所示。

表1 试验设计处理

1.3 研究方法

试验主要在室内进行，将上述处理的土样按容重1.25g／cm3分层均匀填装到直径10cm，高12cm的PVC管中，管的底端用纱布密封，装土高度10cm。采用自吸水方式来湿润土柱至饱和，24h后放于人工气候箱中（温度35℃，相对湿度70%）培养，控制土柱含水量下限为80%的田间持水量（CK处理的田间持水量），如低于此含水量，将土柱进行饱和处理后继续放入气候箱培养［14］。培养60d后，用环刀取土3个重复，先用离心机测定不同水吸力下土壤含水量，再烘干计算土壤容重，比重瓶法测定土壤比重，土壤总孔隙度通过公式计算获得，土壤总孔隙度＝（1－容重／比重）×100%。使用湿筛法测定其水稳性团聚体含量，重铬酸钾容量法测定土壤有机质［15］。剩余3个重复的土柱放在盛有薄层水的水槽中，让土柱自动吸水湿润，待全部土柱表面湿润，取出放置24h，在自然条件下利用称重法观测土壤蒸发情况［16］。

1.4 数据处理

试验数据采用Execl和SAS 6.2软件处理数据，对测定结果进行单因素方差分析，并用Duncan新复极差法（α＝0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 PAM与天然土壤改良材料混合对土壤水稳性团聚体和孔隙度的影响

根据团聚体形成的多级团聚理论，一般把湿筛法获得＞0.25mm的团聚体称为土壤水稳性团聚体结构，水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有重要的贡献［17］。由表2不同处理土壤水稳性团聚体含量表发现：单施PAM后土壤水稳性团聚体含量显著增加，相比对照增加了48.35%；PAM分别与各材料混合，其土壤水稳性团聚体含量均较单施PAM处理有不同程度的增加，其中，PAM与0.6%的秸秆处理，土壤水稳性团聚体含量较单施PAM增加最大，为2.5倍。其次，PAM 与0.3%的油渣处理，较单施PAM增加2.4倍，PAM与页岩、蛭石处理后其水稳性团聚体含量增幅较小，较单施PAM增加3.1%，5.1%。

土壤孔隙度也是评价土壤结构的重要指标［18］。由图1发现，除PAM与页岩混合处理（YYP）对土壤孔隙度有负增加现象外，其余处理土壤孔隙度较对照和单施PAM 有所增加，相对对照增幅2.1%～4.4%，但相对单施PAM处理，增幅在2.3%以下，其增加幅度并不显著。

图1 不同材料处理土壤孔隙度比较

2.2 PAM与天然土壤改良材料混合对土壤有机质的影响

有机质对土壤物理性质有深远影响，它影响着土壤结构、水的渗透、水的保持和组成。图2为各天然土壤改良材料有机质含量，发现风化煤、油渣、玉米秸秆有机质含量较高。表3为PAM与不同材料混合后培养前后土壤有机质含量，由表3发现，单施PAM对土壤有机质影响不显著，所有处理均提高了土壤有机质含量，同种材料，施入浓度越大，培养前后其土壤有机质含量越高。其中：PAM分别与三种高用量材料（页岩、草炭、风化煤）混施土壤中，风化煤处理对土壤有机质增加显著，培养后其土壤损失有机质的百分比较高，幅度约50%，页岩处理培养后土壤损失有机质的百分比最小，幅度约为6%；PAM分别与三种低用量材料（油渣、秸秆、蛭石）混施土壤处理中，蛭石处理培养前后对土壤有机质增加不明显，随用量增加油渣处理培养后土壤损失有机质百分比增大，且变幅较大。

表2 不同处理土壤水稳性团聚体含量比较

表3 不同处理土壤有机质含量

图2 各天然土壤改良材料有机质含量

2.3 PAM与天然土壤改良材料混合对土壤水分的影响

土壤有效水含量在10kPa水吸力下土壤所持水量与1 500kPa水吸力下土壤所持水量之差，为土壤可供作物吸收的有效水量［19］。本研究通过离心机法测定了不同水吸力下土壤持水量，选用有效水含量作为土壤保水性指标［20］，图3为各材料平均有效水含量，结果表明：PAM与风化煤处理后土壤持水性较好，其有效含水量较对照提高了10.8%，较单施PAM处理提高7.9%，油渣、蛭石次之，较对照均提高了6.5%，较单施PAM处理均提高3.7%，PAM与页岩处理最差，较对照降低了1.1%，较单施PAM处理降低了3.7%。处理中保水性较好的为PAM与风化煤处理，当风化煤为3%的浓度时，其持水性能最突出，较对照提高23.2%，较单施PAM提高20%。

图3 不同材料处理土壤有效水含量比较

图4 为各材料处理随时间变化的蒸发过程图，各处理初始含水量为吸水至饱和后除去重力水的土壤含水量，所有处理均较对照含水量有所提高，其中PAM与秸秆处理其储存于土壤的水分最大，初始含水量较单施PAM土壤含水量提高了11.6%。其次PAM与油渣处理其初始含水量较单施PAM提高5.1%。随着蒸发时间推移，各处理蒸发速率基本相等（如图4中各曲线斜率），蒸发结束后，PAM与秸秆、PAM与油渣、PAM与蛭石处理的土壤其含水量相对较高，基本上均失去约21%的土壤水分，即初期土壤吸水量越多，蒸发结束后，其含水量仍相对较高。

为更准确反映各处理的抗蒸发能力，本研究选用了蒸发失水比指标，即在某一时段内的蒸发量与土柱吸水总量的比值来反映各处理抗蒸发性能强弱，其值越小，说明抗蒸发性能越强。通过计算，秸秆、油渣、蛭石蒸发失水分别为54.17%，54.53%，55.93%，比单施PAM 处理平均减少9.3%，8.7%，6.3%，抗蒸发能力较强，其中，PAM与1%秸秆和1%的油渣处理抗蒸发能力最强。

图4 不同材料处理土壤含水量随时间的变化

3 结论

6种天然土壤改良材料与PAM混合后不仅能够提高土壤有机质含量，提升土壤肥力，而且增加土壤水稳性团聚体含量，改善土壤结构，同时提高了土壤有效水含量，增强土壤抗蒸发能力。6种天然土壤改良材料与PAM混合施用对土壤结构影响发现，PAM与油渣和PAM与秸秆处理其平均水稳性团粒含量增加最为显著，对于单施PAM，各处理对土壤孔隙度无显著影响。各处理对土壤有机质提高效果相比，培养前后均不同程度提高了土壤有机质含量，其高低与材料自身有机质含量及用量相关，6种天然土壤改良剂中，PAM与风化煤处理培养后土壤损失有机质百分比最大，约为50%。各处理对土壤水分效果相比，除页岩外，各处理均提高了土壤保水性和增强了土壤抗蒸发性，其中PAM与3%的风化煤处理显著提高了土壤有效水含量，PAM与1%的秸秆处理和PAM与1%的油渣处理抗蒸发性能较强。

总体上，PAM与风化煤、秸秆、油渣处理对稳定土壤结构，增加有机质含量，保持土壤水分等方面有显著改善作用，今后还需进一步研制多功能的土壤改良剂，研究其适用性、适宜用量和作用机理。

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