腐植酸复合材料对生土熟化及黑麦草生长的效应研究

李昉泽 毋振庆 门姝慧 黄占斌⋆ 黄 娟 杜林峰 濮阳雪华

1 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院 北京 100083

2 深圳市铁汉生态环境股份有限公司 深圳 518040

生土，原为考古学中一专有词汇，多指未经人类扰乱过的原生土壤，亦称“死土”。目前多指物理结构差、持水保肥能力弱的农田土壤。生土的机械组成多为细沙和粉粒[1]。

土壤熟化是耕作土壤形成的一个过程[2]。生土熟化的技术方法主要有以下3个。（1）物理法，包括旋耕、翻耕、深松、轮作、套作和添加熟土等。研究发现，物理法可以有效改善生土的物理性状，疏松土壤，改善土壤渗透性能，增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，促进土壤中微生物活性[2～4]。（2）化学法，包括施肥和加入土壤调理剂，合理的施用有机和无机肥可以增加土壤养分及促进植物生长，配施土壤调理剂会促进土壤微生物繁殖和土壤营养元素的矿化[5，6]，使土壤肥力得到提高，产量得到增加。（3）生物法，包括加入微生物菌剂、种植植物及加入蚯蚓等有益于土壤性状改良的动物等。微生物菌剂可促进土壤中有机物降解，防止病虫害发生[7，8]。目前，这些方法在不同地区和环境条件下有一些应用实践，但对生土熟化的认识和重视程度不够，缺乏针对生土快速熟化的材料或者产品，尤其在矿区土地复垦和生态修复中尤为明显。

土壤修复材料和功能各有不同，腐植酸能有效调节土壤水、肥、气、热，改良贫瘠土壤，调节土壤pH值，促进土壤微生物酶活性等；保水剂可增加土壤水肥保持能力，促进土壤团粒结构形成；生物炭自身发达的孔隙结构可影响土壤的团粒结构，缓冲土壤逆境，促进土壤微生物繁殖。因此，本研究选择腐植酸、保水剂和生物炭等材料作为生土熟化过程中的改良剂，将不同材料的功能进行互补，分析腐植酸、保水剂和生物炭不同组合对生土的土壤物理化学性能的影响，以及对黑麦草生长的效应，期望获得即能促进植物生长又能有效快速提高土壤物理化学性能的优化组合，以期为废弃地的土壤改良提供技术依据和应用参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

保水剂（Super absorbent polymer，简称SAP）为河北省任丘市合信荣化工有限公司提供；腐植酸（HA）由河北省石家庄市柏坡正元化肥有限公司提供；生物炭（BC）由陕西省西安市西农生物炭研究院有限公司提供；氮磷钾复合肥由北京澳佳生态农业股份有限公司提供；农家肥（牛粪）从当地农户收购；盆栽所用黑麦草种子为江苏省沐阳县绿中城绿化工程有限公司提供，品种为“冬牧70”。

1.2 试验设计

试验采用盆栽，3因素3水平正交试验设计，SAP、 HA和BC用量分别为1～3 g/kg、3～6 g/kg和10～30 g/kg，共9个处理（表1），每个处理5次重复。

表1 盆栽正交试验设计表Tab.1 Orthogonal experimental design of pot

种盆直径30 cm，高50 cm，每盆装土10 kg，土壤为一半生土（当地深度60 cm以下基层土壤）和一半熟土（表层0～20 cm耕层土）混合土壤，将腐植酸、保水剂和生物碳3种材料按一定配比，先称重混匀，然后加入相应每组处理土盆中，再将其与土盆中土壤混匀。每盆播种20颗黑麦草，将种子均匀撒在每盆土壤表面后，轻覆一层薄土（0.3～0.5 cm左右）。试验在北京市昌平区亭自庄村北京市轻工业研究所基地进行。2018年4月17日播种，7月27日收获，历经102天。所有处理施用土壤重量0.1%复合肥[N-P2O5-K2O（18-9-18）]，2.5%农家肥（牛粪发酵湿重，含水率28%）。

1.3 测试指标与方法

黑麦草株高用直尺直接测量。将每盆全部黑麦草收获后，利用烘干法测定每个处理干重，采回植物样在烘箱中105 ℃烘20 min杀青，再在80 ℃下烘至恒重。土壤碱解N采用碱解扩散法测定；速效P采用NaHCO3提取——钼锑抗比色法（Olsen法）测定；pH采用玻璃电极法测定；容重采用环刀法测定；密度采用比重瓶法测定；孔隙度利用如下公式计算：

式中：P为土壤孔隙度（%）；ρ为土壤容重（g/cm3）；s为土壤密度（g/cm3）。

2 结果与分析

2.1 腐植酸复合材料对生土物理性能的影响

土壤容重反映土壤结构、透气性、透水性[9]。表2表明，施用3种环境材料均可有效降低土壤容重。其中，E7处理效果最明显，较CK的土壤容重降低了27.4%，这与Laird等[10]和葛顺蜂等[11]研究结果一致。添加环境材料能有效降低土壤容重，可能是腐植酸中羟基、羧基易与土壤中的钙离子发生凝聚反应，促进土壤团粒结构形成。腐植酸结合植物根系生理作用可加快土壤团粒结构形成[12，13]。保水剂可有效改善作物根际水环境，通过其保存的水分直接提供给作物，促进土壤团粒结构形成，特别是大团聚体比例增长迅速[14，15]，当土壤团粒结构改善时，其容重降低、孔隙度增大，具备良好通透性。添加生物质炭也会引起土壤有机质的增加，土壤变得疏松多孔，容重降低[16]。

表2 腐植酸复合材料对生土物理性能的影响Tab.2 Effects of compound materials with humic acid on the physical properties of immature soil

土壤密度间接反映土壤的矿物组成和有机质 含量。往往土壤密度较低时，有机质含量会比较高[17]。土壤中有机碳的增加可有效降低土壤密度。所有处理中，E7处理对密度影响最大，对比CK下降了3.90%。生物炭和腐植酸可降低土壤密度，且添加生物炭和腐植酸的量越大，密度减小得越明显。土壤密度与土壤有机质和矿物质含量有密切关系。土壤孔隙度直接影响土壤蓄墒效果和透气性，并间接影响着土壤肥力和植物生长状况；土壤的孔隙度大小与土壤质地、结构、松紧度和有机质含量多少有关，从表2可知，E1～E7处理土壤孔隙度平均较对照提高16%，E7处理的土壤孔隙度提高最多，比对照提高28.62%。

2.2 腐植酸复合材料对生土化学性能的影响

腐植酸是一种大分子酸性物质，表面含有羧基等酸性官能团，保水剂表面也含有氨基，它们均能在土壤中电离出H+，与碱性土壤中的OH-发生中和反应，降低土壤的pH值，可通过酸碱中和和交换作用降低盐碱土的pH值。生物炭尽管为碱性物质，但会抑制其碱性官能团电离[18，19]。由图1可见，pH变化与保水剂添加量呈正相关。随着保水剂添加量的增多，pH也逐渐增大。

图1 腐植酸复合材料对生土pH的影响Fig.1 Effects of compound materials with humic acid on the pH of immature soil注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05），下同。

试验地区土壤容重大，孔隙度小，夏季多雨，这导致土壤N容易流失。CK土壤碱解N的含量为44.32 mg/kg，处于土壤养分第五级水平（根据《全国土壤第二次普查分类标准》）。由图2可见，添加3种环境材料可以增加土壤对碱解N的保持能力（E1～E9处理土壤中的碱解N平均提高43.50%），处于土壤养分第二级水平，这与木合塔尔·吐尔洪等[20]研究结果一致。但是，不同环境材料配比对生土快速熟化过程中碱解N的提升效果并不相同，其中E7处理对土壤碱解N提升幅度最大，这可能是因为材料复合，特别是腐植酸能促进土壤微生物和酶的活性。一方面是土壤自生固氮菌显著增多，使硝酸盐的含量明显增大，丰富了土壤的氮素营养，改善了作物根系的营养条件；另一方面，施用腐植酸使好气性细菌、放线菌、纤维分解菌的数量增加，有利于加速有机物的矿化，促进营养元素的释放。同时，生物炭可以促进土壤中的NH3和NH4+转化为NO3-。有研究表明，温度越高，生物炭越有利于NO3-的吸附，从而降低土壤中N的流失[21]。

图2 腐植酸复合材料对生土碱解N的影响Fig.2 Effects of compound materials with humic acid on the alkaline hydrolysis nitrogen of immature soil

磷（P）是植物生长所需的大量养分元素之一。生物炭本身含有大量的P，并且有很高的有效性。因此，生物炭的添加可增加土壤有效P含量。从图3可以看出，E7处理虽然添加生物炭不是最多，但土壤中速效P增加最多，这可能与腐植酸和保水剂的配合使用有关。通常土壤中Ca3(PO4)2很难溶于水，而加入腐植酸发生反应后所形成的磷酸氢盐和磷酸二氢盐都溶于水，易被作物吸收。当土壤中施入腐植酸后，由于腐植酸胶体的负电特性，可以在Fe3+、Al3+表面形成一层掩盖膜，使这类阳离子与磷酸根离子隔离开来，减少了它们之间结合而形成难溶盐的机会，使施用的P肥效力相对得以提高。这一点在刘秀梅等[22]研究中也得到了印证。

图3 腐植酸复合材料对生土速效P的影响Fig.3 Effects of compound materials with humic acid on the available phosphorus of immature soil

2.3 腐植酸复合材料对生土上植物生长的影响

腐植酸复合材料能促进植物生长。9组处理株高较CK平均增加8.6 cm，干重平均增加26.74 g。从图4可以看出，E7处理黑麦草株高和干重均为最大值，比CK分别增大17.26 cm和50.77 g，增长幅度分别为50.18%和334.79%，这与上述土壤理化性能表现一致。腐植酸能够改善土壤物理结构，改良土壤化学性质。生物炭的高度芳香化结构及丰富脂肪类和氧化态结构，为土壤微生物提供良好的生存空间。保水剂有三维网状结构，羧基、羟基和季铵盐类等亲水性官能团，通过吸水及溶胀等两种方式增加土壤含水量[23]，增强根系吸收水肥的能力和提高植物叶片叶绿素含量，调节植株叶片蒸腾作用，维持植物体内水分平衡，取得显著促进植物生长的效果。

图4 腐植酸复合材料对黑麦草株高和干重的影响Fig.4 Effects of compound materials with humic acid on the plant height and dry weight of ryegrass

3 结论

针对矿区废弃地复垦中的生土物理结构差、水肥保持能力低、提供植物营养能力弱等问题，通过向生土中添加腐植酸和保水剂及生物炭复合材料，盆栽种植黑麦草，证明了腐植酸与保水剂、生物炭复合可有效地改善生土的物理结构，降低土壤容重和密度，提高生土孔隙度，降低生土pH，提高生土碱解N和有效P含量，促进黑麦草生长。所有处理中，E7处理对生土快速熟化效果较好。但这种促进生土快速熟化腐植酸复合材料优化配方对田间植物种植应用效果如何，还需要进一步研究。

高原外，纯净水——读白由路研究员《植物营养中理论问题的追本溯源》一文有感

2019年4月1日，《腐植酸与土肥和谐发展》一文，编辑部发中国植物营养与肥料学会理事长白由路研究员审稿。4月10日，通读了他发来的《植物营养中理论问题的追本溯源》一文。他将历史上的土肥理论过滤了一遍，很全面。白教授不仅出题目，还在找出路。现提出五点求教于大家。

一是土壤腐植酸形成后，与土壤生命融为一体，为什么？二是地球诞生于46亿年前，人于300万年形成后，成为地球万有之灵，为什么？三是不仅要找矛盾，还要解决矛盾，重在指导实践。必须立于土说土事，“土壤有机质—腐殖质—腐植酸”三者之间不可分割，土壤生命过程亦不可分割。四是大规模粮食生产，水培不可能完成。水培是水培，土生是土生，可以借鉴，而不能取代。五是尊重生物本来面目，像黑土地一样，撒一把种子就能收成。否定之否定可以，脱离自性不成。

存在就是真理。科学解决的是阶段性问题，哲学针对科学思考人类发展问题。哲学问道宗教，其目的在于找回生命的本源。爱因斯坦认为，科学上升到哲学，哲学问询宗教，目的是找回生命的归宿。中国人的圣道就是返璞归真。