膨润土-甘草渣复合材料保肥效应研究

古丽娜尔·巴合提别克，王瑛，苏金娟，刘永萍，楚光明，王梅

(石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

我国沙化土地面积已经达到173.97万km2，占国土面积的18.12%[1]，尤其新疆地区受沙化影响尤为严重，沙化土地具有通透性好、养分含量低、保肥能力差等特点[2]。改善沙化土地的保水保肥性能，助于沙化土壤上植物的生长，对土壤沙化治理有主要的意义。目前已有的保肥型肥料种类众多，传统保水保肥产品一般为高分子聚合物，大都成本较高、工艺复杂、吸水保水保肥性能差、不耐盐、难降解、易造成土壤二次污染等，其应用范围受到很大的限制，推广应用缓慢[3]。因此，天然、廉价、安全的保水保肥材料备受关注。

新疆是我国甘草资源比较丰富的省区，每年产生的大量甘草渣没有得到很好处理、污染环境，这些残渣含有多种丰富的营养元素，用作肥料施入土壤后，可以提高土壤保水保肥能力，且甘草为天然植物，有可再生可降解的优点[4]。在新疆地区，甘草渣资源丰富、价格低廉，也能解决农民耕作使用肥料成本高等问题。本研究采用廉价易得并且无污染的甘草渣，制备保水保肥的膨润土-甘草渣复合肥，起到保水保肥的效果，而且不会产生残留物质的二次污染，发掘出了甘草废弃物新的可利用价值点。本研究对充分利用二次资源、制备生态友好型保肥类产品、降低干旱地区农业水肥资源的消耗量、提高农产品的产量和品质、促进农业的发展具有重大意义。

目前国内外关于甘草植物的研究已有很多报道，除了对甘草中甘草酸、总黄酮等有效成分的开发生产外[5-6]，也有研究表明甘草渣肥料堪称新型的生态肥料，龚明福等[7]使用66%的甘草渣辅以22%的棉籽壳及10%的麸皮可用于平菇的生产，发现栽培食用菌的效果更佳，且能够有效降低生产成本。秦利利等[8]利用甘草渣栽培双孢蘑菇，发现具有较高的经济效益和生态效益。白明生[9]将苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3种中药废渣施入土壤里，发现盐碱地土壤理化性质和土壤养分得到明显改善，土壤微生物数量和土壤酶活性显著增加。马全会等[10]将发酵甘草渣添加到粗河沙中进行混配作为基质使用，发现添加甘草渣可明显改善河沙的理化性状，并促进草莓根系生长和地上部生物量积累，有学者[11]通过堆肥式腐熟发酵制成甘草渣有机基质，进行栽培番茄并发现，与草炭基质栽培相比，腐熟甘草渣基质栽培明显改善了番茄果实品质，也有学者[12]按照河砂、甘草渣、牛粪质量比为6∶1∶1的比例作为基质栽培草莓，发现此处理基质组成表现最优。

膨润土具有良好的粘结性、分散性、吸附性和离子交换性等独特的性能，品质优良，可以有效改良土壤理化性质。将膨润土和砂质土壤混合均匀，可改变砂质土壤结构、延长水分持续时间、提高砂土的阳离子交换量和盐基饱和度、增加砂质土壤的保水保肥性能、减少养分流失[13-14]。此外，膨润土可以用做肥料添加剂，当与肥料同时施用时，可减少养分流失、节省肥料和水分消耗量[15-16]。研究表明，膨润土与有机质同时施用，可同时提高两者的效用，提高土壤保水保肥性能[17]，从而提高作物产量[18]。国内学者对制备复合材料方面做了大量的研究，但对新疆干旱半干旱沙土地区的甘草废弃杂物在应用和推广方面研究较少。

为更好地掌握膨润土的特有性能及施用量、充分利用甘草废弃资源，本研究按照不同比例制备膨润土与甘草的复合材料，与纯沙土混合，进行了吸附水分和养分试验的能力测定，为膨润土在制备保水保肥产品和土壤改良应用提供科学依据。因此，本研究针对现在保肥型肥料存在的问题，采用室内土柱模拟法，以新疆丰富、天然、廉价、安全的膨润土以及废弃甘草渣为原料，将二者按不同比例结合制成膨润土-甘草渣复合材料，制备生态友好型的保肥产品，并系统研究加入不同配比复合材料的沙土与纯沙土(CK)的保肥能力，探讨最佳配比方案，旨在为生态友好型保肥材料的制备提供新思路、新方法，为废弃资源的充分利用以及保肥型肥料的应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料的取样时间为2019年7—9月份，膨润土取于新疆奇台县国平膨润土矿，细度为80目；甘草渣取于新疆生产建设兵团第一师16团甘草膏厂。

1.2 试验方法

配比：试验按照膨润土含量不超过原土量的20%、营养土占原土15%左右时效果最佳作为试验依据，设置3个处理，分别为复合材料占原土10%、15%、20%。每个处理按膨润土与甘草渣1∶1(T1)、1∶1.5(T2)、1∶2(T3)、1∶2.5(T4)的重量比设计4个梯度和对照(CK)(表1～4)。

表1 供试样品基本理化性质

养分淋溶：沙土与不同配比的复合材料混合均匀后装入PVC管，倒入1 L蒸馏水使养分完全冲洗干净，加入肥料46%尿素、12%过磷酸钙、60%氯化钾使得沙土中氮磷钾含量分别为N150 mg/kg，P100 mg/kg，K120 mg/kg，倒入PVC管中，最后倒入蒸馏水，用一大小适宜的烧杯承接渗漏液，做3次重复。肥料施入后将蒸馏水900 mL加入PVC管中，室温下静置12 h，直到无水滴出，渗漏液用于测量体积和养分含量。3 d后取出烧杯，第2次加蒸馏水500 mL，操作同上。第3次(距第2次加水时间4 d)加蒸馏水300 mL。第4次(距第3次加水时间6 d)加蒸馏水250 mL。测量每次淋溶后的渗漏液体积，并测定其全氮、全磷和全钾含量(表2～4)。

表2 复合材料重量占纯沙土10% 单位：g

表3 复合材料重量占纯沙土15% 单位：g

表4 复合材料重量占纯沙土20% 单位：g

1.3 数据处理

本试验所有数据均釆用软件SPSS 8.5进行统计分析和数据处理，利用(组内横向多重比较与组间间选择最佳相结合)做显著性分析。利用Origin 8.5进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 渗漏液体积及养分浓度特征

从复合材料重量占纯沙土10%、15%、20%的每组4次淋溶的渗漏液体积看，方差分析(表5～7)表明，第1次淋溶的CK渗漏液体积显著高于T1—T4处理渗漏液体积。CK处理渗漏液体积约为T1—T4处理渗漏液体积的2倍，且T1—T4处理膨润土比例越大，其渗漏液体积越少。当复合材料重量占纯沙土10%时，T1—T4渗漏液总量依次为1 050、1 156、1 222、1 260 mL与CK1 587 mL相比水分流失减少21%～34%；当复合材料重量占纯沙土15%时，T1—T4渗漏液总量依次为886、1 040、1 090、1 181.5 mL与CK1 477.5 mL相比水分流失减少20%～40%，说明土壤保水性随着复合材料占沙土比重的增加而增大，T1—T4处理所含的复合材料有较好的吸水性能，使得土壤渗漏液体积显著降低，这对养分流失的减少上也起到了一定的作用，但当复合材料重量占纯沙土20%时，其渗漏液体积远远高于复合材料重量占纯沙土15%，T1—T4渗漏液总量依次为1 021.5、891、1 006.5、1 069.5 mL与CK1 474 mL相比水分流失减少27%～40%，可能与膨润土含量过多有关，在试验开始之前倒入1 L蒸馏水使养分完全被冲洗干净时膨润土吸水膨胀，其后由于水分蒸发，体积变小，在复合材料内部留下一定的裂隙，在后几次淋溶时，部分水分顺着之前形成的孔隙流失掉了。

表5 不同淋溶次数的渗漏液体积及养分浓度 (复合材料重量占纯沙土10%)

表5续

从渗漏液养分浓度看，渗漏液中除了复合材料重量占纯沙土20%时淋溶外N、P、K养分变化规律基本一致，其保肥效果随着复合材料中膨润土比例的增加也相应增加，由高到低为T1、T2、T3、T4、CK，各处理养分的最高浓度均出现在第一次淋溶，随着淋溶次数的增加，均出现减小的趋势。一直到最后一次淋溶T1—T4处理渗漏液养分含量有所增加，这说明复合材料在短时间内能有效减少土壤养分的淋出，而纯沙土处理组养分含量逐渐降低，这和沙土本身保肥性太差，土壤中养分被外源水带走淋出有关。

表6 不同淋溶次数的渗漏液体积及养分浓度 (复合材料重量占纯沙土15%)

表7 不同淋溶次数的渗漏液体积及养分浓度 (复合材料重量占纯沙土20%)

2.2 N淋溶特征

根据公式：养分渗漏量=渗漏液体积×养分浓度、养分滲漏率=养分渗漏量/总渗漏量，计算出各养分的渗漏量与渗漏率，做养分渗漏量柱状图与渗漏的累积渗漏率曲线。

如图1所示，当所有复合材料重量占纯沙土10%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计氮素总量分别为311.04、141.51、156.16、198.72、234.85 mg，累计氮素渗漏率分别为93.90%、42.72%、47.15%、60.00%、70.09%；当所有复合材料重量占纯沙土15%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计氮素总量分别为329.01、112.64、169.63、182.73、236.47 mg，累计氮素渗漏率分别为93.90%、32.65%、49.16%、52.96%、70.01%；当复合材料重量占纯沙土20%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计氮素总量分别为356.79、166.79、184.10、215.80、254.13 mg，累计氮素渗漏率分别为99.44%、46.47%、51.31%、60.15%、70.82%。

从各组试验各处理渗漏养分量和累计渗漏率(图1)看，复合材料占纯沙土10%、15%、20%的所有水平中的CK处理的渗漏养分量显著高于T1—T4处理，且T1—T4处理累计氮素总量和累计氮素渗漏率约为对照组CK的1/2左右，说明沙土空隙大、保肥能力太差，其次为20%T2、T3处理，其渗漏养分量和累计渗漏率显著高于其他处理，而20%T2、T3保肥能力下降，可能因为膨润土量太大，由于膨润土吸水膨胀、失水收缩特性，水分从空隙溜走，导致肥料被大量冲走。所有处理组渗漏养分量和累计渗漏率显著高于15%T1组，其累计氮素渗漏率仅为32.65%，保氮效果很好。由图1可知，不同处理的N累计渗漏率随淋溶次数的增加呈明显增加的趋势且T1—T4曲线位置均显著低于CK，其第2次淋溶后对照组CK处理养分已基本淋出，曲线上升幅度逐渐变缓，最后趋于一条直线，T1—T4各处理呈明显增加的趋势，说明保氮效果很好。

图1 不同淋洗次数的渗漏养分量和累计渗漏率(%)

2.3 P淋溶特征

如图2所示，当复合材料重量占纯沙土10%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计磷素总量分别为3.80、2.41、3.06、3.51、3.84 mg，累计磷素渗漏率分别为1.72%、1.08%、1.38%、1.58%、1.75%；复合材料重量占纯沙土15%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计磷素总量分别为3.54、1.35、1.71、1.86、2.48 mg，累计磷素渗漏率分别为1.53%、0.57%、0.74%、0.80%、1.07%；复合材料重量占纯沙土20%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计磷素总量分别为2.55、1.40、1.31、1.54、1.82 mg，累计磷素渗漏率分别为1.06%、0.57%、0.53%、0.63%、0.71%。因为土壤有固磷能力，一般情况下，P在土壤中很难随水迁移，所以磷的淋溶损失量较N、K少。

图2 不同淋洗次数的渗漏养分量以及P渗漏总量及累计渗漏率(%)

从各组试验各处理渗漏养分量和累计渗漏率看，随着复合材料占纯沙土比例的增加，其保磷效果也相应增加，由高到低为T1、T2、T3、T4、CK。由图2(左)所知，所有复合材料和土壤P的渗漏总量都很小，除了10%T1—T4外，15%和20%组各处理相差不大，其中20%T2累计渗漏率仅为0.53%，说明复合材料20%T2处理有保磷效果，其保肥效果相近于15%T1、20%T1处理，两处理累计渗漏率皆为0.57%，10%T4处理淋失量最大为1.75%。由图2(右)所知，因为土壤有固磷能力会使P的流失量减少，所以各个处理累积渗漏率曲线位置较低，其中T1—T4处理曲线位置明显低于CK，不同处理的P的渗漏率随淋溶次数的增加呈明显增加的趋势，但各处理释放的养分远远低于CK处理，因为纯沙土疏松空隙比较大，CK通过前两次淋溶完后渗漏液中P全部检出，其后两次累积渗漏率曲线为一条直线。

2.4 K淋溶特征

如图3所示，当复合材料重量占纯沙土10%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计钾素总量分别为111.36、59.77、75.35、86.36、90.10 mg，累计钾素渗漏率分别为42.17%、22.62%、28.53%、32.71%、34.11%；当复合材料重量占纯沙土15%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计钾素总量分别为96.31、41.54、52.83、57.84、69.02 mg，累计钾素渗漏率分别为34.88%、15.04%、19.14%、20.95%、24.99%；当复合材料重量占纯沙土20%时，对照组CK和T1—T4处理渗漏液中的累计钾素总量分别为97.08、41.72、43.12、54.72、63.02 mg，累计钾素渗漏率分别为33.71%、14.46%、14.95%、18.99%、21.87%。

图3 不同淋洗次数的渗漏养分量以及K累计渗漏率(%)

通过各处理之间渗漏量和渗漏率的比较发现，10%～20%所有沙土(CK)累计渗漏量明显高于加入复合材料的任何一个处理组的累计渗漏量，复合材料中膨润土比例最高的20%T1保钾效果最佳，其累计渗漏率仅为14.46%，与20%T2、15%T1保肥效果差异不显著，总体上各组处理保肥效果依次为20%>15%>10%，CK通过前两次淋溶完后渗漏液中钾素全部淋出，所以其K累积渗漏率曲线为一条直线，T1—T4处理累积渗漏总量虽然较CK小，曲线位置始终低于CK，但在后3次淋溶时仍有钾素检出，说明复合材料在长时间内有保钾效果。

3 讨论

(1)从各处理的氮淋溶特征看，各组T1—T4处理的氮素累积渗漏量与渗漏率均低于CK，复合材料重量占纯沙土10%时，T1—T4处理渗漏液全氮渗漏总量较CK减少54.50%、49.79%、36.11%、24.50%。复合材料重量占纯沙土15%时，T1—T4处理渗漏液全氮渗漏总量较CK减少65.76%、48.44%、44.46%、28.13%。复合材料重量占纯沙土20%时，T1—T4处理渗漏液全氮渗漏总量较CK减少53.25%、48.40%、39.52%、28.77%，说明复合材料有防止N流失的作用，很显然随着复合材料占膨润土比例的增加，其保肥效果也相应增加，由高到低为T1、T2、T3、T4、CK，这与姚璐[19]研究结果一致；复合材料重量占纯沙土10%的T1处理累计渗漏率为42.72%，复合材料重量占纯沙土15%的T1处理累计渗漏率为32.65%，但复合材料重量占纯沙土20%的T1处理累计渗漏率为46.47%，其保肥效果反而有所降低，其原因在于复合材料重量占纯沙土20%时膨润土量比较大，通过吸水膨胀，其后随水分蒸发体积逐渐缩小，在复合材料内部留下很多孔洞与裂隙，部分水分顺着之前形成的孔隙流失。鞠建英[20]研究表明在劣质土壤中膨润土占土壤的9%，其效果最佳。超过此值可能出现膨润土板结情况，导致渗漏水分越多，流失的养分越多。

(2)在复合材料重量占纯沙土10%、15%、20%3组中，T1—T4各处理的P、K淋溶特征来看，由于土壤对磷元素有固定作用，可溶性化学磷肥施入土壤后，快速转变为不溶性或缓效磷，被土壤固定。所以磷的淋溶损失量较N、K少，复合材料重量占纯沙土10%、15%、20%各组中随着复合材料中膨润土比例的增加，其保P、K效果也相应增加，由高到低为T1、T2、T3、T4、CK。其中20%T2累计渗漏率仅为0.53%，说明复合材料20%T2处理有保磷效果，10%T4处理淋失量最大为1.75%，但由于土壤对磷元素有固定作用，现代农业生产中需提高磷的利用率，促进磷的释放，且10%T4处理膨润土含量占全土5%，有研究[2]认为膨润土用量在5%以上，会使投入成本加大，经济效益下降，膨润土在沙土的最佳经济施用量控制在耕层土壤总重量为5%为最佳。综合考虑，若要提高磷的利用率，促进磷的释放，建议选择10%(T4)为最佳经济施用量。

4 结论

(1)对基本理化性质数据测定结果表明，膨润土与甘草渣按重量比混合后形成的复合材料能克服二者各自缺点、实现优势互补。复合材料的EC值较膨润土有大幅降低，满足EC<2.6 mS/cm的标准，对各种作物均无害[19]；膨润土复合材料pH呈中性，适宜直接栽种作物。

(2)养分淋溶试验表明，膨润土-甘草渣复合材料具有良好的养分调控能力，随着复合材料中膨润土比例的增加，其保肥效果也相应增加，由高到低为T1、T2、T3、T4、CK。其中复合材料重量占纯沙土15%T1处理(膨润土与甘草渣重量比为1∶1)保氮保钾效果最佳；20%T2处理(膨润土与甘草渣比例为1∶1.5)保磷效果最佳。

(3)当膨润土含量占纯沙土7.5%～8%时，其保肥效果最佳，超过此范围，膨润土由于吸水膨胀、失水收缩的特性，造成土壤板结，影响植物吸水，不利于植物正常生长。