增施不同矿物材料对土壤水肥的影响研究*

张宝强 ，魏 样

（1.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；2.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；4.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075）

保持良好的耕地质量是保障农作物优质高产的基本条件。我国秦岭新增耕地的耕层浅薄、养分贫乏、水源不足、熟化度低。为了改变其现有的土壤水分肥力不足现象，改良土壤的生产和生态环境功能，在秦岭新增山地耕地中通过添加不同类型矿物材料来改变土壤质量。环境矿物材料有着独特的晶体结构和优异的物理化学性能，其不仅能够改善土壤的结构和酸碱度，同时也能提升土壤的保水保肥性能，而且其储量较为丰富，来源广泛，价格低廉，使用后不会产生二次污染，对土壤环境有着一定的修复作用。因此，有效合理地利用环境矿物材料改良土壤具有良好的经济效益和环境效益。环境矿物材料之所以能有效地改良土壤，与其特殊的晶体结构和表面的吸附性、膨胀性、离子交换性和酸碱性等有关[1]。在19世纪末，国外开展了土壤改良的研究与应用[2]。而国内对土壤改良的研究起步较晚，能够用于土壤改良的环境矿物材料的种类也较少，目前仍处于发展阶段。因此，我国的研究者需要加强对环境矿物材料改良土壤的研究与应用[1]。膨润土是一种分布较为广泛的非金属矿产，蒙脱石是其主要的矿物成分。一般土壤的阳离子交换量为5-30cmol/kg，大部分的土壤为10-20cmol/kg[3]，膨润土的阳离子交换量在50-90cmol/kg，膨润土的吸水率高达100%-240%。因此，膨润土具有较高的阳离子交换量和较强的保水能力，对提高土壤的水肥力具有良好的效果[4]。沸石在我国是一种分布较广的非金属矿产，黑龙江、辽宁、吉林、内蒙古、山东、河北、河南、浙江、广西等省份均有分布，作为一种多孔状的碱金属和碱土金属的硅铝酸盐矿物，其是由硅氧四面体、铝水四面体组成的格架构造硅酸盐。此结构形成了可为阳离子和水分子占据的大晶穴，较大的移动性可有效地进行阳离子交换和可逆脱水[5-7]。坡缕石又名凹凸棒石，是一种富含水镁的硅酸盐黏土的非金属矿物，坡缕石具有特殊的纤维结构，同时具有不同寻常的胶体和吸附性能，所以被广泛利用[8-9]。

本研究选用膨润土、沸石、坡缕石三种不同的矿物材料作为秦岭山区新增耕地质量的改良材料，通过按照一定的比例进行添加，测定不同深度土壤氮、磷、钾的含量，从而得到适合提升土壤质量的不同矿物材料添加量。

1 研究材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018年3-6月在陕西地建秦岭野外监测中心站温室进行，其位于陕西省宝鸡市眉县东南部，试验地属于温带大陆性季风气候，海拔约700m，年均气温为13℃，年降水量600mm左右，试验所用供试土壤为秦岭山地的粉砂质壤土。土壤的理化性质为pH7.7、全氮含量为0.48g/kg、有效磷为22.2mg/kg、速效钾含量为149.18mg/kg、有机质含量为10.08g/kg、铵态氮含量为5.08mg/kg、硝态氮含量为46.30mg/kg、土壤容重为1.517g/cm3、土壤含水率为6.89%。加入供试材料前，对试验田进行统一处理，加入的肥料为有机肥、尿素、磷酸二铵、硫酸钾，加入的量如表1所示。

表1 试验施肥量

1.2 试验设计

本试验采用温室田间小区试验，供试矿物材料有三种：沸石、坡缕石（凹凸棒）、膨润土。共设3个处理，每个处理3个水平，CK为对照，共10个小区，不同矿物材料在每个小区的添加量如表2所示。使用搅拌机将每个小区所添加的肥料和矿物材料搅拌均匀，每个小区的面积为4m2，规格为2m×2m，每块小区之间留0.2m的过道供试验行走，试验布置如图1所示。

表2 试验设置

图1 试验小区布置图

1.3 土壤养分指标的测定

作物种植前后用土钻（0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm）采集土壤样品测定土壤水分和容重，同时利用风干后的土壤测定其速效钾、有效磷、全氮。其中土壤水分采用烘干法，容重采用环刀法进行测定，速效钾使用中性乙酸铵溶液浸提、火焰光度计法测定，有效磷使用紫外分光光度计测定，全氮采用凯氏法进行测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel2010软件进行数据的处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率变化

由图2-图4可知，在相同的灌溉条件下，土壤中添加不同的矿物材料沸石、坡缕石（凹凸棒）、膨润土后，相比于对照试验，添加沸石、膨润土后不同深度土壤含水率的变化较为明显，随着沸石和膨润土添加量的增加，土壤含水率也随之不断增加，每个小区沸石和膨润土添加量在最大1200g时，0-30cm和0-60cm不同深度的土壤含水率相比于对照分别增加了29.05%、48.15%和66.43%、45.98%。添加坡缕石的试验小区含水率表现出少量添加量时含水率增加明显，随着添加量的增加，不同深度含水率的增加量逐渐降低[10]。

图2 不同添加量的沸石处理下含水率变化图

图3 不同添加量的坡缕石处理下含水率变化图

图4 不同添加量的膨润土处理下含水率变化图

2.2 土壤全氮含量的变化

土壤中不同形态氮素的总和即为土壤的全氮。包括有机态和无机态的氮，但不包括土壤中空气分子所含的氮。土壤中全氮的含量会伴随着土壤深度的增加出现降低的趋势。土壤中全氮的含量是处于动态变化之中的，它的变化主要受氮的相对累积和消耗量的影响，受土壤有机质的生物积累和水解作用尤为明显[11-12]。图5-图7为添加不同的矿物材料沸石、坡缕石（凹凸棒）、膨润土后土壤全氮含量的变化，在施加沸石后随着施加量的增加全氮的含量表现出了较小的增加，且增加不是很明显。在施加坡缕石、膨润土后，土壤全氮含量的变化无显著性差异。

图5 不同添加量的沸石处理下全氮含量变化图

图6 不同添加量的坡缕石处理下全氮含量变化图

图7 不同添加量的膨润土处理下全氮含量变化图

2.3 土壤速效钾和有效磷含量的变化

土壤中磷和钾是比较重要的两种元素，作为植物生长发育的两种主要营养元素，土壤中的钾和磷元素是植物吸收的主要来源。不同的粘土矿物材料对土壤中的磷和钾都具有一定的活化和增加肥效的作用。速效磷和速效钾可使植物当季从土壤中吸收磷、钾养分元素。有研究发现，沸石添加后可使土壤速效钾含量平均提高20%，且施肥处理下的土壤添加一定量的沸石使得速效钾含量比不施肥有所提高[13]。从图8可以看出添加沸石处理后，速效钾含量在0-30cm和0-60cm深度处，F1处理和对照相比无明显差异性，而F2和F3处理与对照相比速效钾的含量增加明显，在0-30cm速效钾含量分别增加了36.56%和50.01%，0-60cm的含量分别增加了39.50%和42.70%。由此说明，F1处理下的沸石添加量对土壤速效钾的影响可忽略[14]。从图9可以看出在添加坡缕石后，在F4和F6处理下，速效钾相比F0有一定的增加，但0-30cm和0-60cm深度处F5处理下速效钾含量相比F0处理表现出了稍许下降。在添加膨润土后，图10中F7相比F0未有明显变化，F8和F9处理下都比F0有所增加，但F9比F8处理下速效钾含量低。

图8 不同添加量的沸石处理下速效钾含量变化图

图9 不同添加量的坡缕石处理下速效钾含量变化图

图10 不同添加量的膨润土处理下速效钾含量变化图

速效磷作为评价土壤肥力的重要元素之一，其不仅反映了磷元素在土壤中的变化规律，同时也反映了土壤对种植作物提供肥力的水平。由图11-图13可知，在添加沸石、坡缕石、膨润土后，处理 F0、F1、F2、F3 之间的变化明显，随着沸石添加量的增加，不同深度下土壤有效磷含量随之规律性增加。添加坡缕石后土壤有效磷的含量整体呈现出了增加的现象，但在0-30cm深度F4、F5处理下有效磷含量变化不明显，同样在0-60cm深度有效磷含量的变化规律与0-30cm深度基本一致。

图11 不同添加量的沸石处理下有效磷含量变化图

图12 不同添加量的坡缕石处理下有效磷含量变化图

图13 不同添加量的膨润土处理下有效磷含量变化图

3 结论

本研究的结果表明，添加不同矿物材料与肥料配施的情况下可以有效提高土壤含水率，在添加沸石和膨润土后，随着添加量的增加含水量也呈现出规律性增加。矿物材料对土壤含水率的影响主要是因为其具有较大的比表面积和孔体积，能够有效保持土体内的水分、提高土壤中水分的可利用率。不同矿物材料与肥料的配施对土体内全氮含量的影响较小，施加沸石后随着添加量的增加速效钾的含量也增加，坡缕石和膨润土对速效钾含量的影响不明显。有效磷的含量受沸石和坡缕石的影响较为明显，在施加不同量的沸石和坡缕石时土壤速效钾含量也随之增加，随着膨润土添加量的变化有效磷也呈现规律性变化。