改良剂结合羽毛发酵液施用对吹填土的改良效果

梅 婷，李 洋，宋天顺，谢婧婧

(南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211800)

吹填土是人类吹填造陆地，挖掘海底淤泥而形成的，是具有高黏度和高盐度的沉积物[1]，其不属于自然土壤，被视为一种人工土壤。吹填土的形成过程与人类活动有着密切的联系。海泥吹填土作为特殊性土壤，其可塑性指数大，颗粒主要以细粒为主。从一般意义上讲，吹填土不具备一般绿化用土的结构和理化性质，其肥力也不能使植物正常生长，因而更多人称其为滨海潮滩盐土[2]。

国内外对吹填土改良利用的研究大多集中于港口建设和环境影响等方面。但由于吹填土的含水量大，在短时间内构成的地基强度很小，而长时间又不能作为建筑搭建的地基。并且这种地基通常需要进行强化处理，相关的软基加固的理论技术也还需要精进[3-5]。实际上，吹填土由于吹填前被深埋海底，富含有机质,有研究证明其在一定条件下有利于植物生长[6-7]。作为绿化土壤，吹填土具有许多缺陷，它的含盐量远超过了一般植物的耐盐极限，质地黏重且易板结，不利于植物透气，无法进行正常脱盐[8-9]。尹建道等[10]利用土柱淋洗进行单因素实验，改善了吹填土的通透性，发现单独掺拌麦糠以体积比为20%最佳，电导率在前40 h下降迅速，吹填土的结构性质得到了显著改善，通透性也明显提高。柯丽丽等[11]研究了不同废弃改良物比例的掺拌对吹填土的改良作用，实验结果表明：当吹填土、海砂和电石渣以0.55∶0.40∶0.05 的质量比掺拌时为最佳，混合掺拌后的吹填土具有较好的通透性，淋洗脱盐结束后，也没有出现碱化现象，但是脱盐的吹填土，由于营养物质含量的不足，还需进一步改良，以提高绿化植物的生长。

脱盐的土壤作为绿化用土仍有缺陷，故本实验选用了3种实验室购买或制备的肥料(泥炭、微生物菌肥和氨基酸等)来进行后续盆栽实验。其中，泥炭作为一种常见的有机肥而为人们所用，它是一种由分解的有机残体长期积累起来的物质，由于其丰富的有机质含量因而可被作为土壤肥料[12]；微生物菌肥富含丰富的活菌，能培肥土壤，改善土壤的理化性质而被作为生物肥料[13]；氨基酸作为一种有机氮源可以被作物直接吸收利用[14-15],因而氨基酸肥也常作为人们的研究对象。氨基酸肥富含多种营养,不但吸收快,且没有传统施用化肥所产生的残留问题，还可以提高作物的产量、质量和抗逆性等[16]。本文采用羽毛降解后的产物直接作为氨基酸肥料，羽毛含有20种氨基酸[17]，经微生物法降解后，仍含有丰富且较为全面的氨基酸，施加氨基酸肥不会导致土壤累计无机氮，且氮循环的效益更显著[18]，同时避免了大量废弃羽毛对环境的污染。

本研究针对吹填土高黏度和高盐度的特性，以稻壳和蛭石为物理改良剂，来增强吹填土脱盐的效果，并进一步以羽毛发酵后的氨基酸肥来改良洗盐后的吹填土，从而提高其可植性及肥效，以期为吹填土的资源化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验土壤来源于江苏省连云港沿海吹填土，土样于阴凉通风处干燥，粉碎后过2 mm筛，并进行基本理化性质的测定；稻壳来源于连云港市普通农业废弃物；蛭石为供园艺种植使用的蛭石；泥炭来源于江苏逸高园艺；微生物菌肥使用的菌株，来源于农田中分离筛选而出的1株高效解磷菌X-P18，经鉴定为贝莱斯芽孢杆菌[19]；氨基酸发酵液制备使用的菌株为本实验室从长期堆积腐烂鸽毛的土壤样品中筛选出的1株高效羽毛降解菌X-Y4，经鉴定其为产吲哚金黄杆菌。

1.2 实验设计

1.2.1 土柱实验

土柱实验装置由厚度为2 mm的亚克力透明玻璃管制成，土柱内径为8 cm，高度为80 cm，上下通透，底部用纱布包裹，土柱下方放置有承接滤出液的器皿。实验时，将土柱分成3部分，底部10 cm为滤液层，填入洗干净的碎石子；中间40 cm为填土区；上部为灌水区(图1)。填土区的土壤除对照组(CK)外分别经过以下5种不同的处理方法：1)掺拌质量分数为3%稻壳；2)掺拌质量分数为4%稻壳；3)掺拌质量分数为5%稻壳；4)掺拌质量分数为3%稻壳和质量分数为5%蛭石；5)掺拌质量分数为4%稻壳和质量分数为4%蛭石。组别分别记为D1、D2、D3、D4和D5。填土区所用土壤质量为3 kg。在土样上方加入1 L水进行自然渗透，待水面落干进行第二次灌水。2次淋洗结束后，对土柱内的土壤进行风干过筛，再进行各种理化性质的测定。

图1 土柱实验装置Fig.1 Soil column experimental device

1.2.2 盆栽评估实验

1.2.2.1 羽毛发酵液的制备

种子培养基(L)：酵母浸粉5 g，蛋白胨 10 g，NaCl 1 g。

发酵培养基(L)：废弃羽毛 10 g，K2HPO41 g，KH2PO40.4 g，NaCl 1 g。

表1 实验用吹填土的理化性质

将羽毛高效降解菌X-Y4涂布或划线挑单菌落接种于20 mL种子培养基中，培养至OD600为0.8。以1%接种量接种于发酵培养基中，30℃、150 r/min振荡培养3 d。发酵液经8 000 r/min离心后，上清液即为羽毛发酵液原液，发酵液中游离氨基酸总含量达到550 mg/L，天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)和酪氨酸(Tyr)质量分数最高均超过10%，将其置于4℃冰箱保存。

1.2.2.2 生物炭基微生物肥料的制备

LB培养基(L)：酵母浸粉5 g，蛋白胨 10 g，NaCl 1 g。

将解磷菌X-P18活化后，以10%接种量接种于含有100 mL LB液体培养基的250 mL锥形瓶中，于恒温摇床中连续振荡培养，培养结束，直接加入一定量的无菌生物炭，在恒温摇床中负载6 h。负载结束后，取出锥形瓶，室温静置。静置后直接倒去上清液，加入质量分数4%的海藻糖作为保护剂，将锥形瓶中生物炭取出，置于玻璃培养皿上，烘干，干燥透气后保存待用。

分别将原吹填土、普通土壤和D5改良后的土壤风干粉碎，各取400 g分装于盆栽中，每盆盆栽播种10颗小白菜种子，其上再覆一层薄土，早晚浇水50 mL。种子发芽后，间苗至2颗。以D5改良后土壤为空白对照组，添加3种不同的肥料。其中，T1组为添加30 g泥炭，T2组为添加30 g生物炭基微生物肥料，T3组为每7天早晚施加50 mL羽毛发酵液。30 d后收获。

1.3 测定方法

处理好的土样按1∶ 5(质量比)土水比浸提，测定其电导率(EC1∶ 5)、盐度和pH。EC1∶ 5和盐度采用DDSJ-308A型电导率仪测定；pH采用pHs-3C型pH计测定；容重采用环刀法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用NaHCO3法测定；有效钾采用醋酸铵-火焰光度计法测定。小白菜干质量于80 ℃烘干至恒质量后测定[20]。

2 结果与分析

2.1 吹填土的理化性质

实验所用吹填土的理化性质见表1。由表1可知：实验所用的吹填土为高含盐量((20.5±0.6) g/kg)、pH较高(8.49±0.12)的盐碱土。吹填土的含盐量严重超过了一般园林植物的耐盐极限(3 g/kg)[21]。大量的盐分会导致土壤结构性质的恶化：土壤黏重且易板结，土粒较小通气性能差，植物无法存活；同时较大的盐分还会导致土壤溶液的渗透压过大，阻碍植物根系吸收水分，从而导致生理性干旱和其他一系列的严重后果，这是影响植物种植的主要限制因素[22-23]。同时，土壤的容重较高((1.22±0.05) g/cm3),为典型的黏质土，这种土壤过于紧实、不易透气。土壤中的有机质、氮、磷、钾含量是植物生长的必要营养元素，在吹填土中，除受海水影响，有效钾含量((1 704.2±9.69) mg/kg)过高外，其中的有机质含量((12.5±0.25) g/kg)，碱解氮含量((64.4±2.26) mg/kg)和有效磷含量((29.01±0.69) mg/kg)都处于较低水平，这很不利于植物种植。

2.2 不同处理条件下淋盐效果的对比分析

淋盐过程中不同处理条件下的湿润锋动态变化见图2。由图2可知：淋盐时前期渗透速度较快，后期逐渐缓慢，在相同的时间内，对照组(CK)润湿距离最短，D3组最长，可能由于土壤浸水膨胀后，阻碍了水分的渗透。从图2还可以看出：掺拌物的添加，提高了土壤的渗透性。经处理的D1、D2、D3、D4和D5组土壤入渗速率分别是对照组的0.81、4.71、39、1.43和12.33倍。添加掺拌物后，入渗速率最慢的为D1组，由于D1组显然不适合进行吹填土的洗盐，因此，以下主要探究其他处理方案对盐分的淋洗。从单一掺杂稻壳来看，稻壳掺杂得越多，水分的入渗速率越快。稻壳由于其粒径较大，可以改变土粒结构，增加孔隙度，加强通气透水性，进而提供灌水脱盐的效率。与D1组相比，D4组的入渗速率为其1.34倍；与D2组相比，D5组入渗速率为其2.33倍。说明蛭石的添加一定程度上也能提高入渗速率，同时蛭石良好的阳离子交换性和吸附性也能帮助洗盐。

图2 不同处理条件下的湿润锋动态变化Fig.2 Dynamic changes of wettingfront under different treatment conditions

淋洗前后含盐量的变化见图3。由图3可知：淋洗后的土壤含盐量均有所降低，除D3组外，淋洗后土壤的盐度均降至0.3%以下。去盐效率为90.24%(D2、D4组)>88.75%(D5组)>75.81%(D3组)。D3组洗盐效率较低是由于添加的掺拌物过多，水分迁移过快，土壤中的盐分还未完全溶解便被淋洗下去，同时由于添加过量的稻壳中和了吹填土的盐度，导致它的初始盐度较低。由此可知：掺拌物的含量过多会导致洗盐不充分，过少又无法改善土壤的通透性。因而，需要确定合适的改良物添加量。

图3 淋洗前后土壤含盐量的变化Fig.3 Changes in soil salinity before and after leaching

2.3 淋洗前后土壤容重的变化

土壤容重是土壤重要的理化性质，它不仅影响土壤孔隙度、土壤的穿透阻力及土壤水肥气热变化，而且会影响植物根系在土壤中的活性大小[24]。通常，土壤容重越小，表明土壤越疏松，结构越良好，越有利于土壤水、肥、气、热状况的调节和植物根系的活动。淋洗前后土壤容重的变化见图4。由图4可知：处理淋洗后土壤的容重由1.22 g/cm3分别降低至0.97 g/cm3(D2组),0.88 g/cm3(D3组),0.96 g/cm3(D4组)和0.85 g/cm3(D5组)，其中D5组改良后的土壤容重降低了30%。说明纯稻壳在改良情况下，稻壳添加越多，容重越低；而蛭石的添加对容重降低的影响较小。

图4 淋洗前后土壤容重的变化Fig.4 Changes in soil bulk density before and after leaching

2.4 淋洗前后土壤养分的变化

本实验采用了测定有机质、碱解氮、有效磷和有效钾的含量来判断土壤肥力。淋洗前后土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾的改变见图5。由图5(a)可知：有机质含量有所提升，其中D3组最为明显；由图5(b)可知：碱解氮含量均有所降低，其中D5组无明显降低；由图5(c)和(d)可知：有效磷、钾也有所上升，其中D5组含量最高，有机磷含量提高了18%，有机钾含量高了12%。实验结果表明：蛭石的添加有助于提高有效磷、钾的含量，稻壳和蛭石的添加也均能提高有机质的含量。有机质的增加主要是由于稻壳的添加，稻壳本身具有较高的有机质含量，碱解氮含量的降低可能是由于淋盐过程中将可溶性氮淋洗下来。稻壳的添加对有效磷、钾的变化不大，而蛭石由于其良好的阳离子交换性和吸附性，以及富含营养成分的特征[25]，使得添加了蛭石之后能提高有效磷、钾的含量。

图5 淋洗前后土壤有机质、碱解氮、有效磷和有效钾的改变Fig.5 Changes of soil organic matter, alkali hydrolyzable nitrogen, available P and available K before and after leaching

通过淋洗后洗盐效率、土壤pH、容重和养分的变化，选择D5组为最佳的改良剂比例。它能够使土壤拥有良好的渗透性，同时保持较高的洗盐效率。经过处理的D5组，土壤的碱化程度也较低。在土壤养分变化中，也能有效提高有机质、有效磷、钾的含量，从而有利于植物的栽种。

2.5 盆栽评估实验

使用最好的D5组改良后的吹填土进行盆栽实验。盆栽用土的理化性质见表2。由表2可知：与普通土壤相比，改良后的土壤仍有较高的pH和含盐量,可能会抑制小白菜的生长。经处理后的T1组增加了土壤的有机质含量。经处理后的T2组由于所用菌株为高效的解磷菌，土壤中有效磷含量明显升高，碱解氮、有机质在一定程度上也有所提高。经处理后的T3组土壤pH得到了有效的降低，同时增加了土壤中碱解氮的含量。

表2 盆栽用土的理化性质

盆栽试验中不同处理条件下，小白菜的生长情况见表3。由表3可知：未经淋洗的吹填土中，小白菜不能发芽生长。淋洗后的土壤降低了土壤的盐度和容重，利于小白菜的生长，然而与普通土相比，仅通过淋洗改良的土壤也不能使小白菜正常生长，通过各种肥料的施加，小白菜的生长情况有所改善。实验组T1、T2、T3的株高分别高出D5组0.7%、21.36%、41.11%；T1、T2、T3组的鲜重分别高出D5组63.51%、122.97%、283.78%。T2、T3组的株高与鲜重与D5组相比，达到显著差异水平(P<0.05)。经处理后，T1组主要增加了土壤的有机质含量，在一定程度上提高了小白菜的生物量，但有机质的增加并不是使小白菜能够正常生长的主要原因。因为生物炭可以提高土壤保水保肥的能力，同时有利于土壤微生物附着生长繁殖，影响了土壤养分[26]，从而增加了T2组植物的生物量。但是不难看出，3种不同的有机肥料中羽毛发酵液对小白菜生物量提高最多。小白菜生物量的有效提高除了由于为其生长提供了有效的营养成分外，还有可能是因为羽毛发酵液中含有的游离氨基酸，中和了土壤的pH,使土壤更适合小白菜的生长。圣亚男等[27]发现喷施1 000倍氨基酸水溶肥后，生菜的叶片数增加了24.93%，增产27.89%。魏启舜等[28]施加一定浓度的羽毛生物降解氨基酸肥证实了低温期能促进草莓株高，株茎生长，同时能提高草莓果实品质。因此，羽毛发酵液的施加可以有效提高盆栽作物的生物量。同时，有研究也表明，氨基酸类物质作为一种植物生物刺激素，能显著提高植物耐盐性，缓解盐胁迫对植物生长发育的抑制程度[29]。从表3还可以看出：使用羽毛发酵液进一步改良后的土壤小白菜生长还是要差于普通土壤种植的水平，因而未来还需对于羽毛发酵液的施加方式、施用量和施用频次进一步优化，以更好促进小白菜的生长。

表3 盆栽试验中不同处理条件下小白菜的生长情况

3 结论

通过开展掺拌不同物理改良剂(稻壳和蛭石)对灌水脱盐土的实验表明：稻壳由于其粒径较大，可以改变土粒结构，增加孔隙度，加强通气透水性，掺杂越多洗盐速度越快，容重越小；而蛭石由于良好的阳离子交换性和吸附性，能提高有效磷、钾的含量。质量分数4%稻壳和4%蛭石联合使用可提高土壤的渗透性，提高土壤的脱盐速率，洗盐效率为88.75%，容重降低了30%。有效磷含量提高了18%，有效钾含量提高了12%。废弃稻壳的使用实现了农业废弃物的有效利用。进一步将羽毛发酵液添加到洗盐后的吹填土中，通过盆栽实验证明：洗盐后的土壤能够进行作物的栽种，而限制作物生物量的关键性因素为pH和盐胁迫。羽毛发酵液的添加能够显著增加作物的生物量，小白菜株高提高了41.11%，鲜重提高了283.78%。本实验采用废弃物稻壳和羽毛发酵液联合使用的方式，极大提高了吹填土栽种作物的有效性，为吹填土的绿化改良提出了高效廉价的方法。