膨润土对风沙土理化性质及苏丹草生长的影响

马迪乃·阿布力米提，张勇娟，王 莉，赵 力，李从娟

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049；3.乌鲁木齐市园林绿化工程质量监督站，新疆 乌鲁木齐 830017；4.新疆维吾尔自治区草原总站，新疆 乌鲁木齐 830049；5.国家林业和草原局西北调查规划设计院旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 710049）

新疆是我国沙漠化土地面积分布最广的区域，由于特殊的自然条件和人类活动的共同作用，土壤侵蚀退化日趋严重，沙漠化区域风沙土持水保肥能力下降，土壤质量日趋低下，造成植被日趋稀少［1-2］。因此，提高风沙土保水能力、改善风沙土土壤结构对沙漠化地区农牧业经济可持续发展、以及生态系统结构和功能的改善至关重要，施用土壤改良剂是加快该进程的重要措施［3-4］。大量的研究表明，土壤中黏土含量可以显著提高土壤水分、土壤酶活性、及土壤肥力等［5-8］。Zhang 等［5］研究表明，土壤黏土的微观结构特征与其土壤-水分保持曲线有着密切的关系。Ismail等［6］研究发现，黏土添加不仅节约了约45.0%～64.0%的灌溉用水，还使黄瓜和玉米的产量提高了2.5倍。另外，土壤中添加黏土，可以提高土壤对营养的保释作用［7］，改善土壤微生物环境，提高植株净光合速率，促进根系生长［8］。因此，使用黏土材料改良风沙土结构及保水能力被认为是一种行之有效的方法［9］。

膨润土作为一种天然黏土，是以蒙脱石为主要成分的硅酸盐类矿物，具有较高的阳离子交换量，其独特的晶体结构具有良好的吸水膨胀、蓄水保水能力，加之其良好的黏结特性及环境友好性，有利于重塑风沙土土壤结构［10-12］。腐殖酸是一种天然有机高分子化合物，是土壤有机质的主要组成成分，具有改良土壤、增效肥料、促进作物生长等功能［13-14］。有机肥是植物生长所需的关键营养物质，对于改善植物生存微环境有重要作用［15］。以往有关土壤改良的研究大都集中在膨润土对腐殖酸、有机肥等土壤肥力保持的作用，或者关注于有机肥、腐殖酸某一因子对土壤肥力提升的作用上，很少有关于膨润土与腐殖酸、有机肥等有机质相结合对土壤理化性质及植物生长的影响，尤其是在沙漠化区域的风沙土中。因此，本实验以古尔班通古特沙漠风沙土为研究对象，通过在风沙土中添加不同质量分数、不同膨润土与有机肥、腐殖酸组合的改良剂，分析其对风沙土理化性质（pH、电导率、保水率、容重、渗透系数、田间持水量）以及植物发芽率与生物量的影响，结合风沙土结构扫描电镜（SEM）观察，浅析膨润土在风沙土改良中的作用及机理，进而为沙漠化地区的风沙土改良及植被恢复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料选择

本研究盆栽实验以一年生高粱属禾本科草木植物苏丹草（Sorghum sudanense）为研究对象。苏丹草具产量高、耐干旱、营养价值高、生长速度快、再生能力强等特点[16]。盆栽所用风沙土取自古尔班通古特沙漠中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站西南侧（45°07＇11″N，86°00＇56″E）流动沙丘，取样深度0～20 cm，其粒径分析如表1所示，主要以细沙为主，其中粒径在0.05～0.25 mm，粒径占比达61.4%。风沙土有机质含量为1.5 g·kg-1、全氮含量为0.1 g·kg-1、全磷含量为0.3 g·kg-1、有效氮含量为6.0 mg·kg-1。本实验使用的膨润土部分物理性质如表2所示。有机肥是植物通用型花木果蔬优质有机肥。腐殖酸购自安琪酵母股份有限公司。

表1 试样用土粒径分布Tab.1 Particle size distribution of test soil

表2 膨润土物理性质Tab.2 Physical properties of bentonite

1.2 试验设计

本研究共设置17 组处理，分别为纯风沙土（CK）、纯膨润土（B）、膨润土+有机肥（BF）、膨润土+腐殖酸（BA）、膨润土+有机肥+腐殖酸（BFA），除CK处理以外，其余处理均设置4 个梯度（表3）。其中B、BF、BA、BFA 4 个组合中膨润土添加量均为沙土质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，BF组合中有机肥添加量为沙土质量的1.0%，BA组合中腐殖酸添加量为沙土质量的0.5%，具体配比如表3所示。每个梯度设置了5个重复。采用室内盆栽控制试验，植物生长期内平均室温设定为22 ℃，平均湿度设定为40%。盆栽试验所采用盆高20.0 cm，盆口直径15.0 cm，盆底直径13.5 cm。于2021年10月27日播种，每盆播种10粒，播种后覆土0.5～1.0 cm，初次浇水使土壤含水率为土壤饱和含水量的80%。往后每10 d补一次水，使其达到土壤饱和含水量的80%。期间每日监测植物发芽情况直至发芽率不再变化。平均株高大于5 cm 时，每盆定植2株健壮、一致的幼苗，在植物生长30 d后收获植株并测定其生物量，随后采集种植盆中的土壤用于土壤理化性质分析。

表3 不同处理物料配比Tab.3 Ratio materials of different treatments

1.3 土壤分析

土壤理化性质的分析方法采用《土壤农业化学分析方法》［17］和《土壤物理性质测定法》［18］中的标准方法。土壤pH 和电导率采用电位法（土水比1:5），分别利用PHSJ-5 实验室pH 计和DDS-307 电导率仪测定；土壤容重、土壤总孔隙度和土壤渗透系数用环刀法测定；田间持水量，即土壤最大持水量采用威尔科克斯法测定；土壤含水率，即土壤质量含水率用称量法测定；植物生物量的测定：将收获植株用去离子水洗净，擦干表面水分，测定植株鲜重。

1.4 扫描电镜分析

将风沙土与质量分数为2.0%的膨润土均匀混合后，并给质量分数为20%的水分，在室内自然风干4 h后，在105 ℃条件下烘干12 h，等样品冷却后，利用Zeiss Supra55 VP 型扫描电镜观察膨润土与风沙土结合下的风沙土物理结构。

1.5 统计方法

本试验采用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理及数据分析；采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）对风沙土土壤含水率、pH、电导率、容重、总孔隙度、渗透系数、田间持水量、苏丹草发芽率和生物量进行分析，运用最小显著差异（LSD）对其进行检验；采用Origin 2022b软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同膨润土处理对风沙土理化性质影响

2.1.1 土壤保水能力不同添加材料处理风沙土含水率对比如图1所示。浇水后的第3 d，各处理含水率与CK 不存在显著差异（P＞0.05）。第6 d 时，除了BFA4 的土壤含水率较CK 下降了11.9%，其余处理的含水率均与CK没有显著差别（P＞0.05），BA4的含水率较B1、B4、BF4 分别显著下降了10.0%、7.0%和8.1%（P＜0.05）。第9 d时，B1、B4和BF4的含水率较CK 的含水率分别显著升高20.2%、21.9%和19.4%（P＜0.05）。

图1 不同处理土壤含水率对比Fig.1 Comparison of soil moisture content in different treatments

2.1.2 土壤理化性质添加膨润土（B＞0.5%）显著提高了风沙土的pH（P＜0.05）（图2a），BF、BA和BFA的添加没有显著改变风沙土的pH（P＞0.05）。沙土中添加BA和BFA显著提高风沙土的电导率（图2b）（P＜0.05）。由表4 可知，风沙土中添加B，随着添加量由1.5%增至2.0%时，盆栽土壤容重显著下降9.9%～11.1%（P＜0.05），总孔隙度显著增加11.7%～13.1%（P＜0.05），渗透系数显著降低56.7%～73.3%（P＜0.05），田间持水量显著增加15.4%～16.1%（P＜0.05）；而在其余处理中，随着B 添加量由1.0%增至2.0%时，容重显著下降4.6%～14.5%，总孔隙度显著增加6.8%～19.4%，渗透系数显著减小60.0%～80.0%，田间持水量显著增加18.2%～36.6%（P＜0.05）。

图2 盆栽风沙土pH和电导率对比Fig.2 Comparison of pH and conductivity of potting aeolian sand soil

表4 不同处理对土壤物理性质的作用Tab.4 Effects of different treatments on soil physical properties

2.2 不同膨润土添加对苏丹草发芽及生长影响

不同膨润土添加处理对苏丹草的发芽及生长状况的影响不尽相同（图3）。由图3a可知，添加B，苏丹草的发芽率较CK提高了6.7%～26.7%。BF（B＞1.0%）处理中，发芽率提高了13.3%～33.3%；添加BA，当膨润土添加量较小（B=0.5%）时，发芽率增加6.7%，膨润土添加量由1.0%增至2.0%时，发芽率下降26.7%～40.0%；尤其是在BFA中，植物发芽率下降20.0%～40.0%。由图3b可知，风沙土中添加B，苏丹草生物量增加13.5%～16.5%；添加BF，生物量增加1.5%～8.6%；添加BA（B=0.5%），生物量增加了1.4%；B 添加量由1.0%增至2.0%时，减小了22.5%～41.1%；而在BFA添加后，生物量显著减小了33.0%～61.8%（P＜0.05）。

图3 不同处理条件下苏丹草发芽率和生物量Fig.3 Emergence rate and biomass of Sorghum sudanense under different treatments

2.3 膨润土对风沙土理化性质及植物生长的影响

由图4a 可知，膨润土与土壤pH、电导率、田间持水量呈显著正相关（P＜0.05），与土壤总孔隙度呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤容重和渗透系数呈极显著负相关（P＜0.01）；有机肥与土壤pH呈极显著负相关（P＜0.01）；腐殖酸与电导率和田间持水量呈极显著正相关（P＜0.01）。由图4b可知，膨润土添加作用下的风沙土理化性质可以解释苏丹草生长状况53.165%的变异，其中苏丹草发芽率与土壤容重、渗透系数、pH呈正相关，与土壤电导率、总孔隙度呈负相关；苏丹草生物量与土壤渗透系数、pH、总孔隙度呈正相关，与土壤电导率、容重呈负相关。不同处理条件通过影响土壤理化性质，间接影响植物的生长状况。

图4 膨润土与土壤理化性质的相关性分析及土壤理化性质对植物生长状况的冗余分析（RDA）Fig.4 Correlation analysis between bentonite and soil physical and chemical properties and redundancy analysis of soil physical and chemical properties on plant growth status

2.4 扫描电镜观察

图5 是风沙土和含2.0%膨润土的风沙土在扫描电镜下放大300 倍观察到的图像。由图5a 知，自然状态下风沙土表面相对光滑，沙粒与沙粒之间空隙较大，没有吸附黏结在一起。而添加膨润土，膨润土遇水后在沙粒表面形成了由膨润土包裹的包衣，膨润土与风沙土相互黏合、吸附、团聚在一起，且团聚体的表面粗糙（图5b）。

图5 风沙土与2.0%膨润土添加下风沙土的扫描电镜图像对比Fig.5 Comparison of scanning electron microscope images of aeolian sand and aeolian sand treated with 2.0%bentonite

3 讨论

3.1 膨润土在风沙土物理结构改善中的作用

土壤容重、总孔隙度、渗透系数等是表征土壤物理性质的指标，影响着土壤水、肥、气、热条件的变化及作物的健康生长［19］。黏土矿物具有较大的比表面积，有一定的吸附和黏结作用，在改善土壤物理结构中发挥重要作用［20］。添加BF处理中，随着膨润土含量增加，土壤容重显著降低、土壤孔隙度显著增加，该研究成果证实了膨润土添加有利于风沙土物理性质的改善。这与周磊［21］的研究结果一致，其结果证实在沙地上一次性施膨润土7 a后，可显著改善沙地的土壤结构，土壤容重降低2.0%～6.0%。这与膨润土本身的胶质价、膨胀容和吸蓝量（表2），以及其自身的吸水膨胀性、黏结性和较大的比表面积有关［22-24］。正如扫描电镜所观察到的结果（图5），这些特性使得膨润土可以有效吸附、黏结周边细小颗粒，促进土壤大团聚体的形成，改善土壤的容重和总孔隙度。另外，本实验结果表明，不同膨润土材料的添加使风沙土渗透系数显著减小，该结果与赵旭等［25］在室内模拟实验结果相似，其结果证实添加膨润土使得土壤饱和导水率、导气率和相对气体扩散率降低。这可能是因为膨润土具有吸水膨胀性，能够将水分吸持在自身，并膨胀堵塞土壤有效孔隙，阻挡土壤水分下渗的通道，从而减小渗透系数。另外，加水具有很好的流变性，失去水分后凝结保持膨胀后的状态，膨润土具有Yi等［26］研究中提到的沙土改良剂的流变性和固化性。

田间持水量是衡量土壤保水能力的重要指标，尤其对于干旱区的土壤灌溉和作物水分管理具有十分重要的意义［27］。本研究在风沙土中添加膨润土和有机肥提高了风沙土保水能力、增加了风沙土的田间持水量，该实验结果与马斌等［28］、李吉进等［29］的研究结果相似。这一方面因为膨润土黏粒含量高，吸湿性强，能够吸附8～15 倍于自身体积的水量［25］；另一方面可能因为膨润土和有机质增加了沙土中黏粒，促进团聚体的形成（图5），改变了风沙土的松散结构，进而提高了土壤的持水和保水能力［30-31］。类似的结果也被Zhou等［32］和王瑛等［33］研究所证实，尤其是添加膨润土的基础上，额外添加腐殖酸或菌渣等有机物能够促进土壤团聚体的生成，提高沙土保水保肥性。但是本研究中添加BFA 后的风沙土保水能力并不及B 处理，且BA 处理后的保水性不如BF处理，这一方面可能是因为本实验中使用的腐殖酸保水性不如有机肥，另一方面可能因为膨润土的碱性与腐殖酸的酸性相中和释放的热使土壤水分散失更快。总之，在膨润土添加中应该慎用腐殖酸。

3.2 膨润土添加存在潜在盐碱化风险

土壤pH 是能够迅速判断土壤一般化学状况并反映土壤酸碱度的指标［34］。本研究中，膨润土添加显著提高风沙土的pH，其余处理均没有显著影响风沙土的pH。这可能是因为膨润土含有的Na+、Mg2+等可交换碱阳离子和碳酸盐提高了土壤碱性，腐殖酸和有机肥具有的酸性有机胶体，中和了土壤的碱性。土壤电导率反映的是土壤中可溶性盐含量，含盐量太高的土壤对植物生长产生负面影响。本研究中，膨润土和腐殖酸添加量与电导率呈显著正相关，添加膨润土和有机肥使风沙土电导率增大，这可能是因为本研究用的膨润土是钠基膨润土，含有大量的Na+和碳酸盐，腐殖酸含有碱性基团，导致土壤电导率增加。因此，膨润土在实际施用当中，一方面要考虑添加量避免土壤盐碱化的发生，另一方面可以选择一些抗盐碱植物来减少盐碱对土壤及植物带来的危害。另外，施用膨润土应该避免施用在盐碱地，以免加重土壤盐碱化问题。

3.3 膨润土添加对苏丹草生长的影响

本研究表明，在风沙土中添加膨润土，提高苏丹草种子的发芽率和苏丹草生物量，该结果与前人多数实验结果类似。Al-Harbi等［35］的温室盆栽实验结果表明，膨润土的加入显著增加了黄花产量。宋计平等［36］研究表明膨润土对黄瓜生长状况具有积极影响，且影响达显著水平。可能是因为膨润土在改善土壤物理结构和保水能力的同时，引入了一些膨润土自身携带的植物所需的常量和微量营养元素，为植物的生长提供良好的水、肥、气、热条件，提高植物光合特性［37］，促进了植物的生长。

本研究中混合施用膨润土和有机肥，相较于对照组苏丹草种子的发芽率和生物量都有所提高，这可能是因为有机肥和膨润土协同作用，对风沙土起到了很好的保水保肥作用，促进了植物的生长。苏雪萍［38］将91.0%膨润土与生物素、植物纤维等混合制备沙质土壤改良剂施用于沙质土壤，结果表明玉米的发芽率、株高日增量及幼苗干物质增长速率均得到显著的提高，与本研究结果一致。

而本研究中添加腐殖酸对苏丹草生长状况的影响并不乐观，苏丹草的发芽率和生物量均较对照出现下降趋势。这与添加腐殖酸的处理组中风沙土含水率随时间下降速度较快是分不开的。另一方面，这可能是土壤含盐量（电导率）增大导致的（图2b），含盐量增加抑制了植物的发芽和生长，也有可能是膨润土和腐殖酸吸水干燥后，土壤表面形成固结层，影响了种子萌发出土和生长［39］。这个研究结果进一步证实了添加膨润土的基础上，额外添加腐殖酸不仅影响土壤的保水能力，而且会限制植物的生长，这与腐殖酸本身在农作物生长中的促进作用是相悖的。这或许与本研究所添加的腐殖酸量有关，也或许与膨润土与腐殖酸遇水相互作用有关，未来将进一步对其机理进行深入研究。

3.4 膨润土在风沙土改良应用前景

中国膨润土资源储量居世界首位，种类繁多，易开采，价格低廉［40］，且我国多数受风沙灾害的地区或者其邻近地区有丰富的膨润土资源。充分利用膨润土的一些天然优良特性，有效结合当地的农林业废弃物如农作物秸秆、枯树枝叶，以及农林产品加工的副产物如谷壳、木屑等制备土壤改良剂，能够实现因地制宜、资源的合理利用，能够降低风沙灾害地区治理风沙土和植物恢复的成本。其次，考虑到干旱沙漠地区的盐碱化问题，加上膨润土本身可能会给土壤带来二次盐碱化的风险，在生态恢复中除了考虑节水抗旱的物种外，还应该选择一些盐生植物或者抗盐碱的物种。

4 结论

综上所述，沙漠地区风沙土以沙粒为主，黏粒含量极少，风沙土土壤结构松散，风沙土的物理结构和持水性亟待改善。膨润土由于其吸水膨胀性、黏结性，能有效将沙土颗粒吸附黏结在一起，促进土壤团聚体的形成。本研究证实了风沙土中添加膨润土及有机肥，不仅提高了风沙土的保水性能，又改善了土壤的物理性质，从而提高了苏丹草的发芽率和生物量，对于风沙土的改良、干旱区植物生长和生存具有积极作用。所以合理有效的开发利用膨润土与其他有机物质，使其发挥优良特性，对于干旱沙漠化地区风沙土质量的提高、生态恢复及植被重建有重要意义。