不同土壤改良剂对油莎豆生长及风沙土速效养分含量的影响

燕建发，张仙梅，何振全，孟繁荣，盖国胜，支金虎

不同土壤改良剂对油莎豆生长及风沙土速效养分含量的影响

燕建发1,2,3，张仙梅2*，何振全4,5，孟繁荣6,7，盖国胜4,6，支金虎1,3*

（1. 塔里木大学 农学院，新疆 阿拉尔 843300；2. 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室/农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；3. 南疆干旱区特色作物遗传改良与高效生产兵团重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；4. 河北清华发展研究院，北京 100084；5. 淄博清大粉体材料工程有限公司，山东 淄博 255000；6. 清华大学 无锡应用技术研究院，江苏 无锡 214106；7. 山东清大生态科技有限公司，山东 东营 257345）

【目的】风沙土是风成沙性母质发育的幼年期土壤，肥力低，保水保肥能力弱，利用改良剂提高风沙土肥力是其改造为农田的快速手段。研究不同改良材料对风沙土理化性质的影响及对作物生长的效应，作为研制土壤改良剂原料的依据。【方法】以风沙土和油莎豆为研究对象，设置施用有机肥、生物炭、磷矿粉、聚谷氨酸、腐殖酸5种改良剂进行盆栽试验。【结果】生物炭对油莎豆的叶长和叶绿素含量的增幅最大，分别为60.67 cm、76.70，聚谷氨酸对油莎豆的分蘖数增加最多，为12个。另在不同改良剂的处理下风沙土的理化性质均发生明显改变。有机肥处理对风沙土的有机质和有效磷、速效钾含量的增加效果最好，分别为5.77 g/kg和158.60 mg/kg、277.27 mg/kg；腐殖酸处理对风沙土的碱解氮含量和土壤阳离子交换量增加效果最好，分别为34.53 mg/kg、3.33 cmol/kg。【结论】在不同改良剂处理风沙土研究中发现，生物炭对油莎豆生长的作用效果最佳，有机肥对风沙土速效养分含量的改良效果最佳。

风沙土；油莎豆；土壤改良剂；速效养分含量；阳离子交换量

【研究意义】油莎豆（）又名虎坚果（tigernut），是集粮、油、饲为一体的作物[1]。油莎豆中淀粉、糖、蛋白质含量丰富可作为主粮补充食物来源[2]；油莎豆出油率为20%～25%，其成分与橄榄油相似，且品质高于橄榄油[3]；油莎豆叶片和油莎豆榨油后的饼粕是优质的饲料[4]。油莎豆可在干旱、沙化地带种植，且油莎豆的根系发达分蘖能力强，对于防风固沙、保持水土、减少土地沙漠化效果显著[5]。风沙土是典型的干旱荒漠地带土壤，土质松散、水肥易流失，潜在养分含量低，是新疆分布面积最大的土类[6-7]。我国风沙土土地面积占国土总面积的17.93%[8]。随着人地矛盾逐渐加剧，在治沙技术和手段取得长足进步的基础上，人们对开发治理风沙土的要求与日俱增[9]。【前人研究进展】风沙土的改良有很多方式，有客土压沙、增施有机肥、添加土壤改良剂等，且在生产实践中都取得了一定的成效[10-11]。土壤改良剂种类按原料来源可分为天然改良剂、人工合成改良剂、天然－合成共聚物改良剂和生物改良剂[12]。目前，应用于沙化土地的土壤改良剂主要是天然改良剂，包括生物炭、腐殖酸、有机肥、膨润土、凹凸棒土、天然矿物等[13]。王道涵等[14]研究表明生物炭可以改善风沙土的质量和土壤肥力。张洁等[15]研究表明生物炭能够改善土壤的结构，释放和保持土壤养分。【本研究切入点及拟解决的关键问题】目前国内外就施用有机肥、腐殖酸、生物炭等提升风沙土肥力的差异研究还未见报道，本研究通过探讨上述材料提升风沙土肥力差异及对油莎豆生长的影响，为高效实现风沙土的生态修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用风沙土取自新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县乌拉斯台农场（42°12′N，86°20′E）。随机采集0～20 cm的风沙土，剔除土壤样品中植物根、石块等杂质，自然风干，用于盆栽实验；生物炭为库尔勒市市售木炭加工后产物；有机肥由阿瓦提有机肥农场提供；磷矿粉、聚-γ-谷氨酸、腐殖酸由山东清大生态科技有限公司提供。供试作物为油莎豆，种子由吉林省好易收油莎豆油脂有限公司提供。供试土壤基本性质如表1所示。

表1 供试风沙土基础理化性质

1.2 试验设计

2022年5月至10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县乌拉斯台农场进行试验。和静县海拔1 686 m，属中温带大陆性干旱气候，夏季昼长夜短，昼夜温差大，干燥少雨。

试验共设置7个处理：对照、有机肥（10 g/kg）、生物炭（1 g/kg）、磷矿粉（1 g/kg）、聚-γ-谷氨酸（1 g/kg）、腐殖酸（1 g/kg）和腐殖酸（2 g/kg），每个处理3次重复。试验处理如表2所示。

塑料花盆高21.5 cm，上口径23 cm，下口径22 cm，每盆装干土10 kg。将称好的土壤改良剂与风沙土充分混合，装入盆中。2022年5月20日播种油莎豆，每盆播种6颗，出苗后，每盆定苗3颗，所有盆栽的管理方式一致。油莎豆成熟后，采摘油莎豆，且将盆中的风沙土混合均匀，随机取足量风沙土，风干后过孔径为2 mm筛，备用。

表2 试验设计

1.3 测定方法

1.3.1 土壤理化性质测定 测定风沙土的理化性质。土壤阳离子交换量（乙酸钠－火焰光度法）、有机质含量（重铬酸钾容量法－外加热法）、碱解氮含量（碱解扩散法）、有效磷含量（碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法）、速效钾含量（醋酸铵浸提－火焰光度计法）[16]。

1.3.2 油莎豆生长指标测定 在油莎豆成熟后，测量油莎豆的分蘖数、叶长、叶宽以及SPAD值取平均值计算，记录植株生长情况。SPAD值：用莱恩德LD-YD型手持式植物养分速测仪测定穗位叶处SPAD值，每片叶测３次；叶长：用卷尺沿叶脉测量油莎豆叶的长度；叶宽：用卷尺测量油莎豆叶的最宽长度；分蘖数：计数每株分蘖数，取平均值。

1.4 数据分析

运用Excel 2019对试验数据进行整理、分析及计算数值，应用Origin 2022软件对试验数据制作相关图表，SPSS 27软件对试验数据进行单因素方差分析，并进行显著性分析（＜0.05），得出结论。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对油莎豆生长的影响

由表3可知，不同改良剂的添加增加了油莎豆的生长指标。在叶长方面，改良剂对油莎豆叶长的生长有促进作用，其中T2处理叶长最长，达到60.67 cm；T5处理叶长最短，为42.83 cm。T2处理较CK处理叶长增加了21.54 cm；T1、T3、T4、T5、T6处理与CK相比叶长分别增加了4.37，3.87，7.87，3.70，6.87 cm。在叶宽方面，改良剂对油莎豆的叶宽影响不显著；在分蘖数方面，改良剂对油莎豆的分蘖数有显著性影响，T4处理最大为12.00个，T5处理最小为8.00个，分别较对照增加6.33和2.33个。改良剂对油莎豆叶片的SPAD有明显的改变，叶绿素含量最高的是T2处理为76.70，叶绿素含量最低的是T6处理为62.80。综上所述，T2处理对油莎豆的叶长、SPAD影响显著，T4处理对油莎豆的分蘖数影响显著。

表3 油莎豆的生长指标

表中不同小写字母表示处理之间差异显著（<0.05）。

2.2 不同处理土壤有机质含量的变化

由图1可知，土壤改良剂的加入增加了土壤有机质含量，T1处理的有机质含量最高是5.77 g/kg，与对照相比增长272%，存在显著性差异；T2、T3、T4、T5、T6处理有机质含量分别为4.19、4.23、3.76、4.86、4.22 g/kg，与对照相比分别增长170%、173%、143%、214%、172%。由此可知，改良剂对风沙土有机含量的影响由大到小为：T1、T5、T3、T6、T2、T4，其中，T1处理对风沙土的有机质含量增加最显著。

图1 土壤有机质含量

图2 土壤阳离子交换量

2.3 不同处理土壤阳离子交换量（CEC）的变化

CEC是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，可以作为评价土壤保肥能力的指标[17]。由图2可知，土壤调理剂的加入增加了土壤CEC，T5处理的CEC最高是3.33 cmol/kg，相比对照增长48%，存在显著性差异；T1处理的CEC最低是2.44 cmol/kg，与对照相比增长8%，无明显差异。T2、T3、T4、T6处理土壤CEC分别为2.47，2.49，2.57，3.06 cmol/kg，与对照相比分别增长10%、11%、14%、36%。由此可知，改良剂对风沙土CEC的影响由大到小为T5、T6、T4、T3、T2、T1，其中，T5处理对风沙土的CEC值增加最显著。

2.4 不同土壤改良剂对风沙土速效养分含量的影响

2.4.1 不同处理下土壤碱解氮含量变化 由图3可知，土壤改良剂的加入增加了土壤碱解氮含量，T6处理的碱解氮含量最高是34.53 mg/kg，与对照相比增长174%，存在显著性差异；T4处理的碱解氮含量最低是15.17 mg/kg，与对照相比增长20%，差异明显。T1、T2、T3、T5处理的碱解氮含量分别为33.37，31.73，34.30，26.13 mg/kg，与对照相比分别增长165%、152%、172%、107%。由此可知，土壤改良剂对风沙土碱解氮含量的影响由大到小为T6、T3、T1、T2、T5、T4，其中，T6处理对风沙土的碱解氮含量增加最显著。

2.4.2 不同处理土壤有效磷含量变化 由图4可知，土壤改良剂的加入减小了土壤的有效磷含量，T1处理的有效磷含量最高是158.60 mg/kg，与对照相比增加了347%，存在显著性差异；T5处理的有效磷含量最低是92%，与对照相比增加了32.81 mg/kg，有显著性差异。T2、T3、T4、T6处理的有效磷含量分别为120.70，116.41，82.49，112.35 mg/kg，与对照相比增长241%、229%、133%、218%。土壤改良剂对风沙土中有效磷含量的影响由大到小为T1、T2、T3、T6、T4、T5，其中，T1处理对风沙土的有效磷含量增加最显著。

图3 土壤碱解氮含量

图4 土壤有效磷含量

2.4.3 不同处理土壤速效钾含量变化 由图5可知，土壤改良剂的加入增加了土壤的速效钾含量，T1处理的速效钾含量最高是277.27 mg/kg，与对照相比增长89%，存在显著性差异；T4处理的速效钾含量最低是166.36 mg/kg，与对照相比增长14%，差异明显。T2、T3、T5、T6处理的速效钾含量分别为167.82，221.82，183.88，213.99 mg/kg，与对照相比分别增长15%，52%，26%，46%。土壤改良剂对风沙土速效钾含量的影响由大到小为T1、T3、T6、T5、T2、T4，其中，T1处理对风沙土的速效钾含量增加最显著。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

本研究对物料的用量选择，主要根据传统和成本。有机质成本相对低，传统用量也相对较高；聚-γ-谷氨酸成本昂贵，传统用量少。本研究结果表明，添加有机肥等5种不同种类的土壤改良材料，能不同程度提高风沙土有机质和速效养分含量。这与前人的研究结果一致[18-20]。其中对风沙土有机质的提升有机肥大于生物炭，这与杨宇等[21]的研究结果不一致，可能是因为本研究生物炭用量少于有机肥。畜禽粪便发酵的有机肥与腐殖酸和生物炭相比较易氧化分解，有机肥测值较高；而腐殖酸和生物炭较有机肥稳定。故有机肥在增加土壤有机质方面，有机肥作用最大。腐殖酸含羧基等活性基团相对较多，故在提高阳离子交换量方面，施用腐殖酸效果最好。前人研究表明，有机肥、生物炭、腐殖酸、磷矿粉等改良材料不仅能够通过自身含有的速效养分增加风沙土中速效养分含量，同时可增加风沙土对氮、钾元素的吸附作用，减少风沙土对磷元素的固定，减少风沙土中速效养分的流失，增加风沙土的速效养分含量[21-22]。聚谷氨酸高分子材料可降低土壤中水分和养分向土壤下层迁移转运，提高耕层土壤或根系周围的水肥含量，有效减少肥料淋失，从而提高风沙土速效养分含量[23]。本研究几种材料影响风沙土速效氮磷钾的速度不同，施用有机肥、生物炭、磷矿粉、腐殖酸处理都显著提升风沙土有效磷水平；而有机肥处理可提升土壤速效钾含量达显著水平，这可能与风沙土氮磷含量低、有效钾含量高的性质有关。

有机肥、生物炭等土壤改良剂添加后可以增加土壤中的养分含量，促进作物对养分的吸收，促进作物的生长[24-25]。本研究中几种材料不同程度增加油莎豆的叶长、分蘖数和叶绿素（SPAD），而对叶宽影响不显著。施用生物炭的T2处理显著促进叶长和SPAD，在几种处理中表现最好，分蘖数仅次于施用聚谷氨酸的T4处理，而对土壤养分的影响不同，对油莎豆生长影响显然不仅仅是通过提高肥力引起，而可能由促进土壤氮的转化等原因[26]。聚γ-PGA吸水能力强[27]，能调节土壤微生物群落变化，富集有益微生物[28]，刺激根系分蘖，故T4处理油莎豆分蘖最多。

3.2 结 论

不同土壤改良材料处理下风沙土土壤的理化性质均发生明显改变，与对照相比，土壤改良剂配施复合肥均能增加油莎豆的叶长、分蘖数、SPAD等生长指标，生物炭对油莎豆的叶长、SPAD增加效果最佳，聚谷氨酸对油莎豆的分蘖数增加效果最佳。土壤改良剂配施复合肥均能增加土壤CEC值和有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量。有机肥对增加土壤有机质、有效磷、速效钾含量效果最佳；腐殖酸处理对增加风沙土CEC值和碱解氮含量效果最佳。

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Effects of Different Soil Amendments on the Growth ofand the Content of Available Nutrients in Aeolian Sandy Soil

YAN Jianfa1,2,3, ZHANG Xianmei2*, HE Zhenquan4,5, MENG Fanrong6,7, GAI Guosheng4,6, ZHI Jinhu1,3*

（1. College of Agriculture, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300, China; 2. State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China/Key Laboratory of Quality Monitoring and Evaluation of Cultivated Land, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081, China; 3. Key Laboratory of Genetic Improvement and Efficient Production for Specialty Crops in Arid Southern Xinjiang of Xinjiang Corps, Alar, Xinjiang 843300, China; 4. Hebei Tsinghua Development Research Institute, Beijing 100084, China; 5. Zibo Qingda Powder Material Engineering Co., LTD., Zibo, Shandong 255000, China; 6. Wuxi Institute of Applied Technology, Tsinghua University, Wuxi, Jiangsu 214106, China; 7. Shandong Qingda Ecological Technology Co., LTD., Dongying, Shandong 257345, China）

Aeolian sandy soil is a young soil developed from aeolian sandy parent material, with low fertility and weak ability to retain water and fertilizer. Using modifiers to improve the fertility of aeolian sandy soil is a rapid means to transform it into farmland. Effects of different modifying materials on the physical and chemical properties of aeolian sandy soil and on the crop growth were studied as the basis for the development of soil amendment materials.In this study, aeolian sandy soil andwere used as the research objects, and five kinds of amendments, such as organic fertilizer, biochar, phosphate rock powder, polyglutamic acid and humic acid, were used for pot experiments.Results showed that biochar caused the greatest increase in leaf length and chlorophyll contents of, which were 60.67 cm and 76.70, respectively. Polyglutamic acid brought the greatest increase in the tiller number of, reaching 12. In addition, the physical and chemical properties of aeolian sandy soil changed significantly under the treatment of different modifiers. Organic fertilizer treatment had the best effects on the increase of organic matter, available phosphorus and available potassium in sandy soil, which were 5.77 g/kg, 158.60 mg/kg and 277.27 mg/kg, respectively. Humic acid treatment had the best effect on the increase of alkali-hydrolyzed nitrogen contents and soil cation exchange capacity of aeolian sandy soil, which were 34.53 mg/kg and 3.33 cmol/kg, respectively.Among different amendments, biochar had the best effect on the growth of, but organic fertilizer had the best effect on the improvement of available nutrient contents in aeolian sandy soil.

aeolian sandy soil;; soil amendment; available nutrient content; cation exchange capacity

10.3969/j.issn.2095-3704.2023.04.74

S156.5

A

2095-3704（2023）04-0493-07

2023-10-06

2023-10-16

国家自然科学基金项目（32260807）、河北省援疆基金项目（巴发改援疆[2021]37号）和中央公益性科研院所基本科研业务费项目（1610132020008）

燕建发（1998—），男，硕士生，主要从事植物营养与农业环境研究，yan5253jf@163.com；*通信作者：支金虎，教授，博士，zjhzky@163.com；张仙梅，副研究员，博士，zhangxianmei@caas.cn。