煤基与生物基腐植酸配施对土壤结构改良的影响

2024-02-15赵萌萌冯俊义黄震郝文静黄占斌

农业资源与环境学报 2024年1期

赵萌萌，冯俊义，黄震，郝文静，黄占斌

（1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083；2.中国质量认证中心，北京 100070）

据报道，全球有33%的陆地面积受到土壤退化的影响[1]。我国耕地也遭受不同程度的土壤退化或土壤污染。土壤退化主要包括盐碱化、荒漠化、酸化、水土流失等；土壤污染包括重金属污染和有机物污染[2-3]。土壤退化修复会根据盐碱地、酸化地、荒漠地等不同的退化性质而采取不同治理措施，以减少土壤侵蚀、改善土壤结构和提升土壤肥力，增强土壤生物群落活动和物种多样性[1]。化学改良是一种常规且使用广泛的措施，即向土壤中添加不同环境材料，改善土壤理化性质，恢复土壤健康。其中腐植酸是一种有效改善土壤理化性质的环境材料[4-5]。

腐植酸是动植物残体（主要是植物残体）经微生物分解合成及地球物理、化学等系列作用，形成的一类富含羧基、酚羟基、醌基、羰基、甲氧基等多种活性官能团的非均一脂肪——芳香族无定形复杂高分子化合物[6-8]。其中煤基腐植酸是风化煤、褐煤、泥炭等低阶煤经人工活化提炼出来的腐植酸，其分子量较大，芳香族化合物含量高，脂族化程度较低，含大量氨基酸和糖类[9-11]；生物基腐植酸是由餐厨垃圾、农业废弃物、粪便[12]等物质发酵处理得到，含有大量氨基酸和有机物种群[13]。生物基腐植酸分子量较小，碳含量和缩合程度较低，脂族化程度较高，芳香族化合物含量较低[14-15]。

目前针对土壤单独添加煤基腐植酸或者生物基腐植酸的研究较多，研究表明单独施加生物基腐植酸与煤基腐植酸均可有效改善土壤结构和理化性质，生物基腐植酸发挥作用快但时效短，而煤基腐植酸发挥作用慢但时效长。因此本研究将煤基腐植酸与生物基腐植酸组合配施，探究其对土壤结构的影响和机理，旨在筛选可以快速、长期有效改善土壤结构的土壤调理剂。本研究选用了差异较大的煤基腐植酸与生物基腐植酸，按照不同比例混合进行土壤培养，探究其对土壤结构改良效果，筛选出改良土壤效果较好的组合，旨在为煤基腐植酸与生物基腐植酸组合改良退化土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤：北京昌平试验区黄土（表层0～20 cm）与北京东六环盾构渣土按照8∶2 质量比例混合，形成半生土。二者加水静置稳定1 周后自然风干，过2 mm 筛，制得供试土壤。盾构渣土质地为砂土，有机质含量仅9.2 g·kg-1，土壤结构差；黄土质地为壤土，有机质含量16.8 g·kg-1，结构较好。将盾构渣土与黄土混合后静置，经测定，混合土壤pH 为8.43，容重为1.216 g·cm-3，孔隙度51.37%，田间持水量为18.76%，粒径＞0.25 mm 的水稳性团聚体占19.31%，土壤结构较差。将半生土自然风干后过2 mm筛后备用。

腐植酸材料：煤基腐植酸由山西林海腐植酸科技有限公司提供，纯度＞70%，由风化煤碱法制备，pH 为9.28，电导率为2.77 mS·cm-1；生物基腐植酸由北京嘉博文生物科技有限公司提供，有机质含量为712.87 g·kg-1，pH为5.5，电导率为7.53 mS·cm-1。

试验用水：去离子水，pH 为6.50，电导率为0.73 μS·cm-1。

1.2 试验设计

将煤基腐植酸与生物基腐植酸按照0∶10、1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、10∶0 七种质量比例混合为不同复合腐植酸（编号分别为A、B、C、D、E、F、G），以未添加腐植酸的土壤为对照（CK）。按照复合腐植酸5 g·kg-1土壤的比例添加，每个处理重复9次。

将添加复合腐植酸的土壤置于塑料杯中，加入去离子水后置于室内自然蒸发，定时加水维持土壤含水量为田间持水量的70%左右。分别于10、25、50 d 取样，每处理取3 个土样，测定土样容重、孔隙度、田间持水量、水稳性团聚体含量、平均质量直径等指标。

1.3 测定指标与方法

（1）土壤容重（NY/T 1121.4—2006）、田间持水量（NY/T 1121.22—2010）：环刀法。

利用环刀垂直取出原状土柱，取出后清理环刀外侧附着土壤，将环刀两端土壤削至与环刀齐平，盖好上下盖。通过吸水和反吸水的方式测量不同状态下环刀与土壤的质量。

式中：W0为空环刀质量，g；W3为空环刀+毛细水土质量，g；W4为空环刀+105 ℃烘干土质量，g；V为环刀体积（100 cm3）。

（2）孔隙度（NY/T 1121.23—2010）：排水称质量法。

根据排水称质量测定原理，将已知质量的土样放入水中，排尽空气求出由土壤置换出的液体体积，以烘干（105 ℃）土质量除以求得的土壤固相体积即得土壤孔隙度。

式中：ρ为水的密度，室温下按照1 g·cm-3计算；m1为比重瓶+水的质量，g；m2为比重瓶+水+土的质量，g。

（3）水稳性团聚体含量（NY/T 1121.19—2008）、平均质量粒径：团聚体分析仪（上虞经济开发区金伟五金厂，122355）湿筛法。

取50 g 粒径约1 cm 土壤，通过沉降桶和仪器进行浸泡和筛分。筛分后清理筛网上留下的土壤颗粒，烘干后测定各粒级土壤团聚体质量，记为mi。

式中：wi为各粒级土壤团聚体含量，%；mi为各粒级土壤团聚体质量，g；DMN为土壤团聚体平均质量直径，mm；xi为某一粒径范围平均值，mm。

（4）材料表征：采用扫描电子显微镜（SEM，SU8020，日本日立）获得样品微观形貌；能量色散光谱仪（EDS，Quantax75，日本日立）获得样品元素组成；采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）鉴定材料样品表面官能团（iS10 FT-IR spectrometer 美国尼高力公司），波数范围1 000～4 000 cm-1，光谱仪分辨率4 cm-1，信躁比是50 000∶1，扫描32次。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016进行处理，利用SPSS 26软件进行主成分分析、Duncan 多重显著性分析（P＜0.05具有统计学意义），利用Origin 2021制图。

2 结果与分析

2.1 两种腐植酸傅里叶变换红外光谱图

图1 为煤基腐植酸与生物基腐植酸的傅里叶变换红外光谱图。这两种腐植酸在不同吸收峰处的相对强度不同，表明二者在含氧官能团或结构单元上存在数量上的差异。煤基腐植酸与生物基腐植酸均含有大量的羟基、羧基等含氧官能团。生物基腐植酸1 700～1 750 cm-1波数内吸收峰较丰富，表明其含有较多的酰胺类、醇类、酚类和多糖化合物。煤基腐植酸在1 578.65、1 032.29 cm-1波数处振动峰最明显，表明其组成中芳香族化合物较多。

图1 煤基腐植酸与生物基腐植酸的红外光谱图Figure 1 Infrared spectra of coal-based humic acid and bio-based humic acid

2.2 不同复合腐植酸对土壤水稳性团聚体的影响

图2 表明，煤基腐植酸和生物基腐植酸及其复合加入均增加土壤粒径＞0.25 mm 的大团聚体含量，且随着土壤培养时间增加，团聚体含量增多，结构稳定性增强。培养10 d 时，A～G 组的粒径＞0.25 mm 土壤团聚体含量分别较CK 净增加7.31%、11.55%、11.36%、16.55%、15.04%、18.41%、19.12%。培养25 d时A～G 组粒径＞0.25 mm 的土壤团聚体分别较CK 净增加4.04%、10.90%、12.64%、15.76%、15.40%、17.91%、26.91%。培养50 d 时A～G 组粒径＞0.25 mm的土壤团聚体分别较CK 净增加6.51%、12.51%、15.54%、19.19%、23.23%、20.70%、25.95%。由图2 可以看出，三个培养时间下，土壤团聚体含量随煤基腐植酸比例增加而升高，50 d 时G 组较CK 组增加116.36%，可见煤基腐植酸改善土壤团粒结构的效果明显优于生物基腐植酸，同时随着培养时间的延长，土壤团聚体的含量增加。由图3 得到培养时间10、25、50 d 时，随着复合腐植酸中煤基腐植酸比例的增加，土壤团聚体的平均质量直径呈缓慢增加趋势，即土壤团聚体稳定性有所增强。50 d 时，G 组平均质量直径较CK组增加了21.80%。

图2 不同培养时间下粒径＞0.25 mm水稳性团聚体含量变化Figure 2 Changes of water-stable aggregates with particle size＞0.25 mm at different incubation time

图3 不同培养时间下团聚体的平均质量直径Figure 3 Average mass diameter of aggregates at different incubation time

图4 为10、25、50 d 时不同粒径团聚体含量分布图，随着培养时间增加，煤基腐植酸与生物基腐植酸均有提升＞0.25～5 mm 粒径范围土壤团聚体含量的效果。随着复合腐植酸中煤基腐植酸比例增加，＞2～5、＞1～2、＞0.5～1 mm 和＞0.25～0.5 mm 粒径范围的团聚体含量增加，说明煤基腐植酸对土壤水稳性团聚体含量提升效果优于生物基腐植酸。

图4 不同培养时间下不同粒径范围水稳性团聚体含量分布Figure 4 Distribution of water-stable aggregates in different particle size ranges at different incubation time

图5 和图6 是原土与50 d 的E 组土壤的SEM 和EDS 能谱图。原土SEM 图显示土壤呈不规则块状，颗粒较小，表面粗糙且存在片状结构；处理后的E 组土壤颗粒有所增大，团聚体表面更加粗糙，附着大量黏粒，具有形成更大团聚体的基础，并与周边土粒存在一定连接关系，结构体孔隙更加发达。原土EDS能谱图显示原土含有一定量的Si、Al、Fe等元素，还含有少量的Ca、K 和Mg 元素；处理50 d 后E 组土壤中Si、Al、K等元素含量有所增加。

图6 E组50 d时土壤SEM和EDS能谱图Figure 6 Soil SEM and EDS energy spectra at 50 days in group E

2.3 不同复合腐植酸对土壤总孔隙度和容重的影响

图7 表明，10、25、50 d 培养时间下各处理组土壤总孔隙度均高于CK 组，说明煤基腐植酸与生物基腐植酸均有改善土壤结构、提升土壤孔隙度的作用，总孔隙度整体表现出50 d＞25 d＞10 d的趋势。E 处理组效果最好，50 d 时总孔隙度为56.91%，较CK 组（51.52%）孔隙度提高了10.46%。

图7 不同培养时间下土壤总孔隙度Figure 7 Total soil porosity at different incubation time

通常土壤容重变化趋势和总孔隙度的变化趋势是相对应的，较大土壤孔隙度对应较小的土壤容重。图8 表明，土壤容重指标的变化与总孔隙度变化的趋势相反，煤基腐植酸与生物基腐植酸均有降低土壤容重的作用，而且土壤容重整体表现为50 d＜25 d＜10 d。土壤容重在不同处理组的变化趋势也与土壤总孔隙度的变化趋势相反，并在E 处理组达到最小容重1.145 g·cm-3，较CK组（1.248 g·cm-3）降低了8.25%。

图8 不同培养时间下土壤容重Figure 8 Soil bulk density at different incubation time

2.4 不同复合腐植酸对土壤田间持水量的影响

图9 表明，单独添加煤基腐植酸和生物基腐植酸及复合腐植酸均可提升土壤田间持水量，培养10 d时生物基腐植酸的效果更加明显，但是随着培养时间的延长，煤基腐植酸的效果逐渐显现，并在E 组达到最大，持水量为33.21%。试验表明，土壤田间持水量随培养时间变化趋势为10 d＜25 d＜50 d，培养50 d 时，E组较CK组（23.14%）增加了43.52%。

图9 不同培养时间下土壤田间持水量Figure 9 Water holding capacity in soil fields at different incubation time

2.5 SPSS主成分分析与皮尔逊相关性分析

利用SPSS 对50 d 的总孔隙度、容重、田间持水量、团聚体含量及平均质量直径（粒径＞0.25 mm）这5个指标进行主成分分析，综合评价复合腐植酸对土壤结构的改良效果，E组得分最高（表1）。

表1 复合腐植酸对土壤结构改良效果评价Table 1 Evaluation of the effect of complex humic acid on soil structure improvement

煤基腐植酸与生物基腐植酸与土壤结构指标的皮尔逊相关性分析见图10。煤基腐植酸与土壤水稳性团聚体含量及团聚体平均质量直径呈显著正相关（P＜0.05），向土壤中添加煤基腐植酸可以增加土壤中水稳性团聚体含量并提升其稳定性，增加土壤孔隙度，降低容重，同时增强土壤保水能力。生物基腐植酸与各指标也有一定的相关性，但不显著。

图10 土壤结构各指标与两种腐植酸间的皮尔逊相关性分析Figure 10 Pearson correlation analysis between each soil structure index and two humic acids

3 讨论

3.1 两种腐植酸对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤中的基本结构单元，其含量及稳定性对土壤结构具有至关重要的作用[15]，团粒的平均质量直径可体现土壤团聚体稳定性和土壤抗侵蚀能力。本研究结果表明煤基腐植酸、生物基腐植酸及复合腐植酸均可以提升土壤中水稳性团聚体含量和稳定性，这与前人研究结果一致[16-19]。生物基腐植酸含有大量的菌丝，且溶于水后形成胶结物质，菌丝网络和胶结物质可以将土壤颗粒黏附到一起形成大团聚体。煤基腐植酸含有大量的活性官能团，通过絮凝作用将松散的土壤颗粒聚集起来，有效改善土壤微观结构，增加其团聚体含量和蜂窝结构。此外，研究结果显示煤基腐植酸提升土壤中团聚体含量和稳定性的效果要优于生物基腐植酸，即随着复合腐植酸中煤基腐植酸比例的增加，土壤团聚体的含量和稳定性也随之提升。Oades 等[20]根据不同的等级和时间尺度，将促进土壤团聚体形成的胶结物质分为瞬时性（主要是多糖）、短时性（根系和菌丝）和持久性（强吸附性有机聚合物和多价阳离子）物质。煤基腐植酸效果优于生物基腐植酸的原因可能是，生物基腐植酸含有大量的糖类，产生的黏附作用具有瞬时性，土壤中的菌丝黏附作用具有短时性，形成的团聚体稳定性较差，且随着生物基腐植酸在土壤中的降解，其改良土壤作用减弱。而煤基腐植酸的羟基、羧基、羰基、醌基等含氧活性官能团的含量要高于生物基腐植酸，且含有大量的苯环和阳离子，因此其吸附、络合和离子交换能力要优于生物基腐植酸，而且煤基腐植酸降解速率慢于生物基腐植酸，因而其改善土壤团粒结构的时效更长[21]。

3.2 两种腐植酸对土壤容重和孔隙度的影响

土壤孔隙结构是土壤中容纳空气和水分的空间，良好的土壤孔隙度对土壤水分、气体和养分的运移具有至关重要的作用[22]。土壤容重受到土壤质地、结构等因素影响，可以反映土壤内部总孔隙度的变化[23]。试验结果表明，随着土壤培养时间的增加，添加了煤基腐植酸、生物基腐植酸及复合腐植酸的土壤总孔隙度逐渐增加，容重逐渐减小。

培养初期，生物基腐植酸的效果较好，但是随着培养时间的增加，煤基腐植酸的效果要优于生物基腐植酸。原因可能是：首先，培养初期生物基腐植酸受发酵时间影响，部分纤维素还未完全降解，对土壤颗粒有一定支撑作用从而降低容重、增加孔隙度。其次，废弃物经微生物发酵后多含短链脂肪和多糖等物质，丰富的菌丝可将土壤微粒胶结，通过瞬时和短期的胶结作用促进土壤颗粒聚集，从而增大土壤孔隙度、降低容重。第三，生物腐植酸分子量小、渗透速度快、生物活性高[24]，发挥作用速度更快，且生物基腐植酸易分解有机碳库含量较高，其中小分子的碳水化合物、短链脂肪、蛋白质等会优先被微生物降解[25]，碳源的增加会促进土壤中微生物的增加，也会加速生物基腐植酸的降解[26-27]；而煤基腐植酸是由风化煤经碱法制备，腐植酸含量更高，含有大量的疏水基团（如苯环、长链脂族），缩合程度较高，效应释放缓慢。

煤基腐植酸分子量大，碳库稳定，其特殊复杂的化学结构可以抵御微生物的降解[17]。煤基腐植酸形成的土壤团聚体更稳定，在土壤团聚体的包覆作用下土壤内部有机碳得到保护，也可以抵御微生物分解，维持土壤有机质的稳定性和胶结能力，反过来进一步促进团聚体的稳定性。而土壤孔隙度是反映土壤团聚体和土壤颗粒在三维空间累积状况的一个指标[28]，土壤团聚体的形成会进一步增大土壤孔隙度、降低容重[9，29]。因此随着培养时间的延长，煤基腐植酸的改良效果逐渐显现，并优于生物基腐植酸[7，30]。除此之外，土壤中加入腐植酸会促进土壤中微生物的呼吸和土壤中酶的活性，增加微生物的数量，可能会导致土壤的孔隙度增大[31]。

3.3 两种腐植酸对土壤田间持水量的影响

土壤田间持水量是灌溉或降水时重力水排出后土壤所能保持的较稳定的土壤水含量。田间持水量通常被认为是计算评估农业灌溉的重要指标[32-33]。煤基腐植酸、生物基腐植酸及复合腐植酸均可以提升土壤的田间持水量，是因为这两种腐植酸均含有大量的羟基、羧基、羰基等亲水基团，对水分有强烈的缔合能力。其与水接触后发生电离，形成氢键，具有更好的亲水性和吸水性能，从而提高土壤含水率[34]。但是培养初期生物基腐植酸效果更好，是因为其制作工艺与原料特殊，本身含有大量的菌丝和微生物，可以将土粒黏附聚集从而减少水分散失。而随着培养时间的延长，生物基腐植酸部分降解，菌丝和多糖产生的短期胶结作用逐渐消失，整体效果趋于稳定。煤基腐植酸添加比例较高的土壤形成了更多且稳定的团聚体，进一步提升了土壤的保水能力和土壤含水率[19]，因此在后期煤基腐植酸的改良效果优于生物基腐植酸。