凹凸土對無土栽培基質性能及番茄育苗的影響

范如芹， 羅 佳， 高 巖， 嚴少華， 張振華

(江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京 210014)

凹凸棒土簡稱凹凸土或凹土(Attapulgite)，是一種層鏈狀過渡結構的以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土礦。Bradley于1940年提出凹凸土的理論化學式為:Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O［1］，其晶體呈棒狀、纖維狀，層內貫穿孔道，表面凹凸相間布滿溝槽，具有較大的比表面積［2］，大部分的陽離子、水分子和一定大小的有機分子均可直接被吸附進孔道中［3］，具有納米棒狀晶體形態，因而表現出優異的物理化學性質。尤其是凹凸土具有較強吸附性，因而在石油化工、日用化工、食品加工、新型建材、環保、飼料、農藥等領域有著廣闊的應用［4］。然而，天然凹凸土雜質含量較多，削弱了其原有的性能，使用具有一定的局限性。提純是對凹凸土深加工、開發高檔次產品的首要條件，純化凹凸土的吸附性能大幅提高，使用效果也得到提升。改性可對凹凸土性能進一步提升，是目前該領域研究熱點［4-6］。中國有豐富的凹凸土資源，且價格低廉，但中國對凹凸土的研究起步較晚，遠遠落后于發達國家，且資源利用率底，因此提高凹凸土的吸附性能、擴大其應用范圍具有非常重要的現實意義［5-6］。

由于土壤栽培存在連作障礙和土壤次生鹽漬化等缺點，基質栽培將是設施農業的主要方向之一［7］。以廢棄物為原料的基質是目前市場開發及科學研究的重點和熱點，而以廢棄物為原料的基質普遍存在電導率偏高、保水持水性差等問題［8］，如何提高基質保水性能、降低電導率及對作物的鹽分脅迫是該領域的首要任務和難題之一。目前，農業領域對凹凸土的報道多集中在其對重金屬和有機物的吸附效果方面，凹凸土在無土栽培基質鹽分控制方面的應用尚處在初步探索階段。因此，本試驗嘗試了對凹凸土進行改性，通過研究添加不同類型(天然、純化及改性凹凸土)和不同比例的凹凸土對基質理化性質的影響，觀測其對番茄基質育苗的影響，旨在為擴大凹凸土應用范圍和提升基質品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所用基質為基于養豬發酵床廢棄墊料堆肥原料的廢棄物基質，其配方為:發酵床墊料∶蛭石∶珍珠巖∶泥炭=3∶2∶3∶2(體積比)，其總氮、總磷、總鉀及速效氮、速效磷、速效鉀養分含量分別為24.20 g/kg、8.62 g/kg、10.10 g/kg、1.94 g/kg、2.41 g/kg和5.99 g/kg。發酵床墊料堆肥來自江蘇省農業科學院六合有機肥廠，由基于作物秸稈的豬圈發酵床墊料圈內腐解(兩年)及出圈后經過再次堆肥(一個月)制成。天然凹凸土和純化凹凸土購自江蘇玖川納米材料科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 凹凸土的改性及觀察 采用酸化改性方法對凹凸土進行改性［6］，具體為:純化凹凸土420℃焙燒2 h后，加入1 mol/L H2SO4，土∶酸 =1∶10，放入水浴鍋中加熱沸騰2 h，水洗至中性后放入烘箱內于105℃ 烘至恒質量，置于干燥密閉的容器中保存。用電子掃描顯微鏡(JSM-5410，JEOL Ltd，Japan)觀察凹凸土的表面微觀結構。

1.2.2 添加不同比例凹凸土基質的理化性質測定 上述栽培基質添加不同種類的凹凸土，添加量分別為:天然凹凸土10%、20%、30%、40%、50%，純化凹凸土5%、10%、20%、30%、40%，改性凹凸土1%、3%、5%。以無凹凸土的基質為對照。實驗室內測定不同凹凸土添加比例基質的基本理化性質，每個處理3個重復。添加不同比例的凹凸土基質與去離子水1∶5比例混合攪拌，靜置8 d后用pH計和電導率儀測定pH值和電導率［9］;容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度測定均參照澳大利亞基質測定標準［9-10］，具體為:取已知體積和質量的基質浸入去離子水中充分吸水后重力排水，此過程重復3次以確?；|吸水飽和，重力排水30 min，再次測定其體積及質量，然后放入烘箱105℃烘干7 d，再次稱質量。用上述質量和體積計算容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度值［11］，陽離子交換量的測定參照王黎明［12］的方法。

1.2.3 番茄生長指標觀測 根據凹凸土基質理化性質測定結果，選取性能接近理想基質的處理進行番茄育苗實驗。天然凹凸土、純化凹凸土和改性凹凸土各選取了3個添加比例的基質進行番茄育苗試驗。番茄種植于穴盤中，每穴兩粒種子，長至兩葉時，保留長勢一致的幼苗，每穴一株。每個處理3個重復，每個重復10株苗。置于塑料大棚內隨機區組擺放，每3天用吸管補水1次，每個處理補水量一致。番茄種植7 d后測定出苗率。番茄育苗40 d后收獲，測定番茄幼苗株高、莖粗、葉綠素含量，番茄苗樣品分地上部和根系兩部分采集，清洗干凈后，用吸水紙吸干表面水分，測定鮮質量，于105℃烘箱中殺青30 min后，降溫至75℃烘至恒質量，測定干質量。葉綠素含量用SPAD葉綠素儀(Spad-502 c，Japan)測定。

1.3 統計分析

采用SPSS 11.5軟件進行LSD顯著性差異檢驗，用皮爾森(Pearson)相關系數進行相關關系分析，采用SigmaPlot 12.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 改性后凹凸土結構及性質

通過掃描電鏡觀察(圖1)可知，天然凹凸土表面雜質較多，純化凹凸土則雜質較少，表面有疏松毛刺狀鱗片，改性后的凹凸土顆粒外觀更為疏松，而且表面分布有大小不一的孔隙，與天然及純化凹凸土相比，呈現明顯的疏松多孔的特點。

圖1 天然、純化及改性凹凸土掃描電鏡下的微觀結構Fig.1 The microstructure of natural，purified and modified attapulgites observed by SEM

改性后凹凸土化學性質發生了明顯變化，與純化凹凸土相比，1 mol/L H2SO4改性后凹凸土pH值降低了19.33%，由堿性降至中性;電導率(EC)變化不明顯(表1)。

表1 3種凹凸土pH值和電導率Table 1 The pH value and electrical conductivity of three attapulgites

2.2 不同凹凸土添加比例對基質基本性狀的影響

由表2可知，與對照相比，隨著天然和純化凹凸土添加比例的增加，基質容重明顯增大，當二者添加比例增至30%時，基質容重均由0.33 g/cm3增至0.40 g/cm3。1%～5%改性凹凸土添加對基質容重影響不顯著?；|總孔隙度及通氣孔隙度隨凹凸土添加量的增加而迅速降低，尤其通氣孔隙度降低更為明顯，3種(天然、純化及改性)凹凸土添加比例僅為5%時，基質通氣孔隙度便已分別下降至15.7%、16.1%和14.9%，分別下降了40.1個百分點、38.5個百分點和43.1個百分點。改性凹凸土添加對基質總孔隙度沒有明顯影響?；|持水量受凹凸土添加的影響亦十分明顯。添加5%天然、純化及改性凹凸土的基質持水量由對照的52.8%分別升高至57.1%、58.8%和60.1%，且隨凹凸土添加量的增加而持續升高。相同添加比例下，3種類型凹凸土基質間沒有顯著差異。

基質pH值隨天然及純化凹凸土添加比例增加而升高，由對照的7.27分別升高至7.57和7.47，添加改性凹凸土基質間pH值無顯著差異(表3)。天然及純化凹凸土添加比例在0～20%均對基質電導率(EC)影響不顯著。隨天然、純化凹凸土添加量的繼續增加，EC開始下降，添加天然凹凸土基質降低幅度小于純化凹凸土基質，當添加量增至30%時顯著低于對照(表3)。改性凹凸土對基質EC的降低效果最明顯，添加量分別為3%和5%時，EC由對照的2.36 mS/cm分別顯著降低到2.01 mS/cm和1.89 mS/cm。

表2 不同凹凸土添加比例下基質物理性質Table 2 Physical properties of substrates amended with different proportions of attapulgites

表3 不同凹凸土添加比例下基質pH值和電導率Table 3 The pH value and electrical conductivity of substrates amended with different proportions of attapulgites

2.3 不同凹凸土添加比例對番茄基質育苗效果的影響

根據上述基質理化性質變化情況，選擇理化性質符合或接近基質標準的部分處理進行番茄育苗試驗，即分別選擇添加0～20%天然凹凸土、0～20%純化凹凸土及0～5%改性凹凸土的基質進行試驗。結果(表4)顯示，添加天然凹凸土的各基質中番茄出苗率與對照相當，均為75.0%～76.0%，處理間無顯著差異，3種純化凹凸土添加比例對出苗率影響亦不顯著，而添加改性凹凸土處理中出苗率顯著升高，且隨添加比例的增加而升高。出苗率與基質電導率間存在負相關關系:Y=253.7-153.3x-33.1x2(r=0.962)。番茄苗株高受凹凸土的影響規律與出苗率一致。與對照相比，天然凹凸土添加對番茄苗莖粗、莖葉及根部的鮮質量與干質量等生長指標的影響不顯著，但添加純化凹凸土及改性凹凸土的效果較為明顯。純化凹凸土添加10%處理下莖粗、莖葉鮮質量和干質量分別比對照高18.7%、36.6%和102.0%，添加5%改性凹凸土處理下也達到相同水平，純化凹凸土添加量為20%的番茄幼苗各指標均有所下降。根部生長指標所受到的影響類似，以10%純化凹凸土和5%改性凹凸土添加處理中番茄根系生長較為發達。葉綠素含量受各類型凹凸土添加的影響不顯著(表4)。

表4 添加不同比例凹凸土基質中番茄苗生長狀況Table 4 Growth status of tomato seedlings in substrates amended with different proportions of attapulgite

3 討論

本研究所采用的改性凹凸土先后經歷了高溫焙燒和酸化過程。適度的高溫可增大其比表面積，提高吸附性能。高華等［6］指出，天然凹凸棒土的比表面積約為140～210 m2/g，經高溫焙燒后可達到300 m2/g以上。酸化過程不僅可除去凹凸土孔隙中的雜質，使孔道疏通，還可通過離子交換增大孔隙容積，從而使其吸附性進一步提高。

隨凹凸土添加比例的增大，基質容重也逐漸增大，根據 De Boodt等［13］和 Abad 等［14］關于理想基質的標準，基質容重低于0.4 g/cm3時適宜作物生長，可知凹凸土添加至30%時可能會對作物造成不利影響。隨凹凸土添加比例的增大，總孔隙度及通氣孔隙度迅速降低，這與容重的增大相吻合。無論添加何種類型的凹凸土(天然、純化及改性凹凸土)，基質通氣孔隙均下降，僅5%的添加量即造成40%以上的下降幅度，且數值均降到了20%以下(14.9% ～16.1%)，低于理想基質的通氣孔隙范圍(20% ～30%)［14］。添加凹凸土后基質持水能力明顯上升，這與凹凸土本身的物理結構有關。較大的比表面積及多孔隙結構均使其具有一定的吸收和保持水分的特性，這對基質持水性能的改善具有重要意義，但過高的添加比例對提高持水性能無益。基質pH值的變化是由凹凸土本身pH值引起的，天然及純化凹凸土pH值分別高達7.53與7.33，高比例的添加使得基質呈現堿性，這將對栽培作物具有一定潛在危害。理想基質pH值以5.3～6.5為宜［14］。Jayasinghe等［15］也發現，大部分溫室栽培作物更適宜微酸性基質環境，因為這種微酸性基質可增加多種養分的有效性。改性凹凸土呈中性，添加后對基質pH值幾乎沒有影響。以養殖廢棄物為原料的基質中普遍存在電導率較高的弊端，本研究所用的基于發酵床墊料的基質電導率(EC)高達2.36 mS/cm，對栽培作物尤其是育苗不利。天然凹凸土添加比例為0～20%時對基質EC影響不大，可能與天然凹凸土雜質含量較高有關，目前該領域尚無天然凹凸土降低基質EC的報道。當大量天然凹凸土添加后(30%、40%)，因凹凸土本身EC較低，故基質EC因凹凸土的物理稀釋作用而降低。純化凹凸土添加對EC的降低作用較天然凹凸土有所改善，但仍在高添加量下有明顯作用，而改性凹凸土添加量僅為3%和5%時，EC即分別降至2.01 mS/cm和1.89 mS/cm，這對提高基質適用性具有重要意義，同時說明了凹凸土改性后吸附性能大大提升，對吸附基質中過高的鹽基離子較為有效。

根據以上基質性能分析，過高比例的天然及純化凹凸土(30% ～40%)添加使基質容重偏大，孔隙度過低，不利于作物生長，故選擇了0～20%的添加比例進行番茄育苗試驗，以驗證不同類型及添加比例的凹凸土對基質容重、孔隙度、持水量、pH值、EC等影響的綜合效果。出苗率受基質EC影響最為明顯，與EC呈顯著負相關關系。這種高EC引起作物出苗率低的現象與 Bustamante等［16］和 Medina等［17］的結果一致。番茄苗莖粗、莖葉及根部的鮮質量與干質量等生長指標受天然凹凸土添加影響不明顯，而番茄苗在10%純化凹凸土和5%改性凹凸土添加基質中長勢最佳。這可能是因為這2個處理中基質容重在理想范圍內，持水量和孔隙度相對較高，而EC值相對較低等原因引起的。綜上所述，10%純化凹凸土和5%改性凹凸土添加下，基于發酵床墊料的基質理化性能較佳，適宜用作番茄育苗基質。然而值得提醒的是，所采用的凹凸土改性過程較為繁瑣費時，為獲得大量改性凹凸土用于大規?；|生產，簡易的凹凸土改性方法還有待探索。

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