礦物質調理劑對土壤養分含量及植物營養吸收的影響①

龔玲婷，石 林, 2*，蔡如夢

礦物質調理劑對土壤養分含量及植物營養吸收的影響①

龔玲婷1，石 林1, 2*，蔡如夢1

(1 華南理工大學環境與能源學院，廣州 510006；2 工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室，廣州 510006)

通過室內培養和盆栽試驗，研究了氮磷肥配施不同量(0、0.5、1.0、2.0 g/kg)礦物質調理劑對土壤pH和有效磷、鈣、鎂、硅等養分含量及作物產量和氮、磷、鉀等營養元素吸收的影響。室內培養結果表明：施用1.0 g/kg和2.0 g/kg調理劑，不僅增強了土壤抗酸化能力，使土壤pH從5.02提高到5.31和5.61，并且延緩了磷肥施入土壤后的固定速率，在施肥后第15天和第22天土壤有效磷含量得到明顯增加，增幅分別為21.49%、24.17% 和22.09%、23.84%。盆栽試驗中，施用0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑，土壤礦質養分得到有效補充，并能實現生菜增產10.47% ~ 33.33%；同時，使生菜氮、磷、鉀吸收量分別提高14.69% ~ 44.26%、15.28% ~ 52.89% 和16.28% ~ 42.43%。由此，施用礦物質調理劑是農業種植中改善土壤酸性、補充土壤有效養分、促進作物營養吸收并實現增產的有效途徑。

礦物質調理劑；土壤養分；有效磷；營養吸收

磷是作物生長發育所必需的營養元素，施用磷肥是為作物提供磷素的主要途徑之一。但磷肥直接施入土壤后極易被固定，隨時間的延長有效性逐漸降低，形成作物難以吸收利用的非有效態磷酸鹽[1-2]。因而，農業生產中磷肥的投入量要遠高于作物需求量才能滿足作物的生長需要，造成我國磷肥當季利用率只有10% ~ 20%[3]。長期大量不合理地施用磷肥，一方面浪費磷礦資源，另一方面增加了地表水富營養化的風險[4]。因此，針對當前我國磷肥施用現狀，研究如何維持作物高產穩產的同時，減少磷肥在土壤中的固定，提高磷肥利用率及減少磷肥施用量對農業種植具有重要意義。

土壤調理劑是指加入土壤中用于改善土壤的物理、化學和(或)生物活性的物料[5]，用于改良土壤結構、降低土壤鹽堿危害、調節土壤酸堿度、改善土壤水分和養分供應狀況或修復污染土壤等[6]。一些學者按其材料來源將其分為4種類型，即高分子類、有機類、礦物類和其他類型[7]。其中，礦物型土壤調理劑是指天然礦物、固體廢棄物和人工生產的含有多種礦物質元素的可以改善土壤特性的物料[8]，對于土壤的改良具有良好的效果。施用石灰、石灰石、磷石膏、脫硫石膏等鈣基礦物質調理劑是一項傳統而有效的酸性土壤改良措施。Caire等[9]和魯燕紅等[10]研究都表明，石灰處理提高了土壤的pH和交換性鈣含量，降低了土壤交換性鋁含量。沸石、蛭石、膨潤土等天然礦石制造而成的土壤調理劑多具有高吸附性、離子交換性等性能，且富含多種礦物質元素。魏莎等[11]利用天然沸石加香葉天竺葵作為土壤調理劑，發現土壤全氮、有效磷和有機質含量均有一定程度的提高。泥炭、褐煤、風化煤等富含腐殖酸、有機質和氮磷鉀養分，施用土壤后可直接改善土壤養分匱乏的狀況。王洪鳳等[12]施用風化煤腐殖酸增加了土壤中陽離子交換量和團聚體總量，活化和釋放土壤中難溶性磷、緩效鉀，使其轉化為速效磷和速效鉀，有益于土壤肥力的提高。但是，與肥料相比，土壤調理劑的施用量相對較大，并且需要多次或多季施用，潛在的環境風險很大，尤其是固體廢棄物類的調理劑，長期大量施用可能會造成土壤中重金屬累積，并最終通過食物鏈威脅到人類。

本研究中采用的礦物質調理劑是由鉀長石、白云石和石灰石等合理配比后，經高溫焙燒活化制得的一種呈弱堿性并富含鉀、鈣、鎂、硅、硫等多種礦質營養元素的枸溶性物質，且該調理劑原料為不含重金屬的天然非金屬材料礦石，故不會對土壤產生重金屬污染問題。此前對該調理劑的研究主要集中在改善土壤酸性、鈍化土壤重金屬、抑制土壤鋁毒等方面，并取得了良好的效果[13-14]。本研究旨在前期研究的基礎上，進一步探究該調理劑在與化肥配施的條件下對土壤酸度和養分供應狀況，尤其是磷素供應，及其對作物產量和營養吸收的影響，以期為該調理劑的農田應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自廣州市增城區正果鎮水稻土0 ~ 20 cm耕作層，其基本理化性質為：pH 6.43、有機質39.05 g/kg、堿解氮181.02 mg/kg、有效磷44.83 mg/kg、速效鉀275.51 mg/kg、有效鎂100.71 mg/kg、有效鈣1 937.86 mg/kg、有效硅158.26 mg/kg。供試作物為生菜，生育期為40 ~ 60 d。供試肥料為尿素(N 466.7 g/kg)、磷酸二氫鉀(P2O5521.6 g/kg；K2O 346.1 g/kg)分析純試劑。供試礦物質調理劑的化學成分和pH如表1所示，其中，調理劑的化學成分采用X射線熒光光譜儀分析得到。

1.2 試驗設計

室內培養試驗設置0、0.5、1.0、2.0 g/kg (以調理劑與土壤的質量比計)4個調理劑使用量處理，每個處理3個重復。稱取150 g通過2 mm篩的風干土樣，分別按試驗設計與調理劑混合均勻后裝入塑料杯中，記為CK、T1、T2、T3。同時分別稱取0.065 g尿素(N 200 mg/kg)和0.058 g磷酸二氫鉀(P2O5200 mg/kg)溶解于70 ml去離子水中，加入塑料杯。調節水分至土壤田間持水量，用保鮮膜封口，并在保鮮膜中間留幾個小孔，置于室內培養，每隔幾天稱重補水。培養期間分別于第4、8、15、22、29、36天取樣，測定土壤 pH 和有效磷含量。最后一次土樣，同時測定土壤鈣磷、鋁磷、鐵磷和閉蓄態磷含量。

表1 礦物質調理劑基本特征

盆栽試驗處理設置同上，采用直徑19 cm × 高17 cm的塑料盆，每盆裝土3.37 kg。試驗時將1/3氮肥和全部磷肥與土壤混合均勻，將混合土壤的2/3置于塑料盆底部，1/3與礦物質調理劑混合均勻后裝盆，加水至土壤田間持水量的70%，移栽3株長勢一致的生菜苗。另外的2/3氮肥作為追肥，分兩次兌水淋施。45 d后，收獲植物地上部分，稱量鮮重后烘干，測定干重、全氮、全磷、全鉀含量。并隨機采集每盆表層土樣混合，風干，過篩，用于測定土壤速效鉀、有效鈣、有效鎂和有效硅含量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性質測定 pH用電位法測定；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸取–鉬銻抗比色法測定；鈣磷、鋁磷、鐵磷和閉蓄態磷分別用0.5 mol/L (1/2H2SO4)、0.5 mol/L NH4F、0.1 mol/L NaOH和0.3 mol/L檸檬酸鈉–連二亞硫酸鈉分級連續浸取–鉬銻抗比色法測定；有效鈣和鎂用1 mol/L NH4OAC浸提–火焰原子吸收分光光度法測定；速效鉀用1 mol/L NH4OAC浸提–火焰光度計法測定；有效硅用CH3COOH- CH3COONa緩沖液浸提–硅鉬藍比色法測定[15]。

1.3.2 植株養分指標的測定 植株樣品經 H2SO4- H2O2消解，用納氏比色法測定全氮，鉬銻抗比色法測定全磷，火焰光度計法測定全鉀[15]。

1.4 數據分析

采用 Excel軟件進行數據整理，SPSS19.0 軟件進行方差分析，Duncan法進行多重比較。Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 礦物質調理劑對土壤pH的影響

土壤 pH 是反映土壤酸堿狀況的重要指標，直接影響土壤養分的存在形態、轉化和有效性，進而影響作物的生長發育[16]。圖1為各處理土壤pH在培養過程中的變化趨勢。由圖1可知，培養前期(第4天)，在調理劑施加量為1.0 g/kg和2.0 g/kg時，土壤pH較CK分別顯著增加了0.20和0.34個單位(<0.05)。隨著培養時間的延長，各處理的土壤pH均呈下降趨勢。培養至29 d后，土壤pH趨于穩定。主要原因可能是土壤中尿素水解產生的NH4+可以通過細菌的作用轉化為亞硝酸或硝酸鹽，并產生H+，降低土壤pH[17]，之后隨著硝化反應的減弱，對土壤pH的影響減小。魯如坤和賴慶旺[18]證實，尿素施入土壤7 d左右時就有硝化作用出現，但開始比較緩慢，10 d后硝化作用加速進行，到30 d時即有80% 轉化成硝態氮，30 d后硝化作用以較慢的速度進行。本試驗培養結束后，施加0.5 g/kg調理劑處理土壤pH無明顯變化；施加1.0 ~ 2.0 g/kg調理劑處理土壤pH從5.02提高到5.31 ~ 5.61，較CK增加了0.29 ~ 0.59個單位，差異達到顯著水平(<0.05)。說明施加1.0 ~ 2.0 g/kg調理劑，對施加化肥導致的土壤酸化具有一定的抵抗能力，而施加0.5 g/kg調理劑，效果則不明顯。主要原因可能是：①該調理劑本身呈堿性，其水解出來的OH–能中和土壤溶液中的H+，直接提高了土壤pH[19]。②酸性水稻土中鐵鋁氧化物含量較高，對陰離子具有較強的吸附能力。該調理劑釋放的SO2– 4、SiO4– 4等陰離子可與土壤發生配位交換吸附，釋放出OH-而增加土壤的pH[20]。③該調理劑中的有效成分如硅酸鈣，能和土壤環境中的游離Al3+結合成無定型的羥基鋁硅酸鹽礦物，有利于提高土壤pH[13, 21]。

圖1 礦物質調理劑對土壤pH的影響

2.2 礦物質調理劑對土壤磷素有效性及轉化的影響

2.2.1 礦物質調理劑對土壤有效磷含量的影響 圖2為各處理土壤有效磷含量在培養過程中的變化趨勢。由圖2可知，培養至第4天時，不同處理土壤有效磷水平一致，無明顯差異。培養至第8天時，與CK相比，當施加量為0.5 g/kg 時，土壤有效磷含量無顯著變化；當施加量為1.0 g/kg和2.0 g/kg時，土壤有效磷含量分別提高了16.85% 和22.38%。培養至第15天時，施加0.5、1.0和2 g/kg調理劑處理土壤有效磷含量較CK分別提高了34.54%、21.49% 和24.17%。培養至第22天時，施加0.5、1和2g/kg調理劑處理土壤有效磷含量則分別提高了35.86%、22.09% 和23.84%。培養29 d后，各處理間有效磷含量重新達到無差異水平。這說明施加0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑可以使土壤磷素有效性在磷肥施加后約1 ~ 3周內得到提高。

(圖中小寫字母不同表示同一時間各處理間差異達P<0.05顯著水平，下同)

2.2.2 礦物質調理劑對土壤各形態無機磷含量的影響 在大部分土壤中，無機磷含量約占土壤全磷量的50% ~ 90%。土壤中無機磷化合物幾乎全部為正磷酸鹽，根據結合的主要陽離子不同，可將中酸性土壤無機磷分為4種形態：鈣磷、鋁磷、鐵磷和閉蓄態磷[22]。圖3為土壤培養結束后，各處理土壤中各形態無機磷含量情況。由圖3可知，施加0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑后，土壤鈣磷和閉蓄態磷含量與CK相比無明顯差異；鋁磷含量提高了5.53% ~ 13.83%。這可能是因為調理劑中存在鋁酸三鈣(Ca3Al2O6)[13]，其能與CaSO4·2H2O和水生成難溶的針狀鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，而鈣礬石在酸性條件下可發生水解產生鋁膠。此外，隨著土壤pH 的升高，土壤中的交換性鋁可以聚合成羥基聚合鋁[14]。因此，施用調理劑后土壤鋁磷含量的升高可能是由于該調理劑增加了土壤中羥基鋁含量，從而促進了鋁氧化物對土壤磷素的專性吸附。

從圖3中還可看出，施加不同量調理劑會對土壤鐵磷含量產生不同的影響。當施加量為0.5 g/kg 時，鐵磷含量較CK增加了16.36%；當施加量為1.0 g/kg 時，鐵磷含量較CK無明顯差異；當施加量為2.0 g/kg 時，鐵磷含量下降了7.74%。說明調理劑低施加量下可能有利于土壤氧化鐵的活化，增強對磷素的專性吸附能力；隨著調理劑施加量的增加，土壤中OH–、SO2– 4、SiO4– 4等陰離子含量得到提高，這些陰離子會與磷酸根產生競爭吸附，促進土壤磷素的解吸，逐漸減少鐵氧化物對磷素的固定[23]。

2.3 礦物質調理劑對土壤有效礦質元素含量的影響

鉀、鈣、鎂、硅是植物根系從土壤吸收的維持植物正常生長所需的重要元素。圖4為盆栽試驗結束后，各處理土壤有效礦質元素含量情況。由圖4可知，除交換性鉀外，施加礦物質調理劑有效提高了土壤有效礦質元素含量，且增幅隨調理劑施加量的增大而增大。CK處理中，土壤礦質養分鈣、鎂、硅和鉀的含量分別為1 910.13、102.28、144.83、337.68 mg/kg。與CK相比，施用0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑后，土壤有效鈣、鎂、硅含量分別增加了6.85% ~ 23.08%、16.17% ~ 59.04%、16.35% ~ 46.27%，而速效性鉀含量有所降低。這是因為該調理劑中以枸溶性鋁硅酸鹽形式存在的鈣、鎂和硅，具有緩釋和長期效應，能有效補充土壤礦質養分，而以水溶性硫酸鹽存在的鉀易被作物吸收利用并隨灌溉水淋失。

圖3 礦物質調理劑對土壤各形態無機磷含量的影響

圖4 礦物質調理劑對土壤礦質元素含量的影響

2.4 礦物質調理劑對生菜產量的影響

由表2可知，生菜產量隨礦物質調理劑施用量的增加呈先增后減的趨勢，大小順序為T2>T1>T3>CK。與CK相比，施加0.5、1.0和2.0 g/kg調理劑處理作物產量分別顯著增加了13.79%、33.33%、10.47%(<0.05)。說明施加適量礦物質調理劑，可以有效促進作物生長，提高作物產量；但施加量過大，對作物的增產效果出現下降。

表2 礦物質調理劑對生菜產量的影響

注：同列數據后不同字母表示處理間在<0.05水平上差異顯著，下同。

2.5 礦物質調理劑對生菜營養吸收的影響

從表3可知，施加礦物質調理劑有效提高了生菜對氮、磷、鉀的吸收，增幅均隨調理劑施加量的增加呈先增后減的趨勢，且在施加量為1 g/kg時，達到最大。當施加量為0.5、1.0和2.0 g/kg時，與CK處理相比，氮吸收量分別增加了18.74%、44.26%、14.69%，磷吸收量分別增加了16.59%、52.89%、15.28%，鉀吸收量分別增加了19.45%、42.43%、16.28%，均達到顯著性差異水平(<0.05)。且施加1.0 g/kg調理劑時，生菜氮、磷、鉀含量較CK 處理分別顯著增加了8.20%、14.63%、6.82%(<0.05)；而施加0.5 g/kg和2.0 g/kg調理劑時，生菜氮、磷含量變化不明顯，鉀含量顯著提高(<0.05)。表明施加適量(1 g/kg)調理劑能有效增加作物對氮、磷、鉀等營養元素的吸收，而過低或過高的施加量，都會降低對作物營養吸收的促進效果。

表3 礦物質調理劑對生菜養分吸收的影響

3 討論

本研究表明，化肥配施適量礦物質調理劑能顯著促進作物生長，提高作物產量。綜合分析主要作用機制如圖5所示，即配施調理劑后，在土壤酸性環境改善、有效礦質養分補充、磷素供應水平提高和營養元素的互作關系等因素的共同作用下，作物對氮、磷、鉀等營養元素的吸收得到增強，從而實現作物增產。

圖5 礦物質調理劑促進作物生長機理示意圖

3.1 礦物質調理劑促進土壤磷素有效性機制探討

土壤有效磷是指能夠被植物吸收利用的磷組分，包括全部水溶性磷、部分吸附態磷及有機態磷，有的土壤中還包括某些沉淀態磷。土壤磷的有效化是磷由土壤固相向液相的釋放過程，主要包括無機磷的溶解、吸附態磷的解吸、有機磷的礦化以及磷在遷移過程中與其他土壤組分的反應等[24]。本研究中，CK處理的有效磷含量在培養15 d后達到穩定。施加0.5、1.0和2.0 g/kg調理劑時，有效磷含量分別在培養29、29、15 d后達到穩定，且在培養8 ~ 29 d期間，總體上高于CK處理。說明該調理劑有利于促進土壤磷素有效化，降低磷肥施入土壤后的固定速率，提高土壤的供磷水平。主要原因可能是：①培養前期，土壤呈中性(6.5

3.2 礦物質調理劑對作物營養吸收影響機制探討

植物的營養狀況取決于諸多因子。本研究探討了施用含鈣、鎂、硅等多種元素的礦物質調理劑，對植物營養元素吸收的影響。本研究結果表明，施加適量礦物質調理劑能有效提高植物氮、磷、鉀等營養元素的吸收量，且增加幅度隨著調理劑施加量的增加呈先增后減的趨勢。這可能是因為在多種營養元素共存的同一土壤環境中，植物吸收利用營養元素時，存在著相互協同、拮抗作用[28]。一方面，氮、磷、鉀間互促關系已被證實，其中任何一種養分豐缺都會影響作物對其余兩種養分的吸收利用[29]，所以施加礦物質調理劑后，改善了土壤酸度并提高了土壤磷素供應水平，有利于作物磷素吸收的同時也會促進氮、鉀同步吸收。另一方面，鈣、鎂、硅是植物重要的營養元素，對植物生長發育具有重要作用。大量研究表明，施加適量鈣[30-31]、鎂[32]、硅[33-35]有利于提高植物葉綠素含量，增強光合作用，從而促進植物對氮、磷、鉀等營養元素的吸收，但施加過量會破壞植物光合系統結構，降低光化學效率，影響植物生長。這與本研究中，施加1.0 g/kg調理劑時，植物營養吸收和產量均高于施加量為2.0 g/kg處理的結果相符合。

4 結論

1)施用1.0 ~ 2.0 g/kg調理劑，對施加化肥導致的土壤酸化具有一定的抵抗作用，使土壤pH從5.02提高到5.31 ~ 5.61，較CK增加了0.29 ~ 0.59個單位。但施用0.5 g/kg調理劑，對土壤酸度的改善效果不明顯。

2)施用0.5、1.0和2.0 g/kg調理劑，可以使土壤磷素有效性在磷肥施加后約15 ~ 22、8 ~ 22、8 ~ 22 d得到提高，延緩了土壤磷素固定速率。培養至第15天和第22天時，3種水平施加量下，土壤有效磷含量分別提高了34.54%、21.49%、24.17% 和35.86%、22.09%、23.84%。

3)施加0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑有效補充了土壤礦質元素，使土壤有效鈣、鎂、硅含量分別增加了6.85% ~ 23.08%、16.17% ~ 59.04%、16.35% ~ 46.27%。

4)施加0.5 ~ 2.0 g/kg調理劑有利于促進植物營養吸收，使氮、磷、鉀吸收量分別提高了14.69% ~ 44.26%、15.28% ~ 52.89% 和16.28% ~ 42.43%，并且增產10.47% ~ 33.33%。其中，施入1.0 g/kg調理劑時，效果最佳。因此，農業應用中應控制調理劑施加量，盡量避免土壤–植物系統內營養元素間的拮抗作用發生，而影響養分的吸收。

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Effects of Mineral Conditioner on Soil Nutrient Contents and Nutrient Absorption by Lettuce

GONG Lingting1, SHI Lin1,2*, CAI Rumeng1

(1 School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2 Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters of Education, Guangzhou 510006, China)

Indoor culture and pot experiments were conducted to investigate the effects of nitrogen and phosphorus fertilizer combined with different dosages (0, 0.5, 1.0, and 2.0 g/kg) of mineral conditioner on pH, contents of available phosphorus, calcium, magnesium and silicon in soil as well as on lettuce yields and absorption of nitrogen, phosphorus and potassium by lettuce. The results of indoor culture experiments showed that when the dosage of mineral conditioner was 1.0 g/kg and 2.0 g/kg, soil pH increased from 5.02 to 5.31 and 5.61, thus, enhanced soil anti-acidification ability. Meanwhile, the fixed rate of phosphate fertilizer applied to soil was delayed, the available phosphorus contents increased by 21.49% and 24.17% in 15d and 22.09% and 23.84% in 22d, respectively. The results of pot experiments showed that when the dosage of mineral conditioner was 0.5-2.0 g/kg, soil mineral nutrients were effectively increased, lettuce yields were increased by 10.47%–33.33%, and the uptakes of nitrogen, phosphorus and potassium increased by 14.69% -44.26%, 15.28%-52.89% and 16.28%-42.43%, respectively. So, it is an effective way to apply mineral conditioner for ameliorating soil acidity, replenishing soil nutrients, and increasing crop nutrition absorption and yield.

Mineral conditioner; Soil nutrient; Available phosphorus; Nutrition absorption

國家科技支撐計劃項目(2015BAD05B05+2)、廣州市2016年污染防治新技術新工藝示范和應用項目資助。

celshi@126.com)

龔玲婷(1992—)，女，湖南株洲人，碩士研究生，主要從事土壤修復研究。E-mail: 1761523579@qq.com

S158.3；S147.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.011