風沙土不同用量有機酸土壤調理劑應用效果綜合評價

崔 恒，包興國，車宗賢，邵立明，曹衛東，寶 林，韓杰榮，張久東*

（1．甘肅省農業科學院土壤與肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070；2．農業農村部甘肅耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，甘肅 武威 733017；3．國家土壤質量涼州觀測實驗站，甘肅 武威 733017；4．同濟大學固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；5．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；6．甘肅馳奈生物能源系統有限公司，甘肅 蘭州 730070）

中國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一［1］，雖然近年來我國在荒漠化防治方面成績斐然，但我國仍有超過37萬km2的沙漠化土壤亟待解決［2］。隨著西部開發戰略，該問題也是西北地區亟待解決的核心生態環境問題［3］。而沙漠化土壤中風沙土發育程度較低導致土壤顆粒小、結構松散；保水保肥能力差導致其肥力低下、水分缺失嚴重［4-5］。而傳統對于風沙土的治理主要采用建立大型防護林帶的方式，但土質問題并沒有改善［6］。已有研究表明多種土壤調理劑如生物質炭［7-8］、砒砂巖［9-10］、羧甲基纖維素鈉［11］均能有效地改善土壤本身的理化性狀，從而提高其耕性。

另一方面，據調查，我國城市垃圾產量巨大，餐廚垃圾占比過半，年產超5000萬t［12-13］。遠高于一般垃圾的有機質及水分含量，使其具有極高的利用價值，但也導致其處理難度大幅度提高。傳統的發酵利用方式伴隨酸性物質的累積降低主產物的產率［14］。但這些有機酸物質中高的有機物質含量可以提高風沙土壤肥力，改善土壤理化性狀，酸性物質則可以降低風沙土較高的pH，改善土壤酸堿度的同時也可以提高土壤中養分的有效性，是一種優質的土壤調理劑資源，但目前關于此方面的研究較少。因此，本文采用盆栽試驗，建立不同用量以餐廚垃圾為原料發酵后制備的有機酸土壤調理劑，改良風沙土效果綜合評價方程，對應用效果進行綜合評價。以期為合理利用有機酸土壤調理劑改善風沙土理化性質，提高其耕性提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

盆栽試驗在2020年甘肅省武威市白云村武威綠洲農業綜合試驗站（38°04′ N，102°35′E）進行。當地平均海拔1504 m，年平均溫度7.7 ℃，每年無霜期約150 d，年均降水量170 mm。

1.2 供試材料

供試土壤為武威民勤風沙土，土壤基礎理化性狀見表1；供試作物中玉米品種為先玉335、箭筈豌豆品種為隴箭一號；有機酸土壤調理劑由甘肅馳奈生物能源系統有限公司提供，以餐廚垃圾作為原料，55℃條件下高溫厭氧發酵3 d后加工所得，調理劑基礎性狀：pH 3.52，總碳12.5 g/L，總氮2965 mg/L，總磷242 mg/L，總鉀1402 mg/L，水溶性總鹽13.6 g/L；主要有機酸為乳酸114 mmol/L、乙酸14 mmol/L、丙酸1.6 mmol/L。

表1 土壤基礎理化性狀

1.3 試驗設計

試驗為兩種不同的種植作物以及4個不同調理劑用量的兩因素多水平設計的盆栽試驗，有機酸調理劑共設置4個梯度：C0（0 g/kg）、C1（20 g/kg）、C2（40 g/kg）、C3（60 g/kg），兩種供試作物玉米和箭筈豌豆，共計8個處理，每個處理重復3次，共計24盆。

每盆（上直徑26 cm，下直徑21 cm，高27 cm）中風沙土為10 kg，化肥用量為N 0.44 g/盆、P2O51.55 g/盆，在播種前一次性加入。每盆的調理劑用量從低到高分別為0、200、400、600 g，也在作物播種前一次性施入土壤。

試驗于4月26日播種：玉米20粒/盆、箭筈豌豆30粒/盆，播種后第16 d統計出苗數，然后將玉米間苗至4株/盆、箭筈豌豆15株/盆，于玉米大喇叭口期統一收獲。作物生長期內水分供給通過稱重法，每次加水至12.5 kg，用于后續水分蒸發散失量的計算。

1.4 測定項目與方法

水分蒸發散失測定采用稱重法；土壤樣品通風陰干后過1 mm篩用于速效氮、磷、鉀的測定，過0.149 mm篩用于全量氮、磷、鉀以及土壤有機質含量的測定，測定方法采用鮑士旦［15］的測定方法。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；土壤堿解氮含量采用堿解-擴散法測定；土壤全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀和速效鉀含量采用火焰光度法測定。

1.5 計算與統計方法

采用Excel 2016及SPSS 25.0進行數據的匯總整理、分析以及單因素方差分析和Duncan法多重比較（α=0.05）；用Origin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同調理劑用量對作物種子出苗率的影響

從表2中可以看到，不同的調理劑用量對作物出苗數影響不同。隨著調理劑用量的提升，無論是箭筈豌豆還是玉米的出苗數均呈現先升高后下降的趨勢，在C1處理下出苗數最大。而調理劑用量對于箭筈豌豆出苗率影響更大，C3處理下種子出苗數顯著低于C0、C1處理，兩處理出苗數較C3處理分別提高31.19%、32.81%；但不同調理劑用量下玉米出苗數差異未達到顯著水平。

表2 不同有機酸土壤調理劑用量下作物種子出苗率

2.2 不同有機酸土壤調理劑用量對作物生長期水分蒸發散失量的影響

從圖1中可以看到，在盆栽作物生長過程中水分的蒸發散失量呈現明顯的規律性。無論是箭筈豌豆還是玉米，水分蒸發散失量均隨有機酸土壤調理劑用量的升高而降低。隨著時間的延長，其差異不斷增大。從圖2的水分蒸發散失總量柱狀圖可以明顯看出，當有機酸土壤調理劑用量超過20 g/kg時，C2、C3處理的水分蒸發散失總量顯著降低。調理劑用量為60 g/kg的條件下水分蒸發散失量最低，在箭筈豌豆和玉米兩種作物上相較于C0處理分別顯著下降22.43%和32.42%。說明有機酸土壤調理劑可以降低作物生長期內的水分蒸發散失，提高土壤的保水性，效果與有機酸土壤調理劑用量成正比。

圖1 不同有機酸土壤調理劑用量下作物生長期水分累積蒸發散失量

圖2 不同有機酸土壤調理劑用量下作物水分蒸發散失總量

2.3 不同有機酸土壤調理劑用量下的土壤養分含量

由表3可見，施用土壤有機酸土壤調理劑可顯著提高土壤肥力。對于速效養分而言，在兩種作物上，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的含量隨著有機酸土壤調理劑用量提高不斷提高。C3處理下種植箭筈豌豆和玉米，3種養分含量較未施用處理分別提高167.01%、300.25%、74.32%和70.00%、212.84%、108.28%。對土壤有效磷的影響最大：玉米上，在試驗所設處理梯度下，有機酸土壤調理劑用量每上升一個梯度，有效磷含量均顯著上升；箭筈豌豆上，當有機酸土壤調理劑用量高于20 g/kg時，有效磷含量提升也達到顯著水平。堿解氮含量在C2處理基本達到峰值，繼續提高有機酸土壤調理劑的用量，堿解氮含量則基本保持穩定狀態。全量養分含量以全氮受影響最大，而土壤全鉀含量則基本不隨有機酸土壤調理劑用量的提升而改變。土壤有機質含量亦隨著有機酸土壤調理劑用量的提升而呈現上升的趨勢，但不同的處理之間差異不顯著。

表3 不同有機酸土壤調理劑用量下土壤養分含量

2.4 不同有機酸土壤調理劑用量下土壤有效養分占全量養分比例

從表4可見，在不同的作物下，隨著土壤調理劑用量的上升，氮、磷、鉀元素的有效養分占比變化不盡相同。在箭筈豌豆上，磷鉀元素有效養分占比隨著有機酸土壤調理劑用量的提升而提高，磷占比的提升效果更明顯，C3處理較C0處理提高264.18%；而堿解氮占全氮比例隨著調理劑用量的提高出現先升高后下降的趨勢；在C2處理下達到最大值，較C0處理提高115.83%。在玉米上，隨著調理劑用量的提升，氮、磷元素有效養分占比均出現先升高后下降的趨勢，亦在C2處理下達到峰值；而鉀元素有效養分占比則隨著調理劑用量提升不斷提高。

表4 不同有機酸土壤調理劑用量下土壤有效養分占比 （%）

2.5 不同有機酸土壤調理劑用量下土壤鹽分含量

從表5中可以看到，隨著有機酸土壤調理劑用量的提高，土壤中硫酸根離子、鈣離子、鎂離子的含量無顯著變化，但土壤中碳酸氫根離子、氯離子、鉀離子以及鈉離子含量隨著有機酸土壤調理劑用量的提升基本呈提高的趨勢。而C1處理離子含量與未施用有機酸土壤調理劑的C0處理基本持平或者略微上升。從全鹽含量也可以看到C0、C1處理全鹽含量基本持平，而C2、C3處理下全鹽含量有提升趨勢，但不同處理間全鹽含量差異未達到顯著水平。

表5 不同有機酸土壤調理劑用量下土壤各離子及全鹽含量

2.6 不同有機酸土壤調理劑用量效果綜合評價（主成分分析）

對不同有機酸土壤調理劑用量下風沙土上種植的兩種作物的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷、全鉀、碳酸氫根、氯離子、硫酸根、鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子、出苗數共計15個指標進行主成分分析。在玉米和箭筈豌豆上均提取出兩個主成分，累積貢獻率分別為94.98%和91.56%（表6），基本保留了原來指標的信息，因此可以用兩主成分對不同有機酸土壤調理劑用量的效果進行可行性評價。載荷值的大小表示對應指標對相應主成分的影響的顯著性，從載荷值表中可以看到：對于風沙土上種植玉米來說，對PC1貢獻較大的是速效鉀、有效磷、鉀離子、鈉離子、氯離子、全鉀、堿解氮、有機質、全氮，對PC2貢獻較大的是鈣離子、鎂離子、有機質、出苗數；對于風沙土上種植箭筈豌豆來說，對PC1貢獻較大的是有效磷、堿解氮、速效鉀、全氮、氯離子、鉀離子、鈉離子；對PC2貢獻較大的是鎂離子、硫酸根離子、全鉀、全磷、碳酸氫根離子、有機質。

表6 主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率

進一步根據所得主成分載荷值和特征值（表7、8）可以得到主成分的特征向量，最終可以得到主成分的表達式如下：

表7 風沙土玉米主成分載荷向量及特征系數

玉米：

箭筈豌豆：

式中：Y1和Y2分別表示各主成分，X1～X15分別代表堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷、全鉀、碳酸氫根、氯離子、硫酸根、鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子和出苗數。

將不同主成分的貢獻率作為分配系數，結合不同的主成分表達式可以構建綜合評價模型方程為：

玉米：

箭筈豌豆：

根據綜合評價模型，不同處理綜合評價得分如表9所示。在風沙土上種植的兩種作物不同處理的得分均為C3＞C2＞C1＞C0，得分隨著有機酸土壤調理劑用量的提升而不斷提高。

表8 風沙土箭筈豌豆主成分載荷向量及特征系數

表9 各處理綜合得分

3 討論

3.1 有機酸土壤調理劑對土壤肥力的影響

風沙土發育程度較低，養分含量低；結構松散，保水保肥能力差，無法滿足作物生長需求是其作為障礙性土壤的主要原因［16］。已有研究表明，餐廚垃圾干物質主要以糖類、油脂及蛋白質等有機物為主，且有豐富的氮、磷、鉀、鈣等元素，有機酸土壤調理劑產品施入土壤后可以顯著提高土壤中有效養分的含量［13，17］。本研究也發現，風沙土施入有機酸土壤調理劑后，土壤養分含量顯著上升，對土壤有效磷含量的提升尤為明顯，這可能與供試土壤堿性較強，而有機酸土壤調理劑中累積的酸性物質降低土壤堿性，提高土壤中磷的有效性有關［18-19］。而兩種不同類型的應試作物中以箭筈豌豆提升效果更優，可能與豆科作物固氮作用下高的氮碳比下微生物的活性更強有關［20］。土壤有機質含量也隨著有機酸土壤調理劑用量的提高表現出提升的趨勢。

3.2 有機酸土壤調理劑對水分蒸發散失量的影響

本研究發現，風沙土施用餐廚垃圾制備的土壤有機酸土壤調理劑后，無論種植的作物是箭筈豌豆還是玉米，均可以顯著地減少生長期內水分的蒸發散失總量，減少量隨著有機酸土壤調理劑用量的上升不斷提高。這可能與有機酸土壤調理劑中可以提高土壤水穩性團聚體質量分數和土壤的持水能力有關［21］。

3.3 有機酸土壤調理劑對種子出苗率的影響

種子的萌發及出苗質量是決定后期生長發育的關鍵階段［22］，有機酸土壤調理劑可以顯著地提高土壤肥力、降低水分蒸發散失，但出苗率隨著土壤有機酸土壤調理劑用量的提升出現先升高后下降的趨勢，這可能與有機酸土壤調理劑的施用伴隨著鹽分的攜入有關。而前人的研究也發現，高的鹽分含量將顯著地降低作物的出苗率，這可能與滲透脅迫、離子失衡及毒害作用密切相關［23-24］。但是并非鹽分攜入均會顯現負面效應，有研究表明，作物對含鹽量有一定的忍耐性，低濃度的鹽溶液不會對鹽穗木造成脅迫［25］，甚至有研究發現鹽溶液在較低的濃度條件下還可以促進作物出苗［26］，這與本研究的低濃度促進、高濃度抑制的結果一致。而從不同有機酸土壤調理劑用量下各鹽基離子含量表中發現土壤中碳酸氫根離子、氯離子、鉀離子以及鈉離子含量提高趨勢明顯，這可能與有機酸土壤調理劑中除高量的有機質含量之外，還存在著諸多離子，如鉀離子、鈉離子、氯離子、硫酸根離子等有關［27］，而后續的主成分分析也可以發現，除了堿解氮、速效鉀等養分含量之外，鉀離子、鈉離子、氯離子、鎂離子等均具有較高的載荷值，對應用效果的綜合得分影響較大，但從全鹽含量來看，全鹽含量差異較小，且均未達到鹽堿化土壤的水平。可能是風沙土本來就是一種障礙性土壤，土壤質量較差，導致在風沙土上種植的作物抗逆性較差。另一方面也可能與有機酸土壤調理劑施用于播種之前，而種子萌發期被認為是整個生活史中抗逆性最薄弱的時期，相對鹽害率最大，導致出苗率較低［28-29］。但施用土壤有機酸土壤調理劑后，土壤理化性質均顯著改善。利用主成分分析對各項指標進行綜合分析也發現，隨著調理劑用量的提高，綜合評分不斷提高。因此，將有機酸土壤調理劑施用時期后移，避開作物生長敏感期或者分次施用，減少萌發期鹽分的攜入，施用效果可能更好。

4 結論

風沙土上施用調理劑可以顯著地降低生育期內水分的蒸發散失，顯著提高土壤中氮、磷、鉀養分的含量，土壤中有機質含量也有提高的趨勢，應用效果在本試驗所設梯度下與土壤有機酸的調理劑用量成正比，而兩種作物又以箭筈豌豆的應用效果更佳。雖然隨著調理劑用量的提高除有益元素含量提高外，還會攜入鈉離子、氯離子等有害離子，出苗率也出現先升高后降低的趨勢，但利用主成分分析對15個指標進行綜合分析，發現其綜合評分還是隨著調理劑用量的提高而提高。因此，應在高的調理劑用量下將有機酸土壤調理劑施用時期后移，避開作物生長敏感期或者分次施用，減少萌發期鹽分的攜入，施用效果可能更好。