土壤改良劑PAM在生土改良中的應用及效果①

邵社剛， 李婷， 朱立安， 曾清蘋， 倪棟， 林梓

1.交通運輸部公路科學研究院 公路交通環境保護技術交通運輸行業重點實驗室，北京 100088；2.廣東省科學院生態環境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣州 510650

表土(熟土)資源是一種不可再生資源, 隨著持續的社會經濟發展, 人地矛盾突出, 諸如工程建設破壞表土資源、 占用耕地等問題日益加劇, 致使生土裸露、 耕地資源數量減少和質量下降[1-3]． 在土地復墾過程中, 土壤的快速熟化成為恢復土地生產力的關鍵[3]． 生土即是深層土壤, 未經過耕作及利用, 具有較強母質屬性, 土壤物理、 化學性質不良, 缺少有益微生物、 內生物小循環和抗生機制． 而熟土是具備生物循環、 抗生功能的土壤[4-5]． 生土熟化是生土逐漸向熟土轉化的過程, 但其在自然條件下尤為漫長． 許多工程跡地、 高標農田建設等表土資源缺乏, 往往拆東墻補西墻, 造成資源的二次破壞, 因此有針對性地提出改良土壤的具體措施, 從根本上實現生土快速熟化成為研究者的重要任務．

深耕、 秸稈還田和施用土壤改良劑等措施是農業生產中促進生土熟化的常用方法, 其中施用土壤改良劑具有增加土壤養分、 優化土壤結構、 提高微生物活性、 改善土壤微環境等作用, 是土壤農藝調控措施的重要手段[6-8]． 其中, 研究者通過模擬天然高分子物質的分子結構和性質并通過人工合成高分子聚合物作為土壤改良劑, 結果表明, 該類高分子材料在改善土壤物理結構, 提高土壤穩定性方面均有良好的效果[9-10]． 高分子材料如聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)因具有獨特分子結構、 豐富的活性基團和良好的黏結性, 在土壤物理性質改良方面具有實質效果, 受到廣泛關注[10]． PAM是一種線型水溶性高分子聚合物, 水溶性好, 無毒, 具有很強的黏聚作用[11]． 研究表明, PAM可通過降低土壤容重, 增加大團聚體含量, 改善土壤結構, 增強土壤保水、 持水性能[11-13], 可吸附固定土壤養分, 具有較好的保肥能力, 減少土壤養分流失[14-15]． 此外, PAM還可促進作物生長, 提高作物產量[16]． 但其施用效果因施用量、 土壤和養分類型等不同而存在差異． 研究表明, 不同有機和無機土壤改良劑可通過改善土壤理化和生物學特性等方式增加土壤養分、 提高土壤質量[17]． 且目前施加PAM對生土土壤養分改良效果的研究尚缺乏報道, 基于此, 本研究開展了室內盆栽模擬試驗, 分析不同PAM施用量配施生物肥和微生物肥對生土土壤養分含量、 水穩性團聚體結構和作物生長的影響, 以期為PAM在生土土壤改良中的應用提供參考依據．

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生土土壤基本理化性質為: pH值為6.39, 全氮為0.03 g/kg, 全磷為0.65 g/kg, 全鉀為2.00 g/kg, 堿解氮為5.95 mg/kg, 速效磷為5.68 mg/kg, 速效鉀為108.96 mg/kg． 供試菌劑為復合菌劑, 主要菌種為巨大芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌, 有效活菌數超過1.0億個/g, 購于河北閏沃生物技術有限公司． 供試蚯蚓糞購于佛岡沃土農業科技有限公司, 其養分含量為有機質61.7%, 全氮為2.6%, 全磷為3.5%, 全鉀為0.9%, 總養分(N+P2O5+K2O)為7%． 供試聚丙烯酰胺PAM, 陰離子型, 相對分子質量15萬左右, 購于鞏義市振宇凈水材料廠．

1.2 試驗設計

采用室內盆栽模擬試驗, 風干過篩的土樣充分混合后, 分別稱取2.0kg, 置于口徑16.6 cm、 高14 cm內襯塑料袋的塑料盆中．

設置不同施用量梯度PAM配施蚯蚓糞和復合生物菌劑, 蚯蚓糞與土樣按質量比5%進行混合, 復合生物菌劑與土樣按質量分數0.1%均勻層施于6～8 cm處． 其中, 設5個PAM施用量梯度, 即PAM施量與土樣按質量分數0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%進行混合; 另設不加入改良劑(CK)和單施5%蚯蚓糞和0.1%復合生物菌劑(CK1)作為對照處理． 共7個處理, 每處理重復3次, 共21盆．

于2021年8月20日播種, 將1 g狗牙根凈種均勻撒播于表層土壤1～2 cm處, 作物生長期間每天進行必要的水分灌溉管理, 控制土壤含水量為田間持水量的80%, 于10月23日收獲．

1.3 測定指標與方法

作物生長9周后收獲, 植株地上部和地下部分別收獲, 洗凈后105 ℃殺青30 min, 70 ℃烘干至恒質量, 測定并記錄干質量．

植株根冠比計算方法: 根冠比=根系生物量/ 地上生物量

供試土壤有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法; 全氮測定采用硫酸消煮, 堿解擴散法; 全磷和全鉀采用氫氧化鈉熔融法, 分別用鉬銻抗比色法和火焰光度計測定． 土壤水穩性團聚體測定采用Elliott[18]土壤團聚體濕篩法測定．

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行統計處理, 運用SPSS 21.0進行數據分析, 對所有數據進行正態性和方差齊性檢驗; 符合正態分布和方差齊次, 則對不同施用量處理梯度的差異進行單因素方差(One-way ANOVA)分析, 使用Tukey檢驗, 反之則使用韋爾奇方差(Welch’s ANOVA)分析, 使用Games-Howell檢驗,p<0.05表示差異有統計學意義; 使用Origin 2021繪圖．

2 結果與分析

2.1 不同PAM施用量對植株生長的影響

CK1和PAM配合施肥均可使狗牙根地上部和根系生物量顯著增加(圖1)． 與CK處理相比, 在CK1處理下, 狗牙根地上部和根系生物量分別顯著增加26.7和4.9倍(p<0.01); 施用PAM配合施肥處理狗牙根地上部和根系生物量分別顯著增加36.1～48.7,3.8～8.4倍(p<0.05), 說明施用PAM配合施肥可促進作物生長, 提高作物產量． 但其促生作用隨施用量的增加而存在差異, 各處理中以0.1%PAM對狗牙根生長的促生作用最佳．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統計學意義(p<0.05)．圖1 不同PAM施用量對植株生長的影響

2.2 不同PAM施用量對植株根冠比的影響

CK1和PAM配合施肥處理均可使狗牙根根冠比顯著降低(p<0.001)(圖2), 但兩者差異無統計學意義． 與CK相比, CK1可使狗牙根根冠比顯著降低81.7%, PAM配合施肥處理可使狗牙根根冠比均顯著降低83.1%～92.3%, 其中0.5%PAM可使狗牙根根冠比降低92.3%．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統計學意義(p<0.05)．圖2 不同PAM施用量對植株根冠比的影響

2.3 不同PAM施用量對土壤養分的影響

CK1處理顯著降低了土壤速效鉀含量, 但對其他土壤養分含量無顯著影響． PAM配合施肥處理顯著增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量(p<0.01), 顯著降低了土壤速效鉀含量(表1)． 隨著PAM施用量的增加, 土壤有機質、 全氮、 全磷、 全鉀和速效鉀含量總體表現為下降趨勢, 在0.1%PAM處理下為最大值, 而土壤堿解氮和速效磷含量總體表現為增加趨勢, 其最大值分別出現在0.4%PAM和0.5%PAM處理下． 與CK處理相比, 0.1%PAM處理下土壤全磷、 堿解氮含量分別顯著增加12.3%和119.0%(p<0.01)．

表1 不同PAM施用量對土壤養分的影響

2.4 不同PAM施用量對土壤水穩性團聚體結構的影響

CK1和PAM配合施肥處理均對生土土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量有顯著影響(p<0.001)(圖3)． 與CK處理相比, CK1處理顯著增加了生土土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量(p<0.05), 增幅為14.2%; 在PAM配合施肥處理下, 生土土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量顯著增加20.2%～70.6%(p<0.001)． 其中, 隨著PAM施用量的增加, PAM對土壤水穩性團聚體形成的促進作用呈先增后減趨勢, 在0.3%PAM處理下, >0.25 mm水穩性團聚體含量為最大值, 隨后其含量顯著降低, 說明PAM施用量超過一定限度對土壤水穩性團聚體形成的促進作用減弱, 在本試驗條件下, 以0.3%PAM對土壤>0.25 mm水穩性團聚體形成的促進作用最佳．

注: 圖中小寫字母不同表示不同處理間差異有統計學意義(p<0.05)．圖3 不同PAM施用量對土壤>0.25 mm水穩性團聚體的影響

由表2可知, CK1和PAM配合施肥處理均顯著影響生土土壤各粒級團聚體含量(p<0.05), 主要是使2.00～0.25 mm水穩性團聚體含量增加, <0.25 mm水穩性團聚體含量降低． 0.3%PAM處理下, 土壤1.00～2.00,0.50～1.00和0.25～0.50 mm水穩性團聚體含量為最大值, 較CK處理分別顯著增加472.6%,33.7%和52.4%(p<0.001); <0.25 mm水穩性團聚體含量為最小值, 較CK處理顯著降低42.3%(p<0.001)． 當PAM施用量超過0.3%時, 1.00～2.00,0.50～1.00和0.25～0.50 mm水穩性團聚體含量呈下降趨勢, <0.25 mm水穩性團聚體含量呈上升趨勢, 對生土土壤水穩性團聚體含量改良作用降低．

表2 不同PAM施用量對土壤各粒級團聚體含量的影響

3 討論

施用PAM可促進作物生長, 這已在較多作物中得以證實． 許景鋼等[19]的研究表明, 常規施肥配施PAM可使大豆根長增加, 大豆增產3.1%～9.4%; 廖麗佳等[20]的研究表明, 施用1%PAM浸種后栽種, 馬鈴薯產量和商品薯率較對照分別提高24.8%和63.3%; 劉小三等[21]的研究表明, 施用PAM能不同程度地提升糯玉米鮮棒產量和地上部鮮生物量, 其平均增幅分別為8.5%和12.0%; 丁宇等[22]的研究表明, 施用PAM有利于平邑甜茶幼苗的生長, 植株的株高和總鮮樣質量均顯著高于對照． 在本研究中, 添加PAM的處理均促進了狗牙根地上部生物量的增加, 增幅為36.1～48.7倍, 綜合植株地上、 地下部生物量均表現為0.1%PAM促生效果最好, 與文獻[19-22]的研究具有一致性． PAM對狗牙根生長存在促生作用, 究其原因, 首先, PAM作為一種保水劑, 具有保肥效果, 對養分釋放具有緩釋作用, 可滿足狗牙根生長過程中對養分的需求[22-24]; 其次, PAM可將<1 mm的水穩性團聚體聚合為更大粒徑的水穩性團聚體, 使>1 mm的水穩性團聚體含量增加, 從而有效改善土壤物理性狀和水分運移, 滿足狗牙根生長對水、 氣的要求, 為其生長創造適宜的生長環境[12-13,21]; 此外, PAM能提高可提取態P含量和土壤中微量元素的有效性, 這些物質通過范德華力與PAM結合, 參與根際反應, 最終被植株吸收利用[25-26], 從而促進其生長．

土壤養分是土壤綜合肥力評價的根本, 是土壤肥力的核心, 對維持生態系統的可持續性和生產力發揮著關鍵性作用． 而土壤理化性質與土壤養分狀況息息相關, 可體現土壤質量, 其中, 氮、 磷等是影響生態系統結構和功能的主要因素之一, 其含量的高低對植物的生長和生產力水平起著十分重要的影響作用[27-28]． 劉慧軍等[29]的研究表明, PAM施入燕麥田土壤, 可提高土壤有機質、 堿解氮、 速效磷和速效鉀的含量; 劉海林等[30]的研究表明, PAM與肥料混合施用可使膠園肥穴0～20 cm 土層中硝態氮、 速效鉀含量顯著增加138.6%和117.4%, 銨態氮含量增加32.7%; 王峻[26]的研究表明, PAM施于河道底泥可不同程度地提高底泥硝態氮、 銨態氮和堿解氮的含量, 且1 350 mg/kg PAM處理可顯著提高底泥速效鉀含量． 在本研究中, 施用PAM配合施肥處理顯著增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量, 與文獻[26,29-30]的研究具有相似性． 這可歸因于PAM對土壤結構的改善, 使土壤具有良好的氣相、 液相、 固相, 進而改善土壤質量, 提高土壤養分[29]． 此外, 在本研究中, 施用PAM配合施肥處理下生土土壤速效磷含量無顯著變化, 而速效鉀含量顯著降低, 表明植株對土壤養分的吸收利用程度存在差異．

適宜的固、 液、 氣三相組成良好的土壤結構, 而土壤團聚體作為土壤結構的基本單位, 其數量和質量是衡量土壤結構性好壞的重要指標[31]． 土壤水穩性團聚體指由性質穩定的膠體膠結團聚而形成的粒徑>0.25mm的土壤團粒, 具有抵抗水破壞能力, 在水中浸泡、 沖洗而不易崩解的特點[12]． 對土壤養分循環、 調節水肥氣熱和維持作物生長等具有重要作用[26]． Lentz 等[32]在黏壤土中施用 PAM 后發現土壤水穩性團聚體的含量比未施用PAM土壤顯著增加3～4倍; 曹麗花等[12]將PAM施于黑壚土、 黃綿土、 風沙土發現, 隨著PAM施用量的增加大于0.25 mm水穩性團粒含量明顯增加; 王峻[26]施用PAM于河道底泥, 結果表明, 添加 PAM 處理的水穩團聚體含量分別顯著提高了14.0%～24.8%． 在本研究中, 施用PAM處理的生土土壤>0.25mm水穩性團聚體含量顯著增加20.2%～70.6%(p<0.001), 與文獻[12,26,32]的研究具有相似性． 這可歸因于PAM對土壤<0.25mm顆粒的吸附作用, 使其聚合為粒徑更大的水穩性團聚體[12,26]．

4 結論

在本試驗條件下, 不同PAM用量與蚯蚓糞、 復合菌劑混合施用對狗牙根生長及生土土壤養分、 水穩性團聚體結構的影響顯著, 與CK相比, 均顯著促進了狗牙根的生長, 降低了根冠比, 增加了生土土壤全磷、 堿解氮含量, 提高>0.25 mm水穩性團聚體含量, 其中以PAM施用量0.1%對狗牙根生長的促生作用和生土土壤全磷、 堿解氮含量的培肥作用最佳, 以0.3%對生土土壤水穩性團聚體含量改良作用最好． 因此應用農藝措施改良生土土壤, 應依據具體改良目標, 合理調整PAM用量．