改良剂对粉砂质涂地土壤水稳定性团聚体形成和养分供应能力的影响

谢国雄1，季淑枫1，孔樟良2，应金耀3

（1杭州市植保土肥总站，杭州310020；2建德市农业局，浙江建德311600；3萧山区农业局，浙江萧山311200）摘要：比较了国内外常用的3 种结构改良剂（聚丙烯酰胺、β-环糊精和腐殖酸）对促进粉砂质涂地土壤水稳定性团聚体形成的效果，分析了应用结构改良剂对土壤养分供应能力的影响。结果表明，施用3种结构改良剂均可在一定程度上促进水稳定性团聚体的形成，水稳定性团聚体的数量随改良剂用量增加而增加。3 种改良剂对水稳定性团聚体的改良效果由高至低顺次为：聚丙烯酰胺>β-环糊精>腐殖酸。聚丙烯酰胺和β-环糊精的适用量以0.20%为宜。施用腐殖酸对土壤氮、磷、钾养分供应影响不明显；但聚丙烯酰胺和β-环糊精可明显改变土壤养分的供应状况。对于施肥后再施用改良剂的土壤，土壤释放养分的能力有一定的减弱；而对于施改良剂后再施肥料，土壤对化肥中养分的吸持能力减弱，供肥能力增加。

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关键词：结构改良剂；砂质土壤；水稳定性团聚体；养分供应能力

中图分类号：S153 文献标志码：A 论文编号：2014-0464

Effects of Amendments on Formation of Water-Stable Aggregates and

Supply Capacity of Nutrients in Silty Coastal Soil

Xie Guoxiong1, Ji Shufeng1, Kong Zhangliang2, Ying Jinyao3

(1Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station, Hangzhou 310020, Zhejiang, China;2Agricultural Bureau of Jiande City, Jiande 311600, Zhejiang, China;3Agricultural Bureau of Xiaoshan District, Xiaoshan 311200, Zhejiang, China)

Abstract: A pot incubation experiment was conducted to compare the effects of three structure modifiers(polyacrylamide, β-cyclodextrin, and humic acid), used widely at home and abroad, on formation of waterstableaggregates and supply capacity of nutrients in a silty coastal soil. The result showed that application ofeach of three structure modifiers could improve the formation of water-stable aggregates in the soil, and theamounts of >0.25 mm water-stable aggregates in the soil increased with increasing the rates of the modifiers.The improved effects decreased in the order of polyacrylamide > β-cyclodextrin > humic acid. The optimaldosage of polyacrylamide and β-cyclodextrin for modifying soil structure was about 0.20%. Application ofhumic acid had no significant effect on supply capacity of nutrients in the soil. However, application ofpolyacrylamide and β-cyclodextrin could change supply capacity of nutrients in the soil. The soil, added withmodifiers after application of chemical fertilizers, had weaker supply capacity of nutrients as compared withcontrol without application of any amendments. While the soil, added with chemical fertilizers afterapplication of modifiers, had stronger supply capacity of nutrients as compared with control.

Key words: Structure Modifiers; Sandy Soil; Water-Stable Aggregate; Supply Capacity of Nutrients

0 引言

土壤结构稳定性是土壤理化性状中一个非常重要的参数，其不仅影响植物生长所需的土壤水分和养分的储量与供应能力，而且还左右着土壤中气体交流、热量平衡、微生物活动及根系的延伸等。水稳定性团聚体的数量可反映土壤结构的稳定性[1-2]。在农业生产中，通过各种途径提高土壤结构的稳定性将有助于提高土壤的生产力。滨海涂地是浙江省重要的土地资源，其土壤质地和化学性质有较大的空间变化，其中分布在钱塘江两岸的涂地主要呈（粉）砂质[3]。这些土壤因质地较轻，缺乏无机胶体，土壤有机物质低，土壤多呈散粒状，在降雨时极易受到冲刷，发生显著的水土流失。因这些土壤缺乏对有机质保护的矿物胶体，有机物质的矿化速率高，进入土壤的有机物质可在短时间内矿化，有机质不易积累，因此采用常规的施有机肥的方法较难提高这些土壤的水稳定性团聚体，改善土壤的结构性。土壤结构改良剂的研究至今已有一百余年的历史，目前土壤结构改良剂主要应用于美国、俄罗斯、利比亚、科威特、比利时等石油产品丰富的国家，中国随着化学工业的发展近年来也逐渐重视。已经研究与应用的结构改良剂包括天然土壤结构改良剂和人工合成土壤结构改良剂二大类，前者包括腐殖酸类、多聚糖类、纤维素类、木质素类等，后者包括聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺(PAM)类、沥青乳剂和聚丙烯腈等[4-6]。这些改良剂在土壤中有较高的稳定性，毒性弱，试验应用中都显示出一定的效果，可有效改善土壤结构、提高土壤蓄水能力、提高土温、增强抗蚀性[7-13]。浙江省土壤改良研究已有较长的历史，但以往的研究中多采用施用有机肥、石灰和客土法来改善土壤结构性，针对不同土壤结构改良剂对土壤结构性影响研究不多。而一些高分子类的改良剂目前在中国也多用于北方地区的土壤改良[7-9]。为了探索这些改良剂是否适于浙江省砂质土壤的改良，笔者选择了国内外常用的3 种结构改良剂（聚丙烯酰胺、β-环糊精和腐殖酸），研究其对粉砂质涂地土壤水稳定性团聚体形成的效果，分析了应该结构改良剂对土壤养分供应能力的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤供试土壤质地呈粉砂质，土壤类型为淡涂砂（属潮土），采自杭州市萧山区。采集土壤为耕作层，采样深度0~20 cm。土样经风干混匀后用于试验，土壤理化性状见表1。

1.1.2 供试改良剂供试改良剂包括PAM、β-环糊精和腐殖酸。PAM是一种人工合成的水溶性高分子有机聚合体，呈白色颗粒；β-环糊精是由直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的含7个葡萄糖单元的环状低聚糖类物；腐殖酸是以泥炭、褐煤为原料制成的褐腐酸钠，是一类多环稠环有机化合物，其结构类似土壤腐殖质。

1.2 试验设计与方法

试验因素包括结构改良剂种类、结构改良剂用量、化肥与改良剂施用次序等3 方面。结构改良剂种类包括PAM、β-环糊精和腐殖酸等3 种；结构改良剂用量（以干土为基准）设0.05%、0.10%、0.20%和0.50%，同时设不施结构改良对照；化肥与改良剂施用次序包括先施肥后施改良剂与先施改良剂后施肥等2 种，施入NH4-N、NO3-N、PO4-P 和K等养分（以干土为基准）数量分别为25、25、30、30 mg/kg，相应的化肥分别为氯化铵、硝酸钠、磷酸二氢钙和氯化钾。共有25 个处理，每一处理重复3次。

试验在直径25 cm 高20 cm 的塑料容器中进行，用土量各为3.5 kg。供试土壤改良剂施用量和肥料用量根据设定的比例与土壤实际重量计算。对于先施肥料后施改良剂的处理，先将肥料与土壤充分混匀后，加入适量的水，使土壤含水量达到田间持水量的75%左右，装入培养容器中，培养1 周后，再与需加入的改良剂混匀，重新装盆；对于先施改良剂后施肥料的处理，先将改良剂与土壤充分混匀后，加入适量的水，使土壤含水量达到田间持水量的75%左右，装入培养容器中，培养1 周后，再与需加入的肥料混匀，重新装盆；重新装盆后继续培养2 个月，其间，在土表覆3 层砂布以防止加水直接冲刷土壤，培养期间根据重量法加入去离子水使土壤含水量保持在相当于田间持水量的70%~80%。培养2 个月后，利用环刀法测定密度，用湿筛法测定水稳定性团聚体；部分土壤经风干后过2 mm土筛用于有效养分的测定。

土壤pH用电位计测定，土水比为1∶2.5；土壤密度用密度圈测定[14]；土壤中的有机碳用重铬酸钾外加热法测定；NH4-N、NO3-N用2 mol/L KCl 提取，纳氏试剂比色法和紫外分光光度法测定[15]。土壤有效磷(OlsenP)用0.5 mol/LNaHCO3(pH 8.5)溶液提取，比色法测定[14]；速效钾用1 mol/L 醋酸铵提取[14]；钾用火焰光度计法测定。数据采用Microsoft Excel 2003 软件处理，本研究数据为3个重复分层土样分析结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 土壤密度

化肥与改良剂施用次序对土壤密度与土壤水稳定性团聚体的组成影响均不明显，故在研究改良剂施用对土壤密度与土壤水稳定性团聚体影响分析时，把先施肥后施改良剂与先施改良剂后施肥等2 类试验结果合并统计（表2）。施用改良剂后，土壤密度有所下降（表2），所有施用改良剂的土壤密度均低于对照土壤(1.62 g/cm3)，这一结果表明施用结构改良剂可增加内部孔隙，改善土壤通气性。其中，当改良剂用量在0.10%以上时，土壤密度都显著低于对照处理。当结构改良剂用量为0.05%时，只有施用腐殖酸的处理土壤密度显著低于对照土壤。总体上，改良剂降低土壤密度的效果是腐殖酸>β-环糊精>PAM。

2.2 土壤水稳定性团聚体

表2结果表明，施用3种结构改良剂均显著提高了土壤中的大粒径团聚体。当相同数量的改良剂被应用时，对水稳定性团聚体的增加效果是PAM>β-环糊精>腐殖酸。土壤经不同浓度的PAM处理后，大团聚体随PAM浓度的增大而有很大程度的增加，对照土壤因缺乏胶结物质，基本上无>5 mm的水稳定性团聚体，但当施用0.05%PAM后，已出现了约4%的>5 mm的水稳定性团聚体；当PAM 施用浓度增大至0.10%和0.20%时，>5 mm的水稳定性团聚体呈成倍增加，当PAM的施用量从0.20%至0.50%时，>5 mm的水稳定性团聚体增幅有所减缓。同样，对于>2 mm和>0.25 mm水稳定性团聚体，当PAM施用量在0.20%以内时，其增幅非常明显，当PAM施用量从0.20%增至0.50%时，水稳定性团聚体的增幅逐渐减缓。这表明对于研究土壤，添加0.20%浓度的PAM已足够维持其较高的水稳定性团聚体的数量。施用β-环糊精对土壤各粒级水稳定性团聚体的影响的变化趋势基本上与施用PAM相似，其合适的用量也约为0.20%，但施用β-环糊精增加土壤水稳定性团聚体的幅度均低于PAM，特别是其对>5 mm团聚体的影响明显小于PAM。施用腐殖酸对>5 mm和>2 mm水稳定性团聚体形成的促进作用相对不明显，特别是当其添加浓度低于0.10%时，几乎对>5 mm和>2 mm水稳定性团聚体没有影响，但对于>0.25 mm水稳定性团聚体的形成影响较为明显，这说明施用腐殖酸对2.00~0.25 mm 粒级的团聚体形成影响较大。但施用腐殖酸的水稳定性团聚体的数量也只有施用PAM团聚体的一半略多。水稳定性团聚体随腐殖酸浓度的增加似乎没有像施用PAM和β-环糊精在高浓度时减缓的现象，前者随浓度增加呈直线增加。

2.3 土壤有效养分

从表3和表4的分析结果可知，先施肥后施改良剂与先施改良剂后施肥这2 类处理的土壤养分随结构改良剂施用与否及改良剂施用量增加的变化趋势并不相同。对于先施肥后施改良剂的处理，与对照比较，添加PAM和β-环糊精等2 种结构改良剂后，土壤中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效钾含量呈现下降趋势（表3），下降程度随改良剂添加量的增加而呈现增加。但添加腐殖酸对养分影响不明显。而对于先施改良剂后施肥的处理，与对照比较，添加PAM和β-环糊精等2 种结构改良剂后，土壤中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效钾含量呈现增加的趋势（表4），上升程度随改良剂添加量的增加而呈现增加。导致二者差异的原因可能是结构改良剂与土壤、养分间发生了一定的作用。

3 讨论

以上研究结果表明，施用改良剂后土壤密度有所下降，改善了土壤通气性，这显然与改良剂改变了土壤结构组成有关。有研究表明[16]，土壤结构改良剂多属于保水剂，它们可导致土壤体积膨胀，降低土壤密度。孙云秀等[17]的田间试验表明，地表喷施土壤结构改良剂，可降低密度0.01~0.03 g/cm3，增加孔隙度8.0%~8.3%。汪德水[18]的试验表明，施用干土重量0.05%~0.30%的PAM可降低密度6%~10%，增加透气性0.20~3.53倍。

施用3 种结构改良剂均显著提高了土壤中的大粒径团聚体，但不同改良剂的作用效果有所差异，并随改良剂施用量的变化而变化。腐殖酸对土壤水稳定性团聚体形成的促进作用不及PAM和β-环糊精，可能与腐殖酸的分子链相对较短有关。PAM和β-环糊精为典型的高分子化合物，由于它们的分子量高，单个分子链上所能结合的土壤颗粒越多，因此形成的聚合物的稳定性较高。它们与土壤物质的作用机理可能与这些改良剂含有羧基、羟基、胺基、磺酸基、季铵盐基等，可通过氢键、范德华力或通过阳离子桥等与土壤颗粒结合[16]。Wallace 等[19]认为高分子化合物与分散的土壤颗粒之间可通过以吸附、缠绕、贯穿或形成化学键等方式捕捉分散土粒使之凝聚成团粒，它使土壤大团聚体数目增加，并且使土壤形成体积很大的絮团，增加土壤表面粗糙度。

试验表明，先施肥后施改良剂与先施改良剂后施肥这2 类处理的土壤养分随结构改良剂施用与否及改良剂施用量增加的变化趋势并不相同。导致二者差异的原因可能是结构改良剂与土壤、养分间发生了一定的作用。对于先施肥后施改良剂的处理，首先是养分与土壤发生作用，土壤对养分发生了一定的吸附作用，之后添加的改良剂覆盖在含有肥料的土壤外部，起到了土壤养分与提取剂之间的隔离作用，减弱了土壤养分的释放强度，这种作用类似于缓释肥料。相反，对于先施改良剂后施肥的处理，首先是土壤与改良剂发生了作用，改良剂在土壤表面形成的一层保护膜，减弱了之后加入的肥料中养分离子与土壤的作用。由于改良剂添加量越高，形成的保护膜越厚，隔离作用越明显，导致了土壤养分释放强度随改良剂用量的增加而增加。这种效应与有人建议在磷肥中加入一些有机肥或高分子化合物可以降低土壤对磷的固定、增加磷肥利用率的原理相同[20]。但当土壤对肥料中养分固定、吸持作用较弱时，可能也会加速养分的淋失损失[20]。而腐殖酸的作用不明显，可能与腐殖酸的这种隔离作用不明显的关，特别是有效磷的提取剂对腐殖酸也有一定的提取效果。

4 结论

研究结果表明，聚丙烯酰胺、β-环糊精和腐殖酸等3 种结构改良剂均可在一定程度上促进粉砂质涂地土壤水稳定性团聚体的形成，水稳定性团聚体增加数量随改良剂用量增加而增加。对水稳定性团聚体的改良效果由高至低顺次为：聚丙烯酰胺>β-环糊精>腐殖酸。在研究的改良剂施用范围内(0~0.50%)，聚丙烯酰胺和β-环糊精的适用量以0.20%为宜，而水稳定性团聚体随腐殖酸用量增加呈线性增加。施用聚丙烯酰胺和β-环糊精可明显改变土壤养分的供应状况。对于施肥后再施用改良剂的土壤，土壤释放养分的能力有一定的减弱；而对于施改良剂后再施肥料，土壤对养分的吸持能力减弱，供肥能力增加。但施用腐殖酸对土壤氮、磷、钾养分供应影响不明显。

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