范如芹， 羅 佳， 高 巖， 嚴(yán)少華， 張振華

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)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(jié)構(gòu)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(xué)式為:Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O［1］，其晶體呈棒狀、纖維狀，層內(nèi)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(jī)分子均可直接被吸附進(jìn)孔道中［3］，具有納米棒狀晶體形態(tài)，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。尤其是凹凸土具有較強(qiáng)吸附性，因而在石油化工、日用化工、食品加工、新型建材、環(huán)保、飼料、農(nóng)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用［4］。然而，天然凹凸土雜質(zhì)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(duì)凹凸土深加工、開發(fā)高檔次產(chǎn)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(duì)凹凸土性能進(jìn)一步提升，是目前該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)［4-6］。中國有豐富的凹凸土資源，且價(jià)格低廉，但中國對(duì)凹凸土的研究起步較晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，且資源利用率底，因此提高凹凸土的吸附性能、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有非常重要的現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，基質(zhì)栽培將是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要方向之一［7］。以廢棄物為原料的基質(zhì)是目前市場開發(fā)及科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，而以廢棄物為原料的基質(zhì)普遍存在電導(dǎo)率偏高、保水持水性差等問題［8］，如何提高基質(zhì)保水性能、降低電導(dǎo)率及對(duì)作物的鹽分脅迫是該領(lǐng)域的首要任務(wù)和難題之一。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Π纪雇恋膱?bào)道多集中在其對(duì)重金屬和有機(jī)物的吸附效果方面，凹凸土在無土栽培基質(zhì)鹽分控制方面的應(yīng)用尚處在初步探索階段。因此，本試驗(yàn)嘗試了對(duì)凹凸土進(jìn)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(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)的影響，觀測其對(duì)番茄基質(zhì)育苗的影響，旨在為擴(kuò)大凹凸土應(yīng)用范圍和提升基質(zhì)品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所用基質(zhì)為基于養(yǎng)豬發(fā)酵床廢棄墊料堆肥原料的廢棄物基質(zhì)，其配方為:發(fā)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(yǎng)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(fā)酵床墊料堆肥來自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合有機(jī)肥廠，由基于作物秸稈的豬圈發(fā)酵床墊料圈內(nèi)腐解(兩年)及出圈后經(jīng)過再次堆肥(一個(gè)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(yàn)方法

1.2.1 凹凸土的改性及觀察 采用酸化改性方法對(duì)凹凸土進(jìn)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(nèi)于105℃ 烘至恒質(zhì)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(jié)構(gòu)。

1.2.2 添加不同比例凹凸土基質(zhì)的理化性質(zhì)測定 上述栽培基質(zhì)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(zhì)為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定不同凹凸土添加比例基質(zhì)的基本理化性質(zhì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。添加不同比例的凹凸土基質(zhì)與去離子水1∶5比例混合攪拌，靜置8 d后用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測定pH值和電導(dǎo)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(zhì)測定標(biāo)準(zhǔn)［9-10］，具體為:取已知體積和質(zhì)量的基質(zhì)浸入去離子水中充分吸水后重力排水，此過程重復(fù)3次以確保基質(zhì)吸水飽和，重力排水30 min，再次測定其體積及質(zhì)量，然后放入烘箱105℃烘干7 d，再次稱質(zhì)量。用上述質(zhì)量和體積計(jì)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(biāo)觀測 根據(jù)凹凸土基質(zhì)理化性質(zhì)測定結(jié)果，選取性能接近理想基質(zhì)的處理進(jìn)行番茄育苗實(shí)驗(yàn)。天然凹凸土、純化凹凸土和改性凹凸土各選取了3個(gè)添加比例的基質(zhì)進(jìn)行番茄育苗試驗(yàn)。番茄種植于穴盤中，每穴兩粒種子，長至兩葉時(shí)，保留長勢(shì)一致的幼苗，每穴一株。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)10株苗。置于塑料大棚內(nèi)隨機(jī)區(qū)組擺放，每3天用吸管補(bǔ)水1次，每個(gè)處理補(bǔ)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(zhì)量，于105℃烘箱中殺青30 min后，降溫至75℃烘至恒質(zhì)量，測定干質(zhì)量。葉綠素含量用SPAD葉綠素儀(Spad-502 c，Japan)測定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 11.5軟件進(jìn)行LSD顯著性差異檢驗(yàn)，用皮爾森(Pearson)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，采用SigmaPlot 12.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性后凹凸土結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

通過掃描電鏡觀察(圖1)可知，天然凹凸土表面雜質(zhì)較多，純化凹凸土則雜質(zhì)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(xiàn)明顯的疏松多孔的特點(diǎn)。

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

改性后凹凸土化學(xué)性質(zhì)發(fā)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(dǎo)率(EC)變化不明顯(表1)。

表1 3種凹凸土pH值和電導(dǎo)率Table 1 The pH value and electrical conductivity of three attapulgites

2.2 不同凹凸土添加比例對(duì)基質(zhì)基本性狀的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，隨著天然和純化凹凸土添加比例的增加，基質(zhì)容重明顯增大，當(dāng)二者添加比例增至30%時(shí)，基質(zhì)容重均由0.33 g/cm3增至0.40 g/cm3。1%～5%改性凹凸土添加對(duì)基質(zhì)容重影響不顯著。基質(zhì)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(shí)，基質(zhì)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(gè)百分點(diǎn)、38.5個(gè)百分點(diǎn)和43.1個(gè)百分點(diǎn)。改性凹凸土添加對(duì)基質(zhì)總孔隙度沒有明顯影響?；|(zhì)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(zhì)持水量由對(duì)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(xù)升高。相同添加比例下，3種類型凹凸土基質(zhì)間沒有顯著差異。

基質(zhì)pH值隨天然及純化凹凸土添加比例增加而升高，由對(duì)照的7.27分別升高至7.57和7.47，添加改性凹凸土基質(zhì)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(duì)基質(zhì)電導(dǎo)率(EC)影響不顯著。隨天然、純化凹凸土添加量的繼續(xù)增加，EC開始下降，添加天然凹凸土基質(zhì)降低幅度小于純化凹凸土基質(zhì)，當(dāng)添加量增至30%時(shí)顯著低于對(duì)照(表3)。改性凹凸土對(duì)基質(zhì)EC的降低效果最明顯，添加量分別為3%和5%時(shí)，EC由對(duì)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(zhì)物理性質(zhì)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(zhì)pH值和電導(dǎo)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(duì)番茄基質(zhì)育苗效果的影響

根據(jù)上述基質(zhì)理化性質(zhì)變化情況，選擇理化性質(zhì)符合或接近基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的部分處理進(jìn)行番茄育苗試驗(yàn)，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(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果(表4)顯示，添加天然凹凸土的各基質(zhì)中番茄出苗率與對(duì)照相當(dāng)，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(duì)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(zhì)電導(dǎo)率間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系:Y=253.7-153.3x-33.1x2(r=0.962)。番茄苗株高受凹凸土的影響規(guī)律與出苗率一致。與對(duì)照相比，天然凹凸土添加對(duì)番茄苗莖粗、莖葉及根部的鮮質(zhì)量與干質(zhì)量等生長指標(biāo)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(zhì)量和干質(zhì)量分別比對(duì)照高18.7%、36.6%和102.0%，添加5%改性凹凸土處理下也達(dá)到相同水平，純化凹凸土添加量為20%的番茄幼苗各指標(biāo)均有所下降。根部生長指標(biāo)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(fā)達(dá)。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(zhì)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(jīng)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(jīng)高溫焙燒后可達(dá)到300 m2/g以上。酸化過程不僅可除去凹凸土孔隙中的雜質(zhì)，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(jìn)一步提高。

隨凹凸土添加比例的增大，基質(zhì)容重也逐漸增大，根據(jù) De Boodt等［13］和 Abad 等［14］關(guān)于理想基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，基質(zhì)容重低于0.4 g/cm3時(shí)適宜作物生長，可知凹凸土添加至30%時(shí)可能會(huì)對(duì)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(zhì)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(shù)值均降到了20%以下(14.9% ～16.1%)，低于理想基質(zhì)的通氣孔隙范圍(20% ～30%)［14］。添加凹凸土后基質(zhì)持水能力明顯上升，這與凹凸土本身的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。較大的比表面積及多孔隙結(jié)構(gòu)均使其具有一定的吸收和保持水分的特性，這對(duì)基質(zhì)持水性能的改善具有重要意義，但過高的添加比例對(duì)提高持水性能無益?；|(zhì)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(dá)7.53與7.33，高比例的添加使得基質(zhì)呈現(xiàn)堿性，這將對(duì)栽培作物具有一定潛在危害。理想基質(zhì)pH值以5.3～6.5為宜［14］。Jayasinghe等［15］也發(fā)現(xiàn)，大部分溫室栽培作物更適宜微酸性基質(zhì)環(huán)境，因?yàn)檫@種微酸性基質(zhì)可增加多種養(yǎng)分的有效性。改性凹凸土呈中性，添加后對(duì)基質(zhì)pH值幾乎沒有影響。以養(yǎng)殖廢棄物為原料的基質(zhì)中普遍存在電導(dǎo)率較高的弊端，本研究所用的基于發(fā)酵床墊料的基質(zhì)電導(dǎo)率(EC)高達(dá)2.36 mS/cm，對(duì)栽培作物尤其是育苗不利。天然凹凸土添加比例為0～20%時(shí)對(duì)基質(zhì)EC影響不大，可能與天然凹凸土雜質(zhì)含量較高有關(guān)，目前該領(lǐng)域尚無天然凹凸土降低基質(zhì)EC的報(bào)道。當(dāng)大量天然凹凸土添加后(30%、40%)，因凹凸土本身EC較低，故基質(zhì)EC因凹凸土的物理稀釋作用而降低。純化凹凸土添加對(duì)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(shí)，EC即分別降至2.01 mS/cm和1.89 mS/cm，這對(duì)提高基質(zhì)適用性具有重要意義，同時(shí)說明了凹凸土改性后吸附性能大大提升，對(duì)吸附基質(zhì)中過高的鹽基離子較為有效。

根據(jù)以上基質(zhì)性能分析，過高比例的天然及純化凹凸土(30% ～40%)添加使基質(zhì)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(jìn)行番茄育苗試驗(yàn)，以驗(yàn)證不同類型及添加比例的凹凸土對(duì)基質(zhì)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(zhì)EC影響最為明顯，與EC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種高EC引起作物出苗率低的現(xiàn)象與 Bustamante等［16］和 Medina等［17］的結(jié)果一致。番茄苗莖粗、莖葉及根部的鮮質(zhì)量與干質(zhì)量等生長指標(biāo)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(zhì)中長勢(shì)最佳。這可能是因?yàn)檫@2個(gè)處理中基質(zhì)容重在理想范圍內(nèi)，持水量和孔隙度相對(duì)較高，而EC值相對(duì)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(fā)酵床墊料的基質(zhì)理化性能較佳，適宜用作番茄育苗基質(zhì)。然而值得提醒的是，所采用的凹凸土改性過程較為繁瑣費(fèi)時(shí)，為獲得大量改性凹凸土用于大規(guī)模基質(zhì)生產(chǎn)，簡易的凹凸土改性方法還有待探索。

［1］ BRADLEY W F.The structural scheme of attapulgite［J］.American Mineralogist，1940，25(6):405-410.

［2］ 錢運(yùn)華，費(fèi)澤才.凹凸棒石粘土填充橡膠研究［J］.非金屬礦，2000，23(6):25-26.

［3］ 胡 濤，錢運(yùn)華，金葉玲，等.凹凸棒土的應(yīng)用研究［J］.中國礦業(yè)，2006，14(10):73-76.

［4］ 王紅艷，張 艷，周守勇，等.硫酸改性凹凸棒粘土的性能表征及吸附Pb II工藝研究［J］.淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，4(1):47-50.

［5］ 黃健花，王興國，金青哲，等.超聲波有機(jī)改性凹凸棒土的苯酚吸附性能研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6(9):25-28.

［6］ 高 華，方 興.凹凸棒土改性方法研究進(jìn)展［J］.資源開發(fā)與市場，2008，24(12):1090-1093.

［7］ 柴喜榮，程智慧，孟煥文，等.追肥對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)基質(zhì)栽培番茄生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收的影響［J］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(2):20-24.

［8］ 張建華.典型有機(jī)廢棄物堆肥化產(chǎn)品的基質(zhì)利用和對(duì)土傳細(xì)菌病害抑制作用的研究［M］.杭州:浙江大學(xué)，2012.

［9］ FARRELL M，JONES D L.Food waste composting:Its use as a peat replacement［J］.Waste Management，2010，30:1495-1501.

［10］ AS 3743-2003 Australian standards for potting mixes［S］.

［11］ FARRELL C，ANG X Q，RAYNER J P.Water-retention additives increase plant available water in green roof substrates［J］.Ecological Engineering，2013，52:112-118.

［12］王黎明.土壤中陽離子交換量的快速測定——蒸餾法［J］.寧夏農(nóng)林科技，2012，53(9):156-156.

［13］ DE BOODT M，VERDONCK O.The physical properties of substrates in horticulture［J］.Acta Hort，1972，26:37-44.

［14］ ABAD M，NOGUERA P，BURéS S.National inventory of organic wastes for use as growing media for ornamental potted plant production:case study in Spain［J］.Bioresourse Technology，2001，77:197-200.

［15］ JAYASINGHE G Y，ARACHCHI I D L，TOKASHIKI Y.Evaluation of containerized substrates developed from cattle manure compost and synthetic aggregates for ornamental plant production as a peat alternative［J］.Resourses，Conservation，and Recycling，2010，54:1412-1418.

［16］ BUSTAMANTE M A，PAREDES C，MORAL R，et al.Composts from distillery wastes as peat substitutes for transplant production［J］.Resourses，Conservation，and Recycling，2008，52:792-799.

［17］ MEDINA E，PAREDES C，PéREZ-MURCIA M D，et al.Spent mushroom substrates as component of growing media for germination and growth of horticultural plants［J］.Bioresourse Technology，2009，100:4227-4232.