王 瑛，王 梅，蘇金娟，高 林，榮文文，焦雅琳，劉津岐，張俊逸，楚光明

天然鈉基膨潤土菌渣復合材料對提高沙土保水保肥效應的影響

王 瑛，王 梅，蘇金娟，高 林，榮文文，焦雅琳，劉津岐，張俊逸，楚光明※

（石河子大學農學院，石河子 832000）

中國西北地區(qū)沙漠邊緣地帶存在干旱缺水、土壤沙化程度高、漏水漏肥嚴重等問題，嚴重影響了植物正常生長，制約了農業(yè)和林果業(yè)可持續(xù)發(fā)展。該研究探究天然鈉基膨潤土菌渣復合材料對沙土保水保肥性能的影響。通過室內模擬試驗，采用茶袋法及土柱模擬法，研究不同用量膨潤土P（3%、5%、7%、9%），不同膨潤土菌渣復合材料JF（膨潤土+菌渣+腐植酸）、JA（膨潤土+菌渣+氨基酸）、JN（膨潤土+菌渣+牛糞）及不同主材比例（膨潤土與菌渣比分別為1:2、1:2.5、1:3、1:3.5）對改善沙土漏水漏肥的效果。結果表明，JF、JA及JN組處理較P組處理可更大程度地提高沙土吸水倍數(shù)及持水性能；土柱淋溶條件下，P組處理可明顯降低沙土水分累積滲漏量達18.00%～26.17%，氮素累積滲漏量達11.58%～27.22%，鉀素累積滲漏量達2.82%～7.78%；JF1、JA1及JN1處理可明顯降低沙土水分累積滲漏量達25.53%～30.31%，氮素累積滲漏量達25.66%～32.36%，鉀素累積滲漏量達6.35%～10.73%），其中JF1處理降幅最大，且當膨潤土用量為菌渣用量的一半，輔材為腐植酸時效果最佳，這也反映出菌渣及腐植酸的添加對膨潤土提高沙土保水保肥性能具有明顯的促進作用。試驗表明在沙土中添加鈉基膨潤土菌渣復合材料可提高沙土保水保肥性能，特別是在減少氮素淋溶損失方面具有良好效果，研究結果能夠為西北風沙區(qū)生態(tài)修復及鄉(xiāng)村振興提供策略和依據(jù)。

土壤；氮；滲漏；天然鈉基膨潤土；菌渣；沙土；土柱模擬；保水保肥

0 引 言

全球大多數(shù)干旱及半干旱地區(qū)水資源缺乏限制了植物正常生長發(fā)育[1]。土地肥力貧瘠、水肥利用率極低的中國西北干旱區(qū)如甘肅張掖[2]、新疆南疆等處于沙漠邊緣的農業(yè)及林果業(yè)種植區(qū)對水肥資源需求表現(xiàn)的更為迫切[3]。近年來，高分子保水劑憑借其高超的吸水性能被廣泛應用于干旱區(qū)農林業(yè)發(fā)展，但其存在價格高、降解難、時效短等問題；草炭土由于保水保肥性能優(yōu)良作為栽培基質使用量不斷增大[4]，但其儲量有限，過度開采易破壞生態(tài)環(huán)境[5]；有研究指出生物炭可提高沙土保水保肥性[6-7]，但其制備條件要求高、工藝復雜、費時費工。針對以上問題，研制一種成本低、時效長、無污染，且可在本質上改良沙土的保水保肥復合材料十分必要，這對于農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、林果業(yè)提質增效及促進沙區(qū)經濟發(fā)展等方面具有重要意義。

膨潤土是一種主要成分為蒙脫石的黏土礦物，蒙脫石獨特的2:1型層狀晶體結構使膨潤土具有膨脹性、分散性、吸濕性、黏著性及陽離子交換性等優(yōu)良性能[8]。目前，天然膨潤土主要包括鈉基膨潤土及鈣基膨潤土，且前者性能更為優(yōu)異。鈉基膨潤土一系列優(yōu)良性能及其天然納米級片層結構，可通過水和作用與植物根系的土壤形成相互貫穿的網絡化結構，增加土壤團聚體數(shù)量，改善土壤結構，從而將水分及養(yǎng)分最大限度地保留在根系周圍，提高土壤水肥利用率[9-10]。新疆為中國膨潤土三大產地之一，且鈉基膨潤土資源較為豐富[11]。Zhou等[12]研究表明，膨潤土可明顯提高土壤保水及持水性能，特別是將其應用于沙土，具有明顯的改良效果；張曉冬等[13]指出膨潤土具有較好的養(yǎng)分緩釋效果；劉愛平等[14]以新疆所產的鈉基膨潤土為載體制備出了膨潤土緩釋鉀肥，指出新疆所產的鈉基膨潤土是良好的鉀肥緩釋載體。

植物纖維性農業(yè)廢棄物指富含纖維素、可再生、再利用的廢棄物，它主要由纖維素等高分子聚合物及氨基酸等小分子化合物組成[15]，其可為植物生長提供長效肥源及適宜環(huán)境[16]。中國植物纖維性資源豐富[17]，目前大多采用堆放及焚燒等方式進行處置，造成了嚴重的資源浪費及環(huán)境污染。菌渣（栽培各種食用菌后的固體廢料）作為典型植物纖維性農業(yè)廢棄物之一，不僅具備質地疏松、通透性良好、保水保肥能力強的特點，還富含大量有機質及生物活性物質。馮慧翎等[18]指出，在沙化土地中施用菌渣可有效改善土壤理化性質，且對當?shù)刂脖换謴途哂幸欢ǖ拇龠M作用；聶勝委等[19]研究指出，菌渣可提高土壤速效養(yǎng)分及有機質含量；衛(wèi)星等[20]研究發(fā)現(xiàn)，以菌渣為主材混合制成的基質與草炭土在理化性質及保水保肥性能方面都較為相似；Teng等[21]指出菌渣堆肥代替草炭是可行的，最高替換率可達50%。將菌渣等植物纖維性農業(yè)廢棄物“變廢為寶”應用于沙土改良具有不可估量的前景，且其對于推進美麗鄉(xiāng)村建設、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略均具有重要意義。

本研究通過將天然鈉基膨潤土與菌渣按不同比例混合，在此基礎上添加一定量的輔材（腐植酸/氨基酸/牛糞）制成復合材料，研究其提高沙土保水保肥性能的效果，尋找膨潤土與菌渣的最佳配比及輔材的最佳選擇，以減少膨潤土施用量和提高其保水保肥性能為目的，為西北干旱區(qū)沙漠邊緣農業(yè)及林果業(yè)種植區(qū)合理利用天然鈉基膨潤土及菌渣等植物纖維性農業(yè)廢棄物提高沙土水肥利用率提供參考，并為保水保肥復合材料改良沙土大面積推廣及荒漠化防治提供技術支持及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試材料

供試土壤取自石河子147團沙丘中上部沙土（含沙量大且雜質少），其pH值為8.6，容重為1.53 g/cm3；有機質為1.37 g/kg，堿解氮為14.6 g/kg，速效磷為1.3 g/kg，速效鉀為73.0 g/kg；供試肥料為三元復合肥，其養(yǎng)分含量N-P2O5-K2O為15%-15%-15%（質量分數(shù)），購自石河子市農資市場；供試主材天然鈉基膨潤土取自新疆國平膨潤土礦，其膠質價為52.0 mL/g，膨脹容為57.0 mL/g，膨潤值為22.0 mL/g，含SiO2（68.20%）、Al2O3（7.09%）、CaO（0.69%）、MgO（2.73%）、K2O（1.08%）、Na2O（3.45%）、Fe2O3（2.47%）、TiO2（0.23%）；供試主材菌渣取自新疆石河子市蘑菇廠，其原始成分主要為棉籽殼、玉米芯、木屑等，pH值為6.6，含有機質（38.5%），總碳（32.0%）、總氮（1.3%）、木質素（22.2%）、纖維素（12.8%）、半纖維素（8.5%）；供試輔材為干牛糞（pH值為6.5、含有機質14.5%）、腐植酸（pH值為5.8，含有機質30.0%）及氨基酸（pH值為6.0，含有機質35.0%），其中干牛糞取自石河子大學動物科技學院，腐植酸及氨基酸均購自當?shù)剞r資市場。

1.1.2 試驗裝置

本試驗中室內模擬土柱裝置由內徑為7.5 cm，高度為20.0 cm的PVC管制成，PVC管底部鋪一層孔徑為0.048 mm（300目）的尼龍網，并在下方套一個底部打孔（內徑為1.0 cm）的定制鋁盒，將其連圓柱管共同放入大口徑塑料容器中，架在塑料燒杯上，塑料容器起連接及防治滲漏液損失的作用，塑料燒杯起支撐及收集滲漏液的作用。使用本裝置在放入試驗材料前均先于土柱下部墊上2 cm沙土，防止淋溶時底層材料流失，之后放入混勻的試驗材料，再于土柱上部墊1 cm沙土，防止淋溶時擾亂表層土壤造成管壁效應，土柱裝填完畢后在最上方鋪一層孔徑為0.048 mm的尼龍網及適量脫脂棉花，起到均勻分配水量的作用。模擬土柱示意圖如圖1所示。

圖1 模擬土柱裝置示意圖

1.2 試驗設計

本試驗共設置4組處理，分別為純膨潤土（P）、膨潤土+菌渣+腐植酸（JF）、膨潤土+菌渣+氨基酸（JA）、膨潤土+菌渣+牛糞（JN）；且每組處理均設置4個梯度；其中，P組中P1、P2、P3、P4分別代表膨潤土用量為沙土用量的3%、5%、7%、9%；JF、JA、JN 3組中4個梯度膨潤土與菌渣比均為1: 2、1: 2.5、1: 3、1: 3.5，即膨潤土分別占沙土質量的4.5%、4.0%、3.5%、3.0%，具體物料配比如表1所示。

表1 天然鈉基膨潤土菌渣復合材料各處理物料配比

1.3 試驗方法

1.3.1 膨潤土復合材料保水性能研究

1）吸水倍數(shù)

采用茶袋法：稱取烘干沙土60.0 g、烘干膨潤土菌渣復合材料10.0 g，將其充分混合均勻即每個處理樣品質量為70.0 g（1），再將各處理分別裝入規(guī)格一致的尼龍網袋（0）中，并將其放入盛有相同體積蒸餾水的燒杯中（500 mL），且蒸餾水需完全淹沒尼龍網袋，使其充分吸水24 h后，吊起瀝干水分，待無水滴出時稱取各處理吸水后樣品與尼龍網袋總質量（2）。

按式（1）計算各樣品吸水倍數(shù)：

A=(2?1?0)/1（1）

式中A為吸水倍數(shù)；2為吸水后樣品與尼龍網袋總質量，g；1為各處理樣品質量，g；0為尼龍網袋質量，g。

2）持水性能

稱取烘干沙土600.0 g、烘干膨潤土菌渣復合材料100.0 g，將其充分混合均勻即每個處理樣品質量為700.0 g（1），再將各處理分別裝入本試驗設計的規(guī)格一致的模擬土柱裝置PVC管（0）中。分別向各裝置加入相同體積的蒸餾水（300 mL），靜置至土柱管無水漏出時，稱取其質量即各處理吸水后樣品與PVC管總質量（2），作為第1天數(shù)據(jù)，之后每天定時稱取其質量，直到質量穩(wěn)定為止。

按式（2）計算各樣品含水率：

%=(2?1?0)/1×100%（2）

式中為含水率，%；2為吸水后樣品與PVC管總質量，g；1為各處理樣品質量，g；0為土柱裝置中PVC管質量，g。

1.3.2 膨潤土復合材料保肥性能研究

稱取烘干沙土600.0 g、烘干膨潤土菌渣復合材料100.0 g，將其充分混合均勻混合均勻即每個處理樣品質量為700.0 g，再將各處理分別裝入本試驗設計的規(guī)格一致的模擬土柱裝置PVC管中，為防止沙土及復合材料本身所帶的養(yǎng)分影響試驗結果，加入肥料前少量多次向土柱中加入1 000.0 mL蒸餾水，將土柱淋洗一遍。一周后將溶有0.1 g三元復合肥的500.0 mL（1）蒸餾水少量多次地加入每只土柱管中，待第2天無水滴出時，測量每個土柱管下方燒杯所盛接的滲漏液體積，并測定其養(yǎng)分含量，作為第1次淋溶數(shù)據(jù)。距第1次加水時間3 d后，將250.0 mL（2）蒸餾水少量多次地加入每只土柱管中，其余操作同上；距第2次加水時間4 d后，將200.0 mL（3）蒸餾水少量多次地加入每只土柱管中，其余操作同上；距第3次加水時間6 d后，將200.0 mL（4）蒸餾水少量多次地加入每只土柱管中，其余操作同上。通過收集每次淋溶后的滲漏液，測定其體積及氮、磷、鉀含量，分析復合材料對沙土水分及養(yǎng)分的緩釋效果。

1）滲漏特征

測量各處理土柱4次淋溶后的滲漏液體積，分別計算出4次淋溶水分滲漏率及累積滲漏量。每次淋溶水分滲漏率為各次淋溶滲漏液體積與加入的蒸餾水量體積的比值（%）；累積滲漏量為4次淋溶滲漏量的和（mL）。

2）氮素淋溶特征

根據(jù)4次淋溶滲漏液體積及其對應的氮素濃度，可分別計算出4次淋溶氮素滲漏率及累積滲漏量。其中，滲漏率為滲漏液中養(yǎng)分總量占加入量的百分數(shù)（%）。累積滲漏量為4次淋溶氮素累積滲漏量的和（mL）。

磷素和鉀素淋溶特征值（淋溶滲漏率和累積滲漏量）計算方法同氮素。

1.4 測定方法

養(yǎng)分淋溶試驗中收集的滲漏液養(yǎng)分含量的測定方法中，水質總氮測定方法：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；水質總磷測定方法：鉬酸銨分光光度法；水質總鉀測定方法：火焰光度法。所需儀器設備：紫外分光光度計、分光光度計、火焰光度計、高壓蒸汽滅菌鍋、具塞磨口玻璃比色管及一般實驗室常用儀器設備。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗采用Microsoft EXCEL 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理及數(shù)據(jù)分析；采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析，多重比較采用鄧肯法（Duncan，=0.05）；采用Oringin2017及SigmaPlot12.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 膨潤土復合材料保水性能研究

2.1.1 膨潤土復合材料吸水倍數(shù)特征

土壤吸水倍數(shù)與土壤質地之間有著非常密切的關系。不同處理吸水差異見圖2。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。下同。

沙土保水蓄水性能較差，由圖2可看出，純沙土（CK）的吸水倍數(shù)極小，只能吸大約自身質量0.15倍的水分。而在沙土中添加一定量的膨潤土或膨潤土菌渣復合材料可明顯提高其吸水倍數(shù)；其中，單施純膨潤土的P組各處理可將沙土的吸水倍數(shù)由原來的0.15倍提升到1.25倍左右，施入復合材料的JF、JA、JN組各處理可將沙土的吸水倍數(shù)提升到1.51～2.25倍，均與對照存在顯著差異（<0.05）；且JF、JA、JN組各處理的沙土吸水倍數(shù)也均顯著高于純膨潤土P組各處理，這說明菌渣及輔材的添加對膨潤土提高沙土吸水倍數(shù)有明顯的促進作用。此外，通過各組內處理橫向比較可看出，P組中P2、P3、P4均與P1存在顯著差異（<0.05），但其相互間差異不顯著（>0.05），由此推斷在沙土中單施5%的純膨潤土即可達到較好的保水效果；JF、JA、JN各組內一些處理間也存在差異，說明膨潤土與菌渣的比例也會影響沙土的吸水倍數(shù)?？偟膩砜?，復合材料較純膨潤土可更大程度地提高沙土吸水倍數(shù)，且當膨潤土與菌渣比為1:2時對提高沙土吸水倍數(shù)有相對較好的效果，其中，JF1、JN1顯著高于JA1（<0.05），說明添加腐植酸及干牛糞的處理吸水倍數(shù)顯著高于添加氨基酸的處理。

2.1.2 膨潤土復合材料持水性能分析

室內土柱模擬試驗觀測沙土含水率時，由于前期向各處理土柱中加入了較多蒸餾水，因此各處理在充分吸水后有不同量剩余水分透過尼龍布從土柱底部滲出，說明各處理均己充分吸收水分。圖3反映了各時間段充分吸水條件下不同處理的水分含量，隨著時間的推移，水分蒸發(fā)量不斷增大，各處理含水率均呈下降趨勢。

圖3 不同膨潤土菌渣復合材料處理充分吸水條件下沙土含水率

整個觀測期各處理含水率均明顯高于CK含水率，說明膨潤土菌渣復合材料通過吸收大量水分和降低水分蒸發(fā)速率，從而起到了保水及持水作用。通過整個觀測期各組間縱向比較可看出：1）復合材料JF、JA、JN組各處理含水率明顯高于純膨潤土P組各處理含水率；2）JF、JA、JN組處理間含水率雖有差異，但差異不大。這說明菌渣的添加對膨潤土提高沙土保水及持水性能具有促進作用，而輔材腐植酸、氨基酸及牛糞的添加對其保水及持水性能影響不大，也可能是由于本試驗中輔材添加量較少導致的。此外，通過整個觀測期各組內處理橫向比較可看出：1）P組：隨著膨潤土添加量的增加，其含水率依次呈現(xiàn)升高趨勢，這說明沙土中的水分含量隨著膨潤土添加量的增加而升高；2）JF組：JF1較同組其他它處理具有相對較高的含水率；3）JA組：JA1較同組其他處理具有相對較高的含水率；4）JN組：JN2較同組其他處理具有相對較高的含水率。說明當復合材料中膨潤土與菌渣的比例為1:2至1:2.5時，對沙土的保水及持水效果相對較好。

2.2 膨潤土復合材料保肥性能研究

2.2.1 滲漏特征

由圖4可知，對照（CK）從第2次淋溶開始水分滲漏率幾乎不變，而P、JF、JA、JN組各處理水分滲漏率隨著淋溶次數(shù)的增加均呈上升趨勢，說明對照在第1次淋溶中就幾乎吸水飽和，而各處理在前3次淋溶中都未吸水飽和，直到第4次淋溶時才接近飽和，說明P、JF、JA、JN組各處理具有重復吸水的性能。

圖4 不同處理4次淋溶水分滲漏率比較

由圖5可更直觀地看出各處理累積水分滲漏量明顯低于對照，且均與對照存在顯著差異，這說明膨潤土及復合材料均可減小沙土漏水量。通過各組內處理4次淋溶水分累積滲漏量橫向比較得出：1）P組：P4、P3、P2及P1水分累積滲漏量依次增大，分別較對照減少26.17%、23.01%、22.05%、18.00%，說明沙土中添加膨潤可明顯減少沙土漏水量，提高其保水能力，且在3%～9%范圍內膨潤土用量越多，其提高沙土的保水能力越強；2）JF組：JF1、JF2、JF3及JF4水分累積滲漏量依次增大，分別較對照減少30.31%、26.43%、23.16%、21.50%，說明當輔材為腐植酸時，膨潤土與菌渣的比例為1:2（JF1）保水效果較好；3）JA組：JA1、JA2、JA3及JA4水分累積滲漏量依次增大，分別較對照減少28.92%、24.49%、21.36%、20.05%，說明當輔材為氨基酸時，膨潤土與菌渣比例為1:2（JA1）保水效果較好；4）JN組：JN2、JN1、JN3及JN4水分累積滲漏量依次增大，分別較對照減少28.66%、25.53%、23.13%、20.75%，說明當輔材為牛糞時，膨潤土與菌渣為1:2.5（JN2）保水效果較好。綜上，當3組復合材料中膨潤土與菌渣比例為1:2（即膨潤土占沙土總量的4.5%）時，各處理水分累積滲漏量降幅可達25.53%～30.31%。此外，將各組間處理4次淋溶水分累積滲漏量縱向比較得出：JF1、JA1及JN2水分累積滲漏量顯著低于其他處理（<0.05）。由此可見，膨潤土復合材料較純膨潤土具有更好的保水性，且當二者比例為1:2，輔材為腐植酸或氨基酸時，對沙土的保水效果相對較好，降幅可達28.92%～30.31%。

圖5 不同處理4次淋溶水分累積滲漏量比較

2.2.2 氮素淋溶特征

由圖6可知，無論是各處理還是對照，均表現(xiàn)為第1次淋溶氮素滲漏率最大，占氮素淋溶總滲漏率的大部分，說明施入肥料后，第1次淋溶對沙土氮素養(yǎng)分滲漏影響最大。此外，從圖中還可明顯看出，第1次淋溶中各處理氮素滲漏率均顯著小于對照，而后3次淋溶中各處理氮素滲漏率卻大于對照或無明顯差異，進一步說明了對照在第1次淋溶中氮素養(yǎng)分滲漏率極大，以至于土壤中剩下的養(yǎng)分極少，因此在后3次淋溶中養(yǎng)分滲漏率很小，這也在一定程度上反映出膨潤土及膨潤土復合材料具有緩釋氮素的作用。

圖6 不同處理4次淋溶氮素滲漏率比較

由圖7可看出各處理氮素累積滲漏量明顯低于對照，其大致規(guī)律與水分累積滲漏量較為相似。通過各組內處理4次淋溶氮素累積滲漏量橫向比較得出：1）P組：P4、P3、P2及P1氮素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少27.22 %、20.97%、17.30%、11.58%，且各處理之間均存在顯著差異；2）JF組：JF1、JF2、JF3及JF4氮素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少32.36%、26.28%、22.02%、18.33%；3）JA組：JA1、JA3、JA2及JA4氮素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少30.98%、24.05%、22.48%、16.98%；4）JN組：JN1、JN2、JN3及JN4氮素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少25.66%、25.46%、15.07%、12.72%。由此可見，當3組復合材料中膨潤土與菌渣比例為1:2（即膨潤土占沙土總量的4.5%）時，氮素累積滲漏量降幅達25.66%～32.36%。此外，將各組間處理4次淋溶氮素累積滲漏量縱向比較得出：JF1及JA1氮素淋溶滲漏量最低，降幅可達30.98%～32.36%，且與其他各組處理均存在顯著差異，可以發(fā)現(xiàn)其與水分淋溶累積滲漏量結果一致。這可能是由于氮素在土壤中遷移性較大，易隨水分淋溶損失導致的，膨潤土及復合材料通過減少沙土水分損失，從而間接減少氮素淋溶損失，因此各處理氮素累積滲漏量與水分累積滲漏量具有較為相似的結果。

圖7 不同處理4次淋溶氮素累積滲漏量比較

2.2.3 磷素淋溶特征

由圖8可知，各處理在第1淋溶中的磷素滲漏率均顯著小于對照；而從第2次到第4次淋溶各處理的磷素滲漏率均大于對照，特別是第4次淋溶時對照滲漏液中已無磷素檢出，這可能是因為對照即純沙土在第1次淋溶中就已將能移動的磷素幾乎全部損失，也可能是因為沙土對磷素的固定和吸持作用太強，導致磷素在沙土中更難移動。而膨潤土中的蒙脫石帶有大量負電荷，其可通過配位體交換的方式將磷酸陰離子吸附在膠體雙電層的內層，從而將磷素通過緩效磷的形式保存起來，緩慢地釋放到土壤中，因此膨潤土可在一定程度上有效防止磷素的固定，并促進其釋放。

由圖9可明顯看出與氮素相比，對照及各處理磷素累積滲漏量均處于很低的水平，甚至不到2%。雖然各處理磷素累積滲漏量也均低于對照，且存在顯著差異，但這種差異遠遠不如水分累積滲漏量及氮素累積滲漏量明顯，且各處理間差異也較小或差異不顯著。這可能是由于土壤中施入的磷肥會在較短時間內轉變?yōu)椴蝗苄曰蚓徯Я祝妆煌寥拦潭?，使其移動性更小，不易隨水遷移，因此減少土壤水分的淋溶損失對磷素淋溶滲漏量的影響不大，這也可能是土壤磷素淋溶滲漏量遠小于氮素及鉀素的原因之一。

圖8 不同處理4次淋溶磷素滲漏率比較

圖9 不同處理4次淋溶磷素累積滲漏量比較

2.2.4 鉀素淋溶特征

各處理鉀素的淋溶規(guī)律與氮素較為相似。由圖10可知，各處理與對照均在第1次淋溶中損失的鉀素最多，且滲漏率相差最大；此外，第1次淋溶各處理鉀素滲漏率均小于對照，而第2次淋溶各處理鉀素滲漏率均大于對照，這可能主要是因為對照即純沙土在第1次淋溶中鉀素損失量太大使土壤中的可移動鉀素減少，這也在一定程度上反映出膨潤土及膨潤土復合材料具有保鉀及緩釋鉀素的效果。這可能是由于膨潤土中蒙脫石的特殊礦物晶格晶造成的，其可使土壤中的鉀離子被閉蓄成非交換性鉀，將速效鉀轉化為緩效性鉀，從而減少鉀素的流失，而非交換性鉀在一定條件下依然能夠逐漸解釋為可供植株吸收利用的交換性鉀。

圖10 不同處理4次淋溶鉀素滲漏率比較

由圖11可看出各處理鉀素累積滲漏量明顯低于對照，其大致規(guī)律與水分累積滲漏量及氮素累積滲漏量具有一定的相似性。

圖11 不同處理4次淋溶鉀素累積滲漏量比較

通過各組內處理4次淋溶鉀素累積滲漏量橫向比較得出：1）P組：P4、P3、P2及P1鉀素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少7.78%、6.70%、4.83%、2.82%；其中，P1與CK差異不顯著，說明沙土中膨潤土添加量需至少在3%以上才具有較為明顯的保鉀效果，且其效果隨著膨潤土添加量的增加而增強；但某些相鄰梯度處理間鉀素累積滲漏量未能達到顯著差異，說明膨潤土保鉀效果不如保氮效果明顯；2）JF組：JF1、JF2、JF3及JF4鉀素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少10.73%、8.45%、5.86%、5.82%；3）JA組：JA1、JA2、JA3及JA4鉀素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少8.62%、7.25%、3.75%、3.41%；4）JN組：JN2、JN1、JN3及JN4鉀素累積滲漏量依次增大，分別較對照減少7.29%、6.35%、6.03%、2.88%。由此可見，當3組復合材料中膨潤土與菌渣比例為1:2（即膨潤土占沙土總量的4.5%）時，鉀素累積滲漏量降幅達6.35%～10.73%。此外，將各組間處理4次淋溶鉀素累積滲漏量縱向比較得出：JF1鉀素淋溶累積滲漏量最低，這一結果與水分及氮素淋溶結果具有一定相似性，但通過方差分析可以看出，JF1與P4、JF2及JA1不存在顯著差異，降幅達7.25%～10.73 %，這可能是因為鉀素在土壤中的遷移性不如氮素所導致的。

3 討 論

3.1 膨潤土復合材料保水性能研究

農作物在沙土中生長的適宜含水率為8%～16%，有效含水率為5%～11%[22]，而沙土在大多情況下達不到適宜農作物及大多植物適宜生長的含水率。膨潤土獨特的晶體結構，使其具有一定的膨脹性、分散性及黏著性，將其施入土壤可增加土壤團聚體數(shù)量，增大土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤結構[8]。膨潤土可通過自身的吸水膨脹性達到保水持水的作用，大量研究表明，膨潤土在一定程度上能夠影響土壤含水率，提高土壤保水持水性，特別是在沙土中添加膨潤土能夠有效改善其保水性差的問題[23]。在實際應用中單獨使用膨潤土可能會由于用量少，與土壤及肥料難以充分接觸，從而影響其保水保肥效果。崔立莉等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用適量膨潤土的沙土地上再增施一定量的玉米秸稈等有機物料，能夠達到更好的保水效果。本研究通過相關保水性能試驗研究發(fā)現(xiàn)，JF、JA及JN組處理較P組有更強的保水性能，表明3種膨潤土菌渣復合材料較純膨潤土均顯示出更強的保水性能，這可能是由于復合材料由不同物質構成，與單一材料相比通常具有大小不一的顆粒及孔隙。本研究中膨潤土顆粒細小且具有較強的黏結性、可塑性及吸濕性，能夠吸持大量水分，菌渣質地疏松多孔，類似于土壤的團粒結構，且具有質地輕、體積大的特點，能夠容納大量的水分和空氣，因此將二者結合形成的有機無機復合體不但能夠達到結構和功能上的優(yōu)化，還可能由于二者在吸水保水方面存在交互作用從而達到更好的保水效果，甚至在一定程度上影響其保肥性能。此外，由本研究測定結果可知，復合材料保水保肥性能與膨潤土和菌渣的比例密切相關，與同組其他處理相比，JF1、JA2及JN1具有更有強的吸水性能，JF1、JA1及JN2具有更強的持水性能，說明當膨潤土與菌渣的比例為1:2～1:2.5時，復合材料具有較強的保水性，且當輔材為腐植酸時復合材料的保水效果最好且最穩(wěn)定。這可能是由于腐植酸具有促進團粒結構形成的特點，且其中含有大量的羥基、羧基等基團也具有一定的吸水保水作用，因此添加腐植酸可起到提高復合材料保水性能的作用。

3.2 膨潤土復合材料保肥性能研究

李映廷等[25]將膨潤土、玉米秸稈和聚丙烯酰胺結合制成復合材料，通過土壤培養(yǎng)及等溫吸附試驗研究發(fā)現(xiàn)其能夠提高沙土對NH4+-N的吸附量，從而提高沙土的保氮效果。鄭毅等[26]通過相關試驗研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土-腐殖酸型改良劑可降低土壤中游離NH4+濃度，從而減少因氨氣揮發(fā)而造成的氮素損失，特別是對于土壤結構較差的沙土其效果更為明顯。本研究通過相關室內模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土菌渣復合材料較純膨土對提高沙土保肥性能有更好的效果，尤其是當膨潤土與菌渣的比例為1:2時效果較好，這可能與膨潤土在沙土中占比有關。有研究表明，當膨潤土占沙土總量的5%時，其可發(fā)揮出最好的保水保肥效果。李吉進等[27]提出膨潤土用量在土壤質量的0～5%范圍內，對減少土壤氮素淋溶損失具有較為明顯的效果，且其保氮能力隨膨潤土用量的增加也有所增強。王晶瑩等[28]通過相關研究發(fā)現(xiàn)，當膨潤土質量為土壤質量的5%時，其吸附速效氮和速效鉀的效果最好。本研究表明3組復合材料中JF1、JA1（膨潤土與菌渣為1:2）及JN2（膨潤土與菌渣為1:2.5）處理較同組其他處理具有更強的保肥性，這可能是由于復合材料中膨潤土在沙土中的占比造成的，當復合材料中膨潤土與菌渣比例為1:2時，膨潤土占沙土總量的4.5%，接近于5%這一膨潤土最適添加量。當復合材料中膨潤土占比太小，將其應用于沙土，可能會由于膨潤土在沙土中的含量太少而無法充分發(fā)揮出其保水保肥效果；此外，由于菌渣質地輕、體積大，若用量過大易會造成一定的運輸問題。相反，當復合材料中膨潤土占比太大，極易造成土壤板結，使土壤透氣性大幅度降低，然而，相比于持水性，土壤的通氣性更為重要，因為植物對水分的需求可以通過外部環(huán)境的改善，如降雨、灌溉來解決，但通氣性只能依靠土壤本身的通氣孔隙，因此膨潤土占比太大可能會對土壤及植物帶來更大的負面影響。姚璐[29]通過相關試驗研究發(fā)現(xiàn)，栽培基質中添加一定量的膨潤土能夠有效提高其保肥性能，尤其可提高其保氮效果。本研究通過保肥性能相關試驗發(fā)現(xiàn)，膨潤土及復合材料具有較強的保氮能力，其對氮素滲漏率的減小程度較磷、鉀素更大。這可能是由于膨潤土及復合材料對氮素具有更強的固持作用直接影響了其保氮效果，其通過加強土壤對NH4+的吸附能力，從而降低土壤中游離態(tài)NH4+的濃度，進而減少氮素損失；也可能是因為其通過提高沙土保水性能間接影響了保氮效果，其通過提高沙土吸水倍數(shù)，改善沙土持水性能，提高土壤含水率，而在水分介質條件下其更易吸附土壤中游離的NH4+，從而更大程度地減少氮素損失，這與武巖的研究結論基本一致[30]，此外，由于氮素在土壤中遷移性較大，易隨水分損失而流失，因此土壤水分的損失對氮素滲漏率的影響較磷、鉀素更大，導致在4次淋溶相同水分累積滲漏量的情況下，各處理較對照氮素累積滲漏量的減小幅度較磷、鉀素更大。

3.3 膨潤土復合材料應用前景預估

中國膨潤土礦資源極其豐富，且分布廣泛、品種齊全、易于采掘，目前已發(fā)現(xiàn)的膨潤土礦點有400多處，遍布于全國26個省（自治區(qū)）的80多個縣（市），預測資源量在70億t以上。新疆及內蒙等西北地區(qū)礦產資源豐富，品位高，質量好，如位于新疆塔城和布克賽爾蒙古自治縣境內的膨潤土礦，遠景儲量可達50億t，探明可開采總儲量為5億t，且易開采，是中國唯一的特大型鈉基膨潤土礦，也是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最大的膨潤土礦[31]。此外，位于新疆南疆托克遜、哈密市巴里坤縣等地及新疆北疆昌吉奇臺縣等地均有豐富的膨潤土資源，除鈉基膨潤土，還有價格低廉的鈣基膨潤土、未分類膨潤土等[32-33]，分布廣泛的礦產資源有利于實現(xiàn)沙漠邊緣地帶就地取材，能夠在一定程度上降低運輸、人工等方面的成本。除菌渣外，農林廢棄物如棉花秸稈、玉米秸稈、林業(yè)修枝等；農產品加工的副產物如谷殼、蔗渣、棉籽殼等[17]，以及新疆地區(qū)特有的甘草渣、薰衣草渣等廢渣均具有一定的保水保肥效果，且成本低廉[34]。膨潤土菌渣復合材料原料成本見表2，按施用量10 t/hm2計算，復合材料成本約為3 200元/hm2。

表2 天然鈉基膨潤土菌渣復合材料成本

根據(jù)本研究結果（當膨潤土與菌渣比例為1:2時，水分及氮素累積滲漏量降幅均可達30%左右）進行預估，復合材料與無機肥進行配施用于基肥，能夠減少約30%的灌溉量及施肥量。由此，本研究推測將不同地區(qū)的農林業(yè)廢棄物，特別是具有交聯(lián)作用的植物纖維性農業(yè)廢棄物，如新疆地區(qū)特有的甘草渣、薰衣草渣等有機物料與天然鈉基膨潤土結合，制備的保水保肥復合材料能夠輔助現(xiàn)代灌溉及施肥技術調節(jié)土壤水肥狀況，且相對于高分子保水劑、草炭土及生物炭等材料具有時效性長，制備簡單，價格低廉，無污染等特點，能夠從本質上解決沙土漏水漏肥的問題，尤其在西北區(qū)沙漠邊緣地帶沙土改良方面具有廣闊的應用前景，這對于中國西北區(qū)生態(tài)建設、鄉(xiāng)村振興及沙產業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

4 結 論

1）保水性能試驗研究表明，膨潤土（P）與3組復合材料即膨潤土+菌渣+腐植酸（JF）、膨潤土+菌渣+氨基酸（JA）、膨潤土+菌渣+牛糞（JN）均能夠提高沙土吸水倍數(shù)及持水性能，其中復合材料保水效果更好，且當膨潤土與菌渣比例為1:2時效果最佳。

2）保肥性能試驗研究表明，膨潤土（P）與3組復合材料（JF、JA、JN）均能夠減少沙土養(yǎng)分淋溶損失，當純膨潤土占沙土總量的3%～9%時，各處理水分累積滲漏量降幅達18.00%～26.17%，氮素累積滲漏量降幅達11.58%～27.22%，鉀素累積滲漏量降幅達2.82%～7.78%，磷素累積滲漏量均低于對照；當3組復合材料中膨潤土與菌渣比例為1:2（即膨潤土占沙土總量的4.5%）時，各處理水分累積滲漏量降幅達25.53%～30.31%，氮素累積滲漏量降幅達25.66%～32.36%，鉀素累積滲漏量降幅達6.35%～10.73%，磷素累積滲漏量均低于對照，且當輔材為腐植酸時效果最佳，說明復合材料較純膨潤土具有更好的保肥效果。

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Impacts of natural sodium bentonite mushroom residue composite on improving water and fertilizer retention effect in sandy soil

Wang Ying, Wang Mei, Su Jinjuan, Gao Lin, Rong Wenwen, Jiao Yalin, Liu Jinqi, Zhang Junyi, Chu Guangming※

(,832000,)

The edge of the desert of Northwest China faces problems such as drought, water shortage, soil desertification, serious water leakage and fertilizer leakage, which seriously affect the normal growth of plants and restrict the sustainable development of agriculture and forest and fruit industry. In this study, indoor experiments were carried out to explore the effects of natural sodium bentonite mushroom residue composites on soil water and fertilizer retention performance. Teabag and soil column simulation method were used. Pure bentonite (P) and three treatments of composite materials were designed including bentonite-mushroom residue-humic acid composite (JF), bentonite-mushroom residue-amino acid composite (JA) and bentonite-mushroom residue-cow dung composite (JN). Each treatment of composite materials included four levels of bentonite-mushroom residue ratio of 1:2, 1:2.5, 1:3 and 1:3.5. For the treatment of P, four proportions of bentonite was designed including 3%, 5%, 7% and 9%. For the JF, the humic acid accounted for 1.5%. For the JA, the amino acid accounted for 1.5%. For the JN, the dried cow dung accounted for 1.5%. The effects of water leakage and fertilizer leakage in sandy soil of each treatment were analyzed. The results showed that the treatments of group JF, JA, and JN improved the water absorption ratio and water holding capacity of sandy soil than that of the treatments of group P to a greater extent. Under the condition of soil column leaching, with the increase of the amount of bentonite (P), the cumulative leakage of water and nutrients showed a decreasing trend. When the amount of pure bentonite accounted for 3% to 9% of the total sandy soil, the cumulative leakage of water decreased by 18.00% to 26.17%. Among the cumulative leakage of nutrients, the cumulative leakage of nitrogen decreased by 11.58% to 27.22%. In addition, the cumulative leakage of potassium decreased by 2.82% to 7.78%, and the cumulative leakage of phosphorus decreased little. In the composites of JF, JA and JN, when the ratio of bentonite to mushroom residue was 1: 2, the cumulative leakage of water and nutrients decreased greatly. Among them, the water cumulative leakage decreased by 25.53% to 30.31%. The cumulative leakage of nitrogen was decreased by 25.66% to 32.36%. Besides, the potassium cumulative leakage decreased by 6.35% to 10.73%, and the phosphorus cumulative leakage rate decreased slightly. According to the results of this study, the decrease of JF1 treatment was the largest, indicating that the water and fertilizer retention effect is the best when the amount of bentonite is half of the amount of mushroom residue and the auxiliary material is humic acid. It also indicated that the addition of mushroom residue and humic acid could obviously promote the performance of sandy soil in water and fertilizer retention. The experimental results showed that the addition of natural sodium bentonite mushroom residue composite to sandy soil could improve the performance of water and fertilizer retention of sandy soil, especially in reducing the loss of nitrogen leaching. The results of this study can provide valuable information for the rational utilization of plant fibrous agricultural wastes, such as natural sodium bentonite and mushroom residue to improve the utilization rate of water and fertilizer in the agricultural and forestry planting areas of Northwest China.

soils; nitrogen; leakage; natural sodium bentonite; mushroom residue; sandy soil; soil column simulation; water and fertilizer retention

王 瑛，王 梅，蘇金娟，等. 天然鈉基膨潤土菌渣復合材料對提高沙土保水保肥效應的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(23)：99-108.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.012 http://www.tcsae.org

Wang Ying, Wang Mei, Su Jinjuan, et al. Impacts of natural sodium bentonite mushroom residue composite on improving water and fertilizer retention effect in sandy soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 99-108. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.012 http://www.tcsae.org

2020-07-16

2020-10-01

新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目（2019B00005）

王瑛，研究方向為農業(yè)資源與環(huán)境。Email：1506621690@qq.com

楚光明，博士，副教授，研究方向為森林生態(tài)與植物資源保護利用。Email：chgmxj@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.012

P619.25+5

A

1002-6819(2020)-23-0099-10