CN113861995A - 一种复合土壤改良剂及其在石灰性紫色土改良方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合土壤改良剂及其在石灰性紫色土改良方面的应用，属于土壤改良技术领域。本发明的复合土壤改良剂是由腐殖酸和粉煤灰按照重量比1:5组合而成，所述石灰性紫色土的理化性质为：全氮17.6mg·kg‑1，总磷0.45g·kg‑1，全钾18.5mg·kg‑1，有机质9.11g·kg‑1，水稳性团聚体含量23.06％，pH＝7.79。本发明的复合改良剂是专门针对于四川地区常见的石灰性紫色土，经研究发现该复合改良剂组合可以大大提高该土壤的保水保肥性能，并显著改良该石灰性紫色土的沙化性质、减少土壤容重、增大孔隙度，且能够提高其水稳定性团聚体的含量。
Description
技术领域
本发明属于土壤改良领域，涉及利用工业废物和动植物残体改良土壤领域，具体涉及一种复合土壤改良剂及其在石灰性紫色土改良方面的应用。
背景技术
粉煤灰(FlyAsh)指的是燃煤企业在生产过程中产生的固体废渣，是我国目前主要的工业固体废物之一。在2000年，我国的粉煤灰排放量为1.5亿吨，2010年达到了2亿吨，而到2018年上升到了6.4亿吨，每一年的增长速度都明显在增加。目前，除了少量的粉煤灰可以用于建筑行业之外，大量的粉煤灰都采用堆放的方式处理，占用了大量的土地，也存在一些生态环境风险。因此，对于粉煤灰的处置手段和资源化利用成为了当下急需解决的问题。
腐殖酸(HumicAcid)是动植物残体经过复杂的变化后形成的一类褐色或黑色的无定形高分子胶态复合物。近年来，腐殖酸逐渐成为热门新型有机肥，它具有较强的离子交换性能和吸附能力，对土壤结构改良、植物生长、养分吸收、植物抗逆性有积极作用。在土壤中施加适当含量的腐殖酸类物质，能够有效补充土壤中有机质的消耗，起到改良土壤的理化性质，增强土壤肥力，促进土壤中作物生长的作用。各种研究表明，施加腐殖酸类物质可以有效地对土壤进行改良。
石灰性紫色土主要分布在四川盆地及滇中等地，土壤有机质在10g·kg-1左右，总氮、总磷含量低，土体浅薄，土壤质地多为砂质土，土粒孔隙大，通气透水性强，毛管作用弱。由于土壤颗粒大，比表面小，吸附、保持养分及水分的能力差。近年来，这种类型的耕地开始退化，土壤有机质含量急剧下降，加上风侵、水侵的加剧，形成了恶性循环，肥料、水分流失严重，水、肥利用率下降，不利于植物的正常生长，急需提供可以治理的手段。
目前已有学者对腐殖酸及粉煤灰单独施用对土壤的改良效果进行了研究，但目前并无将其用于石灰性紫色土的研究，从现有研究结果来看主要可以存在以下几方面的问题：(1)由于粉煤灰中几乎不含氮元素和有机质，单一施用粉煤灰改良沙化土壤无法均衡供应土壤营养；粉煤灰与其他固体废弃物联合使用可弥补其单一施用的不足，但固体废弃物的种类、配比及联合使用方式均会影响改良效果，因而将其用于石灰性紫色土的改良效果如何有待进一步研究；(2)对于腐殖酸作为改良剂施加于土壤的研究多数是关于土壤微生物及土壤重金属的，对土壤养分保持方面的研究较少，因而将腐殖酸应用于石灰性紫色土的改良效果未知，需要具体进行研究；(3)不同试验之间的供试土壤的理化性质有较大差异，目前试验所得的有关粉煤灰和腐残酸的研究成果不具备普遍性，对于具体问题还需要具体分析，因而在复配型改良型配方下对于四川地区常见的石灰性紫色土的改良研究也较少仍需要开展大量工作，目前无任何相关研究可供参考。
因此，有关复合改良剂用于石灰性紫色土的改良方案，有待进一步开展研究。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种针对于石灰性紫色土进行高效改良的复合土壤改良剂及其应用方法，本发明的复合改良剂是专门针对于四川地区常见的石灰性紫色土，经研究发现该复合改良剂组合可以大大提高该土壤的保水保肥性能，并显著改良该石灰性紫色土的沙化性质、减少土壤容重、增大孔隙度，且能够提高其水稳定性团聚体的含量。
本发明的目的之一是提供一种用于改良石灰性紫色土的复合土壤改良剂，所述复合土壤改良剂是由腐殖酸和粉煤灰按照重量比1:5组合而成，所述石灰性紫色土的理化性质为：全氮17.36mg·kg-1，总磷0.45g·kg-1，全钾18.5mg·kg-1，有机质9.11g·kg-1，水稳性团聚体含量23.06％，pH＝7.79。
本发明的上述复合土壤改良剂是针对四川地区常见的石灰性紫色土，通过大量研究获得了将腐殖酸和粉煤灰按照重量比1:5组合而成的复合土壤改良剂，发现该复合土壤改良剂对石灰性紫色土的保水保肥性能效果最佳，并能很好改良该石灰性紫色土的沙化性质、减少土壤容重、增大孔隙度，同时该复合土壤改良剂能够提高土壤的水稳定性团聚体含量，改善土壤结构。
进一步的是，所述粉煤灰的粒径为320目，含水量0.5％。
本发明的目的之二是提供上述复合土壤改良剂在石灰性紫色土改良方面的应用，其是将该复合土壤改良剂直接施撒于土壤，或是通过对土壤淋洗的方式进行改良，所述复合土壤改良剂的施用量为24g·改良剂/kg·土壤。
本发明的有益效果如下：
本发明的土壤改良剂能够实现废弃物的资源化利用，一定程度上可以解决粉煤灰堆放的问题。而且，这种复合改良剂对土壤的保水保肥性能有显著的提升作用，并能够减少土壤容重、增大孔隙度，和提高其水稳定性团聚体的含量，可以很好应对土壤过度侵蚀后的土壤退化问题，且其应该方法简单。
附图说明
图1为实施例中采用的淋滤柱示意图；
图2为不同处理土壤的分形维数；
图3为不同处理淋滤液总氮含量变化；
图4为不同处理淋滤液总磷含量的变化；
图5为不同处理淋滤液总钾含量变化；
图6不同处理淋滤液体积的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
1.材料和方法
1.1实验材料
①塑料桶：直径200mm，高200mm，共27个。
②土柱淋滤试验装置：直径5cm，高30cm的PVC圆柱管(见图1)，在其底部设置一个出水口，用来收集淋溶液，共27个。
③供试土壤
供试土壤为石灰性紫色土，采集于2020年10月，地点为成都市龙泉驿区龙泉山城市森林公园(该地年平均气温16.5℃，年平均相对湿度81％，平均年降水量895.2mm)。采土时利用土钻，按照五点取样法采集0-20cm的表层土壤，带回实验室风干。将风干后的土壤混匀，利用四分法取一部分土壤，经人工去除枯枝落叶后，用研钵研磨，过100目筛，用于测定土壤基本理化性质，结果如表1。可见该供试土壤理化性质如下：全氮17.36mg·kg-1，总磷0.45g·kg-1，全钾18.5mg·kg-1，有机质9.11g·kg-1，水稳性团聚体含量23.06％，pH＝7.79。
表1供试土壤理化性质
④供试腐殖酸及粉煤灰
供试粉煤灰为水泥色粉状，粒径为320目左右，含水量0.5％。供试腐殖酸购于天津光复精细化工研究所，化学分析纯。
⑤供试肥料共计3种，详情见表2。
表2供试肥料
1.2药品仪器
实验药品：
除非另有说明，以下试剂均为分析纯。
氢氧化钠、盐酸、硫酸、磷酸、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、无水乙醇、高锰酸钾、碳酸钠、过硫酸钾、2，6-二硝基酚、酒石酸钾钠、氯化镧、硫酸铜、硫酸钾、L(+)-抗坏血酸(优级纯)、钼酸铵、磷酸二氢铵、氯化钾、氯化铵、无氨水、硝酸钾。
试验仪器设备：
可调温电炉、自动凯氏定氮仪、天平、酸度计、镍坩埚、马弗炉、分光光度计、火焰光度计、高压灭菌锅、其它常用玻璃仪器。
1.3试验设计
称取1kg风干后的石灰性紫色土于塑料桶(直径200mm，高200mm)中，加入一定量的腐殖酸和粉煤灰，倒入少量去离子水，混匀后静置7天，静置完成后将混合土倒出，风干15天，去除杂质后测定水稳性团聚体含量、有机质含量并进行土柱淋滤试验。试验共设置9个处理：不添加土壤改良剂(CK)、2％粉煤灰、5％粉煤灰、0.4％腐殖酸、0.8％腐殖酸、0.4％腐殖酸+2％粉煤灰、0.8％腐殖酸+2％粉煤灰、0.4％腐殖酸+5％粉煤灰、0.8％腐殖酸+5％粉煤灰(上述百分比均为wt.％)。每个处理设置3次重复。
表3试验处理方式
1.4土壤水稳性团聚体的测定
土壤水稳性团聚体的测定采用湿筛法，具体方法为：将风干土样过5mm筛后，称取100g放置于烧杯中，加入100mL去离子水，浸泡30min后倒入套筛中(5mm、2mm、1mm、0.45mm、0.25mm的5个筛子)，然后将整套筛子慢慢地放入装有2/3蒸馏水的筛桶中，浸泡5min，上下振荡3min，振幅为5cm，振荡结束后，将各个筛子中的土样洗至已知重量的锡箔纸盒中，于105℃的烘箱中烘至恒重，冷却后称重，即得到各粒径的土壤团聚体含量。
1.5土柱淋滤试验
土柱淋滤试验装置为直径5cm，高30cm的PVC圆柱管，在其底部设置一个出水口，用来收集淋溶液。首先用200目滤布封底，并在滤布上垫有约25g石英砂以起过滤水样的作用，每柱装入500g处理后的风干土壤，并将肥料混施于土壤，三种肥料的施用量都为600mg·kg-1，土柱上面再加25g石英砂覆盖以防止加水时扰乱土层。在安装土柱时，要尽量将土柱壁附近的土壤压实以防水贴壁流出，土柱最下方放置一个漏斗，用250mL锥形瓶承接淋溶液。第一次先加250mL蒸馏水使土壤水分接近饱和，之后进行第一次土柱淋溶，缓慢倒入100mL蒸馏水淋溶土柱，收集24h内的淋溶液，收集完淋洗液后用刺有小孔的塑料薄膜封PVC管的上口以防水分大量蒸发。再100mL蒸馏水进行第二次淋溶，以后各次按同样操作进行，共淋溶五次，即分别在第1、5、9、13和17d淋溶土柱。测定淋溶液的体积、pH、总氮(TN)、总磷(TP)及总钾(TK)含量。淋溶液体积直接用量筒测定，土柱淋溶液的pH值用pH计测定，土柱淋滤液测定TK采用火焰光度法，测定TN含量采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，测定TP含量采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法。
1.6数据与分析
采用Excel-2016进行数据整理，Origin-8.5进行作图，SPSS-20.0对试验数据进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析，差异显著性水平(P<0.05)通过邓肯法(Duncan-法)进行检验。
2.结果与讨论
2.1不同处理对土壤水稳性团聚体的影响
(1)土壤水稳性团聚体形成
水稳性大团聚体总量、平均质量直径、几何均重直径、不稳定团粒指数是综合评价土壤团聚体形成水平的重要指标。如表4所示，MR0.3峰值出现在H0F2，大团聚体占比为27.81％，比H0F0提高了20.6％。除此之外，H4F0和H4F5处理后也分别提高了11.0％和8.5％，但效果并不显著。MWD和GMD的处理后峰值也出现在H0F2组，为1.43mm和1.22mm，比H0F0提高了43％和48.8％，处理后差异显著。值得一提的是，粉煤灰和腐殖酸单施用量提高之后，水稳性团聚体各指标都显著下降，H8F0处理后MR0.3、MWD、GMD都为所有处理的最低值，而H0F5处理后的各指标也接近最低值。这表明过高的粉煤灰和腐殖酸施用量并不利于提高水稳性团聚体的MR0.3、MWD和GMD。同时，复配处理在表2中与单施处理的差异相差不大。
表4不同处理下水稳性团聚体参数
(2)分形维数
土壤团粒结构分形维数反映了它对土壤结构与稳定性的影响趋势，即团粒结构的分形维数愈小，土壤愈具有良好的结构与稳定性。如图2所示，处理后分形维数的最低值出现在H0F2组，与H0F0相比减少了6.3％，差异显著。除此之外，H4F2和H4F5处理对分形维数也有一定的影响，与H0F0相比分别减少了2.8％和4.2％，而其他处理后团聚体分形维数无明显变化。结果也表现出≥0.3mm粒径的团粒含量越低,其结构的粒径分布分形维数越高的规律。
2.2不同处理对土壤养分保持的影响
(1)TN
前三次淋滤所有的单施处理的淋滤液TN都有显著的降低(图3)，按减少的淋滤液TN含量百分比从大到小依次为：H8F0(26.8％)、H0F2(25.5％)、H0F5(21.7％)、H4F0(20.6％)。而后两次淋滤这一数值降到了-2.3％、3.6％、2.9％、7.0％，甚至H8F0处理的TN还略高于了H0F0处理。复配处理后的TN变化表明，复配处理能更显著地减少淋滤液TN。H4F2、H4F5、H8F2三组处理前三次淋滤出的TN总含量与H0F0处理相比分别减少了37.1％、34.7％和37.7％，这一数据要显著高于单施处理，而后两次淋滤表现出的改良作用依然不明显。值得一提的是，当复配组合中的粉煤灰和腐殖酸用量都提升到最大时(H8F5)，TN又会升高，这说明过高用量的腐殖酸和粉煤灰的组合并不利于减少土壤氮素淋失量。
(2)TP
后四次淋滤的淋滤液TP含量都显著高于第一次淋滤，每一组平均增大了46.2％(图4)。对比不同处理间的淋滤结果可知，本次试验中大多数处理后的土壤淋滤液TP含量跟H0F0间并没有明显的差异，仅仅只有13d的H8F0组显著高于了H0F0。
(3)TK
H0F0处理依然是淋滤液中TK含量最高的一组，平均滤出3.58mg·L-1(图5)。不同处理后淋滤液TK含量都有显著的降低，范围在2.40～3.03mg·L-1之间。可以发现，H4F0、H8F2、H8F5三组的处理后淋滤液TK含量的变化是最显著的，分别减少了28.0％、30.4％、33.0％的钾淋失量，而其他组的数据在16％～23％之间。这表明高用量的腐殖酸和粉煤灰组合更有利于土壤对钾元素的吸收，减少了土壤钾的淋失量。而在复配中，腐殖酸又是起决定性作用的因素，因为腐殖酸单施后的淋滤液TK减少量比粉煤灰单施后的减少量平均多出17.6％。当保持腐殖酸的高施用量减少粉煤灰用量时，淋滤液TK含量变化不明显，仅升高2.5％，但当保持粉煤灰高施用量减少腐殖酸用量时，TK含量升高了9.5％。对比每一次淋滤所得的数据可以看出，随着淋滤次数的增加，每一次取得的淋滤液中TK的含量逐渐递减，13d和17d淋滤出的TK总和仅占五次淋滤的27.2％，而1d一次淋滤的TK含量就占了五次总量的37.4％。
2.3不同处理对土壤pH的影响
土壤pH直接影响环境材料对土壤重金属离子的固化效果和肥料利用效率。可以发现，土壤pH在处理前后差异并不显著，数值维持在7.8～8.4，但大多数处理后的土壤淋滤液pH还是高于H0F0组(表5)。比较不同天数淋滤液的pH值可以发现，随着淋滤的次数增加，所有处理组的土壤pH均有所上升。其中变化最大的是H0F2，经过五次淋滤，淋滤液pH增大了0.4，变化最小的为H8F5，五次淋滤后淋滤液pH仅增大0.05。
表5不同处理下淋滤液pH的变化
注：表中数值后的小写字母代表在5％水平上差异显著。
2.4不同处理对土壤水分保持的影响
实验中的淋滤液体积表示了土壤水分流失量(图6)，H0F0处理1d、5d和9d的滤出液体积都要大于处理过后的组别，但仅仅只有5d的H4F0、H4F2和H8F0滤出液体积与其有显著性差异，分别减少12.3％和9.3％，而13d和17d的各组淋滤液体均无差异。对比所有的单施处理和复配处理可以发现，单施粉煤灰对淋滤液体积几乎不存在影响，而单施腐殖酸对淋滤液体积的影响显著，大过大多数复配处理。复配处理中效果最好的是H4F2组，但当组合中粉煤灰和腐殖酸的用量开始提升后，淋滤液体积就越来越大，其他三组复配(H4F5、H8F2、H8F5)无论在哪一次淋滤中所得到的淋滤液体积与H0F0都不存在差异。
通过土柱淋溶模拟实验证明，两种材料单施或复配对土壤水肥增效效果都明显，处理H4F2(0.4％腐殖酸+2％粉煤灰)为土壤保水保肥的最佳组合，水分淋出量可减少5.6％，氮素淋出量减少37.1％，磷素淋出量减少11.0％，钾素淋出量减少16.7％有效地改良了土壤保水保肥性能，提高了氮磷钾肥的利用效率。同时本发明的土壤调理剂能够利于土壤水稳性团聚体的形成，有效地改良了土壤的物理结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于改良石灰性紫色土的复合土壤改良剂，其特征在于，所述复合土壤改良剂是由腐殖酸和粉煤灰按照重量比1:5组合而成，所述石灰性紫色土的理化性质为：全氮17.36mg·kg-1，总磷0.45g·kg-1，全钾18.5mg·kg-1，有机质9.11g·kg-1，水稳性团聚体含量23.06％，pH＝7.79。
2.根据权利要求1所述的复合土壤改良剂，其特征在于，所述粉煤灰的粒径为320目，含水量0.5％。
3.一种如权利要求1或2所述的复合土壤改良剂在石灰性紫色土改良方面的应用，其特征在于，所述应用是将该复合土壤改良剂直接施撒于土壤，或是通过对土壤淋洗的方式进行改良，所述复合土壤改良剂的施用量为24g·改良剂/kg·土壤。
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