腐植酸复合材料对沙土理化性质和植物生长的影响

宗 莉 杨效和 王爱勤

（中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学发展中心 兰州 730000)

阿拉善盟地处内蒙古自治区西端，全区荒漠化面积达22.39万平方公里，占全盟土地面积的82.9%，成为我国生态的严重危急区[1]。自然环境恶化制约了该区域国民经济发展。为此，针对阿拉善盟荒漠区生态环境保护建设引起广泛关注[2]。

如何节水保水、提高沙生植物成活率是荒漠化治理过程中植被恢复的关键所在。腐植酸中富含多种含氧活性官能团，具有弱酸性、吸水性、离子交换性等特点，对沙土具有良好的改良作用[3]。保水剂由于其优越的吸水性和缓慢释水性而被成功应用于荒漠区的植被恢复[4]。近年来研究发现，凹凸棒石黏土由于其孔道结构、良好吸附和离子交换性能，已成为改良沙土的有效材料[5]，同时黏土矿物中富含多种微量元素可促进植物生长发育。但是以上这些材料单独使用时无法达到最优效果[6]。

本研究以腐植酸、凹凸棒石黏土和保水剂以及其他有机质复配成沙区植被专用保水保肥复合材料，开展了复合材料对阿拉善盟地区沙土理化性质和酶活性影响的研究，并应用于梭梭、沙枣树和葡萄种植试验，以期为腐植酸复合材料用于荒漠沙地治理与修复提供研究基础和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

腐植酸由新疆双龙腐植酸有限公司生产；有机-无机复合保水剂由胜利油田长安集团聚合物有限公司生产；凹凸棒石黏土，产自甘肃临泽矿区，使用前粉碎并过200目筛。将以上物质与选定的其他有机质按一定比例充分混合后复配成保水保肥复合材料。沙土取自于阿拉善盟地区腾格里沙漠东区。

1.2 室内试验方法

采用高25 cm、直径10 cm的PVC塑料管盛土，管子底部用多层纱布封闭。设置0、0.25%、0.5%、1%和3%复合材料5个施用浓度，分别将复合材料与沙土按上述浓度直接混匀，装成重量为3.0 kg的土柱，根据重量差减法使沙土湿度保持在正常持水量的75%。8个月后采用常规方法测定土壤结构、理化性质和盐离子含量[7]。

1.3 试验区概况与试验设计

试验地点在阿拉善盟地区腾格里沙漠。试验区I在阿拉善盟巴音浩特镇，设3个处理：处理1为空白对照(不施材料)；处理2为腐植酸复合材料，施用量300 kg/hm2；处理3为腐植酸复合材料，施用量600 kg/hm2。种植植物为梭梭和沙枣树，日常管理与常规造林管理技术相同，3个月后跟踪调查成活率、胸径及株高。试验区II在阿拉善盟沙产业园区，设3个处理，处理1为对照(仅滴灌)；处理2为普通复合肥，施用量750 kg/hm2；处理3为腐植酸复合材料，施用量600 kg/hm2。种植植物为葡萄，日常管理为沙地葡萄滴灌种植管理模式，3个月后调查成活率及叶片数。试验区均为普通风沙土，其基本理化性质见表1。

表1 试验区沙土的理化性质Tab.1 The soil physic-chemical characteristics of experimental region

1.4 土壤酶活性测定

在梭梭处理3小区内随机取5处0～20 c m沙土，剔除石砾和植物残根等杂物，放入4 ℃保存。土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾容量法测定[8]。

1.5 数据处理

数据处理和方差分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 15.0完成。

2 结果与分析

2.1 腐植酸复合材料对沙土理化性质的影响

腐植酸复合材料不同施用量对沙土理化性质的影响见表2。可以看出，与对照相比，随着腐植酸复合材料用量的增加，沙土的pH值明显降低，持水量、有机质、全氮和全磷含量明显提高，可见腐植酸复合材料处理能够提高土壤肥力，这与Chen等[9]利用泥炭和风化煤改良沙土的研究发现相同，其原因主要是因为腐植酸可以改善土壤微环境，增加土壤微生物的活性，提高土壤有机质，从而提高土壤肥力。其中，当腐植酸复合肥料施用量为1%和3%时对沙土理化性质影响差异不显著，说明只要用1%的腐植酸复合材料就可明显改善沙土的各种理化性能。

表2 腐植酸复合材料不同施用量对沙土理化性质的影响Tab.2 Effects of humic acid composite material application on physic-chemical properties of sandy soil

腐植酸复合材料对沙土团粒结构的影响如表3所示。风沙区沙土被风扬起所需的起动风速与沙土结构有关，沙土粒径越大，起动风速越高，同时适宜的土壤结构有利于水分保持，因此沙土的团聚体含量可以反映其抵御风蚀的能力[10]。未施用材料沙土原样中89%以上都是＜0.25 mm的细小颗粒，极易被风吹起，风速越高，扬起沙尘越多。施用腐植酸复合材料后，土壤结构明显改善，当材料使用量为3%时，＞0.25 mm稳定性团聚体含量提高至42.7%，沙土结构得到显著改善，这是由于复合材料中的腐植酸和凹凸棒石黏土均可有效改善团粒结构，使大团聚体数目增加。

表3 腐植酸复合材料不同施用量对沙土团粒结构的影响Tab.3 Effects of humic acid composite material on sandy soil aggregates structure

2.2 腐植酸复合材料对沙土酶活性的影响

沙土酶活性通过催化沙土中的生化反应发挥重要作用，也是沙土肥力的一项重要指标[11]。脲酶直接参与尿素形态转化，能促进有机质分子中肽键的水解，其活性通常与微生物数量、有机质、全氮和速效氮相关。施用腐植酸复合材料能明显提高脲酶活性，随着材料施用量增加，沙土层脲酶活性得到提高，300 kg/hm2和600 kg/hm2处理分别比对照提高了51.2%和70.2%，但在10～20 cm沙土层材料施用量没有显著性差异(图1)，0～10 cm沙土脲酶活性高于10～20 cm沙土层。沙土中真菌、细菌和植物根都能够分泌过氧化氢酶，用于解除生物呼吸或生物化学氧化反应产生过氧化氢的毒害。过氧化氢酶是参与沙土中物质和能量转化的一种重要氧化还原酶，在一定程度上可以表征沙土生物氧化过程的强弱[12]。图2显示，0～10 cm沙土层内过氧化氢酶活性显著高于10～20 cm，施用腐植酸复合材料能明显提高过氧化氢酶活性，0～20 cm沙土层分别比对照提高了12.4%和18.4%。腐植酸复合材料对沙土脲酶活性影响较为显著，这是由于脲酶活性通常与微生物数量、土壤有机质、全氮和速效氮相关。Ignacio等[12]研究表明，土壤有机质含量对土壤酶活性有直接影响，这是因为土壤有机质是土壤微生物和植物的生活基础和生命活动产物。隋跃宇和邱现奎等[13，14]研究表明，过氧化氢酶与土壤养分成正相关。腐植酸复合材料的施用显著提高了过氧化氢酶活性，但不同用量间差异不显著。

图1 不同处理对沙土脲酶活性的影响Fig.1 Effects of different treatments on activity of soil urease

图2 不同处理对沙土过氧化氢酶活性的影响Fig. 2 Effects of different treatments on activity of soil catalase

2.3 腐植酸复合材料对植物生长的影响

由于腐植酸复合材料提供灌木生长所需养分，同时腐植酸复合材料中的保水剂可避免水分过度蒸发，从而提高植物成活率。施用复合材料后显著提高了沙枣树的成活率，施用300 kg/hm2和600 kg/hm2腐植酸复合材料比对照分别提高了29.2%和34.7%(图3)。梭梭成活率有所提高，但与对照差异不显著。而葡萄种植采用沙地滴灌，不同处理的成活率均达到100%。不同物种间成活率有一定差别，这可能与物种对水肥需求不同有关。腐植酸复合材料的施用能显著提高植物地上部分生物量(图4和图5)，不同材料用量下梭梭株高均达到显著水平，分别比对照提高了49.2%和88%，而胸径在600 kg/hm2用量下达到0.37 cm，比对照提高了23%(图6)，300 kg/hm2用量胸径有所提高，但与对照相比差异不显著。

图3 不同处理对植物成活率的影响Fig.3 Effects of different treatments on rate of survival

图4 梭梭种植实例照片Fig.4 Photos of planting H. ammodendron

图5 葡萄种植实例照片Fig. 5 Photos of planting Grape

图6 不同处理对梭梭株高和胸径的影响Fig.6 Effects of different treatments on height and ground diameter of H. ammodendron

传统认为施用足量的有机肥，可以增加土壤有机质含量，提高果树产量和品质。生育期间叶片数量增多有利于葡萄进行光合作用，可为后期生长积累所需养分。本试验进行复合材料和复合肥种植葡萄对比试验，发现施用腐植酸复合材料和复合肥的葡萄叶片数量明显高于对照叶片数104%和89%(图7)，施用腐植酸复合材料略高于施用复合肥的叶片数，但差异不显著。这是由于以腐植酸和凹凸棒石黏土开发的复合材料，腐植酸除其富含有机质外，还可增加土壤养分的有效性，刺激植物生长发育[3]，同时凹凸棒石黏土还可满足植物生长的所需微量元素，与传统有机肥相比，养分更加均衡。

图7 不同处理对葡萄叶片数的影响Fig.7 Effects of different treatments on number of grape leaves

3 结论

腐植酸、凹凸棒石黏土、保水剂及其他有机质进行复配，可以有效改善沙土的理化性质，提高植物的成活率和生物量，具有保水、降低pH值、增加养分等作用，可作为沙土的改良剂。腐植酸复合材料用量为1%时，改善沙土理化性质效果最佳。

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