三種環(huán)境材料復(fù)合對土壤水肥保持同步增效的影響

馬 妍，劉振海，劉陸涵，2，史妍君，黃占斌*

三種環(huán)境材料復(fù)合對土壤水肥保持同步增效的影響

馬 妍1，劉振海1，劉陸涵1，2，史妍君1，黃占斌1*

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.北京首創(chuàng)環(huán)境投資有限公司，北京 100083）

為研發(fā)基于功能互補(bǔ)的不同環(huán)境材料復(fù)合對土壤水分和氮磷肥保持增效的同步效應(yīng)，本文選取保水劑（A）、腐植酸（B）和沸石（C），通過室內(nèi)土柱模擬方法，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究3種不同環(huán)境材料復(fù)合對土壤水分和氮磷肥保持同步增效的主次和不同目標(biāo)的組合優(yōu)化，最終獲得提高土壤水分和土壤氮磷保持增效的最優(yōu)組合，通過過程分析探討不同環(huán)境材料對土壤水肥保持的效應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：3種環(huán)境材料復(fù)合對土壤水分和氮磷肥保持增效有明顯效果，對水分保持和氮磷肥同步增效的最優(yōu)組合為A3B3C2（即保水劑、腐植酸和沸石添加量為1.5、1.5 g·kg-1和9.0 g·kg-1），該組合相比CK的土壤水分淋出量減少3.5%，氮素淋出量減少12.1%，磷素淋出量增多65.5%；比較發(fā)現(xiàn)，沸石對土壤淋溶液pH和EC值影響最大，保水劑居中，腐植酸作用最小；3種環(huán)境材料的添加可增加土壤孔隙度，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有改良土壤的效應(yīng)。研究結(jié)果為新型肥料研發(fā)提供重要參考。

保水劑；腐植酸；沸石；水分保持；氮磷肥增效

干旱缺水、水肥利用效率低和面源污染等問題是限制我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效和可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1－3]。我國農(nóng)業(yè)年用灌溉水量3600億m3，占總用水量65%左右，其中90%用于農(nóng)田漫灌[4]，但水分利用效率不到發(fā)達(dá)國家的一半，加之水資源浪費(fèi)使我國水資源短缺狀況更加嚴(yán)峻[5]。同時(shí)，我國農(nóng)業(yè)面源污染也十分嚴(yán)重，且對環(huán)境污染的貢獻(xiàn)率不斷提高[6－10]。施用氮磷化肥是我國農(nóng)業(yè)最基本的增產(chǎn)方式，但在施用過程中存在過量施用、效率低下和造成面源污染等問題[2]。研究表明，我國氮磷肥的當(dāng)季利用率分別為35%左右和10%～20%[11]，每年我國氮肥損失高達(dá)1500萬t，這不僅增加農(nóng)業(yè)成本，還造成坡地農(nóng)田氮磷肥隨水土流失引起江河富營養(yǎng)化的環(huán)境污染問題，氮肥反硝化引起“溫室氣體”排放增加的大氣污染問題，土壤中氮磷滲漏引起地下亞硝酸鹽增加造成地下水污染問題，并威脅人類健康[12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)面源污染中氮磷在水體污染源中比例達(dá)50%以上[13]。針對我國目前農(nóng)田化肥用量過高的狀態(tài)，2015年農(nóng)業(yè)部提出《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》?？购倒?jié)水和提高農(nóng)田土壤水分保持，減小化肥用量和提高氮磷肥利用效率是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向和研究課題。

環(huán)境材料是具有最低環(huán)境負(fù)荷、最大使用功能的人類所需材料[14]，其最大特征是具有功能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐[15－23]表明，保水劑是目前具有較大發(fā)展?jié)摿Φ耐寥辣Ｋ牧?，由于保水劑的分子結(jié)構(gòu)為具有一定交聯(lián)度的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中含有很多羧基、羥基、磺酸基等親水性基團(tuán)，遇到水分子，這些基團(tuán)可以電離，形成氫鍵，不僅促進(jìn)土壤保水和土壤改良，還能促進(jìn)作物生長和水肥協(xié)調(diào)，提高植物干物質(zhì)產(chǎn)量和水分利用效率；腐植酸是自然環(huán)境中廣泛存在的一類高分子物質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)中含有酚羥基、醇羥基等官能團(tuán)，因而具有親水性、離子交換性及絡(luò)合性等特性，對氮素具有較好的保持效果，還能活化土壤中磷肥，提高磷肥利用率；沸石是具有硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，因?yàn)槠洫?dú)特的孔道結(jié)構(gòu)以及孔道中含有大量可用于交換的陽離子，沸石具有很高的選擇性陽離子交換性能量，對氮磷肥離子具有較強(qiáng)的吸附性和離子交換性能。目前，這幾類環(huán)境材料在氮肥增效和磷肥活化的單項(xiàng)研究有一些積累，但缺乏多種環(huán)境材料復(fù)合對水肥同步增效的研究。本文基于這3種環(huán)境材料的協(xié)同作用，為了減小農(nóng)業(yè)面源污染和改善農(nóng)田的水土環(huán)境，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索3種環(huán)境材料對土壤水肥保持增效的優(yōu)化組合，以期為新型肥料的研發(fā)和環(huán)境材料的應(yīng)用研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤：北京市通州區(qū)農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）。0.25～5.00 mm土壤團(tuán)聚體占50.60%；土壤堿解氮15.75 mg·kg－1，速效磷 54.40 mg·kg－1，有機(jī)質(zhì) 18.91 g·kg－1，陽離子交換量（CEC）6.19 cmol·kg－1，電導(dǎo)率（EC）0.33 μS·cm－1，含水率 7.63%，孔隙度 50.50%，pH 值7.49。經(jīng)風(fēng)干、碾碎和剔除雜物后過2 mm篩，備用。

肥料：尿素，H2NCONH2（分析純，廣東光華科技股份有限公司）；過磷酸鈣，Ca（H2PO4）2·H2O（化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

環(huán)境材料：保水劑，聚丙烯酸鈉鹽型，白色晶體顆粒，60～80目（北京金元易生態(tài)工程技術(shù)中心）；腐植酸，黑色粉狀，80～100目，其中黃腐酸16.7%（內(nèi)蒙古霍林河煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）；沸石，乳白色顆粒，60～80目（化學(xué)純，天津市津科精細(xì)化工研究所）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 淋溶試驗(yàn)裝置

土柱淋溶試驗(yàn)裝置：主體是定制的有機(jī)玻璃柱和玻璃土柱架（圖1）。玻璃柱的內(nèi)徑、外徑和高分別為5、6 cm和35 cm。在淋溶柱底部放置兩塊制有小孔的有機(jī)玻璃濾板，濾板之間夾1層200目的濾布。每柱中裝入500 g過2 mm篩后的風(fēng)干土壤的土肥混合物（肥料混施于土壤中，尿素和過磷酸鈣添加量分別為1000、750 mg·kg－1），表面覆蓋少量（約 40 g，0.5 cm厚）純凈石英砂，加水時(shí)可起到緩沖作用，以防擾亂土層。

圖1 土柱淋溶模擬實(shí)驗(yàn)裝置Figure 1 Soil column leaching experiment equipment

水分處理方法：淋溶前加250 mL水使土壤水分接近飽和持水量。室溫下放置1 d，使土肥充分混合。首次淋溶加入250 mL水，收集24 h淋溶液。將淋溶柱仍放置在室溫條件下，自然蒸發(fā)，約6 d后稱重，至土壤含水率降到約50%左右時(shí)，進(jìn)行第Ⅱ次淋溶，每次淋溶過程相同，約在培養(yǎng)第2、8、14 d和20 d時(shí)進(jìn)行淋溶，連續(xù)4次。

1.2.2 試驗(yàn)處理

根據(jù)正交表的正交性，正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均衡分布，具有很強(qiáng)的代表性，具備“均勻分散、齊整可比”的特點(diǎn)，能夠比較全面反映選優(yōu)區(qū)內(nèi)的基本情況。本研究通過三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，采用土柱淋溶模擬方法，確定環(huán)境材料對水分保持和氮磷肥同步增效的最優(yōu)組合。實(shí)驗(yàn)三因素為保水劑（A）、腐植酸（B）和沸石（C），在以往研究基礎(chǔ)上，確定A與B用量的3個(gè)水平均為土壤干重的0.05%、0.10%和0.15%（即0.5、1.0 g·kg－1和 1.5 g·kg－1），C 為土壤干重的 0.3%、0.6%和0.9%（即 3、6 g·kg－1和 9 g·kg－1）添加，共 9 個(gè)處理，3個(gè)重復(fù)（表1）。

1.2.3 測定指標(biāo)與方法

淋溶液指標(biāo)：淋溶液體積直接采用量筒法測定；pH值采用玻璃電極法GB 7859—1987；EC值采用電導(dǎo)率儀法（GB 7871—1987）；總氮采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法（HJ 636—2012）；總磷采用過硫酸鉀氧化－鉬銻抗分光光度法（GB 11893—1989）。

土壤指標(biāo)：土壤樣品的電鏡掃描（SEM）表征在淋溶前后進(jìn)行，在清華大學(xué)材料學(xué)院采用掃描電子顯微鏡（SU8010，日本Hitachi公司）進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境材料組合對土壤水分保持的影響

淋溶液體積即土壤水分流失量，不同處理4次淋溶液過程分析見圖2，試驗(yàn)組淋溶液總體積相比CK組均有所減少，處理組7淋出量最小，減少3.7%，表明環(huán)境材料混施對土壤水分保持效果明顯。在4次淋溶中，第Ⅰ次淋溶液體積均最小，主要是由于首次淋溶時(shí)土壤質(zhì)地疏松，孔隙較多且較大，吸水保水性較強(qiáng)。第Ⅱ、Ⅲ次淋溶液體積相差不大，原因是隨著淋溶次數(shù)增加，土壤孔隙減小，吸水性減弱，且在第Ⅰ次淋溶中保水劑、腐植酸及沸石對水分的吸收達(dá)到接近飽和狀態(tài)。第Ⅳ次淋溶體積較第Ⅱ、Ⅲ次有所下降，主要由于隨著淋溶天數(shù)增加，室溫升高，土壤中水分蒸發(fā)量較以前增多。

表1 土柱淋溶試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Soil column leaching experiment design

正交結(jié)果極差分析（表2）可確定3種環(huán)境材料對土壤水分保持的最佳組合。水分保持極差表現(xiàn)為RA＞RC＞RB，即保水劑＞沸石＞腐植酸，且保水劑、沸石對水分保持的影響相近，但腐植酸保水效果與其相比差距較大；最佳組合為A3B2C2，即3種環(huán)境材料對水分保持效果最好的添加量分別為1.5、1.0 g·kg－1和9.0 g·kg－1。

2.2 環(huán)境材料組合對土壤氮素保持的影響

圖2 不同處理淋溶液體積變化Figure 2 Changes of the leaching solution volume of different treatments

不同處理氮素淋出量過程分析見圖3，與CK組氮素累積淋失總量相比，添加了環(huán)境材料的9個(gè)實(shí)驗(yàn)組淋溶后的氮素淋失量都有所減小，可見添加環(huán)境材料有助于減少氮素的流失。在4次淋溶過程中，各組氮素淋失量均在第Ⅰ次淋溶時(shí)出現(xiàn)最大值，而且約占4次淋溶淋失總量的64.99%～75.99%，第Ⅱ次占淋失總量的10.09%～15.18%，第Ⅲ次占8.03%～12.89%，第Ⅳ次占3.68%～7.91%，可見，氮素的淋失主要發(fā)生在前兩次淋溶過程中。觀察首次淋溶的氮素淋失量可知，有6個(gè)實(shí)驗(yàn)組的氮素淋失量都大于CK組，造成這一現(xiàn)象的原因可能是保水劑、腐植酸分子結(jié)構(gòu)中的功能基團(tuán)具有親水性、離子交換性和絡(luò)合性，起到制約淋溶等作用，從而抑制了氮素在土壤中的緩釋效應(yīng)，其次3種材料添加增大了土壤孔隙，且第Ⅰ次淋溶時(shí)材料與土壤未能良好結(jié)合，尤其保水劑吸水后體積增大，會使周圍的土粒結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，氮素更容易隨水在增大了的土壤孔隙中流失。第Ⅱ次淋溶中處理組8的氮素淋失量最少，比CK組少35.06%；第Ⅲ次淋溶中氮素淋失量最小的為處理組6，比CK組少40.36%；第Ⅳ次淋溶中氮素淋失量最少的組（處理組6）比CK組少56.00%。在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ次淋溶后，氮素淋失量均隨淋溶次數(shù)的增加而減小，加入材料的實(shí)驗(yàn)組也表現(xiàn)出比CK組更好的氮素保持效果。

表2 淋溶液總體積正交分析Table 2 The orthogonal analysis of the results of the total volume of leaching solution

不同處理4次淋溶過程中氮素累積淋出量正交分析見表3，氮增效極差表現(xiàn)為RB＞RA＞RC，即腐植酸＞保水劑＞沸石；最優(yōu)組合為A1B3C2，即3種環(huán)境材料對氮增效效果最好的添加量分別為 0.5、1.5 g·kg－1和9.0 g·kg－1。

2.3 環(huán)境材料組合對土壤磷素活化的影響

磷肥施入土壤中易被固定，只有將磷素存在形式轉(zhuǎn)化為可溶性磷，才有可能被植物利用。不同處理磷素淋出量過程分析見圖4，添加環(huán)境材料的9個(gè)處理組的磷素淋出量均比CK組高，可見環(huán)境材料在一定程度上可促進(jìn)磷素活化。在4次淋溶過程中，首次總磷淋出量約占4次淋出總量的18.74%～23.68%，第Ⅱ次淋出量占淋出總量的23.53%～29.21%，第Ⅲ次占26.34%～32.52%，第Ⅳ次占20.29%～27.11%，可見磷素的淋出并不像氮素的淋失那樣主要發(fā)生在前兩次，而是每次淋出相對均勻的量，這可能是由于環(huán)境材料對磷素的活化需要一定時(shí)間，且材料的作用比較持久。另外，各組磷素淋出量呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，各組磷素淋出量均是在第Ⅲ次淋溶時(shí)達(dá)到最大，第Ⅰ次淋溶時(shí)磷素淋出量最多的為處理組4，比CK組淋出量多64.7%；第Ⅱ次淋溶時(shí)磷素淋出量最多的是處理組2，比CK組淋出量多89.1%；第Ⅲ次淋溶時(shí)磷素淋出量最多的是處理組9，比CK組淋出量多80.6%；第Ⅳ次淋溶磷素淋出量最多的同樣為處理組9，比CK組多62.2%，可見，首次淋溶時(shí)環(huán)境材料對磷素的活化作用較小，隨著時(shí)間的延長，淋溶次數(shù)的增加，活化效果越發(fā)明顯，后期效果有變?nèi)醯内厔?。試?yàn)組磷素淋出總量相比CK組均有所增加，處理組9淋出總量最多，增加65.53%，表明環(huán)境材料混施能促進(jìn)磷素活化。

表3 不同處理氮素累積淋出量的正交分析Table 3 The orthogonal analysis of nitrogen accumulated amount of different treatments

圖3 不同處理氮素淋出量的變化Figure 3 Changes of nitrogen leaching amount of different treatments

圖4 不同處理磷素淋出量的變化Figure 4 The changes of phosphorus leaching amount of different treatments

不同處理4次淋溶過程中磷素累積淋出量正交分析見表 4，磷活化極差表現(xiàn)為 RC＞RA＞RB，即沸石＞保水劑＞腐植酸，且沸石影響要遠(yuǎn)高于保水劑和腐植酸；最優(yōu)組合為A3B2C2，即3種環(huán)境材料對磷活化效果最好的添加量分別為 1.5、1.0 g·kg－1和 9.0 g·kg－1。

表4 不同處理磷素累積淋出總量的正交分析Table 4 The orthogonal analysis of phosphorus accumulated amount of different treatments

2.4 環(huán)境材料對氮磷同步增效的優(yōu)化組合分析

對不同處理土壤淋溶液總體積、氮素和磷素淋出總量進(jìn)行方差分析（表5）。3種環(huán)境材料對氮增效、磷活化和水分保持的影響順序?yàn)榉惺颈Ｋ畡靖菜?，對?個(gè)主要指標(biāo)，各因素的最優(yōu)水平：對于氮增效，優(yōu)水平為A1B3C2；磷活化為A3B2C2；水分保持為A3B2C2。對于因素C，3個(gè)主要指標(biāo)的最優(yōu)水平均為C2，故C2為綜合分析后的最優(yōu)水平。對于因素A，是淋溶液體積的主要影響因素，是氮素和磷素的次要影響因素，綜合分析選擇A3為最優(yōu)水平。對于因素B，其是氮素最主要影響因素，是磷素與淋溶液體積的次要影響因素，綜合分析選擇B3為最優(yōu)水平。

表5 不同處理淋溶液體積、氮素淋出總量和磷素淋出總量方差分析Table 5 Variance analysis of leaching solution volume and the amount of leaching nitrogen and phosphorus under different treatments

綜上所述，對水分保持、氮增效和磷活化效果最好的組合為A3B3C2，即保水劑、腐植酸和沸石的添加量分別為 1.5、1.5 g·kg－1和 9.0 g·kg－1，相比 CK 水分淋出量減少3.5%，氮素淋出量減少12.1%，磷素淋出量增多65.5%。

2.5 環(huán)境材料組合對土柱淋溶液pH值的影響

土壤pH直接影響環(huán)境材料對土壤重金屬離子的固化效果和氮肥利用效率。3種材料混施后，土壤pH值總體變化不大，在8.00～8.40之間，最大值與最小值之間差別不到0.5，但CK組的pH明顯小于試驗(yàn)組。這主要是由于尿素施加到土壤后，可水解生成NH4HCO3、（NH3）2CO3、NH4OH（NH3·H2O），一周后生成NO－3，造成pH值下降。4次淋溶液pH值正交分析見表6，首次淋溶時(shí)，3種材料影響主次順序?yàn)榉惺靖菜幔颈Ｋ畡?，其中腐植酸的影響略高于保水劑。對于氮素，選取pH值最大為優(yōu)組合，即A3B2C2；對于磷素，選取pH值最小為優(yōu)組合，即A1B3（B1）C1；第Ⅱ次淋溶過程中，主次順序?yàn)榉惺颈Ｋ畡靖菜?，氮素和磷素?yōu)組合分別為A3B2C2和A1B3C1；第Ⅲ次淋溶中，主次順序與第Ⅱ次淋溶時(shí)一致，優(yōu)組合分別為A3B2C2和A1B1（B2）C1；第Ⅳ次淋溶中，主次順序?yàn)榉惺颈Ｋ畡?腐植酸，氮素和磷素優(yōu)組合為A3B3C2和A2B2C1。綜合來看，在4次淋溶過程中，沸石對淋溶液pH值增加的影響最大，前期淋溶時(shí)其影響遠(yuǎn)高于其他兩種材料，隨著淋溶次數(shù)的增加，影響效果降低；并且添加沸石量最多的處理其pH值也最大，說明沸石能夠提高土壤pH值，且添加量越多效果越顯著。腐植酸在首次淋溶時(shí)對pH值的影響較大，但隨著淋溶次數(shù)的增加，其影響效果降低，而保水劑在首次淋溶后對pH值影響效果明顯增加。

2.6 環(huán)境材料組合對土柱淋溶液電導(dǎo)率的影響

土壤電導(dǎo)率反映土壤總鹽含量，在一定程度上反映了土壤的供肥能力，對于評價(jià)環(huán)境材料對土壤質(zhì)量的影響具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)組的電導(dǎo)值幾乎都高于CK組，說明環(huán)境材料能增加土壤中電解質(zhì)含量。4次淋溶液EC值正交分析見表7，首次淋溶時(shí)，3種材料影響的主次順序?yàn)楸Ｋ畡痉惺靖菜?，以EC值較小為優(yōu)，最優(yōu)組合為A1B1C1；第Ⅱ次淋溶時(shí)，主次順序?yàn)榉惺颈Ｋ畡靖菜?，?yōu)組合為A3B3C1；第Ⅲ次淋溶時(shí)，主次順序與第Ⅱ次淋溶一致，最優(yōu)組合為A1B1C1；第Ⅳ次淋溶時(shí)，主次順序?yàn)榉惺靖菜幔颈Ｋ畡?，最?yōu)水平為A1B2C1和A3B1C2。綜合來看，4次淋溶過程中沸石對EC值影響最大，且效果穩(wěn)定，作用時(shí)間長；隨著淋溶次數(shù)增加，保水劑對EC值影響不斷減??；而腐植酸的影響效果較小，但相對穩(wěn)定。分析原因沸石是一種堿土金屬鋁硅酸鹽礦物，電離程度緩慢，隨著淋溶次數(shù)的增加，獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)以及孔道中含有大量可用于交換的陽離子，使沸石具有很高的選擇性陽離子交換性能量，增大了淋溶液中電解質(zhì)的含量；保水劑隨著吸水膨脹，吸附電解質(zhì)離子的能力明顯減弱。

表6 不同環(huán)境材料組合對各次淋溶液pH影響的正交分析Table 6 The orthogonal analysis of pH in four times′leaching of different environmental materials

表7 不同環(huán)境材料組合對各次淋溶液EC值影響的正交分析Table 7 The orthogonal analysis of EC values in four times′leaching of different environmental materials

2.7 環(huán)境材料組合對土壤結(jié)構(gòu)的影響

取正交實(shí)驗(yàn)中對氮素與磷素保持較好的處理組（A3B3C2）和未添加任何環(huán)境材料的處理組（CK），對其淋溶后的土壤分別進(jìn)行SEM電鏡掃描，對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)反映了土壤通透性及水肥保持能力。粒徑范圍0.25～5.00 mm團(tuán)聚體含量越高，土壤持水保肥能力越強(qiáng)[24]。圖5表明，CK組淋溶土壤比較緊實(shí)，土壤顆粒較小，分布密集，孔隙較小。而添加了環(huán)境材料的淋溶土壤顆粒較大，形成土壤團(tuán)聚體，且顆粒間孔隙較大?？梢?，添加環(huán)境材料可改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤大顆粒形成，孔隙度增加，較好地改善土壤的通氣性和透水性。分析發(fā)現(xiàn)，保水劑的分子鏈?zhǔn)蔷哂幸欢ń宦?lián)度的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)含有很多羧基、醇羥基等親水性基團(tuán)[25]。腐植酸是一種弱酸性有機(jī)混合物，表面含有大量羧基、醇羥基和酚羥基等親水性基團(tuán)，對土壤團(tuán)聚體的形成起主要作用[26]。這與孫朋成[27]通過提高0.25～5.00 mm土壤團(tuán)聚體含量間接提高氮磷肥利用效率結(jié)果一致。

圖5 添加與未添加環(huán)境材料土壤的掃描電鏡圖Figure 5 Scanning electron microscopy of soil with and without environmental materials addition

3 結(jié)論

（1）通過土柱淋溶模擬實(shí)驗(yàn)證明，三種環(huán)境材料復(fù)合對土壤水肥增效效果明顯，在土壤氮、磷肥施用量為1000、750 mg·kg－1情況下，組合A3B3C2（保水劑、腐植酸和沸石添加量為 1.5、1.5 g·kg－1和 9.0 g·kg－1）為土壤保水和控氮釋磷的最佳組合，水分淋出量可減少3.5%，氮素淋出量減少12.1%，磷素淋出量增加65.5%，有效提高了氮磷肥的利用效率，在實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際目標(biāo)和環(huán)境情況進(jìn)行選擇。

（2）在整個(gè)土柱淋溶過程中，3種環(huán)境材料不同程度改變土壤的酸堿度和電導(dǎo)率。其中，沸石添加能明顯提高土壤pH值和EC值，影響也最明顯；保水劑與腐植酸添加對pH值影響效果相當(dāng)，對土壤淋溶液的pH值和EC值影響較小且相對穩(wěn)定。

（3）3種環(huán)境材料可改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤孔隙度，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加，進(jìn)而提高氮磷肥的利用效率，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

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Study of composites of three kinds of environmental materials on the synergism of soil moisture conservation and nitrogen-phosphorus fertilizer efficiency

MA Yan1,LIU Zhen-hai1,LIU Lu-han1,2,SHI Yan-jun1,HUANG Zhan-bin1*
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology（Beijing）,Beijing 100083,China;2.Beijing Capital Environmental Investment Limited,Beijing 100083,China）

This study aimed to determine the simultaneous effects of soil water and nitrogen-phosphorus fertilizers based on the functional complementarity of different environmental materials.Super absorbent polymer（A）,humic acid（B）,and zeolite（C）were selected,and soil column leaching was performed to identify the main and secondary targets and combination optimization of composites of three different environmental materials on soil moisture and nitrogen-phosphorus fertilizer.Eventually,the optimal combination of soil moisture and nitrogenphosphorus conservation synergism was obtained,and the effective mechanism of different environmental materials on soil moisture and fertilizer conservation was analyzed using the process analysis.The results showed that composites of three kinds of environmental materials had significant effects on soil moisture and nitrogen-phosphorus fertilizers,and the optimal combination of soil moisture conservation and nitrogen-phosphorus fertilizer efficiency was A3B3C2（with super absorbent polymer,humid acid and zeolite of 1.5,1.5 g·kg-1and 9.0 g·kg-1,respectively）.Compared with those of CK,the water leaching was reduced by 3.5%,the leaching rate of nitrogen was decreased by 12.1%,and the leaching amount of phosphorus was increased by 65.5%in A3B3C2.Comparative analysis revealed that zeolites had the maximum influence on the pH and EC values,whereas humic acid had the minimum effect.The addition of environmental materials could increase soil porosity,improve soil aggregate structure,and help improve soil properties.The results provide an important basis for new fertilizer research and development.

super absorbent polymer;humic acid;zeolite;moisture conservation;nitrogen-phosphorus fertilizer synergism

2017－04－14 錄用日期：2017－09－01

馬 妍（1983—），女，安徽碭山人，副教授，主要從事土壤污染治理與修復(fù)研究。E-mail：mayan2202@163.com

*通信作者：黃占斌 E-mail：zbhuang2003@163.com

十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0501108）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571303）；三峽后續(xù)工作科研課題（2015HXKY2-4）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（2016QH02）；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（8152025）

Project supported：13th Five－Year Plan National Key Research and Development Program of China（2016YFC0501108）；The National Natural Science Foundation of China（41571303）；Three Gorges Follow－up Work Research Topic（2015HXKY2－4）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities（2016QH02）；The Natural Science Foundation of Beijing，China（8152025）

X53

A

1672-2043（2017）12-2471-08

10.11654/jaes.2017-0564

馬 妍，劉振海，劉陸涵，等.三種環(huán)境材料復(fù)合對土壤水肥保持同步增效的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（12）：2471-2478.

MA Yan,LIU Zhen-hai,LIU Lu-han,et al.Study of composites of three kinds of environmental materials on the synergism of soil moisture conservation and nitrogen-phosphorus fertilizer efficiency[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2471-2478.