天然鈉基膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料對(duì)提高沙土保水保肥效應(yīng)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

天然鈉基膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料對(duì)提高沙土保水保肥效應(yīng)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(xué)農(nóng)學(xué)院，石河子 832000）

中國(guó)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(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了植物正常生長(zhǎng)，制約了農(nóng)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(rùn)土菌渣復(fù)合材料對(duì)沙土保水保肥性能的影響。通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用茶袋法及土柱模擬法，研究不同用量膨潤(rùn)土P（3%、5%、7%、9%），不同膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料JF（膨潤(rùn)土+菌渣+腐植酸）、JA（膨潤(rùn)土+菌渣+氨基酸）、JN（膨潤(rùn)土+菌渣+牛糞）及不同主材比例（膨潤(rùn)土與菌渣比分別為1:2、1:2.5、1:3、1:3.5）對(duì)改善沙土漏水漏肥的效果。結(jié)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(dá)18.00%～26.17%，氮素累積滲漏量達(dá)11.58%～27.22%，鉀素累積滲漏量達(dá)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(dá)25.53%～30.31%，氮素累積滲漏量達(dá)25.66%～32.36%，鉀素累積滲漏量達(dá)6.35%～10.73%），其中JF1處理降幅最大，且當(dāng)膨潤(rùn)土用量為菌渣用量的一半，輔材為腐植酸時(shí)效果最佳，這也反映出菌渣及腐植酸的添加對(duì)膨潤(rùn)土提高沙土保水保肥性能具有明顯的促進(jìn)作用。試驗(yàn)表明在沙土中添加鈉基膨潤(rùn)土菌渣復(fù)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(jié)果能夠?yàn)槲鞅憋L(fēng)沙區(qū)生態(tài)修復(fù)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(rùn)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(zhǎng)發(fā)育[1]。土地肥力貧瘠、水肥利用率極低的中國(guó)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(nóng)業(yè)及林果業(yè)種植區(qū)對(duì)水肥資源需求表現(xiàn)的更為迫切[3]。近年來(lái)，高分子保水劑憑借其高超的吸水性能被廣泛應(yīng)用于干旱區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展，但其存在價(jià)格高、降解難、時(shí)效短等問(wèn)題；草炭土由于保水保肥性能優(yōu)良作為栽培基質(zhì)使用量不斷增大[4]，但其儲(chǔ)量有限，過(guò)度開(kāi)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(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)工。針對(duì)以上問(wèn)題，研制一種成本低、時(shí)效長(zhǎng)、無(wú)污染，且可在本質(zhì)上改良沙土的保水保肥復(fù)合材料十分必要，這對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、林果業(yè)提質(zhì)增效及促進(jìn)沙區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要意義。

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

植物纖維性農(nóng)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(zhǎng)提供長(zhǎng)效肥源及適宜環(huán)境[16]。中國(guó)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(jìn)行處置，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)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(nóng)業(yè)廢棄物之一，不僅具備質(zhì)地疏松、通透性良好、保水保肥能力強(qiáng)的特點(diǎn)，還富含大量有機(jī)質(zhì)及生物活性物質(zhì)。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(zhì)，且對(duì)當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)具有一定的促進(jìn)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(jī)質(zhì)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(zhì)與草炭土在理化性質(zhì)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(dá)50%。將菌渣等植物纖維性農(nóng)業(yè)廢棄物“變廢為寶”應(yīng)用于沙土改良具有不可估量的前景，且其對(duì)于推進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略均具有重要意義。

本研究通過(guò)將天然鈉基膨潤(rùn)土與菌渣按不同比例混合，在此基礎(chǔ)上添加一定量的輔材（腐植酸/氨基酸/牛糞）制成復(fù)合材料，研究其提高沙土保水保肥性能的效果，尋找膨潤(rùn)土與菌渣的最佳配比及輔材的最佳選擇，以減少膨潤(rùn)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(nóng)業(yè)及林果業(yè)種植區(qū)合理利用天然鈉基膨潤(rùn)土及菌渣等植物纖維性農(nóng)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(fù)合材料改良沙土大面積推廣及荒漠化防治提供技術(shù)支持及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試材料

供試土壤取自石河子147團(tuán)沙丘中上部沙土（含沙量大且雜質(zhì)少），其pH值為8.6，容重為1.53 g/cm3；有機(jī)質(zhì)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(fù)合肥，其養(yǎng)分含量N-P2O5-K2O為15%-15%-15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），購(gòu)自石河子市農(nóng)資市場(chǎng)；供試主材天然鈉基膨潤(rùn)土取自新疆國(guó)平膨潤(rùn)土礦，其膠質(zhì)價(jià)為52.0 mL/g，膨脹容為57.0 mL/g，膨潤(rùn)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(jī)質(zhì)（38.5%），總碳（32.0%）、總氮（1.3%）、木質(zhì)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(jī)質(zhì)14.5%）、腐植酸（pH值為5.8，含有機(jī)質(zhì)30.0%）及氨基酸（pH值為6.0，含有機(jī)質(zhì)35.0%），其中干牛糞取自石河子大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，腐植酸及氨基酸均購(gòu)自當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場(chǎng)。

1.1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)中室內(nèi)模擬土柱裝置由內(nèi)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(wǎng)，并在下方套一個(gè)底部打孔（內(nèi)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(yàn)材料前均先于土柱下部墊上2 cm沙土，防止淋溶時(shí)底層材料流失，之后放入混勻的試驗(yàn)材料，再于土柱上部墊1 cm沙土，防止淋溶時(shí)擾亂表層土壤造成管壁效應(yīng)，土柱裝填完畢后在最上方鋪一層孔徑為0.048 mm的尼龍網(wǎng)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(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置4組處理，分別為純膨潤(rùn)土（P）、膨潤(rùn)土+菌渣+腐植酸（JF）、膨潤(rùn)土+菌渣+氨基酸（JA）、膨潤(rùn)土+菌渣+牛糞（JN）；且每組處理均設(shè)置4個(gè)梯度；其中，P組中P1、P2、P3、P4分別代表膨潤(rùn)土用量為沙土用量的3%、5%、7%、9%；JF、JA、JN 3組中4個(gè)梯度膨潤(rùn)土與菌渣比均為1: 2、1: 2.5、1: 3、1: 3.5，即膨潤(rùn)土分別占沙土質(zhì)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(rùn)土菌渣復(fù)合材料各處理物料配比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保水性能研究

1）吸水倍數(shù)

采用茶袋法：稱(chēng)取烘干沙土60.0 g、烘干膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料10.0 g，將其充分混合均勻即每個(gè)處理樣品質(zhì)量為70.0 g（1），再將各處理分別裝入規(guī)格一致的尼龍網(wǎng)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(méi)尼龍網(wǎng)袋，使其充分吸水24 h后，吊起瀝干水分，待無(wú)水滴出時(shí)稱(chēng)取各處理吸水后樣品與尼龍網(wǎng)袋總質(zhì)量（2）。

按式（1）計(jì)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(wǎng)袋總質(zhì)量，g；1為各處理樣品質(zhì)量，g；0為尼龍網(wǎng)袋質(zhì)量，g。

2）持水性能

稱(chēng)取烘干沙土600.0 g、烘干膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料100.0 g，將其充分混合均勻即每個(gè)處理樣品質(zhì)量為700.0 g（1），再將各處理分別裝入本試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(wú)水漏出時(shí)，稱(chēng)取其質(zhì)量即各處理吸水后樣品與PVC管總質(zhì)量（2），作為第1天數(shù)據(jù)，之后每天定時(shí)稱(chēng)取其質(zhì)量，直到質(zhì)量穩(wěn)定為止。

按式（2）計(jì)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(zhì)量，g；1為各處理樣品質(zhì)量，g；0為土柱裝置中PVC管質(zhì)量，g。

1.3.2 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保肥性能研究

稱(chēng)取烘干沙土600.0 g、烘干膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料100.0 g，將其充分混合均勻混合均勻即每個(gè)處理樣品質(zhì)量為700.0 g，再將各處理分別裝入本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的規(guī)格一致的模擬土柱裝置PVC管中，為防止沙土及復(fù)合材料本身所帶的養(yǎng)分影響試驗(yàn)結(jié)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(fù)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(wú)水滴出時(shí)，測(cè)量每個(gè)土柱管下方燒杯所盛接的滲漏液體積，并測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)收集每次淋溶后的滲漏液，測(cè)定其體積及氮、磷、鉀含量，分析復(fù)合材料對(duì)沙土水分及養(yǎng)分的緩釋效果。

1）滲漏特征

測(cè)量各處理土柱4次淋溶后的滲漏液體積，分別計(jì)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(duì)應(yīng)的氮素濃度，可分別計(jì)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?jǐn)?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(jì)算方法同氮素。

1.4 測(cè)定方法

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

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)采用Microsoft EXCEL 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及數(shù)據(jù)分析；采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)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(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保水性能研究

2.1.1 膨潤(rùn)土復(fù)合材料吸水倍數(shù)特征

土壤吸水倍數(shù)與土壤質(zhì)地之間有著非常密切的關(guān)系。不同處理吸水差異見(jiàn)圖2。

注：不同小寫(xiě)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(zhì)量0.15倍的水分。而在沙土中添加一定量的膨潤(rùn)土或膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料可明顯提高其吸水倍數(shù)；其中，單施純膨潤(rùn)土的P組各處理可將沙土的吸水倍數(shù)由原來(lái)的0.15倍提升到1.25倍左右，施入復(fù)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(duì)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(rùn)土P組各處理，這說(shuō)明菌渣及輔材的添加對(duì)膨潤(rùn)土提高沙土吸水倍數(shù)有明顯的促進(jìn)作用。此外，通過(guò)各組內(nèi)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(rùn)土即可達(dá)到較好的保水效果；JF、JA、JN各組內(nèi)一些處理間也存在差異，說(shuō)明膨潤(rùn)土與菌渣的比例也會(huì)影響沙土的吸水倍數(shù)。總的來(lái)看，復(fù)合材料較純膨潤(rùn)土可更大程度地提高沙土吸水倍數(shù)，且當(dāng)膨潤(rùn)土與菌渣比為1:2時(shí)對(duì)提高沙土吸水倍數(shù)有相對(duì)較好的效果，其中，JF1、JN1顯著高于JA1（<0.05），說(shuō)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(rùn)土復(fù)合材料持水性能分析

室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)觀測(cè)沙土含水率時(shí)，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(guò)尼龍布從土柱底部滲出，說(shuō)明各處理均己充分吸收水分。圖3反映了各時(shí)間段充分吸水條件下不同處理的水分含量，隨著時(shí)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(shì)。

圖3 不同膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料處理充分吸水條件下沙土含水率

整個(gè)觀測(cè)期各處理含水率均明顯高于CK含水率，說(shuō)明膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料通過(guò)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(guò)整個(gè)觀測(cè)期各組間縱向比較可看出：1）復(fù)合材料JF、JA、JN組各處理含水率明顯高于純膨潤(rùn)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(shuō)明菌渣的添加對(duì)膨潤(rùn)土提高沙土保水及持水性能具有促進(jìn)作用，而輔材腐植酸、氨基酸及牛糞的添加對(duì)其保水及持水性能影響不大，也可能是由于本試驗(yàn)中輔材添加量較少導(dǎo)致的。此外，通過(guò)整個(gè)觀測(cè)期各組內(nèi)處理橫向比較可看出：1）P組：隨著膨潤(rùn)土添加量的增加，其含水率依次呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，這說(shuō)明沙土中的水分含量隨著膨潤(rùn)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(duì)較高的含水率；3）JA組：JA1較同組其他處理具有相對(duì)較高的含水率；4）JN組：JN2較同組其他處理具有相對(duì)較高的含水率。說(shuō)明當(dāng)復(fù)合材料中膨潤(rùn)土與菌渣的比例為1:2至1:2.5時(shí)，對(duì)沙土的保水及持水效果相對(duì)較好。

2.2 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保肥性能研究

2.2.1 滲漏特征

由圖4可知，對(duì)照（CK）從第2次淋溶開(kāi)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(shì)，說(shuō)明對(duì)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(shí)才接近飽和，說(shuō)明P、JF、JA、JN組各處理具有重復(fù)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(duì)照，且均與對(duì)照存在顯著差異，這說(shuō)明膨潤(rùn)土及復(fù)合材料均可減小沙土漏水量。通過(guò)各組內(nèi)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(duì)照減少26.17%、23.01%、22.05%、18.00%，說(shuō)明沙土中添加膨潤(rùn)可明顯減少沙土漏水量，提高其保水能力，且在3%～9%范圍內(nèi)膨潤(rùn)土用量越多，其提高沙土的保水能力越強(qiáng)；2）JF組：JF1、JF2、JF3及JF4水分累積滲漏量依次增大，分別較對(duì)照減少30.31%、26.43%、23.16%、21.50%，說(shuō)明當(dāng)輔材為腐植酸時(shí)，膨潤(rùn)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(duì)照減少28.92%、24.49%、21.36%、20.05%，說(shuō)明當(dāng)輔材為氨基酸時(shí)，膨潤(rùn)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(duì)照減少28.66%、25.53%、23.13%、20.75%，說(shuō)明當(dāng)輔材為牛糞時(shí)，膨潤(rùn)土與菌渣為1:2.5（JN2）保水效果較好。綜上，當(dāng)3組復(fù)合材料中膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2（即膨潤(rùn)土占沙土總量的4.5%）時(shí)，各處理水分累積滲漏量降幅可達(dá)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(jiàn)，膨潤(rùn)土復(fù)合材料較純膨潤(rùn)土具有更好的保水性，且當(dāng)二者比例為1:2，輔材為腐植酸或氨基酸時(shí)，對(duì)沙土的保水效果相對(duì)較好，降幅可達(dá)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(wú)論是各處理還是對(duì)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(shuō)明施入肥料后，第1次淋溶對(duì)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(duì)照，而后3次淋溶中各處理氮素滲漏率卻大于對(duì)照或無(wú)明顯差異，進(jìn)一步說(shuō)明了對(duì)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(rùn)土及膨潤(rùn)土復(fù)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(duì)照，其大致規(guī)律與水分累積滲漏量較為相似。通過(guò)各組內(nèi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照減少25.66%、25.46%、15.07%、12.72%。由此可見(jiàn)，當(dāng)3組復(fù)合材料中膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2（即膨潤(rùn)土占沙土總量的4.5%）時(shí)，氮素累積滲漏量降幅達(dá)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(dá)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(jié)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(dǎo)致的，膨潤(rùn)土及復(fù)合材料通過(guò)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(jié)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(duì)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(duì)照，特別是第4次淋溶時(shí)對(duì)照滲漏液中已無(wú)磷素檢出，這可能是因?yàn)閷?duì)照即純沙土在第1次淋溶中就已將能移動(dòng)的磷素幾乎全部損失，也可能是因?yàn)樯惩翆?duì)磷素的固定和吸持作用太強(qiáng)，導(dǎo)致磷素在沙土中更難移動(dòng)。而膨潤(rùn)土中的蒙脫石帶有大量負(fù)電荷，其可通過(guò)配位體交換的方式將磷酸陰離子吸附在膠體雙電層的內(nèi)層，從而將磷素通過(guò)緩效磷的形式保存起來(lái)，緩慢地釋放到土壤中，因此膨潤(rùn)土可在一定程度上有效防止磷素的固定，并促進(jìn)其釋放。

由圖9可明顯看出與氮素相比，對(duì)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(duì)照，且存在顯著差異，但這種差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)在較短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄曰蚓徯Я?，易被土壤固定，使其移?dòng)性更小，不易隨水遷移，因此減少土壤水分的淋溶損失對(duì)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(yuǎn)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(duì)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(duì)照，而第2次淋溶各處理鉀素滲漏率均大于對(duì)照，這可能主要是因?yàn)閷?duì)照即純沙土在第1次淋溶中鉀素?fù)p失量太大使土壤中的可移動(dòng)鉀素減少，這也在一定程度上反映出膨潤(rùn)土及膨潤(rùn)土復(fù)合材料具有保鉀及緩釋鉀素的效果。這可能是由于膨潤(rùn)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(zhuǎn)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(duì)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(guò)各組內(nèi)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(duì)照減少7.78%、6.70%、4.83%、2.82%；其中，P1與CK差異不顯著，說(shuō)明沙土中膨潤(rùn)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(rùn)土添加量的增加而增強(qiáng)；但某些相鄰梯度處理間鉀素累積滲漏量未能達(dá)到顯著差異，說(shuō)明膨潤(rùn)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(duì)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(duì)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(duì)照減少7.29%、6.35%、6.03%、2.88%。由此可見(jiàn)，當(dāng)3組復(fù)合材料中膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2（即膨潤(rùn)土占沙土總量的4.5%）時(shí)，鉀素累積滲漏量降幅達(dá)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(jié)果與水分及氮素淋溶結(jié)果具有一定相似性，但通過(guò)方差分析可以看出，JF1與P4、JF2及JA1不存在顯著差異，降幅達(dá)7.25%～10.73 %，這可能是因?yàn)殁浰卦谕寥乐械倪w移性不如氮素所導(dǎo)致的。

3 討 論

3.1 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保水性能研究

農(nóng)作物在沙土中生長(zhǎng)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(dá)不到適宜農(nóng)作物及大多植物適宜生長(zhǎng)的含水率。膨潤(rùn)土獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，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(tuán)聚體數(shù)量，增大土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)[8]。膨潤(rùn)土可通過(guò)自身的吸水膨脹性達(dá)到保水持水的作用，大量研究表明，膨潤(rùn)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(rùn)土能夠有效改善其保水性差的問(wèn)題[23]。在實(shí)際應(yīng)用中單獨(dú)使用膨潤(rùn)土可能會(huì)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(rùn)土的沙土地上再增施一定量的玉米秸稈等有機(jī)物料，能夠達(dá)到更好的保水效果。本研究通過(guò)相關(guān)保水性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，JF、JA及JN組處理較P組有更強(qiáng)的保水性能，表明3種膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料較純膨潤(rùn)土均顯示出更強(qiáng)的保水性能，這可能是由于復(fù)合材料由不同物質(zhì)構(gòu)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(rùn)土顆粒細(xì)小且具有較強(qiáng)的黏結(jié)性、可塑性及吸濕性，能夠吸持大量水分，菌渣質(zhì)地疏松多孔，類(lèi)似于土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，且具有質(zhì)地輕、體積大的特點(diǎn)，能夠容納大量的水分和空氣，因此將二者結(jié)合形成的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體不但能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)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(dá)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(cè)定結(jié)果可知，復(fù)合材料保水保肥性能與膨潤(rùn)土和菌渣的比例密切相關(guān)，與同組其他處理相比，JF1、JA2及JN1具有更有強(qiáng)的吸水性能，JF1、JA1及JN2具有更強(qiáng)的持水性能，說(shuō)明當(dāng)膨潤(rùn)土與菌渣的比例為1:2～1:2.5時(shí)，復(fù)合材料具有較強(qiáng)的保水性，且當(dāng)輔材為腐植酸時(shí)復(fù)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(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的特點(diǎn)，且其中含有大量的羥基、羧基等基團(tuán)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(fù)合材料保水性能的作用。

3.2 膨潤(rùn)土復(fù)合材料保肥性能研究

李映廷等[25]將膨潤(rùn)土、玉米秸稈和聚丙烯酰胺結(jié)合制成復(fù)合材料，通過(guò)土壤培養(yǎng)及等溫吸附試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其能夠提高沙土對(duì)NH4+-N的吸附量，從而提高沙土的保氮效果。鄭毅等[26]通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)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?fù)p失，特別是對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)較差的沙土其效果更為明顯。本研究通過(guò)相關(guān)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料較純膨土對(duì)提高沙土保肥性能有更好的效果，尤其是當(dāng)膨潤(rùn)土與菌渣的比例為1:2時(shí)效果較好，這可能與膨潤(rùn)土在沙土中占比有關(guān)。有研究表明，當(dāng)膨潤(rùn)土占沙土總量的5%時(shí)，其可發(fā)揮出最好的保水保肥效果。李吉進(jìn)等[27]提出膨潤(rùn)土用量在土壤質(zhì)量的0～5%范圍內(nèi)，對(duì)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(rùn)土用量的增加也有所增強(qiáng)。王晶瑩等[28]通過(guò)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膨潤(rùn)土質(zhì)量為土壤質(zhì)量的5%時(shí)，其吸附速效氮和速效鉀的效果最好。本研究表明3組復(fù)合材料中JF1、JA1（膨潤(rùn)土與菌渣為1:2）及JN2（膨潤(rùn)土與菌渣為1:2.5）處理較同組其他處理具有更強(qiáng)的保肥性，這可能是由于復(fù)合材料中膨潤(rùn)土在沙土中的占比造成的，當(dāng)復(fù)合材料中膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2時(shí)，膨潤(rùn)土占沙土總量的4.5%，接近于5%這一膨潤(rùn)土最適添加量。當(dāng)復(fù)合材料中膨潤(rùn)土占比太小，將其應(yīng)用于沙土，可能會(huì)由于膨潤(rùn)土在沙土中的含量太少而無(wú)法充分發(fā)揮出其保水保肥效果；此外，由于菌渣質(zhì)地輕、體積大，若用量過(guò)大易會(huì)造成一定的運(yùn)輸問(wèn)題。相反，當(dāng)復(fù)合材料中膨潤(rùn)土占比太大，極易造成土壤板結(jié)，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?yàn)橹参飳?duì)水分的需求可以通過(guò)外部環(huán)境的改善，如降雨、灌溉來(lái)解決，但通氣性只能依靠土壤本身的通氣孔隙，因此膨潤(rùn)土占比太大可能會(huì)對(duì)土壤及植物帶來(lái)更大的負(fù)面影響。姚璐[29]通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，栽培基質(zhì)中添加一定量的膨潤(rùn)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(guò)保肥性能相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土及復(fù)合材料具有較強(qiáng)的保氮能力，其對(duì)氮素滲漏率的減小程度較磷、鉀素更大。這可能是由于膨潤(rùn)土及復(fù)合材料對(duì)氮素具有更強(qiáng)的固持作用直接影響了其保氮效果，其通過(guò)加強(qiáng)土壤對(duì)NH4+的吸附能力，從而降低土壤中游離態(tài)NH4+的濃度，進(jìn)而減少氮素?fù)p失；也可能是因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)提高沙土保水性能間接影響了保氮效果，其通過(guò)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(zhì)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?fù)p失，這與武巖的研究結(jié)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(duì)氮素滲漏率的影響較磷、鉀素更大，導(dǎo)致在4次淋溶相同水分累積滲漏量的情況下，各處理較對(duì)照氮素累積滲漏量的減小幅度較磷、鉀素更大。

3.3 膨潤(rùn)土復(fù)合材料應(yīng)用前景預(yù)估

中國(guó)膨潤(rùn)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(rùn)土礦點(diǎn)有400多處，遍布于全國(guó)26個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）的80多個(gè)縣（市），預(yù)測(cè)資源量在70億t以上。新疆及內(nèi)蒙等西北地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，品位高，質(zhì)量好，如位于新疆塔城和布克賽爾蒙古自治縣境內(nèi)的膨潤(rùn)土礦，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量可達(dá)50億t，探明可開(kāi)采總儲(chǔ)量為5億t，且易開(kāi)采，是中國(guó)唯一的特大型鈉基膨潤(rùn)土礦，也是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最大的膨潤(rùn)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(tái)縣等地均有豐富的膨潤(rùn)土資源，除鈉基膨潤(rùn)土，還有價(jià)格低廉的鈣基膨潤(rùn)土、未分類(lèi)膨潤(rùn)土等[32-33]，分布廣泛的礦產(chǎn)資源有利于實(shí)現(xiàn)沙漠邊緣地帶就地取材，能夠在一定程度上降低運(yùn)輸、人工等方面的成本。除菌渣外，農(nóng)林廢棄物如棉花秸稈、玉米秸稈、林業(yè)修枝等；農(nóng)產(chǎn)品加工的副產(chǎn)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(rùn)土菌渣復(fù)合材料原料成本見(jiàn)表2，按施用量10 t/hm2計(jì)算，復(fù)合材料成本約為3 200元/hm2。

表2 天然鈉基膨潤(rùn)土菌渣復(fù)合材料成本

根據(jù)本研究結(jié)果（當(dāng)膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2時(shí)，水分及氮素累積滲漏量降幅均可達(dá)30%左右）進(jìn)行預(yù)估，復(fù)合材料與無(wú)機(jī)肥進(jìn)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(cè)將不同地區(qū)的農(nóng)林業(yè)廢棄物，特別是具有交聯(lián)作用的植物纖維性農(nóng)業(yè)廢棄物，如新疆地區(qū)特有的甘草渣、薰衣草渣等有機(jī)物料與天然鈉基膨潤(rùn)土結(jié)合，制備的保水保肥復(fù)合材料能夠輔助現(xiàn)代灌溉及施肥技術(shù)調(diào)節(jié)土壤水肥狀況，且相對(duì)于高分子保水劑、草炭土及生物炭等材料具有時(shí)效性長(zhǎng)，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，無(wú)污染等特點(diǎn)，能夠從本質(zhì)上解決沙土漏水漏肥的問(wèn)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(yīng)用前景，這對(duì)于中國(guó)西北區(qū)生態(tài)建設(shè)、鄉(xiāng)村振興及沙產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

4 結(jié) 論

1）保水性能試驗(yàn)研究表明，膨潤(rùn)土（P）與3組復(fù)合材料即膨潤(rùn)土+菌渣+腐植酸（JF）、膨潤(rùn)土+菌渣+氨基酸（JA）、膨潤(rùn)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(fù)合材料保水效果更好，且當(dāng)膨潤(rùn)土與菌渣比例為1:2時(shí)效果最佳。

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

[1]Aase J K, Pikul J L. Water use in a modified summer fallow system on semiarid northern Great Plains[J]. Agricultural Water Management, 2000, 43(3): 345-357.

[2]蒙吉軍，汪疆瑋，王雅，等. 基于綠洲灌區(qū)尺度的生態(tài)需水及水資源配置效率研究：黑河中游案例[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，54(1)：171-180.

Meng Jijun, Wang Jiangwei, Wang Ya, et al. A study of ecological water requirement and efficiency of water allocation based on oasis irrigation area scale: A case of middle reaches of Heihe river[J]. Journal of Peking University: Natural Science Edition, 2018, 54(1): 171-180. (in Chinese with English abstract)

[3]趙愛(ài)棟，許實(shí)，曾薇，等. 干旱半干旱區(qū)不穩(wěn)定耕地分析及退耕可行性評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(17)：215-225.

Zhao Aidong, Xu Shi, Zeng Wei, et al. Analysis of unstable farmland in arid and semi--arid regionsand feasibility evaluation of its conversion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 215-225. (in Chinese with English abstract)

[4]李曉強(qiáng). 有機(jī)基質(zhì)菇渣在現(xiàn)代化大型溫室蔬菜無(wú)土栽培中的應(yīng)用研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

Li Xiaoqiang. The Application of Mushroom Residue as An Organic Substrate in Vegetables Soilless Culture in Modern Greenhouse[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[5]田赟. 園林廢棄物堆肥化處理及其產(chǎn)品的應(yīng)用研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

Tian Yun. Green Waste Composting and the Products as the Peat Substitutes in Growth Media[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[6]Woods W I, Falcao N P S, Teixeira W G. Biochartrials aim to enrich soil for small holders[J]. Nature, 2006, 443(7108): 144-144.

[7]Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature. 2007, 447(7141): 143-144.

[8]徐軍. 秸稈-膨潤(rùn)土-PAM對(duì)土壤肥力及作物產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)[D]. 重慶：西南大學(xué)，2011.

Xu Jun. Master Dissertation of Southwest University Effects of Straw-Bentonite-Polyacrylamide on Yield of Crop and Soil Fertility[D]. Chongqing: Southwest University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[9] Jayashree B, Mukesh K, Yannick D, et al. Optimization of brass contents for best combination of tribo-performance and thermal conductivity of Non-Asbestos Organic (NAO) friction composites[J]. Wear, 2007, 265(5): 699-712.

[10] Vladimír T, Gabriela K, Rongping Y, et al. Effects of alumina in nonmetallic brake friction materials on friction performance[J]. Journal of Materials Science, 2009, 44(1): 266-273.

[11]王新江，雷建斌. 我國(guó)膨潤(rùn)土資源概況及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2010(3)：13-15.

Wang Xinjiang, Lei Jianbin. Features of bentonite mineral resources in China and its utilization status[J]. Journal of China Non-Metallic Mining Industry Herald, 2010(3): 13-15. (in Chinese with English abstract)

[12]Zhou L, Monreal C, Xu S T, et al. Effect of bentonite-humic acid application on the improvement of soil structure and maize yield in a sandy soil of a semi-arid region[J]. Geoderma, 2019, 338: 259-280.

[13]張曉冬，史春余，隋學(xué)艷，等. 基質(zhì)肥料緩釋基質(zhì)的篩選及其氮素釋放規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(2)：62-66.

Zhang Xiaodong, Shi Chunyu, Sui Xueyan, et al. Screening of slow releasing substrate of matrix-based fertilizer and its nitrogen release mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(2): 62-66. (in Chinese with English abstract)

[14]劉愛(ài)平，馮啟明，王維清，等. 膨潤(rùn)土對(duì)鉀肥的吸附性能及緩釋效果研究[J]. 非金屬礦，2010，33(6)：49-50，54.

Liu Aiping, Feng Qiming, Wang Weiqing, et al. Research on adsorption property and slow-releasing effect of bentonite to potash fertilizer[J]. Journal of Nonmetallic Ore, 2010, 33(6): 49-50, 54. (in Chinese with English abstract)

[15]劉振東，李貴春，楊曉梅，等. 我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(26)：13068-13070, 13076.

Liu Zhendong, Li Guichun, Yang Xiaomei, et al. Status and development trend of resource utilization ways of agricultural residues in China[J]. Journal of Anhui Agricultural Science, 2012, 40(26): 13068-13070, 13076. (in Chinese with English abstract)

[16]王憶娟. 植物纖維性農(nóng)業(yè)廢棄物處理重金屬?gòu)U水的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與生物工程，2013，30(9)：5-7，11.

Wang Yijuan. Research progress in application of fibrous agriculturalon wastes in heavy metal treatment of wasterwater treatment[J]. Journal of Chemistry and Bioengineering, 2013, 30(9): 5-7, 11. (in Chinese with English abstract)

[17]齊慧，武小芬，陳亮，等. 湖南省植物纖維性農(nóng)業(yè)廢棄物資源綜合利用現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017(3)：50-53.

Qi Hui, Wu Xiaofen, Chen Liang, et al. The current situation and countermeasure of comprehensive utilization of fibrous agricultural waste resources plant in Hunan[J]. Hunan Agricultural Sciences, 2017(3): 50-53. (in Chinese with English abstract)

[18]馮慧翎，胡玉福，舒向陽(yáng)，等. 金針菇菌渣對(duì)川西北高寒沙地植被及土壤酶活性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2016，30(5)：161-165.

Feng Huiling, Hu Yufu, Shu Xiangyang, et al. Influences of adding needle mushroom edible fungi residueson vegetation and soil enzyme activity of sandy soilin northwest Sichuan[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 161-165. (in Chinese with English abstract)

[19]聶勝委，張巧萍，李向東，等. 施用不同菌渣肥對(duì)小麥/玉米輪作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46(4)：588-594.

Nie Shengwei, Zhang Qiaoping, Ji Xiangdong, et al. Effect of different edible fungus residue fertilizer applications in wheat’s season on maize grain yields[J]. Shanxi Agricultural Science, 2018, 46(4): 588-594. (in Chinese with English abstract)

[20]衛(wèi)星，李貴雨，呂琳. 農(nóng)林廢棄物育苗基質(zhì)的保水保肥效應(yīng)[J]. 林業(yè)科學(xué)，2015，51(12)：26-34.

Wei Xing, Li Guiyu, Lv Lin. Water and nutrient preservation of agri-forest residues used as nursery matrix[J]. Scientia Silvas Sinicae, 2015, 51(12): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[21]Teng F, Liu Y, Shan J, et al. Effects of mushroom residue compost on growth and nutrient accumulation of Larix principis- rupprechtii containerized transplants[J]. The Journal of Applied Ecology, 2016, 27(12): 3889-3894.

[22]劉恩斌，董水麗. 黃土高原主要土壤持水性能及抗旱性的評(píng)價(jià)[J]. 水土保持通報(bào)，1997，17(7)：21-27.

Liu Enbin, Dong Shuili. Evaluation on water capacity and antidrought of main soils in Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 1997, 17(7): 21-27. (in Chinese with English abstract)

[23]李吉進(jìn)，徐秋明，倪小會(huì)，等. 施用膨潤(rùn)土對(duì)土壤含水量和有機(jī)質(zhì)含量的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2002(2)：88-91.

Li Jijin, Xu Qiuming, Ni Xiaohui, et al. Effects of bentonite on content of soil water and soil organic matter[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2002(2): 88-91. (in Chinese with English abstract)

[24]崔立莉，李吉進(jìn)，鄒國(guó)元，等. 膨潤(rùn)土對(duì)土壤肥力的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2004，19(2)：76-80.

Cui Lili, Li Jijin, Zhou Guoyuan, et al. Effect of bentonite on sandy soil fertility[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2004, 19(2): 76-80. (in Chinese with English abstract)

[25]李映廷，劉雙營(yíng)，趙秀蘭，等. 秸稈-膨潤(rùn)土-聚丙烯酰胺對(duì)砂質(zhì)土壤吸附氮素的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(7)：111-116.

Li Yingting, Liu Shuangying, Zhao Xiulan, et al. Effect of straw-bentonite-polyacrylamide composites on nitrogen adsorption of sandy soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 111-116. (in Chinese with English abstract)

[26]鄭毅，周磊，劉景輝. 膨潤(rùn)土-腐殖酸型改良劑對(duì)沙質(zhì)土壤氮素氣態(tài)損失、氮肥利用率和玉米產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2019，38(12)：3887-3894.

Zheng Yi, Zhou Lei, Liu Jinghui. Effects of bentonite-humic acid on gaseous nitrogen loss, nitrogen use efficiency and maize yield on sandy soil[J]. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(12): 3887-3894. (in Chinese with English abstract)

[27]李吉進(jìn)，鄒國(guó)元，王美菊，等. 膨潤(rùn)土保氮增產(chǎn)效果研究[J]. 中國(guó)土壤與肥料，2006(3)：27-30.

Li Jijin, Zou Guoyuan, Wang Meiju, et al. Study on the effect of bentenite improving soil fertilizer-conserving and increasing yields[J]. Journal of Soil and Fertilizer in China, 2006(3): 27-30. (in Chinese with English abstract)

[28]王晶瑩，賀占彪，閻偉義. 膨潤(rùn)土吸水保肥能力初探[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2007，33(2)：20-22.

Wang Jingying, He Zhanbiao, Yan Weiyi. Study on water absorption and fertilizer retention of bentonite[J]. Journal of Inner Mongolia Forestry Science and Technology, 2007, 33(2): 20-22. (in Chinese with English abstract)

[29]姚璐. 膨潤(rùn)土—菌渣復(fù)合材料保水保肥效應(yīng)研究[D]. 四川：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

Yao Lu. Study on Water and Fertilizer Retention Properties of Bentonite-Mushroom Residue Composite Material[D]. Sichuan: Sichuan Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[30]武巖，紅梅，林立龍，等. 3種土壤改良劑對(duì)河套灌區(qū)玉米田溫室氣體排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2018，39(1)：310-320.

Wu Yan, Hong Mei, Lin Lilong, et al. Effects of three soil amendments on greenhouse gas emissions from corn fields in the Hetao irrigation district[J]. Environmental Science, 2018, 39(1): 310-320. (in Chinese with English abstract)

[31]帕勒哈提·巴里. 膨潤(rùn)土開(kāi)發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 新疆有色金屬，2013，36(增刊1)：85-88，90.

[32]李志娟，王曉飛，周岐雄，等. 哈密某膨潤(rùn)土的性能表征與提純[J]. 金屬礦山，2014(9)：72-76.

Li Zhijuan, Wang Xiaofei, Zhou Qixiong, et al. Performance characterization and purification of a bentonite ore in Hami[J]. Journal of Metal Mine, 2014(9): 72-76. (in Chinese with English abstract)

[33]王世偉，李興儉，黃誠(chéng). 新疆奇臺(tái)縣西黑山膨潤(rùn)土礦Ⅲ號(hào)礦體地質(zhì)特征及成因[J]. 中國(guó)金屬通報(bào)，2018(5)：87-88.

Wang Shiwei, Li Xingjian, Huang Cheng. Geological characteristics and genesis of No.3 ore body of Xiheishan bentonite deposit in Qitai county, Xinjiang[J]. Journal of China Metal Bulletin, 2018(5): 87-88. (in Chinese with English abstract)

[34]古麗娜爾·巴合提別克. 膨潤(rùn)土-甘草渣復(fù)合材料保水保肥效應(yīng)研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2020.

Gu Linaer·Bahetibieke. Study on Water and Fertilizer Conservation Effect of Bentonite-Liquorice Residue Composite[D]. Shihezi: Shihezi University, 2020. (in Chinese with English abstract)

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(rùn)土菌渣復(fù)合材料對(duì)提高沙土保水保肥效應(yīng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019B00005）

王瑛，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。Email：1506621690@qq.com

楚光明，博士，副教授，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)與植物資源保護(hù)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