不同用量貝殼粉對酸性磚紅壤的改良效果

陳敏忠 李進 廖輝煌 高宇 蘇會榮

(1湛江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 廣東湛江524000;2廣東海洋大學化學與環(huán)境學院 廣東湛江524088)

廣東省湛江市是我國粵西地區(qū)重要的海港城市，其海產(chǎn)資源豐富，海鮮產(chǎn)品更是聞名全國。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年湛江市年產(chǎn)貝殼達到1.2萬噸以上（不包括牡蠣殼）［1］。越來越多的未經(jīng)處理的廢棄貝殼被留下。目前牡蠣殼的處理方式主要用于鋪路，或?qū)⒛迪牃A倒入海里，甚至將牡蠣殼堆積在街頭巷尾。牡蠣及貝殼包圍農(nóng)村已成為一個新的污染源和社會問題，同時也為廢棄貝殼的資源化再利用提供了巨大市場［2］。所以尋求高值化利用廢棄貝殼的方法是解決其污染環(huán)境和資源化的根本途徑。

磚紅壤是我國最南端熱帶雨林或季雨林地區(qū)的地帶性土壤?；浳鞯貐^(qū)是我國磚紅壤分布主要地區(qū)之一，也是我國熱帶經(jīng)濟作物的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地［3］。湛江市地處雷州半島，是典型玄武巖母質(zhì)磚紅壤地區(qū)，由于高溫多雨等氣候因素，其土壤風化淋溶作用強烈，易溶性無機養(yǎng)分及鹽基離子大量流失，鐵、鋁殘留在土中，土壤呈強酸性［4］。此外，湛江市是廣東省主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，多年來高投入高產(chǎn)出的集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，加劇了土壤酸化［5］。土壤酸化加快含鋁礦物的風化，因而釋放出大量離子，然后形成的鋁化合物為植物所吸收，導致植物鋁中毒甚至死亡，且酸化促使土壤養(yǎng)分及鹽基離子（鈣鎂等）更快的流失，導致土壤質(zhì)量下降，影響植物正常生長［6］。因此，土壤酸化已成為該地區(qū)耕地質(zhì)量退化最主要的原因之一，嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［7］。本研究回收廢棄貝殼將其制備成貝殼粉，并采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)法，研究3種用量的貝殼粉對酸性磚紅壤的改良效果，以期為粵西濱海地區(qū)的廢棄貝殼利用及酸性磚紅壤改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土壤

供試土壤取自廣東省湛江市廣東海洋大學外環(huán)西路的甘蔗地0～20 cm厚的耕層土壤（21°9′15″N，110°17′30″E），該土壤為雷州半島典型的玄武巖母質(zhì)酸性磚紅壤。將土樣在室內(nèi)自然風干，磨碎，過2 mm的篩，用于土壤培養(yǎng)試驗，以及測定各項土壤基礎(chǔ)理化指標。經(jīng)測定供試土壤的pH 5.67，EC為0.65 ms/cm，交換性酸總量為1.04 cmol/kg，交換性鋁量為0.21 cmol/kg，酸堿緩沖容量為16.12 mmol/kg。

1.1.2 貝殼粉

在湛江市東海島碼頭（21°180′189″N，110°299′164″E）回收廢棄貝殼，將貝殼沖洗干凈后自然風干，并研磨過篩，得1 mm的貝殼粉，其pH為8.69，EC為8.74 ms/cm，水溶性鈣為0.27 g/kg，水溶性鎂為0.02 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

本研究的實驗地點為廣東海洋大學第三實驗樓，采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)法。前期試驗表明，60 d培養(yǎng)期內(nèi)5個測試點的數(shù)據(jù)可以較好地反映封交換性總酸和鋁離子的變化趨勢，因此，培養(yǎng)時間設置為55 d。每個培養(yǎng)盒裝土2 kg，分別按0（CK）、低0.5 g/kg（S1）、中1.0 g/kg（S2）、高5 g/kg（S3）的貝殼粉與土壤質(zhì)量比混合均勻，即設置4個不同貝殼粉用量的處理，每個處理3盒重復。

1.2.2 土樣采集

定期加水且保持土壤含水量在田間持水量的70%，加水后充分攪拌使其均勻，放入人工氣候箱（MGC-450HP-2）中，設置溫度為26℃，濕度為60%的條件進行為期55 d的培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、8、12、18、26、40、55 d取土壤樣品，每盒取3個土壤樣品，即每個處理取9個重復。

1.2.3 樣品分析

采用pH電位法（PHSJ-3F型）測定土壤pH值；用電導率儀（DDSJ-308A型）測土壤EC值；采用氯化鉀淋洗-堿滴定法測定交換性H+和交換性Al3+；用乙酸銨浸提-EDTA絡合滴定法測定貝殼粉中的水溶性鈣鎂離子；通過酸堿滴定法和緩沖性曲線來測定酸堿緩沖性［8］。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用SPSS 18.0、Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同用量貝殼粉對土壤pH的影響

從圖1可知，S3處理的土壤pH顯著大于其它處理的，整個培養(yǎng)期間其土壤pH比CK處理的提高了0.57個單位。S2處理的土壤pH顯著大于CK處理的，而S1和CK處理間無差異。這是因為貝殼粉為堿性，投入土壤中后，中和了土壤溶液中的活性酸H+，因此pH升高，投入量越多，pH上升越高；從圖1還可以看出，隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理的土壤pH呈下降趨勢。這可能是因為土壤培養(yǎng)期間，有機質(zhì)礦化過程中，土壤硝化作用使得銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，產(chǎn)生了H+降低了土壤pH［9］。

圖1 土壤pH動態(tài)

2.2 不同用量貝殼粉對土壤EC的影響

土壤EC是指土壤中所含有的水溶性鹽總量［10］。由圖2可見，3種用量的貝殼粉處理均顯著提高了土壤的EC值，且貝殼粉越多，土壤的EC越高，大小順序依次為S3＞S2＞S1＞CK。這是因為貝殼粉中含有少量可溶性鈣鎂鈉等離子，投入土壤中后，會提高土壤的水溶性鹽總量（EC）［11-12］。

2.3 不同用量貝殼粉對土壤交換性酸和鋁的影響

在酸性礦質(zhì)土壤中，活性酸主要來源于土壤潛性酸，即土壤交換性致酸離子（H+和Al3+）［10］。尤其是Al3+水解后會產(chǎn)生3個H+，是引起強酸性土壤pH較低的主要原因，且Al3+活性較強，植物容易受鋁毒危害。因此，研究土壤中的交換性鋁和交換性酸是判定酸性土壤改良效果的重要參考指標。

圖2 土壤EC動態(tài)

在整個培養(yǎng)期，不添加貝殼粉（CK）處理的土壤交換性酸保持在1 cmol/kg左右，基本不隨培養(yǎng)時間的延長而變化，見圖3。當加入不同用量的貝殼粉后，土壤交換性酸含量均減少，S3、S2、S1較CK分別減少了70%、59%、54%。整個培養(yǎng)期，S3處理的顯著小于其它處理的，S2和S1處理的顯著小于CK的，說明S3用量的貝殼粉降低土壤潛性酸效果最好。從圖3還可看出，在土壤培養(yǎng)的1～26天時，加入貝殼粉處理的土壤交換性酸含量迅速下降，但在26天后有緩慢上升趨勢。這是因為加入貝殼粉后，中和了土壤中的交換性酸，所以交換性酸先迅速下降，但隨著培養(yǎng)時間的延長，貝殼粉可中和的交換性酸有限，而土壤有機質(zhì)礦化過程中的硝化作用產(chǎn)生了H+，所以交換性酸含量緩慢上升［9］。

從圖4可知，加入貝殼粉均可顯著減少土壤交換性鋁的含量，緩解酸性土壤對作物的鋁毒危害。在55天里，S1、S2、S3處理的土壤交換性鋁平均含量較CK分別減少了66%、76%、78%。3種用量的貝殼粉處理間差異不顯著，降低土壤交換性鋁含量的效果基本一致。

圖3 土壤交換性酸動態(tài)

圖4 土壤交換性鋁動態(tài)

綜上，貝殼粉可有效減少酸性土壤中的致酸離子，因此可以減輕土壤酸化對作物生長的不良影響。主要是因為貝殼粉中的堿性成分中和了土壤中的潛性酸，且補充了酸性土壤中缺乏的鈣鎂離子，大量的鈣鎂離子被土壤膠體吸附，取代了原先土壤膠體上吸附的潛在酸，這均可有效降低土壤交換性酸和交換性鋁的含量［13］。從減少土壤潛性酸和活性酸的方面考慮，S3用量的貝殼粉改良酸性磚紅壤的效果較好。

2.4 不同用量貝殼粉對土壤酸堿緩沖性的影響

土壤的酸化程度與土壤pH、致酸離子輸入量，以及土壤對酸的緩沖性有關(guān)。其中，土壤酸堿緩沖容量是土壤為抵抗外部因素影響而降低土壤酸化的能力，而土壤的緩沖容量可以預測土壤酸化過程及其趨勢，緩沖容量越大，土壤對外源性酸堿的緩沖能力就越強，土壤酸堿環(huán)境條件越穩(wěn)定。而穩(wěn)定的土壤酸堿環(huán)境，有利于植物對土壤養(yǎng)分元素的吸收和利用，以及土壤生態(tài)功能的維持［14］。

55 d內(nèi)各處理平均酸堿緩沖容量結(jié)果顯示（表1），S3顯著大于其它處理，S2顯著大于CK。相對CK，S3、S2和S1的土壤緩沖容量分別提高了12.61、6.39、2.44 mmol/kg；從表1還可看出，隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理的土壤緩沖容量均有不同程度的下降。這主要是因為土壤酸堿緩沖性與其緩沖體系密切相關(guān)，其中交換性陽離子體系和土壤有機酸體系是構(gòu)成土壤酸堿緩沖體系的重要部分［15-16］。當在酸性土壤中投入貝殼粉時，其增加了土壤中的鹽基離子（鈉鈣鎂等），所以貝殼粉處理的土壤緩沖容量均明顯提高。此外，隨著培養(yǎng)時間的延長，由于土壤有機質(zhì)的進一步礦化分解，有機質(zhì)和有機酸上具有酸堿緩沖能力的官能團可能受到破壞，如羥基、羧基、酚羥基、醇羥基［16］。因此，導致各處理土壤酸堿緩沖性下降。綜上，S3和S2用量的貝殼粉可有效提高酸性磚紅壤的酸堿緩沖能力。

表1 不同用量貝殼粉對土壤酸堿緩沖性的影響

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，不同用量的貝殼粉對土壤pH、EC、交換性酸和Al3+含量、酸堿緩沖性的影響顯著。主要結(jié)論如下：

（1）S3和S2用量的貝殼粉均可顯著提高酸性磚紅壤的pH，整個培養(yǎng)期，S3的pH比CK處理的提高了0.57個單位，而S1與CK處理間的pH無差異；3種用量的貝殼粉處理均可顯著提高了土壤EC，且貝殼粉越多，土壤的EC越高，依次為S3＞S2＞S1＞CK。

（2）投入不同用量貝殼粉均可顯著降低土壤的潛性酸含量。整個培養(yǎng)期，S3處理的土壤交換性酸顯著小于其它處理的，S2和S1處理的顯著小于CK的，S3、S2、S1較CK分別減少了70%、59%、54%；在55 d的培養(yǎng)期內(nèi)，S1、S2、S3處理的土壤交換性鋁平均含量較CK分別減少了66%、76%、78%，但S1、S2、S3處理間無差異。

（3）S3的土壤酸堿緩沖性顯著大于其它處理的，S2顯著大于CK。相對CK，S3、S2和S1的平均土壤緩沖容量分別提高12.61、6.39和2.44 mmol/kg；隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理的土壤緩沖容量均有不同程度的下降。

綜上，針對磚紅壤地區(qū)，建議施用S3用量的貝殼粉對酸性磚紅壤進行改良，既可有效降低土壤中的活性酸和潛性酸含量，又可補充酸性土壤中的鈣鎂等鹽基離子，提高土壤的酸堿緩沖性能。