調(diào)節(jié)粒徑分布提高月壤種植潛力研究

韓 婭，謝更新*，晏 銘，晏卓逸，丁靖航，熊 鑫，武麗萍

（1 重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶 400044；2 重慶大學(xué)教育部深空探測聯(lián)合研究中心，重慶 400044；3 湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410012）

隨著我國嫦娥五號(CE-5)成功取回月球土壤樣本，國內(nèi)掀起了對月壤研究的熱潮[1-3]。月壤改良可種植技術(shù)作為月球原位資源利用(In-Situ Resource Utilization, ISRU)的重要部分，能夠減少未來月球基地建設(shè)的資源消耗，受到了越來越多的關(guān)注。然而，由于月面缺乏大氣，月壤未經(jīng)歷過地球土壤的風(fēng)化成土過程，具有粒徑小、孔隙率低、容重高[4]、持水性差[5]、不含有機質(zhì)等特性，月壤內(nèi)的尖銳顆粒還會劃傷植物的根系[6]。直接使用月壤或其模擬物進行種植會對植物產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)為種子活力降低[7]、生長延緩[8]、株高降低且葉片變薄[9]，表現(xiàn)出嚴重的脅迫形態(tài)[10]。

受制于真實月壤的稀缺性，目前絕大多數(shù)的改良種植研究都是使用模擬月壤，其化學(xué)性質(zhì)和部分物理性質(zhì)同真實月壤相似[11]。提高月壤的種植潛力除了需要增加其生物有效性，還要改善其物理性質(zhì)。當前研究主要集中在向月壤及其模擬物內(nèi)加入植物殘體[12]、菌劑[13-14]、糞肥等[15]，利用生物風(fēng)化作用提高月壤的可種植性。對于月壤的物理性質(zhì)如容重、孔隙度、持水保肥能力的改良研究還較少。土壤基質(zhì)的粒徑分布決定其容重、孔隙度、保水率、和滲透率等諸多物理性質(zhì)特征[16-17]，植物的生長與基質(zhì)的理化性質(zhì)息息相關(guān)，基質(zhì)的物理性質(zhì)不同，對植物的生長及根系發(fā)育均會產(chǎn)生影響[18-19]。黃梓恩等[20]通過人為調(diào)控泥炭顆粒粒徑配比顯著調(diào)整了育苗基質(zhì)的孔隙特性和育苗效果。李炎艷等[21]發(fā)現(xiàn)適宜的珍珠巖粒徑配比可改善基質(zhì)的容重、孔隙度、電導(dǎo)率(EC)值等理化性質(zhì)，提供適宜的根區(qū)環(huán)境，促進番茄的生長。馬柳[22]將不同粒徑的煤矸石進行配比，研究發(fā)現(xiàn)粒徑級配能夠不同程度地改良煤矸石土壤基質(zhì)的理化性質(zhì)，顯著提高種植生菜的出苗率和生物量，其最高出苗率為對照組的155%，最大整株鮮重與干重分別為對照組的322%和532%。通過粒徑配比直接對模擬月壤的粒徑分布進行改良，與生物改良方法相比具有操作簡單、見效快的優(yōu)點，非常適合于月壤的前期改良。

本研究制備了用于改良種植研究的模擬月壤，還原了真實月壤的元素組成、礦物成分、粒徑分布、容重、孔隙度等特征。之后通過粒徑配比對模擬月壤進行了改良，探究了模擬月壤粒徑分布與其容重、孔隙度、持水保肥能力的關(guān)系。最后，還進行了模擬月壤的生菜盆栽試驗并評價了改良效果。通過本研究實現(xiàn)了對月球土壤改良的相關(guān)技術(shù)儲備，對于未來月壤資源原位利用具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 模擬月壤的制備 模擬月壤制備原料為黑色塊狀玄武巖(圖1)，產(chǎn)地為吉林省通化市輝南縣。將塊狀玄武巖用破碎機破碎后依次用1000、500、250、150 和75 μm 的篩網(wǎng)進行篩分，共篩分出18～35 目(1000～500 μm)、35～65 目(500～250 μm)、65～100 目(250～150 μm)、100～200 目(150～75 μm)和>200 目(<75 μm)的5 種不同粒徑范圍的玄武巖顆粒。最后按照中國CE-5 帶回的真實月壤樣品粒徑分布進行配比[1](表1)。

表1 月壤樣本真實粒徑分布Table 1 The particle size distribution of real lunar soil samples

圖1 塊狀玄武巖Fig.1 Massive basalt

使用X 射線熒光光譜(XRF)分析M0 模擬月壤的化學(xué)元素組成(表2)，結(jié)果以氧化物表示。其SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO 及P2O5的含量與真實月壤及其它月壤模擬物的含量相近，Na2O 和K2O的含量與CE-5[1]、Apollo11[28]、Apollo16 和Apollo17[27]等真實月壤的含量相差較大，但與約翰航天中心JSC-1[29]和中國科學(xué)院CAS-1[11]月壤模擬物相近。使用X 射線衍射(XRD)分析了M0 模擬月壤的衍射圖譜(圖2)，通過JADE 軟件擬合檢索物相，結(jié)果顯示其主要物相為斜長石(40.3%)和透輝石(36.9%)，與CE-5 的礦物組成[1]相似。

表2 模擬月壤與真實月壤的化學(xué)組成(%, wt)Table 2 Chemical composition of simulated and real lunar soil

圖2 月球土壤模擬物M0 的XRD 圖譜Fig.2 XRD pattern of lunar soil simulator M0

1.1.2 不同模擬月壤組的制備 根據(jù)CE-5 和Apollo的月壤樣本，研究其粒徑分布，發(fā)現(xiàn)500～250 和250～150 μm 2 種粒徑在月壤中質(zhì)量占比各為10%左右，而150～75 μm 和<75 μm 2 種粒徑的質(zhì)量占比在月壤中以1∶3 的比例存在。根據(jù)這一規(guī)律，我們將150～75 μm 和<75 μm 2 種粒徑按照1∶3 的比例進行混合，得到<150 μm 的混合粒徑。然后控制500～250 和250～150 μm 2 種粒徑的質(zhì)量占比各為10%，調(diào)節(jié)1000～500 μm 和<150 μm 的混合顆粒的質(zhì)量占比，配制出另外3 種不同粒徑配比的新型月球土壤模擬物M1、M2 和M3 (表3)，M0 為CE-5 真實月壤粒徑分布。

表3 月球土壤模擬物粒徑配比表Table 3 Mass ratio of particle sizes in simulated lunar soils simulators

1.2 試驗方案

1.2.1 模擬月壤理化性質(zhì)試驗 以下所有試驗均設(shè)計4 個處理，分別為M0 空白對照和M1、M2、M3 處理，每各處理設(shè)3 個重復(fù)。月壤模擬物物理性質(zhì)測量包括容重、總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度及水氣比。容重采用環(huán)刀法進行測量，總孔隙度、持水孔隙度及通氣孔隙度用計算法?；瘜W(xué)性質(zhì)測量包括電導(dǎo)EC 和pH。使用環(huán)刀法測量模擬月壤的各項物理指標，先將配制好的不同粒徑級配月球土壤模擬物各稱取660 g 置于花盆中，按照最大持水量將去離子水灌入花盆中，放置兩天使花盆中的月球土壤模擬物沉實。再用已知容積V和質(zhì)量W1的環(huán)刀(帶蓋)將花盆中的月球土壤模擬物取出，蓋上蓋子，水中浸泡48 h，取出稱重W2；然后倒置在干燥的細沙上12 h，直至環(huán)刀內(nèi)的自由水流出，稱重W3；最后放入烘箱，烘至恒重并稱重W4。按表4 公式計算容重和孔隙度；土壤pH 采用銨態(tài)水土比(2.5∶1)浸提法測定(NY/T 1377—2007)，EC 值采用(5∶1)浸提法測定(NY/T 1121.16—2006)。

表4 土壤物理性質(zhì)計算方法Table 4 Calculation methods of soil physical properties

1.2.2 室內(nèi)模擬淋溶試驗 模擬淋溶試驗見圖3。將配置好的模擬月壤實驗組分別稱取330 g 放入高15 cm 內(nèi)徑8 cm 的PVC 管中，每個PVC 管底部加2 層0.075 mm (200 目)濾布，進行室內(nèi)模擬淋溶試驗[30]。將去離子水按照土壤最大持水量灌入PVC 管中，靜置2 天，使PVC 管中的模擬月壤沉實。第3天在每個基質(zhì)中添加N 0.15 g/kg、P 0.05 g/kg 和K 0.12 g/kg 作為底肥，底肥以溶液形式添加(配置溶液的濃度為尿素5.31 g/L、磷酸二氫鉀1.58 g/L、硫酸鉀2.66 g/L，每個基質(zhì)施入20 mL)。施肥完成后靜置2 h，在每個基質(zhì)中加入30 mL 去離子水，同時收集滲濾液作為第一次淋溶。5 天后，加入50 mL 去離子水，進行第二次淋溶并同時收集滲濾液，以后每5 天按同樣操作淋溶1 次，共淋溶4 次。將收集的滲濾液先用量筒量其體積，再將其經(jīng)0.45 μm 有機微孔膜過濾，過濾后的水樣進行銨態(tài)氮、全氮和全磷濃度的測定，計算其淋失量。銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法(HJ 535—2009)；全氮采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法(HJ 636—2012)；全磷采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法(GB 11893—89)。

圖3 模擬淋溶實驗裝置圖Fig.3 Device of simulated eluviating experiment

1.2.3 生菜盆栽試驗 將配置好的不同模擬月壤組各稱取330 g 置于高10 cm、內(nèi)徑6 cm 的花盆中，花盆底部加兩層0.075 mm (200 目)濾布。按照最大持水量(透水)將去離子水灌入花盆中，放置2 天使花盆中的月球土壤模擬物沉實。種子選用意大利全年生菜王生菜，播種前將供試的生菜種子用去離子水清洗3 遍，挑選飽滿均一的種子放入去離子水中浸泡8 h 后取出，放入鋪好2 層無菌濕潤紗布的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿均勻放置200 粒生菜種子，蓋上蓋子，將培養(yǎng)皿放入20℃的人工氣候箱中在黑暗條件下進行催芽[31-32]。在此期間不斷補充水分以保持紗布濕潤，直至生菜種子發(fā)芽率達到80%，將發(fā)芽的生菜種子播種于不同模擬月壤組中，每盆播種6 顆生菜種子，深度約1～1.5 cm，澆透水。隨后將盆栽置于晝/夜溫度為23℃/20℃人工氣候箱中并隨機擺放，期間保持基質(zhì)濕潤，待生菜長到三葉一芯時期進行疏苗定植，每盆留2 株長勢相當?shù)纳嗣纭６ㄖ餐瓿?4 h 后開始施肥，每盆基質(zhì)中添加N 0.15 g/kg、P 0.05 g/kg 和K 0.12 g/kg 作為底肥(與土柱淋溶試驗所施底肥相同，均用濃度為尿素5.31 g/L、磷酸二氫鉀1.58 g/L、硫酸鉀2.66 g/L 的溶液添加，每個基質(zhì)施入20 mL)，后面不再追肥。每盆生菜每2 天定量施加20 mL 去離子水，待生菜長到55 天后進行收割。不同模擬月壤組的生菜從三葉一芯時期開始生長45 天的生長狀況見圖4。

圖4 生菜在模擬月壤中的生長狀況Fig.4 Lettuce growth in the simulated lunar soils

盆栽試驗測量指標包含：株高、葉面積、葉寬、葉片數(shù)、莖粗、植物地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上部分干重、地下部分干重和根系活力。待生菜長到55 天后，先用軟尺測量生菜株高；用游標卡尺測量葉寬和莖粗，葉寬測量部位為生菜由內(nèi)往外數(shù)第五片葉片最寬處；莖粗測量部位為植物地上部分莖的最寬處；葉片數(shù)用計數(shù)法；用剪刀將植物地上部分與根部剪開，然后將根系拔出用水清洗并擦干，分別用分析天平稱重；地上部分干重則是先將其放入烘箱內(nèi)105℃殺青0.5 h，再在80℃下和根系一起烘干至恒重，用分析天平稱量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[33]。

1.3 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 處理后，使用SPSS 22.0 軟件進行方差分析，采用LSD 檢驗法進行多重比較，利用Origin 2018 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模擬月壤組的理化性質(zhì)

模擬月壤理化性質(zhì)測定結(jié)果如表5 所示，隨著大粒徑占比的增加，模擬月壤的容重、持水孔隙度、水氣比和電導(dǎo)率呈遞減趨勢，其中M3 的容重最小，為1.80 g/cm3，低于對照2.70%；而持水孔隙度、水氣比和電導(dǎo)率也均以M3 處理最小，分別低于對照組6.75%、38.66%和18.18%?？偪紫抖群屯饪紫抖瘸蔬f增趨勢，均以M3 處理最大，分別高于對照組3.96%和53.38%。

表5 不同模擬月壤的理化性質(zhì)Table 5 Physical and chemical properties of different simulated lunar soils

粒徑分布是表征土壤結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的重要物理指標，它決定著土壤基質(zhì)的容重、孔隙度等諸多物理性質(zhì)特征[16-17]。適合農(nóng)作物生長的耕層土壤容重一般在1.2 g/cm3左右，總孔隙度為50%～56%，通氣孔隙度>10%，電導(dǎo)率為0.2～0.6 ms/cm，pH 為6.5～7.5[34]。本研究將模擬月壤不同大小的粒徑顆粒根據(jù)真實月壤粒徑進行調(diào)配，力求在合理的月壤粒徑范圍內(nèi)探究最佳模擬月壤粒徑配比，實現(xiàn)月壤原位資源利用。模擬月壤除通氣孔隙度、水氣比和電導(dǎo)率值與對照組有顯著差異外，其他的物化性質(zhì)均沒有表現(xiàn)出顯著差異。調(diào)節(jié)模擬月壤粒徑配比不能顯著改變模擬月壤組的pH，但電導(dǎo)率隨著大粒徑占比的增加有顯著降低，表明減少小粒徑顆粒占比可以降低模擬月壤可溶性鹽的水平。通過提升大粒徑在模擬月壤中的占比，模擬月壤的容重、總孔隙度、通氣孔隙度和持水孔隙度等均得到不同程度的改善，其中M3 處理通氣孔隙度(AP)得到的改善最為顯著，其次是M2 處理，分別為對照組的153.38%和140.81%。

2.2 不同模擬月壤的保肥效果

對模擬月壤進行室內(nèi)模擬淋溶試驗，探究不同粒徑模擬月壤組的保肥效果，共進行4 次淋溶，每次淋溶液中的銨態(tài)氮、全氮和全磷淋失量如圖5 所示。隨著大粒徑占比的增加，4 次淋溶液中累計銨態(tài)氮、全氮和全磷淋失量均呈先下降后上升的趨勢。

圖5 模擬月壤4 次淋洗液中的養(yǎng)分淋失量及總淋失量Fig.5 Nutrient leaching loss in the four leachate and the total leaching loss of simulated lunar soils

相較于M0 對照，M1、M2 和M3 3 個處理4 次淋溶累積銨態(tài)氮淋失量均有所減小，其中M2 淋溶液中銨態(tài)氮淋失量最低，為0.19 mg，顯著降低58.10%。不同粒徑分布模擬月壤全氮淋失量變化特征與銨態(tài)氮的淋失相似，相較于M0 對照，M1、M2 和M3 處理中4 次淋溶累積全氮淋失量均有所降低，其中M2 最低，為4.33 mg，顯著降低21.67%。對比不同粒徑分布模擬月壤全磷淋失量，4 次淋溶累計全磷淋失量M3 為40.65 μg，較M0 顯著增加23.97%，M1為26.09 μg，較M0 顯著減小20.43%。說明適當增大模擬月壤中大粒徑顆粒占比可以減少銨態(tài)氮、全氮和全磷的淋失，這可能是因為玄武巖材料本身的特殊性，玄武巖具有大量的氣孔狀構(gòu)造，在小粒徑顆粒中這些氣孔狀構(gòu)造遭到破壞，而在大粒徑顆粒中這種構(gòu)造得以保存下來，當?shù)走M入氣孔中不容易隨水流失，使其得以保存下來。但大粒徑顆粒含量過多(如M3)則會造成孔隙度過大，反而使氮磷淋失量增加。

在4 次淋溶中，第1 次淋溶磷的淋失量均大于后3 次磷的淋失量。磷的淋失量與銨態(tài)氮和全氮的淋失量規(guī)律相反，銨態(tài)氮和全氮每次淋溶的淋失量是隨著淋溶次數(shù)的增加呈顯著的增加趨勢，而全磷則是呈現(xiàn)出下降趨勢。說明在淋溶前期，模擬月壤對銨態(tài)氮和全氮的保持效果明顯要高于對全磷的保持效果，但隨著淋溶次數(shù)的增加，模擬月壤對銨態(tài)氮和全氮的保持效果明顯下降，低于對全磷的保持效果。前人研究表明可以通過改變土壤的粒徑配比，來改變土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，進而影響土壤的持水性和保肥性能[35-37]。在本研究中模擬月壤M1、M2 和M3 通過改變不同大小粒徑的占比，從而改變其理化性質(zhì)，進而影響其持水性和保肥性。對照組M0 的小粒徑占比最大，在經(jīng)歷4 次淋溶試驗后，其保肥效果最差；M3 雖然細粒徑占比是最少的，但其大粒徑占比過多，導(dǎo)致其通氣孔隙度過大，持水孔隙度過低，從而導(dǎo)致其養(yǎng)分的快速流失，保肥效果也不好。根據(jù)本研究所得到的結(jié)果，M2 的滲濾液中銨態(tài)氮和全氮的淋失量是最低的，全磷的淋失量則略高于M1，綜合比較M2 的保肥效果是最好的，說明其對植株的生長是最為有利的，這一結(jié)論在后續(xù)的生菜盆栽試驗中也得到了證實。

2.3 不同模擬月壤對生菜的影響

基質(zhì)是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，植物的生長不僅受基質(zhì)理化性質(zhì)的影響，也受基質(zhì)保肥效果的影響。通過分析不同粒徑模擬月壤上收割的生菜生長指標(圖6)，發(fā)現(xiàn)改變模擬月壤的粒徑配比，可以顯著的改變生菜的相關(guān)生長指標。研究發(fā)現(xiàn)，隨著模擬月壤中大粒徑占比的增加，生菜的各項生長生理指標均表現(xiàn)出不同程度的增加趨勢。M1、M2 和M3 處理間株高、葉寬和莖粗無顯著差異，但均顯著高于對照M0；葉面積隨模擬月壤大粒徑占比的提高而增加，M3 生菜葉面積為1485.93 mm2，顯著高于對照94.33%。M2 葉面積與M1、M3 的均無顯著差異，但顯著高于M0。

圖6 不同模擬月壤上生菜的農(nóng)學(xué)指標Fig.6 Agronomic indices of lettuces grown in different simulated lunar soils

在模擬月壤中增加大粒徑顆粒占比提高了生菜的生物量，M1、M2、M3 處理地上部分鮮重、干重均無顯著差異，鮮重均顯著高于對照，干重只有M2 顯著高于M0；地下部鮮重以M1 處理最大，顯著高于其他3 處理，干重則以M2 最大，顯著高于對照和M3 處理(圖7)，M2 處理地上部分干重和地下部分干重分別較對照增加97.60%和39.20%。4 個月壤處理間生菜根系活力均無顯著差異(圖8)。

圖7 不同粒徑模擬月壤上生菜生物量Fig.7 Lettuce biomass grown in simulated lunar soils with different particle sizes

圖8 不同粒徑模擬月壤上生菜根系活力Fig.8 Root activities of lettuce grown in simulated lunar soils with different particle sizes

綜上所述，改變模擬月壤粒徑配比可以顯著增加生菜的各項生長指標及生物量，其中M2 模擬月壤組生菜生物量最大，這與前文(2.2 部分)研究的改變模擬月壤粒徑配比對氮磷的保持效果最佳結(jié)論一致。說明適當增加模擬月壤中大粒徑玄武巖顆粒(1000～500 μm) 占比不僅可以顯著減小氮磷的流失，從而為生菜的生長提供充足的養(yǎng)分，使生菜生物量得到顯著增加；而且適當?shù)拇罅筋w粒在模擬月壤中可以降低其容重，增大通氣孔隙度，從而為生菜的根系發(fā)育提供良好的生長環(huán)境。植物根系對植物生長發(fā)育有重要作用，有研究表明根系生物量越大，根系活力越強[38-39]，這與本研究結(jié)果一致。但當大粒徑顆粒占比過多時(如M3 模擬月壤)，則會使其孔隙度進一步擴大，造成營養(yǎng)的流失，從而影響生菜的生長發(fā)育。

3 結(jié)論

隨著模擬月壤中大粒徑顆粒添加比例的提高，模擬月壤的容重、持水孔隙度、水氣比和電導(dǎo)率均呈遞減趨勢，總孔隙度和通氣孔隙度呈遞增趨勢，保肥效果得到有效改善，以M2 模擬月壤得保水保肥效果最好。用于種植生菜，生菜株高、莖粗、葉寬和葉面積均顯著提高，M2 模擬月壤處理的地上部分干重和根干重均顯著高于未調(diào)節(jié)粒徑比例的對照月壤，顯示該粒徑比例下可最大限度地實現(xiàn)月壤的生產(chǎn)潛力。