煤基與生物基腐植酸配施對土壤結構改良的影響

趙萌萌，馮俊義，黃震，郝文靜，黃占斌

（1.中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100083；2.中國質量認證中心，北京 100070）

據報道，全球有33%的陸地面積受到土壤退化的影響[1]。我國耕地也遭受不同程度的土壤退化或土壤污染。土壤退化主要包括鹽堿化、荒漠化、酸化、水土流失等；土壤污染包括重金屬污染和有機物污染[2-3]。土壤退化修復會根據鹽堿地、酸化地、荒漠地等不同的退化性質而采取不同治理措施，以減少土壤侵蝕、改善土壤結構和提升土壤肥力，增強土壤生物群落活動和物種多樣性[1]?；瘜W改良是一種常規且使用廣泛的措施，即向土壤中添加不同環境材料，改善土壤理化性質，恢復土壤健康。其中腐植酸是一種有效改善土壤理化性質的環境材料[4-5]。

腐植酸是動植物殘體（主要是植物殘體）經微生物分解合成及地球物理、化學等系列作用，形成的一類富含羧基、酚羥基、醌基、羰基、甲氧基等多種活性官能團的非均一脂肪——芳香族無定形復雜高分子化合物[6-8]。其中煤基腐植酸是風化煤、褐煤、泥炭等低階煤經人工活化提煉出來的腐植酸，其分子量較大，芳香族化合物含量高，脂族化程度較低，含大量氨基酸和糖類[9-11]；生物基腐植酸是由餐廚垃圾、農業廢棄物、糞便[12]等物質發酵處理得到，含有大量氨基酸和有機物種群[13]。生物基腐植酸分子量較小，碳含量和縮合程度較低，脂族化程度較高，芳香族化合物含量較低[14-15]。

目前針對土壤單獨添加煤基腐植酸或者生物基腐植酸的研究較多，研究表明單獨施加生物基腐植酸與煤基腐植酸均可有效改善土壤結構和理化性質，生物基腐植酸發揮作用快但時效短，而煤基腐植酸發揮作用慢但時效長。因此本研究將煤基腐植酸與生物基腐植酸組合配施，探究其對土壤結構的影響和機理，旨在篩選可以快速、長期有效改善土壤結構的土壤調理劑。本研究選用了差異較大的煤基腐植酸與生物基腐植酸，按照不同比例混合進行土壤培養，探究其對土壤結構改良效果，篩選出改良土壤效果較好的組合，旨在為煤基腐植酸與生物基腐植酸組合改良退化土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤：北京昌平試驗區黃土（表層0～20 cm）與北京東六環盾構渣土按照8∶2 質量比例混合，形成半生土。二者加水靜置穩定1 周后自然風干，過2 mm 篩，制得供試土壤。盾構渣土質地為砂土，有機質含量僅9.2 g·kg-1，土壤結構差；黃土質地為壤土，有機質含量16.8 g·kg-1，結構較好。將盾構渣土與黃土混合后靜置，經測定，混合土壤pH 為8.43，容重為1.216 g·cm-3，孔隙度51.37%，田間持水量為18.76%，粒徑＞0.25 mm 的水穩性團聚體占19.31%，土壤結構較差。將半生土自然風干后過2 mm篩后備用。

腐植酸材料：煤基腐植酸由山西林海腐植酸科技有限公司提供，純度＞70%，由風化煤堿法制備，pH 為9.28，電導率為2.77 mS·cm-1；生物基腐植酸由北京嘉博文生物科技有限公司提供，有機質含量為712.87 g·kg-1，pH為5.5，電導率為7.53 mS·cm-1。

試驗用水：去離子水，pH 為6.50，電導率為0.73 μS·cm-1。

1.2 試驗設計

將煤基腐植酸與生物基腐植酸按照0∶10、1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、10∶0 七種質量比例混合為不同復合腐植酸（編號分別為A、B、C、D、E、F、G），以未添加腐植酸的土壤為對照（CK）。按照復合腐植酸5 g·kg-1土壤的比例添加，每個處理重復9次。

將添加復合腐植酸的土壤置于塑料杯中，加入去離子水后置于室內自然蒸發，定時加水維持土壤含水量為田間持水量的70%左右。分別于10、25、50 d 取樣，每處理取3 個土樣，測定土樣容重、孔隙度、田間持水量、水穩性團聚體含量、平均質量直徑等指標。

1.3 測定指標與方法

（1）土壤容重（NY/T 1121.4—2006）、田間持水量（NY/T 1121.22—2010）：環刀法。

利用環刀垂直取出原狀土柱，取出后清理環刀外側附著土壤，將環刀兩端土壤削至與環刀齊平，蓋好上下蓋。通過吸水和反吸水的方式測量不同狀態下環刀與土壤的質量。

式中：W0為空環刀質量，g；W3為空環刀+毛細水土質量，g；W4為空環刀+105 ℃烘干土質量，g；V為環刀體積（100 cm3）。

（2）孔隙度（NY/T 1121.23—2010）：排水稱質量法。

根據排水稱質量測定原理，將已知質量的土樣放入水中，排盡空氣求出由土壤置換出的液體體積，以烘干（105 ℃）土質量除以求得的土壤固相體積即得土壤孔隙度。

式中：ρ為水的密度，室溫下按照1 g·cm-3計算；m1為比重瓶+水的質量，g；m2為比重瓶+水+土的質量，g。

（3）水穩性團聚體含量（NY/T 1121.19—2008）、平均質量粒徑：團聚體分析儀（上虞經濟開發區金偉五金廠，122355）濕篩法。

取50 g 粒徑約1 cm 土壤，通過沉降桶和儀器進行浸泡和篩分。篩分后清理篩網上留下的土壤顆粒，烘干后測定各粒級土壤團聚體質量，記為mi。

式中：wi為各粒級土壤團聚體含量，%；mi為各粒級土壤團聚體質量，g；DMN為土壤團聚體平均質量直徑，mm；xi為某一粒徑范圍平均值，mm。

（4）材料表征：采用掃描電子顯微鏡（SEM，SU8020，日本日立）獲得樣品微觀形貌；能量色散光譜儀（EDS，Quantax75，日本日立）獲得樣品元素組成；采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）鑒定材料樣品表面官能團（iS10 FT-IR spectrometer 美國尼高力公司），波數范圍1 000～4 000 cm-1，光譜儀分辨率4 cm-1，信躁比是50 000∶1，掃描32次。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2016進行處理，利用SPSS 26軟件進行主成分分析、Duncan 多重顯著性分析（P＜0.05具有統計學意義），利用Origin 2021制圖。

2 結果與分析

2.1 兩種腐植酸傅里葉變換紅外光譜圖

圖1 為煤基腐植酸與生物基腐植酸的傅里葉變換紅外光譜圖。這兩種腐植酸在不同吸收峰處的相對強度不同，表明二者在含氧官能團或結構單元上存在數量上的差異。煤基腐植酸與生物基腐植酸均含有大量的羥基、羧基等含氧官能團。生物基腐植酸1 700～1 750 cm-1波數內吸收峰較豐富，表明其含有較多的酰胺類、醇類、酚類和多糖化合物。煤基腐植酸在1 578.65、1 032.29 cm-1波數處振動峰最明顯，表明其組成中芳香族化合物較多。

圖1 煤基腐植酸與生物基腐植酸的紅外光譜圖Figure 1 Infrared spectra of coal-based humic acid and bio-based humic acid

2.2 不同復合腐植酸對土壤水穩性團聚體的影響

圖2 表明，煤基腐植酸和生物基腐植酸及其復合加入均增加土壤粒徑＞0.25 mm 的大團聚體含量，且隨著土壤培養時間增加，團聚體含量增多，結構穩定性增強。培養10 d 時，A～G 組的粒徑＞0.25 mm 土壤團聚體含量分別較CK 凈增加7.31%、11.55%、11.36%、16.55%、15.04%、18.41%、19.12%。培養25 d時A～G 組粒徑＞0.25 mm 的土壤團聚體分別較CK 凈增加4.04%、10.90%、12.64%、15.76%、15.40%、17.91%、26.91%。培養50 d 時A～G 組粒徑＞0.25 mm的土壤團聚體分別較CK 凈增加6.51%、12.51%、15.54%、19.19%、23.23%、20.70%、25.95%。由圖2 可以看出，三個培養時間下，土壤團聚體含量隨煤基腐植酸比例增加而升高，50 d 時G 組較CK 組增加116.36%，可見煤基腐植酸改善土壤團粒結構的效果明顯優于生物基腐植酸，同時隨著培養時間的延長，土壤團聚體的含量增加。由圖3 得到培養時間10、25、50 d 時，隨著復合腐植酸中煤基腐植酸比例的增加，土壤團聚體的平均質量直徑呈緩慢增加趨勢，即土壤團聚體穩定性有所增強。50 d 時，G 組平均質量直徑較CK組增加了21.80%。

圖2 不同培養時間下粒徑＞0.25 mm水穩性團聚體含量變化Figure 2 Changes of water-stable aggregates with particle size＞0.25 mm at different incubation time

圖3 不同培養時間下團聚體的平均質量直徑Figure 3 Average mass diameter of aggregates at different incubation time

圖4 為10、25、50 d 時不同粒徑團聚體含量分布圖，隨著培養時間增加，煤基腐植酸與生物基腐植酸均有提升＞0.25～5 mm 粒徑范圍土壤團聚體含量的效果。隨著復合腐植酸中煤基腐植酸比例增加，＞2～5、＞1～2、＞0.5～1 mm 和＞0.25～0.5 mm 粒徑范圍的團聚體含量增加，說明煤基腐植酸對土壤水穩性團聚體含量提升效果優于生物基腐植酸。

圖4 不同培養時間下不同粒徑范圍水穩性團聚體含量分布Figure 4 Distribution of water-stable aggregates in different particle size ranges at different incubation time

圖5 和圖6 是原土與50 d 的E 組土壤的SEM 和EDS 能譜圖。原土SEM 圖顯示土壤呈不規則塊狀，顆粒較小，表面粗糙且存在片狀結構；處理后的E 組土壤顆粒有所增大，團聚體表面更加粗糙，附著大量黏粒，具有形成更大團聚體的基礎，并與周邊土粒存在一定連接關系，結構體孔隙更加發達。原土EDS能譜圖顯示原土含有一定量的Si、Al、Fe等元素，還含有少量的Ca、K 和Mg 元素；處理50 d 后E 組土壤中Si、Al、K等元素含量有所增加。

圖6 E組50 d時土壤SEM和EDS能譜圖Figure 6 Soil SEM and EDS energy spectra at 50 days in group E

2.3 不同復合腐植酸對土壤總孔隙度和容重的影響

圖7 表明，10、25、50 d 培養時間下各處理組土壤總孔隙度均高于CK 組，說明煤基腐植酸與生物基腐植酸均有改善土壤結構、提升土壤孔隙度的作用，總孔隙度整體表現出50 d＞25 d＞10 d的趨勢。E 處理組效果最好，50 d 時總孔隙度為56.91%，較CK 組（51.52%）孔隙度提高了10.46%。

圖7 不同培養時間下土壤總孔隙度Figure 7 Total soil porosity at different incubation time

通常土壤容重變化趨勢和總孔隙度的變化趨勢是相對應的，較大土壤孔隙度對應較小的土壤容重。圖8 表明，土壤容重指標的變化與總孔隙度變化的趨勢相反，煤基腐植酸與生物基腐植酸均有降低土壤容重的作用，而且土壤容重整體表現為50 d＜25 d＜10 d。土壤容重在不同處理組的變化趨勢也與土壤總孔隙度的變化趨勢相反，并在E 處理組達到最小容重1.145 g·cm-3，較CK組（1.248 g·cm-3）降低了8.25%。

圖8 不同培養時間下土壤容重Figure 8 Soil bulk density at different incubation time

2.4 不同復合腐植酸對土壤田間持水量的影響

圖9 表明，單獨添加煤基腐植酸和生物基腐植酸及復合腐植酸均可提升土壤田間持水量，培養10 d時生物基腐植酸的效果更加明顯，但是隨著培養時間的延長，煤基腐植酸的效果逐漸顯現，并在E 組達到最大，持水量為33.21%。試驗表明，土壤田間持水量隨培養時間變化趨勢為10 d＜25 d＜50 d，培養50 d 時，E組較CK組（23.14%）增加了43.52%。

圖9 不同培養時間下土壤田間持水量Figure 9 Water holding capacity in soil fields at different incubation time

2.5 SPSS主成分分析與皮爾遜相關性分析

利用SPSS 對50 d 的總孔隙度、容重、田間持水量、團聚體含量及平均質量直徑（粒徑＞0.25 mm）這5個指標進行主成分分析，綜合評價復合腐植酸對土壤結構的改良效果，E組得分最高（表1）。

表1 復合腐植酸對土壤結構改良效果評價Table 1 Evaluation of the effect of complex humic acid on soil structure improvement

煤基腐植酸與生物基腐植酸與土壤結構指標的皮爾遜相關性分析見圖10。煤基腐植酸與土壤水穩性團聚體含量及團聚體平均質量直徑呈顯著正相關（P＜0.05），向土壤中添加煤基腐植酸可以增加土壤中水穩性團聚體含量并提升其穩定性，增加土壤孔隙度，降低容重，同時增強土壤保水能力。生物基腐植酸與各指標也有一定的相關性，但不顯著。

圖10 土壤結構各指標與兩種腐植酸間的皮爾遜相關性分析Figure 10 Pearson correlation analysis between each soil structure index and two humic acids

3 討論

3.1 兩種腐植酸對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤中的基本結構單元，其含量及穩定性對土壤結構具有至關重要的作用[15]，團粒的平均質量直徑可體現土壤團聚體穩定性和土壤抗侵蝕能力。本研究結果表明煤基腐植酸、生物基腐植酸及復合腐植酸均可以提升土壤中水穩性團聚體含量和穩定性，這與前人研究結果一致[16-19]。生物基腐植酸含有大量的菌絲，且溶于水后形成膠結物質，菌絲網絡和膠結物質可以將土壤顆粒黏附到一起形成大團聚體。煤基腐植酸含有大量的活性官能團，通過絮凝作用將松散的土壤顆粒聚集起來，有效改善土壤微觀結構，增加其團聚體含量和蜂窩結構。此外，研究結果顯示煤基腐植酸提升土壤中團聚體含量和穩定性的效果要優于生物基腐植酸，即隨著復合腐植酸中煤基腐植酸比例的增加，土壤團聚體的含量和穩定性也隨之提升。Oades 等[20]根據不同的等級和時間尺度，將促進土壤團聚體形成的膠結物質分為瞬時性（主要是多糖）、短時性（根系和菌絲）和持久性（強吸附性有機聚合物和多價陽離子）物質。煤基腐植酸效果優于生物基腐植酸的原因可能是，生物基腐植酸含有大量的糖類，產生的黏附作用具有瞬時性，土壤中的菌絲黏附作用具有短時性，形成的團聚體穩定性較差，且隨著生物基腐植酸在土壤中的降解，其改良土壤作用減弱。而煤基腐植酸的羥基、羧基、羰基、醌基等含氧活性官能團的含量要高于生物基腐植酸，且含有大量的苯環和陽離子，因此其吸附、絡合和離子交換能力要優于生物基腐植酸，而且煤基腐植酸降解速率慢于生物基腐植酸，因而其改善土壤團粒結構的時效更長[21]。

3.2 兩種腐植酸對土壤容重和孔隙度的影響

土壤孔隙結構是土壤中容納空氣和水分的空間，良好的土壤孔隙度對土壤水分、氣體和養分的運移具有至關重要的作用[22]。土壤容重受到土壤質地、結構等因素影響，可以反映土壤內部總孔隙度的變化[23]。試驗結果表明，隨著土壤培養時間的增加，添加了煤基腐植酸、生物基腐植酸及復合腐植酸的土壤總孔隙度逐漸增加，容重逐漸減小。

培養初期，生物基腐植酸的效果較好，但是隨著培養時間的增加，煤基腐植酸的效果要優于生物基腐植酸。原因可能是：首先，培養初期生物基腐植酸受發酵時間影響，部分纖維素還未完全降解，對土壤顆粒有一定支撐作用從而降低容重、增加孔隙度。其次，廢棄物經微生物發酵后多含短鏈脂肪和多糖等物質，豐富的菌絲可將土壤微粒膠結，通過瞬時和短期的膠結作用促進土壤顆粒聚集，從而增大土壤孔隙度、降低容重。第三，生物腐植酸分子量小、滲透速度快、生物活性高[24]，發揮作用速度更快，且生物基腐植酸易分解有機碳庫含量較高，其中小分子的碳水化合物、短鏈脂肪、蛋白質等會優先被微生物降解[25]，碳源的增加會促進土壤中微生物的增加，也會加速生物基腐植酸的降解[26-27]；而煤基腐植酸是由風化煤經堿法制備，腐植酸含量更高，含有大量的疏水基團（如苯環、長鏈脂族），縮合程度較高，效應釋放緩慢。

煤基腐植酸分子量大，碳庫穩定，其特殊復雜的化學結構可以抵御微生物的降解[17]。煤基腐植酸形成的土壤團聚體更穩定，在土壤團聚體的包覆作用下土壤內部有機碳得到保護，也可以抵御微生物分解，維持土壤有機質的穩定性和膠結能力，反過來進一步促進團聚體的穩定性。而土壤孔隙度是反映土壤團聚體和土壤顆粒在三維空間累積狀況的一個指標[28]，土壤團聚體的形成會進一步增大土壤孔隙度、降低容重[9，29]。因此隨著培養時間的延長，煤基腐植酸的改良效果逐漸顯現，并優于生物基腐植酸[7，30]。除此之外，土壤中加入腐植酸會促進土壤中微生物的呼吸和土壤中酶的活性，增加微生物的數量，可能會導致土壤的孔隙度增大[31]。

3.3 兩種腐植酸對土壤田間持水量的影響

土壤田間持水量是灌溉或降水時重力水排出后土壤所能保持的較穩定的土壤水含量。田間持水量通常被認為是計算評估農業灌溉的重要指標[32-33]。煤基腐植酸、生物基腐植酸及復合腐植酸均可以提升土壤的田間持水量，是因為這兩種腐植酸均含有大量的羥基、羧基、羰基等親水基團，對水分有強烈的締合能力。其與水接觸后發生電離，形成氫鍵，具有更好的親水性和吸水性能，從而提高土壤含水率[34]。但是培養初期生物基腐植酸效果更好，是因為其制作工藝與原料特殊，本身含有大量的菌絲和微生物，可以將土粒黏附聚集從而減少水分散失。而隨著培養時間的延長，生物基腐植酸部分降解，菌絲和多糖產生的短期膠結作用逐漸消失，整體效果趨于穩定。煤基腐植酸添加比例較高的土壤形成了更多且穩定的團聚體，進一步提升了土壤的保水能力和土壤含水率[19]，因此在后期煤基腐植酸的改良效果優于生物基腐植酸。

4 結論

（1）煤基腐植酸、生物基腐植酸及復合腐植酸添加均可改善土壤結構，表現為提升土壤總孔隙度和田間持水量，降低容重，提高土壤中團聚體含量和穩定性。

（2）煤基腐植酸與生物基腐植酸混合質量比為7∶3 時對土壤結構的改良效果較好，可以結合生物基腐植酸發揮作用快和煤基腐植酸作用時效長的優點，有效改良退化土壤，改善土壤結構，提升土壤保水保肥能力。