硅渣土壤调理剂施用对设施土壤物理性状影响研究

Study on the Effect of Silica Slag Soil Conditioner Application on Physical Properties in Facility Soil

摘要: 本试验研究硅渣调理剂不同施用量对土壤容重、土壤团聚体及田间持水量等土壤物理性状的影响，共设计五种施硅渣水平CK、Si1、Si2、Si3、Si4，施用量分别为0、10、20、30、50 kg (SiO₂)/亩。结果表明，Si4处理土壤容重为1.34 g/cm³，对土壤容重降低效果显著优于其他处理(P < 0.05)，较CK处理改善效果最佳。Si1处理在>0.25 mm水稳性团聚体含量及平均重量直径的表现上显著优于其他处理(P < 0.05)，其他处理无显著差异。土壤田间持水量的结果与土壤容重表现一致，Si4处理显著优于其他处理且较CK处理改善最佳(P < 0.05)。施用硅渣调理剂对土壤物理性状有显著影响，并且对土壤结构有积极的改善作用。综合看，在本试验条件下，Si4处理(亩施SiO₂ 50 kg)对土壤结构的综合改善效果最佳。

Abstract: In this experiment, the effects of different application dosages of silica slag conditioner on soil bulk density, soil aggregates, field water capacity and other soil physical properties were studied. A total of five silica slag application levels CK, Si1, Si2, Si3 and Si4 were designed, with application dosage of 0, 10, 20, 30 and 50 kg (SiO₂)/mu respectively. The results showed that Si4 treatment of soil bulk density was 1.34 g/cm³, significantly better than other treatments in reducing soil bulk density, and better than CK treatment. Si1 treatment was significantly better than other treatments in terms of >0.25 mm water-stable aggregate content and average weight diameter (P < 0.05), but there was no significant difference in other treatments. The results of soil field water holding capacity were consistent with the soil bulk density, and Si4 treatment was significantly better than other treatments and better improved than CK treatment. The application of silica residue conditioner has significant effect on soil physical properties and has positive effect on soil structure. In summary, under the conditions of this experiment, Si4 treatment, namely SiO₂ 50 kg per mu, had the best comprehensive improvement effect on soil structure.

1. 引言

土壤是人类最基本的生产资料和物质基础，但是随着中国如人口增长、工业发展和农业污染等矛盾不断加剧，土壤退化成为了日益突出的环境问题 [1] [2] [3]。提升土壤质量作用主要有改良土壤质地与结构，提高土壤保水供水能力，调节土壤酸碱度，改良盐碱土，改善土壤养分供应状况等。郭永忠等研究了BGA土壤调理剂对土壤物理性状的影响，结果表明土壤调理剂能使土壤孔隙增加，增大了土壤持水量 [4]。伍海兵等 [5] 发现，有机材料和脱硫石膏混合使用对典型城市绿地土壤物理性质改良效果最佳。秦玲等 [6] 认为，草炭可有效改善土壤结构，降低土壤容重，改善土壤孔隙分布，提高土壤持水能力。周红梅等研究了5种土壤调理剂(麦饭石、牡蛎壳、蒙脱石、硅钙矿和有机肥)对土壤理化性质的影响，也有类似的效果 [7]。而硅肥作为农业生产中经常施用的有益元素肥料之一，具有参与细胞壁组成、可增强组织机械强度和稳固性、抵御病虫的入侵、影响植物的光合作用和蒸腾作用，减轻铁、锰等离子毒害的作用，已经被东南亚等产稻国列为继氮磷钾之后的第四大元素肥料 [8] [9]。此外在番茄作物种植中需硅较多 [10] [11]，如果番茄缺硅就会表现为在第一花序开花期生长点停止伸长、新叶出现畸形小叶，这是由于栅栏组织加厚和海绵组织破坏的结果 [12]。本试验研究在设施番茄种植方式下，通过硅渣调理剂的不同施用量探究其对土壤物理性状的改良效果，以期能为硅渣调理剂的研发及推广应用提供理论支撑。

2. 材料与方法

2.1. 供试材料

供试作物为番茄，品种为东圣888，基本特性为：大红果，中熟，一般单果重350 g左右，生长势旺，连续座果能力强，株高2米左右，当地冬春茬适于元旦前后定植，6月初采收结束。

供试区属暖温带大陆性季风气候，雨热同期，年降水量500~600 mm。试验地为天津市武清区大孟庄镇后幼庄村集约化设施菜田，该区棚龄大部分在10年以上。土壤基本理化性状：全氮含量1.51 g/kg，有机质含量23.00 g/kg，总磷含量3.66 g/kg，有效磷含量163.90 mg/kg 水溶性磷含量16.92 mg/kg，硝态氮含量50.11 mg/kg，pH为7.77，含盐量4.42 g/kg，有效硅含量453.46 mg/kg，土壤容重1.41 (g/cm³)，土壤田间持水量25.07%。总体上表现为氮磷风险较高，土壤通透性不好，存在一定盐渍化。

供试调理剂为银亿集团提供硅渣，是经红土镍矿经酸充分浸出除去金属氧化物后的剩余二氧化硅原料，在微观电镜扫描下表现为类似一种平板狭缝状的片层结构，有丰富的多孔结构，并且在其表面附着其他矿物。主要成分及物理性质如表1所示。

Table 1. Main components and physical properties of test materials

表1. 供试材料主要成分及物理性能

2.2. 试验设计

试验在2019年1月到6月进行。共设计五种施硅量，采用随机区组设计，试验处理及材料施用量如表2所示。

Table 2. Test treatment and dosage

表2. 试验处理及施用量

2.3. 样品采集及测定方法

2.3.1. 土壤容重

在种植番茄前，在试验地随机选取2个采样点，每点采样点使用200 cm³环刀采集0~20 cm土层样品，作为试验地土壤容重的基础值。番茄收获后，每个处理小区“S”状选取3个采样点，操作同上。实验室内将环刀内土无损失转移出来，在105℃烘箱中烘干，然后称土重。

2.3.2. 土壤田间持水量

在种植番茄前，在试验地随机选取2个采样点，每点采样点使用100 cm³环刀采集0~20 cm土层样品，同时采集0~20 cm散土。番茄收获后，每个处理小区“S”状选取3个采样点，操作同上。在室内采用环刀原土柱浸泡与环刀散土吸水结合法，测定田间持水量。

2.3.3. 土壤水稳性团聚体及平均重量直径的测定

称5.00 g经研磨过5 mm筛的土样，放入不同孔径的套筛内的最上一层，运用湿筛法，上下往复震荡20 min后，各筛控水，放入105℃的烘箱内，烘烤8 h，再称得不同孔径下的烘干土重。计算大于0.25 mm水稳性团聚体分布、平均重量直径。

计算公式： $平均重量直径\left(\text{MWD}\right)\text{=}{\displaystyle {\sum }_{i=0}^n{\bar{R}}_1\times m_i}$

式中R_i为某级团聚体平均直径；m (δ < R_i)表示粒径小于R_i的团聚体的质量 [13]。

2.4. 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010；SPSS 22进行数据的处理和统计分析。

3. 结果与分析

3.1. 不同施硅量处理对土壤容重的影响

本试验测定了不同施硅量条件下耕层(0~20 cm)土壤的容重，番茄收获后各处理土壤容重结果如图1所示。五种施硅量处理下土壤容重范围在1.34~1.51 (g/cm³)。从不同施硅量与土壤容重的关系中可以看出，随着施硅量的增加，土壤容重显著降低(P < 0.05)，其中Si2、Si3、Si4处理土壤容重分别较CK处理降低8.65%、9.56%以及11.13%，对土壤容重改善效果最佳的为Si4处理。

Figure 1. Soil bulk density of 0~20 cm soil layer was treated with different amount of silicon application. (Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P < 0.05))

图1. 不同施硅量处理下0~20 cm土层土壤容重。(不同处理间标有不同小写字母表示差异显著(P < 0.05) (下同))

3.2. 不同施硅量处理对土壤水稳性团聚体及平均重量直径的影响

试验结果如表3所示，可以看出各处理下>0.25 mm水稳性团聚体表现为：与CK处理相比，Si2、Si3、Si4处理均减小，且随施硅量的增加，>0.25 mm水稳性团聚体比例降低越小，Si1较CK处理达到显著差异(P < 0.05)为19.72%，且是唯一较CK处理增加的处理。在土壤平均重量直径上的表现与>0.25 mm水稳性团聚体的表现一致，最大的处理同样为Si1处理，其次是Si4处理。

Table 3. The content and average weight diameter of stable aggregates were treated with different silicon application

表3. 不同施硅量处理下水稳性团聚体含量及平均重量直径

3.3. 不同施硅量处理对土壤田间持水量的影响

如图2所示，从图中明显看出随施硅量的增加，土壤田间持水量显著增大(P < 0.05)。而Si1、Si2、Si3、Si4处理都较CK处理田间持水量增加，且均达到显著水平(P < 0.05)，说明施用硅渣调理剂对土壤田间持水量有显著影响，Si4处理较CK处理增加效果最显著，增加了9.7%。

Figure 2. Soil field water capacity of 0~10 cm soil layer was treated with different silicon application

图2. 不同施硅量处理下0~10 cm土层土壤田间持水量

4. 讨论与结论

土壤容重是土壤的基本物理性质之一，影响着土壤透气、入渗性 [14]，对土壤持水能力以及溶质迁移都有重要影响。肥沃土壤的容重一般在1.1~1.3 g/cm³ [15]。土壤容重数值偏大，说明土壤过紧，会影响到土壤水肥气热条件的变化与作物根系伸展和生长 [16]。本试验土壤容重随着施硅量的增加，土壤容重显著降低(P < 0.05)，这可能是因为施用的硅渣调理剂自身具有疏松多孔性，增施该调理剂，对改善土壤结构，降低土壤容重具有显著作用，黄静 [17] 和武玉 [18] 等相关研究均有此结论，Si4处理效果最佳，对土壤水肥气热的调节及作物生长发育十分有利。

在农学上，通常以直径为10~0.25 mm水稳性团聚体含量判别土壤结构的好坏，其含量多表示结构好 [19]。并据此判断某种耕作措施的改良效果，因为这种团聚体具有协调土壤保水、透气和调节水热状况的作用 [20]。可以看出Si1处理效果最好。平均重量直径(MWD)也是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，MWD值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强 [21]。本次试验中Si1处理显著优于其他处理。

提高土壤田间持水量则土壤保墒能力良好，为作物形成了适宜生长发育的土壤环境，从而使作物达到更高的产量 [22]。本试验随施硅量的增加，土壤田间持水量显著增大(P < 0.05)，结合前文得出的随施硅量的增加土壤容重显著减小这一现象，可能是因为土壤容重与田间持水量呈负相关关系有关 [23] [24]。本试验田间持水量随施硅量的增加，土壤田间持水量显著增大(P < 0.05)，说明施用硅渣调理剂对土壤田间持水量有显著的改善效果，且随施硅量的增加，改善效果越好，本试验中对土壤田间持水量改善最佳的处理是Si4处理。

通过对不同施用量硅渣调理剂对土壤容重、水稳性团聚体、平均重量直径以及田间持水量的分析表明，施用硅渣调理剂对土壤结构改善和持水量提高有积极作用，其中Si4处理(施用量50 kg SiO₂/亩)可显著改善提高土壤结构稳定性和持水能力。

基金项目

天津市大学生创新训练计划项目(201910061054)；天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSN00290)。

NOTES

^*通讯作者。