光照过程能够使得土壤养分元素从原来的惰性状态被激活,通过研究土体活化技术,加速土壤中养分的转化效率,从而降低生产过程中化肥的使用,进一步减少化肥的过量使用所带来的土壤污染问题。本研究以通过室内光照实验方法,设定光照波段为可见光、红外光、紫外光,以放置在暗处的土壤为对照,研究不同波段光照对于土壤养分活化过程的影响。结果表明:不同波段光照首周对于土壤全氮含量的提升较高,全氮含量首周均提升50%;红外、紫外、可见光三种光照对土体速效钾含量均有增加的作用,特别是紫外光对于土壤速效钾的活化作用明显;在不同波长光照情况下,土壤有效磷含量较初始有效磷含量提升效果均在100%之上,最大提升量接近200%;红外、紫外、可见光光照对土体活性有机碳含量均有降低的作用。实验结果在土地复垦和土壤改良等方面具有重要参考意义。 Illumination can activate the soil nutrient elements from the original inert state, thereby reducing the use of fertilizers in the production process. In this study, the effects of different bands of light were studied by using the indoor illumination experiment method, the illumination band set to visible light, infrared light and ultraviolet light, and the soil placed in the dark as a control. The results showed that: the first week of different bands of light increased the total nitrogen content of the soil, and the total nitrogen content increased by 50% in the first week; the infrared, ultraviolet and visible light increased the available potassium content of the soil. The effect of ultraviolet light on the activation of soil available potassium is more obvious; under different light conditions, the effective phosphorus content of the soil is all higher than the initial effective phosphorus content by 100%, and the maximum increase is close to 200%; infrared, ultraviolet and visible light have the effect of reducing the content of active organic carbon in the soil. Experiments have shown that light has an activation effect on the components in the soil and has further research value.
卢垟杰1,2,3,4,郭振1,2,3,4,汪怡珂1,2,3,4*
1陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安
2陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安
3自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西 西安
4陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西 西安
收稿日期:2019年12月4日;录用日期:2019年12月23日;发布日期:2019年12月30日
光照过程能够使得土壤养分元素从原来的惰性状态被激活,通过研究土体活化技术,加速土壤中养分的转化效率,从而降低生产过程中化肥的使用,进一步减少化肥的过量使用所带来的土壤污染问题。本研究以通过室内光照实验方法,设定光照波段为可见光、红外光、紫外光,以放置在暗处的土壤为对照,研究不同波段光照对于土壤养分活化过程的影响。结果表明:不同波段光照首周对于土壤全氮含量的提升较高,全氮含量首周均提升50%;红外、紫外、可见光三种光照对土体速效钾含量均有增加的作用,特别是紫外光对于土壤速效钾的活化作用明显;在不同波长光照情况下,土壤有效磷含量较初始有效磷含量提升效果均在100%之上,最大提升量接近200%;红外、紫外、可见光光照对土体活性有机碳含量均有降低的作用。实验结果在土地复垦和土壤改良等方面具有重要参考意义。
关键词 :土壤养分,光照,活化
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人类生存与发展离不开土地 [
土壤中的总氮、有效磷、速效钾及活性有机碳,均为表征土壤肥力的重要指标。土壤中的氮素来源于,被微生物固化的空气中的氮、随雨水和灌溉水带入土壤的氮和使用肥料,然而,Benjamin Z. Houlton研究表明,植物、藻类和动物死亡后沉积在古代海洋的底部,经过很长时间,分解出的氮会进入到几种沉积岩中,土壤和植物体内多达1/4的氮元素来自于基岩(bedrock,指风化层之下的完整岩石) [
土壤中存在大量的未被利用的养分,本文以具有代表性的关中塿土为研究对象,设定不同光照波段的长期光照试验,进行长期光照试验,并定期采样,探究了塿土在不同波段光照情况下,土壤总氮,有效磷,速效钾及有机碳随时间的变化规律,探究土壤在光照情况下的养分变化规律,从而为光照活化土体的机理及应用研究,奠定研究基础。
试验土样采集自在陕西省富平县中试基地(东经109˚12'10'',北纬34˚42'31'')表层0~15 cm,各土样均按S形线路随机选取5个采样点采集,将各土样混合均匀摊放在干净地面上,挑拣出可见的动植物残体,室内避光自然风干。风干后的土壤过1 mm筛,分别用于土壤基本理化性质测定、室内光照试验。测定土壤养分初始含量,其中全氮含量0.06 g/kg,速效钾4.08 mg/kg,有效磷3.94 mg/kg,活性有机碳3.22 g/kg。
该实验在不透光纸箱中进行,纸箱尺寸为65 × 65 × 50 (cm),纸箱的三边和顶部均用加厚铝箔包好,防止环境中其它杂质光线射入箱体。如图1,纸箱内放置不同波长的LED灯,模拟不同波长太阳光源,灯泡距样品台20 cm,光照强度为1.14 × 106 W∙m−2 (根据LED灯参数选择),使光反应箱内温度维持在28℃ ± 1.5℃。样品放在直径10 cm培养皿中,培养皿高度3 cm,控制实验土壤装填高度与培养皿高度相平,防止厚度对于试验结果产生影响。
图1. 光照反应箱
采样时间为2018年3月2日至6月22日,每周采样一次,共计采样17周,每次采样取出一个培养皿,将培养皿中实验土壤取出,倒入密封袋内保存。
速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法测定;速效钾含量采用NH4Ac浸提火焰光度法测定;土壤全氮含量用2 mol/L KCI溶液浸提(水、土比为5:1),用全自动间断化学分析仪(cleverchem200,德国)测定 [
实验每个处理设个平行,试验结果均以平均值表示,采用统计软件对数据进行统计检验及方差分析,数据多重比较采用Turkey法,运用Excel绘制相关图表。
未进行光照处理的土样全氮含量为0.06 g/kg,由图2为可见光照射17周情况下的全氮含量变化,在可见光照射首周,全氮含量达到0.09 g/kg,相比于未经光照处理的土壤提高50%,提升效果明显,随着可见光照时间的增长,土壤全氮含量,并未随时间呈现线性增长,反而呈现出不断波动的变化特征,可能首周土壤中的全氮在光照作用下活化,土壤母质中的氮素在光照的作用下,活化为土壤中的无机氮,不稳定的无机氮不断分解形成氮气,土壤全氮含量因此一直处于波动的状态 [
图2. 可见、紫外、红外光对土体全氮的影响
的过程既是全氮的累积过程,也是一个氮动态平衡的过程,在第5天全氮含量达到峰值,消耗大量的土壤潜在氮,随后需要的积累时间变长,因此,紫外光活化土体全氮分别在第5周和第12周达到峰值,由此可以推测,可见光对于全氮的提升效果,可能主要是紫外光的影响导致的;红外光对于土壤全氮的影响与可见光、紫外光不同,红外光对于土壤全氮的影响呈现持续上升的趋势,随着紫外光照时间的增加,土壤全氮含量也随之增加,虽然在第2周、第5周、第7周均有不同程度下降,但整体的趋势仍为随光照时间增长而增长,并在17周达到最大值0.12 g/kg,相较于初始含氮量增加100%,活化提升效果明显,红外光是以热量的方式来影响土壤中的全氮含量的,由于光照活化装置较为密闭,在光照过程中,土壤温度较高,因此,相比较于紫外光与白光,红外光的活化提升效果更加明显。
未进行光照处理的土样速效钾含量为4.08 mg/kg,可见光对于土壤速效钾的活化作用并不明显,在可见光照首周,土壤速效钾含量为4.34 mg/kg,速效钾含量提升0.26 mg/kg,提高6.37%,随着光照时间的增长,土壤速效钾含量提升,并出现第3天、第5天及第12天三个峰值,分别为4.64 mg/kg、4.64 mg/kg、5.21 mg/kg,分别提升13.7%、13.7%、27.7%,其活化过程,事实上,是一个速效钾含量逐渐增大的过程,第3天、第5天,出现的小的峰值为速效钾含量攀升过程的动态波动,由图可知,在红外光、紫外光照射下,仍然存在部分较小的峰值,第12天出现的峰值同样为可见光照17周的最大值,在达到最大值后开始平缓,在光照12天后,能量的累计达到最大值,活化土体钾元素及土体钾元素达到平衡,因此在12天后,土体速效钾含量趋于不变。
红外光照处理与可见光处理对于土壤的活化随时间变化图像相似,可能由于白光对于土壤的钾元素活化作用,主要依靠其红外光照射,首周的土体速效钾含量为4.34 mg/kg,速效钾含量提升6.3%,与首周可见光光照相同,峰值出现在第5周、第11周,分别为4.74 mg/kg、5.21 mg/kg,相较于未经红外光照射的土壤分别提升16.2%、27.7%,第11周的峰值与可见光照射12周相似。
图3. 可见、紫外、红外光对土体速效钾的影响
紫外光照17周内土壤速效钾含量呈现逐步上升的趋势,土壤速效钾的变化,如图3所示,紫外光光照首周土壤速效钾含量为5.05 mg/kg,比初始情况下土壤速效钾含量提升23.7%,首周提升效果高于红外光、可见光照射情况下的首个峰值,在首周提升后,从第二周开始缓慢提升,第3周5.15 mg/kg,第4周5.35 mg/kg,一直到第7周也开始出现“勺”状曲线,钾存在的形态和作物吸收利用的情况,可分为水溶性钾、交换性钾和粘土矿物中固定的钾三类,前两类可被当季作物吸收利用,统称为“速效性钾”,后一类是土壤钾的主要贮藏形态,不能被作物直接吸收利用,各种形态的钾彼此能相互转化,经常保持着动态平衡,在光照能量不足的情况下,出现速效钾部分转化为缓效钾的情况,在光照能量充足后,缓效钾向速效钾转换 [
有效磷,是指土壤中可被植物吸收利用的磷的总称,包括全部水溶性磷、部分吸附态磷、一部分微溶性的无机磷和易矿化的有机磷等。母质中的磷被光照活化,产生无机磷,无机磷在未被利用的情况下,又转换为不能被植物直接利用的缓效磷,形成“母质–有效磷–缓效磷”的循环 [
图4. 可见、紫外、红外光对土体有效磷的影响
紫外光对于土体有效磷的活化作用如图4所示,紫外光光照首周土壤有效磷含量为5.64 mg/kg,比初始情况下土壤有效磷含量提升43.1%,首周提升效果低于红外光、可见光照射情况下首周含量,并在第6周开始含量突然提高,在第8周达到首个峰值,随后以增大–减少–增大的趋势持续波动,并在第8周、第14周均达到较大值,含量为10.1 mg/kg,相较初始值增加156%。于航等研究认为,光照促进土壤微生物把土壤中的有机态磷转化为无机态磷,从而促进内源磷的释放。
土壤有机碳含量随光照时长的增加而降低。此结果与河流、海口沉积物在光照下的反应结果相近 [
图5. 可见、紫外、红外光对土体有机碳的影响
如图5,在光照过程中,可见光、红外光和紫外光照对于土壤活性有机碳的活化效果较好,首周可见光照射情况下,土壤活性有机碳含量降低至1.62 g/kg,随后持续降低,在光照的作用下,特别是红外光以热量的形式照射后,光照促进土壤中的有机碳分解为二氧化碳,在第6周达到1.188 g/kg,降低63%,随后逐渐增加,可能是土壤中腐殖质等降解,为土壤提供活性有机碳,从而补充了因光照产生的活性有机碳消耗,可见光照8周后,活性有机碳开始补充,至16周时含量为1.89 g/kg,相对第6周提升59%。
不同波长、不同光照时间对土体全氮、速效钾、有效磷及活性有机碳的含量存在影响:
1) 光照对于土壤全氮含量的影响,主要出现在首周,光照首周对于土壤全氮含量的提升较高,全氮含量首周均提升50%;
2) 红外、紫外、可见光三种光照对土体速效钾含量均有增加的作用,特别是紫外光对于土壤速效钾的活化作用明显,相较于可见光与红外光在首周活化速效钾6.3%,紫外光照射首周提升23.7%,经17周照射后,含量提升57.6%;
3) 红外、紫外、可见光光照对土体有效磷含量均有增加的作用,随光照时间的推移呈增加趋势,且在不同波长光照情况下,土壤有效磷含量较未活化土壤提升效果均在100%之上,最大提升量接近200%。
红外、紫外、可见光光照对土体活性有机碳含量均有降低的作用,可能由于光照过程中产生有机碳降解的现象,但在总体降低的情况下,可能同样存在对于活性有机碳含量的补充,紫外光与可见光照射下,均存在波动下降,在第8周含量增加的情况。
陕西省土地工程建设集团有限责任公司内部科研项目“光照活化土体元素研究”(DJNY2018-15)。
卢垟杰,郭 振,汪怡珂. 不同波段光照对土壤养分活化过程研究Study on Soil Nutrient Activation Process by Different Bands of Light[J]. 土壤科学, 2020, 08(01): 15-22. https://doi.org/10.12677/HJSS.2020.81003