凹凸土对无土栽培基质性能及番茄育苗的影响

范如芹， 罗 佳， 高 岩， 严少华， 张振华

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014)

凹凸棒土简称凹凸土或凹土(Attapulgite)，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土矿。Bradley于1940年提出凹凸土的理论化学式为:Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O［1］，其晶体呈棒状、纤维状，层内贯穿孔道，表面凹凸相间布满沟槽，具有较大的比表面积［2］，大部分的阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中［3］，具有纳米棒状晶体形态，因而表现出优异的物理化学性质。尤其是凹凸土具有较强吸附性，因而在石油化工、日用化工、食品加工、新型建材、环保、饲料、农药等领域有着广阔的应用［4］。然而，天然凹凸土杂质含量较多，削弱了其原有的性能，使用具有一定的局限性。提纯是对凹凸土深加工、开发高档次产品的首要条件，纯化凹凸土的吸附性能大幅提高，使用效果也得到提升。改性可对凹凸土性能进一步提升，是目前该领域研究热点［4-6］。中国有丰富的凹凸土资源，且价格低廉，但中国对凹凸土的研究起步较晚，远远落后于发达国家，且资源利用率底，因此提高凹凸土的吸附性能、扩大其应用范围具有非常重要的现实意义［5-6］。

由于土壤栽培存在连作障碍和土壤次生盐渍化等缺点，基质栽培将是设施农业的主要方向之一［7］。以废弃物为原料的基质是目前市场开发及科学研究的重点和热点，而以废弃物为原料的基质普遍存在电导率偏高、保水持水性差等问题［8］，如何提高基质保水性能、降低电导率及对作物的盐分胁迫是该领域的首要任务和难题之一。目前，农业领域对凹凸土的报道多集中在其对重金属和有机物的吸附效果方面，凹凸土在无土栽培基质盐分控制方面的应用尚处在初步探索阶段。因此，本试验尝试了对凹凸土进行改性，通过研究添加不同类型(天然、纯化及改性凹凸土)和不同比例的凹凸土对基质理化性质的影响，观测其对番茄基质育苗的影响，旨在为扩大凹凸土应用范围和提升基质品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

所用基质为基于养猪发酵床废弃垫料堆肥原料的废弃物基质，其配方为:发酵床垫料∶蛭石∶珍珠岩∶泥炭=3∶2∶3∶2(体积比)，其总氮、总磷、总钾及速效氮、速效磷、速效钾养分含量分别为24.20 g/kg、8.62 g/kg、10.10 g/kg、1.94 g/kg、2.41 g/kg和5.99 g/kg。发酵床垫料堆肥来自江苏省农业科学院六合有机肥厂，由基于作物秸秆的猪圈发酵床垫料圈内腐解(两年)及出圈后经过再次堆肥(一个月)制成。天然凹凸土和纯化凹凸土购自江苏玖川纳米材料科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 凹凸土的改性及观察 采用酸化改性方法对凹凸土进行改性［6］，具体为:纯化凹凸土420℃焙烧2 h后，加入1 mol/L H2SO4，土∶酸 =1∶10，放入水浴锅中加热沸腾2 h，水洗至中性后放入烘箱内于105℃ 烘至恒质量，置于干燥密闭的容器中保存。用电子扫描显微镜(JSM-5410，JEOL Ltd，Japan)观察凹凸土的表面微观结构。

1.2.2 添加不同比例凹凸土基质的理化性质测定 上述栽培基质添加不同种类的凹凸土，添加量分别为:天然凹凸土10%、20%、30%、40%、50%，纯化凹凸土5%、10%、20%、30%、40%，改性凹凸土1%、3%、5%。以无凹凸土的基质为对照。实验室内测定不同凹凸土添加比例基质的基本理化性质，每个处理3个重复。添加不同比例的凹凸土基质与去离子水1∶5比例混合搅拌，静置8 d后用pH计和电导率仪测定pH值和电导率［9］;容重、最大持水量、总孔隙度及通气孔隙度测定均参照澳大利亚基质测定标准［9-10］，具体为:取已知体积和质量的基质浸入去离子水中充分吸水后重力排水，此过程重复3次以确保基质吸水饱和，重力排水30 min，再次测定其体积及质量，然后放入烘箱105℃烘干7 d，再次称质量。用上述质量和体积计算容重、最大持水量、总孔隙度及通气孔隙度值［11］，阳离子交换量的测定参照王黎明［12］的方法。

1.2.3 番茄生长指标观测 根据凹凸土基质理化性质测定结果，选取性能接近理想基质的处理进行番茄育苗实验。天然凹凸土、纯化凹凸土和改性凹凸土各选取了3个添加比例的基质进行番茄育苗试验。番茄种植于穴盘中，每穴两粒种子，长至两叶时，保留长势一致的幼苗，每穴一株。每个处理3个重复，每个重复10株苗。置于塑料大棚内随机区组摆放，每3天用吸管补水1次，每个处理补水量一致。番茄种植7 d后测定出苗率。番茄育苗40 d后收获，测定番茄幼苗株高、茎粗、叶绿素含量，番茄苗样品分地上部和根系两部分采集，清洗干净后，用吸水纸吸干表面水分，测定鲜质量，于105℃烘箱中杀青30 min后，降温至75℃烘至恒质量，测定干质量。叶绿素含量用SPAD叶绿素仪(Spad-502 c，Japan)测定。

1.3 统计分析

采用SPSS 11.5软件进行LSD显著性差异检验，用皮尔森(Pearson)相关系数进行相关关系分析，采用SigmaPlot 12.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 改性后凹凸土结构及性质

通过扫描电镜观察(图1)可知，天然凹凸土表面杂质较多，纯化凹凸土则杂质较少，表面有疏松毛刺状鳞片，改性后的凹凸土颗粒外观更为疏松，而且表面分布有大小不一的孔隙，与天然及纯化凹凸土相比，呈现明显的疏松多孔的特点。

图1 天然、纯化及改性凹凸土扫描电镜下的微观结构Fig.1 The microstructure of natural，purified and modified attapulgites observed by SEM

改性后凹凸土化学性质发生了明显变化，与纯化凹凸土相比，1 mol/L H2SO4改性后凹凸土pH值降低了19.33%，由碱性降至中性;电导率(EC)变化不明显(表1)。

表1 3种凹凸土pH值和电导率Table 1 The pH value and electrical conductivity of three attapulgites

2.2 不同凹凸土添加比例对基质基本性状的影响

由表2可知，与对照相比，随着天然和纯化凹凸土添加比例的增加，基质容重明显增大，当二者添加比例增至30%时，基质容重均由0.33 g/cm3增至0.40 g/cm3。1%～5%改性凹凸土添加对基质容重影响不显著。基质总孔隙度及通气孔隙度随凹凸土添加量的增加而迅速降低，尤其通气孔隙度降低更为明显，3种(天然、纯化及改性)凹凸土添加比例仅为5%时，基质通气孔隙度便已分别下降至15.7%、16.1%和14.9%，分别下降了40.1个百分点、38.5个百分点和43.1个百分点。改性凹凸土添加对基质总孔隙度没有明显影响。基质持水量受凹凸土添加的影响亦十分明显。添加5%天然、纯化及改性凹凸土的基质持水量由对照的52.8%分别升高至57.1%、58.8%和60.1%，且随凹凸土添加量的增加而持续升高。相同添加比例下，3种类型凹凸土基质间没有显著差异。

基质pH值随天然及纯化凹凸土添加比例增加而升高，由对照的7.27分别升高至7.57和7.47，添加改性凹凸土基质间pH值无显著差异(表3)。天然及纯化凹凸土添加比例在0～20%均对基质电导率(EC)影响不显著。随天然、纯化凹凸土添加量的继续增加，EC开始下降，添加天然凹凸土基质降低幅度小于纯化凹凸土基质，当添加量增至30%时显著低于对照(表3)。改性凹凸土对基质EC的降低效果最明显，添加量分别为3%和5%时，EC由对照的2.36 mS/cm分别显著降低到2.01 mS/cm和1.89 mS/cm。

表2 不同凹凸土添加比例下基质物理性质Table 2 Physical properties of substrates amended with different proportions of attapulgites

表3 不同凹凸土添加比例下基质pH值和电导率Table 3 The pH value and electrical conductivity of substrates amended with different proportions of attapulgites

2.3 不同凹凸土添加比例对番茄基质育苗效果的影响

根据上述基质理化性质变化情况，选择理化性质符合或接近基质标准的部分处理进行番茄育苗试验，即分别选择添加0～20%天然凹凸土、0～20%纯化凹凸土及0～5%改性凹凸土的基质进行试验。结果(表4)显示，添加天然凹凸土的各基质中番茄出苗率与对照相当，均为75.0%～76.0%，处理间无显著差异，3种纯化凹凸土添加比例对出苗率影响亦不显著，而添加改性凹凸土处理中出苗率显著升高，且随添加比例的增加而升高。出苗率与基质电导率间存在负相关关系:Y=253.7-153.3x-33.1x2(r=0.962)。番茄苗株高受凹凸土的影响规律与出苗率一致。与对照相比，天然凹凸土添加对番茄苗茎粗、茎叶及根部的鲜质量与干质量等生长指标的影响不显著，但添加纯化凹凸土及改性凹凸土的效果较为明显。纯化凹凸土添加10%处理下茎粗、茎叶鲜质量和干质量分别比对照高18.7%、36.6%和102.0%，添加5%改性凹凸土处理下也达到相同水平，纯化凹凸土添加量为20%的番茄幼苗各指标均有所下降。根部生长指标所受到的影响类似，以10%纯化凹凸土和5%改性凹凸土添加处理中番茄根系生长较为发达。叶绿素含量受各类型凹凸土添加的影响不显著(表4)。

表4 添加不同比例凹凸土基质中番茄苗生长状况Table 4 Growth status of tomato seedlings in substrates amended with different proportions of attapulgite

3 讨论

本研究所采用的改性凹凸土先后经历了高温焙烧和酸化过程。适度的高温可增大其比表面积，提高吸附性能。高华等［6］指出，天然凹凸棒土的比表面积约为140～210 m2/g，经高温焙烧后可达到300 m2/g以上。酸化过程不仅可除去凹凸土孔隙中的杂质，使孔道疏通，还可通过离子交换增大孔隙容积，从而使其吸附性进一步提高。

随凹凸土添加比例的增大，基质容重也逐渐增大，根据 De Boodt等［13］和 Abad 等［14］关于理想基质的标准，基质容重低于0.4 g/cm3时适宜作物生长，可知凹凸土添加至30%时可能会对作物造成不利影响。随凹凸土添加比例的增大，总孔隙度及通气孔隙度迅速降低，这与容重的增大相吻合。无论添加何种类型的凹凸土(天然、纯化及改性凹凸土)，基质通气孔隙均下降，仅5%的添加量即造成40%以上的下降幅度，且数值均降到了20%以下(14.9% ～16.1%)，低于理想基质的通气孔隙范围(20% ～30%)［14］。添加凹凸土后基质持水能力明显上升，这与凹凸土本身的物理结构有关。较大的比表面积及多孔隙结构均使其具有一定的吸收和保持水分的特性，这对基质持水性能的改善具有重要意义，但过高的添加比例对提高持水性能无益。基质pH值的变化是由凹凸土本身pH值引起的，天然及纯化凹凸土pH值分别高达7.53与7.33，高比例的添加使得基质呈现碱性，这将对栽培作物具有一定潜在危害。理想基质pH值以5.3～6.5为宜［14］。Jayasinghe等［15］也发现，大部分温室栽培作物更适宜微酸性基质环境，因为这种微酸性基质可增加多种养分的有效性。改性凹凸土呈中性，添加后对基质pH值几乎没有影响。以养殖废弃物为原料的基质中普遍存在电导率较高的弊端，本研究所用的基于发酵床垫料的基质电导率(EC)高达2.36 mS/cm，对栽培作物尤其是育苗不利。天然凹凸土添加比例为0～20%时对基质EC影响不大，可能与天然凹凸土杂质含量较高有关，目前该领域尚无天然凹凸土降低基质EC的报道。当大量天然凹凸土添加后(30%、40%)，因凹凸土本身EC较低，故基质EC因凹凸土的物理稀释作用而降低。纯化凹凸土添加对EC的降低作用较天然凹凸土有所改善，但仍在高添加量下有明显作用，而改性凹凸土添加量仅为3%和5%时，EC即分别降至2.01 mS/cm和1.89 mS/cm，这对提高基质适用性具有重要意义，同时说明了凹凸土改性后吸附性能大大提升，对吸附基质中过高的盐基离子较为有效。

根据以上基质性能分析，过高比例的天然及纯化凹凸土(30% ～40%)添加使基质容重偏大，孔隙度过低，不利于作物生长，故选择了0～20%的添加比例进行番茄育苗试验，以验证不同类型及添加比例的凹凸土对基质容重、孔隙度、持水量、pH值、EC等影响的综合效果。出苗率受基质EC影响最为明显，与EC呈显著负相关关系。这种高EC引起作物出苗率低的现象与 Bustamante等［16］和 Medina等［17］的结果一致。番茄苗茎粗、茎叶及根部的鲜质量与干质量等生长指标受天然凹凸土添加影响不明显，而番茄苗在10%纯化凹凸土和5%改性凹凸土添加基质中长势最佳。这可能是因为这2个处理中基质容重在理想范围内，持水量和孔隙度相对较高，而EC值相对较低等原因引起的。综上所述，10%纯化凹凸土和5%改性凹凸土添加下，基于发酵床垫料的基质理化性能较佳，适宜用作番茄育苗基质。然而值得提醒的是，所采用的凹凸土改性过程较为繁琐费时，为获得大量改性凹凸土用于大规模基质生产，简易的凹凸土改性方法还有待探索。

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