调节粒径分布提高月壤种植潜力研究

韩 娅，谢更新*，晏 铭，晏卓逸，丁靖航，熊 鑫，武丽萍

（1 重庆大学环境与生态学院，重庆 400044；2 重庆大学教育部深空探测联合研究中心，重庆 400044；3 湖南大学环境科学与工程学院，湖南长沙 410012）

随着我国嫦娥五号(CE-5)成功取回月球土壤样本，国内掀起了对月壤研究的热潮[1-3]。月壤改良可种植技术作为月球原位资源利用(In-Situ Resource Utilization, ISRU)的重要部分，能够减少未来月球基地建设的资源消耗，受到了越来越多的关注。然而，由于月面缺乏大气，月壤未经历过地球土壤的风化成土过程，具有粒径小、孔隙率低、容重高[4]、持水性差[5]、不含有机质等特性，月壤内的尖锐颗粒还会划伤植物的根系[6]。直接使用月壤或其模拟物进行种植会对植物产生不利影响，主要表现为种子活力降低[7]、生长延缓[8]、株高降低且叶片变薄[9]，表现出严重的胁迫形态[10]。

受制于真实月壤的稀缺性，目前绝大多数的改良种植研究都是使用模拟月壤，其化学性质和部分物理性质同真实月壤相似[11]。提高月壤的种植潜力除了需要增加其生物有效性，还要改善其物理性质。当前研究主要集中在向月壤及其模拟物内加入植物残体[12]、菌剂[13-14]、粪肥等[15]，利用生物风化作用提高月壤的可种植性。对于月壤的物理性质如容重、孔隙度、持水保肥能力的改良研究还较少。土壤基质的粒径分布决定其容重、孔隙度、保水率、和渗透率等诸多物理性质特征[16-17]，植物的生长与基质的理化性质息息相关，基质的物理性质不同，对植物的生长及根系发育均会产生影响[18-19]。黄梓恩等[20]通过人为调控泥炭颗粒粒径配比显著调整了育苗基质的孔隙特性和育苗效果。李炎艳等[21]发现适宜的珍珠岩粒径配比可改善基质的容重、孔隙度、电导率(EC)值等理化性质，提供适宜的根区环境，促进番茄的生长。马柳[22]将不同粒径的煤矸石进行配比，研究发现粒径级配能够不同程度地改良煤矸石土壤基质的理化性质，显著提高种植生菜的出苗率和生物量，其最高出苗率为对照组的155%，最大整株鲜重与干重分别为对照组的322%和532%。通过粒径配比直接对模拟月壤的粒径分布进行改良，与生物改良方法相比具有操作简单、见效快的优点，非常适合于月壤的前期改良。

本研究制备了用于改良种植研究的模拟月壤，还原了真实月壤的元素组成、矿物成分、粒径分布、容重、孔隙度等特征。之后通过粒径配比对模拟月壤进行了改良，探究了模拟月壤粒径分布与其容重、孔隙度、持水保肥能力的关系。最后，还进行了模拟月壤的生菜盆栽试验并评价了改良效果。通过本研究实现了对月球土壤改良的相关技术储备，对于未来月壤资源原位利用具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 模拟月壤的制备 模拟月壤制备原料为黑色块状玄武岩(图1)，产地为吉林省通化市辉南县。将块状玄武岩用破碎机破碎后依次用1000、500、250、150 和75 μm 的筛网进行筛分，共筛分出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 种不同粒径范围的玄武岩颗粒。最后按照中国CE-5 带回的真实月壤样品粒径分布进行配比[1](表1)。

表1 月壤样本真实粒径分布Table 1 The particle size distribution of real lunar soil samples

图1 块状玄武岩Fig.1 Massive basalt

使用X 射线荧光光谱(XRF)分析M0 模拟月壤的化学元素组成(表2)，结果以氧化物表示。其SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO 及P2O5的含量与真实月壤及其它月壤模拟物的含量相近，Na2O 和K2O的含量与CE-5[1]、Apollo11[28]、Apollo16 和Apollo17[27]等真实月壤的含量相差较大，但与约翰航天中心JSC-1[29]和中国科学院CAS-1[11]月壤模拟物相近。使用X 射线衍射(XRD)分析了M0 模拟月壤的衍射图谱(图2)，通过JADE 软件拟合检索物相，结果显示其主要物相为斜长石(40.3%)和透辉石(36.9%)，与CE-5 的矿物组成[1]相似。

表2 模拟月壤与真实月壤的化学组成(%, wt)Table 2 Chemical composition of simulated and real lunar soil

图2 月球土壤模拟物M0 的XRD 图谱Fig.2 XRD pattern of lunar soil simulator M0

1.1.2 不同模拟月壤组的制备 根据CE-5 和Apollo的月壤样本，研究其粒径分布，发现500～250 和250～150 μm 2 种粒径在月壤中质量占比各为10%左右，而150～75 μm 和<75 μm 2 种粒径的质量占比在月壤中以1∶3 的比例存在。根据这一规律，我们将150～75 μm 和<75 μm 2 种粒径按照1∶3 的比例进行混合，得到<150 μm 的混合粒径。然后控制500～250 和250～150 μm 2 种粒径的质量占比各为10%，调节1000～500 μm 和<150 μm 的混合颗粒的质量占比，配制出另外3 种不同粒径配比的新型月球土壤模拟物M1、M2 和M3 (表3)，M0 为CE-5 真实月壤粒径分布。

表3 月球土壤模拟物粒径配比表Table 3 Mass ratio of particle sizes in simulated lunar soils simulators

1.2 试验方案

1.2.1 模拟月壤理化性质试验 以下所有试验均设计4 个处理，分别为M0 空白对照和M1、M2、M3 处理，每各处理设3 个重复。月壤模拟物物理性质测量包括容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度及水气比。容重采用环刀法进行测量，总孔隙度、持水孔隙度及通气孔隙度用计算法。化学性质测量包括电导EC 和pH。使用环刀法测量模拟月壤的各项物理指标，先将配制好的不同粒径级配月球土壤模拟物各称取660 g 置于花盆中，按照最大持水量将去离子水灌入花盆中，放置两天使花盆中的月球土壤模拟物沉实。再用已知容积V和质量W1的环刀(带盖)将花盆中的月球土壤模拟物取出，盖上盖子，水中浸泡48 h，取出称重W2；然后倒置在干燥的细沙上12 h，直至环刀内的自由水流出，称重W3；最后放入烘箱，烘至恒重并称重W4。按表4 公式计算容重和孔隙度；土壤pH 采用铵态水土比(2.5∶1)浸提法测定(NY/T 1377—2007)，EC 值采用(5∶1)浸提法测定(NY/T 1121.16—2006)。

表4 土壤物理性质计算方法Table 4 Calculation methods of soil physical properties

1.2.2 室内模拟淋溶试验 模拟淋溶试验见图3。将配置好的模拟月壤实验组分别称取330 g 放入高15 cm 内径8 cm 的PVC 管中，每个PVC 管底部加2 层0.075 mm (200 目)滤布，进行室内模拟淋溶试验[30]。将去离子水按照土壤最大持水量灌入PVC 管中，静置2 天，使PVC 管中的模拟月壤沉实。第3天在每个基质中添加N 0.15 g/kg、P 0.05 g/kg 和K 0.12 g/kg 作为底肥，底肥以溶液形式添加(配置溶液的浓度为尿素5.31 g/L、磷酸二氢钾1.58 g/L、硫酸钾2.66 g/L，每个基质施入20 mL)。施肥完成后静置2 h，在每个基质中加入30 mL 去离子水，同时收集渗滤液作为第一次淋溶。5 天后，加入50 mL 去离子水，进行第二次淋溶并同时收集渗滤液，以后每5 天按同样操作淋溶1 次，共淋溶4 次。将收集的渗滤液先用量筒量其体积，再将其经0.45 μm 有机微孔膜过滤，过滤后的水样进行铵态氮、全氮和全磷浓度的测定，计算其淋失量。铵态氮采用纳氏试剂比色法(HJ 535—2009)；全氮采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法(HJ 636—2012)；全磷采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法(GB 11893—89)。

图3 模拟淋溶实验装置图Fig.3 Device of simulated eluviating experiment

1.2.3 生菜盆栽试验 将配置好的不同模拟月壤组各称取330 g 置于高10 cm、内径6 cm 的花盆中，花盆底部加两层0.075 mm (200 目)滤布。按照最大持水量(透水)将去离子水灌入花盆中，放置2 天使花盆中的月球土壤模拟物沉实。种子选用意大利全年生菜王生菜，播种前将供试的生菜种子用去离子水清洗3 遍，挑选饱满均一的种子放入去离子水中浸泡8 h 后取出，放入铺好2 层无菌湿润纱布的培养皿中，每个培养皿均匀放置200 粒生菜种子，盖上盖子，将培养皿放入20℃的人工气候箱中在黑暗条件下进行催芽[31-32]。在此期间不断补充水分以保持纱布湿润，直至生菜种子发芽率达到80%，将发芽的生菜种子播种于不同模拟月壤组中，每盆播种6 颗生菜种子，深度约1～1.5 cm，浇透水。随后将盆栽置于昼/夜温度为23℃/20℃人工气候箱中并随机摆放，期间保持基质湿润，待生菜长到三叶一芯时期进行疏苗定植，每盆留2 株长势相当的生菜苗。定植完成24 h 后开始施肥，每盆基质中添加N 0.15 g/kg、P 0.05 g/kg 和K 0.12 g/kg 作为底肥(与土柱淋溶试验所施底肥相同，均用浓度为尿素5.31 g/L、磷酸二氢钾1.58 g/L、硫酸钾2.66 g/L 的溶液添加，每个基质施入20 mL)，后面不再追肥。每盆生菜每2 天定量施加20 mL 去离子水，待生菜长到55 天后进行收割。不同模拟月壤组的生菜从三叶一芯时期开始生长45 天的生长状况见图4。

图4 生菜在模拟月壤中的生长状况Fig.4 Lettuce growth in the simulated lunar soils

盆栽试验测量指标包含：株高、叶面积、叶宽、叶片数、茎粗、植物地上部分鲜重、地下部分鲜重、地上部分干重、地下部分干重和根系活力。待生菜长到55 天后，先用软尺测量生菜株高；用游标卡尺测量叶宽和茎粗，叶宽测量部位为生菜由内往外数第五片叶片最宽处；茎粗测量部位为植物地上部分茎的最宽处；叶片数用计数法；用剪刀将植物地上部分与根部剪开，然后将根系拔出用水清洗并擦干，分别用分析天平称重；地上部分干重则是先将其放入烘箱内105℃杀青0.5 h，再在80℃下和根系一起烘干至恒重，用分析天平称量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[33]。

1.3 统计分析

数据经Excel 处理后，使用SPSS 22.0 软件进行方差分析，采用LSD 检验法进行多重比较，利用Origin 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同模拟月壤组的理化性质

模拟月壤理化性质测定结果如表5 所示，随着大粒径占比的增加，模拟月壤的容重、持水孔隙度、水气比和电导率呈递减趋势，其中M3 的容重最小，为1.80 g/cm3，低于对照2.70%；而持水孔隙度、水气比和电导率也均以M3 处理最小，分别低于对照组6.75%、38.66%和18.18%。总孔隙度和通气孔隙度呈递增趋势，均以M3 处理最大，分别高于对照组3.96%和53.38%。

表5 不同模拟月壤的理化性质Table 5 Physical and chemical properties of different simulated lunar soils

粒径分布是表征土壤结构和生产力的重要物理指标，它决定着土壤基质的容重、孔隙度等诸多物理性质特征[16-17]。适合农作物生长的耕层土壤容重一般在1.2 g/cm3左右，总孔隙度为50%～56%，通气孔隙度>10%，电导率为0.2～0.6 ms/cm，pH 为6.5～7.5[34]。本研究将模拟月壤不同大小的粒径颗粒根据真实月壤粒径进行调配，力求在合理的月壤粒径范围内探究最佳模拟月壤粒径配比，实现月壤原位资源利用。模拟月壤除通气孔隙度、水气比和电导率值与对照组有显著差异外，其他的物化性质均没有表现出显著差异。调节模拟月壤粒径配比不能显著改变模拟月壤组的pH，但电导率随着大粒径占比的增加有显著降低，表明减少小粒径颗粒占比可以降低模拟月壤可溶性盐的水平。通过提升大粒径在模拟月壤中的占比，模拟月壤的容重、总孔隙度、通气孔隙度和持水孔隙度等均得到不同程度的改善，其中M3 处理通气孔隙度(AP)得到的改善最为显著，其次是M2 处理，分别为对照组的153.38%和140.81%。

2.2 不同模拟月壤的保肥效果

对模拟月壤进行室内模拟淋溶试验，探究不同粒径模拟月壤组的保肥效果，共进行4 次淋溶，每次淋溶液中的铵态氮、全氮和全磷淋失量如图5 所示。随着大粒径占比的增加，4 次淋溶液中累计铵态氮、全氮和全磷淋失量均呈先下降后上升的趋势。

图5 模拟月壤4 次淋洗液中的养分淋失量及总淋失量Fig.5 Nutrient leaching loss in the four leachate and the total leaching loss of simulated lunar soils

相较于M0 对照，M1、M2 和M3 3 个处理4 次淋溶累积铵态氮淋失量均有所减小，其中M2 淋溶液中铵态氮淋失量最低，为0.19 mg，显著降低58.10%。不同粒径分布模拟月壤全氮淋失量变化特征与铵态氮的淋失相似，相较于M0 对照，M1、M2 和M3 处理中4 次淋溶累积全氮淋失量均有所降低，其中M2 最低，为4.33 mg，显著降低21.67%。对比不同粒径分布模拟月壤全磷淋失量，4 次淋溶累计全磷淋失量M3 为40.65 μg，较M0 显著增加23.97%，M1为26.09 μg，较M0 显著减小20.43%。说明适当增大模拟月壤中大粒径颗粒占比可以减少铵态氮、全氮和全磷的淋失，这可能是因为玄武岩材料本身的特殊性，玄武岩具有大量的气孔状构造，在小粒径颗粒中这些气孔状构造遭到破坏，而在大粒径颗粒中这种构造得以保存下来，当氮磷进入气孔中不容易随水流失，使其得以保存下来。但大粒径颗粒含量过多(如M3)则会造成孔隙度过大，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。磷的淋失量与铵态氮和全氮的淋失量规律相反，铵态氮和全氮每次淋溶的淋失量是随着淋溶次数的增加呈显著的增加趋势，而全磷则是呈现出下降趋势。说明在淋溶前期，模拟月壤对铵态氮和全氮的保持效果明显要高于对全磷的保持效果，但随着淋溶次数的增加，模拟月壤对铵态氮和全氮的保持效果明显下降，低于对全磷的保持效果。前人研究表明可以通过改变土壤的粒径配比，来改变土壤的物理性质和化学性质，进而影响土壤的持水性和保肥性能[35-37]。在本研究中模拟月壤M1、M2 和M3 通过改变不同大小粒径的占比，从而改变其理化性质，进而影响其持水性和保肥性。对照组M0 的小粒径占比最大，在经历4 次淋溶试验后，其保肥效果最差；M3 虽然细粒径占比是最少的，但其大粒径占比过多，导致其通气孔隙度过大，持水孔隙度过低，从而导致其养分的快速流失，保肥效果也不好。根据本研究所得到的结果，M2 的渗滤液中铵态氮和全氮的淋失量是最低的，全磷的淋失量则略高于M1，综合比较M2 的保肥效果是最好的，说明其对植株的生长是最为有利的，这一结论在后续的生菜盆栽试验中也得到了证实。

2.3 不同模拟月壤对生菜的影响

基质是植物生长发育的基础，植物的生长不仅受基质理化性质的影响，也受基质保肥效果的影响。通过分析不同粒径模拟月壤上收割的生菜生长指标(图6)，发现改变模拟月壤的粒径配比，可以显著的改变生菜的相关生长指标。研究发现，随着模拟月壤中大粒径占比的增加，生菜的各项生长生理指标均表现出不同程度的增加趋势。M1、M2 和M3 处理间株高、叶宽和茎粗无显著差异，但均显著高于对照M0；叶面积随模拟月壤大粒径占比的提高而增加，M3 生菜叶面积为1485.93 mm2，显著高于对照94.33%。M2 叶面积与M1、M3 的均无显著差异，但显著高于M0。

图6 不同模拟月壤上生菜的农学指标Fig.6 Agronomic indices of lettuces grown in different simulated lunar soils

在模拟月壤中增加大粒径颗粒占比提高了生菜的生物量，M1、M2、M3 处理地上部分鲜重、干重均无显著差异，鲜重均显著高于对照，干重只有M2 显著高于M0；地下部鲜重以M1 处理最大，显著高于其他3 处理，干重则以M2 最大，显著高于对照和M3 处理(图7)，M2 处理地上部分干重和地下部分干重分别较对照增加97.60%和39.20%。4 个月壤处理间生菜根系活力均无显著差异(图8)。

图7 不同粒径模拟月壤上生菜生物量Fig.7 Lettuce biomass grown in simulated lunar soils with different particle sizes

图8 不同粒径模拟月壤上生菜根系活力Fig.8 Root activities of lettuce grown in simulated lunar soils with different particle sizes

综上所述，改变模拟月壤粒径配比可以显著增加生菜的各项生长指标及生物量，其中M2 模拟月壤组生菜生物量最大，这与前文(2.2 部分)研究的改变模拟月壤粒径配比对氮磷的保持效果最佳结论一致。说明适当增加模拟月壤中大粒径玄武岩颗粒(1000～500 μm) 占比不仅可以显著减小氮磷的流失，从而为生菜的生长提供充足的养分，使生菜生物量得到显著增加；而且适当的大粒径颗粒在模拟月壤中可以降低其容重，增大通气孔隙度，从而为生菜的根系发育提供良好的生长环境。植物根系对植物生长发育有重要作用，有研究表明根系生物量越大，根系活力越强[38-39]，这与本研究结果一致。但当大粒径颗粒占比过多时(如M3 模拟月壤)，则会使其孔隙度进一步扩大，造成营养的流失，从而影响生菜的生长发育。

3 结论

随着模拟月壤中大粒径颗粒添加比例的提高，模拟月壤的容重、持水孔隙度、水气比和电导率均呈递减趋势，总孔隙度和通气孔隙度呈递增趋势，保肥效果得到有效改善，以M2 模拟月壤得保水保肥效果最好。用于种植生菜，生菜株高、茎粗、叶宽和叶面积均显著提高，M2 模拟月壤处理的地上部分干重和根干重均显著高于未调节粒径比例的对照月壤，显示该粒径比例下可最大限度地实现月壤的生产潜力。