李貞霞,陳倩倩,李瑞靜,穆娟,王廣印,李新崢

1.河南科技學院園藝園林學院,新鄉(xiāng) 453003

2.河南省園藝植物資源利用與種質創(chuàng)新工程研究中心,新鄉(xiāng) 453003

0 前言

目前酸性土壤占全世界耕地土壤的40%,在中國酸性土壤的分布遍及14 個省區(qū),總面積達2030萬km2,約占全國耕地面積的21%[1-2]。近幾十年來,各種人為活動大大加速了土壤酸化[3-4]。土壤酸化會造成土壤養(yǎng)分利用效率降低、土壤有害物質增多等,嚴重影響土壤性質和土壤微生物活性[5]。施用石灰是人們通常用來改善酸性土壤、增加作物產(chǎn)量的主要途徑[6]。近期的研究表明,農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物直接施入農(nóng)田也可改良土壤酸度[7-8]。

辣椒(Capsicum annuumL.)是我國重要的蔬菜作物,其年種植面積超過130 萬hm2,產(chǎn)值和效益居蔬菜作物之首[9],其生產(chǎn)伴生的大量秸稈己成為蔬菜廢棄物的重要來源之一,大量辣椒秸稈廢棄物未得到有效利用,如何綠色環(huán)保的利用辣椒秸稈已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用上的一個重要課題。畢金華等[10]根據(jù)辣椒秸稈高含水率的特點研究其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力,弭寶彬等[9]利用辣椒秸稈豐富的含氧官能團研究其對重金屬鉻的吸附行為及機理,陸相龍[11]利用辣椒秸稈豐富的營養(yǎng)成分和辣椒素含量研究其對飼喂產(chǎn)蛋雞的效果;辣椒莖、葉中含有辣椒素及二氫辣椒素[12],直接還田對土壤性質及土壤酶活性的影響尚未見研究。本研究比較不同添加量的辣椒莖、葉對酸化土壤離子交換性能與土壤酶活性變化的影響,期望為開拓辣椒秸稈利用途徑、改善土壤酸度,提高土壤肥力等方面提供有益的探索。

1 材料與方法

1.1 土壤材料

土壤采自河南省信陽市平橋區(qū)平橋鎮(zhèn)(N32°06′,E114°07′)的茶園,屬黃棕壤,采用“S”型多點(20點)混合取樣法,采自土表0—20 cm 的土層,土壤樣品從茶園取回后按常規(guī)處理方法處理,剔除植物根系、石塊等,充分混合后用四分法留取,土樣自然風干后過2 mm篩備用。土壤性質測定按照鮑士旦等[13]《土壤農(nóng)化分析》方法,土壤pH4.9,采用1:2.5 土水比測定;土壤堿解氮采用擴散法測定;有機質采用油浴法;速效磷采用氟化銨和鹽酸提取比色法;速效鉀采用醋酸銨提取火焰光度法;土壤基本性質見表1。

1.2 辣椒材料

用于培養(yǎng)的辣椒材料(新科8 號,新科18號品種)采集于河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學院試驗田。將辣椒葉片從植株上取下至室溫自然風干,取自然風干的辣椒葉片用粉碎機將其粉碎至1 mm 之后裝入塑料袋中備用。辣椒莖的處理方法與辣椒葉片的處理相同。辣椒莖葉主要成分采用Optima 2100pv 電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定;辣椒莖、葉總C、總N 含量采用碳氮分析儀測定;灰化堿測定采用返滴定法[14];辣椒莖、葉的基本性質見表2。

1.3 土壤培養(yǎng)

稱取200 g 風干土,分別按2.5%、5%比例加入辣椒莖和葉,設不加辣椒莖和葉的處理為對照,然后將充分混合均勻的土放入一次性塑料杯中,向杯內添加去離子水,使土壤中的含水量達到田間持水量的70%,用稱重法保持持水量,再用保鮮膜將其口封住,保鮮膜的中間要留一個小孔,以便氣體的交換和澆水,將塑料杯放到25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行恒溫培養(yǎng),每隔一段時間(2—3 d)觀察并補充水分,保持土壤含水量恒定。測定不同培養(yǎng)天數(shù)的土壤,本試驗采用第1、3、5、9、15、20、30、45、60 d 9 個不同的時間段,培養(yǎng)后將土壤放在室內自然風干備用。

表1 土壤基本性質 Table1 Basic properties of soil

表2 辣椒莖、葉的基本性質 Table2 Basic properties of chili stem and leaf

1.4 測定項目與方法

土壤交換性H+和Al3+用1 mol·L-1KCl 滴定法測定,交換性酸是交換性H+和Al3+的和;用1 mol·L-1乙酸銨交換法處理土壤獲取浸出液,用火焰光度計測定土壤樣品浸出液中的交換性K+、Na+含量,用EDTA 絡合滴定法測定土壤樣品浸出液中的交換性Ca2+、Mg2+含量;靛酚藍比色法測土壤中NH4+-N 的含量[13];土壤NO3--N 用紫外分光光度計法測定[15]。

土壤酶活性分析采用關松蔭方法[16]:土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定,土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法,土壤蔗糖酶采用3,5- 二硝基水楊酸比色法測定,過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法。

土壤酶活性是評價土壤質量的重要參數(shù),但很難用單一的酶活性來說明土壤質量的變化,目前人們用酶活動的幾何平均數(shù)(GMea)作為評價土壤質量的指數(shù)[17-18]。一般來說,GMea 價值越高,土壤質量就越好。GMea 的計算方法如下:

GMea=(脲酶×蔗糖酶×過氧化氫酶×酸性磷酸酶)1/4

1.5 數(shù)據(jù)處理 利用Microsoft Excel 2003 進行基礎數(shù)據(jù)處理,利用SPSS19.0 軟件進行方差分析,處理間差異采用LDS 多重比較法。

2 結果與分析

2.1 辣椒莖、葉對土壤pH 及交換性酸的影響

辣椒莖、葉與土壤共培養(yǎng)過程中pH 的動態(tài)變化見圖1,對照土壤pH 在培養(yǎng)過程中呈現(xiàn)輕微下降趨勢,培養(yǎng)60 d 后土壤pH 比培養(yǎng)第1 d 下降0.16個單位;添加辣椒莖、葉后明顯抑制土壤pH 的下降;培養(yǎng)60 d 后,添加辣椒葉5%、2.5%土壤pH 比培養(yǎng)第1 d 分別上升0.43、0.06 個單位,添加辣椒莖5%、2.5%土壤pH 比培養(yǎng)第1 d 分別上升0.27、0.09 個單位?？傮w來看,添加辣椒莖5%、2.5%及添加辣椒葉2.5%土壤pH 變化趨勢趨向一致;添加辣椒葉5%土壤pH 波動較大。培養(yǎng)60d 后添加辣椒莖、葉土壤pH 顯著高于對照土壤;尤其添加辣椒葉5%土壤pH 比對照土壤提高1.51 個單位,差異極顯著(P＜0.01)。

圖1 土壤pH 隨培養(yǎng)時間的變化 Figure1 Changing trends of soil pH with incubation time

辣椒莖、葉與土壤共培養(yǎng)過程中交換性酸的動態(tài)變化見圖2,由圖2可知,對照土壤交換性酸在培養(yǎng)過程中呈現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象,但對照土壤交換性酸極顯著高于添加辣椒莖、葉各處理土壤交換性酸(P＜0.01)。培養(yǎng)60 d 后,添加辣椒莖、葉各處理土壤交換性酸差異不顯著(P＞0.05)。

2.2 辣椒莖、葉對土壤NH4+-N 與NO3--N 的影響

辣椒莖、葉與土壤共培養(yǎng)過程中NH4+-N 的動態(tài)變化見圖3,由圖3可知,添加辣椒莖、葉各處理土壤NH4+-N 呈現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象;總體趨勢是先升高后降低;添加辣椒莖5% NH4+-N 的最大值在培養(yǎng)第5 d,添加辣椒葉5% NH4+-N 的最大值在培養(yǎng)第20 d;培養(yǎng)60 d 結束后,除添加辣椒莖2.5% NH4+-N與對照差異不顯著外,其它三個處理NH4+-N 含量顯著高于對照(P＜0.05);說明添加辣椒莖、葉可以提高土壤NH4+-N 含量。

辣椒莖、葉與土壤共培養(yǎng)過程中NO3--N 的動態(tài)變化見圖4。由圖4可知,添加辣椒莖5% NO3--N 呈明顯波動現(xiàn)象,在培養(yǎng)20 d內其NO3--N 呈先升高后降低趨勢,培養(yǎng)20 d后NO3--N 與其它各處理變化趨

圖2 交換性酸隨培養(yǎng)時間的變化 Figure2 Changing trends of Soil exchangeable acid with incubation time

圖3 NH4+-N 隨培養(yǎng)時間的變化 Figure3 Changing trends of soil NH4+-N with incubation time

圖4 NO3--N 隨培養(yǎng)時間的變化 Figure4 Changing trends of soil NO3--N with incubation time

勢趨于一致。對照土壤NO3--N 變化趨勢與添加辣椒葉土壤NO3--N 變化呈現(xiàn)一致。培養(yǎng)60 d 后各處理NO3--N 無顯著差異(P＞0.05)。

2.3 辣椒莖、葉對土壤交換性能的影響

培養(yǎng)60 d 后土壤交換性能的變化見表3。由表3可知,辣椒莖、葉可以顯著提高土壤的交換性鹽基離子。對照土壤交換性K+沒有測到,但添加辣椒葉5%交換性K+顯著高于其它各處理;分析辣椒莖、葉中K 元素含量與土壤交換性K+的關系發(fā)現(xiàn),二者呈顯著正相關,相關系數(shù)為r=0.9616(P＜0.05)。對照土壤交換性Ca2+顯著低于添加辣椒莖、葉土壤交換性Ca2+(P＜0.05),添加辣椒莖、葉5%含量土壤交換性Ca2+顯著高于添加量為2.5%;分析辣椒莖、葉中Ca元素含量與土壤交換性Ca2+的關系發(fā)現(xiàn),二者相關性不顯著。對照土壤交換性Mg2+顯著低于添加辣椒莖、葉土壤交換性Mg2+(P＜0.05),添加辣椒葉5%交換性Mg2+顯著高于其它各處理;分析辣椒莖、葉中Mg 元素含量與土壤交換性Mg2+的關系發(fā)現(xiàn),二者呈極顯著正相關,相關系數(shù)為r=0.9962(P＜0.01)。本次實驗土壤中交換性Na+沒有檢測到。

土壤CEC值以土壤交換性酸與交換性鹽基離子之和來計算。添加辣椒莖、葉能顯著改善土壤CEC,其CEC 值與辣椒莖、葉的添加量呈正相關,以添加辣椒葉5%的效果最好。對照土壤鹽基飽和度顯著低于添加辣椒莖、葉土壤(P＜0.05),添加辣椒莖、葉可以提高土壤鹽基飽和度。

2.4 辣椒莖、葉對土壤酶活性的影響

土壤脲酶活性隨培養(yǎng)時間動態(tài)變化見圖5。對照土壤脲酶在培養(yǎng)過程中呈現(xiàn)輕微下降趨勢,培養(yǎng)60 d 后脲酶活性比培養(yǎng)第1 d 下降0.33 個單位;培養(yǎng)60 d 后添加辣椒莖、葉土壤脲酶活性均比培養(yǎng)第1 d下降;添加辣椒莖土壤脲酶活性在培養(yǎng)第1 d均高于添加辣椒葉土壤脲酶活性;培養(yǎng)60 d 后添加辣椒莖、葉5%脲酶活性顯著高于添加量為2.5%(P＜0.05)。

表3 辣椒莖、葉對土壤的交換性能的影響 Table3 Effects of chili stems and chili leaves on soil exchange performances

圖5 土壤脲酶隨培養(yǎng)時間的變化 Figure5 Changing trends of soil ureas with incubation time

土壤過氧化氫酶活性隨培養(yǎng)時間動態(tài)變化見圖6。培養(yǎng)試驗初期,過氧化氫酶活性變化幅度較大;培養(yǎng)20 d 內添加辣椒葉過氧化氫酶活性極顯著低于對照,且添加辣椒葉5%過氧化氫酶活性極顯著低于添加辣椒葉2.5%,培養(yǎng)20 d 后二者趨勢與對照相同。添加辣椒莖5%過氧化氫酶活性在培養(yǎng)第5 d 到第15 d 內有顯著低于對照的波動,但總體趨勢與對照相同。培養(yǎng)60 d 后各處理過氧化氫酶活性差異不顯著(P＞0.05)。

土壤酸性磷酸酶活性隨培養(yǎng)時間動態(tài)變化見圖7。隨著培養(yǎng)時間的延長,各處理酸性磷酸酶活性都呈現(xiàn)下降趨勢。培養(yǎng)試驗初期,添加辣椒葉處理酸性磷酸酶活性顯著低于對照和添加莖各處理,培養(yǎng)60 d 后各處理酸性磷酸酶活性差異不顯著(P＞0.05)。

圖6 過氧化氫酶隨培養(yǎng)時間的變化 Figure6 Changing trends of soil catalase with incubation time

土壤蔗糖酶活性隨培養(yǎng)時間動態(tài)變化見圖8。培養(yǎng)第15 d 內,添加辣椒莖、葉各處理土壤蔗糖酶 活性極顯著高于對照(P＜0.01);培養(yǎng)第15 d后,各處理土壤蔗糖酶活性與對照逐漸趨向一致;培養(yǎng)試驗結束后各處理間蔗糖酶活性差異不顯著(P＞0.05)。

2.5 土壤酶的幾何平均數(shù)(GMea)變化

培養(yǎng)實驗結束后,土壤酶的幾何平均數(shù)(GMea)變化見圖9。添加辣椒葉2.5%GMea 與對照差異不顯著,添加辣椒莖2.5%、5%及添加辣椒葉5%GMea顯著高于對照(P＜0.05)。說明添加辣椒莖、葉可以改善酸化土壤質量,其對酸化土壤質量的改變量與辣椒莖、葉的添加量有關。

3 討論

圖7 土壤酸性磷酸酶隨培養(yǎng)時間變化 Figure7 Changing trends of soil acid phosphatase with incubation time

圖8 土壤蔗糖酶活性隨培養(yǎng)時間變化 Figure8 Changing trends of soil sucrase with incubation time

圖9 不同處理的土壤酶的幾何平均數(shù) Figure9 The geometrical average of soil enzymes in different treatment

辣椒莖、葉均可改善酸化土壤pH,其對土壤pH的提高量與辣椒莖、葉的添加量呈正相關,Yuan[19]用油菜和稻草秸稈改善紅壤的結果類似。添加辣椒葉5%對土壤pH 的提高效果要優(yōu)于其它處理,這可能與辣椒葉灰化堿含量高于辣椒莖有關。在培養(yǎng)3—30 d 期間,土壤中NH4+-N 含量顯著高于對照,這與劉嬌等[20]研究玉米秸稈添加對黃綿土氮素轉化結果相似,這一方面與辣椒莖、葉含氮量高[11]有關,另一方面說明培養(yǎng)期間發(fā)生了明顯的礦化作用,添加的辣椒莖、葉氮素從有機氮向無機氮轉化。土壤有機氮向NH4+-N 轉化會消耗土壤H+,而NH4+-N 向NO3--N 轉化又會釋放H+[21],辣椒莖、葉對酸化土壤pH 的影響與辣椒莖、葉中灰化堿含量及土壤中NH4+-N 與NO3--N 的轉化直接相關。

土壤酸化會導致土壤中可以利用的鹽基離子被固定,造成土壤肥力降低,土壤貧瘠[6]。本研究發(fā)現(xiàn)辣椒莖、葉均可改善土壤酸化狀況,提高土壤交換性鹽基含量,這與Wang[8]和Yuan[19]利用植物秸稈改善土壤pH 結論類似。研究發(fā)現(xiàn),相同添加量的辣椒葉對交換性K+與交換性Mg2+的影響優(yōu)于辣椒莖,表明土壤交換性鹽基的改善與添加的辣椒莖、葉中鹽基元素含量有關。土壤CEC 是影響土壤緩沖能力高低,評價土壤保水保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[22];添加辣椒莖、葉能顯著改善土壤CEC,其CEC 值與辣椒莖、葉的添加量呈正相關,以添加辣椒葉5%的效果最好;說明土壤CEC 與添加的辣椒莖、葉中鹽基離子含量相關。土壤鹽基飽和度與對照相比都顯著提高,這一現(xiàn)象與辣椒植株對礦質元素的吸收積累習慣有關[23],辣椒莖、葉富含鹽基離子,加入土壤后交換性鹽基含量增加,交換性酸減小,這導致土壤的鹽基飽和度增加。

土壤酶是微生物進行土壤養(yǎng)分分解轉化的催化物質,其活性直接影響土壤中的物質循環(huán),已被作為土壤質量的生物指標[24]。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機物的轉化,其活性強度可以用來表征土壤氮素供給狀況[25]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著培養(yǎng)時間的延長,對照土壤脲酶活性下降,說明對照土壤可利用氮素有效性降低;添加辣椒葉處理土壤脲酶活性波動幅度要顯著大于添加辣椒莖,這可能與辣椒葉中氮素含量高于辣椒莖有關。過氧化氫酶是土壤中重要的一種氧化還原酶類,它能將土壤中的H2O2分解,使作物免遭毒害[26]。培養(yǎng)20 d 內添加辣椒葉過氧化氫酶活性極顯著低于對照,說明辣椒葉抑制了過氧化氫酶活性,20 d 后這種抑制作用得到緩解,過氧化氫酶活性逐步與對照趨勢一致;而添加辣椒莖5%在培養(yǎng)第3 d 到第20 d 期間過氧化氫酶活性也明顯得到抑制,分析這種原因可能與辣椒莖、葉中,辣椒素和二氫辣椒素含量有關;周衛(wèi)東等[26]實驗表明,辣椒葉片辣椒素和二氫辣椒素含量顯著高于側枝和主桿,但添加辣椒莖、葉對土壤過氧化氫酶活性的抑制作用是否與辣椒素和二氫辣椒素含量相關還需要實驗證實。土壤酸性磷酸酶可以加速土壤有機磷的脫磷速度,可以表征土壤磷素的有效化程度,一般與土壤pH 呈負相關[25]。本研究各處理土壤酸性磷酸酶都隨培養(yǎng)時間延長而降低,這種現(xiàn)象與辣椒莖、葉改善土壤pH 有關,隨著土壤pH 的提高,其酸性磷酸酶活性也隨之降低。土壤蔗糖酶直接參與土壤碳素循環(huán),能夠酶促蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。從對照土壤看,土壤蔗糖酶活性在培養(yǎng)實驗前期呈上升趨勢,而添加辣椒莖、葉土壤蔗糖酶活性前期顯著高于對照,說明培養(yǎng)實驗前期土壤蔗糖酶活性逐漸增強,而添加辣椒莖、葉等有機物又為微生物提供活動物質,促使蔗糖酶活性顯著高于對照,而培養(yǎng)15 d 后,添加的辣椒莖、葉有機物分解基本完成,各處理土壤蔗糖酶活性在培養(yǎng)實驗后期趨于一致。

4 結論

辣椒莖、葉可以改善酸化土壤pH,對土壤pH的提高量與辣椒莖、葉的添加量呈正相關。添加辣椒莖、葉可以顯著降低土壤交換性酸,顯著影響土壤NH4+-N、NO3--N 變化;辣椒莖、葉可以提高交換性各鹽基離子含量、土壤CEC 及鹽基飽和度;辣椒莖、葉可以提高土壤脲酶活性,但土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性隨培養(yǎng)時間動態(tài)波動,但培養(yǎng)60 d 后各處理三種酶活性無顯著性差異;添加辣椒莖、葉可以改善酸化土壤質量,其對酸化土壤質量的改變量與辣椒莖、葉的添加量有關。