韓劍宏， 劉澤霞， 張連科,2， 李玉梅， 姜慶宏， 王維大

(1.內(nèi)蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院， 陜西 西安 710055)

中國是鹽堿地大國，近6.60×106hm2的耕地發(fā)生了鹽堿化，土壤鹽堿化問題已經(jīng)嚴重制約中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。內(nèi)蒙古地區(qū)耕地的鹽堿土面積占總面積的16.4%，是當?shù)胤浅Ｖ匾母睾髠滟Y源[2]。而鹽堿化土壤導致土壤板結(jié)，容重降低，土地質(zhì)量低下，不適合耕作，成為制約內(nèi)蒙古地區(qū)耕地利用的主要因素之一，表現(xiàn)出環(huán)境和經(jīng)濟兩方面的危害。因此，有效利用鹽堿土增加當?shù)氐母孛娣e，提高糧食產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，人們開始重視利用各行業(yè)的廢棄物進行鹽堿土的改良，以減少經(jīng)濟成本，降低污染，如用食用菌后的廢棄物培養(yǎng)菌糠[3]、脫硫石膏[4]和腐殖酸[5]、雞糞與木醋液[6]、秸稈與污泥[7]等改良鹽堿土，在降低土壤含鹽量、pH值、堿化度，改變土壤性狀，降低容重，增加孔隙度以及增加土壤養(yǎng)分方面分別取得了不同程度的效果。在2006年，來自泰國的一位名叫Rosukun的研究人員利用食物廢物特殊的理化性質(zhì)和豐富的營養(yǎng)成分開發(fā)了一種使用廢棄蔬菜，水果或其果皮，糖和水等有機固體廢物發(fā)酵的溶液形式產(chǎn)品，并將其命名為環(huán)保酵素[8]。這種環(huán)保酵素是一種復合有機物質(zhì)，由有機酸，蛋白質(zhì)鏈(酶)和礦物鹽組成，其有降解，轉(zhuǎn)化和催化作用[9]。在國外關(guān)于這種溶液的應用主要集中于水處理、污泥處理方面[10]，降低氨氮、磷酸鹽等，但將其應用于鹽堿土降低土壤鹽堿化程度，提高土壤氮磷鉀等養(yǎng)分含量的研究甚少。

本文利用環(huán)保酵素(GE)進行試驗，對內(nèi)蒙古地區(qū)鹽堿土關(guān)鍵化學性質(zhì)及養(yǎng)分含量進行改良，探討不同環(huán)保酵素稀釋比例對鹽堿土的改良效果的最優(yōu)稀釋比例，分析確定環(huán)保酵素對鹽堿土改良的特征指標，為鹽堿土改良找到低成本環(huán)保材料于實際應用中提供充分的科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤于2017年11月份采用五點交叉取樣法取內(nèi)蒙古地區(qū)鹽堿地表層土壤(0—10 cm)，該地區(qū)屬北半干旱中溫大陸性季風氣候，季節(jié)分明，年降水量421.8 mm(多為6月至8月)。當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁貫?～8 ℃，供試土壤基本性質(zhì)見表1。

供試環(huán)保酵素(表2)：根據(jù)Rosukon Poompanvong的研究[10]采用1份紅糖、3份丟棄腐爛的水果皮、菜葉等鮮廚余、10份水為比例，發(fā)酵3個月制成。

1.2 試驗設計

試驗采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)法，共設4個處理∶未施肥(CK)、環(huán)保酵素(ml)∶水(ml)(GE1=1∶200)、環(huán)保酵素(GE2=1∶500)、環(huán)保酵素(GE3=1∶800)，其施用量見表3。每個處理3次重復，隨機排列。于2018 年3月10日將環(huán)保酵素液按照50 ml的用量灌施到裝有300 g鹽堿土底部直徑為10 cm，上口徑18 cm，高12 cm的塑料盆缽中。試驗用土經(jīng)自然風干后，除去碎石，土層厚度約為10 cm，盆缽底部均有排水孔，鋪有雙層尼龍網(wǎng)以防土壤流失和保持水分的流通，并有托盤，在不施環(huán)保酵素液期間不進行灌水，試驗持續(xù)3個月，將盆缽中鹽堿土混合均勻，并分別在土壤培養(yǎng)時間間隔3，5，10，15，20 d采集土壤樣品，用于土壤化學性質(zhì)和養(yǎng)分指標的分析。

表1 原土壤基本理化性質(zhì)

表2 環(huán)保酵素基本理化性質(zhì)

表3 試驗設計

1.3 測定項目與方法

各指標的測定參考《土壤農(nóng)化分析》[11]。pH值的測定采用1∶2.5浸提法(pH計)；EC的測定采用1∶5浸提法(電導率儀)；陽離子交換量CEC的測定采用NH4Cl-NH4OAc交換法；交換性鈉離子的測定采用1N NH4OAc 交換—火焰光度法；有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀氧化法；有效磷的測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法；速效鉀(醋酸銨浸提)；水解性氮的測定采用堿解擴散法；DOC的測定采用針筒過膜抽取法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗獲得的數(shù)據(jù)采用Origin8進行繪圖。研究數(shù)據(jù)和各處理之間的統(tǒng)計差異和相關(guān)性通過使用SPSS軟件21.0版的方差分析和相關(guān)性分析來確定。不同處理間各類指標的差異采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行差異顯著性檢驗(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)保酵素對鹽堿土壤化學性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤pH值和堿化度(ESP)的變化 pH值8.5，ESP15被作為是引起土壤結(jié)構(gòu)惡化的關(guān)鍵值[13]，也是堿化指標。圖1各環(huán)保酵素稀釋比例處理的土壤pH值均顯著低于對照處理(p<0.05),且都有：1∶200<1∶500<1∶80010)。

注：圖中GE1， GE2， GE3表示3種不同的環(huán)保酵素，分別為環(huán)保酵素原液與水的比例為： 1∶200， 1∶500， 1∶800；圖中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1 不同環(huán)保酵素處理下的土壤pH值和ESP的變化

2.1.2 土壤EC值的變化 土壤EC值能夠反映土壤鹽分含量的變化[16]，因此，描述土壤鹽分狀況，通常采用電導率EC值作為衡量指標。環(huán)保酵素會引起土壤EC值發(fā)生顯著變化(圖2)，與CK處理相比，各環(huán)保酵素稀釋比例顯著降低了土壤EC值，且下降的幅度為：CK<1∶200<1∶500<1∶800，由此可見當發(fā)酵條件為1∶800時，土壤的EC值相較于其他條件而言降低的最多，降幅達42.50%。分析其原因，環(huán)保酵素發(fā)酵3個月后，環(huán)保酵素液中含有多種無機陽離子和陰離子未被充分利用，從而影響土壤中各離子的含量，其乙酸與碳酸鈉鹽反應，降低鹽分含量[17]，同時環(huán)保酵素DOC含量高，能夠吸附無機鹽離子如鉀離子、硝酸根離子、鎂離子等[18]。為了更好地控制土壤中的鹽分離子，應選擇合適的環(huán)保酵素發(fā)酵配比，從而使土壤的鹽化程度都能得到有效地控制。

圖2 不同環(huán)保酵素處理下的土壤電導率EC值的變化

2.2 土壤水溶性有機碳(DOC)的變化

土壤水溶性有機碳是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應最直接作用的有機碳[19]。如圖3所示，各環(huán)保酵素處理的土壤DOC均顯著高于對照處理(p<0.05)，增幅范圍為13.86%～34.28%。其中1∶800環(huán)保酵素處理的土壤DOC增加幅度最大，增加了34.28%。這是由于環(huán)保酵素為土壤加入了碳基質(zhì)，一方面提供了養(yǎng)分，提高了土壤有機碳含量；另一方面DOC和無機鹽離子如鉀離子、硝酸根離子、鎂離子等都存在于土壤溶液中，DOC吸附這些離子，隨著DOC在土壤中的周轉(zhuǎn)進行運移，減弱鹽分的副作用，促進有機碳的積累，提高微生物生物量，進而增加水溶性有機碳的含量[20]。高濃度環(huán)保酵素反而不利于土壤DOC持續(xù)快速增加[21]，主要原因是環(huán)保酵素會導致土壤水解性氮的降低，而微生物的生長最終會因土壤中N的缺乏受到影響，導致微生物數(shù)量的降低，使土壤中的碳的輸入減少。

圖3 不同環(huán)保酵素處理下的土壤DOC的變化

通過鹽堿指標(pH值、EC)和DOC之間的相關(guān)性分析，評估鹽堿性土壤水溶性有機碳的變化，揭示水溶性有機碳對鹽堿化土壤中生物環(huán)境的影響。因此，選擇不同比例處理土壤DOC，pH值，EC這3個指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，在各稀釋比例下，DOC均與鹽堿化指標具有良好的相關(guān)性，其中與pH值呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，與電導率EC值呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，這表明土壤鹽堿化作用減弱，水溶性有機碳含量也相對會增加。在各環(huán)保酵素稀釋比例的施用下，削減了土壤鹽堿障礙，增加了土壤環(huán)境中的微生物數(shù)量，降低了土壤中有機碳的氧化和分解水平，導致其分解有機碳的基質(zhì)增多，從而促進了有機碳的積累，提供了良好的土壤生物環(huán)境。

2.3 土壤養(yǎng)分的變化

2.3.1 土壤養(yǎng)分含量的變化 各環(huán)保酵素稀釋比例處理的土壤有機質(zhì)、速效鉀含量均顯著高于CK處理組(p<0.05)，分別升高16.82%～79.40%，51.00%～56.54%，而水解性氮、有效磷含量均低于CK處理組(表5)，降幅達6.52%～8.48%。這是由于環(huán)保酵系GE中本身含有礦物鹽成分和多種低分子量的有機酸如乙酸等，適當?shù)沫h(huán)保酵素施用量，會使試驗土壤變得疏松多孔[22]，增加土壤中礦物鉀的含量，有利于土壤中礦物鉀的有效化，促進有機質(zhì)轉(zhuǎn)化，所以適當?shù)沫h(huán)保酵素施用比例能更好的增加土壤中養(yǎng)分的含量。同時環(huán)保酵素液在3個月的發(fā)酵條件下是不太穩(wěn)定的[23]，液體中細菌的營養(yǎng)需要氮的有機化合物，而磷酸鹽作為土壤中養(yǎng)分磷的主要存在形式，環(huán)保酵素液含有的乙酸根會與磷酸鹽發(fā)生反應，轉(zhuǎn)化為含碳產(chǎn)物，提供能量[24]，進而導致土壤中氮、磷含量降低，這與陶津等[22]的研究結(jié)果相悖，這可能是由于試驗條件以及改良對象的差異所導致的。

表4不同比例處理土壤水溶性有機碳(DOC)與鹽堿指標(pH值、電導率EC)的相關(guān)性

項 目pH值ECDOCpH值1.0000.049-0.708*GE1(1∶200)EC1.000-0.921 DOC1.000項 目pH值ECDOCpH值1.0000.177-0.224*GE2(1∶500)EC1.000-0.451**DOC1.000項 目pH值ECDOCpH值1.000-0.372 -0.271*GE3(1∶800)EC1.000-0.759**DOC1.000

注：*表示在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 不同比例環(huán)保酵素處理下的鹽堿化土壤肥力指標的影響

注：表中列不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)

2.3.2 多變量分析 文中使用多變量統(tǒng)計分析技術(shù)SPSS(主成分分析，PCA)基于特征值>1.0選擇主成分(PC)對改良后土壤pH值，EC，有機質(zhì)，水解性氮，有效磷，速效鉀和DOC進行主成分分析，主成分的特征值，累計貢獻率見表6。由表6可知，第一成分、第二成分和第三成分的累計貢獻率高達90.833%，原始信息僅損失9.16%，因此，可選用前3個主成分作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。

各項指標的成分得分系數(shù)如表7所示。由表7可知3個指標是被區(qū)分的，即EC(成分1)、速效鉀(成分2)和pH值(成分3)。根據(jù)PCA結(jié)果，pH值、EC和速效鉀的因子得分系數(shù)高，因此可作為環(huán)保酵素對鹽堿土改良的特征指標。

表6 主成分分析特征值及貢獻率

表7 PCA提取統(tǒng)計的土壤指標的成分得分系數(shù)

注：SOM為土壤有機質(zhì)。下同。

表8 第一、二和三主成分對各指標的因子負荷量

由表8可知，第一主成分與鹽分指標EC呈較強的逆向負荷，與水解性氮、有效磷呈弱逆向負荷，而與pH值，CEC，SOM，速效鉀，DOC呈正向負荷，表明第一主成分是反映土壤鹽分狀況的綜合指標。另外第一主成分越大，電導率EC越小，表明環(huán)保酵素對鹽堿土鹽分的改良效果越明顯。第二主成分與速效鉀呈較強的正向負荷，與其他成分成弱正向負荷，表明第二主成分是反映土壤養(yǎng)分含量的綜合指標。另外第二成分越大，有效鉀含量越多，表明環(huán)保酵素對鹽堿土有效鉀的作用效果明顯。第三主成分與pH值呈較強的逆向負荷，與電導率EC呈弱逆向負荷，而與其他成分成正向負荷，表明第三主成分是反映土壤堿化程度的綜合指標。且第三成分越大，pH值越小，故環(huán)保酵素對鹽堿土堿化程度的改良效果明顯。

綜合以上分析可知，環(huán)保酵素主要對鹽堿土的主要影響因子為pH值，電導率EC和速效鉀。

3 結(jié) 論

(1) 試驗結(jié)果證明，環(huán)保酵素對鹽堿化土壤的改良具有一定的可行性。不同稀釋比例的環(huán)保酵素均能短期內(nèi)(60 d)顯著降低鹽堿土的pH值，電導率EC，堿化度ESP值，同時增加土壤有機質(zhì)、速效鉀和水溶性有機碳含量，但土壤水解性氮和有效磷含量降低6.52%、8.48%。

(2) 試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)鹽堿化土壤鹽堿指標與水溶性有機碳DOC彼此相關(guān)，同時PCA統(tǒng)計提取的pH值，電導率EC和速效鉀是環(huán)保酵素對鹽堿土改良的特征指標，主要改良了鹽堿土的鹽堿狀況和提高了土壤中速效鉀的含量。