萬清，楊小漁，吳丹，張奇春*

（1.浙江大學環(huán)境與資源學院，污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室，杭州 310058；2.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，杭州 310058）

沙棘（Hippophae rhamnoides）是一種在我國西部地區(qū)廣泛分布的植物品種，起源于亞歐大陸，在歐洲西北部也有較多的分布。沙棘屬于落葉小喬木或灌木，對諸多惡劣條件具有一定的適應性，可在－40～40 ℃的溫度范圍內(nèi)生長。沙棘多生長于低濕度的沖積礫石、潮濕的斜坡與河岸上[1]，因其具有防風固沙的效果，曾一度在我國西北地區(qū)被廣泛推廣種植。目前，沙棘種植及其相關(guān)的副產(chǎn)品加工已逐步成為我國西部地區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)[2]。而且，我國的沙棘總分布面積位居世界之首[3]，有著極為豐富的沙棘資源和大量亟待合理利用的果渣廢棄物。

沙棘被譽為寶藏植物，所含的營養(yǎng)物質(zhì)種類高度豐富，已被鑒定的生物活性成分就有190多種，其中不乏高含量的維生素C、A、E等成分，也包括黃酮類化合物、三萜類化合物、蛋白質(zhì)、油脂、有機酸、糖類等眾多有效成分[4]。研究發(fā)現(xiàn)：每100 g沙棘果汁含維生素C 300～1 600 mg，為番茄的25～135倍；其所含的維生素A約為胡蘿卜的3倍，番茄的35倍[1]。此外，沙棘在提升免疫能力、調(diào)節(jié)血脂、促進機體微循環(huán)等方面都存在一定優(yōu)勢，在食品、藥品領(lǐng)域具有較大的開發(fā)潛力，可制作為果醬、果凍、糖漿和抗氧化劑等。但果渣廢棄物的資源化利用途徑仍較為局限，目前報道的較為高效的利用方式是加工成保健品[5]、栽培基質(zhì)[6]、動物飼料[7]、果渣食品[8]、膳食纖維咀嚼片[9]等。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，往往存在大量的沙棘亟待合理處理，以避免其果渣的大量浪費。果渣還田應用是較為符合生態(tài)學循環(huán)規(guī)律且容易實現(xiàn)的沙棘處理方法，但目前有關(guān)沙棘果渣還田應用的研究仍較為缺乏，值得深入探究。本研究通過對比生物質(zhì)炭、生物陶粒等材料，探究沙棘果渣在還田后對土壤理化性質(zhì)、溫室氣體排放和微生物數(shù)量等多方面的影響，以期更加全面地揭示沙棘果渣在還田應用中存在的價值和風險。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

供試土壤采集自浙江省寧波市鄞州區(qū)橫溪鎮(zhèn)（29°40′05″N，121°35′41″E），土壤類型為水稻土，該地屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫17.2 ℃，年均降水量1 431.6 mm，年日照時數(shù)1 850 h，年均相對濕度77%。采用隨機布點法進行土壤樣品采集，多點樣品混合，采樣深度0～20 cm，自然風干，除去石塊和草根等雜質(zhì)，過孔徑2 mm 篩后備用。試驗土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of test soil

1.2 試驗設(shè)計

采用土壤培養(yǎng)試驗，以水稻土為培養(yǎng)土壤，設(shè)置沙棘果渣（R）、生物質(zhì)炭（B）、生物陶粒（T）3組不同材料處理，以自然培養(yǎng)組作為對照（CK），每個處理3次重復。試驗所用材料的主要性質(zhì)如表2所示。具體操作如下：將不同材料與珍珠巖按質(zhì)量比1∶1進行混合，分裝成密封小袋，于121 ℃高溫條件下滅菌30 min后待用。取風干的供試水稻土，加水至田間持水量的70%，穩(wěn)定化處理1周后，按土壤質(zhì)量（干質(zhì)量）的1%將上述混合材料分別添加至土壤中，混合均勻后進行培養(yǎng)，空白組不添加任何材料。用不同材料處理后的土壤分為兩部分：一部分將500 g土壤置于1 L培養(yǎng)桶中，于28 ℃培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)28 d，定期補充水分，分別在0、7、14、21、28 d 采集土壤樣品；另一部分將5 g土壤置于敞口玻璃培養(yǎng)瓶中，于28 ℃培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)28 d，定期補充水分，分別在0、7、14、21、28 d采集氣體樣品。土壤樣品主要用于測定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和微生物數(shù)量以及土壤pH、全碳、全氮、全氫、全硫、可溶性有機碳（DOC）、可溶性有機氮（DON）、有效磷和速效鉀等各項指標，氣體樣品用于測定溫室氣體CO2、CH4和N2O的含量。

表2 所用材料的主要性質(zhì)Table 2 Main properties of the applied materials

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH采用SevenCompact pH計（瑞士Mettler Toledo 公司）測定，土水比1∶2.5。土壤全碳、全氮、全氫和全硫含量采用Vario EL cube 元素分析儀（德國Elementar公司）測定。土壤DOC、DON含量采用multi N/C 3100 總有機碳/總氮儀（德國Analytik Jena公司）測定，按照土水比1∶5，在室溫條件下以250 r/min振蕩1 h，過濾后進行測定。土壤有效磷（Olsen-P）、速效鉀含量的測定參考《土壤農(nóng)化分析》[10]。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用San++連續(xù)流動分析儀（荷蘭Skalar公司）測定，取2 g新鮮土壤于50 mL離心管中，加入2 mol/L氯化鉀浸提液20 mL，在180 r/min的搖床中振蕩1 h，過濾后進行測定。

1.3.2 土壤溫室氣體排放測定

土壤溫室氣體排放量采用氣相色譜法測定。采樣時封閉玻璃培養(yǎng)瓶，抽取5 mL待測氣體，注入GC-2010 Plus氣相色譜儀（日本島津公司），分析樣品中CO2、N2O、CH4的含量。

1.3.3 土壤微生物數(shù)量測定

土壤微生物數(shù)量采用平板計數(shù)法統(tǒng)計，所用的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基的配方為蛋白胨10.0 g，牛肉膏3.0 g，氯化鈉5.0 g，瓊脂15.0 g，pH 7.3±0.1（25 ℃）。

1.4 參數(shù)計算

溫室氣體排放速率的計算公式：

F=ρ×Δc/Δt×273.15/(273.15+T)×V/m.

式中：F分別為CO2、CH4和N2O的排放速率，mg/（kg·h）、μg/（kg·h）和μg（kg·h）；ρ分別為CO2、CH4和N2O 在標準狀態(tài)下的密度，kg/m3；Δc/Δt分別為一定時間內(nèi)玻璃培養(yǎng)瓶內(nèi)CO2、CH4和N2O 含量的變化速率，mg/（kg·h）、μg/（kg·h）和μg/（kg·h）（Δc為2 次采樣間隔的氣體含量差，mg/kg、μg/kg 和μg/kg；Δt為采樣間隔時間，h）；T為培養(yǎng)溫度，℃；V為玻璃培養(yǎng)瓶中氣體有效空間體積，m3；m為烘干土質(zhì)量，kg。

氣體累積排放量的計算公式：

式中：Ec分別為CO2、CH4和N2O的氣體累積排放量，mg/kg、μg/kg和μg/kg；i為采樣次數(shù)；t為采樣時間，d。

全球增溫潛勢（global warming potential,GWP）的計算公式：

GWP=ECO2+(ECH4×34+EN2O×298)/1 000.

式中：ECO2為CO2累積排放量，mg/kg；ECH4為CH4累積排放量，μg/kg；EN2O為N2O累積排放量，μg/kg。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Origin 2018對試驗數(shù)據(jù)進行圖表繪制，并采用SPSS 26.0進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤全碳、全氮、碳氮比、DOC、DON、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響

全碳是土壤碳庫的重要指標；全氮含量反映了土壤中氮素整體收支情況，是衡量農(nóng)作物產(chǎn)量的重要指標之一。本研究中生物質(zhì)炭和沙棘果渣的添加對于土壤全碳、全氮含量具有顯著提升效果（圖1A～B）。其中：生物質(zhì)炭處理（B）的提升效果最為顯著，與對照（CK）相比，全碳、全氮含量的平均提升率分別達到44.68%、25.14%，與相關(guān)文獻報道的結(jié)果[11]相近，而全碳和全氮中所提升的部分主要來源于其所含的穩(wěn)定性組分；沙棘果渣處理（R）的全碳和全氮含量提升程度略低于生物質(zhì)炭，但增幅波動較大，全碳平均提升16.31%，全氮提升－5.28%～43.42%，說明沙棘果渣還田可能主要是增加了土壤中的活性碳、氮部分。生物陶粒處理（T）作為一種對比土壤添加劑，對土壤全碳和全氮含量的增幅弱于其他2 種處理。土壤碳氮比（C/N）反映土壤全碳和全氮的比值，與土壤中礦物態(tài)氮的動態(tài)變化關(guān)系密切[12]。研究結(jié)果表明：生物質(zhì)炭處理的土壤C/N最高；而沙棘果渣處理的土壤C/N 整體呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，變化范圍為10.59～13.38（圖1C）。

圖1 不同處理對土壤全碳、全氮和碳氮比的影響Fig.1 Effects of different treatments on total C,total N and C/N ratio of soil

土壤DOC 和DON 是環(huán)境中活躍的有機組分[13-14]，易被微生物和植物吸收利用。本試驗結(jié)果顯示，各組土壤的DOC 和DON 含量變化均存在一定的差異性（圖2A～B）。沙棘果渣處理的DOC 含量顯著高于對照，在0～14 d 呈近似倒“V”狀變化，與相關(guān)研究結(jié)果[15]呈現(xiàn)相似的變化趨勢。在DON含量方面，沙棘果渣處理的整體變化幅度較小，為7.74～15.88 mg/kg。這主要是由于一方面土壤外源性有機質(zhì)添加促進了微生物生長繁殖，增加了土壤有機質(zhì)的分解[16]，另一方面微生物代謝活動也增加了DOC、DON 的消耗[17]，加速了碳氮循環(huán)。生物質(zhì)炭和生物陶粒處理的DOC 和DON 含量變化較為相似，但與沙棘果渣處理存在較大的差異。2 組處理的DOC 含量變化幅度均較低，分別為0.09～0.15、0.06～0.15 g/kg，相關(guān)生物質(zhì)炭的研究具有類似的結(jié)果[18]；2 組處理的DON 含量在0～21 d 整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是2種主要的土壤礦物態(tài)氮類型，與氨化過程、硝化過程等主要氮循環(huán)過程密切相關(guān)[19]。沙棘果渣處理在0～7 d顯著降低了土壤硝態(tài)氮含量（圖2C），同邱麗麗等[20]的研究較為一致；并在試驗期間顯著提升了土壤銨態(tài)氮含量，平均提升率達到26.16%（圖2D），與叢日環(huán)等[21]的研究相符。硝態(tài)氮含量的降低可能主要是由微生物為利用高碳氮比沙棘果渣增加了對氮素的吸收以及土壤中部分硝態(tài)氮向下層遷移造成的；銨態(tài)氮含量的增加主要是由于易利用碳的增加促進了微生物的增長，增強了沙棘果渣中有機氮的分解[22]。生物質(zhì)炭和生物陶粒處理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化幅度均較小，2 種處理下硝態(tài)氮含量變化范圍分別為31.47～40.04、29.74～42.65 mg/kg，而銨態(tài)氮含量變化范圍分別為4.11～6.33、4.87～7.34 mg/kg。兩者變化幅度較小的可能原因是這2種處理材料對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮具有較強的吸附效果[23-24]。

圖2 不同處理對土壤DOC、DON、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響Fig.2 Effects of different treatments on DOC,DON,NO－3-N and NH+4-N of soil

2.1.2 對土壤pH、有效磷、速效鉀、全氫和全硫的影響

在土壤pH 方面，幾種材料的表現(xiàn)存在明顯差異（圖3）。沙棘果渣處理對偏酸性土壤的pH 存在顯著的改良作用，pH 提升量為0.25～0.69。已有的研究顯示，植物有機肥的添加對水稻土pH 存在提升效果[25]，這可能是由于植物材料中豐富的有機官能團與土壤中鋁、鐵的羥基氧化物之間存在配體交換，也可能與植物材料所含有機化合物的解離和結(jié)合相關(guān)[26]。生物質(zhì)炭處理對pH 未呈現(xiàn)顯著的提升性改良效果。生物陶粒處理對土壤pH的提升效果波動較大，整體改良效果弱于沙棘果渣處理。

圖3 不同處理對土壤pH的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil pH

有效磷和速效鉀是重要的土壤速效養(yǎng)分，是土壤肥力的主要評估因素。各類材料的添加均整體上降低了土壤有效磷的含量，但提高了土壤速效鉀的含量（圖4A～B）。沙棘果渣處理對有效磷含量下降的影響最為顯著，下降量為0.93～3.03 mg/kg，已有的相關(guān)研究也呈現(xiàn)類似現(xiàn)象[27]，這可能主要是由外源有機質(zhì)促進微生物的無機磷向有機磷轉(zhuǎn)化[28]以及土壤對無機磷的螯合作用引起的[29]。在速效鉀含量方面，沙棘果渣處理具有較強的提升效果，提升了23.52～56.43 mg/kg，平均提升率為46.15%，與王立革等[30]的研究相符，但提升程度略低于生物質(zhì)炭的45.89～93.82 mg/kg，略高于生物陶粒的3.63～29.85 mg/kg。沙棘果渣和生物質(zhì)炭處理的速效鉀含量提升主要來自材料自身攜帶的鉀素排放和土壤解鉀菌活性的強化[31]，生物陶粒處理也可能通過促進微生物生長來增加土壤鉀素的礦化。

本試驗中不同材料對土壤全氫、全硫含量的影響也存在一定的差異（圖4C～D）。各組材料添加后土壤的全氫含量整體上均有所提升，其中生物質(zhì)炭處理的提升效果較好，提升量范圍為0.008%～0.038%，沙棘果渣和生物陶粒處理的提升效果次之，提升量范圍分別為－0.010 0%～0.032 4%、0.002 4%～0.024 2%。各處理中全氫含量的增加部分主要來自所用材料中氫的排放。生物質(zhì)炭和沙棘果渣處理的土壤全硫含量差異相對較小，而生物陶粒處理的土壤全硫含量在培養(yǎng)14 d后顯著升高。各處理的土壤全硫含量變化主要來自所用材料中硫元素的排放，其中生物陶粒的全硫含量最高，對土壤全硫的提升效果最為顯著。

圖4 不同處理對土壤有效磷、速效鉀、全氫和全硫的影響Fig.4 Effects of different treatments on available P,available K,total H and total S of soil

2.2 不同處理對溫室氣體CO2、CH4、N2O 的影響

CO2、CH4、N2O 是3 種最為重要的農(nóng)業(yè)溫室氣體，幾種材料對其排放的影響效果不盡相同（圖5）。土壤中的生物代謝以及各類生物化學過程是其所排放CO2的主要來源[32]。本試驗中，沙棘果渣處理在試驗前期較為顯著地提高了土壤中CO2的排放速率，累積排放量也居試驗各組之首，后者達到1 688.34 mg/kg。這一現(xiàn)象正是有機材料所引起的表觀激發(fā)效應的前期體現(xiàn)[33]，因沙棘果渣中的有機質(zhì)豐富且易利用，土壤微生物代謝活動得到強化，其代謝產(chǎn)物CO2排放激增；而隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤中CO2的排放速率呈逐步降低態(tài)勢，其平均下降量為2.48 mg/（kg·h），原因是在激發(fā)作用的后期，易獲得的養(yǎng)分大量耗散，微生物數(shù)量逐步減少，整體代謝速率降低[34]。在生物質(zhì)炭和生物陶粒處理中，溫室氣體排放速率前期與對照較為相近，因后期CO2由排放轉(zhuǎn)為吸收，溫室氣體累積排放量顯著低于對照，這可能是由于兩者施入土壤后，土壤團聚體形成加速，通過物理阻隔的方式降低了微生物和酶對有機碳的分解作用[35]，同時，生物質(zhì)炭中的碳組分往往較難利用，在部分土壤中也存在由生物質(zhì)炭引起的負激發(fā)效應的現(xiàn)象[33]。本試驗中各處理的土壤CH4和N2O 累積排放量較小，生物質(zhì)炭、生物陶粒處理與對照的累積排放量無顯著性差異，而沙棘果渣處理的土壤CH4和N2O 累積排放量均顯著低于其他2 組材料，呈現(xiàn)一定的負排放狀態(tài)，分別為－88.90、－221.94 μg/kg，對CH4和N2O 造成的溫室效應具有一定的抑制效果。

圖5 不同處理對土壤CO2、CH4和N2O排放速率和累積排放量的影響Fig.5 Effects of different treatments on CO2,CH4 and N2O emission rates and cumulative emission amounts of soil

從全球增溫潛勢（圖6）來看，試驗測定結(jié)果與土壤CO2累積排放量相關(guān)性較強，CH4和N2O 排放的貢獻較小。這表明，與氧氣接觸較為充分且擾動較少的表層土壤中溫室氣體的貢獻主要來自土壤中的有氧呼吸，而需要厭氧條件產(chǎn)生的溫室氣體的整體排放量較少。從不同處理的比較來看，沙棘果渣處理的全球增溫潛勢與對照相比存在顯著性差異，為對照的2.39 倍，而生物質(zhì)炭和生物陶粒處理的全球增溫潛勢整體較小，較對照降低了53.62%和46.57%，存在一定的減排潛力。

圖6 不同處理對全球增溫潛勢的影響Fig.6 Effects of different treatments on global warming potential

2.3 不同處理對土壤微生物數(shù)量的影響

本試驗中不同材料的添加對土壤微生物數(shù)量的影響具有明顯差異（圖7）。沙棘果渣處理的土壤微生物數(shù)量處于高水平的時間在所試材料中最長。在0～14 d沙棘果渣處理的土壤微生物數(shù)量較同期對照增加了230.4%～479.5%，這一時期平均增長率達335.6%。該現(xiàn)象正是土壤激發(fā)效應的一個重要表征，沙棘果渣中新鮮的有機質(zhì)促進了細菌等微生物的生長，使它們在數(shù)量上出現(xiàn)明顯的暴發(fā)[36]。在14～21 d 微生物數(shù)量出現(xiàn)了較為明顯的下降，可能是由于一些易利用的有機質(zhì)基本耗盡，土壤中的微生物回歸到接近對照的正常水平。生物質(zhì)炭處理后土壤微生物數(shù)量沒有出現(xiàn)明顯的大幅度提升，整體數(shù)量與對照較為接近，可能與生物質(zhì)炭中的碳不易被分解利用有較大關(guān)聯(lián)。生物陶粒處理后土壤微生物數(shù)量在第7 天出現(xiàn)了小幅度的提升，較同期對照增幅達到135.53%，這可能是由于生物陶粒中黏土的吸附性能促進了微生物的附著，同時，其內(nèi)部疏松多孔的結(jié)構(gòu)擴大了微生物的生存空間，為它們的進一步增殖提供了適宜條件[37]。試驗后期或因養(yǎng)分消耗，限制了微生物的增殖，各處理均回歸低微生物數(shù)量水平。

圖7 不同處理對土壤微生物數(shù)量的影響Fig.7 Effects of different treatments on soil microbial numbers

3 結(jié)論

本研究顯示，沙棘果渣還田對土壤理化性質(zhì)、溫室氣體排放和微生物數(shù)量的影響顯著。其中，沙棘果渣對土壤全碳、全氮、速效鉀等養(yǎng)分存在一定的提升效果，但效果略遜于生物質(zhì)炭。在活性有機質(zhì)方面，相較于生物質(zhì)炭，沙棘果渣能夠顯著地提升土壤DOC含量，具有較高的土壤碳、氮循環(huán)效率。此外，沙棘果渣對土壤微生物數(shù)量也具有明顯的提升效果。在溫室氣體CO2排放量和全球增溫潛勢方面，沙棘果渣處理組的測定結(jié)果均顯著高于對照，存在一定的增溫風險。綜合上述結(jié)果，本研究認為，沙棘果渣作為一種植物有機材料，在水稻土中添加對土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量提升等多方面有積極意義，具有較強的還田應用潛力，但在還田過程中仍應注意其作為有機材料可能會引起較強的增溫潛勢，應慎重考慮其還田用量。