發(fā)酵醋渣制肥對鹽堿化土壤性質(zhì)和麥苗生長的影響

王 衛(wèi)，李 偉

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127；2.西北大學 生命科學學院，陜西 西安 710069)

0 引言

近年來土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題在世界范圍內(nèi)廣泛存在，據(jù)聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和糧農(nóng)組織(FAO)不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積約為9.54億hm2[1～2]。鹽堿化不僅危害土壤條件，而且抑制作物的生長發(fā)育，造成缺苗、減產(chǎn)、死亡等問題，從而阻礙農(nóng)業(yè)發(fā)展。位于我國西北內(nèi)陸半干旱地區(qū)的陜西省渭南市的鹵陽湖地區(qū)，年均蒸發(fā)量大于降水量，而且地勢低洼，排水系統(tǒng)差，當?shù)赝寥利}堿化程度不斷加劇[3]。治理鹽堿地已受到普遍重視，主要措施包括水利改良：灌水洗鹽、地下排鹽等；農(nóng)業(yè)改良：平整土地、輪作等；化學改良：施用改良物質(zhì)如石膏、泥炭等；生物改良：種植耐鹽植物、使用生物質(zhì)材料和微微生物菌肥等。相較于工程改造和化學改良等，微生物肥料不僅可以改善鹽堿土，還可增加土壤肥效，對于鹽堿土具有重要的意義[4]。

微生物肥料的制作主要在于原材料和菌種，對于鹽堿地，酸性材料的改良意義更大。相關資料表明，現(xiàn)國內(nèi)外已對酸性物質(zhì)改善鹽堿化有一定的研究。醋渣的主要成分為玉米、小麥、麩皮、高粱等一次生產(chǎn)后的生物廢料，因其具有酸度大、腐爛慢等特點,直接填埋,既污染壞境,又造成浪費[5～6]。馬妍等[7]選擇3種酸性殘渣作為土壤改良劑進行試驗，結(jié)果表明，摻拌酸性殘渣廢棄物能夠明顯改善土壤的滲透性能，提高脫鹽效率，同時抑制脫鹽堿化程度;魯新蕊等[8]研究生物炭酸化改性后對蘇打鹽堿土的影響，結(jié)果表明，蘇打鹽堿化土壤施用酸化生物炭后，pH值降低，有機質(zhì)含量提高。周萬海[9]等研究微生物菌劑在醋渣堆肥中的應用，結(jié)果表明微生物菌劑能加速水分散失、有機物質(zhì)分解和纖維素類物質(zhì)降解，縮短堆肥時間。鑒于醋渣及微生物對于改善鹽堿地均有一定效果，且目前對于二者結(jié)合改善鹽堿地的研究很少，筆者研究將針對性地選用微生物，將其培養(yǎng)成菌液后，接種于高溫滅菌后的醋渣，發(fā)酵制成微生物菌肥。通過盆栽試驗，在鹽堿土中施用不同比例的醋渣生微生物菌肥，通過測定其對小麥幼苗生長情況的影響以及鹽堿土壤理化性質(zhì)，探究醋渣微生物菌肥對鹽堿土的改良效果，為改良鹽堿化土壤探索新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥為西農(nóng)805，購自楊凌農(nóng)資店。供試醋渣取自西安鄠邑區(qū)大王醋廠，主要成分為麩皮、高粱、玉米、小麥等殘余物。供試鹽堿土壤取自陜西蒲城陳莊鎮(zhèn)西陳村鹽堿地表層土壤(0～20 cm)，年平均氣溫13.2℃，年均降雨量550 mm，無霜期 180～220 d。鹽堿土壤0號pH值為8.33，電導率為524μs·cm-1；鹽堿土壤1號pH值為8.08，電導率為586μs·cm-1。

1.2 菌株及醋渣微生物菌肥制作

1.2.1 菌株 酵母菌(Saccharomyces)、圓褐固氮菌(Azotobacterchroococcum)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。由西北大學生命科學學院應用微生物實驗室黃建新教授提供菌株。

1.2.2 培養(yǎng)基 牛肉膏蛋白胨加糖培養(yǎng)基:牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、氯化鈉5 g、蒸餾水1 000 mL、葡萄糖5 g、pH=7.0～7.2、121.3℃、高壓蒸汽滅菌20 min。

阿氏貝無氮培養(yǎng)基：甘露醇10 g、KH2PO40.2 g、MgSO4.7H2O0.2 g、NaCl0.2g CaSO4.2H2O 0.1g、CaCO35g、水1 000 mL、pH自然、115℃、滅菌30 min。

豆芽汁培養(yǎng)基：黃豆芽200 g、葡萄糖10 g、自來水 1 000 mL、pH自然 、121℃、滅菌20 min,將200 g黃豆芽煮沸30 min過濾得到1 000 mL的豆芽汁。

1.2.3 菌株復配及發(fā)酵醋渣微生物菌肥 酵母菌接種于豆芽汁培養(yǎng)基斜面，圓褐固氮菌接種于阿氏貝培養(yǎng)基斜面，巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌接種于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基斜面，30℃培養(yǎng)24 h，用接種針挑取一大環(huán)酵母菌于豆芽汁液體培養(yǎng)基，圓褐固氮菌于阿氏貝液體培養(yǎng)基，巨大芽孢桿菌，枯草芽孢桿菌于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中，搖瓶培養(yǎng)24 h(170rpm,30℃)，作為種子，再以5%(v/v)的接種量接種于對應的液體培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)3 d。 酵母菌、圓褐固氮菌、巨大芽孢桿菌按5%(v/v)的接種量接種，枯草芽孢桿菌按7%(v/v)的接種量接種。發(fā)酵制作醋渣微生物菌肥，所產(chǎn)肥料按照NY 844-2012《生物有機肥》方法進行檢測。檢測結(jié)果，有效活菌(cfu)為5.37億·g-1，有機質(zhì)含量(以干基計)為62.2%。

1.2.4 盆栽實驗處理 醋渣發(fā)酵完成后，分別添加質(zhì)量比為5%(S1)、10%(S2)、20%(S3)、30%(S4)的醋渣菌肥(每盆總質(zhì)量15 kg),與0號鹽堿土均勻混合裝盆。盆栽試驗所用的盆規(guī)格直徑為28cm、高度30cm。并設置鹽堿土0號(CKO)、鹽堿土1號(CK1)兩個對照，每組試驗做2個平行樣。挑選顆粒飽滿、均一的小麥種子于自來水浸泡24小時后，播種。每盆100粒種子，每隔3 d澆水一次，每盒100 mL。盆栽試驗于2017年12月13號開始播種至2018年3月10號結(jié)束。

1.3 指標測定

pH值，采用電位測定法，F(xiàn)E20/EL20 pH計,(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；每個測定樣本按照《土壤農(nóng)化分析實驗》標準風干、磨細、過篩(2mm孔徑)后，稱取20 g于錐形瓶中，加入50 mL蒸餾水，攪拌5 min混合搖勻后靜置1h，將上清液經(jīng)定性濾紙過濾，濾液收集于100 mL燒杯中，進行測定。每個測定樣重復測定三次，取平均值。

電導率，采用電級法， DDS-307型電導率儀, (上海儀電科學儀器有限公司)；每個測定樣本按照《土壤農(nóng)化分析實驗》標準風干、磨細、過篩(2 mm孔徑)后，稱取20 g于250 mL錐形瓶中，加入100 mL蒸餾水，攪拌15 min混合搖勻后靜置1 h，將上清液經(jīng)定性濾紙過濾，濾液收集于200 mL燒杯中，25℃條件下進行測定。每個測定樣重復測定三次，取平均值。

麥苗株高，采用米尺測量；小麥出苗率=出苗數(shù)/播種數(shù)*100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用origin8.0和Excel2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖。用單因素方差分析(One-way ANOVA)(p<0.05)對各處理進行顯著性差異進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 醋渣微生物菌肥對于小麥出苗率的影響

從10到28天，小麥苗生長趨勢比較快。第10天，CK0、S1、S2的出苗率比較低，S3次之；S4最高為41%，CK1次之，為33.5%。10～13 d的生長速度最快，各組均有較大幅度提升；CK0出苗率最低為34%，S1、S2、S3的出苗率均在36%～42%之間，S4最高為56%、CK2為54%。13～19 d，生長速度放緩；CK0出苗率最低為54.5%，S1、S2、S3的出苗率均在55%～58.5%之間，CK1出苗率最高為65.5%，S4次之，為62.5%。19～22 d，CK0、S1、S2生長速度相似，增幅較小；S3、S4增幅較大，S4出苗率最高，為68%，S3接近CK1。22～28 d,S1、S2、S3、S4出苗率持續(xù)上升。S3最高，為72%，S4次之為71%，S2為65%，S1為64%。CK0，CK1生長趨于平緩；CK0最低僅為58%，CK1為68.5%。28～43 d，各組小麥出苗率整體趨勢不變，S3>S4>CK1>S2>S1>CK0。第43天，S4與S3出苗率持平，S4=S3>CK1>S2>S1>CK0，出苗率分別為74.5%、74.5%、72%、66.5%、65.5%、61.5%。

由數(shù)據(jù)和圖1可知，使用醋渣微生物菌肥的S1～S4實驗組的小麥出苗率均高于鹽堿對照組CK0，生長43 d后，S4與CK1極差達13%。且S4、S3組小麥出苗率均高于CK1。小麥出苗情況相比于鹽堿對照更好，這與姜明[10]研究圓褐固氮菌和巨大芽孢桿菌復合有機肥促進玉米出苗情況一致。發(fā)酵醋渣有機肥對于改善鹽堿環(huán)境、提高小麥出苗率的效果與醋渣使用量呈正比關系。

施加發(fā)酵醋渣有機肥后，鹽堿土壤得到一定程度的改善，小麥所受到的鹽堿環(huán)境脅迫減小，生長環(huán)境得以改善，更多的小麥種子有了成長的機會。再者，添加的菌種增加了土壤微生物的數(shù)量和多樣性，提高了土壤活性，芽孢桿菌等可以抑制一些土壤真菌和病毒的繁殖，降低小麥出苗過程受到侵害的可能性。

圖1 不同質(zhì)量比醋渣微生物菌肥處理后麥苗出苗率情況

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對照、正常土對照，S1,S2,S3,S4表示施加發(fā)酵醋渣微生物菌肥質(zhì)量比分別為5%、10%、20%、30%的實驗處理

2.2 醋渣微生物菌肥對于麥苗高度的影響

第10天，CK0、S1、S2、S3小麥苗株高均小于0.1 cm；S4、CK1麥苗株高分別為2.7 cm、2.9 cm。第10-16天各組生長速率最快，均有較大幅度提升。CK0最低，株高為6.3 cm；S1、S2、S3麥苗株高在6.9～8.8 cm；S4最高為12.9 cm,CK1次之為9.7 cm。第16～22天，各組生長速率放緩，S2麥苗株高增長速率相對其他組更快；CK0最低，僅為8.8 cm;S1為12.8 cm、S2為11.9 cm、S3為14.3 cm超過CK1，S4最高，為16.6 cm；第22～28天，S2組麥苗株高超過S1組，總體株高由小到大為CK0

由數(shù)據(jù)和圖表得知，使用發(fā)酵醋渣微生物菌肥的S1～S4實驗組的小麥苗株高均高于鹽堿對照組CK0，生長43天后，S4與CK1極差達5.5 cm。且S4、S3組小麥苗株高均高于CK1。發(fā)酵醋渣微生物菌肥對于改善鹽堿環(huán)境、提高小麥苗株高的效果與醋渣使用量呈正比關系，與小麥出苗率情況保持一致。由此說明，使用發(fā)酵醋渣微生物后，鹽堿土壤得到一定程度的改善，小麥所受到的鹽堿環(huán)境脅迫減小，再者，選用的菌種可能提高鹽堿土壤呼吸強度和微生物活性，促進土壤中遲效氮磷鉀元素的釋放，土壤肥力增強。

圖2 不同質(zhì)量醋渣微生物菌肥處理后麥苗高度情況

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對照、正常土對照，S1,S2,S3,S4表示施加發(fā)酵醋渣微生物菌肥質(zhì)量比分別為5%、10%、20%、30%的實驗處理

2.3 醋渣微生物菌肥對鹽堿土壤pH的影響

pH是衡量土壤酸度的基本指標,堿性越強，有效養(yǎng)分釋放受到抑制，土壤供肥能力越弱[11]，植物在適宜的酸堿性范圍內(nèi),才能長勢良好。 pH對土壤中氮素的硝化作用和有機質(zhì)的礦化影響很大，從而關系到小麥的生長發(fā)育。施用不同質(zhì)量比的醋渣微生物菌肥(5%、10%、20%、30%)后，土壤pH值在不同程度上均有所降低，降幅為2.16%～7.44%。施用醋渣微生物菌肥質(zhì)量比5%的土壤pH值，由8.33降低到8.15，pH值降低了0.18個單位；施用質(zhì)量比為10%時，pH值降低了0.62個單位，為實驗組變化最大值；施用質(zhì)量比為20%時，pH值降低了0.44個單位；施用質(zhì)量比為30%時，pH值降低了0.52個單位。除了質(zhì)量比10%實驗組外，在一定范圍內(nèi)，醋渣微生物菌肥施用比例越大，土壤pH降低的程度越大。

由此可以看出，施加不同比例醋渣微生物菌肥后，鹽堿土堿度均有一定程度的降低。其原因在于，一方面，醋渣成分是玉米、小麥、麩皮、高粱等一次生產(chǎn)后的生物廢料，富含有機質(zhì)，可使土壤有機質(zhì)含量增加，對土壤的堿度有一定的緩沖作用；另一方面，所選用的菌種起到促進作用,醋渣的有機質(zhì)經(jīng)過微生物分解后轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，提高了土壤的緩沖能力，巨大芽孢桿菌的解磷機制是產(chǎn)生了有機酸[12],能中和鹽堿土壤中的堿性物質(zhì)。圓褐固氮菌固氮作用和巨大芽孢桿菌解磷作用，促進了土壤中氮素的增加和遲效養(yǎng)分的釋放，利于植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)，加快小麥生長。因此，醋渣微生物菌肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低鹽堿地土壤堿性，植物堿脅迫減小，生長環(huán)境改善。

表1 不同質(zhì)量發(fā)酵醋渣微生物菌肥處理土壤后的pH值

注:CK0、S1-S4變化率=pH值-8.33(鹽堿土0樣本)/8.33*100%。

CK1變化率=pH值-8.08(鹽堿土1樣本)/8.08*100%

圖3 不同質(zhì)量醋渣微生物菌肥處理對土壤pH值的影響

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對照、正常土對照，S1,S2,S3,S4表示施加發(fā)酵醋渣微生物菌肥質(zhì)量比分別為5%、10%、20%、30%的實驗處理

2.4 醋渣微生物菌肥對鹽堿土壤電導率的影響

土壤浸取液電導率是描述土壤鹽分狀況的常用指標之一，這一參數(shù)包含了水分含量、土壤鹽分及離子組成等豐富信息[13～14]。種植小麥后測定土壤浸取液電導率，由表2可知，0號鹽堿對照組的土壤電導率下降1.8%，而施加不同質(zhì)量比醋渣微生物菌肥的實驗組電導率增加15.65%～73.65%。圖4表明，隨著醋渣微生物菌肥施加量的增加，電導率呈現(xiàn)增大的趨勢，施加30%實驗組增幅達73.65%，這與高偉等[15]研究醋渣混合褐煤、牛糞、石膏等在一定程度增加了土壤全鹽含量有相似效應。但此結(jié)果與醋渣微生物菌肥使pH值降低、小麥生長情況更好不一致，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是添加的醋渣經(jīng)過微生物降解和固氮后產(chǎn)生了等利于植物吸收的可溶性鹽分，但其鹽類組分及含量變化需要進一步研究。

表2 不同質(zhì)量發(fā)酵醋渣微生物菌肥處理土壤后的電導率 (μs·cm-1)

注:CK0與S1-S4變化率= (EC-524)/524*100%;CK1變化率= (EC-586)/586*100%。

圖4 不同質(zhì)量醋渣微生物菌肥處理對土壤電導率的影響

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對照、正常土對照，S1,S2,S3,S4表示施加發(fā)酵醋渣微生物菌肥質(zhì)量比分別為5%、10%、20%、30%的實驗處理

3 結(jié)論與討論

醋渣營養(yǎng)豐富，含有大量有機物和無機物，可為土壤微生物生命活動提供養(yǎng)分，施加到土壤中可被微生物降解，提高土壤保水、保肥和透氣性能、改善土壤理化性質(zhì)[16～18]。將醋渣接種有益菌種發(fā)酵制成微生物肥料，可能對于土壤和植物生長有更好的促進作用。目前微生物肥料所選用的菌主要是解磷菌、解鉀菌和固氮菌[19]。陳凱等[20]通過單因子和正交實驗證明巨大芽孢桿菌P1具有較強的解磷能力,張維娜等[21]研究了巨大芽孢桿菌JD-2對有機磷、無機磷的降解效果，結(jié)果表明，巨大芽孢桿菌JD-2具有很強的解磷能力，不同濃度的實驗組在土壤中均具有解磷效果。圓褐固氮菌是自身固氮菌，有較強的固氮能力，并且能夠分泌生長素，促進植株的生長。盧秉林等[22]利用圓褐固氮菌做生物氮肥進行春小麥盆栽試驗，結(jié)果表明，圓褐固氮菌N45具有對春小麥的增產(chǎn)作用和對氮肥利用的促進作用。解鉀菌的主要類型以芽孢桿菌屬為主[23]，如枯草芽孢桿菌等具有一定解鉀效果。芽孢桿菌還具有防治植物病害和耐鹽的優(yōu)勢。枯草芽孢桿菌可通過競爭、拮抗、溶菌作用抑制甚至殺土壤死病菌，還可誘導植物自身抗病潛能，促進植物根系及植株生長，減少病害發(fā)生[24～26]。尹漢文等[27]研究了枯草芽孢桿菌對黃瓜耐鹽性的影響，發(fā)現(xiàn)在無鹽脅迫或1g·L-1NaCl脅迫下，枯草芽孢桿菌可促進黃瓜植株生長，而在2 g·L-1NaCl脅迫下無促進作用。

筆者研究利用枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、圓褐固氮菌和酵母菌復配后接種醋渣發(fā)酵制成為微生物菌肥，探究其對于鹽堿化土壤及小麥生長的影響。醋渣微生物菌肥以不同質(zhì)量比添加到小麥盆栽中試驗，定期觀測小麥出苗、株高情況并記錄數(shù)據(jù)，最終對土壤理化性質(zhì)進行檢測，結(jié)果顯示醋渣微生物菌肥可以有效降低鹽堿化土壤的pH值、提高小麥的出苗率和株高，這與吳曉衛(wèi)[28]等篩選耐鹽堿微生物復配微生物菌肥具有鹽堿地改良效果和提高植物出苗率、株高具有一致性。這可能是微生物肥料對于土壤的改善作用，增加了腐殖質(zhì)和其他營養(yǎng)元素，促進土壤的改善和植物生長。但醋渣微生物菌肥一定程度上增加了鹽堿化土壤的電導率，又與筆者研究的其他指標和一些其他報道有矛盾，這可能是因為復合菌種的固氮、解磷、解鉀作用增加了土壤中速效氮磷鉀含量，一定程度增加可溶性鹽，其具體機理還有待進一步研究。研究還表明，添加量不是越多越好，添加20%與30%的實驗組對于pH值降低和小麥出苗率、株高的提高沒有顯著性差異，菌肥量施用不宜過多。綜上所述，利用醋渣固體廢棄物結(jié)合解磷、解鉀、固氮菌種制成微生物肥料對于改良鹽堿地特別是西北內(nèi)陸地區(qū)的鹽堿地具有重要的意義，但其具體改善機制還有待進一步研究。