甘蔗糖蜜酒精廢液對赤紅壤改良及大豆生長的影響

高何鳳1，蔡獻泉，徐 鋼，羅棟源1，陳何瀟1，狄 瑜1，張超蘭

(1.廣西壯族自治區環境保護科學研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學 資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

甘蔗含糖量高，是我國的第一大糖料作物，廣西作為我國甘蔗種植和蔗糖加工總產量第一的省份，對農業經濟發展有重要作用。甘蔗制糖過程中，甘蔗糖蜜進行酒精發酵會伴隨產生大量成分復雜、難以處理的高濃度糖蜜酒精廢液[1-2]。糖蜜酒精廢液是一種來源于植物的可生物降解液，含有大量的有機物質及作物所需的多種營養元素，包括大量元素氮磷鉀和鈣、鎂、硫、鐵、鋅及錳等中微量元素[3-5]。糖蜜酒精廢液雖然含有豐富的可利用物質，但同時其色度、生化需氧量及化學需氧量也非常高，排放到環境中也會造成嚴重的污染。糖業的不斷發展必然會推動糖蜜酒精廢液資源化的研究，甘蔗糖蜜酒精廢液含有豐富農作物所必需的營養物質，具有很高的利用價值，探索在農田直接施加糖蜜酒精廢液有助于挖掘有機廢棄物資源的潛在利用價值，實現廢物資源化利用。目前甘蔗糖蜜酒精廢液資源化利用主要是農業灌溉和生產有機肥[5-7]。而將糖蜜酒精廢液應用于農業，需要重點研究酒精廢液施用量和方法，以免造成土壤質量和作物產量的下降。以往大多數研究主要是針對施用糖蜜酒精廢液對甘蔗生長以及土壤的理化性狀[8]、單一的土壤酶活性方面[9]，而對施用酒精廢液后對土壤改良的綜合評價及其它作物生長研究還較少。土壤生物、理化特性是土壤質量監測和評價的主要內容，土壤微生物群落組成和土壤碳、氮、磷循環及相關酶活性對于土壤質量監測和評價至關重要，而土壤的基本性狀又影響著作物的生長和產量[10]。因此，將甘蔗糖蜜酒精廢液加入酸性土壤中，通過種植大豆研究其施用量對土壤養分、酶活性以及相關微生物的影響，同時探明甘蔗酒精廢液對大豆生長及產量的影響，將為制糖工業與農業環境和諧發展提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自廣西大學東校園(108°17′36″E,22°51′1″N)，質地為赤紅壤，全氮0.62 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全鉀1.23 g·kg-1，有機質7.54 g·kg-1，堿解氮38.58 mg·kg-1，有效磷24.59 mg·kg-1，速效鉀8.74 mg·kg-1，土壤有機質、養分含量較低，pH 4.73，酸性較重。土壤采集后經風干，過2 mm 孔篩，備用。

1.2 試驗材料

大豆品種為桂夏一號，由廣西農業科學院提供。糖蜜酒精廢液由廣西南寧蒲廟造紙廠經曝氣等處理后提供，可以施用于土壤，其pH值為3.77，廢液偏酸性，應用于土壤前先稀釋20倍，廢液總氮含量為7.15 g·L-1,總磷含量為0.39 g·L-1,總鉀含量為14.35 g·L-1，有機質含量為48 g·L-1。

1.3 試驗設計

本研究在廣西大學大棚試驗區進行盆栽試驗(108°17′43″E,22°50′59″N)，試驗盆直徑25 cm，高21 cm，設7個處理，每個處理3次重復，共21盆，每盆裝土8 kg，相當于667m2耕層15萬公斤土，具體的試驗設計見表1。酒精廢液稀釋后淋到試驗盆里，與土壤混合均勻后養護20 d，每隔1 d翻耕混勻土壤。充分混勻20 d后，播種大豆，每盆定苗4株。每個試驗盆采用相同管理，不再施加其它肥料，在100 d后收獲大豆時采集各處理的土壤樣品(0～20 cm)，測定土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，并測定脲酶、過氧化氫酶活性及自生固氮菌數量，采收植物樣品，測定大豆植株高度、莢重及百粒重。

表1 試驗設計Table 1 The design of experimental plan

1.4 分析項目及測定方法

酒精廢液各項目的測定采用國家標準方法[11]；土壤基本理化性狀測定參照土壤農化分析[12]；土壤脲酶的測定苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，土壤過氧化氫酶采用KMnO4滴定[13]；微生物相關測定參照土壤微生物分析方法手冊[14]。

1.5 統計與分析

分別用SPSS 20.0、Origin 7.0和Excel 2010等軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1施用酒精廢液對土壤有機質和堿解氮含量的影響

有機質含量對于評價土壤質量有重要作用，提高土壤有機質含量可以促進作物生長[15]。從表1可以看出，與CK相比，土壤有機質含量隨著酒精廢液施用量增加而增加，增幅為CK的1.21～1.83倍，其中T6處理土壤有機質含量最高，有機質含量達到11.0 g·kg-1，較CK提高了82.8%。與CK相比，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤堿解氮含量也顯著增加(P<0.05)，各處理堿解氮含量增幅為CK的1.44～2.31倍，T6處理最高達70.1 mg·kg-1，T5次之，分別較CK顯著提高了131%和107%，且各處理差異達到顯著水平(P<0.05)。綜合來看，各酒精廢液處理均顯著提高了土壤有機質和堿解氮含量，均以T6處理效果最好。

注：小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note:The small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.圖1 不同處理對土壤有機質和堿解氮含量的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil organic matter and alkalihyrolyzable N content

2.2 施用酒精廢液對土壤有效磷和速效鉀含量的影響

施用酒精廢液對土壤有效磷含量有顯著影響(P<0.05)，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤有效磷含量呈顯著上升趨勢(圖2)。各處理有效磷含量增幅為CK的1.45～5.48倍，效果最好的T6處理土壤有效磷含量達到48.9 mg·kg-1。植物生長需要豐富的鉀元素，植物通過吸收大量速效鉀促進酶的活化，繼而影響光合作用和能量的代謝，提高土壤中速效鉀含量有利于作物在體內合成碳水化合物[16]。由圖2可以看出，施用酒精廢液對土壤速效鉀含量有顯著影響，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤速效鉀含量也顯著增加(P<0.05)。CK處理土壤中速效鉀含量只有3.3 mg·kg-1，施用甘蔗糖蜜酒精廢液后土壤速效鉀含量顯著提高，各處理速效鉀含量增幅為CK的5.13～29.4倍，差異達到顯著水平(P<0.05)。效果最好的T6處理土壤速效鉀含量達到96.9 mg·kg-1。綜合分析，與有機質和堿解氮含量結果相似，處理T6對提高土壤有效磷和速效鉀含量效果最好。

圖2 不同處理對土壤有效磷和速效鉀含量的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil available P and available K content

2.3 施用酒精廢液對土壤pH、酶活性和好氣性自生固氮菌的影響

施用甘蔗糖蜜酒精廢液對土壤的pH變化有顯著影響(圖3)。與CK相比，各處理pH下降了0.33～0.6單位，其中T3處理pH最低為5.65，隨著酒精廢液施用量的增加而先降低后上升并逐漸趨向平穩，介于5.65～5.98。在種植大豆之前土壤pH值為4.73，由于酒精廢液和土壤本身偏酸性，我們設想會造成土壤的pH的下降，然而，從圖3可以明顯看出，種植大豆后不僅CK土壤pH有所上升，其它施用了一定量的酒精廢液處理的土壤pH較種植大豆前也呈現上升的趨勢，而整個試驗過程中沒有加入對土壤pH有影響的物質，說明土壤pH的提高可能與種植大豆相關。綜合分析，施用酒精廢液會造成土壤pH的下降，但通過種植大豆有助于改善pH，以免土壤過于酸化。

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

土壤酶活性可作為全面反映土壤生物學肥力質量的潛在指標[17]。脲酶是一種促進氮有機物水解的水解酶，在脲酶作用下，尿素可被分解為植物可利用的物質，從而促進植物生長。而過氧化氫酶活性與好氧微生物數量、土壤肥力有密切的聯系[18]。由表2可知：施用酒精廢液顯著提高了土壤脲酶活性(P<0.05)，各處理促進效應規律不明顯，其中以處理T2的土壤脲酶活性最高，脲酶活性大小的順序為：處理T2>T5>T1>T3>T6>T4>CK；同土壤脲酶變化相似，加入酒精廢液后在一定程度提高了土壤過氧化氫酶的活性，除T2處理下降外，其它處理較CK顯著增加了25.6%、75.2%、133%和140%(P<0.05)，各處理的過氧化氫酶活性以處理T6最高。

土壤微生物是維持土壤酶活性和土壤肥力的重要因素，施用酒精廢液影響土壤好氣性自生固氮菌的數量，其中處理T6顯著增加土壤好氣性自生固氮菌的數量(P<0.05)，而T4和T5處理減少了土壤好氣性自生固氮菌的數量，其它各處理對其都有促進效應。綜合來看，施用酒精廢液提高了土壤脲酶、過氧化氫酶活性和好氣性自生固氮菌數量，但是其促進作用與酒精廢液施用量之間關系不顯著。

表2不同處理對土壤酶活性和好氣性自生固氮菌數量的影響
Table 2 Effect of different treatments on the enzyme activity and the quantity of azotobaeter of soil

處理Treatment脲酶活性The urease activity/(mg·(g·h)-1)過氧化氫酶活性The catalase activity/(mg·(g·h)-1)好氣性自生固氮菌數量The quantity of azotobaeter/%CK0 e0.013 3 cd3.4 bcT135.2 b0.016 7 c4.4 bcT253.0 a0.011 3 d5.6 abcT321.0 c0.023 3 b7.8 abT411.1 d0.023 3 b3.3 cT535.5 b0.031 0 a1.1 cT612.1 d0.032 0 a10.0 a

注：小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note:The small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

2.4 酒精廢液對大豆百粒重、莢重和植株高度的影響

各處理大豆百粒重隨著施加酒精廢液都有所提高(表3)，其中以處理T4對大豆百粒重效果最好，較CK顯著增加了19.9%(P<0.05)，其它處理增長幅度達8.3%～16.6%。大豆莢重隨著酒精廢液添加量的增加而上升，到達處理T5時(1.0 kg)效果最好,較CK顯著增加了92.4%，T4和T6處理分別顯著增加了48.1%和49.1%(P<0.05)。與大豆莢重相似，大豆植株高度隨著酒精廢液添加量的增加而上升，到達處理T4時效果最好，較CK相比大豆植株高度增加了13.5%，其次是處理T3和T5，分別增加了11.5%和9.5%，可能隨著酒精廢液施用量增加會對大豆生長產生不利影響。綜合來看，T4處理對提高大豆產量效果最好，酒精廢液的施用對提高大豆的百粒重、莢重和促進植株的生長有顯著影響，但要注意控制施用量，適量施用酒精廢液有利于作物生長。

表3 各處理對大豆百粒重、莢重和株高的影響Table 3 The effect of different treatments on 100-grain weight,legumen weight and the plant height of soybean

3 討 論

3.1 施用酒精廢液對赤紅壤改良的影響

有機質的增加可以提高土壤肥力和農業生產力，對土壤養分循環、酶活性和微生物活動有重要影響。已有研究表明，土壤有機質通過改變土壤結構來增加土壤疏松性，提高土壤微生物活性，從而加速養分的釋放，改善土壤理化性質[19]。本試驗結果表明，施用酒精廢液有利于提高土壤有機質含量，且明顯改善了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的含量水平，促進了大豆生長發育。土壤pH影響土壤養分的有效性、微生物的新陳代謝和植物根系的生長發育等，本試驗結果中，施用酒精廢液及通過種植大豆這種作物有利于緩解土壤過于酸化的問題，既促進了大豆生長又改善了土壤理化性質。刀靜梅等[20]研究表明施用酒精廢液后顯著改善了土壤各種營養成分的含量，提高了土壤pH值，本研究進一步證明了該結論。

土壤酶活性是土壤生物學活性的表現和維持土壤肥力的一個潛在指標，土壤的物質循環需要土壤酶的參與，作物養分的供給也受土壤酶活性的影響[21]。研究表明，脲酶可以促進氮礦化，能長期保持養分有效性，過氧化氫酶能夠通過影響好氧微生物的代謝活性來參與土壤中物質和能量的轉化，其活性的高低對土壤生物化學過程氧化還原能力有著重要影響[22]。微生物與土壤性質有著很強的相關性，微生物和酶一起參與土壤能量代謝過程[23]。自生固氮菌有利于減少土壤氮素的損失，使土壤能夠保持氮量的釋放[24]。本試驗結果表明，各處理的土壤脲酶和過氧化氫酶活性均隨酒精廢液施用量的增加顯著提高，莫云川等[9]研究表明施用糖蜜酒精廢液可以獲得與常規施肥的酶活性。說明施用甘蔗糖蜜酒精廢液可以增加土壤過氧化氫酶活性，促進好氧微生物進行養分分解與釋放，改善土壤微環境。本研究發現，土壤施入酒精廢液對提高好氣性自生固氮菌的數量有顯著影響，該結果支持了酒精廢液對蔗田土壤微生物數量的影響效果比常規施肥效果好的研究結論[25]。此外，大豆根系分泌物對好氣性自生固氮菌數量也有影響，這方面研究有待深入探討。

3.2 施用酒精廢液促進大豆生長，提高大豆產量

雖然農田施用甘蔗糖蜜酒精廢液在增產、提高土壤肥力和土壤微生物數量等方面取得了較好的效果[9,25-26]，但對于不同土壤，甘蔗糖蜜酒精廢液的施用量、農作物的生長和產量以及土壤理化性質、酶及微生物等方面產生的影響需作深入細致的研究。本試驗結果表明，在赤紅壤上施用酒精廢液，不僅促進大豆植株的生長，提高大豆的百粒重和莢重，還提高了土壤的脲酶和過氧化氫酶活性，對好氣性自生固氮菌的數量也有顯著影響。韋紹龍等[27]研究表明施用糖蜜酒精發酵液可以提高蕉園土壤肥力，還對香蕉生長和產量具有促進作用。當土壤保持較高有機質含量水平時，有機質可以被微生物分解形成易被植物吸收的肥料[24]。這些肥料也可以改善土壤微生物群落和生物量，這有利于酒精廢液中所含功能微生物組合菌群在施入土壤后迅速繁殖，維持土壤穩定性和生態平衡。土壤酶的活性受微生物活動的影響，通過加強微生物活動來提高酶活性，而酶活性的提高有利于養分的迅速分解與轉化，從而使作物擁有足夠的養分吸收[28]。因此，將甘蔗糖蜜酒精廢液施用于赤紅壤以及種植大豆可以加強微生物的活性，通過提高土壤過氧化氫酶的活性來促進有機質、氮、磷和鉀的分解和轉化，改善了土壤的理化性質，提高土壤保肥能力，促進大豆植株的生長，提高了大豆的百粒重和莢重，達到廢物綜合利用和提高產量的目標。

4 結 論

施用甘蔗糖蜜酒精廢液在一定程度上可以提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等含量，提高土壤酶的活性和土壤好氣性自生固氮菌數量，通過提高微生物的生物量和土壤過氧化氫酶活性達到改良土壤的目的，而且土壤理化性質的改善有利于促進大豆植株的生長，能夠與常規施肥一樣提高大豆百粒重及莢重，實現資源化和提高產量的目標。在盆栽條件下，以施用酒精廢液225 t·hm-2(T4處理)對提高大豆產量最好，在實際農業應用中，應注意甘蔗糖蜜酒精廢液的最佳施用量，對土壤質量和作物生長進行綜合長期評價。