環保酵素對鹽堿土關鍵化學性質的影響

韓劍宏， 劉澤霞， 張連科,2， 李玉梅， 姜慶宏， 王維大

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

中國是鹽堿地大國，近6.60×106hm2的耕地發生了鹽堿化，土壤鹽堿化問題已經嚴重制約中國農業可持續發展[1]。內蒙古地區耕地的鹽堿土面積占總面積的16.4%，是當地非常重要的耕地后備資源[2]。而鹽堿化土壤導致土壤板結，容重降低，土地質量低下，不適合耕作，成為制約內蒙古地區耕地利用的主要因素之一，表現出環境和經濟兩方面的危害。因此，有效利用鹽堿土增加當地的耕地面積，提高糧食產量，對農業可持續發展具有重要意義。

近年來，人們開始重視利用各行業的廢棄物進行鹽堿土的改良，以減少經濟成本，降低污染，如用食用菌后的廢棄物培養菌糠[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和豐富的營養成分開發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酵的溶液形式產品，并將其命名為環保酵素[8]。這種環保酵素是一種復合有機物質，由有機酸，蛋白質鏈(酶)和礦物鹽組成，其有降解，轉化和催化作用[9]。在國外關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分含量的研究甚少。

本文利用環保酵素(GE)進行試驗，對內蒙古地區鹽堿土關鍵化學性質及養分含量進行改良，探討不同環保酵素稀釋比例對鹽堿土的改良效果的最優稀釋比例，分析確定環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保材料于實際應用中提供充分的科學理論依據。

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蒙古地區鹽堿地表層土壤(0—10 cm)，該地區屬北半干旱中溫大陸性季風氣候，季節分明，年降水量421.8 mm(多為6月至8月)。當地多年平均氣溫為6～8 ℃，供試土壤基本性質見表1。

供試環保酵素(表2)：根據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，發酵3個月制成。

1.2 試驗設計

試驗采用室內土壤培養法，共設4個處理∶未施肥(CK)、環保酵素(ml)∶水(ml)(GE1=1∶200)、環保酵素(GE2=1∶500)、環保酵素(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，鋪有雙層尼龍網以防土壤流失和保持水分的流通，并有托盤，在不施環保酵素液期間不進行灌水，試驗持續3個月，將盆缽中鹽堿土混合均勻，并分別在土壤培養時間間隔3，5，10，15，20 d采集土壤樣品，用于土壤化學性質和養分指標的分析。

表1 原土壤基本理化性質

表2 環保酵素基本理化性質

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 數據統計

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

2 結果與分析

2.1 環保酵素對鹽堿土壤化學性質的影響

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構惡化的關鍵值[13]，也是堿化指標。圖1各環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種不同的環保酵素，分別為環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。環保酵素會引起土壤EC值發生顯著變化(圖2)，與CK處理相比，各環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，環保酵素發酵3個月后，環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，應選擇合適的環保酵素發酵配比，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、對植物養分供應最直接作用的有機碳[19]。如圖3所示，各環保酵素處理的土壤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%。這是由于環保酵素為土壤加入了碳基質，一方面提供了養分，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]。高濃度環保酵素反而不利于土壤DOC持續快速增加[21]，主要原因是環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，導致微生物數量的降低，使土壤中的碳的輸入減少。

圖3 不同環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個指標進行相關性分析，結果見表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性，其中與pH值呈顯著負相關(p<0.05)，與電導率EC值呈極顯著負相關(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，增加了土壤環境中的微生物數量，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增多，從而促進了有機碳的積累，提供了良好的土壤生物環境。

2.3 土壤養分的變化

2.3.1 土壤養分含量的變化 各環保酵素稀釋比例處理的土壤有機質、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，適當的環保酵素施用量，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，促進有機質轉化，所以適當的環保酵素施用比例能更好的增加土壤中養分的含量。同時環保酵素液在3個月的發酵條件下是不太穩定的[23]，液體中細菌的營養需要氮的有機化合物，而磷酸鹽作為土壤中養分磷的主要存在形式，環保酵素液含有的乙酸根會與磷酸鹽發生反應，轉化為含碳產物，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)上顯著相關；**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

表5 不同比例環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 文中使用多變量統計分析技術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，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個主成分作為數據分析的有效成分。

各項指標的成分得分系數如表7所示。由表7可知3個指標是被區分的，即EC(成分1)、速效鉀(成分2)和pH值(成分3)。根據PCA結果，pH值、EC和速效鉀的因子得分系數高，因此可作為環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提取統計的土壤指標的成分得分系數

注：SOM為土壤有機質。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 論

(1) 試驗結果證明，環保酵素對鹽堿化土壤的改良具有一定的可行性。不同稀釋比例的環保酵素均能短期內(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、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) 試驗結果分析發現鹽堿化土壤鹽堿指標與水溶性有機碳DOC彼此相關，同時PCA統計提取的pH值，電導率EC和速效鉀是環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。