玉米秸稈與污泥的腐解物對鹽堿地化學(xué)指標(biāo)的影響

韓劍宏, 王旭平, 張連科, 余維佳, 焦麗燕, 王維大

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.包頭市輻射環(huán)境管理處，內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3.暉澤水務(wù)(青州)有限公司, 山東 青州 262500)

玉米秸稈與污泥的腐解物對鹽堿地化學(xué)指標(biāo)的影響

韓劍宏1, 王旭平1, 張連科1, 余維佳2, 焦麗燕3, 王維大1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.包頭市輻射環(huán)境管理處，內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3.暉澤水務(wù)(青州)有限公司, 山東 青州 262500)

為探索發(fā)酵后的玉米秸稈對內(nèi)蒙古地區(qū)鹽堿化土壤化學(xué)性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、ESP，pH值、EC、土壤代換性Na+)的影響，在實驗室條件下以污泥作為接種物，將玉米秸稈在不同發(fā)酵的條件下以不同梯度的秸稈還田量施加到鹽堿化土壤中，以施加未發(fā)酵的玉米秸稈為對照。結(jié)果顯示：(1) 施加玉米秸稈對土壤的部分化學(xué)性質(zhì)有著一定的改善，且發(fā)酵后的玉米秸稈比未發(fā)酵的玉米秸稈效果要好；(2) 當(dāng)玉米秸稈與污泥的配比為2∶1且秸稈還田量為75%時，土壤的有機(jī)質(zhì)含量上升幅度最大，土壤的ESP、pH值、土壤代換性Na+降低幅度最大；(3) 施加玉米秸稈對土壤的EC作用不明顯，反而使EC的含量有所上升，施用發(fā)酵后的玉米秸稈尤為明顯。綜合考慮，在本試驗條件下針對該土壤最佳參數(shù)為：玉米秸稈與污泥配比為2∶1，發(fā)酵后的玉米秸稈還田量為75%。

鹽堿土; 化學(xué)性質(zhì); 玉米秸稈發(fā)酵; 污泥

鹽堿地是中國主要的耕地后備資源，鹽堿化土壤面積約2.66×107hm2，其中耕地面積約6.6×106hm2，且有逐年增長的趨勢[1]。截至目前內(nèi)蒙古土地鹽漬化面積已達(dá)3.16×106hm2，其中耕地的鹽漬化面積已達(dá)4.7×105hm2，占可灌面積的40%，且耕地次生鹽漬化面積每年仍然以1.0×104～1.3×104hm2的速度遞增[2],它不僅直接危害了生長在其上的作物，使農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，并且會導(dǎo)致土壤的肥力下降，大大降低土壤的利用率[3]。因此土壤鹽堿化已成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的重要因素，并且尋求合適的鹽堿土改良技術(shù)，對內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善與土地資源的開發(fā)利用具有重要意義。

秸稈是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的一項主要來源，秸稈還田有利于保持土壤肥力、改善土壤理化性狀、減少土壤侵蝕，是國內(nèi)外都提倡的保護(hù)性耕作措施之一，越來越受到人們的重視[4]。秸稈還田能顯著增加土壤有機(jī)物的積累，提高土壤養(yǎng)分以及氮肥利用率，增強(qiáng)土壤蓄水能力和田間水利用率，從而達(dá)到改良土壤結(jié)構(gòu)的目的，獲得高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力[5-7]。而且秸稈發(fā)酵后能有效降低其自身的pH值[8]，施加到鹽堿土中能在一定程度上降低土壤的pH值。關(guān)于秸稈的循環(huán)利用，國內(nèi)外已開展了大量的研究，使其利用更具合理性、科學(xué)性。王丙文等[9]研究了不同玉米秸稈還田方式對土壤呼吸的影響，周懷平等[10]研究了秸稈還田對旱地玉米產(chǎn)量、效益及水分利用的影響，但前人是針對玉米秸稈直接還田等進(jìn)行了一些研究，而對于將污泥作為接種物以促進(jìn)玉米秸稈高效快速的發(fā)酵，并將發(fā)酵后的玉米秸稈施加到鹽堿化土壤中從而得出對鹽堿化土壤影響的研究偏少。因此本文旨在通過將玉米秸稈在室內(nèi)進(jìn)行恒溫發(fā)酵，并通過研究施用發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的化學(xué)性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、代換性Na+、ESP、pH值、EC)的影響，為鹽堿化土壤的改良提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 發(fā)酵容器：發(fā)酵容器為體積2 L的容量瓶，容量瓶口用橡皮塞塞住，使發(fā)酵在密閉的厭氧條件下進(jìn)行，并將其置于恒溫水浴鍋內(nèi)，恒溫容器為雙列六孔的恒溫水浴鍋，型號：PK-98-Ⅱ。

(2) 供試玉米秸稈：在內(nèi)蒙古西北部農(nóng)區(qū)收集玉米秸稈，將其洗凈、自然風(fēng)干、切碎至2～3 cm后于密封袋中備用；

(4)供試污泥：取自內(nèi)蒙古包頭市南郊污水處理廠，將取回的污泥于實驗室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)過2 mm篩后置于密封袋中備用，其基本理化性質(zhì)：土壤的pH值、EC、含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、Ni、Pb、Cu、Zn、Cd、Ca、Mg分別為7.26,5.0 mS/cm，5.0%，204.43 g/kg，34.46 g/kg，7.31 g/kg，1.38 g/kg，56.15 mg/kg，62.60 mg/kg，210.54 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)培養(yǎng)法研究玉米秸稈與污泥不同比例發(fā)酵對鹽堿化土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。玉米秸稈發(fā)酵時，將切碎后的玉米秸稈和污泥按照4個配比，即1∶1，2∶1，3∶1，6∶1(下文中用SM1，SM2，SM3，SM6代替)，分別裝入體積為2 L的發(fā)酵容器內(nèi)，容器內(nèi)加入適量的去離子水，使容器內(nèi)物質(zhì)的總體積達(dá)1 L左右，容器瓶口經(jīng)橡皮塞密封后置于恒溫水浴鍋內(nèi)，溫度設(shè)置為35℃,每個配比的發(fā)酵時間均為40 d；在發(fā)酵完成后，將發(fā)酵好的玉米秸稈以25%，50%，75%，100%的還田量為梯度(玉米秸稈全量還田量為9 800 kg/hm2)與鹽堿土混勻，放于塑料盆中，以未發(fā)酵的秸稈為對照CK,按田間持水率的60%添加水分，于25℃恒溫培養(yǎng)，待60 d后取出土樣再對其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，目的是使發(fā)酵后的秸稈能與鹽堿土完全混合，為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗做3個平行樣。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果統(tǒng)計與相關(guān)性分析分別采用Origin 9.0和SPSS 19.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響

由圖1可以看出，施加發(fā)酵后玉米秸稈土壤的有機(jī)質(zhì)含量較施加未發(fā)酵的玉米秸稈均有所增加，根據(jù)總體的趨勢而言土壤中有機(jī)質(zhì)的含量為SM2>SM1>SM3>SM6>CK，其主要原因是秸稈在微生物作用下產(chǎn)生腐殖質(zhì)，秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在發(fā)酵過程中產(chǎn)量增加，施加到土壤中增加了土壤的含碳有機(jī)化合物，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。當(dāng)發(fā)酵時玉米秸稈與污泥的配比為2∶1時，相較于其他配比土壤有機(jī)質(zhì)的增幅最大，較施加未發(fā)酵的玉米秸稈的土壤增加了2.47%～2.66%，較原土增加了2.77%～6.97%；另外，對應(yīng)于不同的玉米秸稈與污泥發(fā)酵時的配比，當(dāng)發(fā)酵后的玉米秸稈還田量為75%時，相較于其他的還田量土壤的有機(jī)質(zhì)增幅最大，CK增加了0.83%～3.90%，SM1增加了1.83%～4.30%，SM2增加了1.08%～4.09%，SM3增加了1.65%～3.94%，SM6增加了1.20%～4.27%。因此在本試驗中針對該鹽堿化土壤，當(dāng)發(fā)酵條件為SM2且發(fā)酵后的玉米秸稈還田量為75%時，土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅最大，相較于施加未發(fā)酵的玉米秸稈的土壤增加了2.66%，相較于原土增加了6.97%，徐蔣來等[11]在研究稻麥輪作條件下不同周年秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響時，最佳還田量條件下土壤有機(jī)質(zhì)比對照提高了2.61%。因此在本試驗中，施加發(fā)酵后的玉米秸稈土壤有機(jī)質(zhì)的增幅更加明顯，說明發(fā)酵后的玉米秸稈能在短期更加快速有效地增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，從而在一定程度上改善了鹽堿化土壤。

圖1 不同處理的玉米秸稈對鹽堿化土壤中有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對土壤ESP(堿化度)和pH值變化的影響

ESP(堿化度)15和pH8.5被作為是引起土壤結(jié)構(gòu)惡化和影響作物生長的關(guān)鍵值[12]，也是鹽堿化指標(biāo)，土壤的ESP和pH值對植物的生長、土壤營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放及有機(jī)質(zhì)的分解有很大的影響。由圖2可以看出，施用發(fā)酵后的玉米秸稈，土壤pH值和ESP相對于施加不發(fā)酵的玉米秸稈的土壤都有一定程度的降低，從整體趨勢上看，對于土壤的ESP和pH值都有：SM2

較原土降低了47.16%～51.26%；與此同時，土壤的pH值較施加不發(fā)酵的玉米秸稈的土壤降低了1.91%～2.54%，較原土降低了3.86%～5.72%。對應(yīng)于不同發(fā)酵條件下的玉米秸稈，從圖2中可以看出，當(dāng)發(fā)酵后玉米秸稈的還田量為75%時，較其他還田量而言土壤的ESP與pH值降低的幅度最大，對土壤ESP而言，CK降低了1.43%～3.58%,SM1降低了1.95%～6.65%,SM2降低了2.22%～7.73%，SM3降低了2.23%～5.79%,SM6降低了1.33%～8.24%；對土壤pH值而言，CK降低了0.24%～1.31%,SM1降低了0.85%～1.57%,SM2降低了0.62%～1.94%，SM3降低了0.97%～1.68%,SM6降低了0.85%～1.69%。因此可以得出發(fā)酵后的玉米秸稈比未發(fā)酵的玉米秸稈施加到鹽堿化土壤中的效果要好，且隨著秸稈還田量的增加，土壤pH值雖有波動，但整體趨勢明顯下降，其主要原因是秸稈的銨態(tài)氮的消化作用以及秸稈在微生物的腐解作用過程中產(chǎn)生了有機(jī)酸，對堿性土壤起到中和作用，從而降低了土壤pH值，此外植物秸稈中的有機(jī)陽離子和陰離子、可溶性物質(zhì)等均對土壤pH值產(chǎn)生影響，對于鹽堿類型的土壤，土壤pH值變化主要是因為土壤中碳酸根和碳酸氫根的含量發(fā)生變化引起的堿度變化[13]。因此在本試驗條件下，選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵方案能有效地降低土壤的ESP以及pH值。

圖2 不同處理的玉米秸稈對鹽堿化土壤中ESP，pH值的影響

2.3 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對土壤EC值變化的影響

土壤EC值能夠反映土壤全鹽量的變化[14]，因此，描述土壤鹽分狀況，通常采用EC值作為衡量指標(biāo)。由圖3可以看出，土壤的EC值相較于原土的值都有一定程度的升高，從整體趨勢上看，土壤的EC值上升的幅度為：CK

圖3 不同處理的玉米秸稈對鹽堿化土壤中EC的影響

2.4 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對土壤代換性Na+的影響

陽離子代換性能是土壤的重要特性，通常是評價土壤保水保肥能力的指標(biāo)，尤其對堿性土壤來說，則是更為重要的土壤改良指標(biāo)，堿性土壤的許多不良性質(zhì)是與其代換性Na+的數(shù)量密切相關(guān)的[17]。大量的代換性Na+導(dǎo)致土壤的性質(zhì)不斷惡化。供試土壤施加玉米秸稈后，從整體趨勢可以得出SM2

圖4 不同處理的玉米秸稈對鹽堿化土壤中代換性Na+的影響

2.5 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤有機(jī)質(zhì)與化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性的影響

由表1可以看出，施加發(fā)酵后玉米秸稈，鹽堿化土壤的化學(xué)指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、ESP、pH值、EC、代換性Na+)均顯著相關(guān),其中有機(jī)質(zhì)與其他各項指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，其他各項指標(biāo)間均呈正相關(guān)。

表1 鹽堿化土壤的肥力指標(biāo)以及鹽堿化指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*表示在0.01水平上相關(guān)性顯著(n=12)。

3 討 論

3.1 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的影響

有試驗研究表明，在鹽堿土中直接加入秸稈粉，并沒有起到改良土壤的作用，反而抑制了作物的生長，添加發(fā)酵后的秸稈粉能很快增加土壤養(yǎng)分含量，明顯改善土壤的理化性質(zhì)[8]。另外，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市污水處理廠中污泥的產(chǎn)量日益增多，但是污泥中含有大量植物所需養(yǎng)分，將污泥直接與鹽堿土混合后能明顯改善土壤肥力，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收和利用，使土壤的pH值降低[19]。前人大部分都是分別單獨(dú)利用玉米秸稈和污泥去對鹽堿地的改良進(jìn)行研究，因此在本試驗中，將污泥作為接種物，促使玉米秸稈能高效快速的發(fā)酵，玉米秸稈發(fā)酵是在密閉的厭氧條件下進(jìn)行的，由于秸稈發(fā)酵微生物菌群可以秸稈中的纖維素為底物，將其酶解為木聚糖，進(jìn)而降解成木聚寡糖、木三糖和木二糖等，最后降解成木糖，然后再經(jīng)無氧發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸，隨著有機(jī)酸含氨增加，封閉的秸稈發(fā)酵容器內(nèi)氫離子濃度越高，從而導(dǎo)致秸稈的pH值逐步下降[20]，因此污泥接種發(fā)酵后的玉米秸稈能更加有效地降低土壤的ESP，pH值、代換性Na+，同時提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，因而對鹽堿化土壤的改良起到了一定的作用。

3.2 施用發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的肥力指標(biāo)、酶活性的影響

玉米秸稈中含有大量碳、氮、磷、鉀及各種微量營養(yǎng)元素，秸稈也是農(nóng)作物生產(chǎn)最主要的副產(chǎn)品[21]，目前，利用秸稈還田對土壤肥力指標(biāo)以及酶活性的研究很多。馬超等[22]研究了秸稈促腐還田對土壤養(yǎng)分及活性有機(jī)碳的影響，王小波等[23]利用秸稈還田探究其對沙姜黑土養(yǎng)分的影響，以上研究表明，秸稈還田能夠顯著改善土壤肥力狀況，為作物根系創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。土壤酶活性是表征土壤微生物活性和土壤營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，大量研究表明，添加作物秸稈可增加土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶的活性。例如Martens等[24]的試驗結(jié)果表明，添加秸稈的土壤脲酶的活性要比不添加的高2倍以上，徐偉國等[25]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤脲酶、過氧化氫酶活性均有促進(jìn)作用。但利用發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的肥力指標(biāo)尤其是酶活性的研究偏少，本文通過室內(nèi)短期發(fā)酵試驗，對鹽堿化土壤的化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了試驗分析，并證實了發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的化學(xué)指標(biāo)都起到了一定的作用，因此在接下來在對鹽堿化土壤的肥力指標(biāo)以及酶活性這兩方面還有待進(jìn)一步的試驗研究。

4 結(jié) 論

(1) 發(fā)酵后的玉米秸稈有降低土壤ESP，pH值，代換性Na+，提高土壤有機(jī)質(zhì)的作用，本試驗將污泥作為玉米秸稈發(fā)酵的接種物促使玉米秸稈能快速有效的發(fā)酵，試驗結(jié)果證明，發(fā)酵后的玉米秸稈對鹽堿化土壤的改良具有一定的可行性。

(2) 施加不同處理的玉米秸稈時土壤的EC值均有所上升，且發(fā)酵后的玉米秸稈比未發(fā)酵的玉米秸稈上升的幅度要大，因此在降低土壤堿性的同時，控制好土壤的鹽分極為重要，具體的方案還有待進(jìn)一步研究。

(3) 試驗結(jié)果表明發(fā)酵后玉米秸稈對土壤的化學(xué)性質(zhì)有著一定的影響，從整體上而言，當(dāng)發(fā)酵條件為SM2，發(fā)酵后的秸稈還田量為75%時，土壤的土壤ESP，pH值以及代換性Na+相對于其他方案而言降低到了最低值，土壤的有機(jī)質(zhì)增加到最大值，因此發(fā)酵條件為SM2，發(fā)酵后的秸稈還田量為75%可推薦為改良鹽堿地的可行方案。

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EffectsofCornStrawandSewageSludgeonChemicalIndicatorsofSalineAlkaliLand

HAN Jianhong1, WANG Xuping1, ZHANG Lianke1, YU Weijia2, JIAO Liyan3, WANG Weida1

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China; 2.BaotouRadiationEnvironmentManagement,Baotou,InnerMongolia014010,China; 3.HuizeWater(Qingzhou)Co.Ltd.,Qingzhou,Shandong262500,China)

In order to explore the effect of fermented corn straw on the chemical properties (organic matter, ESP, pH value, EC, soil exchangeable Na+) of saline alkali soil in Inner Mongolia area, sludge was used as inoculum under laboratory conditions, the corn straw was applied to the saline alkali soil under different fermentation conditions, with no-fermented corn straw as the control. The results showed that: (1) corn straw was applied to improve the partial chemical properties of soil, and the effect of fermented corn straw was better than that of no-fermented corn; (2) the soil organic matter content increased greatly, the ESP, pH value and exchangeable Na+significantly reduced when the ratio of corn straw and sludge was 2∶1 and the amount of straw returning was 75%; (3) the effect of corn straw on EC was not obvious, but the EC increased especially after the fermentation. Therefore, under the experimental conditions, the optimal parameters were that the ratio of corn straw and sludge was 2∶1, the fermented mass ratio of corn straw and saline alkali soil was 75%.

saline alkali soil; chemical property; corn straw fermentation; sewage sludge

2016-07-27

：2016-08-07

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2016MS0405;2016MS0221);內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金項目(2016CXY03)

韓劍宏(1966—),女,內(nèi)蒙古包頭人,教授,博士,主要從事水資源管理與水污染控制技術(shù)。E-mail:hjhlpm@163.com

S156.4;S153.1

：A

：1005-3409(2017)03-0103-05