醋糟、粉煤灰對高粱苗期土壤微生物數(shù)量、酶活性及高粱生長的影響

范 娜，白文斌，彭之東，李 光，王慧賢

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所， 山西 榆次 030600：2. 高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 榆次 030600)

我國有著豐富的有機(jī)廢棄物資源，醋糟是在制醋業(yè)中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物[1]。山西省制醋產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)山西省醋產(chǎn)業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，截至2013年，山西省每年醋產(chǎn)量80多萬噸，醋糟產(chǎn)生量56萬噸。另外，山西省晉中市是重要的能源基地，市內(nèi)有著眾多的火力發(fā)電廠，因此對粉煤灰和醋糟進(jìn)行科學(xué)的再利用，有著十分重要的意義[2]。

醋糟營養(yǎng)豐富,N、P、K含量高,另外還含有鈣、賴氨酸、蛋氨酸等多種營養(yǎng)物質(zhì),可以作為栽培基質(zhì),為作物生長發(fā)育提供營養(yǎng)。醋糟酸性較強(qiáng)，并富含一定的有機(jī)質(zhì)，粉煤灰具有很好的通氣性、透水性、保水性，并且粉煤灰趨堿性，醋糟偏酸性，兩者結(jié)合可以滿足植物生長的土壤環(huán)境[3]。

近幾年來，國內(nèi)外開展了將醋糟應(yīng)用于飼料、食用菌栽培、植物無土栽培基質(zhì)、醫(yī)藥和生物質(zhì)能源等方面的研究。趙青松等[4]用醋糟基質(zhì)混合草炭和蛭石培育黃瓜幼苗有較好的效果,并發(fā)現(xiàn)草炭和蛭石的添加量不宜超過50%;劉燕等[5]研究不同水肥處理對有機(jī)基質(zhì)型沙培番茄生長的影響，得到了提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的肥水組合；焦永剛等[6]研究關(guān)于番茄無土栽培基質(zhì)篩選及灌水定額,得出相同栽培基質(zhì)條件下,灌水額度對番茄根重、粗高比、光合速率影響不大。目前利用醋糟、粉煤灰栽培高粱的研究少見報道，本課題組以高粱苗期土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的變化作為切入點(diǎn)，研究不同醋糟、粉煤灰處理下高粱土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和光合特性的變化，揭示醋糟、粉煤灰施用對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，為進(jìn)一步加大對醋糟資源的開發(fā)和利用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2014年5月到2015年10月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所修文試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地土質(zhì)為褐土。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.4℃，≥10℃有效積溫3 875.6℃，常年平均降水量437.4 mm，其中5-10月降水量423.9 mm，無霜期平均為151 d。試驗(yàn)?zāi)甓?-10月降水量453.8 mm，屬豐水年型。

土壤基礎(chǔ)理化性狀：pH值7.64、 EC值4.66 mS·cm-1、孔隙度14.85%、全氮0.82 g·kg-1、速效磷5.03 mg·kg-1、速效鉀122.85 mg·kg-1。

1.1.2 材料 試驗(yàn)材料為粉煤灰、醋糟(風(fēng)干)，其中粉煤灰由山西省榆次電廠提供，醋糟由山西省東湖醋廠提供；供試高粱品種為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所選育的中晚熟品種‘晉雜18號’。醋糟基本理化性狀見表1。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)5個處理。醋糟經(jīng)自然風(fēng)干至顆粒松散后施用。醋糟、粉煤灰施用量為1 800 kg·hm-2，另外配施硝酸鉀1 500 kg·hm-2(N∶P2O5∶K=12∶9∶9)。施肥方式為播種前一次性施肥。每個處理共三壟，每壟寬2.5m，長30m。具體試驗(yàn)處理情況見表2。

表1 醋糟、粉煤灰的基本理化性狀

表2 試驗(yàn)處理

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤基質(zhì)基礎(chǔ)理化性狀的測定

(1)容重和孔隙度:基質(zhì)自然加滿至已知體積(V)的燒杯(燒杯重m0)，稱重(m1)，浸泡水中24 h，稱重(m2)。按以下公式計(jì)算[7]:

容重=(m1-m0)/V

總孔隙度=(m2-m1)/V×100%

(2)pH值和EC值:將烘干土與水按1∶5配置成浸提液，利用電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)值，利用pH酸度計(jì)測定pH值[7]。

(3)養(yǎng)分測定:土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗顯色分光光度法，土壤速效鉀采用醋酸銨提取火焰光度法測定[4]。

1.2.2 土壤微生物和酶活性的測定

(1)土壤微生物數(shù)量:高粱苗期(2015-5-29)進(jìn)行測定，采用五點(diǎn)法對稱取樣，用土鉆取深0～20 cm土層的土壤，混合樣過20 mm篩。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板法，其中細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基進(jìn)行選擇性培養(yǎng)并計(jì)數(shù)；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基進(jìn)行選擇性培養(yǎng)并計(jì)數(shù)；放線菌采用改良高氏B號培養(yǎng)基進(jìn)行選擇性培養(yǎng)并計(jì)數(shù)[8]。

(2)土壤酶活性：高粱苗期(2015-5-29)進(jìn)行測定，土壤采樣方法參照上文。土壤蔗糖酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定。

1.2.3 光合指標(biāo)測定 分別于高粱苗期(2015-5-29)、拔節(jié)期(2015-7-25)、抽穗期(2015-8-16)、灌漿期(2015-9-20)和成熟期(2015-9-28)測定高粱光合速率。

1.2.4 成熟期測試指標(biāo) 高粱成熟期測定穗長、千粒重、單株產(chǎn)量和產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用3次重復(fù)的平均值，數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel整理，用DPS進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤酶活性的影響

土壤酶作為研究土壤生物活性及土壤肥力的重要指標(biāo)，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要的催化作用，其活性高低可以反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度和方向[9-10]，對土壤肥力的演化具有重要影響。不同處理對土壤酶活性的影響見表3。

表3 不同處理對土壤酶活性的影響/(mg·g-1·24h-1)

脲酶存在于大多數(shù)細(xì)菌、真菌和高等植物中，它是一種酰胺酶[11]，可以表征土壤的氮素狀況。由表3可知，土壤脲酶活性在3.48～4.69 mg·g-1·24h-1之間，處理1～處理4土壤脲酶活性比對照提高了 25.28%、34.77%、19.82%和13.79%。施入醋糟、粉煤灰能促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分子中肽鍵分解，從而增加了土壤脲酶活性，與對照相比差異顯著；蔗糖酶反映土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度[12]。作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標(biāo)[13-14]。本試驗(yàn)土壤蔗糖酶活性在41.85～57.37 mg·g-1·24h-1之間，處理1～處理4土壤蔗糖酶活性比對照提高了23.70%、37.08%、11.54%和3.08%；醋糟營養(yǎng)豐富，施入土壤后提高肥力，增強(qiáng)土壤酶活性，提高土壤微生物活性強(qiáng)度；土壤磷酸酶是一類催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的酶,其活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性[15]。土壤有機(jī)磷是一種重要的土壤磷素資源,其含量一般占土壤磷素總量的30%～70%[16]。土壤磷酸酶活性在1.87～2.26 mg·g-1·24h-1之間。處理1～處理4土壤磷酸酶活性分別比對照提高17.11%、20.85%、12.29%和19.78%；高粱施醋糟處理與對照組差異顯著,其中以處理2(醋糟∶粉煤灰=1∶1)對于改善土壤酶活性效果最好。醋糟的施用增加了土壤中活性有機(jī)質(zhì)的含量，這為微生物的生長提供了較多更易利用的碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了微生物的生長[17-18]，增加了某些土壤微生物的群體數(shù)量，微生物數(shù)量的增加及其生長速率的增大可有效地提高土壤酶的活性[19-20]。

2.2 不同處理對土壤微生物的影響

土壤細(xì)菌、放線菌和真菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物區(qū)系的主要組成，是土壤微生物區(qū)系中的三大類群[21]。土壤微生物區(qū)系組成和數(shù)量變化，與土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和吸收以及土壤微生態(tài)平衡有很大的關(guān)系，是反映土壤環(huán)境質(zhì)量變化的重要生物學(xué)指標(biāo)之一[22-23]。不同處理對土壤微生物的影響見表4。

由表4可知，處理1～處理4細(xì)菌數(shù)量分別比對照高19.66%、31.34%、15.69%、12.54% (P<0.05)，處理1～處理4放線菌數(shù)量分別比對照高20.99%、32.37%、17.56%、10.43%(P<0.05)，處理1～處理4真菌數(shù)量分別比對照高22.78%、34.26%、13.54%、9.56%(P<0.05)。尤其以處理2較對照差異大。醋糟偏酸，粉煤灰相對偏堿，兩者混合就可使酸堿性適于植物栽培，從而滿足了植物生長要求；另外粉煤灰的顆粒較小,與醋糟混合,能夠很好地降低純醋糟的孔隙度,提高純醋糟的保水性。因此兩者結(jié)合后改善了作物根際氣水環(huán)境，提高了保水保肥能力和根際通氣能力。醋糟含有大量的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)，可為土壤微生物的生命活動提供能量和養(yǎng)料，進(jìn)而促進(jìn)土壤微生物的繁殖[24]，根系代謝活動旺盛，增加土壤中的養(yǎng)分含量，利于微生物的生長[25]。

表4 不同處理對土壤微生物數(shù)量的影響

2.3 不同處理對高粱光合速率及產(chǎn)量的影響

由圖1可知，以處理2較對照差異最顯著。處理2高粱葉片苗期光合速率為29.54 μmol·(m2·s)-1比對照提高了13.8%；拔節(jié)期光合速率為45.36 μmol·(m2·s)-1比對照提高了4.45%；抽穗期光合速率為54.07 μmol·(m2·s)-1比對照提高了14.52%；灌漿期光合速率為46.59 μmol·(m2·s)-1比對照提高了13.08%；成熟期光合速率為36.76 μmol·(m2·s)-1比對照提高了3.8%。施用醋糟、粉煤灰的處理高粱各生育期的光合速率均高于對照化肥處理。這與楊玉玲等[22]、王曉娟等[23]在玉米上的研究結(jié)果一致。

圖1不同處理對葉片光合速率的影響

Fig.1 Effect of different treatments on photosynthetic rate

表5 不同處理對高粱產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響

由表5可以看出,施入醋糟、粉煤灰可以提高產(chǎn)量，其中處理2產(chǎn)量、千粒重、單株產(chǎn)量、穗長分別比對照提高了0.86%、9.17%、12.60%和7.69%，與各處理間差異均顯著。

2.4 不同處理對高粱籽粒品質(zhì)性狀的影響

高粱籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪等主要品質(zhì)性狀的優(yōu)劣直接影響著高粱的用途。

表6 不同處理對高粱品質(zhì)的影響/(g·kg-1)

由表6可知，處理1～4淀粉含量分別比對照提高了3.9%、5.5%、3.0%和2.0%，蛋白質(zhì)含量分別比對照提高了24.47%、34.50%、11.98%和11.02%；脂肪含量分別比對照提高了8.33%、14.0%、11.33%和4.67%。處理2對于提高高粱籽粒品質(zhì)效果最好，其中蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量分別為134.5、741.8、34.2 g·kg-1。醋糟處理可以提高高粱籽粒中蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪的含量，主要由于其作為作物養(yǎng)分的主要來源，參與或調(diào)節(jié)作物營養(yǎng)代謝與循環(huán)。

3 結(jié)論與討論

醋糟含有大量的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)，可為土壤微生物的生命活動提供能量和養(yǎng)料，施入土壤中可進(jìn)一步分解為腐殖質(zhì), 增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量, 提高土壤保水、保肥和透氣性能[26-27]，培肥地力、改善土壤理化性狀。植物根系和土壤微生物分泌產(chǎn)生的土壤酶，其活性是土壤肥力的一個重要標(biāo)志，也是有機(jī)養(yǎng)分在土壤中進(jìn)行轉(zhuǎn)化的一個重要影響因素[28]。土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和活性對保持土壤肥力具有重要意義[29-30]。

本試驗(yàn)表明：醋糟、粉煤灰處理土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性顯蓍高于對照處理；醋糟、粉煤灰處理土壤中微生物的數(shù)量均高于對照，處理之間差異顯著，其中以處理2效果最好；醋糟、粉煤灰處理高粱各生育時期的光合速率均高于對照處理。施用醋糟、粉煤灰處理可以提高高粱產(chǎn)量。主要是因?yàn)榇自?、粉煤灰改善了土壤養(yǎng)分狀況，保持土壤水分，提高葉片水勢，促進(jìn)葉片氣孔導(dǎo)度增加，進(jìn)而提高了高粱光合產(chǎn)物的合成和積累,增加了土壤微生物數(shù)量，促進(jìn)了較小粒徑微團(tuán)聚體向較大粒徑微團(tuán)聚體團(tuán)聚,有利于土壤的氣體交換,改良了土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)好氧微生物的活化和礦物質(zhì)分解,增加土壤微生物總體含量,改善深層土壤的環(huán)境，為植物生長提供了適宜的生長環(huán)境。綜上所述，施用醋糟、粉煤灰處理較對照更有利于提高土壤生物活性,極大地增加土壤酶活性和微生物數(shù)量, 增加土壤中氮素營養(yǎng)和碳的含量，可有效改善根際的生態(tài)環(huán)境。