發(fā)酵醋渣制肥對(duì)鹽堿化土壤性質(zhì)和麥苗生長(zhǎng)的影響

王 衛(wèi)，李 偉

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

0 引言

近年來(lái)土壤鹽堿化和次生鹽堿化問(wèn)題在世界范圍內(nèi)廣泛存在，據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)和糧農(nóng)組織(FAO)不完全統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)發(fā)育，造成缺苗、減產(chǎn)、死亡等問(wèn)題，從而阻礙農(nóng)業(yè)發(fā)展。位于我國(guó)西北內(nèi)陸半干旱地區(qū)的陜西省渭南市的鹵陽(yáng)湖地區(qū)，年均蒸發(fā)量大于降水量，而且地勢(shì)低洼，排水系統(tǒng)差，當(dāng)?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(xué)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(xué)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(duì)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(duì)于鹽堿地，酸性材料的改良意義更大。相關(guān)資料表明，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外已對(duì)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(diǎn),直接填埋,既污染壞境,又造成浪費(fèi)[5～6]。馬妍等[7]選擇3種酸性殘?jiān)鳛橥寥栏牧紕┻M(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，摻拌酸性殘?jiān)鼜U棄物能夠明顯改善土壤的滲透性能，提高脫鹽效率，同時(shí)抑制脫鹽堿化程度;魯新蕊等[8]研究生物炭酸化改性后對(duì)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(jī)質(zhì)含量提高。周萬(wàn)海[9]等研究微生物菌劑在醋渣堆肥中的應(yīng)用，結(jié)果表明微生物菌劑能加速水分散失、有機(jī)物質(zhì)分解和纖維素類(lèi)物質(zhì)降解，縮短堆肥時(shí)間。鑒于醋渣及微生物對(duì)于改善鹽堿地均有一定效果，且目前對(duì)于二者結(jié)合改善鹽堿地的研究很少，筆者研究將針對(duì)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(guò)盆栽試驗(yàn)，在鹽堿土中施用不同比例的醋渣生微生物菌肥，通過(guò)測(cè)定其對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)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(duì)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(yàn)材料

供試小麥為西農(nóng)805，購(gòu)自楊凌農(nóng)資店。供試醋渣取自西安鄠邑區(qū)大王醋廠(chǎng)，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(wú)霜期 180～220 d。鹽堿土壤0號(hào)pH值為8.33，電導(dǎo)率為524μs·cm-1；鹽堿土壤1號(hào)pH值為8.08，電導(dǎo)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)用微生物實(shí)驗(yàn)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(wú)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(lái)水 1 000 mL、pH自然 、121℃、滅菌20 min,將200 g黃豆芽煮沸30 min過(guò)濾得到1 000 mL的豆芽汁。

1.2.3 菌株復(fù)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(duì)應(yīng)的液體培養(yǎng)基擴(kuò)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(jī)肥》方法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果，有效活菌(cfu)為5.37億·g-1，有機(jī)質(zhì)含量(以干基計(jì))為62.2%。

1.2.4 盆栽實(shí)驗(yàn)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(hào)鹽堿土均勻混合裝盆。盆栽試驗(yàn)所用的盆規(guī)格直徑為28cm、高度30cm。并設(shè)置鹽堿土0號(hào)(CKO)、鹽堿土1號(hào)(CK1)兩個(gè)對(duì)照，每組試驗(yàn)做2個(gè)平行樣。挑選顆粒飽滿(mǎn)、均一的小麥種子于自來(lái)水浸泡24小時(shí)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(yàn)于2017年12月13號(hào)開(kāi)始播種至2018年3月10號(hào)結(jié)束。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

pH值，采用電位測(cè)定法，F(xiàn)E20/EL20 pH計(jì),(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；每個(gè)測(cè)定樣本按照《土壤農(nóng)化分析實(shí)驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩(2mm孔徑)后，稱(chēng)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(guò)濾，濾液收集于100 mL燒杯中，進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)測(cè)定樣重復(fù)測(cè)定三次，取平均值。

電導(dǎo)率，采用電級(jí)法， DDS-307型電導(dǎo)率儀, (上海儀電科學(xué)儀器有限公司)；每個(gè)測(cè)定樣本按照《土壤農(nóng)化分析實(shí)驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩(2 mm孔徑)后，稱(chēng)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(guò)濾，濾液收集于200 mL燒杯中，25℃條件下進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)測(cè)定樣重復(fù)測(cè)定三次，取平均值。

麥苗株高，采用米尺測(cè)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。用單因素方差分析(One-way ANOVA)(p<0.05)對(duì)各處理進(jìn)行顯著性差異進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 醋渣微生物菌肥對(duì)于小麥出苗率的影響

從10到28天，小麥苗生長(zhǎng)趨勢(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速度相似，增幅較??；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(zhǎng)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(shì)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(shí)驗(yàn)組的小麥出苗率均高于鹽堿對(duì)照組CK0，生長(zhǎng)43 d后，S4與CK1極差達(dá)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(duì)照更好，這與姜明[10]研究圓褐固氮菌和巨大芽孢桿菌復(fù)合有機(jī)肥促進(jìn)玉米出苗情況一致。發(fā)酵醋渣有機(jī)肥對(duì)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(guān)系。

施加發(fā)酵醋渣有機(jī)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(zhǎng)環(huán)境得以改善，更多的小麥種子有了成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。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(guò)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(duì)照、正常土對(duì)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(shí)驗(yàn)處理

2.2 醋渣微生物菌肥對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)速率放緩，S2麥苗株高增長(zhǎng)速率相對(duì)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(guò)CK1，S4最高，為16.6 cm；第22～28天，S2組麥苗株高超過(guò)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(shí)驗(yàn)組的小麥苗株高均高于鹽堿對(duì)照組CK0，生長(zhǎng)43天后，S4與CK1極差達(dá)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(duì)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(guān)系，與小麥出苗率情況保持一致。由此說(shuō)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(qiáng)度和微生物活性，促進(jìn)土壤中遲效氮磷鉀元素的釋放，土壤肥力增強(qiáng)。

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(duì)照、正常土對(duì)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(shí)驗(yàn)處理

2.3 醋渣微生物菌肥對(duì)鹽堿土壤pH的影響

pH是衡量土壤酸度的基本指標(biāo),堿性越強(qiáng)，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(zhǎng)勢(shì)良好。 pH對(duì)土壤中氮素的硝化作用和有機(jī)質(zhì)的礦化影響很大，從而關(guān)系到小麥的生長(zhǎng)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(gè)單位；施用質(zhì)量比為10%時(shí)，pH值降低了0.62個(gè)單位，為實(shí)驗(yàn)組變化最大值；施用質(zhì)量比為20%時(shí)，pH值降低了0.44個(gè)單位；施用質(zhì)量比為30%時(shí)，pH值降低了0.52個(gè)單位。除了質(zhì)量比10%實(shí)驗(yàn)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(jī)質(zhì)，可使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，對(duì)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(jìn)作用,醋渣的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)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(jī)制是產(chǎn)生了有機(jī)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(jìn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加快小麥生長(zhǎng)。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(zhǎng)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(duì)土壤pH值的影響

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對(duì)照、正常土對(duì)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(shí)驗(yàn)處理

2.4 醋渣微生物菌肥對(duì)鹽堿土壤電導(dǎo)率的影響

土壤浸取液電導(dǎo)率是描述土壤鹽分狀況的常用指標(biāo)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(cè)定土壤浸取液電導(dǎo)率，由表2可知，0號(hào)鹽堿對(duì)照組的土壤電導(dǎo)率下降1.8%，而施加不同質(zhì)量比醋渣微生物菌肥的實(shí)驗(yàn)組電導(dǎo)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(dǎo)率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，施加30%實(shí)驗(yàn)組增幅達(dá)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(yīng)。但此結(jié)果與醋渣微生物菌肥使pH值降低、小麥生長(zhǎng)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(guò)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(lèi)組分及含量變化需要進(jìn)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(dǎo)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(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

注:CK0，CK1分別表示鹽堿土對(duì)照、正常土對(duì)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(shí)驗(yàn)處理

3 結(jié)論與討論

醋渣營(yíng)養(yǎng)豐富，含有大量有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，可為土壤微生物生命活動(dòng)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(duì)于土壤和植物生長(zhǎng)有更好的促進(jìn)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(guò)單因子和正交實(shí)驗(yàn)證明巨大芽孢桿菌P1具有較強(qiáng)的解磷能力,張維娜等[21]研究了巨大芽孢桿菌JD-2對(duì)有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷的降解效果，結(jié)果表明，巨大芽孢桿菌JD-2具有很強(qiáng)的解磷能力，不同濃度的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的固氮能力，并且能夠分泌生長(zhǎng)素，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)。盧秉林等[22]利用圓褐固氮菌做生物氮肥進(jìn)行春小麥盆栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，圓褐固氮菌N45具有對(duì)春小麥的增產(chǎn)作用和對(duì)氮肥利用的促進(jìn)作用。解鉀菌的主要類(lèi)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(shì)?？莶菅挎邨U菌可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)、拮抗、溶菌作用抑制甚至殺土壤死病菌，還可誘導(dǎo)植物自身抗病潛能，促進(jìn)植物根系及植株生長(zhǎng)，減少病害發(fā)生[24～26]。尹漢文等[27]研究了枯草芽孢桿菌對(duì)黃瓜耐鹽性的影響，發(fā)現(xiàn)在無(wú)鹽脅迫或1g·L-1NaCl脅迫下，枯草芽孢桿菌可促進(jìn)黃瓜植株生長(zhǎng)，而在2 g·L-1NaCl脅迫下無(wú)促進(jìn)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(fù)配后接種醋渣發(fā)酵制成為微生物菌肥，探究其對(duì)于鹽堿化土壤及小麥生長(zhǎng)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(yàn)，定期觀測(cè)小麥出苗、株高情況并記錄數(shù)據(jù)，最終對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，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(fù)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(duì)于土壤的改善作用，增加了腐殖質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)土壤的改善和植物生長(zhǎng)。但醋渣微生物菌肥一定程度上增加了鹽堿化土壤的電導(dǎo)率，又與筆者研究的其他指標(biāo)和一些其他報(bào)道有矛盾，這可能是因?yàn)閺?fù)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(jī)理還有待進(jìn)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(shí)驗(yàn)組對(duì)于pH值降低和小麥出苗率、株高的提高沒(méi)有顯著性差異，菌肥量施用不宜過(guò)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(duì)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(jī)制還有待進(jìn)一步研究。