玉米漿及配合其他有機物料對蘇打堿土改良效果及腐殖質(zhì)特性變化

段宏美，竇森*，王德輝，鄭爽，李雙翼，張一楓，白月

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春130118；2.大成生化科技集團有限公司，長春 130062）

玉米漿（CSL）是濕法工藝生產(chǎn)玉米淀粉時的主要副產(chǎn)品，是一種黏稠酸性的漿體[1]。玉米漿含有大量的氨基酸、維生素和生長因子[2]，成本低廉[3]，且富含多種蛋白質(zhì)、可溶性糖、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)[4]，在農(nóng)業(yè)上有應用潛力。

鹽堿土有機質(zhì)含量低，保水保肥能力差，影響作物的正常吸收和代謝機能[5]。王佳麗等[6]研究表明施用有機物料可以增加鹽堿土的有機質(zhì)含量，改善胡敏酸（HA）等組分的動態(tài)變化。

近年來，許多學者對有機物料改善土壤結(jié)構(gòu)做了大量研究。董印麗等[7]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈直接還田能提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤肥力狀況。SONG等[8]研究表明施用生物質(zhì)炭可增加土壤有機碳的芳基碳相對含量，縮合度升高，氧化度下降，熱穩(wěn)定性提高，有利于土壤有機碳的穩(wěn)定。鄭延云等[9]研究發(fā)現(xiàn)，木本泥炭HA 組分的縮合度和芳香化度更高，相對難被微生物分解，腐殖化程度高。董珊珊等[10?11]研究發(fā)現(xiàn)，有機物料加入土壤后為微生物提供了大量有機碳源，提升了微生物新陳代謝速率。屈忠義等[12]研究表明，土壤是微生物最好的培養(yǎng)基，土壤中微生物的數(shù)量反映了土壤肥力的大小，對植被生長發(fā)育起著重要的作用。而玉米漿作為最廉價的有機氮源之一[3]，其具有較強的酸性[13]。趙新河等[14]研究發(fā)現(xiàn)，用玉米漿做微生物培養(yǎng)基，可以有效降低原料成本。另一方面，WU等[15]發(fā)現(xiàn)由于玉米漿的碳、礦物質(zhì)和氮含量高，因此也被認為是很有前途的基材。本研究以吉林省蘇打鹽堿土為研究對象，分析玉米漿及其與不同有機物料混合對蘇打鹽堿土的影響，進一步了解不同有機物料改良劑配施對土壤理化性質(zhì)、腐殖質(zhì)組成及胡敏酸結(jié)構(gòu)特性變化的影響，以期在解決資源浪費的同時增加可用的農(nóng)業(yè)用地。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗所用土壤于2019 年7 月采自吉林省松原市安字鎮(zhèn)（44°52′49″ N，124°02′32″ E），土壤類型為蘇打鹽堿土。供試土壤的基本性質(zhì)為：pH 9.41，電導率 1 087 μS·cm?1，堿解氮 18 mg·kg?1，速效磷 96.84 mg·kg?1，速效鉀 153.02 mg·kg?1，堿化度 45.62%，全鹽量2.51 g·kg?1，含量0.827 cmol·kg?1，含量0.430 cmol·kg?1，Cl?含 量0.091 cmol·kg?1，含量0.077 cmol·kg?1，Ca2+含量 0.121 cmol·kg?1，Mg2+含量0.813 cmol·kg?1，K+含量 3.200 g·kg?1，Na+含量 2.413 cmol·kg?1。

1.2 供試材料

本試驗使用的玉米漿來自于長春大成生物技術(shù)開發(fā)有限公司，基本性質(zhì)如下：pH 3.5~5.5，有機碳含量 302.9 g·kg?1，全氮含量 17.77 g·kg?1，C/N 為 19.87，含水率65%。

試驗所用玉米秸稈（包括玉米葉片和莖稈）來自吉林農(nóng)業(yè)大學教學試驗田，粉碎后過2 mm 篩備用?；拘再|(zhì)為：有機碳含量 415.3 g·kg?1，全氮含量11.91 g·kg?1，C/N為40.72。

試驗所用的玉米秸稈生物炭是在450 ℃馬弗爐中在氧氣受限的條件下生產(chǎn)的生物炭?；拘再|(zhì)為：有機碳含量 426.3 g·kg?1，全氮含量 10.75 g·kg?1，C/N為46.10。

試驗所用的草本泥炭來自于敦化市大橋鄉(xiāng)俞家村，基本性質(zhì)為：有機碳含量394.3 g·kg?1，全氮含量12.07 g·kg?1，C/N為38.21。

1.3 試驗設(shè)計

試驗開始于2020 年5 月，稱取風干土7 kg，過5 mm 篩，放入高23 cm 直徑21 cm 的圓形桶內(nèi)。按玉米秸稈年產(chǎn)量12 000 kg·hm?2全量還田進行計算，每千克土添加5.30 g 秸稈，相當于每千克土添加2.20 g碳。通過每千克秸稈的含碳量折算出玉米漿的施入量，以此為基準共設(shè)7 個處理，分別為不添加玉米漿和有機物料的對照處理（CK）、1/2 倍量玉米漿與秸稈混合（1/2CSL+C）、1/2倍量玉米漿與生物質(zhì)炭混合（1/2CSL+B）、1/2 倍玉米漿與泥炭混合（1/2CSL+P）、1/2倍用量的玉米漿（1/2CSL）、1倍量玉米漿（CSL）以及2倍量的玉米漿（2CSL），每個處理設(shè)3 次重復，通過添加玉米漿、秸稈、生物炭、泥炭4 種有機物料，找出最優(yōu)的改良配方。其他有機物料的添加量按等碳量計算，玉米漿（通過含水率折算后添加濕的玉米漿）添加140 g，生物炭添加18 g，泥炭添加19 g，各處理的有機物料組成見表1。各處理的C/N 均調(diào)節(jié)為20。將有機物料與土壤充分混合，種植玉米種子3 粒，品種為翔玉998（吉林省鴻翔種業(yè)有限公司）。定期澆水、測量、記錄。出苗后選取長勢較好的保留1株。于2020年10 月秋收后，使用三點采樣法對各處理的土壤進行均勻采集，土壤樣品風干后過2 mm篩網(wǎng)，進行化學分析試驗。

表1 試驗處理方式Table 1 Test processing method

1.4 測定方法

成熟時收獲玉米測定其產(chǎn)量；有機碳含量采用濃硫酸?重鉻酸鉀外加熱?硫酸亞鐵滴定的方法測定；腐殖質(zhì)組成采用腐殖質(zhì)組成修改法[16]測定；紅外光譜分析采用KBr壓片法對樣品進行測定，儀器為美國Nico?let?AV360 紅外光譜儀，波數(shù)范圍為 4 000~400 cm?1，紅外譜圖的特征峰通過OMNIC軟件進行選取。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 20.0軟件對結(jié)果進行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對玉米產(chǎn)量及土壤pH、全鹽量、堿化度的影響

各處理玉米產(chǎn)量及土壤pH、全鹽量、堿化度如表2 所示。除2CSL 處理外，各處理玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為：1/2CSL>1/2CSL+C>CSL>1/2CSL+P>1/2CSL+B>CK，部分處理間差異顯著。與CK相比，1/2CSL、1/2CSL+C、CSL、1/2CSL+P、1/2CSL+B 分別增加了 193.65%、171.43%、165.08%、74.60%、66.67%。2CLS 處理由于過多的玉米漿阻礙了種子的發(fā)育生長[26]，沒有產(chǎn)量。

表2 不同處理對玉米產(chǎn)量及pH、全鹽量、堿化度的影響Table 2 Effects of different treatments on corn yield and pH，total salt content and alkalinity

各處理的pH、全鹽量、堿化度較CK 均降低，pH降低了9.80%~11.09%，各處理間pH 變化不顯著，全鹽量降低了12.2%~44.3%，1/2CSL降幅最大。堿化度降低了12.67~26.53 個百分點，部分處理全鹽量和堿化度差異顯著。隨著玉米漿施入量的增加，含鹽量和堿化度逐漸升高。

2.2 對土壤有機碳含量及腐殖質(zhì)碳含量的影響

各處理土壤有機碳含量如圖1 所示。與CK 相比各處理土壤有機碳含量均提高且差異顯著（2CLS、1/2CLS+P除外），具體表現(xiàn)為1/2CSL>CSL>1/2CSL+C>1/2CSL+B>1/2CSL+P>2CSL，分 別 較 CK 增 加 了46.19%、38.75%、33.22%、32.35%、16.44%和 6.06%。各處理中，1/2CSL效果綜合最好。

腐殖質(zhì)的組成成分可以直觀地說明土壤養(yǎng)分含量的狀況，不同處理的腐殖質(zhì)各組分均表現(xiàn)為胡敏素（HM）>胡敏酸（HA）>富里酸（FA）（表3）。與CK 相比，各處理的腐殖質(zhì)組分的碳含量均提高且部分處理差異顯著，其中1/2CSL 效果最好，HM、HA、FA 較CK分別增加了47.45%、48.89%、117.95%。

表3 不同處理對鹽堿土腐殖質(zhì)組成的影響Table 3 Effects of different treatments on the humus composition of saline?alkali soil

HA 所占比例的大小表示土壤腐殖化程度的高低，各處理之間差異顯著，表現(xiàn)為CSL>1/2CSL>2CSL>1/2CSL+C>1/2CSL+B>1/2CSL+P。與CK相比，1/2CSL、CSL、2CSL、1/2CSL+C、1/2CSL+B、1/2CSL+P 處理的腐殖化程度分別提高了15.31、15.79、10.21、6.50、5.23、3.64個百分點。說明各有機物料均可以提高鹽堿土的腐殖質(zhì)化程度，以CSL效果最為佳。

2.3 對腐殖質(zhì)特性變化的影響

2.3.1 元素組成

不同改良劑土壤HA 元素組成見表4，各個處理的HA 結(jié)構(gòu)和官能團的變化，可以通過使用C、N、H、O+S 元素的含量計算 C/N、（O+S）/C、H/C 的值來表征[17]。其中，（O+S）/C 的值是用來表示 HA 碳水化合物和羧酸含量的指標[18]，H/C 的值用來表示HA 的芳香縮合度和成熟度[19]。

表4 不同處理對蘇打鹽堿土HA元素組成的影響Table 4 Effects of different treatments on HA element composition of soda saline?alkaline soil

與 CK 相比，不同改良劑土壤 HA 的 C、N、H 元素均有不同程度的增加，而O 元素降低，這說明不同有機物料的改良劑均能促進土壤HA 當中O 元素的消耗以及C、H、N 元素的積累。各處理（O+S）/C 值均小于CK，且各處理間無顯著差異，降低了18.18%~30.68%，H/C值則與之相反，增加了13.46%~35.58%。

2.3.2 紅外光譜

圖2 為不同處理改良劑土壤HA 的FTIR 變化規(guī)律，表5 為不同處理改良劑土壤HA 在主要吸收峰相對強度上的差異。圖2 中各處理的圖譜形狀走勢相似，并且基本結(jié)構(gòu)是相同的，但是不同處理在2 920、2 850、1 720、1 620 cm-1這4處主要吸收峰的強度上有明顯的差異，說明在一些關(guān)鍵的官能團上存在一定的差異。2 920 cm-1處代表不對稱脂族C—H 伸縮振動峰，2 850 cm-1處代表—CH2—對稱脂族C—H 伸縮振動峰，1 720 cm-1處代表羧基C=O 伸縮振動的吸收峰，1 620 cm-1處代表芳香C=C伸縮振動的吸收峰[10]。對各處理HA 的FTIR 光譜主要吸收峰的相對強度進行半定量分析，HA 結(jié)構(gòu)的氧化度和芳香性的強弱通過I2920/I1720和I2850/I1620的值來表示[10]。

表5 不同處理對蘇打鹽堿土HA的FTIR譜圖主要吸收峰強度的影響Table 5 Effects of different treatments on the main absorption peak intensity of the FTIR spectrum of HA

I2920/I1720和I2920/I1620值通常用來反映胡敏酸結(jié)構(gòu)氧化度、脂族性以及芳香性的強弱變化。與CK相比，各處理的HA 結(jié)構(gòu)在 2 920、2 850、1 620 cm?1處的吸收強度增加，其中1/2CSL 均高于其他處理，說明有機物料施用后各處理的I2920/I1720及I2920/I1620均提高，土壤胡敏酸的脂族碳/羧基碳和脂族碳/芳香碳增加，表明有機物料的施用使得土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)縮合度和氧化度下降，脂族性增強，芳香性降低，胡敏酸結(jié)構(gòu)趨于脂族化、簡單化、年輕化。

2.3.3 熱穩(wěn)定性分析

不同改良劑土壤HA的差熱曲線（DTA）及熱重曲線（TG）如圖3 所示，對HA 熱穩(wěn)定進行半定量分析，結(jié)果如表6 所示。熱穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，中溫放熱是樣品結(jié)構(gòu)中酸性基團、碳水化合物和脂肪酸分解的脫羧反應[19]，高溫放熱是樣品結(jié)構(gòu)中芳香結(jié)構(gòu)的破壞和C—C鍵的裂解[20]。

表6 不同處理對蘇打鹽堿土HA放熱和質(zhì)量損失量的影響Table 6 Effects of different treatments on the heat release and weight loss of HA in soda saline?alkaline soil

所有樣品均表現(xiàn)為中溫放熱（337~349 ℃）和高溫放熱（530~554 ℃）。與CK 相比，各處理中溫、高溫放熱量和質(zhì)量損失量均增加，相反，各處理HA 土壤中，高、中放熱量和質(zhì)量損失量比值降低，其中1/2CSL 最顯著，熱量的高中溫比值和質(zhì)量損失量的高中溫比值分別降低了48.6%和14.2%。結(jié)果表明，施用不同有機物料改良劑會導致鹽堿土土壤HA 中可分解放熱的物質(zhì)增加，熱穩(wěn)定性降低，即HA 分子中脂族化合物和芳香化合物增加，其中施入適量的玉米漿效果更為明顯。

3 討論

土壤pH 可反映土壤中多項化學作用[21]。詹紹軍等[22]研究顯示，有機物料施入土壤會降低土壤pH。添加有機物料改良劑可以促進土壤中Na+的淋失，降低土壤可交換性Na+濃度[23]，這與本研究結(jié)果一致。施入玉米漿及玉米漿與其他有機物料混合物可降低鹽堿土pH值、含鹽量和堿化度，這與改良劑對鹽堿土的碳固定作用及土壤受鹽堿脅迫程度有關(guān)[24]。一方面由于玉米漿中富含飽和脂肪酸[25]且本身具有比較強的酸性[1]，從而降低了土壤當中的pH，另一方面，玉米漿中同時含有鐵離子、錳離子、亞硫酸根、磷酸根等多種離子[26]，它會與土壤中的離子反應，而當過多的玉米漿施入土壤，會使其中的一些離子進入飽和狀態(tài)，從而增加了土壤中鹽分和交換性鈉離子的含量，因此2倍量玉米漿的施入對土壤的改良效果下降。

玉米產(chǎn)量可以直接反映出土壤改良的效果好壞。舒曉曉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，有機物料的適量配比可有效促進玉米生長及產(chǎn)量，本研究也得到同樣的結(jié)果，各處理均能提高玉米產(chǎn)量，以1/2CSL 處理的效果最佳，這可能是因為玉米漿富含多種維生素、氨基酸和生長刺激因子，適量的施入可以激發(fā)種子萌發(fā)及種子生長所需的營養(yǎng)成分。添加玉米漿后，一方面可增加土壤有機質(zhì)含量，提高微生物的活性，促進了土壤的礦化作用，從而促進了植株的生長發(fā)育和生物量碳的積累[28]；另一方面，施用適量的玉米漿提高了土壤中速效氮、磷、鉀的含量[26]，高氮濃度會使光合作用持續(xù)升高，促進干物質(zhì)的積累，進而提高了作物的產(chǎn)量[29]?？赡艿脑蜻€有玉米漿的施入為作物提供了良好的酸堿度環(huán)境，促進了作物的生長，但值得注意的是，添加過量的玉米漿（2CSL）會導致玉米的產(chǎn)量下降，這可能是因為玉米漿過量會增加土壤Mn2+含量，抑制了Fe2+和Mg2+等元素的吸收及活性，并破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，導致葉綠素合成下降及光合速率降低[30]。

腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要組成部分，對土壤的肥力及理化性質(zhì)有著重要作用[31]。宋祥云等[32]的研究表明，施用有機物料有利于胡敏酸中營養(yǎng)物質(zhì)的積累，還可以提高土壤的有效養(yǎng)分，增加土壤的有機碳含量。這與本研究結(jié)果一致，各處理均能不同程度地增加鹽堿土有機碳（圖1）和腐殖質(zhì)組分碳含量（表3），其中，以1/2CSL 處理最好。這可能是因為玉米漿營養(yǎng)豐富，且玉米漿中有許多可利用的碳源[33]，施入土壤當中可以提高土壤碳的微生物利用率。

竇森等[34]的研究表明，通過添加有機物料進行土壤培肥會改變土壤中胡敏酸的結(jié)構(gòu)特征。陳曉東等[35]研究發(fā)現(xiàn)有機物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來源之一，可以使吉林地區(qū)的鹽堿土土壤HA結(jié)構(gòu)趨于年輕化。徐基勝等[36]研究表明施用有機肥能增加HA 中的氨基酸、多肽或蛋白質(zhì)等物質(zhì)。孟凡榮等[37]結(jié)合元素分析和紅外光譜分析得出，施加有機物料后，土壤HA 的縮合程度升高，氧化程度降低，同時HA 的脂族碳鏈結(jié)構(gòu)有所增加，芳香性增強，氧化程度減弱，這與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，各處理均能不同程度地改善胡敏酸結(jié)構(gòu)，使得鹽堿土中HA 的氧化度、縮合度和熱穩(wěn)定性降低，脂族性增強，胡敏酸結(jié)構(gòu)逐漸趨于簡單化，其中以1/2CSL 處理效果最好。這是由于適量玉米漿施入土壤后促進了微生物的生長[38]，增加了土壤所需的養(yǎng)分，擴大了微生物的呼吸空間，促進微生物的活性，從而使得HA分子向脂族碳轉(zhuǎn)化[39]。

4 結(jié)論

（1）施入玉米漿顯著降低了土壤pH值，當施用量為40 g·kg?1（即2CSL）時，pH 值降低幅度達10.76%。玉米漿施用量為10 g·kg?1（即1/2CSL）時，全鹽量和堿化度分別是CK的0.56倍和0.47倍。

（2）玉米漿施用量為10 g·kg?1（即1/2CSL）顯著提高了玉米產(chǎn)量及土壤有機碳含量，分別為CK 的2.94倍和1.46倍。

（3）施用玉米漿及其與其他有機物料的混合物均能促使（O+S）/C、熱量和質(zhì)量損失量的高中溫比值降低，H/C 值增加，土壤中HA 的氧化度、縮合度和熱穩(wěn)定性降低，脂族性增強，腐殖質(zhì)特性變化顯著。

（4）綜上所述，適量施用玉米漿（10 g·kg?1）可以提升鹽堿土的土壤質(zhì)量，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量。玉米漿作為工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物，在鹽堿土的改良及資源的合理利用方面有較好的應用前景。