中药废渣对干旱区弃耕盐碱地土壤理化性质及微生物数量和酶活性的影响

白明生，姚云鹤，王 佳

（宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川750021）

苦豆子（Sophora alopecuroides L.），豆科槐属植物，集中生长在我国北部的荒漠区，尤以宁夏回族自治区、甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区及内蒙古自治区为多。苦豆子含有较多的生物碱，以全草、根、种子入药［1－2］。提取生物碱后的苦豆子药渣分为苦豆子草渣（从苦豆子茎叶中提取生物碱后的药渣）和苦豆子籽渣（从苦豆子籽中提取生物碱后的药渣），是生物制药厂生产过程中的废弃物。甘草为豆科甘草属植物，甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）、胀果甘草（G.inflata Bat）.或光果甘草（G.glabra L.）的干燥根及根茎，富含三萜和黄酮类成分，甘草酸是其主要有效成分之一［3－4］。医药生产企业通常从甘草中提取甘草膏或甘草酸，提取后所剩余的甘草药渣作为工业废料弃去。

对中药废渣的有效再利用不仅可以降低工业废料排放，减轻环境治理的压力，而且可以充分利用废弃资源，保护生态环境。宁夏回族自治区盐池县紫荆花药业有限公司是目前全国最大的苦参系列生物碱原料药生产基地，还生产大量的甘草浸膏等原料药，每年产生大量的药物废渣。本文以中药废渣为原料，进行中药废渣改良干旱区盐碱地的试验研究，旨在探索中药废渣对盐碱地土壤理化性质、土壤酶活性的影响，分析土壤理化性质与土壤微生物和土壤酶活性之间的关系，为盐碱地土壤改良提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏回族自治区东部盐池县（东经106°30′—107°47′，北纬37°04′—38°10′）花马池镇北王圈自然村，属于毛乌素沙地西南缘，为黄土高原向鄂尔多斯台地过渡地带。该区年均气温7.7℃，绝对最高和最低气温分别是38.1℃和－29.6℃，年均降水量约280mm，蒸发量高达2710mm，年均无霜期165d。试验地为9a弃耕地，土壤类型为风沙土。水资源匮乏，灌溉用水为地下水，含盐量及矿化度高，水质较差。研究区主要植被有沙生冰草、〔赖草（Aneurolepidum dasytachys（Trin.）Nevski.〕、大针茅（Stipagrandis P.Smirn.）、长芒草（Stipa bungeana Trin.）和盐爪爪〔Kalidium foliatum （Pall.）Moq.〕等。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料 提取苦参碱后的苦豆子废渣（籽渣和草渣）和提取浸膏后的甘草废渣（宁夏盐池紫荆花药业有限公司提供），干燥粉碎后加少量水，加水量以手握菌渣能成团但水不流出为宜，堆成料堆，覆盖塑料布室温下进行自然发酵发酵，降解有机物。当废渣质地松软则发酵终了，自然风干，备用。试验地种植的牧草为紫花苜蓿，种子自当地采集。

1.2.2 试验设计 试验设4个处理。处理1：对照（CK），不施药渣；处理2：施入发酵后的苦豆子籽渣0.5kg／m2；处理3：施入发酵后的苦豆子草渣 0.5 kg／m2；处理4：施入发酵后甘草废渣0.5kg／m2。3次重复，随机区组排列。小区面积100m2（10m×10m）。紫花苜蓿于2013年5月中旬播种，条播，行距30cm，播深2～3cm。试验期间采用相同的管理措施，于播种前、全苗后各灌溉1次，不施肥，严禁放牧。于2014年9月12日在每个小区设5个取样点，采取0—20cm土层土样，将5个样均匀混合，剔除石砾及植物残茬等杂物。一部分新鲜土样用于测定土壤微生物数量及酶活性，将另一部分新鲜土壤风干、过筛，用于测定土壤理化性质。

1.3 测定内容及方法

（1）土壤理化性质测定［5］：土壤容重采用环刀法；土壤水分采用烘干法；pH值采用MP515pH计；全盐含量采用MP515电导率仪。

（2）土壤养分含量测定：土壤有机质采用重铬酸钾容量法；全氮采用凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；全钾和速效钾采用火焰光度法；速效氮采用碱解扩散法。

（3）土壤微生物数量测定［6］：土壤微生物采用平板计数法，细菌、真菌、放线菌所用培养基分别为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏培养基、高氏一号培养基。

（4）土壤酶活性的测定［6］：土壤脲酶活性采用比色法测定〔以1h后单位土重的NH3—N含量（mg）表示〕，转化酶采用滴定法〔以1h后单位土重的0.1mol／L硫代硫酸钠与对照测定差值（ml）表示〕，土壤碱性磷酸酶活性采用苯磷酸二钠法〔以1h后每克干土释放的酚的含量（mg）表示〕，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定〔以每克土重的0.1mol／L高锰酸钾与对照测定差值（ml）表示〕。

1.4 数据处理

用Excel软件进行数据整理，通过SPSS软件的Duncan法进行方差分析，利用Pearson相关系数评价土壤理化性质与土壤微生物各指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同中药废渣处理对土壤水分和容重的影响

土壤水分是干旱区植物生长和植被恢复的主要限制因子，主要受到降雨量、土壤性质的影响［7－8］。由表1可见，施入废渣后的土壤水分含量显著高于对照（CK），其大小依次为：苦豆子籽渣＞甘草渣＞苦豆子草渣＞CK，差异显著（p＜0.05）。

土壤容重是土壤的一个基本物理参数，对土壤的透气性、持水能力、入渗性能及抗侵蚀能力都有非常大的影响。土壤容重大小依次为：CK＞苦豆子籽渣＞甘草渣＞苦豆子草渣，其中苦豆子草渣、甘草渣）与CK差异显著，原因是施入废渣后使土壤疏松，且增加团聚体的含量，降低了土壤容重，使土壤的结构明显改善。

表1 不同中药废渣处理的土壤理化性状

2.2 不同中药废渣处理对土壤pH值和全盐的影响

pH值是土壤的一个重要指标，适宜的pH值有利于提高土壤养分的有效性，促进土壤微生物活动，加速养分循环，从而促进牧草生长［9－10］。由表1可知，对土壤pH值影响作用的大小依次为：CK＞苦豆子草渣＞苦豆子籽渣＞甘草渣。施入废渣后土壤pH值都有所下降，与对照差异显著，其中施入甘草渣的下降幅度最大，为12.02%。对土壤全盐含量影响作用的大小依次为：CK＞苦豆子草渣＞苦豆子籽渣＞甘草渣，均显著低于CK，且差异显著。

2.3 不同中药废渣处理对土壤养分的影响

土壤有机质是土壤养分的主要来源［11］。施入苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3种中药废渣后，土壤有机质含量得到显著提高。对土壤中有机质和全氮、速效氮、速效钾含量影响作用的大小顺序为：苦豆子籽渣＞甘草渣＞苦豆子草渣＞CK。除全氮含量与CK差异不显著外，有机质、速效氮、速效钾含量均显著高于CK。对土壤全磷、全钾、速效磷影响作用的大小顺序为：甘草渣＞苦豆子籽渣＞苦豆子草渣＞CK，除全钾外均显著大于CK。由表2可见，不同处理间速效氮、速效磷、速效钾差异显著，说明这3种不同的废渣提供速效氮、速效磷、速效钾的能力不同，其中苦豆子籽渣提供速效氮、速效钾的能力显著高于甘草渣和苦豆子草渣，而甘草渣提供速效磷的能力显著高于苦豆子草渣和籽渣。

表2 不同中药废渣处理的土壤养分含量

2.4 不同中药废渣处理对土壤微生物数量的影响

土壤微生物数量（表3）以细菌最多，所占比例均在95%以上，其次是放线菌，真菌最少。微生物数量与细菌数量、真菌数量大小顺序表现一致，均为：苦豆子籽渣＞甘草渣＞苦豆子草渣＞CK。放线菌数量大小顺序为：甘草渣＞苦豆子籽渣＞苦豆子草渣＞CK，各处理的细菌、放线菌、真菌数量均显著大于CK（p＜0.05）。

表3 不同中药废渣处理的微生物数量特征

2.5 不同中药废渣处理对土壤酶活性的影响

土壤酶是一个敏感的生物指标，活性的高低与土壤养分、土壤类型、植被特征、土壤微生物、土壤水分、温度、容重等以及酶类本身的性质有关［12］。由表4可见，土壤中碱性磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶的活性表现一致，大小顺序为：苦豆子籽渣＞甘草渣＞苦豆子草渣＞CK，土壤脲酶的活性为：甘草渣＞苦豆子籽渣＞苦豆子草渣＞CK。其中苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣对土壤碱性磷酸酶的活性有显著性的促进作用（p＜0.05），苦豆子籽渣对土壤过氧化氢酶的活性有显著性的促进作用（p＜0.05）。

2.6 土壤因子与微生物数量和土壤酶活性的相关分析

各主要土壤因子与微生物数量和土壤酶活性的相关分析发现（表5），水分含量与微生物总数及4种土壤酶活性呈极显著正相关。土壤水分是干旱区植物生长和植被恢复的主要限制因子。由上述相关分析发现，土壤水分也是影响干旱区土壤微生物数量和土壤酶活性的主要因子。

土壤pH值与碱性磷酸酶、脲酶、转化酶呈极显著负相关，与过氧化氢酶呈显著负相关。土壤全盐含量与土壤微生物数量和与碱性磷酸酶、脲酶、转化酶呈极显著负相关，与过氧化氢酶呈显著负相关，可见土壤全盐含量在干旱区弃耕盐碱地土壤环境中的重要性。有机质与碱性磷酸酶呈显著正相关，与土壤微生物数量也呈极显著正相关。速效氮与土壤微生物数量和碱性磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶呈极显著正相关，与转化酶呈显著正相关。速效磷与土壤微生物数量和碱性磷酸酶、脲酶呈极显著正相关，与过氧化氢酶呈显著正相关。速效钾与土壤微生物数量和碱性磷酸酶、脲酶呈极显著正相关，与过氧化氢酶呈显著正相关。

表4 不同中药废渣处理的的土壤酶活性

表5 土壤理化性质与微生物数量和土壤酶活性的相关分析

3 结果讨论

在干旱区盐碱地施入苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3种中药废渣后，土壤理化性质得到明显改善，施入废渣后的土壤容重、pH值、全盐含量均显著低于对照（CK），土壤水分含量显著高于CK。全盐含量明显降低，其原因可能是施入废渣后，改善了土壤结构，促进了盐分向下淋溶，同时，提高了土壤有机物含量，使阴阳离子溶解度增加，有利于脱盐。

施入苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3种中药废渣后，土壤养分得到明显改善。其中，土壤中有机质和全氮、速效磷、速效氮、速效钾含量显著高于CK，而不同处理间速效氮、速效磷、速效钾差异显著，说明这3种不同的废渣提供速效氮、速效磷、速效钾的能力不同，其中苦豆子籽渣提供速效氮、速效钾的能力显著高于甘草渣和苦豆子草渣，而甘草渣提供速效磷的能力显著高于苦豆子草渣和籽渣。

土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，施入废渣后土壤中细菌、真菌和放线菌数量均显著大于CK，且土壤微生物均以细菌最多，占微生物总数的95%以上，其次是放线菌，真菌最少。

土壤因子与微生物数量和土壤酶活性的相关分析表明，水分含量与微生物总数及这4种土壤酶活性呈极显著正相关。土壤水分是干旱区植物生长和植被恢复的主要限制因子。由上述相关分析发现，土壤水分也是影响干旱区土壤微生物数量和土壤酶活性的主要影响因子。本研究表明，施入中药废渣后土壤水分含量显著增加，水分的增加有利于微生物的生长，从而增加土壤微生物数量，提高了土壤酶活性。土壤pH值与碱性磷酸酶、脲酶、转化酶呈极显著负相关，与过氧化氢酶呈显著负相关。全盐含量与土壤微生物数量和碱性磷酸酶、脲酶、转化酶呈极显著负相关，与过氧化氢酶呈显著负相关，这与毛志刚［13］在盐城海滨湿地盐沼和马献发［14］在对松嫩平原苏打草甸碱土的研究结果一致。但杨志勇等［15］在江苏省大丰湿地的试验显示土壤过氧化氢酶与盐分呈显著负相关，而碱性磷酸酶却与盐分呈显著正相关。全盐含量与微生物数量呈极显著负相关，这可能是由于试验区为弃耕盐碱地，地下水含盐量高，由于长期灌水过多，造成土壤表层盐分积累，抑制细菌、放线菌的生长，减少了微生物数量，从而影响了土壤酶的活性。土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾与土壤微生物的数量和土壤酶相互促进作用明显，有密切的相关关系。速效氮与土壤微生物数量和碱性磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶呈极显著正相关，与转化酶呈显著正相关，这也与毛志刚等［13］的研究结果相一致。土壤酶通常与土壤黏粒和有机质结合，其中许多土壤酶与土壤腐殖质结合，形成酶—腐殖质复合体，所以土壤有机质是土壤酶的来源和贮藏基地，土壤全氮、有效磷、有效钾是酶作用的底物／产物，所以上述因素是影响土壤酶活性的重要因素。许多研究表明，土壤肥力水平在很大程度上受制于土壤酶，与土壤酶活性之间存在着非常密切的相关关系［16－18］。

4 结论

施入苦豆子草渣、苦豆子籽渣和甘草渣3种中药废渣后，盐碱地土壤理化性质和土壤养分得到明显改善，土壤微生物数量和土壤酶活性显著增加，这为利用中药废渣对干旱区盐碱地土壤进行改良提供了理论依据。另外，土壤酶活性还与其它因素如土壤质量、温度，地表植被、地形（坡位）等密切相关［19－20］，因此，对于施入中药废渣的盐碱地土壤酶活性与土壤理化性质的关系还需要进一步研究证实。在实践中对于施用药渣的具体措施，不同中药废渣最佳配比方案以及与其他改良措施综合的效果等还需要进一步深入研究。

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