木薯加工废弃物有机肥对西瓜连作土壤微生物数量、酶活性及养分含量的影响
2018-12-12董文斌韦彩会韦家华何永群莫成恩黄伟彬何铁光
董文斌 韦彩会 韦家华 何永群 莫成恩 黄伟彬 何铁光
摘要 以‘黑美人西瓜为供试材料，通过连续2a大田试验，即单施木薯加工废弃物有机肥处理（A）、木薯加工废弃物有机肥和无机肥配施处理（B），以不施肥处理（CK-1）和单施化肥处理（CK-2）作为空白和常规施肥对照，定期监测西瓜连作土壤微生物数量、酶活性和养分含量的动态变化。结果表明：木薯加工废弃物有机肥增加了西瓜连作土壤的微生物数量，提高了土壤酶活性、有机质及速效养分含量。该研究为木薯加工废弃物有机肥料化应用提供一条新途径。
关键词 木薯加工废弃物有机肥;西瓜连作土壤;微生物数量;酶活性;养分含量
中图分类号 S651 文献标识码 A
广西是中国木薯主要种植区，年均种植面积约27万hm2，产量约800万t，占全国总产量的70%以上。随着中国一东盟自由贸易区的建成和世界生物质能源一乙醇产业的兴起，木薯燃料乙醇产业在广西也迅速发展，并带动整个广西地区木薯加工产业的蓬勃发展，使得每年产生的木薯皮、渣等废弃物高达数百万吨。这些加工废弃物若随意堆放，不仅造成资源浪费，还会污染环境[1-2]。因此，寻求合适的木薯加工废弃物利用方式，对木薯产业可持续发展具有重要意义。研究表明，木薯加工废弃物富含粗淀粉、纤维素、半纤维等有机物质和氮、磷、钾等矿质营养元素，是育苗基质和有机肥的优质来源[2-3]，如利用木薯加工废弃物生物转化为蔬菜育苗基质和有机肥料，在辣椒和木薯田间应用上均取得了良好的效果[4-5]。
西瓜连作易引起土壤微生态环境恶化，如连作土壤微生物菌群结构失衡、酶活性及土壤养分含量下降等，最终导致连作西瓜生长发育受阻、产量和品质下降[6]。吴凤芝[1]认为，合理施肥是缓解连作障碍的有效手段之一。国内外学者对施用有机肥克服或缓解土壤连作障碍十分重视，通过添加有机物料改良土壤结构、优化土壤微生物区系、提高土壤酶活性方面做了大量尝试，取得了较好的研究结果[8-11]。但有关木薯加工废弃物经发酵菌剂发酵制成的有机肥对西瓜连作土壤微生物数量、酶活性及养分含量的影响还鲜见报道。本研究在养分基本相同的条件下，以不施肥、常规施肥即单施化肥为对照，研究木薯加工废弃物有机肥不同施用比例对西瓜连作土壤微生物数量、酶活性以及土壤速效养分含量的影响，以期为木薯加工废弃物肥料化及合理施用缓解西瓜连作土壤恶化提供实践依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验地位于广西武鸣县城厢镇从广村，该地年均气温21.7℃，年均降雨量1300mm，年均日照时数1660h，全年无霜期高达345～360d。土壤为第四纪红土发育的红泥土，耕作层pH值为6.33，有机质含量24.76g/kg，碱解氮108.49mg/kg、有效磷23.60mg/kg、速效钾94.33mg/kg、全氮1.17g/kg、全磷0.86g/kg、全钾1.09g/kg。
供试西瓜为广西武鸣主栽品种黑美人。有机肥由广西农业科学院农业资源与环境研究所联合具有相应资质的肥料生产企业共同研制生产，其原料主要来自木薯皮、木薯渣、酒精渣等废弃物，生物活菌数（cfu）≥0.20×108/g、pH值8.19、有机质含量48.5%，N含量2.74%、P2O5含量1.99%、K2O含量4.80%。、有效B含量1.43%、有效Mg含量2.51%。高濃度复合肥：N含量15%、P2O5含量15%、K2O含量15%，由中国—阿拉伯化肥有限公司生产。地膜：普通市售塑料地膜，宽60cm，厚0.005mm。
1.2 方法
1.2.1 试验设计
试验共设4个处理（表1）：单施有机肥（A）;有机无机肥配施（B），即1/2有机肥+1/2高浓度复合肥;以单施高浓度复合肥（CK-2）和不施肥（CK-1）作为常规施肥和空白对照。所有处理养分和肥料施用情况详见表1，肥料施用总量均为（N+P2O5+K2O）750kg/hm2。所有肥料在西瓜移栽前作为基肥开沟一次施人，于施肥沟上起畦盖膜单行种植瓜苗，每处理3次重复，共12个小区。每小区面积60m2，种植密度为900株/hm2，随机区组排列。西瓜定植日期为2015年3月18日、2016年3月31日，2015年西瓜收获后放空，2016年连续种植西瓜，田间管理措施各处理均保持一致。
1.2.2 项目测定
分别在西瓜幼苗期（定植后15d）、伸蔓期淀植后40d）、成熟期（定植后70d）取根系周围土壤，每个小区取6个点，混匀后分成2份，一份装人保鲜袋，4℃冰箱保存用于土壤微生物数量指标的测定;一份风干、粉碎后保存用于酶活性指标的测定。同样的方法在西瓜成熟收获后取样，风干、粉碎后用于土壤养分指标的测定。
土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾分别采用外加热法、凯氏定氮法、钼锑抗比色法、NaOH熔融一火焰光度法、碱解扩散法、1/2H2SO4法、NH4OAc浸提-火焰光度法测定;土壤pH用无二氧化碳蒸馏水（水和土壤比例5：1）浸提后pH计（METTLER TOLEDO）测定[12];土壤酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性分别采用磷酸苯二钠、苯酚钠和3，5-二硝基水杨酸比色法测定[13];土壤细菌、真菌、放线菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁培养基、改良高氏培养基培养，计数培养皿上生长的菌落，以菌落形成单位（cfu.g-1）表示。菌数（cfu.g-1）=菌落平均数×稀释倍数[14]。
1.2.3 数据统计
所有数据采用Excel 2003软件统计分析，方差分析采用SPSS12.0软件中通用线性模型单因素变量法，多重比较采用Duncan法。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对连作西瓜土壤微生物数量的影响
由表2可知，连续2a西瓜生育期内，不同处理土壤均是细菌数量最多、放线菌次之、真菌最少。除2016年CK-1处理的放线菌和A、B处理的真菌外，各微生物菌群数量整体呈先上升后下降的趋势。其中，处理A和处理B土壤细菌、放线菌和真菌数量均大于CK-2、CK-1处理，2015年3个生育期中，A、B处理土壤中细菌数量分别比CK-2处理增加0.43～1.26、0.75～1.13倍，次年分别增加1.20～1.33、1.71～2.63倍;2015年3个生育期中，A、B处理土壤中细菌数量比CK-1处理分别增加0.73～2.03、1.11～1.78倍;次年分别增加0.36～0.42、0.66～1.16倍，差异均达显著水平。总体上各处理放线菌和真菌数量的动态变化趋势与细菌的基本一致，除第1年A处理第巧天的放线菌和不施肥处理（CK-1）间差异不显著外，其余有机肥处理下西瓜各生育期土壤放线菌和真菌数量均显著高于CK-2和CK-1，单施有机肥处理A和有机无机肥配施处理B之间，B处理的土壤放线菌略高于A处理，而真菌数量无显著差异。说明有机肥施用促进土壤中细菌、放线菌、真菌的生长繁殖，而单施化肥和不施肥均不利于土壤微生物的生长增殖。
2.2 不同施肥处理对连作西瓜土壤脲酶、磷酸酶及蔗糖酶活性的影响
脲酶、磷酸酶、蔗糖酶作为不同酶类参与有机化合物的水解反应，对丰富土壤中能被植物和微生物利用的可溶性营养物质具有重要作用[15]。脲酶是一种专性较强的酶，可使酞胺态有机氮化物水解为植物可以直接吸收利用的无机氮化物，通常以脲酶活性来表征土壤的N素供应能力。由表3可知，连续2a西瓜生育期内，所有处理土壤脲酶活性均呈现先升后降的趋势。与CK-1处理相比，除2015年A处理第15天外，其余生育期各施肥处理均显著提高了土壤的脲酶活性，而各施肥处理间，除A处理在2015年第15天和CK-2处理在2016年第70天土壤脲酶活性明显偏低外，其余各阶段差异不显著。这可能与A处理养分释放速度慢，2015年西瓜生育前期N素营养供应不足，降低了土壤脲酶活性有關。但随着不断生长，有机肥料的持续供应，无机养分不断释放累加，提高了土壤中N素的供应能力，同时为产酶微生物繁殖提供了良好的环境，促使脲酶活性不断提高。CK-2处理在2016年生育后期脲酶活性偏低，这可能与单施化肥养分时效性差，加上连作西瓜生育后期强降雨较多，淋溶损失大，使得N素营养供给能力下降有关。
酸性磷酸酶可加快土壤中有机磷转化为无机磷，提高磷素利用率。蔗糖酶直接参与土壤碳循环，酶促蔗糖水解为葡萄糖和果糖，改善土壤碳素营养状况[16]。由表3可知，酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的变化趋势与脲酶相似，连续2a西瓜生育期内均呈现先上升后下降的趋势。但不同施肥处理3种酶活性动态差异却各不相同，在种植第1年，除CK-1处理在第70天的酸性磷酸酶活性显著低于其他处理外，其余各处理间差异不显著。连作第2年，各处理显著高于CK-1处理，各处理间差异不显著。这可能是因为西瓜生育前期对磷肥需求量少，土壤中原本固持的有效磷含量能满足其生长需要，故各处理的酸性磷酸酶活性没有显著差异。但随着西瓜的生长，对磷肥的需求量不断增加，尤其连作第2年磷素得不到及时补充，降低了酸性磷酸酶的活性。
蔗糖酶活性除第1年第15天各处理间无显著差异外，其余时期各施肥处理均显著高于CK-1。但随着时间的推进，到次年第70天，A、B处理的土壤蔗糖酶活性显著高于CK-2处理，这可能与有机肥的施用，增加了土壤的有机碳含量，提高了蔗糖酶活性有关。
2.2.3 不同施肥处理对连作西瓜土壤养分含量的影响
由表4可知，与CK-1相比，连续2a西瓜生育期内各施肥处理均不同程度提高了土壤有机质含量。其中，2015年增幅为4.67%～20.10%，2016年增幅为10.78%～65.13%，各施肥处理土壤中有机质含量均随肥料中有机肥比例的增加而增加，即A>B>CK-2。与处理前土壤有机质含量相比，CK-1、CK-2处理土壤中有机质含量逐年降低，2015年分别下降7.56%、3.24%;2016年分别下降26.18%、18.23%。而A、B处理中土壤有机质含量则比处理前逐年提升，其中，2015年分别提高11.01%、4.42%，2016年分别提高21.90%、12.16%。说明连续单施化肥或不施肥均不利于土壤有机质含量的提升，而连续施用有机肥可使土壤有机质含量逐年提升，且增幅随肥料中有机肥比例的增大而增大。
土壤碱解氮、速效磷、速效钾作为植物可直接或间接利用有效养分的重要组成部分，其含量高低可直观反映土壤氮、磷、钾素的供应水平。与CK-1相比，各施肥处理均不同程度提高了土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量，其中，碱解氮含量在2015、2016年分别增加15.29%～28.22%、37.66%～64.84%，速效磷分别增加0.73%～6.10%、12.19%～17.73%，速效钾分别增加11.99%～26.70%、26.69%～76.68%。和土壤本底值养分含量相比，CK-1处理的土壤速效养分含量均逐年递减，除速效磷在种植第1年后差异不显著，其余速效养分含量在种植后第1年和第2年均显著降低，说明不施肥将导致土壤速效养分的急剧下降。CK-2在种植后第1年和第2年土壤中各速效养分含量和种植前基本一致。A、B处理与处理前相比，土壤中各速效养分含量总体上呈逐年递增趋势，速效钾含量均显著高于处理前，说明连续施用有机肥有利于提高土壤肥力。A处理在2015年速效磷略微下降，这可能与该处理本身磷肥施用量低，同时施人有机肥量大，导致部分速效磷养分被微生物固持有关。
3 讨论
土壤微生物活动和酶促反应是推动土壤有机质矿化分解和养分循环转化的活性剂，土壤微生物菌群数量和酶活性高低在一定程度上反映了土壤养分转化的快慢，是土壤生物质量变化的灵敏指标[17]。研究表明，施用有机肥有利于土壤微生物的繁殖生长、激发酶活性、提高土壤养分含量，从而改善土壤微生态环境、培肥地力、可在一定程度上缓解连作危害[18-19]。然而不同物料有机肥因营养成分差异，施人土壤后的转化利用情况和对土壤理化性状及微生态环境的影响也各不相同[11，16，20]。本研究在总养分投入量基本一致的条件下，研究木薯加工废弃物有机肥不同施用方法即单施有机肥处理（A）和有机无机肥配施处理（B）对土壤微生物数量、酶活性以及养分含量的影响。结果表明，除第1年A处理的放线菌外，A、B处理土壤中细菌和真菌数量均显著高于CK-2、CK-1处理，且第2年较第1年增幅大，说明木薯加工废弃物有机肥提供的营养物质有效促进了土壤中细菌、放线菌、真菌的繁衍，持续施用增殖效果更佳，这与前人研究结果相似[18-19]。但不同处理土壤微生物的繁殖能力有所差异，有机无机肥配施的B处理优于单施有机肥的A处理，这可能是由于不同有机肥施入量改变了土壤中的碳/氮比例，而土壤碳/氮与土壤微生物繁衍能力密切相关。
朱新萍等[21]研究表明，土壤脲酶、蔗糖酶活性与碱解氮、速效氮含量成正相关关系，蔗糖酶同时参与土壤碳素循环，酶促有机物质的矿化分解，而土壤磷酸酶活性影响着土壤磷素不同形态间的相互转化。本试验选取了3种与土壤有机质及速效养分转化分解密切相关的酶进行研究，结果表明，除第1年西瓜定植后第15天脲酶、第15天、第40天酸性磷酸酶活性外，其余各施肥处理土壤酶活性均显著高于CK-1，而各施肥处理间土壤酶活性总体上呈现A、B处理高于CK-2的趋势，其中蔗糖酶活性差异显著。说明施用木薯加工废弃物有机肥有利于保持和提高西瓜连作土壤的酶活性。连续2a试验后，和土壤本底值相比较，CK-1处理中土壤有机质及速效养分含量均显著降低，CK-2处理土壤有机质含量明显降低，氮、磷、钾速效养分含量和处理前基本保持一致，A、B均显著提高土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量，且随施用量和施用年限的增加而不断提高，此结果与土壤中微生物数量以及酶活性的动态变化规律是相互印证的，这可能与木薯加工废弃物有机肥的施人改善了土壤微生物菌群结构、提高了酶活性及碳素循环速率，加速了有机物质及速效养分的矿化分解密切相关。该结论也与钟书堂等[22]的研究结论一致。
4 结论
综上所述，木薯加工废弃物有机肥增加了西瓜连作土壤的微生物数量，提高了土壤酶活J性、有机质及速效养分含量，有利于连作西瓜土壤朝着健康的方向发展，但木薯加工废弃物有机肥的合理施用比例及对连作障碍土壤的缓解程度，需结合西瓜产量、品质以及连作土壤进行长期持续的监测来进一步证实。
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