甘蔗糖蜜酒精废液对赤红壤改良及大豆生长的影响

高何凤1，蔡献泉，徐 钢，罗栋源1，陈何潇1，狄 瑜1，张超兰

(1.广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西 南宁 530022；2.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004)

0 引 言

甘蔗含糖量高，是我国的第一大糖料作物，广西作为我国甘蔗种植和蔗糖加工总产量第一的省份，对农业经济发展有重要作用。甘蔗制糖过程中，甘蔗糖蜜进行酒精发酵会伴随产生大量成分复杂、难以处理的高浓度糖蜜酒精废液[1-2]。糖蜜酒精废液是一种来源于植物的可生物降解液，含有大量的有机物质及作物所需的多种营养元素，包括大量元素氮磷钾和钙、镁、硫、铁、锌及锰等中微量元素[3-5]。糖蜜酒精废液虽然含有丰富的可利用物质，但同时其色度、生化需氧量及化学需氧量也非常高，排放到环境中也会造成严重的污染。糖业的不断发展必然会推动糖蜜酒精废液资源化的研究，甘蔗糖蜜酒精废液含有丰富农作物所必需的营养物质，具有很高的利用价值，探索在农田直接施加糖蜜酒精废液有助于挖掘有机废弃物资源的潜在利用价值，实现废物资源化利用。目前甘蔗糖蜜酒精废液资源化利用主要是农业灌溉和生产有机肥[5-7]。而将糖蜜酒精废液应用于农业，需要重点研究酒精废液施用量和方法，以免造成土壤质量和作物产量的下降。以往大多数研究主要是针对施用糖蜜酒精废液对甘蔗生长以及土壤的理化性状[8]、单一的土壤酶活性方面[9]，而对施用酒精废液后对土壤改良的综合评价及其它作物生长研究还较少。土壤生物、理化特性是土壤质量监测和评价的主要内容，土壤微生物群落组成和土壤碳、氮、磷循环及相关酶活性对于土壤质量监测和评价至关重要，而土壤的基本性状又影响着作物的生长和产量[10]。因此，将甘蔗糖蜜酒精废液加入酸性土壤中，通过种植大豆研究其施用量对土壤养分、酶活性以及相关微生物的影响，同时探明甘蔗酒精废液对大豆生长及产量的影响，将为制糖工业与农业环境和谐发展提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自广西大学东校园(108°17′36″E,22°51′1″N)，质地为赤红壤，全氮0.62 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全钾1.23 g·kg-1，有机质7.54 g·kg-1，碱解氮38.58 mg·kg-1，有效磷24.59 mg·kg-1，速效钾8.74 mg·kg-1，土壤有机质、养分含量较低，pH 4.73，酸性较重。土壤采集后经风干，过2 mm 孔筛，备用。

1.2 试验材料

大豆品种为桂夏一号，由广西农业科学院提供。糖蜜酒精废液由广西南宁蒲庙造纸厂经曝气等处理后提供，可以施用于土壤，其pH值为3.77，废液偏酸性，应用于土壤前先稀释20倍，废液总氮含量为7.15 g·L-1,总磷含量为0.39 g·L-1,总钾含量为14.35 g·L-1，有机质含量为48 g·L-1。

1.3 试验设计

本研究在广西大学大棚试验区进行盆栽试验(108°17′43″E,22°50′59″N)，试验盆直径25 cm，高21 cm，设7个处理，每个处理3次重复，共21盆，每盆装土8 kg，相当于667m2耕层15万公斤土，具体的试验设计见表1。酒精废液稀释后淋到试验盆里，与土壤混合均匀后养护20 d，每隔1 d翻耕混匀土壤。充分混匀20 d后，播种大豆，每盆定苗4株。每个试验盆采用相同管理，不再施加其它肥料，在100 d后收获大豆时采集各处理的土壤样品(0～20 cm)，测定土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，并测定脲酶、过氧化氢酶活性及自生固氮菌数量，采收植物样品，测定大豆植株高度、荚重及百粒重。

表1 试验设计Table 1 The design of experimental plan

1.4 分析项目及测定方法

酒精废液各项目的测定采用国家标准方法[11]；土壤基本理化性状测定参照土壤农化分析[12]；土壤脲酶的测定苯酚钠-次氯酸钠比色法，土壤过氧化氢酶采用KMnO4滴定[13]；微生物相关测定参照土壤微生物分析方法手册[14]。

1.5 统计与分析

分别用SPSS 20.0、Origin 7.0和Excel 2010等软件进行分析。

2 结果与分析

2.1施用酒精废液对土壤有机质和碱解氮含量的影响

有机质含量对于评价土壤质量有重要作用，提高土壤有机质含量可以促进作物生长[15]。从表1可以看出，与CK相比，土壤有机质含量随着酒精废液施用量增加而增加，增幅为CK的1.21～1.83倍，其中T6处理土壤有机质含量最高，有机质含量达到11.0 g·kg-1，较CK提高了82.8%。与CK相比，随着酒精废液施用量的增加，土壤碱解氮含量也显著增加(P<0.05)，各处理碱解氮含量增幅为CK的1.44～2.31倍，T6处理最高达70.1 mg·kg-1，T5次之，分别较CK显著提高了131%和107%，且各处理差异达到显著水平(P<0.05)。综合来看，各酒精废液处理均显著提高了土壤有机质和碱解氮含量，均以T6处理效果最好。

注：小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。Note:The small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.图1 不同处理对土壤有机质和碱解氮含量的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil organic matter and alkalihyrolyzable N content

2.2 施用酒精废液对土壤有效磷和速效钾含量的影响

施用酒精废液对土壤有效磷含量有显著影响(P<0.05)，随着酒精废液施用量的增加，土壤有效磷含量呈显著上升趋势(图2)。各处理有效磷含量增幅为CK的1.45～5.48倍，效果最好的T6处理土壤有效磷含量达到48.9 mg·kg-1。植物生长需要丰富的钾元素，植物通过吸收大量速效钾促进酶的活化，继而影响光合作用和能量的代谢，提高土壤中速效钾含量有利于作物在体内合成碳水化合物[16]。由图2可以看出，施用酒精废液对土壤速效钾含量有显著影响，随着酒精废液施用量的增加，土壤速效钾含量也显著增加(P<0.05)。CK处理土壤中速效钾含量只有3.3 mg·kg-1，施用甘蔗糖蜜酒精废液后土壤速效钾含量显著提高，各处理速效钾含量增幅为CK的5.13～29.4倍，差异达到显著水平(P<0.05)。效果最好的T6处理土壤速效钾含量达到96.9 mg·kg-1。综合分析，与有机质和碱解氮含量结果相似，处理T6对提高土壤有效磷和速效钾含量效果最好。

图2 不同处理对土壤有效磷和速效钾含量的影响Fig.2 Effect of different treatments on soil available P and available K content

2.3 施用酒精废液对土壤pH、酶活性和好气性自生固氮菌的影响

施用甘蔗糖蜜酒精废液对土壤的pH变化有显著影响(图3)。与CK相比，各处理pH下降了0.33～0.6单位，其中T3处理pH最低为5.65，随着酒精废液施用量的增加而先降低后上升并逐渐趋向平稳，介于5.65～5.98。在种植大豆之前土壤pH值为4.73，由于酒精废液和土壤本身偏酸性，我们设想会造成土壤的pH的下降，然而，从图3可以明显看出，种植大豆后不仅CK土壤pH有所上升，其它施用了一定量的酒精废液处理的土壤pH较种植大豆前也呈现上升的趋势，而整个试验过程中没有加入对土壤pH有影响的物质，说明土壤pH的提高可能与种植大豆相关。综合分析，施用酒精废液会造成土壤pH的下降，但通过种植大豆有助于改善pH，以免土壤过于酸化。

图3 不同处理对土壤pH的影响Fig.3 Effect of different treatments on soil pH

土壤酶活性可作为全面反映土壤生物学肥力质量的潜在指标[17]。脲酶是一种促进氮有机物水解的水解酶，在脲酶作用下，尿素可被分解为植物可利用的物质，从而促进植物生长。而过氧化氢酶活性与好氧微生物数量、土壤肥力有密切的联系[18]。由表2可知：施用酒精废液显著提高了土壤脲酶活性(P<0.05)，各处理促进效应规律不明显，其中以处理T2的土壤脲酶活性最高，脲酶活性大小的顺序为：处理T2>T5>T1>T3>T6>T4>CK；同土壤脲酶变化相似，加入酒精废液后在一定程度提高了土壤过氧化氢酶的活性，除T2处理下降外，其它处理较CK显著增加了25.6%、75.2%、133%和140%(P<0.05)，各处理的过氧化氢酶活性以处理T6最高。

土壤微生物是维持土壤酶活性和土壤肥力的重要因素，施用酒精废液影响土壤好气性自生固氮菌的数量，其中处理T6显著增加土壤好气性自生固氮菌的数量(P<0.05)，而T4和T5处理减少了土壤好气性自生固氮菌的数量，其它各处理对其都有促进效应。综合来看，施用酒精废液提高了土壤脲酶、过氧化氢酶活性和好气性自生固氮菌数量，但是其促进作用与酒精废液施用量之间关系不显著。

表2不同处理对土壤酶活性和好气性自生固氮菌数量的影响
Table 2 Effect of different treatments on the enzyme activity and the quantity of azotobaeter of soil

处理Treatment脲酶活性The urease activity/(mg·(g·h)-1)过氧化氢酶活性The catalase activity/(mg·(g·h)-1)好气性自生固氮菌数量The quantity of azotobaeter/%CK0 e0.013 3 cd3.4 bcT135.2 b0.016 7 c4.4 bcT253.0 a0.011 3 d5.6 abcT321.0 c0.023 3 b7.8 abT411.1 d0.023 3 b3.3 cT535.5 b0.031 0 a1.1 cT612.1 d0.032 0 a10.0 a

注：小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note:The small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

2.4 酒精废液对大豆百粒重、荚重和植株高度的影响

各处理大豆百粒重随着施加酒精废液都有所提高(表3)，其中以处理T4对大豆百粒重效果最好，较CK显著增加了19.9%(P<0.05)，其它处理增长幅度达8.3%～16.6%。大豆荚重随着酒精废液添加量的增加而上升，到达处理T5时(1.0 kg)效果最好,较CK显著增加了92.4%，T4和T6处理分别显著增加了48.1%和49.1%(P<0.05)。与大豆荚重相似，大豆植株高度随着酒精废液添加量的增加而上升，到达处理T4时效果最好，较CK相比大豆植株高度增加了13.5%，其次是处理T3和T5，分别增加了11.5%和9.5%，可能随着酒精废液施用量增加会对大豆生长产生不利影响。综合来看，T4处理对提高大豆产量效果最好，酒精废液的施用对提高大豆的百粒重、荚重和促进植株的生长有显著影响，但要注意控制施用量，适量施用酒精废液有利于作物生长。

表3 各处理对大豆百粒重、荚重和株高的影响Table 3 The effect of different treatments on 100-grain weight,legumen weight and the plant height of soybean

3 讨 论

3.1 施用酒精废液对赤红壤改良的影响

有机质的增加可以提高土壤肥力和农业生产力，对土壤养分循环、酶活性和微生物活动有重要影响。已有研究表明，土壤有机质通过改变土壤结构来增加土壤疏松性，提高土壤微生物活性，从而加速养分的释放，改善土壤理化性质[19]。本试验结果表明，施用酒精废液有利于提高土壤有机质含量，且明显改善了土壤碱解氮、有效磷和速效钾的含量水平，促进了大豆生长发育。土壤pH影响土壤养分的有效性、微生物的新陈代谢和植物根系的生长发育等，本试验结果中，施用酒精废液及通过种植大豆这种作物有利于缓解土壤过于酸化的问题，既促进了大豆生长又改善了土壤理化性质。刀静梅等[20]研究表明施用酒精废液后显著改善了土壤各种营养成分的含量，提高了土壤pH值，本研究进一步证明了该结论。

土壤酶活性是土壤生物学活性的表现和维持土壤肥力的一个潜在指标，土壤的物质循环需要土壤酶的参与，作物养分的供给也受土壤酶活性的影响[21]。研究表明，脲酶可以促进氮矿化，能长期保持养分有效性，过氧化氢酶能够通过影响好氧微生物的代谢活性来参与土壤中物质和能量的转化，其活性的高低对土壤生物化学过程氧化还原能力有着重要影响[22]。微生物与土壤性质有着很强的相关性，微生物和酶一起参与土壤能量代谢过程[23]。自生固氮菌有利于减少土壤氮素的损失，使土壤能够保持氮量的释放[24]。本试验结果表明，各处理的土壤脲酶和过氧化氢酶活性均随酒精废液施用量的增加显著提高，莫云川等[9]研究表明施用糖蜜酒精废液可以获得与常规施肥的酶活性。说明施用甘蔗糖蜜酒精废液可以增加土壤过氧化氢酶活性，促进好氧微生物进行养分分解与释放，改善土壤微环境。本研究发现，土壤施入酒精废液对提高好气性自生固氮菌的数量有显著影响，该结果支持了酒精废液对蔗田土壤微生物数量的影响效果比常规施肥效果好的研究结论[25]。此外，大豆根系分泌物对好气性自生固氮菌数量也有影响，这方面研究有待深入探讨。

3.2 施用酒精废液促进大豆生长，提高大豆产量

虽然农田施用甘蔗糖蜜酒精废液在增产、提高土壤肥力和土壤微生物数量等方面取得了较好的效果[9,25-26]，但对于不同土壤，甘蔗糖蜜酒精废液的施用量、农作物的生长和产量以及土壤理化性质、酶及微生物等方面产生的影响需作深入细致的研究。本试验结果表明，在赤红壤上施用酒精废液，不仅促进大豆植株的生长，提高大豆的百粒重和荚重，还提高了土壤的脲酶和过氧化氢酶活性，对好气性自生固氮菌的数量也有显著影响。韦绍龙等[27]研究表明施用糖蜜酒精发酵液可以提高蕉园土壤肥力，还对香蕉生长和产量具有促进作用。当土壤保持较高有机质含量水平时，有机质可以被微生物分解形成易被植物吸收的肥料[24]。这些肥料也可以改善土壤微生物群落和生物量，这有利于酒精废液中所含功能微生物组合菌群在施入土壤后迅速繁殖，维持土壤稳定性和生态平衡。土壤酶的活性受微生物活动的影响，通过加强微生物活动来提高酶活性，而酶活性的提高有利于养分的迅速分解与转化，从而使作物拥有足够的养分吸收[28]。因此，将甘蔗糖蜜酒精废液施用于赤红壤以及种植大豆可以加强微生物的活性，通过提高土壤过氧化氢酶的活性来促进有机质、氮、磷和钾的分解和转化，改善了土壤的理化性质，提高土壤保肥能力，促进大豆植株的生长，提高了大豆的百粒重和荚重，达到废物综合利用和提高产量的目标。

4 结 论

施用甘蔗糖蜜酒精废液在一定程度上可以提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等含量，提高土壤酶的活性和土壤好气性自生固氮菌数量，通过提高微生物的生物量和土壤过氧化氢酶活性达到改良土壤的目的，而且土壤理化性质的改善有利于促进大豆植株的生长，能够与常规施肥一样提高大豆百粒重及荚重，实现资源化和提高产量的目标。在盆栽条件下，以施用酒精废液225 t·hm-2(T4处理)对提高大豆产量最好，在实际农业应用中，应注意甘蔗糖蜜酒精废液的最佳施用量，对土壤质量和作物生长进行综合长期评价。