环保酵素对盐碱土关键化学性质的影响

韩剑宏， 刘泽霞， 张连科,2， 李玉梅， 姜庆宏， 王维大

(1.内蒙古科技大学 能源与环境学院， 内蒙古 包头 014010；2.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院， 陕西 西安 710055)

中国是盐碱地大国，近6.60×106hm2的耕地发生了盐碱化，土壤盐碱化问题已经严重制约中国农业可持续发展[1]。内蒙古地区耕地的盐碱土面积占总面积的16.4%，是当地非常重要的耕地后备资源[2]。而盐碱化土壤导致土壤板结，容重降低，土地质量低下，不适合耕作，成为制约内蒙古地区耕地利用的主要因素之一，表现出环境和经济两方面的危害。因此，有效利用盐碱土增加当地的耕地面积，提高粮食产量，对农业可持续发展具有重要意义。

近年来，人们开始重视利用各行业的废弃物进行盐碱土的改良，以减少经济成本，降低污染，如用食用菌后的废弃物培养菌糠[3]、脱硫石膏[4]和腐殖酸[5]、鸡粪与木醋液[6]、秸秆与污泥[7]等改良盐碱土，在降低土壤含盐量、pH值、碱化度，改变土壤性状，降低容重，增加孔隙度以及增加土壤养分方面分别取得了不同程度的效果。在2006年，来自泰国的一位名叫Rosukun的研究人员利用食物废物特殊的理化性质和丰富的营养成分开发了一种使用废弃蔬菜，水果或其果皮，糖和水等有机固体废物发酵的溶液形式产品，并将其命名为环保酵素[8]。这种环保酵素是一种复合有机物质，由有机酸，蛋白质链(酶)和矿物盐组成，其有降解，转化和催化作用[9]。在国外关于这种溶液的应用主要集中于水处理、污泥处理方面[10]，降低氨氮、磷酸盐等，但将其应用于盐碱土降低土壤盐碱化程度，提高土壤氮磷钾等养分含量的研究甚少。

本文利用环保酵素(GE)进行试验，对内蒙古地区盐碱土关键化学性质及养分含量进行改良，探讨不同环保酵素稀释比例对盐碱土的改良效果的最优稀释比例，分析确定环保酵素对盐碱土改良的特征指标，为盐碱土改良找到低成本环保材料于实际应用中提供充分的科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤于2017年11月份采用五点交叉取样法取内蒙古地区盐碱地表层土壤(0—10 cm)，该地区属北半干旱中温大陆性季风气候，季节分明，年降水量421.8 mm(多为6月至8月)。当地多年平均气温为6～8 ℃，供试土壤基本性质见表1。

供试环保酵素(表2)：根据Rosukon Poompanvong的研究[10]采用1份红糖、3份丢弃腐烂的水果皮、菜叶等鲜厨余、10份水为比例，发酵3个月制成。

1.2 试验设计

试验采用室内土壤培养法，共设4个处理∶未施肥(CK)、环保酵素(ml)∶水(ml)(GE1=1∶200)、环保酵素(GE2=1∶500)、环保酵素(GE3=1∶800)，其施用量见表3。每个处理3次重复，随机排列。于2018 年3月10日将环保酵素液按照50 ml的用量灌施到装有300 g盐碱土底部直径为10 cm，上口径18 cm，高12 cm的塑料盆钵中。试验用土经自然风干后，除去碎石，土层厚度约为10 cm，盆钵底部均有排水孔，铺有双层尼龙网以防土壤流失和保持水分的流通，并有托盘，在不施环保酵素液期间不进行灌水，试验持续3个月，将盆钵中盐碱土混合均匀，并分别在土壤培养时间间隔3，5，10，15，20 d采集土壤样品，用于土壤化学性质和养分指标的分析。

表1 原土壤基本理化性质

表2 环保酵素基本理化性质

表3 试验设计

1.3 测定项目与方法

各指标的测定参考《土壤农化分析》[11]。pH值的测定采用1∶2.5浸提法(pH计)；EC的测定采用1∶5浸提法(电导率仪)；阳离子交换量CEC的测定采用NH4Cl-NH4OAc交换法；交换性钠离子的测定采用1N NH4OAc 交换—火焰光度法；有机质的测定采用重铬酸钾氧化法；有效磷的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗分光光度法；速效钾(醋酸铵浸提)；水解性氮的测定采用碱解扩散法；DOC的测定采用针筒过膜抽取法[12]。

1.4 数据统计

试验获得的数据采用Origin8进行绘图。研究数据和各处理之间的统计差异和相关性通过使用SPSS软件21.0版的方差分析和相关性分析来确定。不同处理间各类指标的差异采用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 环保酵素对盐碱土壤化学性质的影响

2.1.1 土壤pH值和碱化度(ESP)的变化 pH值8.5，ESP15被作为是引起土壤结构恶化的关键值[13]，也是碱化指标。图1各环保酵素稀释比例处理的土壤pH值均显著低于对照处理(p<0.05),且都有：1∶200<1∶500<1∶80010)。

注：图中GE1， GE2， GE3表示3种不同的环保酵素，分别为环保酵素原液与水的比例为： 1∶200， 1∶500， 1∶800；图中不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

图1 不同环保酵素处理下的土壤pH值和ESP的变化

2.1.2 土壤EC值的变化 土壤EC值能够反映土壤盐分含量的变化[16]，因此，描述土壤盐分状况，通常采用电导率EC值作为衡量指标。环保酵素会引起土壤EC值发生显著变化(图2)，与CK处理相比，各环保酵素稀释比例显著降低了土壤EC值，且下降的幅度为：CK<1∶200<1∶500<1∶800，由此可见当发酵条件为1∶800时，土壤的EC值相较于其他条件而言降低的最多，降幅达42.50%。分析其原因，环保酵素发酵3个月后，环保酵素液中含有多种无机阳离子和阴离子未被充分利用，从而影响土壤中各离子的含量，其乙酸与碳酸钠盐反应，降低盐分含量[17]，同时环保酵素DOC含量高，能够吸附无机盐离子如钾离子、硝酸根离子、镁离子等[18]。为了更好地控制土壤中的盐分离子，应选择合适的环保酵素发酵配比，从而使土壤的盐化程度都能得到有效地控制。

图2 不同环保酵素处理下的土壤电导率EC值的变化

2.2 土壤水溶性有机碳(DOC)的变化

土壤水溶性有机碳是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应最直接作用的有机碳[19]。如图3所示，各环保酵素处理的土壤DOC均显著高于对照处理(p<0.05)，增幅范围为13.86%～34.28%。其中1∶800环保酵素处理的土壤DOC增加幅度最大，增加了34.28%。这是由于环保酵素为土壤加入了碳基质，一方面提供了养分，提高了土壤有机碳含量；另一方面DOC和无机盐离子如钾离子、硝酸根离子、镁离子等都存在于土壤溶液中，DOC吸附这些离子，随着DOC在土壤中的周转进行运移，减弱盐分的副作用，促进有机碳的积累，提高微生物生物量，进而增加水溶性有机碳的含量[20]。高浓度环保酵素反而不利于土壤DOC持续快速增加[21]，主要原因是环保酵素会导致土壤水解性氮的降低，而微生物的生长最终会因土壤中N的缺乏受到影响，导致微生物数量的降低，使土壤中的碳的输入减少。

图3 不同环保酵素处理下的土壤DOC的变化

通过盐碱指标(pH值、EC)和DOC之间的相关性分析，评估盐碱性土壤水溶性有机碳的变化，揭示水溶性有机碳对盐碱化土壤中生物环境的影响。因此，选择不同比例处理土壤DOC，pH值，EC这3个指标进行相关性分析，结果见表4。

由表4可知，在各稀释比例下，DOC均与盐碱化指标具有良好的相关性，其中与pH值呈显著负相关(p<0.05)，与电导率EC值呈极显著负相关(p<0.01)，这表明土壤盐碱化作用减弱，水溶性有机碳含量也相对会增加。在各环保酵素稀释比例的施用下，削减了土壤盐碱障碍，增加了土壤环境中的微生物数量，降低了土壤中有机碳的氧化和分解水平，导致其分解有机碳的基质增多，从而促进了有机碳的积累，提供了良好的土壤生物环境。

2.3 土壤养分的变化

2.3.1 土壤养分含量的变化 各环保酵素稀释比例处理的土壤有机质、速效钾含量均显著高于CK处理组(p<0.05)，分别升高16.82%～79.40%，51.00%～56.54%，而水解性氮、有效磷含量均低于CK处理组(表5)，降幅达6.52%～8.48%。这是由于环保酵系GE中本身含有矿物盐成分和多种低分子量的有机酸如乙酸等，适当的环保酵素施用量，会使试验土壤变得疏松多孔[22]，增加土壤中矿物钾的含量，有利于土壤中矿物钾的有效化，促进有机质转化，所以适当的环保酵素施用比例能更好的增加土壤中养分的含量。同时环保酵素液在3个月的发酵条件下是不太稳定的[23]，液体中细菌的营养需要氮的有机化合物，而磷酸盐作为土壤中养分磷的主要存在形式，环保酵素液含有的乙酸根会与磷酸盐发生反应，转化为含碳产物，提供能量[24]，进而导致土壤中氮、磷含量降低，这与陶津等[22]的研究结果相悖，这可能是由于试验条件以及改良对象的差异所导致的。

表4不同比例处理土壤水溶性有机碳(DOC)与盐碱指标(pH值、电导率EC)的相关性

项 目pH值ECDOCpH值1.0000.049-0.708*GE1(1∶200)EC1.000-0.921 DOC1.000项 目pH值ECDOCpH值1.0000.177-0.224*GE2(1∶500)EC1.000-0.451**DOC1.000项 目pH值ECDOCpH值1.000-0.372 -0.271*GE3(1∶800)EC1.000-0.759**DOC1.000

注：*表示在0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

表5 不同比例环保酵素处理下的盐碱化土壤肥力指标的影响

注：表中列不同小写字母代表差异显著(p<0.05)

2.3.2 多变量分析 文中使用多变量统计分析技术SPSS(主成分分析，PCA)基于特征值>1.0选择主成分(PC)对改良后土壤pH值，EC，有机质，水解性氮，有效磷，速效钾和DOC进行主成分分析，主成分的特征值，累计贡献率见表6。由表6可知，第一成分、第二成分和第三成分的累计贡献率高达90.833%，原始信息仅损失9.16%，因此，可选用前3个主成分作为数据分析的有效成分。

各项指标的成分得分系数如表7所示。由表7可知3个指标是被区分的，即EC(成分1)、速效钾(成分2)和pH值(成分3)。根据PCA结果，pH值、EC和速效钾的因子得分系数高，因此可作为环保酵素对盐碱土改良的特征指标。

表6 主成分分析特征值及贡献率

表7 PCA提取统计的土壤指标的成分得分系数

注：SOM为土壤有机质。下同。

表8 第一、二和三主成分对各指标的因子负荷量

由表8可知，第一主成分与盐分指标EC呈较强的逆向负荷，与水解性氮、有效磷呈弱逆向负荷，而与pH值，CEC，SOM，速效钾，DOC呈正向负荷，表明第一主成分是反映土壤盐分状况的综合指标。另外第一主成分越大，电导率EC越小，表明环保酵素对盐碱土盐分的改良效果越明显。第二主成分与速效钾呈较强的正向负荷，与其他成分成弱正向负荷，表明第二主成分是反映土壤养分含量的综合指标。另外第二成分越大，有效钾含量越多，表明环保酵素对盐碱土有效钾的作用效果明显。第三主成分与pH值呈较强的逆向负荷，与电导率EC呈弱逆向负荷，而与其他成分成正向负荷，表明第三主成分是反映土壤碱化程度的综合指标。且第三成分越大，pH值越小，故环保酵素对盐碱土碱化程度的改良效果明显。

综合以上分析可知，环保酵素主要对盐碱土的主要影响因子为pH值，电导率EC和速效钾。

3 结 论

(1) 试验结果证明，环保酵素对盐碱化土壤的改良具有一定的可行性。不同稀释比例的环保酵素均能短期内(60 d)显著降低盐碱土的pH值，电导率EC，碱化度ESP值，同时增加土壤有机质、速效钾和水溶性有机碳含量，但土壤水解性氮和有效磷含量降低6.52%、8.48%。

(2) 试验结果分析发现盐碱化土壤盐碱指标与水溶性有机碳DOC彼此相关，同时PCA统计提取的pH值，电导率EC和速效钾是环保酵素对盐碱土改良的特征指标，主要改良了盐碱土的盐碱状况和提高了土壤中速效钾的含量。