玉米浆及配合其他有机物料对苏打碱土改良效果及腐殖质特性变化

2021-11-09段宏美窦森王德辉郑爽李双翼张一枫白月

农业环境科学学报 2021年10期

段宏美，窦森*，王德辉，郑爽，李双翼，张一枫，白月

（1.吉林农业大学资源与环境学院，长春130118；2.大成生化科技集团有限公司，长春 130062）

玉米浆（CSL）是湿法工艺生产玉米淀粉时的主要副产品，是一种黏稠酸性的浆体[1]。玉米浆含有大量的氨基酸、维生素和生长因子[2]，成本低廉[3]，且富含多种蛋白质、可溶性糖、矿物质等营养物质[4]，在农业上有应用潜力。

盐碱土有机质含量低，保水保肥能力差，影响作物的正常吸收和代谢机能[5]。王佳丽等[6]研究表明施用有机物料可以增加盐碱土的有机质含量，改善胡敏酸（HA）等组分的动态变化。

近年来，许多学者对有机物料改善土壤结构做了大量研究。董印丽等[7]研究发现玉米秸秆直接还田能提高土壤有机质含量，改善土壤肥力状况。SONG等[8]研究表明施用生物质炭可增加土壤有机碳的芳基碳相对含量，缩合度升高，氧化度下降，热稳定性提高，有利于土壤有机碳的稳定。郑延云等[9]研究发现，木本泥炭HA 组分的缩合度和芳香化度更高，相对难被微生物分解，腐殖化程度高。董珊珊等[10−11]研究发现，有机物料加入土壤后为微生物提供了大量有机碳源，提升了微生物新陈代谢速率。屈忠义等[12]研究表明，土壤是微生物最好的培养基，土壤中微生物的数量反映了土壤肥力的大小，对植被生长发育起着重要的作用。而玉米浆作为最廉价的有机氮源之一[3]，其具有较强的酸性[13]。赵新河等[14]研究发现，用玉米浆做微生物培养基，可以有效降低原料成本。另一方面，WU等[15]发现由于玉米浆的碳、矿物质和氮含量高，因此也被认为是很有前途的基材。本研究以吉林省苏打盐碱土为研究对象，分析玉米浆及其与不同有机物料混合对苏打盐碱土的影响，进一步了解不同有机物料改良剂配施对土壤理化性质、腐殖质组成及胡敏酸结构特性变化的影响，以期在解决资源浪费的同时增加可用的农业用地。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

本试验所用土壤于2019 年7 月采自吉林省松原市安字镇（44°52′49″ N，124°02′32″ E），土壤类型为苏打盐碱土。供试土壤的基本性质为：pH 9.41，电导率 1 087 µS·cm−1，碱解氮 18 mg·kg−1，速效磷 96.84 mg·kg−1，速效钾 153.02 mg·kg−1，碱化度 45.62%，全盐量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 供试材料

本试验使用的玉米浆来自于长春大成生物技术开发有限公司，基本性质如下：pH 3.5~5.5，有机碳含量 302.9 g·kg−1，全氮含量 17.77 g·kg−1，C/N 为 19.87，含水率65%。

试验所用玉米秸秆（包括玉米叶片和茎秆）来自吉林农业大学教学试验田，粉碎后过2 mm 筛备用。基本性质为：有机碳含量 415.3 g·kg−1，全氮含量11.91 g·kg−1，C/N为40.72。

试验所用的玉米秸秆生物炭是在450 ℃马弗炉中在氧气受限的条件下生产的生物炭。基本性质为：有机碳含量 426.3 g·kg−1，全氮含量 10.75 g·kg−1，C/N为46.10。

试验所用的草本泥炭来自于敦化市大桥乡俞家村，基本性质为：有机碳含量394.3 g·kg−1，全氮含量12.07 g·kg−1，C/N为38.21。

1.3 试验设计

试验开始于2020 年5 月，称取风干土7 kg，过5 mm 筛，放入高23 cm 直径21 cm 的圆形桶内。按玉米秸秆年产量12 000 kg·hm−2全量还田进行计算，每千克土添加5.30 g 秸秆，相当于每千克土添加2.20 g碳。通过每千克秸秆的含碳量折算出玉米浆的施入量，以此为基准共设7 个处理，分别为不添加玉米浆和有机物料的对照处理（CK）、1/2 倍量玉米浆与秸秆混合（1/2CSL+C）、1/2倍量玉米浆与生物质炭混合（1/2CSL+B）、1/2 倍玉米浆与泥炭混合（1/2CSL+P）、1/2倍用量的玉米浆（1/2CSL）、1倍量玉米浆（CSL）以及2倍量的玉米浆（2CSL），每个处理设3 次重复，通过添加玉米浆、秸秆、生物炭、泥炭4 种有机物料，找出最优的改良配方。其他有机物料的添加量按等碳量计算，玉米浆（通过含水率折算后添加湿的玉米浆）添加140 g，生物炭添加18 g，泥炭添加19 g，各处理的有机物料组成见表1。各处理的C/N 均调节为20。将有机物料与土壤充分混合，种植玉米种子3 粒，品种为翔玉998（吉林省鸿翔种业有限公司）。定期浇水、测量、记录。出苗后选取长势较好的保留1株。于2020年10 月秋收后，使用三点采样法对各处理的土壤进行均匀采集，土壤样品风干后过2 mm筛网，进行化学分析试验。

表1 试验处理方式Table 1 Test processing method

1.4 测定方法

成熟时收获玉米测定其产量；有机碳含量采用浓硫酸−重铬酸钾外加热−硫酸亚铁滴定的方法测定；腐殖质组成采用腐殖质组成修改法[16]测定；红外光谱分析采用KBr压片法对样品进行测定，仪器为美国Nico⁃let−AV360 红外光谱仪，波数范围为 4 000~400 cm−1，红外谱图的特征峰通过OMNIC软件进行选取。

1.5 数据处理

用SPSS 20.0软件对结果进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 对玉米产量及土壤pH、全盐量、碱化度的影响

各处理玉米产量及土壤pH、全盐量、碱化度如表2 所示。除2CSL 处理外，各处理玉米产量表现为：1/2CSL>1/2CSL+C>CSL>1/2CSL+P>1/2CSL+B>CK，部分处理间差异显著。与CK相比，1/2CSL、1/2CSL+C、CSL、1/2CSL+P、1/2CSL+B 分别增加了 193.65%、171.43%、165.08%、74.60%、66.67%。2CLS 处理由于过多的玉米浆阻碍了种子的发育生长[26]，没有产量。

表2 不同处理对玉米产量及pH、全盐量、碱化度的影响Table 2 Effects of different treatments on corn yield and pH，total salt content and alkalinity

各处理的pH、全盐量、碱化度较CK 均降低，pH降低了9.80%~11.09%，各处理间pH 变化不显著，全盐量降低了12.2%~44.3%，1/2CSL降幅最大。碱化度降低了12.67~26.53 个百分点，部分处理全盐量和碱化度差异显著。随着玉米浆施入量的增加，含盐量和碱化度逐渐升高。

2.2 对土壤有机碳含量及腐殖质碳含量的影响

各处理土壤有机碳含量如图1 所示。与CK 相比各处理土壤有机碳含量均提高且差异显著（2CLS、1/2CLS+P除外），具体表现为1/2CSL>CSL>1/2CSL+C>1/2CSL+B>1/2CSL+P>2CSL，分别较 CK 增加了46.19%、38.75%、33.22%、32.35%、16.44%和 6.06%。各处理中，1/2CSL效果综合最好。

腐殖质的组成成分可以直观地说明土壤养分含量的状况，不同处理的腐殖质各组分均表现为胡敏素（HM）>胡敏酸（HA）>富里酸（FA）（表3）。与CK 相比，各处理的腐殖质组分的碳含量均提高且部分处理差异显著，其中1/2CSL 效果最好，HM、HA、FA 较CK分别增加了47.45%、48.89%、117.95%。

表3 不同处理对盐碱土腐殖质组成的影响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，各处理之间差异显著，表现为CSL>1/2CSL>2CSL>1/2CSL+C>1/2CSL+B>1/2CSL+P。与CK相比，1/2CSL、CSL、2CSL、1/2CSL+C、1/2CSL+B、1/2CSL+P 处理的腐殖化程度分别提高了15.31、15.79、10.21、6.50、5.23、3.64个百分点。说明各有机物料均可以提高盐碱土的腐殖质化程度，以CSL效果最为佳。

2.3 对腐殖质特性变化的影响

2.3.1 元素组成

不同改良剂土壤HA 元素组成见表4，各个处理的HA 结构和官能团的变化，可以通过使用C、N、H、O+S 元素的含量计算 C/N、（O+S）/C、H/C 的值来表征[17]。其中，（O+S）/C 的值是用来表示 HA 碳水化合物和羧酸含量的指标[18]，H/C 的值用来表示HA 的芳香缩合度和成熟度[19]。

表4 不同处理对苏打盐碱土HA元素组成的影响Table 4 Effects of different treatments on HA element composition of soda saline−alkaline soil

与 CK 相比，不同改良剂土壤 HA 的 C、N、H 元素均有不同程度的增加，而O 元素降低，这说明不同有机物料的改良剂均能促进土壤HA 当中O 元素的消耗以及C、H、N 元素的积累。各处理（O+S）/C 值均小于CK，且各处理间无显著差异，降低了18.18%~30.68%，H/C值则与之相反，增加了13.46%~35.58%。

2.3.2 红外光谱

图2 为不同处理改良剂土壤HA 的FTIR 变化规律，表5 为不同处理改良剂土壤HA 在主要吸收峰相对强度上的差异。图2 中各处理的图谱形状走势相似，并且基本结构是相同的，但是不同处理在2 920、2 850、1 720、1 620 cm-1这4处主要吸收峰的强度上有明显的差异，说明在一些关键的官能团上存在一定的差异。2 920 cm-1处代表不对称脂族C—H 伸缩振动峰，2 850 cm-1处代表—CH2—对称脂族C—H 伸缩振动峰，1 720 cm-1处代表羧基C=O 伸缩振动的吸收峰，1 620 cm-1处代表芳香C=C伸缩振动的吸收峰[10]。对各处理HA 的FTIR 光谱主要吸收峰的相对强度进行半定量分析，HA 结构的氧化度和芳香性的强弱通过I2920/I1720和I2850/I1620的值来表示[10]。

表5 不同处理对苏打盐碱土HA的FTIR谱图主要吸收峰强度的影响Table 5 Effects of different treatments on the main absorption peak intensity of the FTIR spectrum of HA

I2920/I1720和I2920/I1620值通常用来反映胡敏酸结构氧化度、脂族性以及芳香性的强弱变化。与CK相比，各处理的HA 结构在 2 920、2 850、1 620 cm−1处的吸收强度增加，其中1/2CSL 均高于其他处理，说明有机物料施用后各处理的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，表明有机物料的施用使得土壤胡敏酸结构缩合度和氧化度下降，脂族性增强，芳香性降低，胡敏酸结构趋于脂族化、简单化、年轻化。

2.3.3 热稳定性分析

不同改良剂土壤HA的差热曲线（DTA）及热重曲线（TG）如图3 所示，对HA 热稳定进行半定量分析，结果如表6 所示。热稳定性分析结果表明，中温放热是样品结构中酸性基团、碳水化合物和脂肪酸分解的脱羧反应[19]，高温放热是样品结构中芳香结构的破坏和C—C键的裂解[20]。

表6 不同处理对苏打盐碱土HA放热和质量损失量的影响Table 6 Effects of different treatments on the heat release and weight loss of HA in soda saline−alkaline soil

所有样品均表现为中温放热（337~349 ℃）和高温放热（530~554 ℃）。与CK 相比，各处理中温、高温放热量和质量损失量均增加，相反，各处理HA 土壤中，高、中放热量和质量损失量比值降低，其中1/2CSL 最显著，热量的高中温比值和质量损失量的高中温比值分别降低了48.6%和14.2%。结果表明，施用不同有机物料改良剂会导致盐碱土土壤HA 中可分解放热的物质增加，热稳定性降低，即HA 分子中脂族化合物和芳香化合物增加，其中施入适量的玉米浆效果更为明显。

3 讨论

土壤pH 可反映土壤中多项化学作用[21]。詹绍军等[22]研究显示，有机物料施入土壤会降低土壤pH。添加有机物料改良剂可以促进土壤中Na+的淋失，降低土壤可交换性Na+浓度[23]，这与本研究结果一致。施入玉米浆及玉米浆与其他有机物料混合物可降低盐碱土pH值、含盐量和碱化度，这与改良剂对盐碱土的碳固定作用及土壤受盐碱胁迫程度有关[24]。一方面由于玉米浆中富含饱和脂肪酸[25]且本身具有比较强的酸性[1]，从而降低了土壤当中的pH，另一方面，玉米浆中同时含有铁离子、锰离子、亚硫酸根、磷酸根等多种离子[26]，它会与土壤中的离子反应，而当过多的玉米浆施入土壤，会使其中的一些离子进入饱和状态，从而增加了土壤中盐分和交换性钠离子的含量，因此2倍量玉米浆的施入对土壤的改良效果下降。

玉米产量可以直接反映出土壤改良的效果好坏。舒晓晓等[27]研究发现，有机物料的适量配比可有效促进玉米生长及产量，本研究也得到同样的结果，各处理均能提高玉米产量，以1/2CSL 处理的效果最佳，这可能是因为玉米浆富含多种维生素、氨基酸和生长刺激因子，适量的施入可以激发种子萌发及种子生长所需的营养成分。添加玉米浆后，一方面可增加土壤有机质含量，提高微生物的活性，促进了土壤的矿化作用，从而促进了植株的生长发育和生物量碳的积累[28]；另一方面，施用适量的玉米浆提高了土壤中速效氮、磷、钾的含量[26]，高氮浓度会使光合作用持续升高，促进干物质的积累，进而提高了作物的产量[29]。可能的原因还有玉米浆的施入为作物提供了良好的酸碱度环境，促进了作物的生长，但值得注意的是，添加过量的玉米浆（2CSL）会导致玉米的产量下降，这可能是因为玉米浆过量会增加土壤Mn2+含量，抑制了Fe2+和Mg2+等元素的吸收及活性，并破坏叶绿体结构，导致叶绿素合成下降及光合速率降低[30]。

腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，对土壤的肥力及理化性质有着重要作用[31]。宋祥云等[32]的研究表明，施用有机物料有利于胡敏酸中营养物质的积累，还可以提高土壤的有效养分，增加土壤的有机碳含量。这与本研究结果一致，各处理均能不同程度地增加盐碱土有机碳（图1）和腐殖质组分碳含量（表3），其中，以1/2CSL 处理最好。这可能是因为玉米浆营养丰富，且玉米浆中有许多可利用的碳源[33]，施入土壤当中可以提高土壤碳的微生物利用率。

窦森等[34]的研究表明，通过添加有机物料进行土壤培肥会改变土壤中胡敏酸的结构特征。陈晓东等[35]研究发现有机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来源之一，可以使吉林地区的盐碱土土壤HA结构趋于年轻化。徐基胜等[36]研究表明施用有机肥能增加HA 中的氨基酸、多肽或蛋白质等物质。孟凡荣等[37]结合元素分析和红外光谱分析得出，施加有机物料后，土壤HA 的缩合程度升高，氧化程度降低，同时HA 的脂族碳链结构有所增加，芳香性增强，氧化程度减弱，这与本研究结果一致。本研究结果表明，各处理均能不同程度地改善胡敏酸结构，使得盐碱土中HA 的氧化度、缩合度和热稳定性降低，脂族性增强，胡敏酸结构逐渐趋于简单化，其中以1/2CSL 处理效果最好。这是由于适量玉米浆施入土壤后促进了微生物的生长[38]，增加了土壤所需的养分，扩大了微生物的呼吸空间，促进微生物的活性，从而使得HA分子向脂族碳转化[39]。