沙棘果渣还田对水稻土性质、温室气体排放和微生物数量的影响

万清，杨小渔，吴丹，张奇春*

（1.浙江大学环境与资源学院，污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，杭州 310058；2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058）

沙棘（Hippophae rhamnoides）是一种在我国西部地区广泛分布的植物品种，起源于亚欧大陆，在欧洲西北部也有较多的分布。沙棘属于落叶小乔木或灌木，对诸多恶劣条件具有一定的适应性，可在－40～40 ℃的温度范围内生长。沙棘多生长于低湿度的冲积砾石、潮湿的斜坡与河岸上[1]，因其具有防风固沙的效果，曾一度在我国西北地区被广泛推广种植。目前，沙棘种植及其相关的副产品加工已逐步成为我国西部地区的重要产业[2]。而且，我国的沙棘总分布面积位居世界之首[3]，有着极为丰富的沙棘资源和大量亟待合理利用的果渣废弃物。

沙棘被誉为宝藏植物，所含的营养物质种类高度丰富，已被鉴定的生物活性成分就有190多种，其中不乏高含量的维生素C、A、E等成分，也包括黄酮类化合物、三萜类化合物、蛋白质、油脂、有机酸、糖类等众多有效成分[4]。研究发现：每100 g沙棘果汁含维生素C 300～1 600 mg，为番茄的25～135倍；其所含的维生素A约为胡萝卜的3倍，番茄的35倍[1]。此外，沙棘在提升免疫能力、调节血脂、促进机体微循环等方面都存在一定优势，在食品、药品领域具有较大的开发潜力，可制作为果酱、果冻、糖浆和抗氧化剂等。但果渣废弃物的资源化利用途径仍较为局限，目前报道的较为高效的利用方式是加工成保健品[5]、栽培基质[6]、动物饲料[7]、果渣食品[8]、膳食纤维咀嚼片[9]等。在产业发展初期，往往存在大量的沙棘亟待合理处理，以避免其果渣的大量浪费。果渣还田应用是较为符合生态学循环规律且容易实现的沙棘处理方法，但目前有关沙棘果渣还田应用的研究仍较为缺乏，值得深入探究。本研究通过对比生物质炭、生物陶粒等材料，探究沙棘果渣在还田后对土壤理化性质、温室气体排放和微生物数量等多方面的影响，以期更加全面地揭示沙棘果渣在还田应用中存在的价值和风险。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

供试土壤采集自浙江省宁波市鄞州区横溪镇（29°40′05″N，121°35′41″E），土壤类型为水稻土，该地属亚热带季风气候区，年均气温17.2 ℃，年均降水量1 431.6 mm，年日照时数1 850 h，年均相对湿度77%。采用随机布点法进行土壤样品采集，多点样品混合，采样深度0～20 cm，自然风干，除去石块和草根等杂质，过孔径2 mm 筛后备用。试验土壤基本理化性质如表1所示。

表1 试验土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of test soil

1.2 试验设计

采用土壤培养试验，以水稻土为培养土壤，设置沙棘果渣（R）、生物质炭（B）、生物陶粒（T）3组不同材料处理，以自然培养组作为对照（CK），每个处理3次重复。试验所用材料的主要性质如表2所示。具体操作如下：将不同材料与珍珠岩按质量比1∶1进行混合，分装成密封小袋，于121 ℃高温条件下灭菌30 min后待用。取风干的供试水稻土，加水至田间持水量的70%，稳定化处理1周后，按土壤质量（干质量）的1%将上述混合材料分别添加至土壤中，混合均匀后进行培养，空白组不添加任何材料。用不同材料处理后的土壤分为两部分：一部分将500 g土壤置于1 L培养桶中，于28 ℃培养箱中恒温培养28 d，定期补充水分，分别在0、7、14、21、28 d 采集土壤样品；另一部分将5 g土壤置于敞口玻璃培养瓶中，于28 ℃培养箱中恒温培养28 d，定期补充水分，分别在0、7、14、21、28 d采集气体样品。土壤样品主要用于测定土壤硝态氮、铵态氮和微生物数量以及土壤pH、全碳、全氮、全氢、全硫、可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）、有效磷和速效钾等各项指标，气体样品用于测定温室气体CO2、CH4和N2O的含量。

表2 所用材料的主要性质Table 2 Main properties of the applied materials

1.3 试验方法

1.3.1 土壤理化性质测定

土壤pH采用SevenCompact pH计（瑞士Mettler Toledo 公司）测定，土水比1∶2.5。土壤全碳、全氮、全氢和全硫含量采用Vario EL cube 元素分析仪（德国Elementar公司）测定。土壤DOC、DON含量采用multi N/C 3100 总有机碳/总氮仪（德国Analytik Jena公司）测定，按照土水比1∶5，在室温条件下以250 r/min振荡1 h，过滤后进行测定。土壤有效磷（Olsen-P）、速效钾含量的测定参考《土壤农化分析》[10]。土壤硝态氮、铵态氮含量采用San++连续流动分析仪（荷兰Skalar公司）测定，取2 g新鲜土壤于50 mL离心管中，加入2 mol/L氯化钾浸提液20 mL，在180 r/min的摇床中振荡1 h，过滤后进行测定。

1.3.2 土壤温室气体排放测定

土壤温室气体排放量采用气相色谱法测定。采样时封闭玻璃培养瓶，抽取5 mL待测气体，注入GC-2010 Plus气相色谱仪（日本岛津公司），分析样品中CO2、N2O、CH4的含量。

1.3.3 土壤微生物数量测定

土壤微生物数量采用平板计数法统计，所用的营养琼脂培养基的配方为蛋白胨10.0 g，牛肉膏3.0 g，氯化钠5.0 g，琼脂15.0 g，pH 7.3±0.1（25 ℃）。

1.4 参数计算

温室气体排放速率的计算公式：

F=ρ×Δc/Δt×273.15/(273.15+T)×V/m.

式中：F分别为CO2、CH4和N2O的排放速率，mg/（kg·h）、μg/（kg·h）和μg（kg·h）；ρ分别为CO2、CH4和N2O 在标准状态下的密度，kg/m3；Δc/Δt分别为一定时间内玻璃培养瓶内CO2、CH4和N2O 含量的变化速率，mg/（kg·h）、μg/（kg·h）和μg/（kg·h）（Δc为2 次采样间隔的气体含量差，mg/kg、μg/kg 和μg/kg；Δt为采样间隔时间，h）；T为培养温度，℃；V为玻璃培养瓶中气体有效空间体积，m3；m为烘干土质量，kg。

气体累积排放量的计算公式：

式中：Ec分别为CO2、CH4和N2O的气体累积排放量，mg/kg、μg/kg和μg/kg；i为采样次数；t为采样时间，d。

全球增温潜势（global warming potential,GWP）的计算公式：

GWP=ECO2+(ECH4×34+EN2O×298)/1 000.

式中：ECO2为CO2累积排放量，mg/kg；ECH4为CH4累积排放量，µg/kg；EN2O为N2O累积排放量，µg/kg。

1.5 数据处理与统计分析

采用Origin 2018对试验数据进行图表绘制，并采用SPSS 26.0进行单因素方差分析。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对土壤理化性质的影响

2.1.1 对土壤全碳、全氮、碳氮比、DOC、DON、硝态氮和铵态氮的影响

全碳是土壤碳库的重要指标；全氮含量反映了土壤中氮素整体收支情况，是衡量农作物产量的重要指标之一。本研究中生物质炭和沙棘果渣的添加对于土壤全碳、全氮含量具有显著提升效果（图1A～B）。其中：生物质炭处理（B）的提升效果最为显著，与对照（CK）相比，全碳、全氮含量的平均提升率分别达到44.68%、25.14%，与相关文献报道的结果[11]相近，而全碳和全氮中所提升的部分主要来源于其所含的稳定性组分；沙棘果渣处理（R）的全碳和全氮含量提升程度略低于生物质炭，但增幅波动较大，全碳平均提升16.31%，全氮提升－5.28%～43.42%，说明沙棘果渣还田可能主要是增加了土壤中的活性碳、氮部分。生物陶粒处理（T）作为一种对比土壤添加剂，对土壤全碳和全氮含量的增幅弱于其他2 种处理。土壤碳氮比（C/N）反映土壤全碳和全氮的比值，与土壤中矿物态氮的动态变化关系密切[12]。研究结果表明：生物质炭处理的土壤C/N最高；而沙棘果渣处理的土壤C/N 整体呈现逐步上升的趋势，变化范围为10.59～13.38（图1C）。

图1 不同处理对土壤全碳、全氮和碳氮比的影响Fig.1 Effects of different treatments on total C,total N and C/N ratio of soil

土壤DOC 和DON 是环境中活跃的有机组分[13-14]，易被微生物和植物吸收利用。本试验结果显示，各组土壤的DOC 和DON 含量变化均存在一定的差异性（图2A～B）。沙棘果渣处理的DOC 含量显著高于对照，在0～14 d 呈近似倒“V”状变化，与相关研究结果[15]呈现相似的变化趋势。在DON含量方面，沙棘果渣处理的整体变化幅度较小，为7.74～15.88 mg/kg。这主要是由于一方面土壤外源性有机质添加促进了微生物生长繁殖，增加了土壤有机质的分解[16]，另一方面微生物代谢活动也增加了DOC、DON 的消耗[17]，加速了碳氮循环。生物质炭和生物陶粒处理的DOC 和DON 含量变化较为相似，但与沙棘果渣处理存在较大的差异。2 组处理的DOC 含量变化幅度均较低，分别为0.09～0.15、0.06～0.15 g/kg，相关生物质炭的研究具有类似的结果[18]；2 组处理的DON 含量在0～21 d 整体呈现缓慢下降的趋势。

硝态氮和铵态氮是2种主要的土壤矿物态氮类型，与氨化过程、硝化过程等主要氮循环过程密切相关[19]。沙棘果渣处理在0～7 d显著降低了土壤硝态氮含量（图2C），同邱丽丽等[20]的研究较为一致；并在试验期间显著提升了土壤铵态氮含量，平均提升率达到26.16%（图2D），与丛日环等[21]的研究相符。硝态氮含量的降低可能主要是由微生物为利用高碳氮比沙棘果渣增加了对氮素的吸收以及土壤中部分硝态氮向下层迁移造成的；铵态氮含量的增加主要是由于易利用碳的增加促进了微生物的增长，增强了沙棘果渣中有机氮的分解[22]。生物质炭和生物陶粒处理的硝态氮和铵态氮含量的变化幅度均较小，2 种处理下硝态氮含量变化范围分别为31.47～40.04、29.74～42.65 mg/kg，而铵态氮含量变化范围分别为4.11～6.33、4.87～7.34 mg/kg。两者变化幅度较小的可能原因是这2种处理材料对铵态氮和硝态氮具有较强的吸附效果[23-24]。

图2 不同处理对土壤DOC、DON、硝态氮和铵态氮的影响Fig.2 Effects of different treatments on DOC,DON,NO－3-N and NH+4-N of soil

2.1.2 对土壤pH、有效磷、速效钾、全氢和全硫的影响

在土壤pH 方面，几种材料的表现存在明显差异（图3）。沙棘果渣处理对偏酸性土壤的pH 存在显著的改良作用，pH 提升量为0.25～0.69。已有的研究显示，植物有机肥的添加对水稻土pH 存在提升效果[25]，这可能是由于植物材料中丰富的有机官能团与土壤中铝、铁的羟基氧化物之间存在配体交换，也可能与植物材料所含有机化合物的解离和结合相关[26]。生物质炭处理对pH 未呈现显著的提升性改良效果。生物陶粒处理对土壤pH的提升效果波动较大，整体改良效果弱于沙棘果渣处理。

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

有效磷和速效钾是重要的土壤速效养分，是土壤肥力的主要评估因素。各类材料的添加均整体上降低了土壤有效磷的含量，但提高了土壤速效钾的含量（图4A～B）。沙棘果渣处理对有效磷含量下降的影响最为显著，下降量为0.93～3.03 mg/kg，已有的相关研究也呈现类似现象[27]，这可能主要是由外源有机质促进微生物的无机磷向有机磷转化[28]以及土壤对无机磷的螯合作用引起的[29]。在速效钾含量方面，沙棘果渣处理具有较强的提升效果，提升了23.52～56.43 mg/kg，平均提升率为46.15%，与王立革等[30]的研究相符，但提升程度略低于生物质炭的45.89～93.82 mg/kg，略高于生物陶粒的3.63～29.85 mg/kg。沙棘果渣和生物质炭处理的速效钾含量提升主要来自材料自身携带的钾素排放和土壤解钾菌活性的强化[31]，生物陶粒处理也可能通过促进微生物生长来增加土壤钾素的矿化。

本试验中不同材料对土壤全氢、全硫含量的影响也存在一定的差异（图4C～D）。各组材料添加后土壤的全氢含量整体上均有所提升，其中生物质炭处理的提升效果较好，提升量范围为0.008%～0.038%，沙棘果渣和生物陶粒处理的提升效果次之，提升量范围分别为－0.010 0%～0.032 4%、0.002 4%～0.024 2%。各处理中全氢含量的增加部分主要来自所用材料中氢的排放。生物质炭和沙棘果渣处理的土壤全硫含量差异相对较小，而生物陶粒处理的土壤全硫含量在培养14 d后显著升高。各处理的土壤全硫含量变化主要来自所用材料中硫元素的排放，其中生物陶粒的全硫含量最高，对土壤全硫的提升效果最为显著。

图4 不同处理对土壤有效磷、速效钾、全氢和全硫的影响Fig.4 Effects of different treatments on available P,available K,total H and total S of soil

2.2 不同处理对温室气体CO2、CH4、N2O 的影响

CO2、CH4、N2O 是3 种最为重要的农业温室气体，几种材料对其排放的影响效果不尽相同（图5）。土壤中的生物代谢以及各类生物化学过程是其所排放CO2的主要来源[32]。本试验中，沙棘果渣处理在试验前期较为显著地提高了土壤中CO2的排放速率，累积排放量也居试验各组之首，后者达到1 688.34 mg/kg。这一现象正是有机材料所引起的表观激发效应的前期体现[33]，因沙棘果渣中的有机质丰富且易利用，土壤微生物代谢活动得到强化，其代谢产物CO2排放激增；而随着培养时间的延长，土壤中CO2的排放速率呈逐步降低态势，其平均下降量为2.48 mg/（kg·h），原因是在激发作用的后期，易获得的养分大量耗散，微生物数量逐步减少，整体代谢速率降低[34]。在生物质炭和生物陶粒处理中，温室气体排放速率前期与对照较为相近，因后期CO2由排放转为吸收，温室气体累积排放量显著低于对照，这可能是由于两者施入土壤后，土壤团聚体形成加速，通过物理阻隔的方式降低了微生物和酶对有机碳的分解作用[35]，同时，生物质炭中的碳组分往往较难利用，在部分土壤中也存在由生物质炭引起的负激发效应的现象[33]。本试验中各处理的土壤CH4和N2O 累积排放量较小，生物质炭、生物陶粒处理与对照的累积排放量无显著性差异，而沙棘果渣处理的土壤CH4和N2O 累积排放量均显著低于其他2 组材料，呈现一定的负排放状态，分别为－88.90、－221.94 μg/kg，对CH4和N2O 造成的温室效应具有一定的抑制效果。

图5 不同处理对土壤CO2、CH4和N2O排放速率和累积排放量的影响Fig.5 Effects of different treatments on CO2,CH4 and N2O emission rates and cumulative emission amounts of soil

从全球增温潜势（图6）来看，试验测定结果与土壤CO2累积排放量相关性较强，CH4和N2O 排放的贡献较小。这表明，与氧气接触较为充分且扰动较少的表层土壤中温室气体的贡献主要来自土壤中的有氧呼吸，而需要厌氧条件产生的温室气体的整体排放量较少。从不同处理的比较来看，沙棘果渣处理的全球增温潜势与对照相比存在显著性差异，为对照的2.39 倍，而生物质炭和生物陶粒处理的全球增温潜势整体较小，较对照降低了53.62%和46.57%，存在一定的减排潜力。

图6 不同处理对全球增温潜势的影响Fig.6 Effects of different treatments on global warming potential

2.3 不同处理对土壤微生物数量的影响

本试验中不同材料的添加对土壤微生物数量的影响具有明显差异（图7）。沙棘果渣处理的土壤微生物数量处于高水平的时间在所试材料中最长。在0～14 d沙棘果渣处理的土壤微生物数量较同期对照增加了230.4%～479.5%，这一时期平均增长率达335.6%。该现象正是土壤激发效应的一个重要表征，沙棘果渣中新鲜的有机质促进了细菌等微生物的生长，使它们在数量上出现明显的暴发[36]。在14～21 d 微生物数量出现了较为明显的下降，可能是由于一些易利用的有机质基本耗尽，土壤中的微生物回归到接近对照的正常水平。生物质炭处理后土壤微生物数量没有出现明显的大幅度提升，整体数量与对照较为接近，可能与生物质炭中的碳不易被分解利用有较大关联。生物陶粒处理后土壤微生物数量在第7 天出现了小幅度的提升，较同期对照增幅达到135.53%，这可能是由于生物陶粒中黏土的吸附性能促进了微生物的附着，同时，其内部疏松多孔的结构扩大了微生物的生存空间，为它们的进一步增殖提供了适宜条件[37]。试验后期或因养分消耗，限制了微生物的增殖，各处理均回归低微生物数量水平。

图7 不同处理对土壤微生物数量的影响Fig.7 Effects of different treatments on soil microbial numbers

3 结论

本研究显示，沙棘果渣还田对土壤理化性质、温室气体排放和微生物数量的影响显著。其中，沙棘果渣对土壤全碳、全氮、速效钾等养分存在一定的提升效果，但效果略逊于生物质炭。在活性有机质方面，相较于生物质炭，沙棘果渣能够显著地提升土壤DOC含量，具有较高的土壤碳、氮循环效率。此外，沙棘果渣对土壤微生物数量也具有明显的提升效果。在温室气体CO2排放量和全球增温潜势方面，沙棘果渣处理组的测定结果均显著高于对照，存在一定的增温风险。综合上述结果，本研究认为，沙棘果渣作为一种植物有机材料，在水稻土中添加对土壤养分含量、微生物数量提升等多方面有积极意义，具有较强的还田应用潜力，但在还田过程中仍应注意其作为有机材料可能会引起较强的增温潜势，应慎重考虑其还田用量。