高何鳳1，蔡獻(xiàn)泉，徐 鋼，羅棟源1，陳何瀟1，狄 瑜1，張超蘭

(1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

甘蔗含糖量高，是我國(guó)的第一大糖料作物，廣西作為我國(guó)甘蔗種植和蔗糖加工總產(chǎn)量第一的省份，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要作用。甘蔗制糖過(guò)程中，甘蔗糖蜜進(jìn)行酒精發(fā)酵會(huì)伴隨產(chǎn)生大量成分復(fù)雜、難以處理的高濃度糖蜜酒精廢液[1-2]。糖蜜酒精廢液是一種來(lái)源于植物的可生物降解液，含有大量的有機(jī)物質(zhì)及作物所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素，包括大量元素氮磷鉀和鈣、鎂、硫、鐵、鋅及錳等中微量元素[3-5]。糖蜜酒精廢液雖然含有豐富的可利用物質(zhì)，但同時(shí)其色度、生化需氧量及化學(xué)需氧量也非常高，排放到環(huán)境中也會(huì)造成嚴(yán)重的污染。糖業(yè)的不斷發(fā)展必然會(huì)推動(dòng)糖蜜酒精廢液資源化的研究，甘蔗糖蜜酒精廢液含有豐富農(nóng)作物所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有很高的利用價(jià)值，探索在農(nóng)田直接施加糖蜜酒精廢液有助于挖掘有機(jī)廢棄物資源的潛在利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用。目前甘蔗糖蜜酒精廢液資源化利用主要是農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)有機(jī)肥[5-7]。而將糖蜜酒精廢液應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，需要重點(diǎn)研究酒精廢液施用量和方法，以免造成土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的下降。以往大多數(shù)研究主要是針對(duì)施用糖蜜酒精廢液對(duì)甘蔗生長(zhǎng)以及土壤的理化性狀[8]、單一的土壤酶活性方面[9]，而對(duì)施用酒精廢液后對(duì)土壤改良的綜合評(píng)價(jià)及其它作物生長(zhǎng)研究還較少。土壤生物、理化特性是土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，土壤微生物群落組成和土壤碳、氮、磷循環(huán)及相關(guān)酶活性對(duì)于土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)至關(guān)重要，而土壤的基本性狀又影響著作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[10]。因此，將甘蔗糖蜜酒精廢液加入酸性土壤中，通過(guò)種植大豆研究其施用量對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性以及相關(guān)微生物的影響，同時(shí)探明甘蔗酒精廢液對(duì)大豆生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，將為制糖工業(yè)與農(nóng)業(yè)環(huán)境和諧發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自廣西大學(xué)東校園(108°17′36″E,22°51′1″N)，質(zhì)地為赤紅壤，全氮0.62 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全鉀1.23 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)7.54 g·kg-1，堿解氮38.58 mg·kg-1，有效磷24.59 mg·kg-1，速效鉀8.74 mg·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量較低，pH 4.73，酸性較重。土壤采集后經(jīng)風(fēng)干，過(guò)2 mm 孔篩，備用。

1.2 試驗(yàn)材料

大豆品種為桂夏一號(hào)，由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。糖蜜酒精廢液由廣西南寧蒲廟造紙廠經(jīng)曝氣等處理后提供，可以施用于土壤，其pH值為3.77，廢液偏酸性，應(yīng)用于土壤前先稀釋20倍，廢液總氮含量為7.15 g·L-1,總磷含量為0.39 g·L-1,總鉀含量為14.35 g·L-1，有機(jī)質(zhì)含量為48 g·L-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在廣西大學(xué)大棚試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)(108°17′43″E,22°50′59″N)，試驗(yàn)盆直徑25 cm，高21 cm，設(shè)7個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共21盆，每盆裝土8 kg，相當(dāng)于667m2耕層15萬(wàn)公斤土，具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。酒精廢液稀釋后淋到試驗(yàn)盆里，與土壤混合均勻后養(yǎng)護(hù)20 d，每隔1 d翻耕混勻土壤。充分混勻20 d后，播種大豆，每盆定苗4株。每個(gè)試驗(yàn)盆采用相同管理，不再施加其它肥料，在100 d后收獲大豆時(shí)采集各處理的土壤樣品(0～20 cm)，測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，并測(cè)定脲酶、過(guò)氧化氫酶活性及自生固氮菌數(shù)量，采收植物樣品，測(cè)定大豆植株高度、莢重及百粒重。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The design of experimental plan

1.4 分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

酒精廢液各項(xiàng)目的測(cè)定采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[11]；土壤基本理化性狀測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析[12]；土壤脲酶的測(cè)定苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，土壤過(guò)氧化氫酶采用KMnO4滴定[13]；微生物相關(guān)測(cè)定參照土壤微生物分析方法手冊(cè)[14]。

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

分別用SPSS 20.0、Origin 7.0和Excel 2010等軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1施用酒精廢液對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量的影響

有機(jī)質(zhì)含量對(duì)于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量有重要作用，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)[15]。從表1可以看出，與CK相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著酒精廢液施用量增加而增加，增幅為CK的1.21～1.83倍，其中T6處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到11.0 g·kg-1，較CK提高了82.8%。與CK相比，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤堿解氮含量也顯著增加(P<0.05)，各處理堿解氮含量增幅為CK的1.44～2.31倍，T6處理最高達(dá)70.1 mg·kg-1，T5次之，分別較CK顯著提高了131%和107%，且各處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。綜合來(lái)看，各酒精廢液處理均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量，均以T6處理效果最好。

注：小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note:The small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.圖1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil organic matter and alkalihyrolyzable N content

2.2 施用酒精廢液對(duì)土壤有效磷和速效鉀含量的影響

施用酒精廢液對(duì)土壤有效磷含量有顯著影響(P<0.05)，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤有效磷含量呈顯著上升趨勢(shì)(圖2)。各處理有效磷含量增幅為CK的1.45～5.48倍，效果最好的T6處理土壤有效磷含量達(dá)到48.9 mg·kg-1。植物生長(zhǎng)需要豐富的鉀元素，植物通過(guò)吸收大量速效鉀促進(jìn)酶的活化，繼而影響光合作用和能量的代謝，提高土壤中速效鉀含量有利于作物在體內(nèi)合成碳水化合物[16]。由圖2可以看出，施用酒精廢液對(duì)土壤速效鉀含量有顯著影響，隨著酒精廢液施用量的增加，土壤速效鉀含量也顯著增加(P<0.05)。CK處理土壤中速效鉀含量只有3.3 mg·kg-1，施用甘蔗糖蜜酒精廢液后土壤速效鉀含量顯著提高，各處理速效鉀含量增幅為CK的5.13～29.4倍，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。效果最好的T6處理土壤速效鉀含量達(dá)到96.9 mg·kg-1。綜合分析，與有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量結(jié)果相似，處理T6對(duì)提高土壤有效磷和速效鉀含量效果最好。

圖2 不同處理對(duì)土壤有效磷和速效鉀含量的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil available P and available K content

2.3 施用酒精廢液對(duì)土壤pH、酶活性和好氣性自生固氮菌的影響

施用甘蔗糖蜜酒精廢液對(duì)土壤的pH變化有顯著影響(圖3)。與CK相比，各處理pH下降了0.33～0.6單位，其中T3處理pH最低為5.65，隨著酒精廢液施用量的增加而先降低后上升并逐漸趨向平穩(wěn)，介于5.65～5.98。在種植大豆之前土壤pH值為4.73，由于酒精廢液和土壤本身偏酸性，我們?cè)O(shè)想會(huì)造成土壤的pH的下降，然而，從圖3可以明顯看出，種植大豆后不僅CK土壤pH有所上升，其它施用了一定量的酒精廢液處理的土壤pH較種植大豆前也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有加入對(duì)土壤pH有影響的物質(zhì)，說(shuō)明土壤pH的提高可能與種植大豆相關(guān)。綜合分析，施用酒精廢液會(huì)造成土壤pH的下降，但通過(guò)種植大豆有助于改善pH，以免土壤過(guò)于酸化。

圖3 不同處理對(duì)土壤pH的影響Fig.3 Effect of different treatments on soil pH

土壤酶活性可作為全面反映土壤生物學(xué)肥力質(zhì)量的潛在指標(biāo)[17]。脲酶是一種促進(jìn)氮有機(jī)物水解的水解酶，在脲酶作用下，尿素可被分解為植物可利用的物質(zhì)，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。而過(guò)氧化氫酶活性與好氧微生物數(shù)量、土壤肥力有密切的聯(lián)系[18]。由表2可知：施用酒精廢液顯著提高了土壤脲酶活性(P<0.05)，各處理促進(jìn)效應(yīng)規(guī)律不明顯，其中以處理T2的土壤脲酶活性最高，脲酶活性大小的順序?yàn)椋禾幚鞹2>T5>T1>T3>T6>T4>CK；同土壤脲酶變化相似，加入酒精廢液后在一定程度提高了土壤過(guò)氧化氫酶的活性，除T2處理下降外，其它處理較CK顯著增加了25.6%、75.2%、133%和140%(P<0.05)，各處理的過(guò)氧化氫酶活性以處理T6最高。

土壤微生物是維持土壤酶活性和土壤肥力的重要因素，施用酒精廢液影響土壤好氣性自生固氮菌的數(shù)量，其中處理T6顯著增加土壤好氣性自生固氮菌的數(shù)量(P<0.05)，而T4和T5處理減少了土壤好氣性自生固氮菌的數(shù)量，其它各處理對(duì)其都有促進(jìn)效應(yīng)。綜合來(lái)看，施用酒精廢液提高了土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶活性和好氣性自生固氮菌數(shù)量，但是其促進(jìn)作用與酒精廢液施用量之間關(guān)系不顯著。

表2不同處理對(duì)土壤酶活性和好氣性自生固氮菌數(shù)量的影響
Table 2 Effect of different treatments on the enzyme activity and the quantity of azotobaeter of soil

處理Treatment脲酶活性The urease activity/(mg·(g·h)-1)過(guò)氧化氫酶活性The catalase activity/(mg·(g·h)-1)好氣性自生固氮菌數(shù)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：小寫字母表示各處理間差異顯著(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 酒精廢液對(duì)大豆百粒重、莢重和植株高度的影響

各處理大豆百粒重隨著施加酒精廢液都有所提高(表3)，其中以處理T4對(duì)大豆百粒重效果最好，較CK顯著增加了19.9%(P<0.05)，其它處理增長(zhǎng)幅度達(dá)8.3%～16.6%。大豆莢重隨著酒精廢液添加量的增加而上升，到達(dá)處理T5時(shí)(1.0 kg)效果最好,較CK顯著增加了92.4%，T4和T6處理分別顯著增加了48.1%和49.1%(P<0.05)。與大豆莢重相似，大豆植株高度隨著酒精廢液添加量的增加而上升，到達(dá)處理T4時(shí)效果最好，較CK相比大豆植株高度增加了13.5%，其次是處理T3和T5，分別增加了11.5%和9.5%，可能隨著酒精廢液施用量增加會(huì)對(duì)大豆生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。綜合來(lái)看，T4處理對(duì)提高大豆產(chǎn)量效果最好，酒精廢液的施用對(duì)提高大豆的百粒重、莢重和促進(jìn)植株的生長(zhǎng)有顯著影響，但要注意控制施用量，適量施用酒精廢液有利于作物生長(zhǎng)。

表3 各處理對(duì)大豆百粒重、莢重和株高的影響Table 3 The effect of different treatments on 100-grain weight,legumen weight and the plant height of soybean

3 討 論

3.1 施用酒精廢液對(duì)赤紅壤改良的影響

有機(jī)質(zhì)的增加可以提高土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)、酶活性和微生物活動(dòng)有重要影響。已有研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)來(lái)增加土壤疏松性，提高土壤微生物活性，從而加速養(yǎng)分的釋放，改善土壤理化性質(zhì)[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用酒精廢液有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且明顯改善了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的含量水平，促進(jìn)了大豆生長(zhǎng)發(fā)育。土壤pH影響土壤養(yǎng)分的有效性、微生物的新陳代謝和植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育等，本試驗(yàn)結(jié)果中，施用酒精廢液及通過(guò)種植大豆這種作物有利于緩解土壤過(guò)于酸化的問(wèn)題，既促進(jìn)了大豆生長(zhǎng)又改善了土壤理化性質(zhì)。刀靜梅等[20]研究表明施用酒精廢液后顯著改善了土壤各種營(yíng)養(yǎng)成分的含量，提高了土壤pH值，本研究進(jìn)一步證明了該結(jié)論。

土壤酶活性是土壤生物學(xué)活性的表現(xiàn)和維持土壤肥力的一個(gè)潛在指標(biāo)，土壤的物質(zhì)循環(huán)需要土壤酶的參與，作物養(yǎng)分的供給也受土壤酶活性的影響[21]。研究表明，脲酶可以促進(jìn)氮礦化，能長(zhǎng)期保持養(yǎng)分有效性，過(guò)氧化氫酶能夠通過(guò)影響好氧微生物的代謝活性來(lái)參與土壤中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，其活性的高低對(duì)土壤生物化學(xué)過(guò)程氧化還原能力有著重要影響[22]。微生物與土壤性質(zhì)有著很強(qiáng)的相關(guān)性，微生物和酶一起參與土壤能量代謝過(guò)程[23]。自生固氮菌有利于減少土壤氮素的損失，使土壤能夠保持氮量的釋放[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理的土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均隨酒精廢液施用量的增加顯著提高，莫云川等[9]研究表明施用糖蜜酒精廢液可以獲得與常規(guī)施肥的酶活性。說(shuō)明施用甘蔗糖蜜酒精廢液可以增加土壤過(guò)氧化氫酶活性，促進(jìn)好氧微生物進(jìn)行養(yǎng)分分解與釋放，改善土壤微環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤施入酒精廢液對(duì)提高好氣性自生固氮菌的數(shù)量有顯著影響，該結(jié)果支持了酒精廢液對(duì)蔗田土壤微生物數(shù)量的影響效果比常規(guī)施肥效果好的研究結(jié)論[25]。此外，大豆根系分泌物對(duì)好氣性自生固氮菌數(shù)量也有影響，這方面研究有待深入探討。

3.2 施用酒精廢液促進(jìn)大豆生長(zhǎng)，提高大豆產(chǎn)量

雖然農(nóng)田施用甘蔗糖蜜酒精廢液在增產(chǎn)、提高土壤肥力和土壤微生物數(shù)量等方面取得了較好的效果[9,25-26]，但對(duì)于不同土壤，甘蔗糖蜜酒精廢液的施用量、農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量以及土壤理化性質(zhì)、酶及微生物等方面產(chǎn)生的影響需作深入細(xì)致的研究。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在赤紅壤上施用酒精廢液，不僅促進(jìn)大豆植株的生長(zhǎng)，提高大豆的百粒重和莢重，還提高了土壤的脲酶和過(guò)氧化氫酶活性，對(duì)好氣性自生固氮菌的數(shù)量也有顯著影響。韋紹龍等[27]研究表明施用糖蜜酒精發(fā)酵液可以提高蕉園土壤肥力，還對(duì)香蕉生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有促進(jìn)作用。當(dāng)土壤保持較高有機(jī)質(zhì)含量水平時(shí)，有機(jī)質(zhì)可以被微生物分解形成易被植物吸收的肥料[24]。這些肥料也可以改善土壤微生物群落和生物量，這有利于酒精廢液中所含功能微生物組合菌群在施入土壤后迅速繁殖，維持土壤穩(wěn)定性和生態(tài)平衡。土壤酶的活性受微生物活動(dòng)的影響，通過(guò)加強(qiáng)微生物活動(dòng)來(lái)提高酶活性，而酶活性的提高有利于養(yǎng)分的迅速分解與轉(zhuǎn)化，從而使作物擁有足夠的養(yǎng)分吸收[28]。因此，將甘蔗糖蜜酒精廢液施用于赤紅壤以及種植大豆可以加強(qiáng)微生物的活性，通過(guò)提高土壤過(guò)氧化氫酶的活性來(lái)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的分解和轉(zhuǎn)化，改善了土壤的理化性質(zhì)，提高土壤保肥能力，促進(jìn)大豆植株的生長(zhǎng)，提高了大豆的百粒重和莢重，達(dá)到廢物綜合利用和提高產(chǎn)量的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

施用甘蔗糖蜜酒精廢液在一定程度上可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀等含量，提高土壤酶的活性和土壤好氣性自生固氮菌數(shù)量，通過(guò)提高微生物的生物量和土壤過(guò)氧化氫酶活性達(dá)到改良土壤的目的，而且土壤理化性質(zhì)的改善有利于促進(jìn)大豆植株的生長(zhǎng)，能夠與常規(guī)施肥一樣提高大豆百粒重及莢重，實(shí)現(xiàn)資源化和提高產(chǎn)量的目標(biāo)。在盆栽條件下，以施用酒精廢液225 t·hm-2(T4處理)對(duì)提高大豆產(chǎn)量最好，在實(shí)際農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)注意甘蔗糖蜜酒精廢液的最佳施用量，對(duì)土壤質(zhì)量和作物生長(zhǎng)進(jìn)行綜合長(zhǎng)期評(píng)價(jià)。