稻秸沼渣矿化特征及对青菜生长和品质的影响

高白茹,常志州*,叶小梅,毛正荣,邹敦强,杜 静,徐跃定,张建英 (.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏省农业废弃物资源化工程技术研究中心,江苏 南京 004；.浙江省衢州市土肥与农村能源技术推广站,浙江 衢州 3400)

稻秸沼渣矿化特征及对青菜生长和品质的影响

高白茹1,常志州1*,叶小梅1,毛正荣2,邹敦强2,杜 静1,徐跃定1,张建英1(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏省农业废弃物资源化工程技术研究中心,江苏 南京 210014；2.浙江省衢州市土肥与农村能源技术推广站,浙江 衢州 324002)

以稻秸沼渣和商品有机肥为原料,采用室内培养和盆栽实验方法,研究了稻秸沼渣中碳、氮等养分释放特性以及对蔬菜产量和品质的影响.结果表明,稻秸沼渣施入土壤后可明显提高土壤有机碳矿化速率和微生物生物量碳,秸秆发酵半年的沼渣的矿化特性优于发酵一年的秸秆沼渣.秸秆沼渣有机氮的矿化特性主要表现为氮的固定,秸秆厌氧发酵越充分,沼渣矿化时有机氮越不容易被固定.相比商品有机肥,添加稻秸沼渣青菜的产量略低,但显著提高了青菜中维生素 C和水溶性糖含量,降低了硝酸盐含量,提高了青菜品质.因此,秸秆沼渣农肥化对提高蔬菜产量和品质有很好的效果.

稻秸沼渣；矿化特征；蔬菜品质；有机碳；有机氮

近年来,随着秸秆集中供气工程的迅速增加[1],秸秆沼渣的处理问题日渐突出.将沼渣农肥化利用是解决这一问题的有效途径之一.

将畜禽粪便发酵后的沼渣或者其他有机肥农肥化利用,这方面的研究很多[2-4],施用沼渣后作物的产量和品质均不同幅度的提高[5-6],但是对秸秆沼渣农肥化利用的研究还不多.近年来,随着农村秸秆集中供气工程以及秸秆大中型沼气工程的陆续实施,秸秆沼渣的产生量迅速增加,如果不采取适当的处理措施,将带来严重的二次污染.由于秸秆的碳氮比和有机质含量较高[7-8],厌氧发酵后沼渣的碳氮比和有机质含量仍较高,且木质素、纤维素等较难被微生物分解利用的有机物含量较高,这与畜禽粪便类的沼渣在物料特性方面有很大区别.此外,沼渣特征受秸秆厌氧发酵周期的影响较大,其施入土壤后的矿化特性以及对蔬菜生长的影响如何,国内外还鲜有这方面的研究报道.

本研究以厌氧发酵周期为6个月和12个月的稻秸沼渣、市场购得的商品有机肥为原料,通过室内培养和盆栽实验,研究稻秸沼渣碳、氮分解转化特性及其对青菜产量和品质的影响,旨在为秸秆沼渣农肥化利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试土壤取自江苏省农业科学院内试验田水稻土(0~20cm),基本理化性质为:pH值 7.55,电导率270µS/cm,有机质29.7g/kg,全N 1.54g/kg,全P 0.58g/kg,碱解N 124.8mg/kg,速效P 23.7mg/kg,速效K 115.4mg/kg.土壤采回后自然风干,过2mm筛后备用.

稻秸沼渣取自本实验室稻草中温干式厌氧发酵(中试)后的残留物(沼渣):沼渣1取自运行一年的发酵罐,沼渣2取自运行半年的沼气池并经2~3d堆制处理;商品有机肥购自南京宁粮生物肥料有限公司.秸秆沼渣及商品有机肥的理化特性见表 1.供试蔬菜品种为绿领矮脚黄青菜(Brassica chinensis L.),种子由江苏省明天种业公司提供.

表1 有机物料的化学特性Table 1 Chemical properties of experimental organic materials

1.2 稻秸沼渣的矿化特征研究

试验设4个处理,即添加3种有机物料的土壤和不加任何有机物料的空白土壤,每个处理重复2次.

1.2.1 有机氮矿化培养试验[9]称取过 2mm筛的风干土样10.0g,过30~60目筛的石英砂20.0g,占土壤干重 1%的有机物料,充分混匀后置于250mL三角瓶中,调节水分至最大田间持水量的70%,轻轻振动三角瓶使土壤大致水平.用聚乙烯薄膜包扎瓶口减少水分的蒸发损失,同时设不加有机物料作为对照,置于恒温箱中(30±2)℃培养.分别在第3,7,15,25,40,60,90d取样,用2mol/L KCl溶液振荡浸提1h,测定其中的NH4+-N和NO3--N,计算土壤有机氮的累积矿化量.培养过程中每隔3d用称量法补充水分,以保持土壤含水量的相对稳定,每个处理重复2次.

1.2.2 有机碳矿化培养实验[10]称取 20g过2mm筛的风干土样,加入土壤干重 1%的不同有机物料,与20g石英砂混匀后,转入0.5L塑料瓶中,然后在培养瓶里小心放入一个内装 10mL 0.1mol/L NaOH溶液的小瓶,以吸收培养期间释放的CO2,加盖密封后置于(30±2)℃的恒温箱内培养,同时设不加任何有机物料的土壤作为对照和不加土壤的空白处理,每个处理重复2次.每隔3d称重法补充水分,使土壤湿度保持在田间持水量的70%左右,定期更换NaOH溶液(前期更换频繁,后期逐渐延长更换时间),测定吸收的 CO2量,根据 CO2的释放量计算培养期间不同物料有机碳的矿化量.

1.2.3 土壤微生物量碳培养试验[10]称取预培养3d后的新鲜土样25.0g,加入土壤干重1%的不同有机物料,混匀后置于 100mL烧杯中,调节水分至最大田间持水量的 70%,轻轻振动烧杯使土表大致水平,用聚乙烯薄膜包扎杯口后置于恒温箱中(30±2)℃培养,每个处理重复2次.分别于第7,15,25,40,60,90d取样测定土壤微生物量碳含量.培养过程中每隔3d用称量法补充水分,以保持土壤含水量的相对稳定.

1.3 盆栽实验

实验设施沼渣1、商品有机肥和不施肥3个处理,每个处理 6个重复.施肥量按照总施氮量300kg/hm2添加.实验在江苏省农业科学院玻璃温室进行,栽培容器为高25cm、直径20cm的塑料花盆,每盆装5kg去除根系和石块的土壤.2009年2月26日播种青菜,3月20日留取长势一致的幼苗,每盆定植6株.实验期间每15d取土样一次测定碱解氮.2009年4月26日采收后测定植株的生物量和生理指标(叶绿素、硝酸盐、可溶性糖、维生素C).

1.4 测定方法

植株生物量采用烘干称重法测定;叶绿素含量采用乙醇法[11]测定;硝酸盐含量采用硫酸-水杨酸比色法测定;可溶性糖含量采用苯酚比色法测定;还原性维生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[12];土壤pH值、电导率(EC)的测定,水土比为5:1搅拌30min后,分别采用PHS-2F型pH计和DDS-307型电导率仪测定pH值和EC;土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾的测定采用常规分析方法[13];有机肥的有机质、全氮、全磷、全钾的测定,采用有机肥料农业行业标准NY525-2002[14].

1.5 数据分析方法

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理和统计分析.

2 结果与讨论

2.1 不同有机物料有机氮的矿化特性

添加有机物料土壤的矿质态氮含量与未添加有机物料土壤矿质态氮含量的差值,能够反映有机物料有机氮的净矿化量.由图1可知,土壤净氮矿化的变化,添加商品有机肥处理与添加沼渣的处理存在明显的差别;在整个培养过程中,添加商品有机肥的处理,土壤氮表现为净释放,这可能是因为商品有机肥C/N比(表1)较低,促进了土壤微生物对有机氮的矿化;添加沼渣的土壤氮净矿化量较为复杂,1~10d为净氮释放,该阶段存在氮的释放,10~50d土壤净氮矿化量为负值,该阶段主要为氮的固定,60d后土壤又为净氮释放,沼渣2净氮释放量小于沼渣1,但净氮固定量大于沼渣1,表明有机物料越稳定越不利于氮的固定,这可能是因为沼渣 2中仍含有较多易被微生物利用的速效氮,被微生物合成为自身细胞组分,实验后期由于微生物的新陈代谢,部分微生物死亡,添加沼渣2的土壤净氮释放量缓慢增加,这与土壤有机碳矿化的结果一致.

图1 不同处理下净氮矿化的动态变化Fig.1 Changes of net nitrogen mineralization of different treatments during experiment process

2.2 不同有机物料有机碳的矿化特性

土壤基础呼吸速率动态变化可表征有机碳矿化强度,与土壤添加物自身分解特性密切相关.从图2可以看出,各处理土壤有机碳日均矿化量的变化趋势基本相似,均为先增加后降低,最终维持在相对较低的水平.从日均矿化量的数值来看,沼渣2>沼渣1>有机肥>土壤.秸秆的厌氧发酵时间越长,沼渣的日均矿化量越低.沼渣的日均矿化量远大于有机肥和对照土壤,这是因为沼渣中仍含有较多微生物易分解的有机物,厌氧发酵时间越长沼渣中残留的易分解有机物含量越低.培养初期(0~30d)沼渣中易被微生物利用的营养物质很快被微生物利用,形成较高的呼吸量,随着反应的进行,沼渣中剩余更多的是细胞壁、结构性物质和较稳定的次级代谢物,难以被微生物进一步利用[15],使得土壤碳矿化速率下降(30~90d)并趋于平稳,直至无法测出.

由图3可以看出,各处理有机碳的累积矿化量在实验过程中均不断增加,前期有机碳矿化速率较快,后期趋于平缓稳定.实验过程中,各处理有机碳的累积矿化量大小依次为:沼渣 2>沼渣1>有机肥>土壤.沼渣的有机碳累积矿化量明显大于有机肥和土壤,这是因为稻秸沼渣中含有更多可以被土壤微生物利用的碳源化合物.

图2 不同处理土壤有机碳日均矿化量Fig.2 Average daily carbon mineralization of different treatments

图3 不同处理土壤有机碳累积矿化量Fig.3 Cumulative carbon mineralization of different treatments

2.3 土壤微生物量碳的动态变化

土壤微生物是碳和氮同化-矿化过程的驱动力,其生物量是反映土壤肥力的重要指标[16].培养期间不同处理土壤中微生物量碳变化曲线见图4.

由图 4可以看出,各处理的变化趋势相似,均经历了增加→降低→增加→降低的过程,土壤、沼渣1、沼渣2和有机肥均在实验第7d和40d出现2个峰值,之后不断下降.从土壤中微生物碳的数值来看,添加沼渣的土壤明显大于有机肥和对照,添加有机肥的土壤稍大于对照,沼渣1与沼渣2的差别不大,表明添加沼渣明显提高了土壤微生物的活性和数量,增加了微生物碳以及对氮的固定[17],对提高土壤的肥力有明显的促进作用.

图4 培养期间不同处理土壤中微生物量碳的动态变化Fig.4 Changes of MBC of different treatments during incubation period

2.4 施用稻秸沼渣对蔬菜生物量及品质的影响

由表2可以看出,施用沼渣或有机肥后,青菜的地上部、地下部以及整株的生物量均大幅提高,施用有机肥的效果稍好于施用沼渣的处理,但二者间差异不显著.与对照相比,施用沼渣和有机肥地上部鲜重增幅分别为 13.4%和 24.5%,地下部鲜重增幅分别为 42.4%和 45.9%,整株鲜重增幅分别为 14.9%和 25.7%.施用沼渣或有机肥均提高了土壤的有机质和营养环境以及土壤微生物的活性,有利于青菜的生长,但施用沼渣的效果稍逊于有机肥,这是因为沼渣的C/N较高,不利于微生物的分解利用,有机肥的营养更均衡,有利于微生物的生长繁殖,微生物的活性较高,促进了青菜对养分的吸收利用;此外,由于有机肥的营养更均衡更丰富,更有利于植物的生长吸收,因此,施用有机肥的处理青菜的生物量最大.

青菜生长期间不同处理土壤碱解氮含量的变化见图 5.可以看出,各处理土壤碱解氮含量的变化曲线相似,均为先降低后增加再降低,均在第15d达到最低,第45d达到最高,且土壤碱解氮含量均以添加有机肥的最高,添加沼渣的其次,空白最低,这与有机肥的含氮量较沼渣高有关.碱解氮含量的变化反映了青菜生长对土壤氮素利用的情况.

表2 不同施肥处理对青菜生物量的影响[g/株(鲜重)]Table 2 Effects of different fertilizer on vegetable biomass [g/plant (FW)]

青菜盆栽实验持续 60d,实验结束时测定不同处理生长青菜品质,即:叶绿素、硝酸盐、可溶性糖以及维生素C含量等指标,数据见表3. 可以看出,施用沼渣和有机肥后,青菜中的叶绿素、硝酸盐、可溶性糖以及维生素C含量均大幅增加,叶绿素和硝酸盐含量以添加有机肥的最高,添加沼渣的其次,空白最低,各处理间差异显著(P< 0.05),这可能是因为:沼渣中丰富的有机质能促进土壤的反硝化作用,降低土壤硝态氮的浓度;沼渣中含有大量的钾和锰、钼等微量元素,可降低叶片的氮钾比,提高硝酸还原酶的活性[18-19];速效氮的持续供给增加了植株光合作用和蒸腾作用,加速了叶片叶绿素的合成以及硝态氮的转化;有机肥的总氮及速效氮素含量较沼渣高,有利于植物的吸收利用,从而导致植株体内叶绿素和硝酸盐含量较高.但是,添加沼渣的土壤生长出的青菜中可溶性糖含量高于添加有机肥的处理,这是因为沼渣的C/N和有机质含量较有机肥高,而植株生物量较添加有机肥的处理要低.添加沼渣的土壤生长出的青菜中维生素 C含量明显高于添加有机肥的处理,这可能是因为沼渣中含有较高含量的钾元素[20-21].

表3 不同施肥处理青菜品质Table 3 Quality datas of vegetables grown at different fertilizer conditions

3 结论

3.1 秸秆沼渣有机碳的矿化特性明显区别于商品有机肥,沼渣有机碳矿化量明显高于商品有机肥和对照土壤,且随着秸秆厌氧发酵周期延长,沼渣有机碳的矿化特性变差;秸秆沼渣有机氮的矿化特性主要表现为氮的固定,且秸秆厌氧发酵越不充分,沼渣矿化时矿物氮越容易被固定.

3.2 添加沼渣和有机肥均可大幅提高土壤的微生物量碳,沼渣的效果明显好于有机肥,沼渣1和沼渣2之间相差不大.

3.3 施入沼渣和有机肥均可大幅提高青菜的生物量和品质,施入沼渣对提高青菜的可溶性糖和维生素C含量有利,施入有机肥对提高青菜叶绿素含量更有利.

值得注意的是,由于沼渣中木质纤维类物质含量较高,在自然条件下被微生物完全分解的周期较长,施入量过大可能会影响下一茬作物的正常生长,筛选对木质纤维有快速分解能力的微生物对保证沼渣的安全高效应用具有重要意义.

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Mineralization characteristics of biogas residues of rice straw and its effect on vegetable growth.

GAO Bai-ru1, CHANG Zhi-zhou1*, YE Xiao-mei1, MAO Zheng-rong2, ZOU Dun-qiang2, DU Jing1, XU Yue-ding1, ZHANG Jian-ying1(1.Jiangsu Agricultural Waste Treatment and Recycle Engineering Research Center, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China；2.Quzhou Soil Fertilizer and Rural Energy Technical Extending Stations, Quzhou 324002, China). China Environmental Science, 2012,32(4)：647~652

It is necessary to find a reasonable and effective way to deal with large amounts of biogas residue during biogas production of rice straw. However, the nutrient release following the biogas residue application and vegetable utilization remain ambiguous. In order to determine how biogas residue of rice straw inputs affect soil carbon and nitrogen turnover and consequently vegetable yield and quality, so this study was conducted. The results of incubation experiment showed that soil carbon mineralization, nitrogen immobilization of soil microorganisms and microbial biomass carbon were significantly enhanced by the addition of biogas residue of rice straw. The biogas residue of rice straw released nitrogen more slowly than the commercial organic fertilizer. The results of pot experiment showed that, compared to commercial organic fertilizer, vegetable production was decreased slightly and content of soluble sugar and vitamin C of Chinese cabbage were increased significantly and nitrate content was decreased by biogas residue of rice straw application. Therefore, biogas residue of rice straw application was benefit for vegetable production.

biogas residue of rice straw；mineralization characteristics；vegetable quality；organic carbon；organic nitrogen

2011-07-29

农业部公益性行业(农业)科研专项(200903011-01);农业部农业科技跨越计划(2009跨 23);浙江省重大科技专项农业项目(2009C12067)

* 责任作者, 研究员, czhizhou@hotmail.com

X705

A

1000-6923(2012)04-0647-06

高白茹(1984-),女,山西榆次人,助理研究员,主要研究方向为固体废物资源化利用.