玉米秸秆与污泥的腐解物对盐碱地化学指标的影响

韩剑宏, 王旭平, 张连科, 余维佳, 焦丽燕, 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.包头市辐射环境管理处，内蒙古 包头 014010; 3.晖泽水务(青州)有限公司, 山东 青州 262500)

玉米秸秆与污泥的腐解物对盐碱地化学指标的影响

韩剑宏1, 王旭平1, 张连科1, 余维佳2, 焦丽燕3, 王维大1

(1.内蒙古科技大学 能源与环境学院, 内蒙古 包头 014010; 2.包头市辐射环境管理处，内蒙古 包头 014010; 3.晖泽水务(青州)有限公司, 山东 青州 262500)

为探索发酵后的玉米秸秆对内蒙古地区盐碱化土壤化学性质(有机质、ESP，pH值、EC、土壤代换性Na+)的影响，在实验室条件下以污泥作为接种物，将玉米秸秆在不同发酵的条件下以不同梯度的秸秆还田量施加到盐碱化土壤中，以施加未发酵的玉米秸秆为对照。结果显示：(1) 施加玉米秸秆对土壤的部分化学性质有着一定的改善，且发酵后的玉米秸秆比未发酵的玉米秸秆效果要好；(2) 当玉米秸秆与污泥的配比为2∶1且秸秆还田量为75%时，土壤的有机质含量上升幅度最大，土壤的ESP、pH值、土壤代换性Na+降低幅度最大；(3) 施加玉米秸秆对土壤的EC作用不明显，反而使EC的含量有所上升，施用发酵后的玉米秸秆尤为明显。综合考虑，在本试验条件下针对该土壤最佳参数为：玉米秸秆与污泥配比为2∶1，发酵后的玉米秸秆还田量为75%。

盐碱土; 化学性质; 玉米秸秆发酵; 污泥

盐碱地是中国主要的耕地后备资源，盐碱化土壤面积约2.66×107hm2，其中耕地面积约6.6×106hm2，且有逐年增长的趋势[1]。截至目前内蒙古土地盐渍化面积已达3.16×106hm2，其中耕地的盐渍化面积已达4.7×105hm2，占可灌面积的40%，且耕地次生盐渍化面积每年仍然以1.0×104～1.3×104hm2的速度递增[2],它不仅直接危害了生长在其上的作物，使农业减产，并且会导致土壤的肥力下降，大大降低土壤的利用率[3]。因此土壤盐碱化已成为影响区域经济发展以及生态环境的重要因素，并且寻求合适的盐碱土改良技术，对内蒙古地区生态环境的改善与土地资源的开发利用具有重要意义。

秸秆是农田土壤有机质的一项主要来源，秸秆还田有利于保持土壤肥力、改善土壤理化性状、减少土壤侵蚀，是国内外都提倡的保护性耕作措施之一，越来越受到人们的重视[4]。秸秆还田能显著增加土壤有机物的积累，提高土壤养分以及氮肥利用率，增强土壤蓄水能力和田间水利用率，从而达到改良土壤结构的目的，获得高农业生产能力[5-7]。而且秸秆发酵后能有效降低其自身的pH值[8]，施加到盐碱土中能在一定程度上降低土壤的pH值。关于秸秆的循环利用，国内外已开展了大量的研究，使其利用更具合理性、科学性。王丙文等[9]研究了不同玉米秸秆还田方式对土壤呼吸的影响，周怀平等[10]研究了秸秆还田对旱地玉米产量、效益及水分利用的影响，但前人是针对玉米秸秆直接还田等进行了一些研究，而对于将污泥作为接种物以促进玉米秸秆高效快速的发酵，并将发酵后的玉米秸秆施加到盐碱化土壤中从而得出对盐碱化土壤影响的研究偏少。因此本文旨在通过将玉米秸秆在室内进行恒温发酵，并通过研究施用发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的化学性质(有机质、代换性Na+、ESP、pH值、EC)的影响，为盐碱化土壤的改良提供理论依据和指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1) 发酵容器：发酵容器为体积2 L的容量瓶，容量瓶口用橡皮塞塞住，使发酵在密闭的厌氧条件下进行，并将其置于恒温水浴锅内，恒温容器为双列六孔的恒温水浴锅，型号：PK-98-Ⅱ。

(2) 供试玉米秸秆：在内蒙古西北部农区收集玉米秸秆，将其洗净、自然风干、切碎至2～3 cm后于密封袋中备用；

(4)供试污泥：取自内蒙古包头市南郊污水处理厂，将取回的污泥于实验室内自然风干、磨细过2 mm筛后置于密封袋中备用，其基本理化性质：土壤的pH值、EC、含水率、有机质、全氮、全磷、全钾、Ni、Pb、Cu、Zn、Cd、Ca、Mg分别为7.26,5.0 mS/cm，5.0%，204.43 g/kg，34.46 g/kg，7.31 g/kg，1.38 g/kg，56.15 mg/kg，62.60 mg/kg，210.54 mg/kg。

1.2 试验设计

采用室内培养法研究玉米秸秆与污泥不同比例发酵对盐碱化土壤化学性质的影响。玉米秸秆发酵时，将切碎后的玉米秸秆和污泥按照4个配比，即1∶1，2∶1，3∶1，6∶1(下文中用SM1，SM2，SM3，SM6代替)，分别装入体积为2 L的发酵容器内，容器内加入适量的去离子水，使容器内物质的总体积达1 L左右，容器瓶口经橡皮塞密封后置于恒温水浴锅内，温度设置为35℃,每个配比的发酵时间均为40 d；在发酵完成后，将发酵好的玉米秸秆以25%，50%，75%，100%的还田量为梯度(玉米秸秆全量还田量为9 800 kg/hm2)与盐碱土混匀，放于塑料盆中，以未发酵的秸秆为对照CK,按田间持水率的60%添加水分，于25℃恒温培养，待60 d后取出土样再对其化学性质进行测定，目的是使发酵后的秸秆能与盐碱土完全混合，为保证试验数据的准确性，每组试验做3个平行样。

1.3 数据分析

试验结果统计与相关性分析分别采用Origin 9.0和SPSS 19.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 施用发酵后的玉米秸秆对土壤有机质变化的影响

由图1可以看出，施加发酵后玉米秸秆土壤的有机质含量较施加未发酵的玉米秸秆均有所增加，根据总体的趋势而言土壤中有机质的含量为SM2>SM1>SM3>SM6>CK，其主要原因是秸秆在微生物作用下产生腐殖质，秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素在发酵过程中产量增加，施加到土壤中增加了土壤的含碳有机化合物，提高了土壤有机质含量。当发酵时玉米秸秆与污泥的配比为2∶1时，相较于其他配比土壤有机质的增幅最大，较施加未发酵的玉米秸秆的土壤增加了2.47%～2.66%，较原土增加了2.77%～6.97%；另外，对应于不同的玉米秸秆与污泥发酵时的配比，当发酵后的玉米秸秆还田量为75%时，相较于其他的还田量土壤的有机质增幅最大，CK增加了0.83%～3.90%，SM1增加了1.83%～4.30%，SM2增加了1.08%～4.09%，SM3增加了1.65%～3.94%，SM6增加了1.20%～4.27%。因此在本试验中针对该盐碱化土壤，当发酵条件为SM2且发酵后的玉米秸秆还田量为75%时，土壤有机质含量增幅最大，相较于施加未发酵的玉米秸秆的土壤增加了2.66%，相较于原土增加了6.97%，徐蒋来等[11]在研究稻麦轮作条件下不同周年秸秆还田对土壤养分的影响时，最佳还田量条件下土壤有机质比对照提高了2.61%。因此在本试验中，施加发酵后的玉米秸秆土壤有机质的增幅更加明显，说明发酵后的玉米秸秆能在短期更加快速有效地增加土壤有机质的含量，从而在一定程度上改善了盐碱化土壤。

图1 不同处理的玉米秸秆对盐碱化土壤中有机质含量的影响

2.2 施用发酵后的玉米秸秆对土壤ESP(碱化度)和pH值变化的影响

ESP(碱化度)15和pH8.5被作为是引起土壤结构恶化和影响作物生长的关键值[12]，也是盐碱化指标，土壤的ESP和pH值对植物的生长、土壤营养元素的转化与释放及有机质的分解有很大的影响。由图2可以看出，施用发酵后的玉米秸秆，土壤pH值和ESP相对于施加不发酵的玉米秸秆的土壤都有一定程度的降低，从整体趋势上看，对于土壤的ESP和pH值都有：SM2

较原土降低了47.16%～51.26%；与此同时，土壤的pH值较施加不发酵的玉米秸秆的土壤降低了1.91%～2.54%，较原土降低了3.86%～5.72%。对应于不同发酵条件下的玉米秸秆，从图2中可以看出，当发酵后玉米秸秆的还田量为75%时，较其他还田量而言土壤的ESP与pH值降低的幅度最大，对土壤ESP而言，CK降低了1.43%～3.58%,SM1降低了1.95%～6.65%,SM2降低了2.22%～7.73%，SM3降低了2.23%～5.79%,SM6降低了1.33%～8.24%；对土壤pH值而言，CK降低了0.24%～1.31%,SM1降低了0.85%～1.57%,SM2降低了0.62%～1.94%，SM3降低了0.97%～1.68%,SM6降低了0.85%～1.69%。因此可以得出发酵后的玉米秸秆比未发酵的玉米秸秆施加到盐碱化土壤中的效果要好，且随着秸秆还田量的增加，土壤pH值虽有波动，但整体趋势明显下降，其主要原因是秸秆的铵态氮的消化作用以及秸秆在微生物的腐解作用过程中产生了有机酸，对碱性土壤起到中和作用，从而降低了土壤pH值，此外植物秸秆中的有机阳离子和阴离子、可溶性物质等均对土壤pH值产生影响，对于盐碱类型的土壤，土壤pH值变化主要是因为土壤中碳酸根和碳酸氢根的含量发生变化引起的碱度变化[13]。因此在本试验条件下，选择适当的发酵方案能有效地降低土壤的ESP以及pH值。

图2 不同处理的玉米秸秆对盐碱化土壤中ESP，pH值的影响

2.3 施用发酵后的玉米秸秆对土壤EC值变化的影响

土壤EC值能够反映土壤全盐量的变化[14]，因此，描述土壤盐分状况，通常采用EC值作为衡量指标。由图3可以看出，土壤的EC值相较于原土的值都有一定程度的升高，从整体趋势上看，土壤的EC值上升的幅度为：CK

图3 不同处理的玉米秸秆对盐碱化土壤中EC的影响

2.4 施用发酵后的玉米秸秆对土壤代换性Na+的影响

阳离子代换性能是土壤的重要特性，通常是评价土壤保水保肥能力的指标，尤其对碱性土壤来说，则是更为重要的土壤改良指标，碱性土壤的许多不良性质是与其代换性Na+的数量密切相关的[17]。大量的代换性Na+导致土壤的性质不断恶化。供试土壤施加玉米秸秆后，从整体趋势可以得出SM2

图4 不同处理的玉米秸秆对盐碱化土壤中代换性Na+的影响

2.5 施用发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤有机质与化学指标相关性的影响

由表1可以看出，施加发酵后玉米秸秆，盐碱化土壤的化学指标(有机质、ESP、pH值、EC、代换性Na+)均显著相关,其中有机质与其他各项指标呈负相关，其他各项指标间均呈正相关。

表1 盐碱化土壤的肥力指标以及盐碱化指标的相关性分析

注：*表示在0.01水平上相关性显著(n=12)。

3 讨 论

3.1 施用发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的影响

有试验研究表明，在盐碱土中直接加入秸秆粉，并没有起到改良土壤的作用，反而抑制了作物的生长，添加发酵后的秸秆粉能很快增加土壤养分含量，明显改善土壤的理化性质[8]。另外，随着经济的发展，城市污水处理厂中污泥的产量日益增多，但是污泥中含有大量植物所需养分，将污泥直接与盐碱土混合后能明显改善土壤肥力，促进作物对养分的吸收和利用，使土壤的pH值降低[19]。前人大部分都是分别单独利用玉米秸秆和污泥去对盐碱地的改良进行研究，因此在本试验中，将污泥作为接种物，促使玉米秸秆能高效快速的发酵，玉米秸秆发酵是在密闭的厌氧条件下进行的，由于秸秆发酵微生物菌群可以秸秆中的纤维素为底物，将其酶解为木聚糖，进而降解成木聚寡糖、木三糖和木二糖等，最后降解成木糖，然后再经无氧发酵，将其转化成有机酸，随着有机酸含氨增加，封闭的秸秆发酵容器内氢离子浓度越高，从而导致秸秆的pH值逐步下降[20]，因此污泥接种发酵后的玉米秸秆能更加有效地降低土壤的ESP，pH值、代换性Na+，同时提高了土壤有机质的含量，因而对盐碱化土壤的改良起到了一定的作用。

3.2 施用发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的肥力指标、酶活性的影响

玉米秸秆中含有大量碳、氮、磷、钾及各种微量营养元素，秸秆也是农作物生产最主要的副产品[21]，目前，利用秸秆还田对土壤肥力指标以及酶活性的研究很多。马超等[22]研究了秸秆促腐还田对土壤养分及活性有机碳的影响，王小波等[23]利用秸秆还田探究其对沙姜黑土养分的影响，以上研究表明，秸秆还田能够显著改善土壤肥力状况，为作物根系创造良好的土壤环境。土壤酶活性是表征土壤微生物活性和土壤营养状况的重要指标，大量研究表明，添加作物秸秆可增加土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶的活性。例如Martens等[24]的试验结果表明，添加秸秆的土壤脲酶的活性要比不添加的高2倍以上，徐伟国等[25]发现，秸秆还田对土壤脲酶、过氧化氢酶活性均有促进作用。但利用发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的肥力指标尤其是酶活性的研究偏少，本文通过室内短期发酵试验，对盐碱化土壤的化学指标进行了试验分析，并证实了发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的化学指标都起到了一定的作用，因此在接下来在对盐碱化土壤的肥力指标以及酶活性这两方面还有待进一步的试验研究。

4 结 论

(1) 发酵后的玉米秸秆有降低土壤ESP，pH值，代换性Na+，提高土壤有机质的作用，本试验将污泥作为玉米秸秆发酵的接种物促使玉米秸秆能快速有效的发酵，试验结果证明，发酵后的玉米秸秆对盐碱化土壤的改良具有一定的可行性。

(2) 施加不同处理的玉米秸秆时土壤的EC值均有所上升，且发酵后的玉米秸秆比未发酵的玉米秸秆上升的幅度要大，因此在降低土壤碱性的同时，控制好土壤的盐分极为重要，具体的方案还有待进一步研究。

(3) 试验结果表明发酵后玉米秸秆对土壤的化学性质有着一定的影响，从整体上而言，当发酵条件为SM2，发酵后的秸秆还田量为75%时，土壤的土壤ESP，pH值以及代换性Na+相对于其他方案而言降低到了最低值，土壤的有机质增加到最大值，因此发酵条件为SM2，发酵后的秸秆还田量为75%可推荐为改良盐碱地的可行方案。

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EffectsofCornStrawandSewageSludgeonChemicalIndicatorsofSalineAlkaliLand

HAN Jianhong1, WANG Xuping1, ZHANG Lianke1, YU Weijia2, JIAO Liyan3, WANG Weida1

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China; 2.BaotouRadiationEnvironmentManagement,Baotou,InnerMongolia014010,China; 3.HuizeWater(Qingzhou)Co.Ltd.,Qingzhou,Shandong262500,China)

In order to explore the effect of fermented corn straw on the chemical properties (organic matter, ESP, pH value, EC, soil exchangeable Na+) of saline alkali soil in Inner Mongolia area, sludge was used as inoculum under laboratory conditions, the corn straw was applied to the saline alkali soil under different fermentation conditions, with no-fermented corn straw as the control. The results showed that: (1) corn straw was applied to improve the partial chemical properties of soil, and the effect of fermented corn straw was better than that of no-fermented corn; (2) the soil organic matter content increased greatly, the ESP, pH value and exchangeable Na+significantly reduced when the ratio of corn straw and sludge was 2∶1 and the amount of straw returning was 75%; (3) the effect of corn straw on EC was not obvious, but the EC increased especially after the fermentation. Therefore, under the experimental conditions, the optimal parameters were that the ratio of corn straw and sludge was 2∶1, the fermented mass ratio of corn straw and saline alkali soil was 75%.

saline alkali soil; chemical property; corn straw fermentation; sewage sludge

2016-07-27

：2016-08-07

内蒙古自治区自然科学基金(2016MS0405;2016MS0221);内蒙古科技大学产学研合作培育基金项目(2016CXY03)

韩剑宏(1966—),女,内蒙古包头人,教授,博士,主要从事水资源管理与水污染控制技术。E-mail:hjhlpm@163.com

S156.4;S153.1

：A

：1005-3409(2017)03-0103-05