稻秸沼渣礦化特征及對青菜生長和品質(zhì)的影響

高白茹,常志州*,葉小梅,毛正榮,鄒敦強,杜 靜,徐躍定,張建英 (.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 004；.浙江省衢州市土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站,浙江 衢州 3400)

稻秸沼渣礦化特征及對青菜生長和品質(zhì)的影響

高白茹1,常志州1*,葉小梅1,毛正榮2,鄒敦強2,杜 靜1,徐躍定1,張建英1(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210014；2.浙江省衢州市土肥與農(nóng)村能源技術(shù)推廣站,浙江 衢州 324002)

以稻秸沼渣和商品有機肥為原料,采用室內(nèi)培養(yǎng)和盆栽實驗方法,研究了稻秸沼渣中碳、氮等養(yǎng)分釋放特性以及對蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響.結(jié)果表明,稻秸沼渣施入土壤后可明顯提高土壤有機碳礦化速率和微生物生物量碳,秸稈發(fā)酵半年的沼渣的礦化特性優(yōu)于發(fā)酵一年的秸稈沼渣.秸稈沼渣有機氮的礦化特性主要表現(xiàn)為氮的固定,秸稈厭氧發(fā)酵越充分,沼渣礦化時有機氮越不容易被固定.相比商品有機肥,添加稻秸沼渣青菜的產(chǎn)量略低,但顯著提高了青菜中維生素 C和水溶性糖含量,降低了硝酸鹽含量,提高了青菜品質(zhì).因此,秸稈沼渣農(nóng)肥化對提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)有很好的效果.

稻秸沼渣；礦化特征；蔬菜品質(zhì)；有機碳；有機氮

近年來,隨著秸稈集中供氣工程的迅速增加[1],秸稈沼渣的處理問題日漸突出.將沼渣農(nóng)肥化利用是解決這一問題的有效途徑之一.

將畜禽糞便發(fā)酵后的沼渣或者其他有機肥農(nóng)肥化利用,這方面的研究很多[2-4],施用沼渣后作物的產(chǎn)量和品質(zhì)均不同幅度的提高[5-6],但是對秸稈沼渣農(nóng)肥化利用的研究還不多.近年來,隨著農(nóng)村秸稈集中供氣工程以及秸稈大中型沼氣工程的陸續(xù)實施,秸稈沼渣的產(chǎn)生量迅速增加,如果不采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?將帶來嚴(yán)重的二次污染.由于秸稈的碳氮比和有機質(zhì)含量較高[7-8],厭氧發(fā)酵后沼渣的碳氮比和有機質(zhì)含量仍較高,且木質(zhì)素、纖維素等較難被微生物分解利用的有機物含量較高,這與畜禽糞便類的沼渣在物料特性方面有很大區(qū)別.此外,沼渣特征受秸稈厭氧發(fā)酵周期的影響較大,其施入土壤后的礦化特性以及對蔬菜生長的影響如何,國內(nèi)外還鮮有這方面的研究報道.

本研究以厭氧發(fā)酵周期為6個月和12個月的稻秸沼渣、市場購得的商品有機肥為原料,通過室內(nèi)培養(yǎng)和盆栽實驗,研究稻秸沼渣碳、氮分解轉(zhuǎn)化特性及其對青菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,旨在為秸稈沼渣農(nóng)肥化利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試土壤取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)試驗田水稻土(0~20cm),基本理化性質(zhì)為:pH值 7.55,電導(dǎo)率270μS/cm,有機質(zhì)29.7g/kg,全N 1.54g/kg,全P 0.58g/kg,堿解N 124.8mg/kg,速效P 23.7mg/kg,速效K 115.4mg/kg.土壤采回后自然風(fēng)干,過2mm篩后備用.

稻秸沼渣取自本實驗室稻草中溫干式厭氧發(fā)酵(中試)后的殘留物(沼渣):沼渣1取自運行一年的發(fā)酵罐,沼渣2取自運行半年的沼氣池并經(jīng)2~3d堆制處理;商品有機肥購自南京寧糧生物肥料有限公司.秸稈沼渣及商品有機肥的理化特性見表 1.供試蔬菜品種為綠領(lǐng)矮腳黃青菜(Brassica chinensis L.),種子由江蘇省明天種業(yè)公司提供.

表1 有機物料的化學(xué)特性Table 1 Chemical properties of experimental organic materials

1.2 稻秸沼渣的礦化特征研究

試驗設(shè)4個處理,即添加3種有機物料的土壤和不加任何有機物料的空白土壤,每個處理重復(fù)2次.

1.2.1 有機氮礦化培養(yǎng)試驗[9]稱取過 2mm篩的風(fēng)干土樣10.0g,過30~60目篩的石英砂20.0g,占土壤干重 1%的有機物料,充分混勻后置于250mL三角瓶中,調(diào)節(jié)水分至最大田間持水量的70%,輕輕振動三角瓶使土壤大致水平.用聚乙烯薄膜包扎瓶口減少水分的蒸發(fā)損失,同時設(shè)不加有機物料作為對照,置于恒溫箱中(30±2)℃培養(yǎng).分別在第3,7,15,25,40,60,90d取樣,用2mol/L KCl溶液振蕩浸提1h,測定其中的NH4+-N和NO3--N,計算土壤有機氮的累積礦化量.培養(yǎng)過程中每隔3d用稱量法補充水分,以保持土壤含水量的相對穩(wěn)定,每個處理重復(fù)2次.

1.2.2 有機碳礦化培養(yǎng)實驗[10]稱取 20g過2mm篩的風(fēng)干土樣,加入土壤干重 1%的不同有機物料,與20g石英砂混勻后,轉(zhuǎn)入0.5L塑料瓶中,然后在培養(yǎng)瓶里小心放入一個內(nèi)裝 10mL 0.1mol/L NaOH溶液的小瓶,以吸收培養(yǎng)期間釋放的CO2,加蓋密封后置于(30±2)℃的恒溫箱內(nèi)培養(yǎng),同時設(shè)不加任何有機物料的土壤作為對照和不加土壤的空白處理,每個處理重復(fù)2次.每隔3d稱重法補充水分,使土壤濕度保持在田間持水量的70%左右,定期更換NaOH溶液(前期更換頻繁,后期逐漸延長更換時間),測定吸收的 CO2量,根據(jù) CO2的釋放量計算培養(yǎng)期間不同物料有機碳的礦化量.

1.2.3 土壤微生物量碳培養(yǎng)試驗[10]稱取預(yù)培養(yǎng)3d后的新鮮土樣25.0g,加入土壤干重1%的不同有機物料,混勻后置于 100mL燒杯中,調(diào)節(jié)水分至最大田間持水量的 70%,輕輕振動燒杯使土表大致水平,用聚乙烯薄膜包扎杯口后置于恒溫箱中(30±2)℃培養(yǎng),每個處理重復(fù)2次.分別于第7,15,25,40,60,90d取樣測定土壤微生物量碳含量.培養(yǎng)過程中每隔3d用稱量法補充水分,以保持土壤含水量的相對穩(wěn)定.

1.3 盆栽實驗

實驗設(shè)施沼渣1、商品有機肥和不施肥3個處理,每個處理 6個重復(fù).施肥量按照總施氮量300kg/hm2添加.實驗在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玻璃溫室進行,栽培容器為高25cm、直徑20cm的塑料花盆,每盆裝5kg去除根系和石塊的土壤.2009年2月26日播種青菜,3月20日留取長勢一致的幼苗,每盆定植6株.實驗期間每15d取土樣一次測定堿解氮.2009年4月26日采收后測定植株的生物量和生理指標(biāo)(葉綠素、硝酸鹽、可溶性糖、維生素C).

1.4 測定方法

植株生物量采用烘干稱重法測定;葉綠素含量采用乙醇法[11]測定;硝酸鹽含量采用硫酸-水楊酸比色法測定;可溶性糖含量采用苯酚比色法測定;還原性維生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[12];土壤pH值、電導(dǎo)率(EC)的測定,水土比為5:1攪拌30min后,分別采用PHS-2F型pH計和DDS-307型電導(dǎo)率儀測定pH值和EC;土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀的測定采用常規(guī)分析方法[13];有機肥的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的測定,采用有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2002[14].

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同有機物料有機氮的礦化特性

添加有機物料土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量與未添加有機物料土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的差值,能夠反映有機物料有機氮的凈礦化量.由圖1可知,土壤凈氮礦化的變化,添加商品有機肥處理與添加沼渣的處理存在明顯的差別;在整個培養(yǎng)過程中,添加商品有機肥的處理,土壤氮表現(xiàn)為凈釋放,這可能是因為商品有機肥C/N比(表1)較低,促進了土壤微生物對有機氮的礦化;添加沼渣的土壤氮凈礦化量較為復(fù)雜,1~10d為凈氮釋放,該階段存在氮的釋放,10~50d土壤凈氮礦化量為負(fù)值,該階段主要為氮的固定,60d后土壤又為凈氮釋放,沼渣2凈氮釋放量小于沼渣1,但凈氮固定量大于沼渣1,表明有機物料越穩(wěn)定越不利于氮的固定,這可能是因為沼渣 2中仍含有較多易被微生物利用的速效氮,被微生物合成為自身細(xì)胞組分,實驗后期由于微生物的新陳代謝,部分微生物死亡,添加沼渣2的土壤凈氮釋放量緩慢增加,這與土壤有機碳礦化的結(jié)果一致.

圖1 不同處理下凈氮礦化的動態(tài)變化Fig.1 Changes of net nitrogen mineralization of different treatments during experiment process

2.2 不同有機物料有機碳的礦化特性

土壤基礎(chǔ)呼吸速率動態(tài)變化可表征有機碳礦化強度,與土壤添加物自身分解特性密切相關(guān).從圖2可以看出,各處理土壤有機碳日均礦化量的變化趨勢基本相似,均為先增加后降低,最終維持在相對較低的水平.從日均礦化量的數(shù)值來看,沼渣2>沼渣1>有機肥>土壤.秸稈的厭氧發(fā)酵時間越長,沼渣的日均礦化量越低.沼渣的日均礦化量遠(yuǎn)大于有機肥和對照土壤,這是因為沼渣中仍含有較多微生物易分解的有機物,厭氧發(fā)酵時間越長沼渣中殘留的易分解有機物含量越低.培養(yǎng)初期(0~30d)沼渣中易被微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)很快被微生物利用,形成較高的呼吸量,隨著反應(yīng)的進行,沼渣中剩余更多的是細(xì)胞壁、結(jié)構(gòu)性物質(zhì)和較穩(wěn)定的次級代謝物,難以被微生物進一步利用[15],使得土壤碳礦化速率下降(30~90d)并趨于平穩(wěn),直至無法測出.

由圖3可以看出,各處理有機碳的累積礦化量在實驗過程中均不斷增加,前期有機碳礦化速率較快,后期趨于平緩穩(wěn)定.實驗過程中,各處理有機碳的累積礦化量大小依次為:沼渣 2>沼渣1>有機肥>土壤.沼渣的有機碳累積礦化量明顯大于有機肥和土壤,這是因為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.

圖2 不同處理土壤有機碳日均礦化量Fig.2 Average daily carbon mineralization of different treatments

圖3 不同處理土壤有機碳累積礦化量Fig.3 Cumulative carbon mineralization of different treatments

2.3 土壤微生物量碳的動態(tài)變化

土壤微生物是碳和氮同化-礦化過程的驅(qū)動力,其生物量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)[16].培養(yǎng)期間不同處理土壤中微生物量碳變化曲線見圖4.

由圖 4可以看出,各處理的變化趨勢相似,均經(jīng)歷了增加→降低→增加→降低的過程,土壤、沼渣1、沼渣2和有機肥均在實驗第7d和40d出現(xiàn)2個峰值,之后不斷下降.從土壤中微生物碳的數(shù)值來看,添加沼渣的土壤明顯大于有機肥和對照,添加有機肥的土壤稍大于對照,沼渣1與沼渣2的差別不大,表明添加沼渣明顯提高了土壤微生物的活性和數(shù)量,增加了微生物碳以及對氮的固定[17],對提高土壤的肥力有明顯的促進作用.

圖4 培養(yǎng)期間不同處理土壤中微生物量碳的動態(tài)變化Fig.4 Changes of MBC of different treatments during incubation period

2.4 施用稻秸沼渣對蔬菜生物量及品質(zhì)的影響

由表2可以看出,施用沼渣或有機肥后,青菜的地上部、地下部以及整株的生物量均大幅提高,施用有機肥的效果稍好于施用沼渣的處理,但二者間差異不顯著.與對照相比,施用沼渣和有機肥地上部鮮重增幅分別為 13.4%和 24.5%,地下部鮮重增幅分別為 42.4%和 45.9%,整株鮮重增幅分別為 14.9%和 25.7%.施用沼渣或有機肥均提高了土壤的有機質(zhì)和營養(yǎng)環(huán)境以及土壤微生物的活性,有利于青菜的生長,但施用沼渣的效果稍遜于有機肥,這是因為沼渣的C/N較高,不利于微生物的分解利用,有機肥的營養(yǎng)更均衡,有利于微生物的生長繁殖,微生物的活性較高,促進了青菜對養(yǎng)分的吸收利用;此外,由于有機肥的營養(yǎng)更均衡更豐富,更有利于植物的生長吸收,因此,施用有機肥的處理青菜的生物量最大.

青菜生長期間不同處理土壤堿解氮含量的變化見圖 5.可以看出,各處理土壤堿解氮含量的變化曲線相似,均為先降低后增加再降低,均在第15d達到最低,第45d達到最高,且土壤堿解氮含量均以添加有機肥的最高,添加沼渣的其次,空白最低,這與有機肥的含氮量較沼渣高有關(guān).堿解氮含量的變化反映了青菜生長對土壤氮素利用的情況.

表2 不同施肥處理對青菜生物量的影響[g/株(鮮重)]Table 2 Effects of different fertilizer on vegetable biomass [g/plant (FW)]

青菜盆栽實驗持續(xù) 60d,實驗結(jié)束時測定不同處理生長青菜品質(zhì),即:葉綠素、硝酸鹽、可溶性糖以及維生素C含量等指標(biāo),數(shù)據(jù)見表3. 可以看出,施用沼渣和有機肥后,青菜中的葉綠素、硝酸鹽、可溶性糖以及維生素C含量均大幅增加,葉綠素和硝酸鹽含量以添加有機肥的最高,添加沼渣的其次,空白最低,各處理間差異顯著(P< 0.05),這可能是因為:沼渣中豐富的有機質(zhì)能促進土壤的反硝化作用,降低土壤硝態(tài)氮的濃度;沼渣中含有大量的鉀和錳、鉬等微量元素,可降低葉片的氮鉀比,提高硝酸還原酶的活性[18-19];速效氮的持續(xù)供給增加了植株光合作用和蒸騰作用,加速了葉片葉綠素的合成以及硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化;有機肥的總氮及速效氮素含量較沼渣高,有利于植物的吸收利用,從而導(dǎo)致植株體內(nèi)葉綠素和硝酸鹽含量較高.但是,添加沼渣的土壤生長出的青菜中可溶性糖含量高于添加有機肥的處理,這是因為沼渣的C/N和有機質(zhì)含量較有機肥高,而植株生物量較添加有機肥的處理要低.添加沼渣的土壤生長出的青菜中維生素 C含量明顯高于添加有機肥的處理,這可能是因為沼渣中含有較高含量的鉀元素[20-21].

表3 不同施肥處理青菜品質(zhì)Table 3 Quality datas of vegetables grown at different fertilizer conditions

3 結(jié)論

3.1 秸稈沼渣有機碳的礦化特性明顯區(qū)別于商品有機肥,沼渣有機碳礦化量明顯高于商品有機肥和對照土壤,且隨著秸稈厭氧發(fā)酵周期延長,沼渣有機碳的礦化特性變差;秸稈沼渣有機氮的礦化特性主要表現(xiàn)為氮的固定,且秸稈厭氧發(fā)酵越不充分,沼渣礦化時礦物氮越容易被固定.

3.2 添加沼渣和有機肥均可大幅提高土壤的微生物量碳,沼渣的效果明顯好于有機肥,沼渣1和沼渣2之間相差不大.

3.3 施入沼渣和有機肥均可大幅提高青菜的生物量和品質(zhì),施入沼渣對提高青菜的可溶性糖和維生素C含量有利,施入有機肥對提高青菜葉綠素含量更有利.

值得注意的是,由于沼渣中木質(zhì)纖維類物質(zhì)含量較高,在自然條件下被微生物完全分解的周期較長,施入量過大可能會影響下一茬作物的正常生長,篩選對木質(zhì)纖維有快速分解能力的微生物對保證沼渣的安全高效應(yīng)用具有重要意義.

[1] 王 鈺,寇 巍,卞永存.秸稈資源現(xiàn)狀及秸稈沼氣效益分析 [J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟, 2009,29(12):39-41.

[2] 謝景歡,陳 鋼,袁巧霞.沼渣與化肥配合施用對溫室番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2010,21(9):2353-2357.

[3] 趙 玲,敖永華,劉榮厚.不同配比沼渣基質(zhì)對草莓生長發(fā)育及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010,41(2): 185-189.

[4] 劉麗雪,陳海濤,韓永俊.沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分測定與分析 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010,26(7):277-280.

[5] 郝鮮俊,洪堅平,高文俊.沼液沼渣對溫室迷你黃瓜品質(zhì)的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2007(5):40-43.

[6] 林 斌,羅桂華,徐慶賢,等.茶園施用沼渣等有機肥對茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響初報 [J]. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010,25(1):90-95.

[7] Abiven S, Recous S. Mineralization of crop residues on the soil surface or incorporated in the soil under controlled conditions [J]. Biological Fertilizer and Soils, 2007,43(6):849-852.

[8] 柳 敏,張 璐,宇萬太,等.有機物料中有機碳和有機氮的分解進程及分解殘留率 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007,18(11):2503-2506.

[9] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析 [M]. 3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[10] Vance E D, Brookes P C, Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C [J]. Soil Biology and Biochemistry, 1987,19:703-707.

[11] 張憲政.植物葉綠素含量測定——丙酮乙醇混合液法 [J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué), 1986,3:26-28.

[12] 李合生.植物生理生化試驗原理和技術(shù) [M]. 北京:高等教育出版社, 2000.

[13] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法 [M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版, 2000.

[14] NY525-2002 中華人民共和國有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [S].

[15] Reinertsen S A, Elliott L F, Cochran V L et al. The role of available carbon and nitrogen in determining the rate of wheat straw decomposition [J]. Soil Biology and Biochemistry, 1984,16(5):459-464.

[16] Kuzyakov A Y, Bol R. Sources and mechanisms of priming effect induced in two grassland soils amended with slurry and sugar [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006,38(4):747-758.

[17] Swift M J, Heal O W, Anderson J M. Decomposition in terrestrial ecosystems [M]. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1979.

[18] 徐衛(wèi)紅,王正銀,王 旗,等.沼氣發(fā)酵殘留物對蔬菜產(chǎn)量及品質(zhì)影響的研究進展 [J]. 中國沼氣, 2005,23(2):27-29.

[19] Abd-El Baki G K, Siefritz F, Man H –M, et al. Nitrate reductase in Zea mays L. under salinity [J]. Plant Cell Environ., 2000, 23(5):515-521.

[20] Harneet K, Thakur J C, Neena C. Effect of nitrogen and potassium on growth, yield and quality of tomato (Lycopersicon esculentum Mill) cv. Punjab Upma. Haryana [J]. Journal of Horticulture Science, 2003,32:286-288.

[21] Premuzic Z, Gárate A, Bonilla I. Production of lettuce under different fertilization treatments, yield and quality [J]. Acta Hortic., 2002,571:65-69.

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

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(200903011-01);農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)科技跨越計劃(2009跨 23);浙江省重大科技專項農(nóng)業(yè)項目(2009C12067)

* 責(zé)任作者, 研究員, czhizhou@hotmail.com

X705

A

1000-6923(2012)04-0647-06

高白茹(1984-),女,山西榆次人,助理研究員,主要研究方向為固體廢物資源化利用.