2021, Vol. 40
2. 大成生化科技集团有限公司, 长春 130062
2. Globalbiochem Technology Group Company Limited (GBT), Changchun 130062, China
玉米浆（CSL）是湿法工艺生产玉米淀粉时的主要副产品，是一种黏稠酸性的浆体[1]。玉米浆含有大量的氨基酸、维生素和生长因子[2]，成本低廉[3]，且富含多种蛋白质、可溶性糖、矿物质等营养物质[4]，在农业上有应用潜力。
盐碱土有机质含量低，保水保肥能力差，影响作物的正常吸收和代谢机能[5]。王佳丽等[6]研究表明施用有机物料可以增加盐碱土的有机质含量，改善胡敏酸（HA）等组分的动态变化。
近年来，许多学者对有机物料改善土壤结构做了大量研究。董印丽等[7]研究发现玉米秸秆直接还田能提高土壤有机质含量，改善土壤肥力状况。SONG等[8]研究表明施用生物质炭可增加土壤有机碳的芳基碳相对含量，缩合度升高，氧化度下降，热稳定性提高，有利于土壤有机碳的稳定。郑延云等[9]研究发现，木本泥炭HA组分的缩合度和芳香化度更高，相对难被微生物分解，腐殖化程度高。董珊珊等[10-11]研究发现，有机物料加入土壤后为微生物提供了大量有机碳源，提升了微生物新陈代谢速率。屈忠义等[12]研究表明，土壤是微生物最好的培养基，土壤中微生物的数量反映了土壤肥力的大小，对植被生长发育起着重要的作用。而玉米浆作为最廉价的有机氮源之一[3]，其具有较强的酸性[13]。赵新河等[14]研究发现，用玉米浆做微生物培养基，可以有效降低原料成本。另一方面，WU等[15]发现由于玉米浆的碳、矿物质和氮含量高，因此也被认为是很有前途的基材。本研究以吉林省苏打盐碱土为研究对象，分析玉米浆及其与不同有机物料混合对苏打盐碱土的影响，进一步了解不同有机物料改良剂配施对土壤理化性质、腐殖质组成及胡敏酸结构特性变化的影响，以期在解决资源浪费的同时增加可用的农业用地。
1 材料与方法 1.1 供试土壤本试验所用土壤于2019年7月采自吉林省松原市安字镇（44°52′49″ N，124°02′32″ E），土壤类型为苏打盐碱土。供试土壤的基本性质为：pH 9.41，电导率1 087 μS·cm-1，碱解氮18 mg·kg-1，速效磷96.84 mg·kg-1，速效钾153.02 mg·kg-1，碱化度45.62%，全盐量2.51 g·kg-1，CO32-含量0.827 cmol·kg-1，HCO3-含量0.430 cmol · kg-1，Cl-含量0.091 cmol · kg-1，SO42-含量0.077 cmol·kg-1，Ca2+含量0.121 cmol·kg-1，Mg2+含量0.813 cmol·kg-1，K+含量3.200 g·kg-1，Na+含量2.413 cmol·kg-1。
1.2 供试材料本试验使用的玉米浆来自于长春大成生物技术开发有限公司，基本性质如下：pH 3.5~5.5，有机碳含量302.9 g·kg-1，全氮含量17.77 g·kg-1，C/N为19.87，含水率65%。
试验所用玉米秸秆（包括玉米叶片和茎秆）来自吉林农业大学教学试验田，粉碎后过2 mm筛备用。基本性质为：有机碳含量415.3 g · kg-1，全氮含量11.91 g·kg-1，C/N为40.72。
试验所用的玉米秸秆生物炭是在450 ℃马弗炉中在氧气受限的条件下生产的生物炭。基本性质为：有机碳含量426.3 g·kg-1，全氮含量10.75 g·kg-1，C/N为46.10。
试验所用的草本泥炭来自于敦化市大桥乡俞家村，基本性质为：有机碳含量394.3 g·kg-1，全氮含量12.07 g·kg-1，C/N为38.21。
1.3 试验设计试验开始于2020年5月，称取风干土7 kg，过5 mm筛，放入高23 cm直径21 cm的圆形桶内。按玉米秸秆年产量12 000 kg·hm-2全量还田进行计算，每千克土添加5.30 g秸秆，相当于每千克土添加2.20 g碳。通过每千克秸秆的含碳量折算出玉米浆的施入量，以此为基准共设7个处理，分别为不添加玉米浆和有机物料的对照处理（CK）、1/2倍量玉米浆与秸秆混合（1/2CSL+C）、1/2倍量玉米浆与生物质炭混合（1/ 2CSL+B）、1/2倍玉米浆与泥炭混合（1/2CSL+P）、1/2倍用量的玉米浆（1/2CSL）、1倍量玉米浆（CSL）以及2倍量的玉米浆（2CSL），每个处理设3次重复，通过添加玉米浆、秸秆、生物炭、泥炭4种有机物料，找出最优的改良配方。其他有机物料的添加量按等碳量计算，玉米浆（通过含水率折算后添加湿的玉米浆）添加140 g，生物炭添加18 g，泥炭添加19 g，各处理的有机物料组成见表 1。各处理的C/N均调节为20。将有机物料与土壤充分混合，种植玉米种子3粒，品种为翔玉998（吉林省鸿翔种业有限公司）。定期浇水、测量、记录。出苗后选取长势较好的保留1株。于2020年10月秋收后，使用三点采样法对各处理的土壤进行均匀采集，土壤样品风干后过2 mm筛网，进行化学分析试验。
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表 1 试验处理方式 Table 1 Test processing method |
成熟时收获玉米测定其产量；有机碳含量采用浓硫酸-重铬酸钾外加热-硫酸亚铁滴定的方法测定；腐殖质组成采用腐殖质组成修改法[16]测定；红外光谱分析采用KBr压片法对样品进行测定，仪器为美国Nicolet-AV360红外光谱仪，波数范围为4 000~400 cm-1，红外谱图的特征峰通过OMNIC软件进行选取。
1.5 数据处理用SPSS 20.0软件对结果进行显著性差异分析。
2 结果与分析 2.1 对玉米产量及土壤pH、全盐量、碱化度的影响各处理玉米产量及土壤pH、全盐量、碱化度如表 2所示。除2CSL处理外，各处理玉米产量表现为：1/2CSL>1/2CSL+C>CSL>1/2CSL+P>1/2CSL+B>CK，部分处理间差异显著。与CK相比，1/2CSL、1/2CSL+C、CSL、1 / 2CSL + P、1 / 2CSL + B分别增加了193.65%、171.43%、165.08%、74.60%、66.67%。2CLS处理由于过多的玉米浆阻碍了种子的发育生长[26]，没有产量。
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表 2 不同处理对玉米产量及pH、全盐量、碱化度的影响 Table 2 Effects of different treatments on corn yield and pH, total salt content and alkalinity |
各处理的pH、全盐量、碱化度较CK均降低，pH降低了9.80%~11.09%，各处理间pH变化不显著，全盐量降低了12.2%~44.3%，1/2CSL降幅最大。碱化度降低了12.67~26.53个百分点，部分处理全盐量和碱化度差异显著。随着玉米浆施入量的增加，含盐量和碱化度逐渐升高。
2.2 对土壤有机碳含量及腐殖质碳含量的影响各处理土壤有机碳含量如图 1所示。与CK相比各处理土壤有机碳含量均提高且差异显著（2CLS、1/2CLS+P除外），具体表现为1/2CSL>CSL>1/2CSL+C> 1 / 2CSL + B>1 / 2CSL + P>2CSL，分别较CK增加了46.19%、38.75%、33.22%、32.35%、16.44% 和6.06%。各处理中，1/2CSL效果综合最好。
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不同小写字母代表处理间差异显著（P < 0.05） Different lowercase letters indicate significant differents among treatments(P < 0.05) 图 1 不同处理对苏打盐碱土有机碳含量的影响 Figure 1 Effects of different treatments on the organic carbon content of soda saline-alkaline soil |
腐殖质的组成成分可以直观地说明土壤养分含量的状况，不同处理的腐殖质各组分均表现为胡敏素（HM）>胡敏酸（HA）>富里酸（FA）（表 3）。与CK相比，各处理的腐殖质组分的碳含量均提高且部分处理差异显著，其中1/2CSL效果最好，HM、HA、FA较CK分别增加了47.45%、48.89%、117.95%。
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表 3 不同处理对盐碱土腐殖质组成的影响 Table 3 Effects of different treatments on the humus composition of saline-alkali soil |
HA所占比例的大小表示土壤腐殖化程度的高低，各处理之间差异显著，表现为CSL>1/2CSL>2CSL>1/2CSL+C>1/2CSL+B>1/2CSL+P。与CK相比，1/2CSL、CSL、2CSL、1/2CSL+C、1/2CSL+B、1/2CSL+P处理的腐殖化程度分别提高了15.31、15.79、10.21、6.50、5.23、3.64个百分点。说明各有机物料均可以提高盐碱土的腐殖质化程度，以CSL效果最为佳。
2.3 对腐殖质特性变化的影响 2.3.1 元素组成不同改良剂土壤HA元素组成见表 4，各个处理的HA结构和官能团的变化，可以通过使用C、N、H、O+S元素的含量计算C/N、（O+S）/C、H/C的值来表征[17]。其中，（O+S）/C的值是用来表示HA碳水化合物和羧酸含量的指标[18]，H/C的值用来表示HA的芳香缩合度和成熟度[19]。
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表 4 不同处理对苏打盐碱土HA元素组成的影响 Table 4 Effects of different treatments on HA element composition of soda saline-alkaline soil |
与CK相比，不同改良剂土壤HA的C、N、H元素均有不同程度的增加，而O元素降低，这说明不同有机物料的改良剂均能促进土壤HA当中O元素的消耗以及C、H、N元素的积累。各处理（O+S）/C值均小于CK，且各处理间无显著差异，降低了18.18%~ 30.68%，H/C值则与之相反，增加了13.46%~35.58%。
2.3.2 红外光谱图 2为不同处理改良剂土壤HA的FTIR变化规律，表 5为不同处理改良剂土壤HA在主要吸收峰相对强度上的差异。图 2中各处理的图谱形状走势相似，并且基本结构是相同的，但是不同处理在2 920、2 850、1 720、1 620 cm-1这4处主要吸收峰的强度上有明显的差异，说明在一些关键的官能团上存在一定的差异。2 920 cm-1处代表不对称脂族C—H伸缩振动峰，2 850 cm-1处代表—CH2—对称脂族C—H伸缩振动峰，1 720 cm-1处代表羧基C=O伸缩振动的吸收峰，1 620 cm-1处代表芳香C=C伸缩振动的吸收峰[10]。对各处理HA的FTIR光谱主要吸收峰的相对强度进行半定量分析，HA结构的氧化度和芳香性的强弱通过I2920/I1720和I2850/I1620的值来表示[10]。
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图 2 不同处理对苏打盐碱土HA的FTIR谱图的影响 Figure 2 Effects of different treatments on the FTIR spectra of HA in soda saline-alkaline soil |
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表 5 不同处理对苏打盐碱土HA的FTIR谱图主要吸收峰强度的影响 Table 5 Effects of different treatments on the main absorption peak intensity of the FTIR spectrum of HA |
I2920/I1720和I2920/I1620值通常用来反映胡敏酸结构氧化度、脂族性以及芳香性的强弱变化。与CK相比，各处理的HA结构在2 920、2 850、1 620 cm-1处的吸收强度增加，其中1/2CSL均高于其他处理，说明有机物料施用后各处理的I2920/I1720及I2920/I1620均提高，土壤胡敏酸的脂族碳/羧基碳和脂族碳/芳香碳增加，表明有机物料的施用使得土壤胡敏酸结构缩合度和氧化度下降，脂族性增强，芳香性降低，胡敏酸结构趋于脂族化、简单化、年轻化。
2.3.3 热稳定性分析不同改良剂土壤HA的差热曲线（DTA）及热重曲线（TG）如图 3所示，对HA热稳定进行半定量分析，结果如表 6所示。热稳定性分析结果表明，中温放热是样品结构中酸性基团、碳水化合物和脂肪酸分解的脱羧反应[19]，高温放热是样品结构中芳香结构的破坏和C—C键的裂解[20]。
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图 3 不同处理对苏打盐碱土HA的DTA和TG曲线的影响 Figure 3 Effects of different treatments on the DTA and TG curves of soda saline-alkaline soil HA |
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表 6 不同处理对苏打盐碱土HA放热和质量损失量的影响 Table 6 Effects of different treatments on the heat release and weight loss of HA in soda saline-alkaline soil |
所有样品均表现为中温放热（337~349 ℃）和高温放热（530~554 ℃）。与CK相比，各处理中温、高温放热量和质量损失量均增加，相反，各处理HA土壤中，高、中放热量和质量损失量比值降低，其中1/2CSL最显著，热量的高中温比值和质量损失量的高中温比值分别降低了48.6%和14.2%。结果表明，施用不同有机物料改良剂会导致盐碱土土壤HA中可分解放热的物质增加，热稳定性降低，即HA分子中脂族化合物和芳香化合物增加，其中施入适量的玉米浆效果更为明显。
3 讨论土壤pH可反映土壤中多项化学作用[21]。詹绍军等[22]研究显示，有机物料施入土壤会降低土壤pH。添加有机物料改良剂可以促进土壤中Na+的淋失，降低土壤可交换性Na+浓度[23]，这与本研究结果一致。施入玉米浆及玉米浆与其他有机物料混合物可降低盐碱土pH值、含盐量和碱化度，这与改良剂对盐碱土的碳固定作用及土壤受盐碱胁迫程度有关[24]。一方面由于玉米浆中富含饱和脂肪酸[25]且本身具有比较强的酸性[1]，从而降低了土壤当中的pH，另一方面，玉米浆中同时含有铁离子、锰离子、亚硫酸根、磷酸根等多种离子[26]，它会与土壤中的离子反应，而当过多的玉米浆施入土壤，会使其中的一些离子进入饱和状态，从而增加了土壤中盐分和交换性钠离子的含量，因此2倍量玉米浆的施入对土壤的改良效果下降。
玉米产量可以直接反映出土壤改良的效果好坏。舒晓晓等[27]研究发现，有机物料的适量配比可有效促进玉米生长及产量，本研究也得到同样的结果，各处理均能提高玉米产量，以1/2CSL处理的效果最佳，这可能是因为玉米浆富含多种维生素、氨基酸和生长刺激因子，适量的施入可以激发种子萌发及种子生长所需的营养成分。添加玉米浆后，一方面可增加土壤有机质含量，提高微生物的活性，促进了土壤的矿化作用，从而促进了植株的生长发育和生物量碳的积累[28]；另一方面，施用适量的玉米浆提高了土壤中速效氮、磷、钾的含量[26]，高氮浓度会使光合作用持续升高，促进干物质的积累，进而提高了作物的产量[29]。可能的原因还有玉米浆的施入为作物提供了良好的酸碱度环境，促进了作物的生长，但值得注意的是，添加过量的玉米浆（2CSL）会导致玉米的产量下降，这可能是因为玉米浆过量会增加土壤Mn2+含量，抑制了Fe2+和Mg2+等元素的吸收及活性，并破坏叶绿体结构，导致叶绿素合成下降及光合速率降低[30]。
腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，对土壤的肥力及理化性质有着重要作用[31]。宋祥云等[32]的研究表明，施用有机物料有利于胡敏酸中营养物质的积累，还可以提高土壤的有效养分，增加土壤的有机碳含量。这与本研究结果一致，各处理均能不同程度地增加盐碱土有机碳（图 1）和腐殖质组分碳含量（表 3），其中，以1/2CSL处理最好。这可能是因为玉米浆营养丰富，且玉米浆中有许多可利用的碳源[33]，施入土壤当中可以提高土壤碳的微生物利用率。
窦森等[34]的研究表明，通过添加有机物料进行土壤培肥会改变土壤中胡敏酸的结构特征。陈晓东等[35]研究发现有机物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要来源之一，可以使吉林地区的盐碱土土壤HA结构趋于年轻化。徐基胜等[36]研究表明施用有机肥能增加HA中的氨基酸、多肽或蛋白质等物质。孟凡荣等[37]结合元素分析和红外光谱分析得出，施加有机物料后，土壤HA的缩合程度升高，氧化程度降低，同时HA的脂族碳链结构有所增加，芳香性增强，氧化程度减弱，这与本研究结果一致。本研究结果表明，各处理均能不同程度地改善胡敏酸结构，使得盐碱土中HA的氧化度、缩合度和热稳定性降低，脂族性增强，胡敏酸结构逐渐趋于简单化，其中以1/2CSL处理效果最好。这是由于适量玉米浆施入土壤后促进了微生物的生长[38]，增加了土壤所需的养分，扩大了微生物的呼吸空间，促进微生物的活性，从而使得HA分子向脂族碳转化[39]。
4 结论（1）施入玉米浆显著降低了土壤pH值，当施用量为40 g·kg-1（即2CSL）时，pH值降低幅度达10.76%。玉米浆施用量为10 g·kg-1（即1/2CSL）时，全盐量和碱化度分别是CK的0.56倍和0.47倍。
（2）玉米浆施用量为10 g·kg-1（即1/2CSL）显著提高了玉米产量及土壤有机碳含量，分别为CK的2.94倍和1.46倍。
（3）施用玉米浆及其与其他有机物料的混合物均能促使（O+S）/C、热量和质量损失量的高中温比值降低，H/C值增加，土壤中HA的氧化度、缩合度和热稳定性降低，脂族性增强，腐殖质特性变化显著。
（4）综上所述，适量施用玉米浆（10 g·kg-1）可以提升盐碱土的土壤质量，提高土壤肥力和作物产量。玉米浆作为工业生产的副产物，在盐碱土的改良及资源的合理利用方面有较好的应用前景。
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