李贞霞,陈倩倩,李瑞静,穆娟,王广印,李新峥

1.河南科技学院园艺园林学院,新乡 453003

2.河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心,新乡 453003

0 前言

目前酸性土壤占全世界耕地土壤的40%,在中国酸性土壤的分布遍及14 个省区,总面积达2030万km2,约占全国耕地面积的21%[1-2]。近几十年来,各种人为活动大大加速了土壤酸化[3-4]。土壤酸化会造成土壤养分利用效率降低、土壤有害物质增多等,严重影响土壤性质和土壤微生物活性[5]。施用石灰是人们通常用来改善酸性土壤、增加作物产量的主要途径[6]。近期的研究表明,农作物秸秆等农业废弃物直接施入农田也可改良土壤酸度[7-8]。

辣椒(Capsicum annuumL.)是我国重要的蔬菜作物,其年种植面积超过130 万hm2,产值和效益居蔬菜作物之首[9],其生产伴生的大量秸秆己成为蔬菜废弃物的重要来源之一,大量辣椒秸秆废弃物未得到有效利用,如何绿色环保的利用辣椒秸秆已经成为农业废弃物资源利用上的一个重要课题。毕金华等[10]根据辣椒秸秆高含水率的特点研究其厌氧发酵产沼气潜力,弭宝彬等[9]利用辣椒秸秆丰富的含氧官能团研究其对重金属铬的吸附行为及机理,陆相龙[11]利用辣椒秸秆丰富的营养成分和辣椒素含量研究其对饲喂产蛋鸡的效果;辣椒茎、叶中含有辣椒素及二氢辣椒素[12],直接还田对土壤性质及土壤酶活性的影响尚未见研究。本研究比较不同添加量的辣椒茎、叶对酸化土壤离子交换性能与土壤酶活性变化的影响,期望为开拓辣椒秸秆利用途径、改善土壤酸度,提高土壤肥力等方面提供有益的探索。

1 材料与方法

1.1 土壤材料

土壤采自河南省信阳市平桥区平桥镇(N32°06′,E114°07′)的茶园,属黄棕壤,采用“S”型多点(20点)混合取样法,采自土表0—20 cm 的土层,土壤样品从茶园取回后按常规处理方法处理,剔除植物根系、石块等,充分混合后用四分法留取,土样自然风干后过2 mm筛备用。土壤性质测定按照鲍士旦等[13]《土壤农化分析》方法,土壤pH4.9,采用1:2.5 土水比测定;土壤碱解氮采用扩散法测定;有机质采用油浴法;速效磷采用氟化铵和盐酸提取比色法;速效钾采用醋酸铵提取火焰光度法;土壤基本性质见表1。

1.2 辣椒材料

用于培养的辣椒材料(新科8 号,新科18号品种)采集于河南省新乡市农业科学院试验田。将辣椒叶片从植株上取下至室温自然风干,取自然风干的辣椒叶片用粉碎机将其粉碎至1 mm 之后装入塑料袋中备用。辣椒茎的处理方法与辣椒叶片的处理相同。辣椒茎叶主要成分采用Optima 2100pv 电感耦合等离子发射光谱仪测定;辣椒茎、叶总C、总N 含量采用碳氮分析仪测定;灰化碱测定采用返滴定法[14];辣椒茎、叶的基本性质见表2。

1.3 土壤培养

称取200 g 风干土,分别按2.5%、5%比例加入辣椒茎和叶,设不加辣椒茎和叶的处理为对照,然后将充分混合均匀的土放入一次性塑料杯中,向杯内添加去离子水,使土壤中的含水量达到田间持水量的70%,用称重法保持持水量,再用保鲜膜将其口封住,保鲜膜的中间要留一个小孔,以便气体的交换和浇水,将塑料杯放到25 ℃的恒温培养箱中进行恒温培养,每隔一段时间(2—3 d)观察并补充水分,保持土壤含水量恒定。测定不同培养天数的土壤,本试验采用第1、3、5、9、15、20、30、45、60 d 9 个不同的时间段,培养后将土壤放在室内自然风干备用。

表1 土壤基本性质 Table1 Basic properties of soil

表2 辣椒茎、叶的基本性质 Table2 Basic properties of chili stem and leaf

1.4 测定项目与方法

土壤交换性H+和Al3+用1 mol·L-1KCl 滴定法测定,交换性酸是交换性H+和Al3+的和;用1 mol·L-1乙酸铵交换法处理土壤获取浸出液,用火焰光度计测定土壤样品浸出液中的交换性K+、Na+含量,用EDTA 络合滴定法测定土壤样品浸出液中的交换性Ca2+、Mg2+含量;靛酚蓝比色法测土壤中NH4+-N 的含量[13];土壤NO3--N 用紫外分光光度计法测定[15]。

土壤酶活性分析采用关松荫方法[16]:土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定,土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法,土壤蔗糖酶采用3,5- 二硝基水杨酸比色法测定,过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法。

土壤酶活性是评价土壤质量的重要参数,但很难用单一的酶活性来说明土壤质量的变化,目前人们用酶活动的几何平均数(GMea)作为评价土壤质量的指数[17-18]。一般来说,GMea 价值越高,土壤质量就越好。GMea 的计算方法如下:

GMea=(脲酶×蔗糖酶×过氧化氢酶×酸性磷酸酶)1/4

1.5 数据处理 利用Microsoft Excel 2003 进行基础数据处理,利用SPSS19.0 软件进行方差分析,处理间差异采用LDS 多重比较法。

2 结果与分析

2.1 辣椒茎、叶对土壤pH 及交换性酸的影响

辣椒茎、叶与土壤共培养过程中pH 的动态变化见图1,对照土壤pH 在培养过程中呈现轻微下降趋势,培养60 d 后土壤pH 比培养第1 d 下降0.16个单位;添加辣椒茎、叶后明显抑制土壤pH 的下降;培养60 d 后,添加辣椒叶5%、2.5%土壤pH 比培养第1 d 分别上升0.43、0.06 个单位,添加辣椒茎5%、2.5%土壤pH 比培养第1 d 分别上升0.27、0.09 个单位。总体来看,添加辣椒茎5%、2.5%及添加辣椒叶2.5%土壤pH 变化趋势趋向一致;添加辣椒叶5%土壤pH 波动较大。培养60d 后添加辣椒茎、叶土壤pH 显著高于对照土壤;尤其添加辣椒叶5%土壤pH 比对照土壤提高1.51 个单位,差异极显著(P＜0.01)。

图1 土壤pH 随培养时间的变化 Figure1 Changing trends of soil pH with incubation time

辣椒茎、叶与土壤共培养过程中交换性酸的动态变化见图2,由图2可知,对照土壤交换性酸在培养过程中呈现明显波动现象,但对照土壤交换性酸极显著高于添加辣椒茎、叶各处理土壤交换性酸(P＜0.01)。培养60 d 后,添加辣椒茎、叶各处理土壤交换性酸差异不显著(P＞0.05)。

2.2 辣椒茎、叶对土壤NH4+-N 与NO3--N 的影响

辣椒茎、叶与土壤共培养过程中NH4+-N 的动态变化见图3,由图3可知,添加辣椒茎、叶各处理土壤NH4+-N 呈现明显波动现象;总体趋势是先升高后降低;添加辣椒茎5% NH4+-N 的最大值在培养第5 d,添加辣椒叶5% NH4+-N 的最大值在培养第20 d;培养60 d 结束后,除添加辣椒茎2.5% NH4+-N与对照差异不显著外,其它三个处理NH4+-N 含量显著高于对照(P＜0.05);说明添加辣椒茎、叶可以提高土壤NH4+-N 含量。

辣椒茎、叶与土壤共培养过程中NO3--N 的动态变化见图4。由图4可知,添加辣椒茎5% NO3--N 呈明显波动现象,在培养20 d内其NO3--N 呈先升高后降低趋势,培养20 d后NO3--N 与其它各处理变化趋

图2 交换性酸随培养时间的变化 Figure2 Changing trends of Soil exchangeable acid with incubation time

图3 NH4+-N 随培养时间的变化 Figure3 Changing trends of soil NH4+-N with incubation time

图4 NO3--N 随培养时间的变化 Figure4 Changing trends of soil NO3--N with incubation time

势趋于一致。对照土壤NO3--N 变化趋势与添加辣椒叶土壤NO3--N 变化呈现一致。培养60 d 后各处理NO3--N 无显著差异(P＞0.05)。

2.3 辣椒茎、叶对土壤交换性能的影响

培养60 d 后土壤交换性能的变化见表3。由表3可知,辣椒茎、叶可以显著提高土壤的交换性盐基离子。对照土壤交换性K+没有测到,但添加辣椒叶5%交换性K+显著高于其它各处理;分析辣椒茎、叶中K 元素含量与土壤交换性K+的关系发现,二者呈显著正相关,相关系数为r=0.9616(P＜0.05)。对照土壤交换性Ca2+显著低于添加辣椒茎、叶土壤交换性Ca2+(P＜0.05),添加辣椒茎、叶5%含量土壤交换性Ca2+显著高于添加量为2.5%;分析辣椒茎、叶中Ca元素含量与土壤交换性Ca2+的关系发现,二者相关性不显著。对照土壤交换性Mg2+显著低于添加辣椒茎、叶土壤交换性Mg2+(P＜0.05),添加辣椒叶5%交换性Mg2+显著高于其它各处理;分析辣椒茎、叶中Mg 元素含量与土壤交换性Mg2+的关系发现,二者呈极显著正相关,相关系数为r=0.9962(P＜0.01)。本次实验土壤中交换性Na+没有检测到。

土壤CEC值以土壤交换性酸与交换性盐基离子之和来计算。添加辣椒茎、叶能显著改善土壤CEC,其CEC 值与辣椒茎、叶的添加量呈正相关,以添加辣椒叶5%的效果最好。对照土壤盐基饱和度显著低于添加辣椒茎、叶土壤(P＜0.05),添加辣椒茎、叶可以提高土壤盐基饱和度。

2.4 辣椒茎、叶对土壤酶活性的影响

土壤脲酶活性随培养时间动态变化见图5。对照土壤脲酶在培养过程中呈现轻微下降趋势,培养60 d 后脲酶活性比培养第1 d 下降0.33 个单位;培养60 d 后添加辣椒茎、叶土壤脲酶活性均比培养第1 d下降;添加辣椒茎土壤脲酶活性在培养第1 d均高于添加辣椒叶土壤脲酶活性;培养60 d 后添加辣椒茎、叶5%脲酶活性显著高于添加量为2.5%(P＜0.05)。

表3 辣椒茎、叶对土壤的交换性能的影响 Table3 Effects of chili stems and chili leaves on soil exchange performances

图5 土壤脲酶随培养时间的变化 Figure5 Changing trends of soil ureas with incubation time

土壤过氧化氢酶活性随培养时间动态变化见图6。培养试验初期,过氧化氢酶活性变化幅度较大;培养20 d 内添加辣椒叶过氧化氢酶活性极显著低于对照,且添加辣椒叶5%过氧化氢酶活性极显著低于添加辣椒叶2.5%,培养20 d 后二者趋势与对照相同。添加辣椒茎5%过氧化氢酶活性在培养第5 d 到第15 d 内有显著低于对照的波动,但总体趋势与对照相同。培养60 d 后各处理过氧化氢酶活性差异不显著(P＞0.05)。

土壤酸性磷酸酶活性随培养时间动态变化见图7。随着培养时间的延长,各处理酸性磷酸酶活性都呈现下降趋势。培养试验初期,添加辣椒叶处理酸性磷酸酶活性显著低于对照和添加茎各处理,培养60 d 后各处理酸性磷酸酶活性差异不显著(P＞0.05)。

图6 过氧化氢酶随培养时间的变化 Figure6 Changing trends of soil catalase with incubation time

土壤蔗糖酶活性随培养时间动态变化见图8。培养第15 d 内,添加辣椒茎、叶各处理土壤蔗糖酶 活性极显著高于对照(P＜0.01);培养第15 d后,各处理土壤蔗糖酶活性与对照逐渐趋向一致;培养试验结束后各处理间蔗糖酶活性差异不显著(P＞0.05)。

2.5 土壤酶的几何平均数(GMea)变化

培养实验结束后,土壤酶的几何平均数(GMea)变化见图9。添加辣椒叶2.5%GMea 与对照差异不显著,添加辣椒茎2.5%、5%及添加辣椒叶5%GMea显著高于对照(P＜0.05)。说明添加辣椒茎、叶可以改善酸化土壤质量,其对酸化土壤质量的改变量与辣椒茎、叶的添加量有关。

3 讨论

图7 土壤酸性磷酸酶随培养时间变化 Figure7 Changing trends of soil acid phosphatase with incubation time

图8 土壤蔗糖酶活性随培养时间变化 Figure8 Changing trends of soil sucrase with incubation time

图9 不同处理的土壤酶的几何平均数 Figure9 The geometrical average of soil enzymes in different treatment

辣椒茎、叶均可改善酸化土壤pH,其对土壤pH的提高量与辣椒茎、叶的添加量呈正相关,Yuan[19]用油菜和稻草秸秆改善红壤的结果类似。添加辣椒叶5%对土壤pH 的提高效果要优于其它处理,这可能与辣椒叶灰化碱含量高于辣椒茎有关。在培养3—30 d 期间,土壤中NH4+-N 含量显著高于对照,这与刘娇等[20]研究玉米秸秆添加对黄绵土氮素转化结果相似,这一方面与辣椒茎、叶含氮量高[11]有关,另一方面说明培养期间发生了明显的矿化作用,添加的辣椒茎、叶氮素从有机氮向无机氮转化。土壤有机氮向NH4+-N 转化会消耗土壤H+,而NH4+-N 向NO3--N 转化又会释放H+[21],辣椒茎、叶对酸化土壤pH 的影响与辣椒茎、叶中灰化碱含量及土壤中NH4+-N 与NO3--N 的转化直接相关。

土壤酸化会导致土壤中可以利用的盐基离子被固定,造成土壤肥力降低,土壤贫瘠[6]。本研究发现辣椒茎、叶均可改善土壤酸化状况,提高土壤交换性盐基含量,这与Wang[8]和Yuan[19]利用植物秸秆改善土壤pH 结论类似。研究发现,相同添加量的辣椒叶对交换性K+与交换性Mg2+的影响优于辣椒茎,表明土壤交换性盐基的改善与添加的辣椒茎、叶中盐基元素含量有关。土壤CEC 是影响土壤缓冲能力高低,评价土壤保水保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据[22];添加辣椒茎、叶能显著改善土壤CEC,其CEC 值与辣椒茎、叶的添加量呈正相关,以添加辣椒叶5%的效果最好;说明土壤CEC 与添加的辣椒茎、叶中盐基离子含量相关。土壤盐基饱和度与对照相比都显著提高,这一现象与辣椒植株对矿质元素的吸收积累习惯有关[23],辣椒茎、叶富含盐基离子,加入土壤后交换性盐基含量增加,交换性酸减小,这导致土壤的盐基饱和度增加。

土壤酶是微生物进行土壤养分分解转化的催化物质,其活性直接影响土壤中的物质循环,已被作为土壤质量的生物指标[24]。土壤脲酶直接参与土壤中含氮有机物的转化,其活性强度可以用来表征土壤氮素供给状况[25]。本研究发现,随着培养时间的延长,对照土壤脲酶活性下降,说明对照土壤可利用氮素有效性降低;添加辣椒叶处理土壤脲酶活性波动幅度要显著大于添加辣椒茎,这可能与辣椒叶中氮素含量高于辣椒茎有关。过氧化氢酶是土壤中重要的一种氧化还原酶类,它能将土壤中的H2O2分解,使作物免遭毒害[26]。培养20 d 内添加辣椒叶过氧化氢酶活性极显著低于对照,说明辣椒叶抑制了过氧化氢酶活性,20 d 后这种抑制作用得到缓解,过氧化氢酶活性逐步与对照趋势一致;而添加辣椒茎5%在培养第3 d 到第20 d 期间过氧化氢酶活性也明显得到抑制,分析这种原因可能与辣椒茎、叶中,辣椒素和二氢辣椒素含量有关;周卫东等[26]实验表明,辣椒叶片辣椒素和二氢辣椒素含量显著高于侧枝和主杆,但添加辣椒茎、叶对土壤过氧化氢酶活性的抑制作用是否与辣椒素和二氢辣椒素含量相关还需要实验证实。土壤酸性磷酸酶可以加速土壤有机磷的脱磷速度,可以表征土壤磷素的有效化程度,一般与土壤pH 呈负相关[25]。本研究各处理土壤酸性磷酸酶都随培养时间延长而降低,这种现象与辣椒茎、叶改善土壤pH 有关,随着土壤pH 的提高,其酸性磷酸酶活性也随之降低。土壤蔗糖酶直接参与土壤碳素循环,能够酶促蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。从对照土壤看,土壤蔗糖酶活性在培养实验前期呈上升趋势,而添加辣椒茎、叶土壤蔗糖酶活性前期显著高于对照,说明培养实验前期土壤蔗糖酶活性逐渐增强,而添加辣椒茎、叶等有机物又为微生物提供活动物质,促使蔗糖酶活性显著高于对照,而培养15 d 后,添加的辣椒茎、叶有机物分解基本完成,各处理土壤蔗糖酶活性在培养实验后期趋于一致。

4 结论

辣椒茎、叶可以改善酸化土壤pH,对土壤pH的提高量与辣椒茎、叶的添加量呈正相关。添加辣椒茎、叶可以显著降低土壤交换性酸,显著影响土壤NH4+-N、NO3--N 变化;辣椒茎、叶可以提高交换性各盐基离子含量、土壤CEC 及盐基饱和度;辣椒茎、叶可以提高土壤脲酶活性,但土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性随培养时间动态波动,但培养60 d 后各处理三种酶活性无显著性差异;添加辣椒茎、叶可以改善酸化土壤质量,其对酸化土壤质量的改变量与辣椒茎、叶的添加量有关。