米糠環保酵素對土壤中鉀素含量的影響

朱德艷

(荊楚理工學院教務處，湖北 荊門 448000)

目前，農業生產中使用的化肥量和農藥量漸漸增多，農民不合理使用化肥和農藥，造成土壤結塊、有機質含量不足，透氣性能降低，土壤營養流失等問題，進而導致農作物收成降低。另外，隨著農作物產量的提高，鉀素需要量越來越多，致使土壤中鉀含量相對減少[1],但鉀作為大量營養元素，在植物生長過程中起著十分重要的作用[2-4]。目前，鉀素問題在農業生產中日益突出，在大部分地區，土壤缺鉀已經成為限制農業發展的主要問題之一[5]。

環保酵素是將植物垃圾充分利用，將其運用到生活中，變廢為寶，是近年來非常提倡的一種發酵產品。植物垃圾是有機垃圾的一種，如菜葉、水果皮等廚余垃圾，這些垃圾大多被丟到垃圾桶，不僅給處理垃圾的人增加了負擔，也浪費了資源。環保酵素在制備過程中會產生大量的微生物，且含有大量的糖分以及小分子的有機質、磷素、鉀素等成分，對提高土壤的肥力具有重要的作用[6]。李方志[7]等采用水果皮、菜葉、紅糖制成環保酵素，設計了4個濃度梯度和1個空白梯度對照，重復施澆3次之后用儀器測得鉀素含量，得到1∶750的酵素濃度梯度對土壤速效鉀改良效果最為明顯，增幅達到6.06%；歐陽傳德[8]等用蔬菜水果等廚余垃圾、糖和水按照一定比例自制成環保酵素探究其在種植業、養殖業、經濟上的作用，得出環保酵素在農業上需要繼續推廣，有防治害蟲等作用；馮筠洋[9]通過菜葉果皮加紅糖、水制成環保鉀素研究其對土壤改良后各項指標的變化，研究發現500和750的環保酵素的濃度蚯蚓數大于其它濃度，其中750最為合適，時間最好是42d。

參考上述實驗，作者利用米糠、水、糖混合來制成米糠環保酵素施澆土壤，研究不同濃度梯度的米糠環保酵素對土壤鉀素的影響，為改善土壤肥力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料

米糠：荊門市東寶區所售；紅糖：廣州福正東海食品有限公司。

1.1.2 試驗試劑

土壤浸提劑、土壤養分混合標準液、土壤速效鉀掩蔽劑、土壤速效鉀濁度劑、土壤速效鉀助掩劑、土壤脫色劑等，均來自于河南農大迅捷測試技術有限公司。

1.1.3 試驗設備

土壤養分速測儀：河南農大迅捷測試技術有限公司；循環水式真空泵：SHZ-D(III)，上海予華儀器設備有限公司；恒溫培養振蕩器：ZHWY-200B，上海智城分析儀器制造有限公司；電子天平：上海上天精密儀器有限公司；火焰光度計：410F，北京中科科爾儀器有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1 制備米糠環保酵素

采用的主要原料是稻谷加工的副產品米糠，以紅糖、米糠、水為原料，按1∶3∶10混合裝入發酵罐中，持續厭氧發酵90d。前30d，每天打開瓶口攪拌放出發酵產生的氣體，避免因氣體積累造成塑膠桶炸裂導致危險事故的發生，同時也可以使后期酵素發酵效果更好；后60d密封發酵。離心取上清液得米糠環保酵素，測得酵素的蛋白酶活性為51.96U·mL-1。

1.2.2 土樣采集及酵素處理

取花壇內施過化肥的土壤，將3～4cm表層土去除后再采集土樣。對采集的土樣進行測定，測得改良前土樣的速效鉀、全鉀含量。

測量后，根據單因素試驗和正交試驗各組需要的土樣量對采集的土樣分盆裝好。各組取體積為20mL的不同稀釋倍數的酵素施澆各組土樣，按設定的澆灌周期施澆3次，第3次施澆后過7d，用土壤養分測定儀測定各組改良后的速效鉀、全鉀含量，結合改良前的速效鉀、全鉀含量，計算出速效鉀、全鉀改良后的增幅。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 酵素的稀釋倍數

取自制的酵素10mL，對其進行稀釋，稀釋倍數分別為10、20、30、40、50，得到不同濃度的酵素。用不同稀釋倍數的酵素20mL分別處理土樣量為200g的土樣，澆灌周期為7d，重復施澆3次，其它條件不變。待第3次施澆7d后，測量速效鉀含量，將速效鉀、全鉀含量的增幅作為考察指標，來確定酵素的最佳稀釋倍數。

1.2.3.2 酵素處理的土樣量

取稀釋倍數為30的米糠酵素，澆灌周期為7d的條件下，設計酵素(mL)與土樣(g)1∶5、1∶7.5、1∶10、1∶12.5、1∶15的比例處理土樣，澆灌周期為7d，重復施澆3次，其它條件不變。待第3次施澆7d后，測量速效鉀含量，將速效鉀、全鉀含量的增幅作為考察指標，來確定酵素處理的最佳土樣量。

1.2.3.3 酵素的澆灌周期

取稀釋倍數為30的酵素20mL處理200g的土樣，設計澆灌周期為3d、5d、7d、9d、11d，重復施澆3次，其它條件不變。待第3次施澆3d、5d、7d、9d、11d后，測量速效鉀含量，將速效鉀、全鉀含量的增幅作為考察指標，來確定酵素的最佳澆灌周期。

1.2.4 正交試驗

采用3因素3水平正交試驗設計，選取酵素的稀釋倍數、處理的土樣量、澆灌周期3因素，設計3個水平，以速效鉀、全鉀含量的增幅為評判標準，選出改良效果最佳組合。正交因素水平設計如表1所示。

表1 正交因素水平表

1.3 數據處理

1.3.1 待測液準備

稱取土樣2g，加入土壤浸提劑40mL，土壤脫色劑0.5g，混勻后，用恒溫培養振蕩器劇烈振蕩5min，保持溫度在20～25℃，然后過濾，上清液即為待測液。

1.3.2 測定速效鉀、全鉀含量

分別吸取土壤浸提劑2mL、土壤養分標準液2mL、待測液2mL于3個反應瓶中，依次加入土壤速效鉀掩蔽劑(搖勻至無氣泡)2滴、土壤速效鉀助掩劑6滴、土壤速效鉀濁度劑6滴、土壤速效鉀濁度劑4滴，搖勻后立即轉移到比色皿中測定，根據儀器提示測定待測液中速效鉀含量[10]。

采取火焰光度法(GB9836-88)測定土壤中的全鉀含量。

1.3.3 計算增幅

為了更為合理地體現土壤改良后速效鉀、全鉀的增減情況，試驗數據采用增幅率來呈現，即速效鉀、全鉀在改良土壤后其含量的增幅率。其計算方法及表達式：

增幅率=(D-Y)/Y×100%

式中，D為改良后的土樣速效鉀、全鉀含量，mg·kg-1；Y為改良前土樣速效鉀、全鉀含量，mg·kg-1。根據1.2.1的方法，測得速效鉀Y=232.13mg·kg-1，全鉀Y=314.25mg·kg-1。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 米糠酵素的稀釋倍數對鉀改良效果的影響

取200g土樣，澆灌周期為7d的條件下，施澆稀釋倍數分別為10、20、30、40、50的米糠酵素20mL，以改良后土樣中速效鉀、全鉀含量的增幅為指標，結果如圖1所示。

圖1 米糠酵素的稀釋倍數對速效鉀、全鉀含量的影響

由圖1可知，5個稀釋倍數的酵素對土壤中鉀的含量都有提高的效果，其中10～30的稀釋倍數時，土樣中速效鉀的增幅由8.18%上升到12.31%，全鉀的增幅由5.17%上升到9.21%；稀釋倍數高于30后，速效鉀、全鉀增幅都呈下降趨勢；稀釋倍數為40時，速效鉀的增幅為9.09%，全鉀增幅為6.43%；稀釋倍數為50時，速效鉀的增幅繼續下降為7.25%，全鉀的增幅下降為6.13%，因此最適宜的酵素的稀釋倍數為30。分析其原因，當酵素濃度較高時，對土壤里的微生物以及一些化學反應有影響，從而導致鉀增幅不大；當酵素濃度較低時，對催化土壤中鉀元素轉化為鉀的作用不高，因此增幅下降。

2.1.2 米糠酵素處理的土樣量對鉀改良效果的影響

取稀釋倍數為30的米糠酵素，澆灌周期為7d的條件下，設計酵素(mL)與土樣(g)1∶5、1∶7.5、1∶10、1∶12.5、1∶15的比例處理土樣，以改良后土樣中速效鉀、全鉀含量的增幅為指標，結果如圖2所示。

圖2 不同酵素與土樣比例對速效鉀、全鉀含量的影響

由圖2可知，米糠酵素對改良土樣的速效鉀、全鉀量有一定的影響。酵素(mL)與土樣(g)比例為1∶5時，土樣中速效鉀的增幅為9.65%，全鉀的增幅為7.37%；酵素(mL)與土樣(g)比例為1∶10時，土樣中鉀的增幅達到最高，速效鉀為12.76%，全鉀為9.21%；酵素(mL)與土樣(g)比例繼續減少時，土樣中速效鉀呈下降趨勢。分析其原因，當酵素(mL)與土樣(g)比例為1∶10時，酵素處理土樣的能力達到飽和，即酵素(mL)與土樣(g)的最佳比例是1∶10。

2.1.3 米糠酵素的澆灌周期對鉀改良效果的影響

取稀釋倍數為30的米糠酵素20mL，施澆200g的土樣，設計澆灌周期分別為3d、5d、7d、9d、11d，3次澆灌后測量土壤速效鉀含量，以改良后土樣中速效鉀、全鉀含量的增幅為指標，結果如圖3所示。

圖3 不同澆灌周期對速效鉀、全鉀含量的影響

由圖3可知，酵素的澆灌周期對酵素改良土壤速效鉀、全鉀的效果也有一定的影響，當澆灌周期為3d時，土樣中速效鉀的增幅為4.96%，全鉀的增幅為4.02%；當澆灌周期增加為7d時，速效鉀的增幅提高到12.54%，全鉀的增幅提高到8.79%；當澆灌周期繼續增加至9d時，速效鉀的增幅下降為10.96%，全鉀的增幅增加為9.57%；澆灌周期為11d時，速效鉀的增幅繼續下降為3.59%，全鉀的增幅下降為9.32%。分析其原因，酵素的澆灌周期，對土壤中鉀素的吸附和解吸、固定與釋放等影響較大，合理進行澆灌，才能達到較好效果，試驗表明，澆灌周期為7d時酵素的改良效果較好。

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以米糠酵素的稀釋倍數、酵素處理的土樣量和酵素的澆灌周期3個因素為考察因素，以土壤中速效鉀、全鉀的增幅為評價指標，正交設計試驗得出改良土壤效果最好的最佳組合，結果見表2。

根據表2正交試驗結果得出，米糠環保酵素對土壤速效鉀、全鉀改良效果的最佳組合為A2B2C2，即最佳改良效果的條件是米糠酵素的稀釋倍數為30，酵素(mL)∶土樣量(g)為1∶10，澆灌周期為7d。通過R的大小得出對改良效果影響因素大小為A>B>C，即影響環保酵素改良土壤速效鉀、全鉀效果的因素大小為酵素稀釋倍數>酵素與土樣比例>酵素的澆灌周期。

表2 正交試驗結果

采用SPSS軟件對所得的結果進行方差分析，結果見表3。顯示Sig.都小于0.001，表明因素A、B、C對米糠酵素對于土壤中速效鉀的改良作用都有極顯著的影響，3個因素對影響主次順序為A>B>C，與直觀分析中極差大小順序一致。

表3 方差分析表

采用SPSS軟件對所得的結果進行方差分析，結果見表4。顯示因素A和B的Sig.小于0.001，表明因素A、B對米糠酵素對于土壤中全鉀的改良作用有極顯著的影響，3個因素對影響主次順序為A>B>C，與直觀分析中極差大小順序一致。

表4 方差分析表

2.3 驗證試驗

通過分析正交試驗結果，得出最優試驗組合為A2B2C2，但此組合不在正交試驗中，因此需要做驗證試驗。對試驗組合A2B2C2，即酵素的稀釋倍數為30、處理的土樣量為200g、酵素的澆灌周期為7d，進行3次平行試驗來驗證。測得3次的速效鉀增幅分別為12.31%、12.54%、12.76%，平均值為12.54%，正交表中速效鉀增幅最高的組合是A2B1C2，增幅為12.07%，相比得到的最佳組合的增幅要低一些；測得3次的全鉀增幅分別為9.23%、9.31%、9.19%，平均值為9.24%，正交表中全鉀增幅最高的組合是A2B1C2，增幅為8.69%，相比得到的最佳組合的增幅要低一些。因此得到結果，酵素的稀釋倍數為30、酵素(mL)∶土樣量(g)為1∶10、酵素的澆灌周期為7d為改良效果的最佳組合，土壤速效鉀的增幅達到12.54%，全鉀的增幅達到9.24%。

3 討論

目前環保酵素在農業中的研究越來越廣[13-15]，而米糠作為農副產品具有很高的利用價值，不再是生產大米剩下的垃圾，也不再僅僅作為豬飼料得到應用，米糠作為植物垃圾含有豐富的營養價值，可以通過米糠制作環保酵素來進一步提升價值。米糠類酵素是通過自身高效發酵產生的復合土壤改善肥料，含有一定比例的活性微生物，包括酵母菌等有益菌群。此外，發酵過程中產生的有機質、微量元素、礦物元素等多種成分能夠起到固氮促磷的作用，增加土壤的有益成分，提高土壤中的養分含量。米糠類酵素作用的基本原理是通過施用酶制劑對原有土壤環境中各類型物質進行分解，在短期內大量產生適合作物生長的元素，包括N、P、K、S、Mg等元素，也包括有機酸、微生物、有機質等多種成分，達到改良土壤的目的。與常規施用酶制劑不同的是，米糠類酵素來源環保，對于土壤沒有殘留，作用效果明顯，其產生的代謝產物有由微生物代謝產生的礦物質、葡萄糖等能被作物直接吸收的物質；有微生物分解產生的核酸、ATP等促進土壤中微生物培植的有益成分；也有微生物分泌的各類型的生長因子、營養物質，間接提供微生物的良好的生長環境，促進作物的持續生長[16,17]。施用酵素能對土壤的性能進行有效改善，激活土壤中被固化的營養物質，促進作物成熟，提高作物產量，改善作物品質。

本試驗致力于研究米糠環保酵素的土壤改良效果，不僅發揮了環保酵素的作用，更是在尋找解決土壤缺鉀的問題上進行了嘗試。米糠環保酵素的長期施用對土壤持續改良，可優化土壤、提高土壤的質量，對農作物的生產和土壤保護有著重要的作用，對今后農業發展的研究有一定的意義。

4 結論

根據試驗結果可知，米糠環保酵素對土壤速效鉀、全鉀含量的提高有一定的效果，速效鉀增幅最高可達到12.54%，全鉀的增幅達到9.24%。以酵素稀釋倍數為30、酵素(mL)∶土樣量(g)為1∶10、酵素的澆灌周期為7d的改良效果最為明顯。需要注意的是，土壤中鉀素的遷移與轉化是一個復雜的過程，受土壤質地、水分、溫度、pH值等諸多因素的影響[11,12]，各因素對鉀素的影響機理還有待于進一步研究。