菌渣與化肥配施對水稻田土壤養分及酶活性的影響

摘要： 為了促進黑木耳菌渣的可持續利用并提供土壤培肥的理論依據，利用菌渣化肥不同比例配施方法，探討土壤養分和酶活性的變化特征。結合水稻田間試驗，設置空白對照、菌渣與有機肥不同比例配施共7個處理，分析各處理土壤的容重、pH值、EC值、有機碳含量、全氮含量、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性的變化特征，以及各指標之間的相關性。結果表明：施用菌渣處理土壤的各項指標均優于不施菌渣處理；在C 50F 50處理中，土壤容重降低最明顯，有機碳、全氮含量增加最為明顯；在C 50F 100處理中，蔗糖酶活性最強；在C 100F 50處理中，土壤pH值降低最明顯，土壤過氧化氫酶、脲酶活性最強；在C 100F 100處理中，土壤EC值降低最明顯。相關性分析結果表明，蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性之間存在顯著或極顯著的相關關系；土壤容重、pH值、EC值與土壤酶活性間大多存在顯著或極顯著負相關關系；土壤有機碳、全氮含量與土壤酶活性存在顯著或極顯著正相關關系。菌渣和化肥配施，能有效優化土壤理化性質及土壤酶活性，但各指標并不是隨著施用量的增加而優化；適宜量的菌渣和化肥配施還田，才能夠改善土壤環境，讓“廢渣”變成增產增收的“金粒”。

關鍵詞： 菌渣；化肥；配施；土壤養分；土壤酶

中圖分類號：S511.06 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0191-06

黑木耳具有藥食同源的特性，被稱為“黑色瑰寶”［1-2］，是在東亞地區（特別是中國、日本、韓國）非常受歡迎的食用菌，更是貧困地區各級政府探索產業鞏固脫貧成果的新路徑。黑木耳產業的蓬勃發展產生了大量黑木耳菌渣，若處置不當，會給生態環境和食用菌產業持續健康發展帶來巨大壓力。因此，挖掘黑木耳菌渣的潛在價值，實現廢棄物的循環利用，是一個非常值得研究的課題。

菌渣含有多種微生物和營養物質，是一種新型有機肥料；菌渣還田可有效增加土壤中養分含量，提高植物對養分的吸收，促進植物生長［3］。許少杰研究發現，稻谷輪作中菌渣還田可降低土壤容重，增加土壤堿解氮和有效磷含量，促進水稻生長，提高水稻的產量和品質［4］。馬常欽等研究發現，低比例菌渣還田（菌渣與土壤體積比為1 ∶ 10）可降低土壤容重和pH值，提高土壤中的有機質、堿解氮含量；而高比例菌渣還田（菌渣與土壤體積比為1 ∶ 2）可抑制土壤中有效養分的含量［5］。新疆阿克蘇地區作為新疆稻米高產區、特色蘋果主產區、棉花產業示范區、核桃產業發源區、紅棗機械化產業推廣區，土壤質量是保持農作物生產力、維持農產品安全、促進生態系統健康及社會經濟持續良好發展的基礎。為了合理處理黑木耳菌渣，緩解菌渣對環境污染的壓力，結合阿克蘇地區廢菌渣資源豐富的實際情況，根據菌渣富含豐富的有機質且容重小、總孔隙度大的特點［6］，在新疆阿克蘇地區進行菌渣與有機肥配施還田，探索黑木耳菌渣還田對土壤養分的影響，為農業廢棄物再利用和節本增效提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黑木耳菌渣，取自黑木耳栽培后發酵的廢菌棒，由新疆理工學院黑木耳研究中心提供。菌渣理化性質：pH值為6.7，C/N為32.11，含有機碳406.25 g/kg、全氮12.65 g/kg、全鉀6.17 g/kg、全磷0.96 g/kg。供試水稻品種為秋田小町。

1.2 試驗區概況

田間試驗于2020—2022年在新疆阿拉爾市十團三連（80°30′～81°58′E，40°22′～40°57′N）進行，該地位于天山南麓、塔里木盆地北部，處于阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三河交匯之處的塔里木河上游，屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年均降水量為40～82 mm，年均蒸發量為1 876.6～2 558.9 mm。供試土壤試驗前的理化性質：pH值為6.9，含有機質26.17 g/kg、速效磷28.51 mg/kg、速效鉀154.25 mg/kg、堿解氮106.57 mg/kg。

1.3 試驗設計

共設置7個處理，重復3次。處理1（CK），空白對照；處理2（C 0F 100），100%施用菌渣；處理3（C 100F 0），100%施用化肥；處理4（C 50F 50），施用50%化肥、50%菌渣；處理5（C 50F 100），施用50%化肥、100%菌渣；處理6（C 100F 50），施用100%化肥、50%菌渣；處理7（C 100F 100），施用100%化肥、100%菌渣。施用50%、100%化肥表示施用當地實際施肥量的50%、100%；施用50%、100%菌渣表示菌渣施用量分別為10、20 t/hm2。水稻移栽前，按照比例將處理后的菌渣和化肥（基肥部分）結合翻耕施入土壤中。常規化肥100%施用量具體如下：基肥施磷酸二銨 15 kg/667m2、尿素10 kg/667m2、硫酸鉀5 kg/667m2；分蘗初期追施尿素 5 kg/667m2；分蘗盛期追施尿素5 kg/667m2、磷酸二銨5 kg/667m2。其他田間管理按照常規栽培技術要求進行。

1.4 樣品采集與測定方法

土壤樣品采集在水稻收獲后進行，采樣時運用“等量”“多點混合”原則進行采樣，“S”形采集6個點位的土壤，采集深度為0～20 cm，然后混勻作為1個樣本，每個樣本均重復3次，部分土壤樣本進行自然通風晾干，通過10、100目孔徑的篩子，用于土壤基本理化性質及有機碳、全氮含量的測定。部分土壤放置在冰箱內保存，用于測定土壤酶活性。

各指標的測定方法：土壤容重采用環刀法測定；土壤pH值和土壤電導率（EC值）采用梅特勒pH計電導率測定儀測定；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定； 土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性采用3，5二硝基水楊酸比色法測定。

1.5 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2010進行數據整理，采用SPSS 18.0進行統計分析，方差分析采用重復測量方差分析法，多重比較采用鄧肯氏（Duncan's）法，相關性分析采用皮爾森（Pearson）法。

2 結果與分析

2.1 黑木耳生長前后菌棒的差異

新疆理工學院黑木耳研究中心的黑木耳菌棒主要由楊樹木屑、棉籽殼等組成，主要成分為纖維素、半纖維素、木質素。由圖1-A可以看出，在黑木耳生長前，新鮮菌棒有較完整的管狀纖維結構，這是生物質原本的結構。黑木耳生長后，廢棄菌棒（菌渣）中生物質結構遭到微生物的分解，纖維結構遭到破壞（圖1-B），保留了豐富的菌絲體、蛋白質、氨基酸等營養物質，可以在改良土壤的同時，為農作物的生長提供豐富的養分。

2.2 菌渣化肥配施后土壤容重、pH值、EC值的變化特征

土壤容重是一個衡量土壤緊實度的指標，直接影響土壤環境中水、肥、熱、 氣的狀況［7］。由表1可知，菌渣還田后土壤容重顯著下降（Plt;0.05），C 50F 50 處理比CK降低14.88%，其他施用菌渣的處理土壤容重均下降明顯，降幅為3.30%～12.39%。

土壤酸堿度（pH值）是影響土壤養分有效性及養分形態的重要指標。試驗結果（表1）表明，菌渣與化肥配施顯著降低了土壤的pH值（Plt;0.05），隨著菌渣還田用量的增加，土壤pH值整體呈下降趨勢，C 100F 50處理的土壤pH值下降幅度最大，較CK顯著下降15.69%（Plt;0.05），其次是C 50F 100處理，較CK顯著下降14.45%（Plt;0.05），C 0F 100處理較CK下降幅度最小，下降6.23%。南疆地區處于高蒸發地區，土壤偏堿性，試驗結果說明菌渣還田可以有效平衡土壤酸堿度。

電導率（EC值）是表征土壤電化學性質、土壤鹽分及養分含量的重要指標［8］。從表1可知，菌渣和化肥配施顯著降低了土壤的電導率（Plt;0.05）。與CK相比，各處理的土壤EC值下降幅度為20.39%～30.99%，各處理土壤EC值表現為 C 100F 100＜C 50F 100＜C 100F 50＜C 0F 100＜C 50F 50＜C 100F 0＜ CK，其中C 50F 100、C 100F 100顯著低于CK（Plt;0.05）。有研究表明，氮肥用量與土壤EC值呈負相關關系［9］。從本研究試驗結果來看，菌渣中含較高含量的氮素，導致土壤EC值下降。

2.3 菌渣化肥配施后土壤有機碳、全氮的變化特征

從圖2可以看出，菌渣化肥配施后土壤有機碳含量均有不同程度的增加，其中C 50F 50處理的土壤有機碳含量最高，為25.49 g/kg。與CK相比，不同處理增幅為4.4%～37.9%，其中C 50F 50處理增幅最大，為37.9%。C 0F 100處理增幅最小，為4.4%。

菌渣化肥配施后，土壤全氮含量的變化特征與有機碳含量變化特征基本一致。由圖3可知，與CK相比，各處理土壤全氮含量顯著升高（Plt;0.05）。 在施用菌渣的處理中，土壤全氮含量均有明顯增加，增幅為15.7%～ 85.3%，其中C 50F 50、C 50F 100處理下土壤全氮含量較CK顯著增加（Plt;0.05），且增幅均超過60%，更能提供充足的營養，促進水稻的生長和發育。

2.4 菌渣化肥配施后土壤酶活性的變化特征

與CK相比，菌渣化肥配施還田均能顯著提高土壤酶的活性（Plt;0.05）。由圖4可知，C 100F 50 處理的土壤過氧化氫酶活性顯著高于CK和其他各處理（Plt;0.05），C 100F 0、C 100F 50、C 100F 100處理的土壤過氧化氫酶活性分別是CK的1.64、1.86、1.72倍。在化肥施用量相同的情況下，土壤過氧化氫酶活性隨著菌渣施用量的增加呈上升趨勢。而在菌渣施用量相同時，隨化肥用量的增加，土壤過氧化氫酶活性明顯呈上升趨勢。在單施化肥和單施菌渣的情況下，土壤過氧化氫酶活性均有顯著變化，其中單施化肥更容易提高土壤酶的活性。

由圖5可知，菌渣和化肥配施可以有效提高土壤蔗糖酶的活性，C 50F 100處理的土壤蔗糖酶活性顯著 "高于CK（Plt;0.05）。在施用菌渣F 50和化肥C 50水平下，土壤蔗糖酶活性均隨著化肥和菌渣施用量的增加而增大；而在施用菌渣F 100和化肥C 100水平下，土壤蔗糖酶活性呈現的則是先增后降的變化趨勢。

由圖6可知，菌渣化肥配施可以顯著提高土壤脲酶的活性（Plt;0.05），與CK相比，各處理增幅為29.7%～67.6%；C 100F 50處理土壤脲酶活性上升幅度最大，C 0F 100處理土壤脲酶活性上升幅度最小。在施用菌渣F 50、F 100及化肥C 50水平下，土壤脲酶活性均隨化肥和菌渣施用量的增加而增大；而在施用化肥C 100水平下，土壤脲酶活性呈先增后降的趨勢。在單施菌渣和單施化肥處理中，單施菌渣處理的土壤脲酶活性要低于單施化肥的處理。

2.5 土壤酶活性與土壤理化性質的相關性

對菌渣化肥配施后土壤酶活性與土壤理化性質的相關性進行分析，結果（表2）表明不同土壤酶活性之間存在一定的相關性，過氧化氫酶活性與脲酶活性、蔗糖酶活性與脲酶活性存在極顯著正相關關系（Plt;0.01），過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性存在顯著正相關關系（Plt;0.05）。這個結果表明，土壤酶活性之間存在著緊密的互作關系。本研究還發現，土壤酶活性與土壤養分因子之間具有一定的相關性，其中土壤脲酶活性與土壤EC值相關性最強，相關系數達到了-0.843，土壤過氧化氫酶活性與土壤pH值和全氮含量之間的相關性也較強，相關系數分別為-0.829和0.820。這說明土壤酶的活性是由多種因子協同影響的。

3 討論與結論

3.1 菌渣化肥配施對土壤理化性質的影響機制

土壤容重是評價土壤品質的重要指標之一，同時也能有效反映土壤生產力的水平。孟慶英等研究發現，黑木耳菌糠還田降低了土壤容重、土壤貫入力，可以有效改變土壤板結和變硬的問題［10］。胡留杰等的研究表明，菌渣還田對降低土壤容重、提高土壤透氣性、改善土壤入滲能力具有顯著成效［11］。有研究者發現，菌渣自身的容重低且孔隙度高，將其還田后可明顯降低土壤的容重［12-14］。本研究結果顯示，菌渣化肥配施明顯降低了土壤容重，這說明菌渣可以有效改善土壤的團聚體結構，增加土壤孔隙度。但并不是施用的菌渣越多，土壤容重降低越快。本研究發現，當施入的菌渣和化肥都是中等量時，土壤容重的降幅最大，而菌渣或化肥施入量較大時土壤容重則下降幅度不大；這說明菌渣和化肥配施后產生了交互作用，導致菌渣和化肥配施后，土壤容重的降低幅度不同。

本研究結果顯示，菌渣和化肥配施顯著降低了土壤pH值，這與趙自超等對設施土壤的研究結果［15］一致；另外本研究中土壤pH值隨著菌渣施用量的增加而呈降低的趨勢，這可能是菌渣發酵產生的酸性物質導致的。

土壤EC值是土壤水溶性鹽的一個測定指標，而土壤水溶性鹽是表層土壤中可被植物迅速利用的重要無機營養［16］。本研究發現，菌渣和化肥配施降低了土壤EC值，這可能與菌渣還田后土壤容重的降低有關，土壤孔隙度隨著容重的降低而增大，導致土壤鹽分淋失，進而土壤EC值下降。也有研究認為，土壤EC值下降的原因是菌渣經過發酵和轉化，導致活性物質增多［13］。

3.2 菌渣化肥配施對土壤養分的影響機制

土壤有機碳是土壤中各類含碳有機物的總和，其含量不僅關系到土壤肥力，還會影響著整個生態系統的碳循環，土壤有機碳既是溫室氣體“源”，也是其重要的“匯”［17］。菌渣還田對土壤有機碳含量的變化影響很大。栗方亮等研究發現，對稻田土壤進行定位施用菌渣，土壤有機碳總量及各級團聚體碳含量明顯升高，可有效改善土壤的團粒結構，進而提高稻田土壤的生產力；菌渣原位還田可以持續提高土壤有機碳的含量［18-19］。孟慶英等對設施土壤菌渣還田進行研究發現，隨著菌渣還田量的增加，土壤有機碳含量呈增加趨勢［10，20］。本研究發現，菌渣和化肥配施后，土壤有機碳的含量明顯增加，這說明菌渣的施入在一定程度上可以增加土壤有機碳含量，這可能是由于菌渣本身含有大量的纖維素、木質素等富碳物質，還有可能是菌渣進入土壤后分解轉化一些有機酸，經過酸溶和螯合作用，促進了礦化物的養分釋放，進一步增加了土壤有機碳的含量。本研究還發現，在C 50F 50處理下，土壤有機碳含量最高，這說明菌渣本身含有豐富的有機質，在與化肥配施入土壤后進一步分解轉化，使土壤有機碳的含量大幅度增加，最終形成培肥土壤的效果。但在化肥菌渣配施且施用總量超過100%水平下，有機碳含量隨菌渣施用量增加呈現下降趨勢，施用總量為200%時有機碳含量進一步降低，這可能是由于高量菌渣和化肥影響了有機碳的轉化速度。

土壤全氮含量與作物產量密切相關，測定土壤全氮含量可用于指導施肥以達到增產的目的［21］。有研究表明，黑木耳菌渣可以替代氮肥還田，并且增加土壤中的全氮含量［10］。另外有研究者在菌渣中也檢測到了豐富的氮、磷、鉀等營養元素［22］。本研究施用菌渣后，土壤全氮的含量顯著升高，施入中量菌渣處理比高量菌渣處理的全氮含量增幅更大，這一變化與土壤有機碳含量變化一致，可能是因為過量的菌渣對土壤環境產生影響，進而影響了土壤碳氮的分解和轉化。

3.3 菌渣化肥配施對土壤酶活性的影響機制

土壤酶作為產生生物化學反應的催化劑，其活性可用來判斷土壤生物化學過程的強度［23］。過氧化氫酶參與土壤中物質循環和能量轉化過程，其活性在一定程度上可以反映土壤生物氧化過程的強弱程度。陳文博等的研究表明，菌渣還田后土壤過氧化氫酶、土壤脲酶、土壤蔗糖酶的活性顯著增強［24］。滕青等的研究結果也表明，菌渣的施用能夠提高土壤過氧化氫酶的活性［25］，本研究結果與之一致。本研究還發現，高量化肥（C 100）處理土壤過氧化氫酶活性明顯高于低量化肥（C 50）處理，而高量菌渣（F 100）處理與低量菌渣（F 50）處理則與化肥的變化相反，這說明化肥在提高土壤過氧化氫酶活性上的作用更強。然而，在所有處理中C 100F 50處理的過氧化氫酶活性最高，這說明在原有施肥基礎上增加50%菌渣會使兩者交互作用更利于微生物進行代謝，進而增強了過氧化氫酶的活性。

蔗糖酶作為植物、微生物的營養源，其活性可以反映土壤呼吸的強度［23］。鄧歐平等研究認為，菌渣還田后土壤蔗糖酶活性顯著增強［26］。胡留杰等的研究表明，菌渣會抑制土壤蔗糖酶的活性［11］。本研究中，在施入高量的菌渣和化肥后，土壤的蔗糖酶活性顯著增強，而單施菌渣、單施化肥及配施低量的菌渣和化肥后，土壤蔗糖酶的活性變化并不明顯。這說明菌渣和化肥的互作效應更利于土壤微生物脂肪、蛋白質的代謝以及激素合成的轉化，進而提高蔗糖酶的活性。

脲酶是土壤中能將蛋白質、多糖等大分子物質裂解成簡單的、易于被植物吸收的小分子物質的一種酶，其活性在土壤碳、氮循環過程中發揮著重要作用［27］。胡留杰等研究認為，菌渣還田能顯著增加土壤脲酶活性［11］。滕青等的研究表明，單施菌渣比單施化肥的土壤脲酶活性高出1.44倍［25］。本研究結果與其他研究者的結果一致，菌渣還田顯著提高了土壤脲酶活性，菌渣和化肥配施后土壤脲酶的活性明顯高于單施菌渣和單施化肥的處理，并且高量的菌渣化肥處理比低量的菌渣化肥處理土壤脲酶活性增加的幅度更大，這說明高量的菌渣和化肥的互作效應更強。

本研究中，菌渣化肥配施均不同程度提高了3種土壤酶的活性，一方面說明了菌渣本身具有豐富的養分物質，另一方面說明菌渣和化肥具有良好交互作用，對土壤質量有一定的提高。本研究還發現，不同酶活性之間、酶活性與土壤養分因子之間存在一定的相關性，這與陳文博等的研究結果［24-26］一致。這也說明，土壤中腐殖質的合成與分解，有機化合物、動植物和微生物殘體的水解與轉化，土壤中有機、無機化合物的各種氧化還原反應等生物化學過程都有土壤酶的參與。

菌渣與化肥配施能有效提高土壤有機碳、全氮含量，對改善土壤容重、pH值、EC值效果顯著，對增強土壤酶活性有較好作用，但并不是隨著菌渣用量的增加一直呈現增加的趨勢；低量的菌渣與化肥配施更有利于土壤碳氮的轉化和分解，但對土壤酶活性的促進作用相對較小。因此，適當比例的菌渣與化肥配施能更加有效地提高土壤碳氮的周轉速度、土壤酶活性及土壤質量。

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收 稿日期：2023-02-09

基金項目：新疆維吾爾自治區自然科學基金（編號：2021D01B45、2021D01B44）；新疆理工學院校級科研項目（編號：ZY202101、ZZ202103）。

作者簡介：趙群喜（1990—），男，河南商丘人，碩士，講師，主要從事農業生物質資源利用與農業機械裝備研究。E-mail：990611699@qq.com。

通信作者：李風娟，碩士，教授，主要從事生物質資源研究。E-mail：276390658@qq.com。