基于玉米秸稈乙酸法制漿廢液的土壤改良劑研究

作者簡介：徐丹婕，在讀碩士研究生；主要從事生物質資源組分分離及高值化利用等方面的研究。

關鍵詞：玉米秸稈；乙酸制漿；制漿廢液；土壤改良 中圖分類號：X793 文獻標識碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.005

Study on the Use of Waste Liquid from Corn Straw Acetic Acid Pulping as Soil Conditioners

XU Danjie PING Qingwei*SHANG Jin SHENG XueruZHANG Jian LINaWANG Bing （SchoolofLightIndustryandChemical Engneering，DalianPolytechnic University，Dalian，LiaoningProvince，6034） （*E-mail： pingqw@dlpu.edu.cn）

Abstract：Inthisudy，tewasteliquidfromacetiacidpulpingofcotra（referedtoasdegradationliquid）wasuse.Troughpotting experiments，teetsofdieretdilutionatio（Ois）ofegrdationliqudosoilpsicoceicalpropertis，actii ties，andthegrowthofleafyvegetableplantsereexploredTheresultsshowedthattedegradationliquidcontaiedvariouscoponts suchassugarsandsallmolculeoganicacids.Theapplicationofegradationsolutioncouldincreasethecontentofsoilorganicatte， decreasehepHvalue，ncreaseteelectricalconductivityandehancethactitiesofsucrasendphosphatase.Whenthedilutiorati was greaterthnOs，eilulesicread，eaterontteasdtottsftotalospodbleo phorusbothincreased，andtheactivitiesofureaseandcatalasebothdecreased.Whenthedilutionratioasgreaterthan5Oies，hecontentofammouitrogenofsoil increasedDegradatiosoutiosdluted50tOOtiescouldallpromoteplantgrowthmongwichthe plantstreatedwithdegradationsolutiondiluted1OOtimeshadthebestgrowthInconclusion，theentirecomponentofthewasteliqudrom aceticcidpulpingofostalksouldbeusedtoimproesoilquaityhedgradonliquidatnapproprateoncentratioouldefe tivelyenhanethephysicalproperties，chemicalfertility，ndbiologicalfertilityofthesoil，andpromotethegrowthofcops.

eywords：corn stalk；acetic acid pulping；pulping waste liquid;soil improvemenl

玉米秸稈是我國分布范圍廣、產出量較大的一種農業廢棄物，其資源化利用備受關注。秸稈還田被認為是提升土壤有機質含量、改善土壤結構的有效手段2，其可通過增強微生物活性來提升土壤酶活性，進而提升土壤生物肥力[3-4。目前，秸稈離田是占主導地位的玉米秸稈利用方式，其會造成土壤有機質含量下降、農作物減產β-。基于我國國情，玉米秸稈無法在耕作期內實現田內自然腐熟，會造成病蟲害加重、土壤熵情變差、易倒伏等問題，因此如何實現秸稈高效還田已成為亟需解決的問題。

近年來，綠色溶劑制漿技術的發展為秸稈資源化利用提供了新思路，但溶劑法制漿廢液的回收與利用存在廢液成分復雜、分離純化難度大、回收技術能耗高、設備投資與運行成本昂貴等難題，制約了溶劑法制漿的推廣。乙酸作為一種無鹽溶劑，可以用作秸稈制漿溶劑，按預期其制漿廢液中含有的糖分、降解木質素8，可增加土壤有機質含量，增強土壤肥力；同時，制漿廢液中殘余的乙酸還能作為微生物碳源，調節微生物代謝活性90]。對乙酸法制漿廢液的全組分高效利用，可以降低造紙企業廢水處理成本，對推動秸稈制漿技術的商業化應用具有現實意義，同時也能助力制漿造紙行業盡快達到“雙碳”目標[]。

本研究探討了對玉米秸稈乙酸制漿廢液用作土壤改良劑的系統性評價，研究了制漿廢液對土壤有機質含量、全磷含量、銨態氮含量、土壤酶活性的影響規律，以期為玉米秸稈高效還田技術優化提供一定的參考。

1實驗

1.1 實驗原料與儀器

1.1.1 土壤和種子

供試土壤取自遼寧省大連市，為了排除土壤自身肥力干擾，采用多點取樣法采集較貧瘠的表層土壤中 （0～20cm） ），剔去殘茬、碎礫，進行盆栽突驗。供試種子為京農研美味小白菜種子，購自北京農科院種業科技有限公司，生長適宜溫度 15～30°C ，采摘周期25～40天。

1.1. 2 乙酸法制漿廢液

供試乙酸法制漿廢液為實驗室自制，具體過程如下：取玉米秸稈（遼寧鐵嶺產）并切成長度 3～5cm 小段，放入回轉蒸煮鍋中，用質量分數 20% 乙酸在液比 10：1 、降解溫度 140^°C 下，蒸煮 180min ，移入粒徑 74μm 的濾袋中擠濾，沉淀 24h ，收集上清液，得到乙酸法制槳廢液（以下簡稱降解液），備用。

1. 1.3 實驗儀器

本研究所使用的主要儀器設備，見表1。

1. 2 實驗方法

1. 2.1 乙酸法制漿廢液組分分析

乙酸法制漿廢液的主要組分為低聚糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甲酸、乙酸、5-羥甲基糠醛、糠醛等，可采用液相色譜法，利用HPLC測定各組分的含量；而乙酸法制漿廢液中的酚類物質含量，可通過檢測水解液中酚羥基含量來間接計算，取 10mL 廢液稀釋至一定倍數，采用Folin-Ciocalteu試劑法檢測酚羥基含量。

表1主要儀器設備一覽表

Table1 List of main instruments and equipment

1. 2. 2 盆栽實驗

盆栽實驗于2024年4月15日種植小白菜，于2024年5月15日結束觀察，過程具體如下：取土壤1500g ，用直徑 2mm 的不銹鋼篩網篩分，放入口徑18cm 、高度 13cm 、容積3L花盤中，均勻播種小白菜種子100粒，以不同稀釋倍數降解液為實驗組、清水為對照組（CK）進行澆灌，其中降解液稀釋倍數分別為25、50、100、200，依次記為J25、J50、J100、J200。第1次澆灌時間為播種后第1天，澆灌量為 100mL ，播種后第15天進行第2次澆灌，澆灌量為 100mL ，種植期間共澆灌降解液 200mL ，2次澆灌期間視土壤干燥情況澆灌去離子水（每次、每盆澆水量相同）。出苗后的第15、22和29天間，每盆分別保留50、30和10株健壯小白菜作為觀察對象。從種植后第1天起，每間隔7天采集1次適量土樣，進行指標分析。

1.3 土壤性能檢測

1.3.1 土壤物理特性

土壤pH值按照HJ962—2018，采用電位法進行測定；土壤電導率按照HJ802—2016，采用電極法進行測定；土壤含水率按照HJ613—2011，采用重量法進行測定；土壤容重按照NY/T1121.4—2006，采用環刀法進行測定；土壤有機質含量、全磷含量、有效磷含量、銨態氮含量等指標采用文獻[12]中的方法測定。其中土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法進行測定，土壤全磷含量的測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，土壤有效磷含量的測定采用NaHCO₃ 浸提鉬銻抗比色法，土壤銨態氮含量的測定采用KCI浸提-靛酚藍比色法。

1.3.2 土壤酶活

土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、過氧化氫酶活性等指標采用文獻[13]中的方法測定。其中土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法，土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法，王壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法進行測定。

2 結果與討論

2.1土壤的理化性質分析

土壤的理化性質見表2。由表2可知，土壤的有機質含量僅 12.40g/kg ，與全國農田耕層土壤有機質平均含量（ 24.65g/kg ）[4相比，較貧瘠。選擇有機質含量低的土壤，可以更清晰地驗證降解液用作于土壤改良劑的效果。

2.2降解液的主要組分分析

降解液的主要組分見表3，其 pH 值為2.43。由表3可知，降解液中含有糖類、小分子有機酸、糠醛類和酚類等多種有機物，這些物質均是土壤的重要營養成分[15-17]。其中，糖類物質的含量為 9.16g/L 、小分子有機酸含量為 100.00g/L 、糠醛類物質的含量為1.04g/L 、酚類物質的含量為 2.55g/L 。這是因為糖類和糠醛類物質源自玉米秸稈中聚糖降解，酸類物質除了部分外加乙酸外，主要源自糖類降解或乙酸基水解，酚類物質主要來自原料中木質素降解。酚類物質對植物生長發育有一定的調節作用，其中一元酚會抑制植物的生長，而二元酚或多元酚對植物生長卻有促進作用8。由于降解液中含有甲酸和乙酸，因此其呈酸性， pH 值為2.43。甲酸、乙酸可以提高土壤養分水平[9]，提高土壤肥力[0]，輔助重金屬污染修護[20-21]，還能作為微生物碳源，為促進土壤微生物活動發揮作用[22]。

2.3降解液對土壤物理特性的影響

土壤的 pH 值、電導率、含水率、容重是評價土壤物理特性的重要指標。一般情況下，當土壤的 pH 值為 5.01～8.06^[23] 、電導率為 0.2～2.0mS/cm^[24] 、含水率為 15%～30%¹²⁵¹ 、容重為 1.10～1.30g/cm^3[26] 時，可認為土壤具有較好的物理特性，適合大多數作物生長。施加不同稀釋倍數（25、50、100、200倍）降解液與清水后，土壤物理特性指標的變化規律如圖1所示。由圖1可知，施加不同稀釋倍數的降解液，對土壤物理特性指標的影響均未超出正常閾值。

從圖1（a）可以看出，當種植時間相同時，降解液的稀釋倍數越小，土壤的pH值越低，這是因為降解液中含甲酸和乙酸，稀釋倍數越小， [H⁺] 含量越高；當稀釋倍數相同時，土壤的 pH 值均隨種植時間的延長而上升，表明土壤具有一定的緩沖能力，能夠部分緩解降解液的酸化效應27]，其中在種植15天時，CK組的 pH 值達到最大值（6.62），此時J25、J50、J100和J200組的 pH 值分別為6.23、6.39、6.44、6.46，CK組后續 pH 值降低的原因可能是土壤中糖分被微生物降解成有機酸。

由圖1（b）可以看出，當稀釋倍數相同時，土壤的電導率均隨種植時間延長而上升，這是因為降解液中的有機酸在土壤中會發生解離，產生[H]和酸根離子[28]，同時，酸根離子也會螯合土壤中鉀、鈣、鎂等金屬離子，因此，土壤中離子處于動態平衡；后期隨著土壤中有機質降解為小分子電解質（包括CK組），導致土壤中離子濃度增加，電導率升高[29，31]；當種植時間相同時，稀釋倍數越小，土壤的電導率越低，J200組接近CK組，表明玉米秸稈中的電解質進入了降解液，稀釋倍數越小，帶入的電解質量越大，稀釋倍數大于200倍后，降解液對電導率的影響與清水接近。

由圖1（c）可以看出，當種植時間相同時，稀釋倍數較小的J25和J50組土壤含水率低于CK組，而J100和J200組則高于CK組，這是因為稀釋倍數較小時，土壤pH值低，會破壞土壤團聚體的穩定性，導致土壤板結，降低孔隙連通性，從而減少水分滲透和水保持能力；當稀釋倍數相同時，土壤含水率均隨種植時間延長而上升，這是因為降解液中的可溶性有機質（如多糖、木質素降解產物等）不斷分解后形成腐殖質，促進土壤團聚體的形成，改善孔隙結構，增強土壤水保持能力[32-33]

表2供試土壤的理化性質

Table2Soil chemical and physical propertiesof tested soil

表3降解液的主要組分含量

Table3 Main components of the tested degradation solution

g/L

圖1施加降解液后不同種植時間土壤物理特性的變化

Fig.1Changes of soil physical properties at diferent planting times after application of degradation solution

由圖1（d）可以看出，當稀釋倍數相同時，土壤的容重均隨種植時間延長而下降，這是因為隨著植物根系生長，土壤有機質積累，促進土壤團聚體的形成，從而降低了土壤容重[34-35]，同時不斷生長和擴展的植物根系，在土壤中穿插、擠壓，也會增加土壤孔隙度，降低土壤容重[36-37；當種植時間相同時，稀釋倍數較小的J25和J50組土壤容重高于CK組，而J100和J200組土壤容重低于CK組。其中，J200組在所有實驗組中下降速度最快，土壤容重最低，表明低濃度的降解液在降低土壤容重、改善土壤結構方面效果最突出。

2.4降解液對土壤化學肥力的影響

土壤的有機質含量、銨態氮含量、全磷含量、有效磷含量是評價土壤化學肥力的重要指標。一般情況下，當土壤的有機質含量大于 20g/kg^[38] 、有效磷含量為 10～20mg/kg^[39] 時，可認為土壤理化性質較好。磷是植物生長的必需營養元素之一，參與能量代謝、細胞分裂和遺傳信息傳遞等關鍵生理過程[40]。土壤全磷是指土壤中所有形態磷的總和，包括無機磷和有機磷。有效磷則是指土壤中能夠被植物直接吸收利用的磷形態，通常包括水溶性磷和部分吸附在土壤顆粒表面的磷。施加不同稀釋倍數降解液對土壤化學肥力的影響見圖2。

由圖2（a）可以看出，施加不同稀釋倍數降解液的實驗組，其土壤有機質含量均高于CK組，且隨著種植時間的延長，有機質含量有所提升，這是因為降解液本身含有有機質，加上葉菜植株根系生長可增加土壤有機質含量。

由圖2（b）可以看出，當種植時間相同時，稀釋倍數越小，土壤的銨態氮含量越低，其中J25組與CK組接近，J50、J100與J200組則明顯偏大；隨著種植時間的推移，土壤中銨態氮含量均呈現先升后降的變化趨勢。這一現象可歸因于3個關鍵機制： ① 降解液中含有的有機氮在初期被微生物礦化為銨態氮，導致短期內銨態氮含量增加[； ② 隨著植物進入快速生長期，根系對銨態氮的吸收速率加快，直接消耗了土壤中的銨態氮； ③ 微生物硝化作用將部分銨態氮轉化為硝態氮42]，同時土壤膠體對銨離子的吸附固定作用也會逐步增強[43]。在植物吸收、微生物轉化及土壤吸附等多重因素的共同作用下，銨態氮含量在經歷初始積累后，逐漸回落并趨于穩定。這種短期激增與長期緩釋的雙重效應，既體現了降解液對土壤速效養分的即時補充作用，也反映了土壤-植物系統對養分的動態平衡調控能力[44]。

圖2施加降解液后不同種植時間土壤化學肥力的變化

Fig.2 Changes of soil chemical fertility at diferent planting times after application of degradation solution

由圖2（c）可知，當種植時間相同時，J25、J50組的土壤全磷含量低于CK組，而J100、J200組的土壤全磷含量則高于CK組，且實驗組與CK組的全磷含量均隨種植時間的延長而增加，表明施加降解液可能通過持續釋放磷來改善土壤全磷的含量。

由圖2（d）可以看出，除了J25組，其他實驗組的王壤有效磷含量均高于CK組，且稀釋倍數越大，對土壤有效磷含量的提升效果越顯著，其中J200組在種植第29天時具有最大的有效磷含量。

2.5降解液對土壤生物肥力的影響

土壤生物肥力可以通過土壤酶活性的高低來評價，土壤酶活性一般包括土壤蔗糖酶活性、腺酶活性、磷酸酶活性和過氧化氫酶活性，施加不同稀釋倍數降解液對土壤酶活性的影響見圖3。

由圖3可以看出，4種酶的活性均隨著種植時間的延長而增加，這是因為微生物在適宜的土壤環境中不斷繁殖，且降解液中的有機物為土壤微生物提供碳源和能量，促進微生物的生長和代謝活動，從而增加土壤中各種酶的合成和分泌，使得土壤酶活性增加[45-46]

但是，各種酶的表現不一，具體情況如下： ① 土攘蔗糖酶與土壤肥力具有相關性，即酶活性與有機質含量、微生物活動呈正相關[47-48]，降解液能夠提升蔗糖酶活性，本研究中J50組的酶活性最高； ② 與CK組相比，實驗組的脲酶活性均有不同程度的下降，這是因為脲酶是一種對 pH 值高度敏感的酶，其最適活性通常在中性至弱堿性環境下表現[49-50]，而降解液呈酸性，施加到土壤中會直接降低土壤pH值，導致脲酶活性暫時受抑制； ③ 從整體上來看，過氧化氫酶活性被抑制，但當種植時間 gt;22 天時，J200組的過氧化氫酶活性則有提升，表明土壤的低pH值會抑制過氧化氫酶的活性； ④ 降解液對土壤的磷酸酶活性有促進作用，本研究中J25組的磷酸酶活性最高，但當種植時間 gt;22 天時，實驗組和CK組土壤磷酸酶活性增速均放緩，這可能是因為有機磷底物部分消耗或微生物代謝趨于穩定。

圖3施加降解液后不同種植時間土壤酶活的變化

Fig.3Changes of soil enzyme activity at diferent planting times afterapplicationof degradation solution

2.6降解液對葉菜植株生長情況的影響

降解液對葉菜植株生長情況的影響見表4和圖4。由表4和圖4可以看出，J25組對小白菜生長具有抑制作用，當種植時間為8天時，菜苗的長勢最差，沒有全部出苗；當種植時間為15天時，存活的菜苗未達到預設的50株；當種植時間為22天時，葉菜植株的長勢由優到劣排序為 J100gt;J200gt;J50gt;CKgt;J25 ，當種植時間為29天時，葉菜植株的長勢由優到劣排序為 J100gt;J200gt;J50gt;CKgt;J25 ，且J25組有死株出現。因此，稀釋50倍以上的降解液對葉菜植株的生長具有促進作用，其中稀釋倍數100倍的降解液（J100）的促進作用最明顯，表明該降解液需要稀釋使用，但稀釋倍數不宜過大。

表4降解液對葉菜植株株高的影響

Table4Effectsofdegradationsolutiononplantheightof leafy vagetable plants

圖4不同降解液對葉菜植株生長情況的影響

Fig.4Effects of different degradation solution onthe growth of leafy vagetable plants

3結論

本研究利用玉米秸稈乙酸法制漿廢液（降解液），探究不同濃度（稀釋25～200倍）降解液對土壤理化性質、化學肥力和生物肥力及葉菜植株生長情況的影響規律，探討不同稀釋倍數降解液用于改良土壤的有效性。3.1降解液中含有糖類、小分子有機酸、糠醛類和酚類等多種土壤所需的重要營養成分。不同稀釋倍數的降解液能改變土壤物理特性。使得土壤pH值下降，電導率升高，施加稀釋倍數100和200倍的降解液可使土壤容重下降、含水率提升，但均未超出土壤物理特性正常閾值。3.2施加合適稀釋倍數的降解液能提升土壤化學肥力，提升土壤有機質含量，施加稀釋倍數 gt;50 倍的降解液后，土壤的銨態氮含量提升，施加稀釋倍數gt;100倍的降解液后，土壤的全磷和有效磷含量均提升。3.3施加合適稀釋倍數的降解液能改變土壤生物肥力，提升蔗糖酶和磷酸酶活性，降低脲酶活性，施加稀釋倍數200倍的降解液后，土壤的過氧化氫酶活性在種植時間 gt;22 天時有提升。3.4施加合適稀釋倍數的降解液能改善小白菜長勢，稀釋倍數50～200倍的降解液均能促進植株生長，施加稀釋倍數100倍降解液的植株長勢最好。

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（責任編輯：魏琳珊）