秸秆乙醇副产物对辣椒生长·产量和土壤品质的影响

李冬敏，张守庆，张宏嘉，刘丽英，孙中涛，武国庆

(1.中粮营养健康研究院，北京 102209；2.山东农业大学生命科学学院，山东泰安 271018；3.国投生物科技投资有限公司，北京 100034)

我国秸秆年产量巨大，约为10亿t[1]，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素等有机物质。以秸秆为原料经过酶解发酵采用生物法制备乙醇，是秸秆高值化利用的有效方式之一[2-4]，不仅可以解决能源资源短缺和秸秆焚烧带来的环境污染问题，而且可增加农民收入，助力实现“碳达峰、碳中和”的国家战略目标[5-7]。在秸秆乙醇生产过程中会产生大量的秸秆乙醇副产物(SEBP)，其中富含黄腐酸等有机成分。由于秸秆乙醇是一个战略新兴产业，仍处于产业示范阶段，目前未见有对该副产物的深入研究。生化黄腐酸(biofulvic acid，BFA)是生物质原料经过一系列复杂的物理、化学及生物转化过程而形成的一类小分子腐殖酸类物质，富含多种功能基团，以及一定数量的水溶性碳、氨基酸、有益微生物及其代谢产物等物质，具有较强的生物活性[8-9]。主要来源于多种工业或农业副产物，如秸秆、蔗渣、发酵工业残渣等，经复杂的生化反应后形成[10]。研究表明，BFA不仅可以促进土壤团粒结构的形成，改善土壤理化性质，减少化肥使用，缓解土壤板结，还可促进作物对矿质养分的吸收利用，促进作物生长，增强作物的抗病与抗逆能力，提高作物产量和产品品质，已被广泛应用于作物种植[11-15]。BFA可以提高苹果的单株产量和单果重量[12]，提高黄瓜中淀粉等糖类物质含量[13]，促进番茄植株生长和产量形成[14，16]，提高稻麦产量、氮素利用率和经济效益[17-18]，提升玉米植株重量和玉米产量[19]，并能够提高棉花产量，促进减磷增效[20]。SEBP与目前市售BFA性能与结构类似，但制备工艺有一定差异。笔者对SEBP进行紫外光谱和红外光谱分析，初步解析其主要功能成分，采用辣椒盆栽试验，考察SEBP在促进辣椒生长、提高辣椒产量和品质、改良土壤理化和生物学性质等方面的应用效果，并与市售BFA进行对比。以期为SEBP在农业生产中的应用提供科学依据，拓展有机肥料产业原料来源。

1 材料与方法

1.1 试验地概况试验用原土取自山东佐田氏生物科技有限公司露天试验田的耕作层，褐土，采用5目筛除去碎石、土块及秸秆碎片等杂质后使用。土壤有机质含量22.74 g/kg，全氮0.65 g/kg，碱解氮66.2 mg/kg，速效磷45.6 mg/kg，速效钾118 mg/kg，pH 6.65。

1.2 试验材料供试作物为线椒(CapsicumannuumL.var.acuminatum)。SEBP样品由国投生物科技投资有限公司提供，是以玉米秸秆为原料生产秸秆乙醇的副产物，其他来源的生化黄腐酸样品A(BFAA)和B(BFAB)来自市售。各受试原料的养分组成与理化性质见表1。

表1 受试生化黄腐酸的养分组成与电导率Table 1 Nutrition component and conductivity of testing biochemical fulvic acid

1.3 试验设计盆栽试验于2020年4—7月进行，试验地点为山东佐田氏生物科技有限公司露天试验田。辣椒幼苗购自宿州市埇桥区雪卉苗圃园，8片真叶，长势基本一致。塑料花盆上口内径18 cm，底部内径14 cm，高15 cm，每盆装土7.5 kg，移栽2棵辣椒幼苗。花盆按行排列，盆间距与行距均为80 cm。

试验共设4个处理组：空白对照(CK)、SEBP处理组(T1)、BFAA处理组(T2)和BFAB处理组(T3)。T1～T3处理组各设低、中、高3个不同施肥水平，施肥量分别为0.5、1.0和1.5 g/(盆·次)，各施肥水平均设12盆。CK共12盆，以等量去离子水代替生化黄腐酸进行施肥处理。5月18日第一次施肥，此后每12 d施肥一次，共3次。施肥方式为将每盆需要的生化黄腐酸单独称量，溶于500 mL水中进行冲施。每次施肥处理后的第10天测定株高和茎粗。根据辣椒生长情况适时采摘，每盆辣椒全生长期采摘量的平均值计为单株产量。6月24日在花盆中采土取样，用于测定土壤的理化及生物学性质。

1.4 分析与检测

1.4.1紫外光谱和红外光谱分析。将SEBP、BFAA、BFAB和木质素磺酸钠样品(Sigma公司)分别溶于水，配制0.1 g/L的样品溶液，用紫外分光光度计进行扫描。设置光栅狭缝宽度为2 nm，扫描步长为1 nm，扫描速度为中速，扫描波长为190～500 nm。测试仪器为紫外分光光度计UV-1900i，日本岛津公司。将上述4种样品分别粉碎后，通过压片机压片后进行红外光谱分析。采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)，光谱条件：空气背景，分束器为KBr，扫描次数32次，分辨率4 cm-1，波数范围4 000～350 cm-1。测试仪器为Thermo NicoLet IS50红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司。

1.4.2测定指标与方法。供试生化黄腐酸样品有机质含量测定采用重铬酸钾容量法(NY/T 525—2012)，黄腐酸含量测定采用重铬酸钾容量法(HGT 5334—2018)。辣椒株高和茎粗分别采用卷尺和游标卡尺测量。辣椒采摘后，当日使用电子天平(精度为0.01 g)称量每株的果实总重。土壤容重和持水能力测定采用环刀法(NY/T 1121.4—2006)。pH使用酸度计进行测定(LY/T 1239—1999)。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法(NY/T 1121.6—2006)。土壤氮含量测定采用凯氏定氮法(LY/T 1228—2015)。土壤速效磷含量测定采用钼锑抗比色法(NY/T 88—1988)。土壤速效钾含量测定采用CH3COONH4浸提-火焰光度计法(NY/T 889—2004)。土壤中细菌、真菌与放线菌活菌数量的测定采用平板涂布法(GB 4789.2—1994)。

1.5 数据处理与分析试验数据采用SPSS 17.0和Excel软件进行统计、作图和分析，用Duncan新复极差法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 紫外吸收光谱和红外光谱分析结果对SEBP和不同来源的黄腐酸样品进行紫外光谱和红外光谱扫描，结果见图1。由图1a的紫外光谱可知，4种样品均有木质素的3个典型吸收峰。在210 nm附近为共轭烯键吸收带；在230 nm附近均出现吸收肩峰，这是木质素芳香族的侧链上引入了磺酸基和羰基等取代基，导致共轭程度增大的典型特征；280 nm附近则是苯环的吸收带[21-22]。其中，SEBP、BFAA和BFAB的吸收峰向275 nm处偏移，原因可能是其结构中含有紫丁香单元，导致苯环取代基较多，吸收向高频短波移动[23]。红外光谱测定结果见图1b。由图1b可知，4种样品均具有明显的磺酸基团吸收峰和木质素官能团的特征吸收峰。在3 400 cm-1附近较宽的吸收峰是O—H中的伸缩振动峰，2 930和2 850 cm-1附近为甲基、亚甲基和次甲基中C—H的伸缩振动吸收。在1 660 cm-1(共轭羰基)、1 510 cm-1(芳香环骨架振动)、1 460 cm-1(不对称的甲基变形)和1 270 cm-1(愈创木基环加C==O伸展振动)处的吸收较少，原因可能是在分子上接入了较长的亲水侧链，使苯环的吸收峰减弱[21]；在1 040 cm-1处有明显的磺酸根中S==O的对称振动的吸收峰，在615 cm-1处有磺酸基团中S—O的伸缩振动的吸收峰，说明样品中含有较多的磺酸基团[24]。从光谱分析结果初步判定SEBP属于生化黄腐酸类原料。

2.2 不同生化黄腐酸对辣椒茎粗和株高的影响在不同施肥水平下，对不同生化黄腐酸的辣椒植株的茎粗和株高分别进行测定，结果见图2和图3。由图2～3可知，在低施肥水平[0.5 g/(盆·次)]下，第1次施肥后，T1～T3处理的茎粗和株高均比CK处理有所增大；虽然各处理间茎粗差异均未达显著水平(P≥0.05)，但T1和T2处理的株高与CK相比分别增加13.39%和8.61%，均达显著水平(P<0.05)。第2次施肥后，与CK相比，T1～T3处理的茎粗分别增加了15.50%、11.50%和12.14%，株高分别增加了18.40%、8.83%和9.76%，均达显著水平(P<0.05)；虽然T1～T3处理间茎粗差异不显著(P≥0.05)，但T1处理的株高显著高于T2和T3处理(P<0.05)。第3次施肥后，只有T1处理的生长优势继续保持，与CK相比茎粗和株高分别增加26.88%、24.99%，均达显著水平(P<0.05)；T2、T3处理的茎粗和株高虽然有所增加，但与CK相比差异不显著(P≥0.05)。这说明这3种生化黄腐酸在低施肥水平时就可对辣椒表现出较好促生作用，其中SEBP优于其他来源的2种生化黄腐酸。

在中施肥水平[1.0 g/(盆·次)]时，第1次施肥后，与CK相比，T1～T3处理的茎粗分别增加22.29%、6.16%和9.98%，均达显著水平(P<0.05)，且T1处理显著优于T2和T3处理(P<0.05)；T1和T2处理的株高虽比CK有所增加，但未达显著水平(P≥0.05)。第2次施肥后，与CK相比，T1～T3处理的茎粗分别增加了18.05%、13.90%和14.86%，株高分别增加了14.47%、12.97%和13.90%，均达显著水平(P<0.05)；但T1、T2和T3处理间茎粗和株高差异不显著(P≥0.05)。第3次施肥后，T1～T3处理的生长优势继续保持，与CK相比茎粗分别增加25.00%、19.10%和11.93%，株高分别增加19.76%、13.13%和19.07%，均达显著水平(P<0.05)；T1处理的茎粗显著高于T3处理(P<0.05)，但与T2处理差异不显著(P≥0.05)；T1～T3处理间株高差异不显著(P≥0.05)。这说明3种生化黄腐酸在中施肥水平时也可对辣椒表现出较好促生作用，但SEBP相对于2种其他来源生化黄腐酸的促生优势不如低施肥水平时明显。

在高施肥水平[1.5 g/(盆·次)]时，第1次施肥后，与CK相比，T1～T3处理的茎粗分别增加了22.25%、13.77%和14.62%，株高分别增加了4.06%、16.00%和12.17%，均达显著水平(P<0.05)；T1、T2和T3处理间茎粗差异不显著(P≥0.05)，但T1处理的株高显著低于T2和T3处理(P<0.05)。第2次施肥后，各处理间茎粗和株高的优劣对比与第1次施肥后的情况基本一致。第3次施肥后，T1～T3处理的生长优势继续保持，与CK相比茎粗分别增加21.48%、29.52%和16.33%，株高分别增加13.39%、16.15%和13.26%，均达显著水平(P<0.05)；但T1～T3处理间的茎粗和株高均无显著差异(P≥0.05)。这说明这3种生化黄腐酸在高施肥水平时也可对辣椒表现出较好促生作用，但SEBP相对于2种其他来源生化黄腐酸的促生优势进一步降低，不如低施肥水平和中施肥水平时明显。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments at 0.05 level图2 不同生化黄腐酸对辣椒植株茎粗的影响Fig.2 Effect of different BFA on stem diameter of pepper

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments at 0.05 level图3 不同生化黄腐酸对辣椒植株株高的影响Fig.3 Effect of BFA on plant height of pepper

2.3 不同生化黄腐酸对辣椒单株产量的影响不同生化黄腐酸对辣椒单株产量的影响见图4。由图4可知，与CK相比，低施肥水平时，T1、T2和T3处理的辣椒单株产量分别提高17.90%、9.70%和18.15%，均达显著水平(P<0.05)，但三者之间差异不显著(P≥0.05)；中施肥水平时，T1、T2和T3处理的辣椒单株产量分别提高44.70%、29.30%、24.12%，均达显著水平(P<0.05)，其中T1处理显著高于T3处理(P<0.05)；高施肥水平时，T1、T2和T3处理的辣椒单株产量分别提高41.72%、40.63%、50.21%，均达显著水平(P<0.05)，但三者之间差异不显著(P≥0.05)。这表明施用3种生化黄腐酸均可显著提高辣椒的单株产量，且增产幅度与施肥水平有关。SEBP施肥水平由低升至中、高水平时，单株产量显著提高(P<0.05)，但中、高施肥水平间差异不显著(P<0.05)。生化黄腐酸B和C的单株产量也随施肥水平的升高而升高，其中生化黄腐酸B高水平施肥处理的单株产量显著高于低水平施肥处理，但与中水平施肥处理差异不显著；生化黄腐酸C在高施肥水平时单株产量最高，且显著高于中低施肥水平(P<0.05)。这说明在该试验条件下SEBP和生化黄腐酸A的最佳施用水平为中水平，而生化黄腐酸B的最佳施用水平为高水平。

注：不同小写字母表示同一处理不同施肥水平间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一施肥水平下不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different application levels under the same treatments；Different capital letters indicated significant difference between different treatments under the same level图4 不同生化黄腐酸及不同施肥水平对辣椒单株产量的影响Fig.4 Effect of different biochemical fulvic acids and feeding level on the pepper yield of per plant

2.4 不同生化黄腐酸对土壤微生物数量的影响土壤微生物参与有机质矿化、养分循环和腐殖质合成等多种土壤生化反应，调节植物生长发育，抑制病原微生物，与土壤肥力密切相关，是评价土壤质量的一个重要指标[25-26]。生化黄腐酸能够为微生物提供碳源和能量，影响土壤微生物的数量和组成。不同生化黄腐酸对土壤微生物数量的影响见图5。由图5可知，施用生化黄腐酸后，土壤微生物数量发生了显著变化。与CK相比，T1和T2处理土壤细菌数量分别增加178.01%和165.96%，放线菌数量分别增加92.31%和84.62%，均达显著水平(P<0.05)；但T3处理土壤细菌和土壤放线菌分别增加44.33%和12.82%，均未达显著水平(P≥0.05)。与CK相比，T1处理土壤真菌数量略有降低(P≥0.05)，但T2和T3处理的真菌数量分别增加41.10%和120.55%，均达显著水平(P<0.05)。

2.5 不同生化黄腐酸对土壤肥力的影响生化黄腐酸是含有羟基和羧基等活性基团的有机原料，可以通过改变土壤氮、磷、钾等元素的存在形态、提高利用效率等多种方式对土壤肥力产生直接的影响[27]。通过对不同处理的土样进行检测，分析了不同生化黄腐酸对土壤有机质与氮、磷、钾含量的影响，结果见图6。由图6可知，施用T1后，土壤的有机质及氮、磷、钾含量最低；施用T3后，土壤的有机质及氮含量与CK相比略低；施用T2后，土壤的磷含量与CK相比略低。氮、磷、钾是土壤的核心养分，是植物生长发育必不可少的大量元素[28]，作物生物量越高，需从土壤中带走的氮、磷、钾越多。由于生化黄腐酸对辣椒生长发育具有促进作用，生物量越高，所需要吸收的营养成本就越多，导致土壤中有机质和氮、磷、钾降低。另一方面，生化黄腐酸作为生物刺激素，施用量较少，不足以导致土壤有机质发生显著改变。这也是各处理土壤有机质含量无显著差异(P≥0.05)的原因。由于SEBP促生和增产作用明显，但因用量少，导致土壤中氮、磷、钾含量略有下降，因此，SEBP宜配合有机肥或化肥使用，这样不仅可以充分发挥其生物刺激作用，还可防止因作物增产而导致的土壤养分过度消耗。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letter indicated significant difference between different treatments at 0.05 level图5 不同生化黄腐酸对土壤微生物数量的影响Fig.5 Effect of different biochemical fulvic acids on the number of soil microorganism

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatments at 0.05 level图6 不同生化黄腐酸对土壤肥力的影响Fig.6 Effect of different BFA on soil fertility

2.6 不同生化黄腐酸对土壤容重、持水能力和pH的影响土壤容重、持水能力和pH是土壤的基本物化性质。容重过大、持水能力过小、pH过高或过低会导致土质紧实，土壤透气性和保肥保水能力差，严重影响作物生长[28-29]。研究表明，施用生物有机肥和黄腐酸等有机类新型肥料可降低土壤容重，改善土壤理化性质，提高土壤持水能力，调节土壤pH[30-31]。与CK相比，施用生化黄腐酸的处理土壤容重、土壤持水能力和pH均无显著差异(P≥0.05)(表2)。这说明在该试验用量下，生化黄腐酸虽可表现出较强的促生能力，但还不足以引起土壤容重、持水能力和pH发生显著变化。事实上，土壤改良是一个长期、渐进的过程，需要施用大量有机肥料或土壤改良剂，单纯地施用少量生化黄腐酸，不配合施用有机肥，仅一季栽培难以显著改善土壤理化性质。

表2 不同生化黄腐酸对土壤容重、持水能力和pH的影响Table 2 Effects of different biochemical fulvic acids on soil bulk density，water holding capacity and pH value

3 讨论与结论

生化黄腐酸中的有机物含有许多活性官能团，如羰基、羧基、磺酸基、羟基和酚羟基等，它们能够螯合和交换阴离子或离子[8]。此外，生化黄腐酸中的氨基酸、维生素、微量元素和激素等化合物都能刺激细胞分裂、根系生长和营养吸收，提高植物的抗胁迫能力，从而促进作物生长，提高作物产量[32-33]。该试验紫外光谱和红外光谱分析结果表明，SEBP中含有丰富的羟基、羧基、羰基、取代芳基及磺酸基等活性基团，具备生化黄腐酸的典型结构特征。

生化黄腐酸改善植物生长的机制可以归因于调节膜通透性和细胞内信号能力的增加，从而促进根生长[34]，提高叶绿素和光合活性[35]，激活碳和氮代谢[36]。该试验结果证明，SEBP可以显著提高辣椒茎粗、株高和产量，说明黄腐酸在植物生长时期能有效促进植物细胞分裂与增殖，加快生长速度。不同施肥水平和施肥时间对茎粗和株高的影响不同，原因可能是不同浓度的生长刺激剂对植物的影响不同，过高或过低都不利于植物生长。另一方面，植物在不同生长阶段对营养成分的需求不同。随着植物的生长发育，植物细胞也在不断发生变化，对外界刺激的响应也在改变。因此，要根据植物在不同生理阶段的特点，选择适宜的施肥浓度和施肥时间，使植物在不同阶段处于良好的生长状态，并结合果实生长情况，选择最适的施肥量，才能得到更好的效果。

黄腐酸分子量小、生物活性高、渗透力强，容易被作物吸收利用，在作物增产和品质改善上发挥重大作用[37-38]。该试验结果证明，施用黄腐酸后，辣椒产量显著增长，其中T1处理辣椒增产44.70%，T2处理辣椒增产40.63%，T3处理辣椒增产50.21%。作物产量与其生长性状关联密切[39]，并受各种农艺性状的影响，茎粗和株高不是影响产量的唯一因素[40]。SEBP在低施肥水平时植株品质较好，中施肥水平时产量较高。原因可能是，在植物生长前期，低施肥水平的黄腐酸条件更适宜植株生长发育，有利于茎粗、株高的增长；在果实成熟期，较高浓度的施肥水平使营养更充分，因而产量更高。

生化黄腐酸分子中含有的多种活性官能团，通过与土壤中的金属离子(Ca2+、Mg2+等)发生络合、螯合等作用，形成性能稳定的絮状凝胶，使分散的土粒团聚起来，形成水稳性良好的团粒结构，增大通风量，提高土壤含水量，进而提高土壤肥力和持水能力[41]；其官能团接受电子所形成的配位化合物，可以促进土壤中矿质元素的溶解与活化，提高土壤中氮、磷、钾含量，增加有机质，为微生物提供了合适的生存环境，从而提高了土壤微环境的生态多样性[42]。SEBP能够有效提高土壤细菌和放线菌数量，降低土壤真菌数量，从而改善土壤微生态，且其应用效果优于其他2种来源的生化黄腐酸。虽然施肥量在0.5 ～1.5 g/(盆·次)时，单独施用SEBP对辣椒有较好的促生与增产作用，但还不足以对土壤有机质、氮磷钾含量、容重、持水能力和pH产生显著影响。因此，农业生产过程中，SEBP应与有机肥或化肥配合使用，以取得更好的应用效果。

综合该试验结果看出，SEBP具有明显的黄腐酸特征基团，属于生化黄腐酸类物质，并在辣椒盆栽试验中表现出较好的促进生长、增加产量、改善土壤微生态的作用，可作为有机肥等新型生物肥料的生产原料，在农业生产中具有广阔的应用前景和显著的经济价值。