外源酶存在下土壤中秸稈的降解進(jìn)程及其對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng).pdf

1、秸稈還田是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要一環(huán)，可用以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤、培肥地力。但是，由于秸稈降解速度慢導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素釋放滯后，從而引起作物根系生長(zhǎng)受阻，土壤有效氮含量降低，故僅有15％的秸稈被直接還田利用。因此，秸稈降解速度成為制約秸稈還田效率的瓶頸，如何設(shè)法提高秸稈降解速率是至關(guān)重要的一步。土壤酶對(duì)土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化釋放起著重要的推進(jìn)作用，但土壤中原生酶活力常常較低，而外源酶在秸稈還田領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少，本研究以外源纖維素酶和外源中性蛋白酶

2、為對(duì)象，水稻秸稈和小麥秸稈為供試材料，分別采用降解試驗(yàn)、培養(yǎng)試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)、堆肥試驗(yàn)，研究了外源酶對(duì)秸稈降解速率的影響，系統(tǒng)分析了對(duì)土壤養(yǎng)分環(huán)境，即有效氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH、電導(dǎo)率、微生物數(shù)量、土壤呼吸，及對(duì)作物生長(zhǎng)等的影響規(guī)律，以期探索秸稈高效利用的新途徑，同時(shí)對(duì)秸稈添加外源酶堆肥進(jìn)行了研究，以期促進(jìn)秸稈堆肥的腐熟。獲得了主要研究結(jié)果如下：
　　 1.外源酶的秸稈降解試驗(yàn)的結(jié)果表明：外源纖維素酶顯著促進(jìn)了土壤中水稻

3、秸稈和小麥秸稈的降解，秸稈纖維素降解率最大分別提高了46.1％和46.3％。纖維素為植物細(xì)胞壁的主要成分，外源纖維素酶通過(guò)促進(jìn)纖維素的降解而瓦解了植物細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu)，使得細(xì)胞內(nèi)容物與微生物的接觸機(jī)會(huì)增加，從而提高了還田秸稈的降解速率。此外，外源中性蛋白酶對(duì)土壤中水稻秸稈和小麥秸稈的降解也有促進(jìn)作用，盡管其效率低于外源纖維素酶。外源蛋白酶可能通過(guò)促進(jìn)秸稈細(xì)胞壁中所含粗蛋白的降解從而形成了細(xì)胞內(nèi)容物釋放到外界的通道，因此促進(jìn)了秸稈礦化速率

4、。再者，通過(guò)培養(yǎng)試驗(yàn)分別研究了外源纖維素酶和蛋白酶活性及其在土壤中的半衰期。結(jié)果表明，外源纖維素酶和外源蛋白酶活力在土壤中均可保持較長(zhǎng)時(shí)間，這是由于土壤粒子表面對(duì)外源酶的吸附作用而使其穩(wěn)定性增加，并且在外源酶添加后的40天內(nèi)，兩者均可保持至少1/4以上的酶活力。
　　 2.外源纖維素酶存在下的水稻秸稈培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明：秸稈還田條件下外源纖維素酶可以顯著增強(qiáng)土壤肥力。與無(wú)外源酶添加的對(duì)照相比，添加外源纖維素酶后，土壤有效氮和有效

5、磷含量都有顯著提高，因?yàn)橥庠蠢w維素酶可以促進(jìn)秸稈中纖維素的降解，而使細(xì)胞壁瓦解，從而促進(jìn)了微生物分解秸稈細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)態(tài)氮和磷。與無(wú)秸稈添加的對(duì)照相比，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量顯著提高。外源纖維素酶濃度較低時(shí)，土壤肥力指標(biāo)隨外源纖維素酶濃度的增加而顯著增加，隨后增幅趨緩。此外，通過(guò)正交試驗(yàn)及模糊綜合評(píng)判法確定了水稻秸稈還田條件下，外源纖維素酶最佳添加條件為：外源纖維素酶濃度50 U g-1，pH5.5，溫度35℃，土壤含水量為田間持水量?？?/p>

6、見(jiàn)，添加外源纖維素酶時(shí)，由于提高了還田秸稈降解速率，營(yíng)養(yǎng)元素的釋放速率加快，土壤中有效氮和有效磷含量提高。
　　 3.外源蛋白酶存在下水稻秸稈培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明：當(dāng)外源蛋白酶濃度大于0.5％時(shí)，添加外源蛋白酶可以顯著增強(qiáng)土壤肥力。與無(wú)酶添加的對(duì)照相比，土壤有效氮含量最多可增加52.3％。這是由于外源蛋白酶促進(jìn)了秸稈蛋白質(zhì)的水解，秸稈蛋白質(zhì)被分解為氨基酸而釋放出來(lái)，從而提高了土壤有效氮含量。有效磷含量和電導(dǎo)率分別比對(duì)照顯著提高，這

7、是由于外源蛋白酶可能通過(guò)分解秸稈細(xì)胞壁上的粗蛋白而在細(xì)胞壁上形成通道，使得細(xì)胞內(nèi)容物游離出來(lái)，因此添加外源蛋白酶也提高了土壤有效磷含量。與無(wú)秸稈添加對(duì)照相比，土壤速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量顯著提高。此外，通過(guò)模糊綜合評(píng)判法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，確定了水稻秸稈還田條件下，外源蛋白酶最適應(yīng)用條件為：外源蛋白酶濃度為1％，pH7.5，溫度35℃，土壤含水量為田間持水量。
　　 4.外源纖維素酶存在下秸稈還田盆栽試驗(yàn)的結(jié)果表明：添加外源纖維

8、素酶改善了水稻幼苗生長(zhǎng)的養(yǎng)分環(huán)境。水稻幼苗的株高、生物量、及葉綠素含量等均有提高。外源纖維素酶由于提高了植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如有效氮和有效磷含量，從而促進(jìn)了水稻幼苗的生長(zhǎng)。通過(guò)邊際產(chǎn)量分析，50 Ug-1促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)的最適宜外源纖維素酶添加濃度。
　　 5.外源蛋白酶存在下秸稈還田盆栽試驗(yàn)的結(jié)果表明：添加外源蛋白酶提高了盆栽土壤有效氮含量，可改善盆栽水稻幼苗的養(yǎng)分環(huán)境。此外，土壤微生物數(shù)量和土壤呼吸速率的測(cè)定分析結(jié)果表明

9、，添加外源蛋白酶提高了土壤微生物數(shù)量和活性。再者，水稻幼苗植株含氮量可分別提高24.6％(水稻秸稈還田組)和22.0％(小麥秸稈還田組)，同時(shí)幼苗株高、生物量及葉綠素含量等也顯著提高。氮是作物生長(zhǎng)最重要的養(yǎng)分因素，因此盆栽條件下添加外源蛋白酶由于提高了有效氮含量而顯著促進(jìn)了水稻幼苗的生長(zhǎng)。邊際產(chǎn)量分析結(jié)果表明，從經(jīng)濟(jì)角度，1％為最適外源蛋白酶添加濃度。
　　 6.外源纖維素酶和外源蛋白酶的隨機(jī)混料試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者混合添加效果優(yōu)

10、于單獨(dú)添加。在同一酶質(zhì)量濃度下，與單獨(dú)添加一種酶相比，秸稈降解速率和有效氮含量顯著提高，可知外源纖維素酶和外源蛋白酶之間可能存在協(xié)同作用，其可能的協(xié)同作用機(jī)制為：外源纖維素酶促進(jìn)了秸稈纖維素的降解，破壞了秸稈細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu)；外源蛋白酶促進(jìn)了秸稈中蛋白質(zhì)的降解，形成了細(xì)胞壁上的通道并提高土壤有效氮含量。此外，受配方試驗(yàn)限制的逐步回歸分析結(jié)果表明，外源纖維素酶和外源蛋白酶混合的最佳質(zhì)量比為0.425/0.575。而后，通過(guò)正交試驗(yàn)研究了溫

11、度、pH、混合酶濃度及土壤含水量在混合酶應(yīng)用時(shí)對(duì)土壤肥力的影響。通過(guò)模糊綜合評(píng)判，最佳應(yīng)用條件為：混合酶濃度占秸稈干重的1.5％，溫度35℃，pH6.5，土壤含水量為田間持水量。
　　 7.通過(guò)秸稈模擬堆肥試驗(yàn)，研究了外源纖維素酶和外源蛋白酶對(duì)于秸稈堆肥進(jìn)程的影響。結(jié)果表明，外源纖維素酶促進(jìn)了秸稈中纖維素的降解，瓦解細(xì)胞壁，使得秸稈養(yǎng)分釋放加快，因此加速了秸稈堆肥的腐熟進(jìn)程。堆肥中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量有所增加；堆肥C/N比降低了2

12、3.1％；種子發(fā)芽率提高了10.3％。添加外源蛋白酶顯著促進(jìn)了含氮物質(zhì)的分解，增加了堆肥銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量，降低了堆肥碳氮比，減少了堆肥的生物毒性?；旌厦笇?duì)堆肥中纖維素的降解及氮素釋放都有較強(qiáng)的促進(jìn)效果。
　　 綜上所述，外源纖維素酶可能促進(jìn)秸稈纖維素的降解而瓦解了植物細(xì)胞壁的骨架結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)容物與土壤微生物的接觸機(jī)會(huì)增加，從而提高了還田秸稈降解速率并提高了土壤有效養(yǎng)分含量；外源蛋白酶則能在更大程度上提高有效氮含量，并可能通過(guò)