外源酶存在下土壤中秸稈的降解進程及其對土壤肥力和作物生長的促進效應.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質(zhì)含量、改良土壤、培肥地力。但是，由于秸稈降解速度慢導致營養(yǎng)元素釋放滯后，從而引起作物根系生長受阻，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，如何設法提高秸稈降解速率是至關重要的一步。土壤酶對土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化釋放起著重要的推進作用，但土壤中原生酶活力常常較低，而外源酶在秸稈還田領域的應用研究很少，本研究以外源纖維素酶和外源中性蛋白酶

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

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

4、。再者，通過培養(yǎng)試驗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時間，這是由于土壤粒子表面對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土壤肥力。與無外源酶添加的對照相比，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，因為外源纖維素酶可以促進秸稈中纖維素的降解，而使細胞壁瓦解，從而促進了微生物分解秸稈細胞內(nèi)的有機態(tài)氮和磷。與無秸稈添加的對照相比，土壤有機質(zhì)和速效鉀含量顯著提高。外源纖維素酶濃度較低時，土壤肥力指標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，通過正交試驗及模糊綜合評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，添加外源纖維素酶時，由于提高了還田秸稈降解速率，營養(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)試驗的結(jié)果表明：當外源蛋白酶濃度大于0.5％時，添加外源蛋白酶可以顯著增強土壤肥力。與無酶添加的對照相比，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，從而提高了土壤有效氮含量。有效磷含量和電導率分別比對照顯著提高，這

7、是由于外源蛋白酶可能通過分解秸稈細胞壁上的粗蛋白而在細胞壁上形成通道，使得細胞內(nèi)容物游離出來，因此添加外源蛋白酶也提高了土壤有效磷含量。與無秸稈添加對照相比，土壤速效鉀和有機質(zhì)含量顯著提高。此外，通過模糊綜合評判法對正交試驗結(jié)果進行了分析，確定了水稻秸稈還田條件下，外源蛋白酶最適應用條件為：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的結(jié)果表明：添加外源纖維

8、素酶改善了水稻幼苗生長的養(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的重要營養(yǎng)物質(zhì)，如有效氮和有效磷含量，從而促進了水稻幼苗的生長。通過邊際產(chǎn)量分析，50 Ug-1促進水稻幼苗生長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了水稻幼苗的生長。邊際產(chǎn)量分析結(jié)果表明，從經(jīng)濟角度，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混料試驗結(jié)果表明，兩者混合添加效果優(yōu)

10、于單獨添加。在同一酶質(zhì)量濃度下，與單獨添加一種酶相比，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)同作用機制為：外源纖維素酶促進了秸稈纖維素的降解，破壞了秸稈細胞壁的骨架結(jié)構(gòu)；外源蛋白酶促進了秸稈中蛋白質(zhì)的降解，形成了細胞壁上的通道并提高土壤有效氮含量。此外，受配方試驗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，通過正交試驗研究了溫

11、度、pH、混合酶濃度及土壤含水量在混合酶應用時對土壤肥力的影響。通過模糊綜合評判，最佳應用條件為：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.通過秸稈模擬堆肥試驗，研究了外源纖維素酶和外源蛋白酶對于秸稈堆肥進程的影響。結(jié)果表明，外源纖維素酶促進了秸稈中纖維素的降解，瓦解細胞壁，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Χ逊手欣w維素的降解及氮素釋放都有較強的促進效果。
　　 綜上所述，外源纖維素酶可能促進秸稈纖維素的降解而瓦解了植物細胞壁的骨架結(jié)構(gòu)，使細胞內(nèi)容物與土壤微生物的接觸機會增加，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