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外源酶存在下土壤中秸秆的降解进程及其对土壤肥力和作物生长的促进效应

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秸秆还田是生态农业的重要一环，可用以提高土壤有机质含量、改良土壤、培肥地力。但是，由于秸秆降解速度慢导致营养元素释放滞后，从而引起作物根系生长受阻，土壤有效氮含量降低，故仅有15％的秸秆被直接还田利用。因此，秸秆降解速度成为制约秸秆还田效率的瓶颈，如何设法提高秸秆降解速率是至关重要的一步。土壤酶对土壤中物质的转化释放起着重要的推进作用，但土壤中原生酶活力常常较低，而外源酶在秸秆还田领域的应用研究很少，本研究以外源纤维素酶和外源中性蛋白酶为对象，水稻秸秆和小麦秸秆为供试材料，分别采用降解试验、培养试验、盆栽试验、堆肥试验，研究了外源酶对秸秆降解速率的影响，系统分析了对土壤养分环境，即有效氮、有效磷、速效钾、有机质、pH、电导率、微生物数量、土壤呼吸，及对作物生长等的影响规律，以期探索秸秆高效利用的新途径，同时对秸秆添加外源酶堆肥进行了研究，以期促进秸秆堆肥的腐熟。获得了主要研究结果如下：
　　 1.外源酶的秸秆降解试验的结果表明：外源纤维素酶显著促进了土壤中水稻秸秆和小麦秸秆的降解，秸秆纤维素降解率最大分别提高了46.1％和46.3％。纤维素为植物细胞壁的主要成分，外源纤维素酶通过促进纤维素的降解而瓦解了植物细胞壁的骨架结构，使得细胞内容物与微生物的接触机会增加，从而提高了还田秸秆的降解速率。此外，外源中性蛋白酶对土壤中水稻秸秆和小麦秸秆的降解也有促进作用，尽管其效率低于外源纤维素酶。外源蛋白酶可能通过促进秸秆细胞壁中所含粗蛋白的降解从而形成了细胞内容物释放到外界的通道，因此促进了秸秆矿化速率。再者，通过培养试验分别研究了外源纤维素酶和蛋白酶活性及其在土壤中的半衰期。结果表明，外源纤维素酶和外源蛋白酶活力在土壤中均可保持较长时间，这是由于土壤粒子表面对外源酶的吸附作用而使其稳定性增加，并且在外源酶添加后的40天内，两者均可保持至少1/4以上的酶活力。
　　 2.外源纤维素酶存在下的水稻秸秆培养试验的结果表明：秸秆还田条件下外源纤维素酶可以显著增强土壤肥力。与无外源酶添加的对照相比，添加外源纤维素酶后，土壤有效氮和有效磷含量都有显著提高，因为外源纤维素酶可以促进秸秆中纤维素的降解，而使细胞壁瓦解，从而促进了微生物分解秸秆细胞内的有机态氮和磷。与无秸秆添加的对照相比，土壤有机质和速效钾含量显著提高。外源纤维素酶浓度较低时，土壤肥力指标随外源纤维素酶浓度的增加而显著增加，随后增幅趋缓。此外，通过正交试验及模糊综合评判法确定了水稻秸秆还田条件下，外源纤维素酶最佳添加条件为：外源纤维素酶浓度50 U g-1，pH5.5，温度35℃，土壤含水量为田间持水量。可见，添加外源纤维素酶时，由于提高了还田秸秆降解速率，营养元素的释放速率加快，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秆培养试验的结果表明：当外源蛋白酶浓度大于0.5％时，添加外源蛋白酶可以显著增强土壤肥力。与无酶添加的对照相比，土壤有效氮含量最多可增加52.3％。这是由于外源蛋白酶促进了秸秆蛋白质的水解，秸秆蛋白质被分解为氨基酸而释放出来，从而提高了土壤有效氮含量。有效磷含量和电导率分别比对照显著提高，这是由于外源蛋白酶可能通过分解秸秆细胞壁上的粗蛋白而在细胞壁上形成通道，使得细胞内容物游离出来，因此添加外源蛋白酶也提高了土壤有效磷含量。与无秸秆添加对照相比，土壤速效钾和有机质含量显著提高。此外，通过模糊综合评判法对正交试验结果进行了分析，确定了水稻秸秆还田条件下，外源蛋白酶最适应用条件为：外源蛋白酶浓度为1％，pH7.5，温度35℃，土壤含水量为田间持水量。
　　 4.外源纤维素酶存在下秸秆还田盆栽试验的结果表明：添加外源纤维素酶改善了水稻幼苗生长的养分环境。水稻幼苗的株高、生物量、及叶绿素含量等均有提高。外源纤维素酶由于提高了植物生长的重要营养物质，如有效氮和有效磷含量，从而促进了水稻幼苗的生长。通过边际产量分析，50 Ug-1促进水稻幼苗生长的最适宜外源纤维素酶添加浓度。
　　 5.外源蛋白酶存在下秸秆还田盆栽试验的结果表明：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养分环境。此外，土壤微生物数量和土壤呼吸速率的测定分析结果表明，添加外源蛋白酶提高了土壤微生物数量和活性。再者，水稻幼苗植株含氮量可分别提高24.6％(水稻秸秆还田组)和22.0％(小麦秸秆还田组)，同时幼苗株高、生物量及叶绿素含量等也显著提高。氮是作物生长最重要的养分因素，因此盆栽条件下添加外源蛋白酶由于提高了有效氮含量而显著促进了水稻幼苗的生长。边际产量分析结果表明，从经济角度，1％为最适外源蛋白酶添加浓度。
　　 6.外源纤维素酶和外源蛋白酶的随机混料试验结果表明，两者混合添加效果优于单独添加。在同一酶质量浓度下，与单独添加一种酶相比，秸秆降解速率和有效氮含量显著提高，可知外源纤维素酶和外源蛋白酶之间可能存在协同作用，其可能的协同作用机制为：外源纤维素酶促进了秸秆纤维素的降解，破坏了秸秆细胞壁的骨架结构；外源蛋白酶促进了秸秆中蛋白质的降解，形成了细胞壁上的通道并提高土壤有效氮含量。此外，受配方试验限制的逐步回归分析结果表明，外源纤维素酶和外源蛋白酶混合的最佳质量比为0.425/0.575。而后，通过正交试验研究了温度、pH、混合酶浓度及土壤含水量在混合酶应用时对土壤肥力的影响。通过模糊综合评判，最佳应用条件为：混合酶浓度占秸秆干重的1.5％，温度35℃，pH6.5，土壤含水量为田间持水量。
　　 7.通过秸秆模拟堆肥试验，研究了外源纤维素酶和外源蛋白酶对于秸秆堆肥进程的影响。结果表明，外源纤维素酶促进了秸秆中纤维素的降解，瓦解细胞壁，使得秸秆养分释放加快，因此加速了秸秆堆肥的腐熟进程。堆肥中铵态氮及硝态氮含量有所增加；堆肥C/N比降低了23.1％；种子发芽率提高了10.3％。添加外源蛋白酶显著促进了含氮物质的分解，增加了堆肥铵态氮及硝态氮含量，降低了堆肥碳氮比，减少了堆肥的生物毒性。混合酶对堆肥中纤维素的降解及氮素释放都有较强的促进效果。
　　 综上所述，外源纤维素酶可能促进秸秆纤维素的降解而瓦解了植物细胞壁的骨架结构，使细胞内容物与土壤微生物的接触机会增加，从而提高了还田秸秆降解速率并提高了土壤有效养分含量；外源蛋白酶则能在更大程度上提高有效氮含量，并可能通过分解秸秆细胞壁上的粗蛋白而在细胞壁上形成通道促进营养物质矿化，从而提高后季作物植株含氮量。另外，外源纤维素酶和外源蛋白酶之间可能存在协同作用。添加外源纤维素酶和外源蛋白酶都可以加速秸秆降解，提高土壤肥力，促进作物生长，是改善秸秆还田效果的重要手段。

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