秸秆还田化肥减量对土壤有机质和酶活性的影响.docx

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秸秆还田化肥减量对土壤有机质和酶活性的影响

学号：

2009010009

2013届本科生毕业论文（设计）

题目：

秸秆还田化肥减量对土壤有机质

和酶活性的影响

学院（系）：

农学院

专业年级：

农学2009级

学生姓名：

王关雄

指导教师：

海江波

完成日期：

二〇一三年六月二日

目录

1文献综述1

1.1选题背景1

1.1.1化肥的大量使用对土壤的污染加剧1

1.2国内外研究现状3

1.2.1土壤有机质国内外研究进展3

1.2.2土壤酶活性研究现状4

1.2.3土壤酶与土壤有机质的关系研究进展5

1.2.4秸秆还田生态效应研究进展6

1.3研究目的和意义1

1.3.1研究的目的1

1.3.2研究的意义

2材料与方法7

2.1试验点概况及试验设计8

2.2样品的采集与测定方法9

2.2.1样品的采集9

2.2.2土壤有机质的测定9

2.2.3土壤酶活性的测定9

2.3统计分析9

3结果与分析9

3.1不同处理对玉米田土壤耕层有机质含量的影响9

3.2不同处理对玉米田土壤酶活性的影响9

3.3土壤酶活性和土壤有机质与玉米产量相关10

4讨论与结论11

4.1秸秆还田化肥减量对土壤酶活性的影响11

4.2秸秆还田化肥减量对耕层土壤有机质含量的影响11

参考文献13

附录16

致谢25

秸秆还田化肥减量对土壤有机质和酶活性的影响

作者：

王关雄指导教师：

海江波

摘要:

在秸秆还田化肥减量的情况下，分析玉米灌浆期和成熟期土壤酶活性及耕层土壤有机质含量的变化。

结果表明，与不施肥处理F5相比，在玉米的灌浆期F1、F3、F4施肥处理显著提高了土壤过氧化氢酶的活性和耕层土壤有机质含量，F1、F2、F3施肥处理提高了纤维素酶的活性，但对脲酶活性没有显著影响；玉米灌浆期土壤酶活性、有机质含量比成熟期要高。

相关性分析表明，土壤过氧化氢酶活性、有机质含量与玉米产量有着极显著的相关性，化肥减量30%+秸秆还田是比较合理的耕作施肥方式，由此可以看出适当的化肥减量可以达到培肥、保证土壤质量的效果。

关键词：

秸秆；化肥减量；有机质；土壤酶活性；玉米

TheEffectsofStrawsReturningintoFieldonMaizeLandSoilEnzymeActivitiesandSoilOrganicMatterofChemicalFertilizerReduction

Abstract:

Inthecaseofstrawsreturningintofieldandreducingchemicalfertilizer,analyzedthechangeofsoilenzymeactivityandsoilorganicmattercontentduringmaizefillingstage.Resultsshowed,comparedtonon-fertilizertreatmentsF5,atgrainfillingstageF1、F3、F4fertilizationtreatmentssignificantlyincreasedthesoilcatalaseactivityandsoilorganicmattercontent;F1、F2、F3fertilizationtreatmentsincreasedtheactivityofcellulase,butthesetreatmentshadnosignificanteffectonureaseactivity;soilenzymeactivitiesandorganicmattercontendatgrainfillingstageinmaizewerehigherthanmaizematurestageCorrelationanalysisshowedthatcatalaseactivityinsoil,organicmattercontentandcornproductionhadverysignificantrelevance,andthefarmingmethodofreducingchemicalfertilizer30%+strawreturningintofieldismorereasonable,sotheappropriatefertilizerreductioncanachievetheeffectoffertilizingandkeepsoilinagoodcondition.

Keywords:

straws;chemicalfertilizerreduction;soilorganicmatter;soilenzymeactivity;corn

1文献综述

1.1选题背景

1.1.1化肥的大量使用对土壤的污染加剧

土壤，是人类赖以生存的基础，不仅能为地球上的生物提供栖息地，更重要的是能够为生长于其上的植物提供营养物质，供养绝大部分物种。

然而，随着社会经济的发展和人口数量的不断上升，土壤的不合理利用以及污染等一系列问题越来越凸显出来。

由于化肥施用量逐年增大,我国占世界7%的耕地,化肥用量却占世界施用化肥总量的27%,导致土壤板结,地力衰退,造成农作物营养不良和病虫害加剧等严重后果[25]。

如何摆脱土壤的“健康问题”、正确认识和对待供养我们的土壤，也就成为一个不可忽视的问题。

针对大量施用化肥、农药造成土壤、农作物污染等问题，目前研究重点是以减少养分投入、平衡施肥为理念的绿色施肥技术研究为基础，开发经济、实用的绿色施肥生态控制技术体系，为土壤健康管理及土壤连作病害的防治提供适用的技术，以便从肥料源头控制土壤污染。

1.1.2目前我国农作物秸秆还田率较低

随着我国农业生产水平的不断提高，作物秸秆的产量也越来越高，提高秸秆的还田率，能减少资源的浪费和环境污染，提高整个农业生产系统的产出水平，也是实现农业可持续发展的重要内容。

目前我国农作物秸秆用于还田的很少，大部分地区由于没有采取有效的还田措施，致使耕地连年种植不得休闲，土壤有效成分得不到及时补充，土壤有机质含量逐年下降，全国平均只有1.5%，不到美国土壤有机质平均含量的一半，农业生产正处于一个重用轻养的掠夺式经营状态[25]。

因此，秸秆还田技术在我国具有很大的发展潜力。

1.2国内外研究现状

1.2.1土壤有机质国内外研究进展

土壤有机质是土壤的重要组分之一[45]，是衡量土壤肥力的重要指标[46]。

经过160多年的研究，人们对土壤有机质的认识逐步完善，将广义的土壤有机质的概念定义为：

土壤中包括原状的或处于任何不同分解阶段的所有有机物质[47]。

尽管其分组上有物理分组法和化学分组法，但较为实用的方法是根据不同的有机碳库，对微生物代谢的敏感性进行的一种分类。

一般将其分为3类不同的组分[48]。

一是类为活性的土壤有机质，其成分包括活的生物体、细小微粒、多糖及其它一些非腐殖质物质。

活性组分很容易通过施入动植物残体而获得，但也容易因减少施肥和增加耕作而失去。

这一组分约占土壤总有机质的10%～20%。

二类是惰性组分，包括在土中存在成千上万年的非常稳定的物质，如以黏粒—腐殖质复合体为形式存在的腐殖质、大多数胡敏酸和所有的胡敏素。

惰性组分占土壤总有机质的60%～90%,而且其增减速度都比较缓慢。

惰性组分和土壤腐殖质的胶体特性密切相关,并对土壤田间持水量起决定作用。

介于活性和惰性之间的第三类为慢性组分。

可能包括非常细小的植物组织、大量的木质素和其它分解缓慢并化学成分较稳定。

慢性组分是矿化氮和其它养分的重要来源，并为土壤微生物提供充足的养分[49]。

在物理分组上，根据其相对密度进行分组，土壤有机质可分为轻组有机质和重组有机质。

1.2.1.1土壤有机质在土壤肥力上的重要作用

在过去的一个多世纪里，土壤学家在土壤有机质对作物生长和土壤肥力的直接作用和间接作用方面，已经做了大量的工作。

研究证明，土壤有机质对于植物生长的直接作用是，一些可溶性的有机化合物的含氮和磷的片段，可以被高等植物直接吸收和利用[45]。

在土壤有机质中，有大量的植物生长所必需的大量元素以及微量元素[45]。

其中，慢性组分的分解是矿化氮和其它养分的重要来源，并为土壤微生物提供充足的养料[46]。

另外一个直接作用是，土壤有机质在分解时所释放出的生长促进物质，如维生素、氨基酸、植物激素、赤霉素等，能够刺激高等植物以及微生物的生长状况[45]。

多试验表明,腐殖物质还具有促进植物生长的作用。

Chen和Aviad研究发现，2mg/L～25mg/L的胡敏酸能够促进根细胞的伸长；1mg/L～100mg/L则能加快种子对水分的吸收并且促进种子的萌发；胡敏酸加富里50mg/L～300mg/L能促进根的原始体形成以及伸长,同时，促进植物芽和根的生长[50]。

此外，在作物肥料利用方面，有机质也有明显的作用。

梁成华等研究指出，在恒湿条件下，施用胡敏酸能够降低土壤固钾量，施用胡敏酸的与对照之间的差异达到了显著水平[52]。

但是，在干湿交替培养条件下，施用胡敏酸不仅没有表现出降低土壤固钾量的作用，而是在后来提高了土壤的固钾量。

1.2.1.2土壤有机质作用阈值的研究进展

尽管在土壤有机质与作物产量的关系以及其阈值的研究上，前人做了大量的研究工作，然而多数研究和实践表明，环境方面的因素，尤其在气候因素对作物产出水平的影响远大于土壤自身有机质对作物产量的影响。

在野外难以找到气候和地力条件完全相同土壤，而土壤有机质含量有所不同的农田，进行土壤有机质和作物产量之间的关系研究，因此，以上在土壤有机质对作物产量形成作用的研究方面，都未能将环境因素对作物产出的影响有效除掉，未能准确揭示二者之间的的关系。

因此，将不同有机质含量的土壤通过空间移位的方法，设置在同一地点来进行有机质变化的研究，将具有重要的现实意义[51]。

1.2.2土壤酶活性研究现状

近年来，有很多关于农田生态系统土壤酶研究，土壤酶活性是全面反映土壤生物学特性以及土壤肥力变化的指标，土壤的化学性质常用土壤的生产力与质量的指标来表征[32]。

土壤中各种酶积极参与了土壤环境中的生化过程，通常与有机物质的分解，营养物质的循环，能量的转移，环境质量等密切相关[31]。

土壤酶是土壤中微生物、动植物的活体分泌物以及动植物残体、遗骸分解所释放的一种有生物催化能力的活性物质，是土壤组分中最活跃的有机成分。

活性不仅能够反映土壤各种生化过程的强弱与方向，更能表明土壤肥力特征以及土壤养分能力的强弱，是评价土壤生态系统中土壤质量的变化的重要指标。

研究表明，土壤酶活性和有机质之间呈正相关[32]。

Cd在有机质含量高的土壤中对土壤酶的影响，一般情况下低于有机质含量较低的土壤[33]。

在褐潮土中，土壤酶活性的增强与土壤养分含量的提高有一定的相关性，这就说明了土壤酶活性的高低，可以作为评价土壤肥力的重要指标之一。

土壤酶活性还与土壤团粒结构紧密相关。

有些土壤酶活性可以作为生态系统以及土壤质量改变的重要指示物[38]。

土壤是人类生活和生存的重要资源,也是不可替代的作物生长环境。

因此，保护土壤环境不被污染,充分发挥人类对土壤环境的积极作用,已成为各国政府和学者特别关注的重要任务。

土壤酶活性与土壤的理化性质、外部环境条件等都是密切相关的,所以土壤酶已被作为土壤生态系统变化以及土壤环境监测的敏感指标。

随着科学的发展，新技术引进,对土壤酶的研究也逐步深化,测定的手段、研究方法日臻完善。

目前，将土壤酶活性与土壤产出能力以及土壤有机质、土壤质量等联系起来的研究，已经取得了一定的进展。

但作为土壤学科研究的重点项目之一,应对土壤酶的存在形式以及生化动力学特性给予必要的重视,并且应用土壤酶学知识，解决现代农业、林业、环境、生态及其它方面的实际问题。

1.2.2.1土壤过氧化氢酶活性研究进展

过氧化氢酶能够促进土壤中多种化合物的氧化分解，防止因过氧化氢积累对生物体造成的毒害。

赵林森等[54]研究表明，过氧化氢酶的活性与土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷含量都存在一定的相关性，但是，都未能达到显著水平；李双霖等[55]研究发现过氧化氢酶活性与有机质、全氮、全钾呈极显著正相关。

土壤过氧化氢酶活性与土壤肥力等因素都有一定的关联，是影响土壤肥力的非常关键的酶。

1.2.2.2土壤脲酶活性研究进展

目前，大多数研究者对土壤中脲酶在不同环境中的作用进行了比较全面的研究，研究表明，土壤脲酶是研究土壤肥力水平的指标之一，土壤污染程度的监测以及诊断方面有极其重要的应用价值[31]。

脲酶能促进胺态有机氮化物水解，然后进一步转化为植物可以直接吸收利用的无机氮化物，在土壤氮素转化的过程中起不可替代的作用，其活性在一定程度上反映了土壤供氮的能力。

尿素与有机肥料配合施用，对土壤脲酶活性的影响，比单施尿素的脲酶活性显著，因此，脲酶与脱氢酶活性能够作为土壤生化性质的评价指标之一[36]。

1.2.2.3土壤磷酸酶活性国内研究进展

磷酸酶大量存在于生物界，首先，它的作用是催化磷酸单醋的水解以及无机磷酸的释放，是生物磷代谢的重要酶类。

另外，土壤磷酸酶的另一个作用是参与土壤磷素的循环。

土壤磷酸酶是一个系统名称，代表一组可催化磷酸醋水解的酶，主要包括磷酸单醋酶（酸性、中性和碱性磷酸单醋酶）磷酸二醋酶以及磷酸三醋酶，土壤磷酸酶活性的高低，直接影响着土壤中有机磷的生化矿化过程和有效磷的供给水平。

缺磷时，植物根部的磷酸酶的活性成倍增长，新的磷酸酶的合成，或者土壤中存在的磷酸酶活性的表现都会受到无机磷酸盐的抑制作用。

一般情况下，施用无机肥料会降低土壤磷酸的酶活性，但在不施肥处理下，土壤的供磷能力非常低，刺激作物根系分泌物比较多的磷酸酶来完成有机磷的矿化[32]。

半干旱林地酸性和碱性磷酸酶活性与植物和土壤微生物过程存在一定的关系，研究结果表明，林地土壤微气候对土壤酶活性有明显的作用。

有机肥和无机肥配施的效果最佳，能够比较多的增加磷酸酶的活性。

1.2.3土壤酶与土壤有机质的关系研究进展

研究表明,在土壤有机物质成分中,含有占土壤总氮量85%的有机氮、占土壤全磷20%～50%以上的有机磷以及占土壤总硫量90%以上的有机硫等土壤有机态养分。

这些有机态养分的分解与释放都与相关的土壤酶活性有密切的关系。

土壤有机磷需要在磷酸酶的催化下，才能转化成为能够被植物吸收利用的有效磷；土壤中的酞胺态氮只有在脲酶的作用下，才能水解成为易被作物吸收的氨态氮。

所以，研究土壤有机质-土壤酶-作物有效养分三者之间的相互关系，有助于揭示土壤有效肥力的实质和作物营养元素的转化机制以及提高肥料的利用率。

在作物的不同生育时期对各种酶和土壤有机质关系的研究表明[10]：

过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶等和土壤有机质存在较好的相关性，是评价土壤肥力的重要指标。

通过酶活性的研究，间接地可以确定土壤有机质的状况，为及时合理地施肥提供参考。

1.2.4秸秆还田生态效应研究进展

从长期生态效应来看，秸秆还田有利于改善土壤理化性质和生物学性状，培肥土壤，促进作物生长发育和提高产量。

但是，不同秸秆的还田方式，导致短期效应的差异性巨大，甚至会表现出负效应。

免耕覆盖还田技术虽然在防止水土流失、调节土温和抑制杂草生长等方面有所贡献，但不利于播种、出苗和秸秆的分解。

立茬还田情况下，不仅不利于播种、出苗，还对后茬作物的幼苗具有遮光效应,不利于作物幼苗生长发育。

虽然秸秆还田在大多情形下都能达到作物增产的目的，且该效果会随着秸秆还田年数的不断延续而增加[41]，但秸秆的C/N比较高时,微生物在分解作物秸秆时，需吸收一定量的氮素营养，与作物争氮形成不良竞争，影响苗期的生长发育，因此，秸秆还田时还需补充一定量的速效氮肥，这样就能够保证土壤全期的肥力水平[42-43]。

秸秆还田情况下，再配施有机肥可为土壤微生物生长提供丰富的碳源和氮源，能够促进微生物的生长，加速秸秆的腐解。

对于秸秆粉碎和翻耕还田，一般情况下，有利于秸秆与土壤充分接触，培肥效果明显优于覆盖还田。

秸秆直接还田所产生的化感效应和自毒作用，以及腐解过程中所产生的大量还原性气体对大气臭氧层的破坏效应也是不容小视的。

通常，带病虫秸秆直接还田也为后茬或下季某些病虫害的发生创造了条件。

过腹还田和秸秆栽培食用菌后的菌糠还田，不仅能够提高了秸秆利用效率，还可以增加经济效益，改善生态环境，而且能避免秸秆直接还田的诸多负面效应，对土壤的改良和培肥效果好于直接还田,这种模式的还田技术，值得在有条件的地区大力推广。

另外，不仅不同秸秆还田方式的生态效应差异显著，而且同一还田方式在不同生态区、不同土壤类型和不同作物上的效应也有明显差异。

因此，推广秸秆还田，要因地制宜，适时适度而行[40]。

秸秆直接还田是培肥土壤的重要方式。

秸秆在土壤中微生物产生的水解酶的矿化作用下，分解产生大量小分子物质以及阴阳离子，增加了土壤中矿质养分的含量；并在土壤微生物产生的氧化还原酶的作用下，利用矿质化产生的小分子物质及阴阳离子合成高稳定性腐殖质类物质，从而增加土壤有机质含量，培肥地力。

研究结果表明，秸秆还田与有机、无机肥料配合施用有增产效应，其中小麦产量以秸秆配施氮磷肥处理最高，较对照处理提高了50.6％，玉米产量以秸秆配施氮肥处理最高，较对照处理提高了34.3%。

秸秆还田配施氮磷肥后，一方面可以促进秸秆矿质化，为作物生长发育提供速效养分，另一方面秸秆进入土壤增强了土壤中动物、植物和微生物的代谢活动，加快了土壤物质循环，提高了土壤养分的生物有效性。

同时，秸秆在土壤中可以减少旱地土壤水分的蒸发，促进水肥的互促协同作用，提高作物水分和养分的利用效率，进而提高作物产量[44]。

总之，秸秆还田是农业可持续发展的重要措施，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益。

其好处主要表现在：

秸秆还田可以增加土壤中的有机质含量，培肥地力，改善土壤结构，有利于农业的可持续发展；秸秆为土壤提供丰富的有机质含量，从而减少了化肥使用量，降低了农业面源污染和土壤污染，提高农产品品质；利用农业机械进行秸秆还田还可以提高农业的生产效率，减轻农业的劳动强度，节约时间，解决劳动力不足问题。

目前，是各类作物收获的时间，也是收获后秸秆还田的最佳时间，秸秆还田结合秋翻冬灌同时进行，将起到较好的效果。

秸秆还田必须注意以下几点：

尽早翻耕：

农作物收获后，使用机械将秸秆粉碎并均匀撒在田地之中，之后要尽快进行秋翻将秸秆翻耕入土，最好是边收边耕埋。

这样一方面可以让秸秆尽快翻入土壤，加快秸秆分解的速度，另一方面尽早翻耕还可以避免秸秆损失，粉碎后的秸秆未能及时翻入土壤，干燥后容易被风吹跑，秸秆扎堆还影响耕地，造成下茬作物出苗困难。

要注意秸秆翻压深度。

秋翻深度应在25厘米以上，将秸秆全部覆盖严实。

坚决不能使撒在地面上的秸秆长时间裸露地面，经风吹日晒，失水过多，降低还田效果。

注意粉细，秸秆还田在粉碎秸秆时要用大型秸秆粉碎机，使秸秆粉碎的长度在5厘米左右，以免秸秆过长土压不实，影响作物的出苗与生长。

足墒还田：

秸秆分解依靠的是土壤中的微生物，而微生物生存繁殖要有合适的土壤墒情。

若土壤过干，会严重影响土壤微生物的繁殖，减缓秸秆分解的速度。

　如果土壤墒情较差，应及时灌水。

补充氮肥：

秸秆还田后，土壤微生物在分解作物秸秆时，需要从土壤中吸收大量的氮，才能完成腐化分解过程。

如不增施化学氮肥，微生物必然会出现与下茬作物幼苗争夺土壤中氮素的现象，从而影响幼苗正常生长。

所以，秸秆还田的地块，进行秋翻时一定要施入一定量的氮肥。

防病虫害传播：

秸秆还田时要选用生长良好的秸秆，不要把有病虫害的秸秆还田，如玉米黑穗病、棉花枯黄萎病等，不能直接用来翻埋还田，最好将带病菌秸秆运出处理，彻底切断污染源以免病虫害蔓延和传播。

1.3研究目的和意义

1.3.1研究的目的

土壤有机质是土壤固相的重要组成分，尽管土壤有机质的含量只占到土壤总量很小的一部分，但它是衡量土壤质量和土壤肥力的重要指标[1]。

农田土壤有机质来源主要是动、植物残体，特别是作物秸秆及根茬残留。

农作物秸秆是农业生产过程所产生的废弃物，它富含有氮、磷、钾等中量元素、微量元素以及有机质等，这些都是重要的有机肥资源[2,3]。

土壤酶参与土壤中各种生化反应过程，测定相关酶的活性，可以间接地了解某种物质在土壤中的转化情况。

而化肥作为当今作物增产不可或缺的肥料之一，其施入不仅能提高农田的生产力，同时也会影响到农田生态系统的结构变化。

研究表明土壤酶活性是反映土壤质量的重要指标，无机肥与有机肥的配合施用可以改善土壤理化性质，增强土壤中微生物的活性，最终达到提高作物产量和品质的目的[4]。

许多研究表明[5-8]，合理的使用化肥，尤其是配施有机肥，可以提高土壤有机质的含量，增强土壤中酶的活性，有利于作物的生长。

有人还对秸秆还田和化肥减量对土壤酶活性变化影响分别研究过，但没有将这两者结合起来研究[11,12]。

秸秆还田有利于土壤有机质及酶活性的提高。

刘巽浩等研究表明[26]:

大多数试验得出结论，连续多年的秸秆还田可以逐步增加土壤有机质，平均年增率为0.01%。

蒋维新10年的试验结果也表明，施用氮肥处理的土壤有机质比试验前增加0.1%，秸秆还田处理增加0.19%。

施入秸秆者腐殖质含量比对照提高了0.059%，腐殖质组分中新鲜的有机质含量较高，保持了地力常新。

季立声资料表明，秸秆还田后使蔗糖酶、脉酶、中性磷酸酶、过氧化氢酶的活性普遍高于不还田的处理。

研究表明，土壤有机质以及土壤酶活性是反映土壤质量的重要指标，有机肥和无机肥配合施用可以改善土壤结构，提高土壤中有机质含量，增强土壤中各种酶活性，最终提高作物产量和品质[27]。

本文旨在以秸秆还田为基础，在化肥减量条件下探究土壤酶活性变化，并观测这种变化对土壤耕层有机质含量有何影响，以期为农田培肥，保护农田生态系统、改善土壤生态环境、促进作物持续生产提供理论依据。

1.3.2研究的意义

首先，在化肥减量的情况下，秸秆还田补充了土壤营养，促进了微生物活动。

作物秸秆中含有一定养分和纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和灰分元素，既有较多的有机质，又有氮、磷、钾等营养元素。

如果把秸秆从田间运走，那么残留在土壤中的有机物仅有10%左右，造成土壤肥力下降。

那么，只有通过施肥或秸秆还田等途径才能得以补充。

土壤微生物在整个农业生态系统中具有分解土壤有机质和净化土壤的重要作用。

有机物的合成由植物叶绿素来完成，有机物的分解则由微生物来完成。

秸秆还田给土壤微生物增添了大量能源物质，各类微生物数量和酶活性也相应增加；实行秸秆还田可增加微生物量18．9%，接触酶活性可增加33%，尿酶活性可增加17%。

这就加速了对有机物质的分解，使土壤中的氮、磷、钾等元素增加，土壤养分的有效性也有所提高。

经微生物分解转化后产生的纤维素、木质素、多糖和腐殖酸等黑色胶体物，具有粘结土粒的能力，同黏土矿物形成有机与无机的复合体，促进土壤形成团粒结构，使土壤容量减轻，增加土壤中水、肥、气、热的协调能力，提高土壤保水、保肥、供肥的能力，改善土壤理化性状。

其次，秸秆还田本身可减少化肥使用量，改善农业生态环境。

农业发达国家都很注重施肥结构，如美国农业化肥的施用量一直控制在总施肥量的1/3以内，加拿大、美国大部分玉米、小麦的秸秆都还田。

作物所吸收的氮主要来自土壤中的原有氮素。

来自化肥的仅占