（环境工程专业论文）有机肥与化肥配施对土壤环境质量影响的研究.pdf

山东农业火学硕士学位论文 摘要 中国是传统农业大国，农田退化是困扰我国农业发展的重要问题。我国化肥需用量 巨大，但利用率很低，由于化肥的过度使用，我国可耕土壤面积近年来剧减，土壤环境 质量下降，严重影响食品安全，并造成巨大的经济损失。农业秸秆是农业固体废弃物的 重要组成部分，秸秆是潜在的生物质能源，但我国6 0 以上的秸秆焚烧或堆置。以有机 肥替代化肥，是解决以上问题，发展可持续农业的一条新途径，已经被一些研究所初步 证实。我们认为，有机肥替代化肥不仅能够解决秸秆利用问题，为秸秆资源化利用提供 思路，还可以提高土壤肥力，改善土壤环境，同时保证产量不下降。 土壤碳氮含量和碳氮比可反映土壤供碳供氮水平，对耕地固碳潜力也有重要指示作 用：p h 值是反映土壤酸化程度的重要指标；容重、孔隙度、含水量等可反映土壤稳定 性；碱解氮、速效磷、速效钾等是重要的理化指标，反应土壤肥力供应状况；化肥和有 机肥施用会在土壤中引入一定量的重金属，测定土壤中铜、锌、铅、铬等重金属含量对 反映土壤重金属污染程度具有重要意义，同时用单因子指数法对土壤环境质量进行评 价，对耕地土壤保护和防控污染起到积极作用：土壤酶不仅可以反应土壤肥力状况，还 可反映土壤污染状况。 我们于2 0 1 0 年1 0 月2 0 1 1 年1 0 月，于山东省临沂市平邑县弘毅生态农场进行了有 机肥化肥的不同配比梯度的施肥实验，针对土壤固碳潜力分析、土壤理化指标、重金 属指标、酶指标和作物的产量进行了深入的研究。 研究结果表明： 1 ) 施用化肥在增加土壤中的z n 、c d 和c r 方面作用明显。根据单因子污染指数法 对研究区不同施肥处理下土壤中的重金属环境质量的评价结果，研究区内土壤中的四种 重金属含量均未超标，土壤质量较好。使用化肥会增加土壤重金属污染风险，而施用有 机肥会降低这种风险。 2 ) 有机肥施用对土壤理化性质的改善有积极作用，可以提高土壤中有机质含量， 提高土壤碳氮比，降低土壤容重，提高土壤含水量，提高土壤磷、钾含量。试验结束时， 在0 2 0e m 耕作层，与处理n p k 相比，m 、m n p k l 、m n p k 2 三个处理的土壤有机质含 量分别高出4 3 8 、3 5 4 和1 3 1 ；氮素含量与有机质呈现正相关；此外，有机肥处 理下的土壤，具有更强的抵御土壤n 的淋失的作用。有机肥施用量高的处理，土壤的涵 化肥减施及秸秆过腹还田对土壤环境质量影响的研究 养水分的能力也比其他处理为高。m n p k 处理在土壤相对含水量方面保持最低。 3 ) 不同的施肥处理对小麦及玉米的产量有显著影响。在小麦季，小麦籽粒产量分 别为m4 9 1 0k g h m 。，m n p k 5 6 4 2 5k g h m ，m n p k 26 0 2 3 5k g h m - 2 ， n p k 6 0 7 8 5 k g 1 1 1 1 1 之，m n p k 2 和n p k 处理方差分析处理间差异不显著，减少一半化肥 用量，小麦产量不会明显降低，基本与全化肥处理持平。在玉米季，籽粒产量为m4 3 7 5 8 k g h m 2 ，m n p k l5 3 8 4 9 9k g 1 l i l l ，m n p k 26 5 9 3 9 3k g h m 2 ，n p k 6 5 6 4 3 8 k g h m - 2 ， m n p k 2 和n p k 处理方差分析处理间差异不显著；m n p k 2 处理产量超过n p k 处理，居 于最高。 以有机肥部分替代化肥可以提高产量，提高农民的经济收入。在此基础上增加了土 壤固碳潜力，稳定土壤生态系统，降低土壤重金属污染风险；改善土壤理化性质，缓解 了传统化肥施用造成的土壤退化和环境污染。有机肥替代化肥是一种行之有效的可持续 农业发展策略。 关键词：有机肥；理化指标；土壤固碳；重金属；土壤酶；作物产量；土壤环境质量； 单因子指数 2 山东农业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ee f f i c i e n c yo fo r g a i n i ca n dc h e m i c a lf e r t i l i z e r st o s o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t y t a n gh a i l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f y u x i nx u p r o f g a o m i n gj i a n g a b s t r a c t c h i n ai sat r a d i t i o n a la g r i c u l t u r a lc o u n t r y ；l a n dd e g r a d a t i o n ，r e s u l t e df r o md u a lr e a s o no f o v e rf e r t i l i z i n go fc h e m i c a lf e r t i l i z e ra n d 酉o b a lc l i m a t ec h a n g e ，b r o u g h tl a n dl o s sa tas h a r p r a t er e c e n ty e a r s i th a sa l s ob r o u g h tt h eh a r mo fs o i lf e r t i l i t ya n df o o ds a f e t y , c a u s e dah u g e e c o n o m i cl o s s e s a g r i c u l t u r a ls t r a wi sa g r i c u l t u r a ls o l i dw a s t ea sa l li m p o r t a n tp a r to ft h e s t r a wi sp o t e n t i a lo fb i o m a s se n e r g y , b u tm o r et h a n6 0 o ft h es t r a wb u r n e do rp i l e du pi no u r c o u n t r y i tw a sh a v eb e e np r o v e dt h a tr e p l a c i n gc h e m i c a lf e r t i l i z e rw i t ho r g a n i cf e r t i l i z e r w o u l ds o l v et h e s ep r o b l e m sa n dd og o o dt ot h es u s t a i n a b l ea g r i c u l t u r e w eb e l i e ft h a tt h i s m e t h o dc a nn o to n l ym a k ef u l lu s eo fs t r a w , i m p r o v et h es o i l f e r t i l i t ya n de c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，b u ta l s oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dy i e l do fc r o p s s o i lc a r b o nn i t r o g e nc o n t e n ta n dc a r b o nn i t r o g e nt h a nc a l lr e f l e c tt h es o i lc a r b o na n d n i t r o g e nl e v e l ，a l s oh a si m p o r t a n ti n s t r u c t i o nr o l et os o l i dc a r b o np o t e n t i a lo fc u l t i v a t e dl a n d ； p hv a l u ei sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o rt or e f l e c t i o no ft h es o i la c i d i f i c a t i o nd e g r e e ；b u l kd e n s i t y a n dp o r o s i t y , w a t e rc o n t e n t ，e t cc a nr e f l e c tt h es o i ls t a b i l i t y ；a v a i l a b l en i t r o g e n ，p h o s p h o r u s a n dp o t a s s i u ma r ei m p o r t a n tp h y s i c a la n dc h e m i c a li n d e x e st ot h er e s p o n s eo fs o i l f e r t i l i t y s u p p l yc o n d i t i o n ；u s i n gf e r t i l i z e ra n do r g a n i cf e r t i l i z e ri nt h es o i lw i l lb r i n gi nac e r t a i n a m o u n to fh e a v ym e t a l m e a s u r i n gs o i lc o p p e r , z i n c ，l e a d ，c h r o m i u mt or e f l e c tt h eh e a v y m e t a lc o n t e n ts u c ha ss o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o nd e g r e eh a sa l li m p o r t a n tm e a n i n g a n da tt h e s a l t i et i m eu s et h es i n g l ef a c t o ri n d e xm e t h o do fs o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o n ， c u l t i v a t e dl a n dp r o t e c t i o na n dp r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fs o i lp o l l u t i o nh a v eap o s i t i v er o l e ； 3 化肥减施及秸秆过腹还田对土壤环境质量影响的研究 t h es o i le n z y m ec a nn o to n l yr e f l e c ts o i lf e r t i l i t yc o n d i t i o n s ，b u ta l s or e f l e c tt h es o i lp o l l u t i o n c o n d i t i o n b e 咐e e no c t o b e r2 010a n do c t o b e r2 011 ，i np i n g y ix i a nh o n g y ie c o l o g i c a lf a r ml i n y i c i t y , s h a n d o n gp r o v i n c e ，w ed o r e s e a r t ho nt h e o r g a n i cf e r t i l i z e ro fc h e m i c a lf e r t i l i z e r e x p e r i m e n to fd i f f e r e n tp r o p o r t i o ng r a d i e n t ，s o l i d c a r b o np o t e n t i a li ns o i l a n a l y s i s ，s o i l p h y s i c a la n dc h e m i c a li n d e x e s ，h e a v ym e t a l s ，e n z y m e i n d e xa n dy i e l do fc r o p s t h er e s u l t so ft h es t u d ys h o wt h a t ： 1 ) u s i n gc h e m i c a lf e r t i l i z e r sh a so b v i o u se f f e c t si ni n c r e a s i n gt h ec o n t e n to f s o i lz n ，c d a n dc r a c c o r d i n gt ot h es i n g l ef a c t o rp o l l u t i o ni n d e xm e t h o di nt h es t u d ya r e aw i md i f f e r e n t f e r t i l i z e ri nt h es o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o nr e s u l t so fh e a v ym e t a l ，t h ea r e ao ft h e f o u rk i n d so fs o i lh e a v ym e t a lc o n t e n ta r en o to v e r w e i g h t ，a n dt h es o i lq u a l i t yi sg o o d u s i n g c h e m i c a lf e r t i l i z e r sw i l li n c r e a s et h er i s ko fs o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ，b u to r g a n i cf e r t i l i z e r c o u l dr e d u c et h i sr i s k 2 ) u s i n go r g a n i cf e r t i l i z e rh a sp o s i t i v ef u n c t i o no nt h ei m p r o v e m e n to fs o i lp h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，c a ni m p r o v es o i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t ，i m p r o v es o i lc a r b o nn i t r o g e n t h a n ，r e d u c et h es o i lb u l kd e n s i t y , i m p r o v es o i lw a t e rc o n t e n t ，a n di m p r o v es o i lp h o s p h o r u s ， p o t a s s i u mc o n t e n t a tt h ee n do f t h es t u d y , i n0 2 0c n ln o n p l o u g hl a y e r , a n dp r o c e s s i n gt h a n n p k , m ，m n p k l ，m n p k 2t h r e et r e a t m e n to fs o i lo r g a n i cm a t t e rc o n t e n to f4 3 8 ，3 5 4 a n d13 1 ；n i t r o g e nc o n t e n ta n do r g a n i cm a t t e ri sr e l a t e dt ot h ep r e s e n t ；i na d d i t i o n ，o r g a n i c f e r t i l i z e rt r e a t m e n to fs o i l ，h a ss t r o n g e ra c t i o na g a i n s ts o i lnl e a c h i n gr o l e o r g a n i cf e r t i l i z e r s e e m sh i g hp r o c e s s i n g ，s o i lm o i s t u r ec o n s e r v a t i o n ，t h ec a p a c i t yo ft h et r e a t m e n tt h a nc h e m i c a l f e r t i l i z e r t h em n p kt r e a t m e n tw i t ht h er e l a t i v ew a t e rc o n t e n ti ns o i lm a i n t a i na tam i n i m u m 3 ) d i f f e r e n tf e r t i l i z e rt r e a t m e n t sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nw h e a ta n dc o l t iy i e l d i n w h e a ts e a s o n w h e a tg r a i ny i e l dr e s p e c t i v e l ym4 9 1 0k g h m ，m n p k l5 6 4 2 5k g h m 一， m n p k 26 0 2 3 5k g - 2 ，n p k 6 0 7 8 5 k g h m 2 , m n p k 2a n dv a r i a n c ea n a l y s i sb e t 、) l ，e e l l t r e a t m e n tn p kd e a lw i t hn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ，r e d u c eh a l fo fc h e m i c a lf e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n ，w h e a tp r o d u c t i o nw i l ln o tb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，a n da l s ot h eb a s i cc h e m i c a l f e r t i l i z e rp r o c e s s i n gf l a t i nt h ec o r ns e a s o n ，g r a i ny i e l df o rm 4 3 7 5 8k g 。h m ，m n p k l 5 3 8 4 9 9k g h m - 2 ，m n p k 26 5 9 3 9 3k g h m - 2 n p k 6 5 6 4 3 8k g h m - 2 m n p k 2n p ka n d d e a lw i t l lt h ev a r i a n c ea n a l y s i si sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e 俩e e nt r e a t m e n t ；m n p k 2 4 p r o c e s s i n gp r o d u c tm o r et h a n n p k p r o c e s s i n g ，b eo nt o p p a r t l yr e p l a c ec h e m i c a lf e r t i l i z e r w i t ho r g a n i cf e r t i l i z e r sc a ni m p r o v et h ey i e l da n d i m p r o v et h ef a r m e r s i n c o m e b a s e do nt h i si n c r e a s e st h e s o i lc a r b o np o t e n t i a ls o l i d ，s t a b l e s o i le c o l o g i c a ls y s t e m ，t h er e d u c t i o no ft h es o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o nr i s k ；i m p r o v i n gs o i l p h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，a l l e v i a t et h et r a d i t i o n a ls o i ld e g r a d a t i o nc a u s e db yt h e a p p l i c a t i o no fc h e m i c a lf e r t i l i z e ra n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n o r g a n i cf e r t i l i z e r a l t e r n a t i v e f e r t i l i z e ri sae f f e c t i v es u s t a i n a b l ea 西c u l t u r a ld e v e l o p m e n ts t r a t e g y k e y w o r d s ：o r g a n i cf e r t i l i z e r ；p h y s i c a la n dc h e m i c a li n d e x ；s o i lc a r b o ns e q u e s t r a t i o n ；h e a v y m e t m ；t h es o i le n z y m e ；c r o py i e l d ；s o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ；s i n g l ef a c t o ri n d e x 5 英文缩略表 nn i t r o g e n 氮 p k s o c p h c u z n p b c d c r m a v a i l l n l l 2 s w c c a t u r s p h o s p h o r u s p a l i u m o r g a n i cm a t t e r p o t e n t i a lo fh y d r o g e n c o p p e r z i n c l e a d c a d m i u m c h r o m i u m m a n u r e a v a i l a b l e h e c t a r e s o i lw a t e rc o n t e n t c a t a l a s e l i r e a s e 土壤含水量 过氧化氢酶 脲酶 s e a s u c r o s ee n z y m ea c t i v i t y蔗糖酶 - 一 质度 肥的 机碱 机效顷 磷钾有酸铜锌铅镉铬有有公 化肥减施及秸秆过腹还田对土壤环境质量影响的研究 1 前言 1 1 农田退化现状 我国是农业大国，对肥料的需求量十分巨大。近年来国内粮食安全的隐忧，已使国 人寝食难安。据联合国粮农组织统计资料( f a o s t a t ，2 0 0 0 ) ，过去4 0 年中，世界粮食 产量增加了l 倍，粮食产量与氮、磷化肥的投入量有极显著的线性正相关关系。但随着 化肥的长期施用，作物的产量陷入了增长的瓶颈。农民诉诸于大量使用化肥的同时，土 地质量连年下降，土壤有机质大量减少，环境遭到明显破坏。而我国的氮肥利用率只有 3 0 , - - - - 3 5 ，大部分化肥白白流失，并且造成了严重的环境污染。 1 1 1 秸秆的污染特性 农业秸秆是农业固体废弃物的重要组成部分，与农村生活垃圾、畜牧养殖废物一起 构成我国农业固体废弃物的三大污染要素。据统计，到2 0 0 5 年中国年产秸秆达6 3 亿 吨，约占全世界年产农作物秸秆量的三分之一，其中稻草、玉米秸、麦秸三种秸秆数量 占总产量的7 5 以上。秸秆是一种重要的生物质资源，可用作肥料、饲料、燃料及副 业生产的原料等。秸秆蛋白质含量约5 ，纤维素含量在3 0 左右，还含有一定量的钙、 磷等矿物质。根据实测数据估算，以秸秆配合少量精粮来养殖肉牛，每7 埏秸秆转化1 埏牛肉( 同时需lk g 精粮) ，利用微储鲜秸秆配合花生糠喂牛，肉牛7 个月增加的体重 为2 2 8k g 。但目前我国对农业秸秆的利用率和利用水平都较低，用于饲料的秸秆量占总 产量的1 5 也4 ，6 0 以上的秸秆闲置或焚烧。 农业秸秆产生量大且难降解成分多，目前主要的处置方式是堆放和焚烧等，由此产 生侵占土地，滋生细菌、蚊、蝇，随雨水进入水体，导致水体富营养化等环境问题，露 天焚烧秸秆不仅造成大气污染，而且影响民航和陆路交通。 ( 1 ) 侵占土地 在农作物收获后，随之产生的农业秸秆的主要处置方式是堆放，一般堆置在河道中、 沟渠里、马路边、田埂上。由于具有产生量大、堆放分散、泥沙含量较大等特点，给收 集和处置带来极大不便，侵占土地现象严重。此外，秸秆废物随意堆放，阻碍交通，同 时影响农村的面貌和感官形象，也影响到人们的身心健康。 ( 2 ) 污染河流 堆积秸秆往往是露天放置，在雨季易被雨水冲入沟渠、河道，最终进入江河湖泊等 6 山东农业大学硕上学位论文 水体，这些n 、p 、k 及有机质含量均较高的秸秆在好氧和厌氧条件下，通过硝化、反 硝化等作用，其中的n 、p 等元素都基本转化成可溶性物质和矿物元素，成为水体富营 养化的污染源，导致水质恶化，影响水环境。 此外，有机物含量高的秸秆在长期堆放过程中，易腐烂，经雨水淋滤后形成渗滤液 通过沟渠、河道流入水体。这种途径在雨季和非雨季均有发生，但在暴雨期最强烈。根 据研究显示，渗滤液中n 、p 的含量很高，往往超出一般生活污水，是造成地表水体和 地下水体污染的重要污染源。 ( 3 ) 影响空气质量 由于秸秆在一些地区大量剩余，露天焚烧是另一种重要的处置方式，由此导致大气 污染，直接影响民航、铁路、高速公路等交通的正常运行。 ( 4 ) 影响农业灌溉条件 堆积在沟渠，尤其是小型沟渠中的秸秆废物极容易堵塞沟渠，造成断流、漫沟，给 农业水利灌溉带来很大不便。在暴雨季节，由于废物造成的沟渠堵塞，使得泄洪功能受 阻，暴雨漫迸农民菜地的情形十分严重。 1 1 2 化肥的污染特性 我国是农业大国，对肥料的需求量十分巨大。近3 0 年来，我国化肥施用量平均以 每年1 5 7 万t 的速度递增，到2 0 0 7 年已达到51 0 7 8 万t 。1 9 8 0 2 0 0 8 年我国化肥施用 量图如图1 所示。 图11 9 8 0 - - 2 0 0 8 年中国化肥施用量数据来源：中国统计年鉴2 0 0 84 5 3 页 f i g 1c h e m i c a lf e r t i l i z e ri nc h i n ab e t w e e n1 9 8 0a n d2 0 0 8 据统计，中国平均每公顷土地的化肥施用量高达4 3 4 3k g ，是化肥使用上限的1 9 3 倍。而我国氮素利用率仅为3 5 左右，大部分化肥白白流失。长时间依靠增施化肥满 足作物对矿质元素的需求加剧了农业面源污染，造成次生盐碱化、土壤酸化等，由此产 7 化肥减施及秸秆过腹还田对土壤环境质量影响的研究 生的土壤重金属积累及其对粮食品质的影响也越来越受到人们的关注【9 1 。与我国农业生 产普遍存在化肥施用过量的情况相反，我国有机肥施用量却不足，有机肥可以改良土壤 结构，提高土壤的有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，促进农作物增产吣1 2 j 。 通过“过腹还田”，充分开发利用农业秸秆，将废弃的秸秆转化为饲料喂养禽畜，禽畜 粪便还田替代化肥，对保护农村生态环境、促进农业可持续发展、增加土壤固碳潜力有 着不可估量的作用。 长期施用化肥在促进粮食增产的同时，也给土壤质量和农业生产的持续发展带来新 的挑战。 ( 1 ) 大气污染 化肥对大气的污染是因化肥本身易分解挥发及施用方法不合理造成的气态损失。常 用的氮肥如尿素、硫酸铵、氯化铵和硫酸氢铵等铵态氮肥，在施用于农田的过程中，会 发生氨的气态损失；施用后直接从土壤表面挥发成氨气、氮氧化物气体进入大气中；很 大一部分有机、无机氮形态的硝酸盐进入土壤后，在土壤微生物反硝化细菌的作用下被 还原为亚硝酸盐，同时转化成二氧化氮进入大气。氮肥施入土中后，有一部分可能经过 反硝化作用，形成了氮气和氧化亚氮，从土壤中逸散出来，进入大气。氧化亚氮到达臭 氧层后，与臭氧发生作用，生成一氧化氮，使臭氧减少。 ( 2 ) 土壤污染 从化肥的原料开采到加工生产，总是给化肥带进一些重金属元素或有毒物质，其中 以磷肥更为突出。产生污染的重金属主要有z n 、n i 、c u 、c o 和c r 等。重金属是化肥 对土壤产生污染的主要污染物质，进入土壤后不仅不能被微生物降解，而且可以通过食 物链不断在生物体内富集，甚至可咀转化为毒性更大的甲基化合物，最终在人体内积累 危害人体健康。土壤环境一旦遭受重金属污染就难以彻底消除。 目前我国施用的化肥以氮肥为主，而磷肥、钾肥和复合肥较少，长期这样施用会造 成土壤营养失调，加剧土壤p 、k 的耗竭，导致硝态氮累积。硝酸根本身无毒，但若未 被作物充分同化可使其含量迅速增加，摄入人体后被微生物还原为亚硝酸根，使血液的 载氧能力下降，诱发高铁血红蛋白血症，严重时可使人窒息死亡。同时，硝酸根还可以 在体内转变成强致癌物质亚硝胺。诱发各种消化系统癌变，危害人体健康。 长期施用化肥还会加速土壤酸化。这一方面与氮肥在土壤中的硝化作用产生硝酸盐 过程相关，当氨态氮肥和许多有机氮肥转变成硝酸盐时，释放出一，导致土壤酸化； 另一方面，一些生理酸性肥料，比如磷酸钙、硫酸铵、氯化铵在植物吸收肥料中的养分 8 山东农业大学硕士学位论文 离子后土壤中圹增多，许多耕地土壤的酸化与生理性肥料长期施用有关。同时，长期 施用k c i 因作物选择吸收所造成的生理酸性的影响，能使缓冲性小的中性土壤逐渐变 酸。同样酸性土壤施用k c l 后，k + 会将土壤胶体上的旷、a 1 3 + 交换下来，致使土壤溶 液中旷、灿3 + 浓度迅速升高。此外，氮肥在通气不良的条件下，可进行反硝化作用，以 氨气、氮气的形式进入大气，大气中的氨气、氮气可经过氧化与水解作用转化成硝酸， 降落到土壤中引起土壤酸化。化肥施用促进土壤酸化现象在酸性土壤中最为严重。土壤 酸化后可加速c a 、m g 从耕作层淋溶。从而降低盐基饱和度和土壤肥力【3 巧j 。 施用不同的肥料对微生物的活性有很大影响，我国施用的化肥中以氮肥为主，而磷 肥、钾肥和有机肥的施用量低，这会降低土壤微生物的数量和活性。 ( 3 ) 水污染 农业生产中使用的氮肥、磷肥，会随农田排水进入河流湖泊，水田中施用化肥会随 排水直接进入水源；旱田施用过多的氮肥、磷肥，会随人为灌溉和暴雨冲刷造成地表径 流进入水体，使地表水中营养物质逐渐增多，造成水体富营养化，水生植物及藻类大量 繁殖，消耗大量的氧，致使水体中溶解氧下降，水质恶化，生物生存受到影响，严重时 可导致鱼类死亡，形成的厌氧性环境使好氧性生物逐渐减少甚至消失。厌氧性生物大量 增加，改变水体生物种群，从而破坏了水环境，影响人类的生产生活。 化肥施用于农田后，发生解离形成阳离子和阴离子，一般生成的阴离子为n 0 3 。、 n 0 2 、p 0 4 3 等，这些阴离子因受带负电荷的土壤胶体和腐殖质的排斥作用而易向下淋失； 随着灌溉和自然降雨，这些阴离子随淋失而进入地下水，导致地下水中硝酸盐、亚硝酸 盐及磷酸盐含量增高，对地下水造成污染。 1 2 土壤环境质量指标 本文研究的土壤环境质量指标包括土壤酶、重金属、土壤常规理化指标等。 1 2 1 土壤酶 酶是生物体内产生的一种专一性、高效性蛋白质，它也是一种能够促进生物化学反 应的高能的物质。生物体内任何一种生化反应都是由酶催化完成的：生物的发育、生长、 繁殖等都涉及到酶的催化作用。在众多的酶当中，土壤酶是存在于土壤中能够起催化作 用的各种酶类的总称，在评价土壤肥力、环境监测、评价土地利用等方面有广泛的作用。 土壤酶是土壤中植物、动物、微生物活动的产物，是土壤生物化学反应的重要指标之一， 9 化肥减施及秸秆过腹还闭对土壤环境质量影响的研究 土壤中许多重要的物理、化学和微生物活性物质等，都与土壤酶有着密切的相关性。 土壤酶是一种生物催化剂，它能加速土壤中有机物质的化学反应。各种酶在土壤中 的积累，是由于土壤微生物、土壤动物和植物根系的生命活动的结果。它们参与了与土 壤的发生和发育，及其与有效肥力的形成有关的诸过程的主要环节。在一般情况下，肥 沃的土壤中，土壤生物化学活性较高，土壤中某些过程强度与参与这一过程的酶活性相 关。土壤中氮的转化与蛋白酶、脲酶活性相关；蔗糖酶的活性可以反映土壤中碳的转化 和呼吸强度：磷酸酶活性能表示土壤对作物供应有效磷的能力，因此可以用酶活性来评 价土壤营养物质转化、循环情况及保肥、供肥能力。 土壤酶活性对化学农药十分敏感，因此可用酶活性作为指标，了解农药对土壤酶活 性的直接影响和间接影响。农药除对土壤酶产生影响外，土壤酶对农药具有降解作用。 土壤酶活性在一定程度上可以反映出环境状况，某些污染物的存在能抑制土壤酶活性， 脲酶与磷酸酶活性对某些重金属的反应很敏感。 1 2 1 1 土壤酶的研究进展 土壤酶从十九世纪末w o o d s 从土壤中检测出过氧化氢酶以来，经过5 0 多年的奠定 和发展，研究者们从土壤中发现了4 0 多种酶，土壤酶学逐渐发展成为一门新兴的介于 土壤生物化学和土壤微生物学的学科。二十世纪五十年代以来，由于生物化学的迅速发 展，推动了土壤酶学的研究。许多动植物和土壤学的方法和理论被引进，有更多的土壤 酶被检测出来，人们积极开展土壤酶学的研究，为丰富和发展土壤科学、提高肥料利用 率和土壤生产能力开辟新途径，土壤酶学成为了土壤学中的一个分支。到2 0 世纪八十 年代，土壤酶学和生态学，农学和环境科学相互渗透，土壤酶活性被认为是土壤质量指 标的敏感因子，成了各种检查必不可少的测定指标。 我国对土壤酶的研究起步较晚，研究的土壤酶种类较少。主要针对白浆土、潮土、 石灰土和黑土等土壤类型研究了一些土壤积累酶，如过氧化氢酶，尿酶，磷酸酶等。 近代，土壤工作者对土壤酶加强了认识，对土壤酶进行了很多影响因素的研究，如 土壤酶和土壤微生物，土壤酶和耕作技术，土壤酶和环境的相互作用和影响。在农田和 环境治理方面都进行了研究。 随着土壤酶研究的不断深入，土壤酶的研究方法和测定手段不断得到完善。土壤酶 学研究包括各种理论和实际问题，如酶的来源，状态，酶作用的动力学，酶对土壤的影 响等各方面。由于土壤酶活性与土壤理化性质和土壤微生物有密切关联性，且土壤酶对 l o 山东农业大学硕士学位论文 环境的扰动响应快，反应敏感。土壤酶作为土壤生态系统变化的敏感指标越来越受到关 注。今后将应用土壤酶学来解决一些实际问题，如农业、生态、土壤污染等方面的问题。 但土壤酶学指标能否作为土壤肥力的指标还没有一致意见。这需要国际科学界的协调努 力，统一分析方法，并根据不同的地理条件、不同的用途和管理编制出土壤生化特性数 据库，成为土壤酶学的主攻方向。 1 2 1 2 土壤酶的来源 ( 1 ) 微生物释放分泌的土壤酶 研究表明，某些土壤酶主要是微生物分泌释放的结果。植物根际酶活性比非根际土 壤活性高，除了植物根系的作用外，根际微生物的数量比非根际土壤高得多，根际土壤 微生物向环境中分泌酶，导致根际和非根际土壤酶的活性有明显的差异。微生物数量越 多向土壤中释放的酶也多。如淀粉酶主要来自于土壤中的细菌。对病原菌起防护作用的 葡聚糖酶，磷酸酶主要来自于真菌。微生物可以分泌一些胞外酶，而胞内酶主要是微生 物死亡后释放。微生物释放酶的大体过程是：细胞死亡，细胞崩溃，细胞膜破裂，原生 质成分进入土壤，酶类必然释放进入土壤，另外土壤微生物也会分泌一些。 ( 2 ) 植物根系分泌释放的土壤酶 植物生理学家积累的资料表明，植物的根能将一些酶分泌到根际土壤中，且随着水 分和施肥的胁迫而增加。1 9 2 0 年，k i m d s o n 发现了根系能够分泌酶并释放到土壤中，他 通过测定土壤核酸酶的最适p h 和温度，与从植物根系提取酶要求的p h 和温度相似， 得出土壤酶可能来源于植物体。许多植物能分泌酶。如小麦、棉花、西红柿等可以分泌 过氧化氢酶。此外小麦根系还能够分泌释放蔗糖酶、淀粉酶。玉米根尖四周的胶质部分 有核酸酶和甘油磷酸酶活性存在。而纤维素，三磷酸腺苷和焦磷酸的水解只有在植物根 系的存在时才能完成，也证明了植物根系能够分泌酶类及酶在物质转化中的作用。此外 植物根系分泌物还可为作物和土壤微生物提供如糖类等的养分，又可以反过来促进土壤 酶活性。植物根系分泌物是土壤酶的重要来源。 ( 3 ) 土壤动物释放的土壤酶 土壤动物提供的土壤酶数量相对较少。对土壤熟化和有机质转化起重要作用的动物 主要是蚯蚓，它能向土壤释放酶类，如分泌蔗糖酶、碱性磷酸酶等。一般肥沃的土壤表 层，蚯蚓多，排泄物多，土壤的酶活性也高。其次是蚂蚁，它提供的酶的数量和种类居 第二位。死亡的土壤动物都不断地向土壤中释放各种酶类。 化肥减施及秸秆过腹还【1 1 对七壤环境质量影响的研究 在半分解和分解中的根、茎、叶和腐烂的树枝、翻压的绿肥和还田的各类作物秸秆 在它们腐解的过程中也向土壤释放大量的酶类。研究者对于那些土壤酶到底是来自于植 物还是微生物或是动物，还不清楚，这是今后研究的重点。 1 2 1 3 施肥对土壤酶活性的影响 很多因素对土壤酶活性都有影响，如水分，气候和土壤的物理性质，以至于不同的 作物对土壤酶活性的影响也不同，但作为对农业增产影响最大的耕作措施，施肥是农田 酶活性研究的重点。 施肥可以改良土壤，提高肥力，促进植物生长，提高产量和增进品质。使用肥料仍 是我国农业生产的重要措施。很多学者在农田定位施肥方面对土壤酶进行了大量研究。 一般地说，施用肥料能提高土壤肥力水平，从而对土壤酶活性起着良好的作用，但 由于研究工作是在不同土类，不同气候条件和不同植被覆盖下，利用不同肥料种类和用 量进行的，故存在一定的差别。 不同的肥料对土壤酶的影响有所不同。植物生长发育需要的各种必需营养元素，除 碳、氢、氧外，其他几乎全部来自于土壤。农业土壤中，土壤养分主要来自于施肥。化 肥对农业的增产、人们生活水平的提高已经起到并继续起到不可替代的作用。何文祥等 测定了长期施用化学肥料对土壤中土壤酶活性的影响，结果表明土壤酶活性随土壤肥力 的不同而不同，并随施肥时间的延长而提高。张逸飞等通过长期定位试验化肥对土壤养 分和酶活性关系研究，表明施磷肥能有效改善土壤酶活性，施氮肥次之，而施钾肥影响 不大。叶家颖研究了用有机肥与无机肥配施对花生的影响，结果表明花生各生育期根际 土壤脲酶活性、蛋白酶的活性都有增加，但影响的程度因施肥水平不同而异。一般表现 为高肥区对酶活性的促进作用更为明显，说明施肥对土壤酶有激活作用。 有机肥料对农业具有十分重要的作用，有机肥料不仅能增强土壤酶活性，而且对土 壤有效氮、磷的转化起重要作用。有机肥是我国农业生产中传统性肥料。它不仅可以维 持、提高土壤肥力还是农业实行可持续发展的关键措施，有机肥料来源广泛，是农业生 态系统中各种养分资源得以循环再利用和净化环境的关键链。土壤施用有机肥后，土壤 疏松，透气性好，提高了土壤酶活性和呼吸强度。有机肥主要是通过促进农作物根系生 长，间接提高土壤酶活性，有机肥不仅有长久性，还有适时性。大量施用有机肥可以明 显的促进土壤酶活性。王光华等对黑土农田施肥研究表明，长期向黑土增施有机物，农 田中不仅提高了土壤微生物的含量和土壤养分转化效率，而且也提高土壤酶活性，向农 1 2 山东农业火学硕上学位论文 田中施用有机物有利于黑土向健康方向发展。 化肥和有机肥配施可以提高肥效，增加作物营养，改变酶活性。杨丽娟等研究表明， 施用有机肥、化肥在一定条件下可以改变菜田土壤酶活性。袁玲等认为长期配合施用有 机肥和化肥可以提高微生物类群数量和土壤酶活性，可以增加土壤蛋白酶、脲酶、转化 酶、过氧化氢酶、磷酸酶的活性。熊明彪等认为长期有机无机肥料配施可以显著提高紫 色土土壤酶活性。e l f s t r a n ds ，m a n d a l 等研究表明，长期施绿肥可明显增加土壤酸性磷 酸酶活性。刘恩科等指出，长期撂荒的土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性显著高于农田土 壤，长期施肥的处理上述酶活性高于长期不施肥的，长期有机无机结合施肥的高于长期 单施化肥的处理。李娟还指出：相同性质的有机物投入数量越大，土壤酶活性增加效果 愈加明显，且配施猪厩肥的效果最好，动物粪肥比植物肥料要好。曾玲玲等通过长期田 间试验，在白浆土施肥可不同程度地提高土壤蔗糖酶活性、磷酸酶活性、脲酶活性，其 中对脲酶活性的影响最为明显。活性肥料可以实改良肥土，既能够为作物健康生长提供 各种营养，又可以通过其含有的有益微生物激活土壤酶活性，对土壤固有养分进行矿化， 提高有效养分含量，刺激作物生长。 1 2 2 土壤理化指标 土壤理化性质包括土壤物理性质和化学性质，它是土壤质量的重要组成。土壤理化 性质不仅影响土壤保持和供应水肥的能力，对调