四川农业大学开题报告 猪粪施用对稻田土壤酶活性的影响.doc

四川农业大学本科生毕业论文（设计）开题报告毕业论文（设计）题目猪粪施用对稻田土壤酶活性的影响选题类型应用基础型课题来源国家支撑项目学 院资源环境学院专 业农业资源与环境(生态环境建设与管理方向)指导教师职 称姓 名年 级学 号1立体依据近年来，为获高产常施大量肥料1。2008年公布的数字表明（中华人民共和国统计局，2011），1990年我国无机肥施用量为4124万吨, 2003年为4411万吨, 2007年为5107万吨。但由于大量施用化肥而忽略配施有机肥，引起了土壤中有机质含量急剧减少，导致土壤理化性质改变，土壤综合生产能力降低2。据估算，2003年我国畜禽粪便产生量约为221亿吨，占农业有机废弃物资源的40%以上3。大量的畜禽粪便对我国环境造成了严重威胁。未被利用的有机肥料，特别是猪粪直接排入地表水的氮磷量远大于农田中化肥通过径流进入地表水的氮磷量,成为当今地表水中氮磷主要来源4。近20年来，土壤质量的生物学特性在土壤肥力与质量中作用的研究得到不断加强。水稻土因为长时间的淹水在土壤特性方面与旱地土壤有所不同，谭周进等5研究指出合理的轮作、施有机肥可提高水稻土土壤肥力及增强酶活性。农田消纳是目前畜禽粪便资源化利用的一个重要途径，施用有机肥提高土壤碳氮磷肥力，同时为酶促反应提供了较多基质酶源,增加了土壤微生物数量，并为土壤中原有微生物提供了能源，而土壤酶绝大部分来自微生物和植物根系分泌作用，因而促进了土壤酶活6。但有机肥如猪粪具有臭脏、带病菌寄生虫、施用不便、养分含量低、养分释放缓慢等缺点，逐渐受到漠视，乱排滥放成为面源污染源7。猪粪和化肥配施能够优势互补，减少化肥用量，节约成本，保护环境，是“环境友好型，资源节约型”节能减排的低碳措施。稻田中的作物、微生物和土壤具有吸收、转化和吸附养分的作用，可处理消纳有机肥8。 本研究主要探讨猪粪对稻季土壤酶活性的影响，如磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、土壤转化酶,以及探究土壤酶与土壤理化性质的相关性。在探索施肥和土壤酶活性指标之间的内在联系，为成都平原生猪养殖废弃物的资源化利用、合理施肥和培肥土壤等提供科学依据。2 国内外研究现状据不完全统计，一头体重80公斤160公斤的猪年排放量大约为2吨，目前四川省生猪养殖存栏数已达到6 200万头以上，年生猪出栏数超过1亿头9，因此四川的猪粪年产出量是巨大的。我国猪粪中N、P2O5、K2O、Zn、Cu平均含量为2.28、3.97、2.09、663.3 mg/kg和488.1 mg/kg。与上世纪90年代相比氮素变化不大，磷和钾分别增加93.7%和54.8%10。土壤中广泛存在的脲酶的作用，尿素施入土壤后迅速水解生成NH3，其速度是未经催化水解的1014倍11，极大地降低了植物对氮素的利用，并提高了尿素的利用率。同时，王灿12等研究认为，可以将土壤中脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性与土壤养分指标(除速效磷外)结合在一起作为综合评价土壤肥力指标。多数研究结果表明，施用有机肥、无机肥能提高土壤养分含量，且更有利于提高土壤脲酶、磷酸酶、转化酶活性13。2.1土壤酶活性土壤酶来自微生物、植物和动物的活体或残体，通过催化土壤中的生化反应发挥重要作用，根据作用原理可以分为水解酶类、氧化还原酶类、转移酶类、裂合酶类4大类。土壤酶的活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指标14。土壤酶大部分来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中的释放，其中微生物细胞是其主要来源，且土壤微小动物对土壤酶的贡献十分有限。土壤中已经发现了50-60种酶，研究较多的有氧化还原酶、转化酶和水解酶。肥料可通过改善土壤水热状况和微生物区系而影响土壤酶活性。施用有机肥可以显著提高土壤微生物量和微生物活性15，且增施有机肥料有利于改善土壤理化性质，提高土壤酶活性16。2.1.1土壤磷酸酶 土壤磷酸酶是表征土壤生物活性的重要酶之一，能催化土壤有机磷化合物的矿化，加速土壤有机磷的脱磷速度，其活性的高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化和生物有效性。土壤磷酸酶活性表征了土壤磷素有效化的强度17。按磷酸酶的最适土壤酸碱度通常将其分为酸性磷酸酶(pH 45)、中性磷酸酶(pH 6 7)和碱性磷酸酶(pH 810)18。磷酸酶活性与有机磷含量有密切的关系, 无论是酸性磷酸酶还是碱性磷酸酶, 都与土壤有效磷含量有极显著的相关性19。有机肥可提高磷酸酶活性20。猪厩肥对于提高磷酸酶活性作用更明显，这可能是由于猪厩肥中磷酸酶含量较高的缘故21,22。稻季猪粪配施氮磷钾进入到淹水土壤中，发生一系列物理、化学及生化反应改变了土壤环境状况，如土壤pH、氧化还原电位等，从而活化了土壤磷素供应，导致土壤酸性磷酸酶活性增强23。2.1.2土壤脲酶脲酶是一种专性很强的酶，能促进尿素水解生成氨、CO2和H20，其中，氨是氮素营养的直接来源，因此脲酶活性可表示土壤氮素供应状况。脲酶是一种酞胺酶，直接参与尿素形态转化，能酶促有机质分子中肽键的水解，其活性通常与微生物数量、土壤有机质、全氮和速效氮相关。长期NPK配施有机肥能明显提高脲酶活性，特别是增施C/N比适中、富含新鲜养分的猪厩肥。从配施比例来看，猪厩肥比例越大，脲酶活性越高。NPK配施作物秸秆处理中的土壤服酶活性较无肥区(CK)也有明显提高，但明显低于配施猪厩肥处理中的脲酶活性24。这是由于有机肥与化肥配合施用不仅可以提供丰富的有机碳，而且化肥中的无机氮调节了土壤中的碳氮比，为微生物的活动和酶活性的提高创造了良好的条件25。脲酶活性的变化充分表明了土壤氮素的供应情况，并符合作物生长需要的变化趋势。Zantua和Bremner26认为，往土壤中施入能促进微生物活动的葡萄糖或其他有机物质能使土壤的脲酶活性得到增加。经相关研究,有机无机复混肥和生物复混肥处理脲酶活性基本呈上升趋势27，可能是因为无机肥中有效态的氮含量太高，抑制了土壤微生物活性，而生物复混肥中的有机氮和无机氮促进土壤脲酶活性的升高。2.1.3过氧化氢酶 过氧化物酶作为土壤中的氧化还原酶类，与土壤微生物有着密切联系，在有机质氧化和腐殖质形成过程中起着重要作用，过氧化物酶在一定程度上反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度。过氧化氢是由生物呼吸过程和有机物的生物化学氧化反应产生的，对生物和土壤均具有毒害作用。土壤中真菌、细菌和植物根都能够分泌过氧化氢酶，将过氧化氢分解为水和氧，从而解除过氧化氢的毒害28。过氧化氢酶是参与土壤中物质和能量转化的一种重要的氧化还原酶。过氧化氢酶的活性表征了土壤腐殖质化强度大小和有机质积累程度。化肥与猪厩肥配施可显著提高过氧化氢酶活性29。可能是由于施入猪厩肥后提高了土壤腐殖质含量及土壤有机质含量，从而提高了土壤过氧化氢酶的活性。2.1.4土壤转化酶转化酶又名蔗糖酶，广泛存在于动植物和微生物中，是一种重要的水解酶类30。是酶促化学基团的分子间或分子内的转移同时产生化学键的能量传递的反应。主要包括转氨酶、果聚糖蔗糖酶。在经济作物生长期内不同处理蔗糖酶平均活性大小顺序为生物复混肥有机无机复混肥CK无机肥。生物复混肥处理土壤蔗糖酶活性最高，与其他处理相比差异显著31。原因可能是生物复混肥和有机无机复混肥处理中有机肥和无机肥配施提供了丰富的有机碳，无机肥中的无机氮调节了土壤中的C/N，为微生物活动提供了更多的酶促反应基质，进而提高了土壤蔗糖酶活性。2.2施肥对土壤酶的影响土壤酶直接或间接的参与土壤中的一切生化反应。土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指标32，土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度33，施肥对土壤酶活性产生不同的影响，其主要原因可能是长期的不同施肥制度导致土壤微生物量、区系组成以及代谢过程改变，从而使得主要由土壤微生物产生的土壤酶的数量和活性发生变化。 脲酶活性高低在一定程度上反应了土壤的供氮水平状况34，长期合理施肥能够提高脲酶的活性。肥料施入土壤后，脲酶活性增加可能的原因是脲酶反应底物的浓度升高，施入肥料后，由于肥料中所含N素为尿素和磷酸氢二铵，土壤中氢氧化铵浓度升高，溶解或水解土壤有机质增加，提高了水溶性有机质含量，因而脲酶活性也随之增加35。磷酸酶是一种水解性酶，酶促作用能够加速有机P的脱P速度，提高土壤P的有效性。磷酸酶参与能酶促磷盐键的水解性裂解。土壤中的过氧化氢酶则能酶促过氧化氢分解为水和氧气，从而解除了过氧化氢的毒害作用。肥料施用在一定程度上提高了土壤中过氧化氢酶的活性，但是不同肥料处理之间过氧化氢酶活性差异不明显36。有文献报道，过氧化氢酶不能表征肥料对于土壤肥力的影响，可能是由于过氧化氢酶的辅基遭到了肥料中阴离子的封阻37。蔗糖酶可使不能直接被植物吸收的蔗糖分解成葡萄糖和果糖，活性大小可以间接的表征土壤中有机碳的转化情况38. 有研究指出蔗糖酶活性高，则土壤生物活性好，土壤肥力高，土壤状况良好39。综上所述，施入有机肥能改良土壤的理化性质和提高土壤肥力，从而提高土壤酶活性。而土壤酶对因环境或管理因素引起的变化较敏感，具有时效性，土壤酶活性的高低可以反映土壤养分 (尤其是氮、磷)转化的强弱40。3 研究的主要内容3.1研究区域概况试验点位于都江堰天马镇，天马镇位于都江堰市区东南的柏条河中游。土壤类型主要为岷江灰色冲积物发育的水稻土，属中亚热带湿润季风气候区，年均气温15.2，年均降水量近1200毫米，年均无霜期280天。这里四季分明，夏无酷暑，最热的7、8月份平均气温为24左右，平均最高气温仅28；冬无严寒，最冷的1月份平均气温为4.6，平均最低气温在2左右。水资源十分充沛，有柏条河、柏木河、蒲阳河、右干渠灌溉，盛产水稻、小麦、玉米、油菜籽和其它经济作物。3.2 研究内容(1)不同处理各生育期土壤磷酸酶活性变化特征；(2)不同处理各生育期土壤过氧化氢酶活性变化特征；(3)不同处理各生育期土壤转化酶的活性变化特征；(4)不同处理各生育期土壤脲酶的活性变化特征；3.3研究目标本试验在稻田上施用猪粪，研究土壤酶（磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶及脲酶）活性变化特征，以期为此区域的猪粪资源肥料化持续高效利用供理论依据。4.试验方案4.1 技术路线根据本研究的目的和内容，通过田间试验，按作物不同生育期和不同土层厚度采样，研究猪粪对土壤磷酶活性的影响，这对猪粪的合理施用、保护环境和提高土壤肥力有着重要意义。本研究开展的技术路线如图1所示：图 1研究技术路线图4.2 试验方案4.2.1 试验材料供试的种养废弃物由都江堰德宏农业公司提供经过干湿分离的腐熟猪肥，其余无机肥料分别为市售尿素（46.4%N），过磷酸钙（12% P2O5），氯化钾（60% K2O）。水稻品种为冈优系列。4.2.2 试验设计水稻试验于2013年5月至9月开展，小区面积20.0m2，小区间田埂用塑料薄膜覆盖，以防肥、水相互渗透，四周设保护行，每个小区均单设进、排水口。水稻株、行距为13、28.5cm，每穴定植2株，施肥后，并进行常规田间管理。每个处理重复3次，采样随机区组实验设计具体的施肥处理如下：表格 1实验处理表1实验处理实验处理具体施用量处理1CK不施肥做对照处理2常规化肥(NPK)处理3化肥75%和猪粪25%(NKM1以常规化肥施氮为标准，施用猪粪全氮含量占施氮量的25%)处理4 化肥和猪粪50%(NKM2)处理5猪粪100%(M3)处理6猪粪150%(M4)处理7猪粪200%(M5)处理8猪粪300%(M6)4.2.3 采样方法分别于水稻的分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期，按5点混合取样法用土钻分别在每个小区取样。每次取样划分020cm、2040cm2个土层。采集土样自然风干后过筛，再进行指标的测定。4.2.4 测定方法表 2测定方法指标测定方法土壤基本理化性质参见鲁如坤的土壤农业化学分析方法(2000年)中的方法进行分析土壤过氧化氢酶高锰酸钾滴定法（以20 min后每克干土消耗0.02 mol.L-1高锰酸钾毫升数表示）土壤脲酶靛酚蓝比色法测定41 （以1d后每百克干NH3-N的毫克数表示）土壤转化酶3,5-二硝基水杨酸比色法测定（24h后1g土壤葡萄糖的毫克数表示）土壤磷酸酶苯磷酸二钠法测定，以酚量mg/ g( 370C, 24 h)表示424.2.5 数据处理数据用Excel和SPSS进行统计和分析。5 预期成果各生育期不同猪粪处理土壤酶活性变化。6 时间安排2012年12月2013年03月 查阅文献，拟订实验方案；2013年03月2013年09月 开展水稻大田试验；2013年09月2013年11月 实验分析，整理资料，撰写论文。7 主要参考文献1 徐明岗, 梁国庆, 张夫道. 中国土壤肥力演变M. 中国农业科学技术出版社, 2006.2 邢素丽, 刘孟朝, 徐明岗. 有机无机配施对太行山山前平原小麦产量和土壤培肥的影响J. 华北农学报, 2010, 25(B08): 212-216. 3 林强. 我国的土壤污染现状及其防治对策J. 福建水土保持, 2004, 16(1): 25-28.4 朱兆良. 肥料与农业和环境D. 大自然探索, 1998 (4).5 谭周进, 冯跃华, 刘芳, 等. 稻作制与有机肥对红壤水稻土微生物及酶活性的影响研究J. 中国生态农业学报, 2004, 12(2): 121-123. 6 颜慧, 钟文辉, 李忠佩, 等. 长期施肥对红壤水稻土磷脂脂肪酸特性和酶活性的影响J. 应用生态学报, 2008, 19(1): 71-75. 7 Qiao M, Zheng Y M, Zhu Y G. 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