酵素改良土壤

施用环保酵素对土壤中磷素变化的影响研究 李丝丝（玉溪师范学院资源环境学院，环境科学专业，2012024115）摘要：以云南省玉溪市红塔区北城唐家营某村民家的一块20余年施用化肥农药的农耕地为研究对象，采用的方法是：制作环保酵素，设计4组不同浓度梯度及1个空白梯度的土壤，每个浓度梯度设置3个平行组，不同浓度梯度浇入的环保酵素量相同但浓度配比不同。在不同浓度梯度和不同时间周期条件下，研究环保酵素对土壤中全磷和有效磷含量的变化影响。研究显示：环保酵素对土壤中的全磷含量变化影响微弱，改良效果变化不明显，但也具有最适宜的改良浓度和周期，而对土壤中有效磷含量变化影响比较大，改良效果变化较明显。故环保酵素对土壤中有效磷的改良效果比较好，同样具有最适宜的改良浓度和周期。关键字：环保酵素；土壤改良；土壤全磷含量；土壤有效磷含量。Application of environmental protection enzyme research on the impact of the change in soil pLI SI SI(Colleges of Resources and Environment, Yuxi Normal University, Environmental science majors,2012024115)Abstract：A long chemical fertilizers pesticides strawberry planting soil as the research object that in yunnan yuxi hongta district north of the city, the method is: make environmental protection enzymes, design four groups of different concentration gradient and a blank gradient of the soil, each concentration gradient set parallel to the three groups, Poured into different concentration gradient of the same environmental protection enzyme quantity but different concentration ratio. Under the condition of different concentration gradient and different time periods, research on the total phosphorus in the soil environmental protection enzymes and effective phosphorus content changes. Studies have shown that: Environmental protection enzyme weak effects on total phosphorus content in the soil,does not change significantly improved, but also has the most appropriate to improve concentration and cycle, and to change the content of soil effective phosphorus effect is larger, modified effect change is obvious. Therefore, environmental protection enzymes for the improvement of soil effective phosphorus effect is better, also has the most appropriate to improve concentration and cycle.Key Words：Environmental protection enzymes; Soil improvement,;Total phosphorus content changes; Effective phosphorus content changes.1 研究背景及目的1.1 研究背景我国是以农业为基础的国家，是农业大国。随着社会及科学技术的迅猛发展，农业生产所需的化肥农药逐渐增多，由于其养分高，施用方便，没有农家肥麻烦，使得农民养成了大量施用化肥农药来防止农作物病虫害和杀死农田内杂草、昆虫的习惯。每年，由于农民不合理使用化肥农药，导致局部地区已造成土壤板结、有机质含量不足，透气性能下降，土壤营养元素含量及肥力降低，农产品化肥农药含量超标，农作物减产、资源浪费等问题，同时还造成部分地区环境污染，如江河湖泊水的富营养化、土壤污染、农业污染等。目前，农业面源污染已成为世界环保人士和管理者面临的最为棘手问题之一，其中，过量的N、P含量是农业面源污染的主要原因之一。N、P养分的来源主要有两种，一是土壤本身含N、P等养分较高，二是人类过量施用化肥、农药到农业生态系统，造成大量N、P蓄积在土壤中。这些N、P等养分随径流的溶解和冲刷而流失，特别是植被覆盖底下坡耕地里的N、P等养分极易被径流洗脱而随着径流进入受纳水体，再加上农村经济的发展，含高N、P物质的畜禽养殖污水和大量生活垃圾排入水源，造成地表和地下水体污染，最终导致水体富营养化，甚至发生有害藻类“水华”等生态灾害。中国的农业面源污染最为严重，土壤污染治理技术和方法仍在持续改进当中，由于土壤污染的污染源来源广泛且难以控制，治理上存在许多困难，要考虑的因素特别多，所以国家目前还没有完整的治理方案及规定的管理办法，因此研究土壤改良的技术和方法是现今必不可少的。1.2 研究目的 “垃圾是放错了位置的资源”，本研究使用的植物垃圾就是其中之一。植物垃圾是有机垃圾的一种，包括果皮、蔬菜等。将部分植物垃圾变废为宝，有效回收利用这份资源，改良土壤环境，减少环境污染及压力。泰国的乐素昆博士(Dr. Rosukon）研究酵素30余年，成功研究出环保酵素（也称为垃圾酵素Garbage Enzyme），不但制作过程简单、制作材料易得、节省资金、用途广泛，还减少了垃圾产生量，对环保起着很大作用。利用植物垃圾自制环保酵素浇灌于一块20余年施用化肥农药的农耕地，一方面研究环保酵素对土壤的改良效果，实现废物的有效利用，另一方面实现植物垃圾的资源化利用，变废为宝。本研究使用的植物垃圾主要是菜市场丢弃的新鲜垃圾和学校食堂丢弃的餐厨垃圾，包括果皮、蔬菜等。将这些植物垃圾进行有效处理，发酵成环保酵素，转化成可利用的环保产品，不仅可以降低环境污染，还能减少资源浪费。环保酵素是利用微生物发酵得到的一类富含有益微生物的高效生物制剂，其中含有丰富的糖、蛋白质、益生菌、醋酸及酶类物质，如纤维素酶、脂肪酶、过氧化氢酶等，其在纺织、医药、食品、环境保护和能源开发等领域得到了广泛应用。现今，环保酵素在我国的使用主要是食用酵素，还有一些是用于清洗餐具以及地面除污等。本研究主要针对日趋严重的土壤污染和植物垃圾浪费问题，研究环保酵素对土壤中磷素变化的影响，将环保酵素运用于土壤改良方面，改善土壤肥力，改良土壤磷元素含量，提升土壤肥力，提高农作物产量。2 土壤中磷素的来源、存在形态及转化氮（N）、磷（P）、钾（K）是土壤中主要的营养成分，中国耕作土壤的主要养分含量为：氮0.030.35；磷(P2O5)0.040.25；钾(K2O)0.1 3，其他养分的含量通常分别在百万分之几或十万分之几左右。在此主要研究土壤中磷（P）素的变化。2.1土壤中磷的来源土壤中磷的来源一方面是土壤中固有，另一方面来源于所施用的含磷肥料。化学磷肥施入土壤后,随着土壤性质和组成的不同,很快就与土壤发生各种物理和化学反应,形成一系列新的磷酸盐。所以植物吸收的磷,往往不再是磷肥中原有的化合物,而是经反应后形成的新产物。2.2土壤中磷的含量我国耕地土壤的全磷量为：0.2-1.1g/kg ，呈地带性分布规律：从南到北、从东到西逐渐增加。土壤全磷量并不能作为土壤磷素供应水平的确切指标，因为大部分是迟效的，全磷与有效磷之间缺乏相关性。影响土壤磷素含量的因素有：土壤母质、成土过程、耕作施肥、气候条件等。2.3土壤中磷的存在形态土壤中磷的存在形态，一般分为无机态磷（水溶态、吸附态、矿物态）和有机态磷。无机态磷：磷酸钙（镁）类（Ca-P）石灰性土壤磷酸盐的主要形态；磷酸铁（铝）类（Fe-P、Al-P）酸性土壤主要形态；闭蓄态磷（O-P）由氧化铁胶膜包被着磷酸盐，石灰性土壤1530以上，酸性土壤超过50。有机态磷：主要是磷酸肌醇、磷脂、核酸、磷蛋白和磷酸糖约占1/2，有机态磷占全磷的2050，与有机质有好的相关性。作物主要是吸收无机态磷,其有效性随土壤pH值而变化。植物所需磷素的唯一来源是通过根系从土壤中吸收，因此土壤的理化性状会影响土壤中磷的形态、有效性及供应潜力。除此之外，根据土壤中磷的溶解度可分为三类，分别为：水溶性磷、弱酸溶性磷、难溶性的无机磷化合物（占无机磷的绝大部分）。土壤中各种形态的磷素,随土壤环境条件：pH值、有机质、水分、温度、矿物组成、可溶性阳离子性质、氧化还原状况的不同，进行着磷的固定或释放的转化和循环。土壤中磷的存在形态见下图：水溶性P铁、铝结合态P闭蓄态P钙的磷酸盐含P矿物土壤无机态磷 5090土壤磷土壤有机态磷 1050 图1-1 土壤中磷的存在形态2.4土壤中磷的转化土壤中磷的转化图如下：生物固定 矿化作用化学沉淀释放作用Eh交替变化吸持固定解吸作用施肥H2PO4HPO42矿物矿化有机态磷 (影响矿化率的因素)无定形磷酸盐老化结晶态磷酸盐闭蓄态磷 (有效性降低)吸附态磷图1-2 土壤中磷的转化（1）土壤中无机磷的固定土壤溶液中的无机磷酸盐等有效态磷转变为无效态磷的过程，称为磷的固定作用。土壤固磷机制主要有以下几种：A、化学固定作用:Ca、Mg控制，Fe、Al控制；B、吸附作用:专性吸附，非专性吸附（一半交换吸附）；C、闭蓄作用:与氧化还原性关系直接；D、生物固定作用:微生物吸收土壤速效磷，以组成其有机体，固定是暂时的。 E、化学固定：土壤中水溶性磷与钙、铁、铝、 锰等离子反应，生成难溶性磷酸盐的过程；F、专性吸附：土壤中水溶性磷与土壤胶体上的配位基团进行交换，而被土壤胶体吸附的过程；J、磷的生物固持：无机磷转变为有机态磷的过程。（2）土壤中磷的释放土壤中的难溶性磷转变为有效态磷的过程，称为磷的释放作用。包括：难溶性磷酸盐的释放，土壤中的难溶性磷酸盐在碳酸、有机酸等的作用下转变为有效性高的 磷酸盐的过程；无机磷的解吸：土壤中吸附态磷重新进入土壤溶液的过程； 有机磷的矿化：有机态磷在磷酸酶作用下转变为无机磷的过程。3 研究内容及方法3.1研究材料3.1.1 环保酵素的制作自制环保酵素是此次研究的实验材料之一，也是最主要的研究材料。环保酵素的制作，我们采用的主要原料是菜市场丢弃的新鲜垃圾（蔬菜叶、水果、水果皮等）和学校食堂丢弃的餐厨垃圾，这些垃圾在此统称为植物垃圾。将收集到的植物垃圾清洗干净后切碎，然后与水、糖（红糖、黄糖或者蜜糖，此次研究用的是红糖）按照一定的比例装入50L有密闭桶盖的塑料桶中，糖、植物垃圾、水的比例为1:3:10，最后密封塑料桶，让其在桶里发酵三个月及以上，得到的环保酵素溶液上层含有一层白色薄膜状物体。发酵的第一个月需要定期打开桶盖并搅拌，放出发酵产生的气体，避免发酵过程中产生的气体无法释放而导致危险事故发生，同时也让后期环保酵素发酵效果更好。环保酵素制作成功后，以备土壤改良使用。3.1.2 供试验土样供试验土样来源于云南省玉溪市红塔区北城唐家营某村民家的一块20余年施用化肥农药的农耕地。3.1.3 试验容器盛装研究对象的容器是高为25cm直径为34cm的透气型陶瓷花盆，底部有漏水孔，共15个，购于云南省玉溪市红塔区瓦窑村云南省玉溪市陶瓷厂。3.2 研究项目及方法3.2.1模拟农田设置模拟农田：本研究设置的模拟农田在玉溪师范学院百草园里的一块空地上，挖15个坑，刚好能放下高为25cm直径为34cm的透气型陶瓷花盆，并且坑的深度达到花盆的三分之二，留着盆口的三分之一在坑外；同时坑与坑之间间距相同，水平面也要基本一致；将取回的供试验土样均匀放置到陶瓷花盆中，每个花盆中的土壤样品量要达到花盆的三分之二且相等；最后为了使酵素浇灌时土样容易吸收，还要对花盆中的土样进行松土。设置好模拟农田，利用自制的环保酵素浇灌花盆内的土样。自制环保酵素浓度较高，直接施用到土样里会对土壤微生物及酶的活性有影响，甚至杀死土壤中的动植物，因此须将环保酵素进行稀释，设置不同浓度梯度，相同体积浇灌到模拟农田中。本研究为了找出对土壤中磷素变化最适宜的环保酵素稀释浓度，共设置了4个浓度梯度，包括稀释250倍、500倍、750倍和1000倍，每个稀释浓度梯度下浇灌的土样都设置3个平行组，取其平均值进行数据处理。同时，还设置了1个空白对照组，同样有3个平行组，这组浇灌的不再是环保酵素稀释溶液，而是相同体积的自来水，空白对照组土样的基本性质为：碱性褐色土，PH约为8.2-8.5。空白对照组加上4 个浓度梯度组，每组3个土样花盆，共15个土样花盆。设置好模拟农田和环保酵素稀释浓度梯度后，开始对花盆中的土样进行浇灌，每次浇灌稀释环保酵素或自来水体积都为250ml，浇灌周期共8个周，每周的周二、周五、周日对15个土样进行浇灌。浇灌环保酵素或自来水一段时间后，进行取样（实验测定全磷和有效磷所需要的土样）。由于浇灌环保酵素稀释溶液的前四周为预处理阶段，同时以第4周为基础组，因此取样周期为：浇灌的第4周开始取样，每周的周二进行取样，一直持续到第8周。然后将所取的潮湿新鲜土样风干后制作成实验测定全磷和有效磷所需要的粉末状土样，装在土壤样品袋内待用。3.2.2实验测定的项目与方法实验测定的项目主要是：浇灌不同浓度梯度环保酵素稀释溶液一定周期内的土壤全磷和有效磷含量，分析出环保酵素对土壤改良中全磷和有效磷含量变化最适宜的浓度和周期，研究环保酵素在土壤改良中对土壤磷素变化的影响。土壤中全磷的分析依据/方法为：NY/T 88-1988土壤全磷测定法。土壤中有效磷的分析依据/方法为：NY/T1121.7-2006pH7.0:LY/T1233-1999碱性土壤有效磷测定法。4 数据处理与分析进行数据处理与分析时，由于土壤自身就有磷素（全磷和有效磷）存在，因此施用不同浓度梯度环保酵素改良后测定得出的原始数据要减去不同改良周期空白对照组中土壤磷素含量相对于基础组的增加量，得出的土壤磷素含量再与基础组磷素含量进行对比，分析不同浓度梯度磷素含量对于基础组磷素含量的变化情况。为了直观且全面的表现出改良效果，本研究采用增幅率来表示，增幅率计算公式如下：100%D-YY增幅率=式中：D改良后的土壤磷素含量； Y基础组土壤磷素含量。4.1 土壤全磷数据处理与分析通过对浇灌环保酵素稀释溶液的土壤中全磷含量的实验测定，可以得出5个研究周期内土壤全磷含量的数据。由于前四周是进行预处理且以第4周为基础组，因此全磷数据对比分析采用后4周不同浓度梯度3个平行组的平均值与基础组平均值进行对比分析，情况如下：表4-1 不同改良周期空白对照组土壤全磷含量变化表 单位：（%）浓度梯度空白基础组 第4周0.070改良周期全磷增加量第5周0.0710.001第6周0.0700.000第7周0.069-0.001第8周0.0750.005 表4-2 不同浓度梯度环保酵素改良土壤全磷含量变化表 单位：（%）浓度梯度2505007501000基础组 第4周0.0720.0630.0670.070改良周期全磷增加量增幅率%全磷增加量增幅率%全磷增加量增幅率%全磷增加量增幅率%第5周0.072000.0660.0034.760.0680.0011.490.0720.0022.86第6周0.0730.0011.390.0690.0069.520.0740.00710.450.0730.0034.29第7周0.0750.0034.170.0700.00711.110.070.0034.480.0700第8周0.066无效-0.006无效-8.33无效0.0690.0069.520.0680.0011.490.065无效-0.005无效-7.14无效图4-1 不同浓度环保酵素改良土壤全磷含量变化图从表4-2及图4-1可以看出：在环保酵素对土壤全磷的改良中，土壤全磷含量均有变化，其中变化较明显的是将环保酵素稀释500倍浇灌的土样，变化幅度最大的是浇灌环保酵素稀释溶液第7周时的土样，因此环保酵素对土壤改良中全磷最适宜的改良浓度为稀释500倍的环保酵素。即环保酵素原液稀释500倍后的溶液浓度为最适宜的土壤全磷改良浓度，浇灌环保酵素稀释溶液第7周时为最适宜的改良周期。4.2土壤有效磷数据处理与分析通过对浇灌环保酵素稀释溶液的土壤中有效磷含量的实验测定，可以得出5个研究周期内土壤有效磷含量的数据。由于前四周是进行预处理且以第4周为基础组，因此有效磷数据对比分析采用后4周不同浓度梯度3个平行组的平均值与基础组平均值进行对比分析，具体情况如下：表4-3 不同改良周期空白对照组土壤有效磷含量变化表 单位：（mg/kg）浓度梯度空白基础组第4周29.4改良周期有效磷增加量第5周30.91.5第6周32.83.4第7周27.5-1.9第8周29.1-0.3表4-4 不同浓度梯度环保酵素改良土壤有效磷含量变化表 单位：（mg/kg）浓度梯度2505007501000基础组第4周31.932.829.835.4改良周期有效磷增加量增幅率%有效磷增加量增幅率%有效磷增加量增幅率%有效磷增加量增幅率%第5周34.22.37.2134.21.44.2735.75.919.836.61.23.39第6周32.30.41.2535.22.47.3231.92.17.0534.3无效-1.1无效-3.11无效第7周375.115.9937.24.413.4130.30.51.68415.615.82第8周33.926.2733.10.30.9130.30.51.6840.14.713.28图4-2 不同浓度环保酵素改良土壤有效磷含量变化图从表4-4及图4-2可以看出：在环保酵素对土壤有效磷的改良中，土壤有效磷含量均有变化，其中变化较明显的是将环保酵素稀释500倍浇灌的土样，变化幅度最大的是浇灌环保酵素稀释溶液第7周时的土样，因此环保酵素对土壤改良中有效磷最适宜的改良浓度为稀释500倍的环保酵素。即环保酵素原液稀释500倍后的溶液浓度为最适宜的土壤有效磷改良浓度，浇灌环保酵素稀释溶液第7周时为最适宜的改良周期。5 研究成果及结论5.1 研究成果当磷肥施入土壤中后，首先为土壤吸附，进一步为土壤固定。经过模拟农田实验的研究，设置不同浓度梯度，运用自制的环保酵素，根据不同浓度梯度稀释，将环保酵素稀释溶液浇灌于模拟农田里的土壤；然后根据不同浇灌周期进行采样，风干土样后制成粉末状，实验测定土样中全磷及有效磷含量；进行数据处理，分析土样中全磷和有效磷含量的变化，得出环保酵素对土壤改良中磷素变化的影响。总结得出：土壤全磷含量变化最明显的环保酵素浓度为稀释500倍，变化最大的周期为浇灌环保酵素第7周时。因此环保酵素对土壤改良中全磷最适宜的改良浓度为稀释500倍的环保酵素，浇灌环保酵素稀释溶液第7周时为最适宜的改良周期。土壤有效磷含量率变化最明显的环保酵素浓度为稀释500倍，变化最大的周期为浇灌环保酵素第7周时。因此环保酵素对土壤改良中有效磷最适宜的改良浓度为稀释500倍的环保酵素，浇灌环保酵素稀释溶液第7周时为最适宜的改良周期。5.2 结论