環(huán)保酵素改良土壤系統(tǒng)的研究進(jìn)展

任卓然，古維娜，王茹穎，楊靈婧，劉克思,2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2. 河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河北 沽源 076550）

土壤是植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，正常的土壤系統(tǒng)可以供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的水分、養(yǎng)分、空氣、熱量等方面的需求，但土壤系統(tǒng)的退化會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、營(yíng)養(yǎng)下降、生產(chǎn)力降低[1-2]，成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因子。因此，探究土壤系統(tǒng)的改良方法，對(duì)土壤環(huán)境的改善和土地資源的利用具有重要意義。

環(huán)保酵素是以廢棄果蔬、植物、廚余垃圾等為原料，添加或不添加糖和水輔料，經(jīng)微生物發(fā)酵制得的含有特定生物活性成分的產(chǎn)品[3]。環(huán)保酵素制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，原料來(lái)源豐富[4]。因其富含各種酶、有機(jī)酸、礦物質(zhì)、微生物等[5]，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于食品、藥品、污水處理、土壤改良、飼料加工等領(lǐng)域[6]。在土壤系統(tǒng)改良方面，環(huán)保酵素的施用可以提高土壤養(yǎng)分含量、改善土壤通氣情況、優(yōu)化微生物種群結(jié)構(gòu)、改良退化土壤和提升土壤質(zhì)量[7-8]。鑒于環(huán)保酵素在土壤系統(tǒng)改良方面的有效性，目前利用環(huán)保酵素改良土壤的研究越來(lái)越多，但是系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前所取得的研究成果的文章還比較少，這在一定程度上影響了環(huán)保酵素在實(shí)際生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用，為此，筆者系統(tǒng)歸納總結(jié)了目前關(guān)于環(huán)保酵素對(duì)土壤系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)、主要養(yǎng)分、土壤酶及微生物方面影響的研究，并對(duì)于未來(lái)有關(guān)環(huán)保酵素在土壤改良上的研究進(jìn)行了展望，以期為進(jìn)一步拓展環(huán)保酵素在土壤改良方面的研究及應(yīng)用提供參考。

1 環(huán)保酵素對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

施用環(huán)保酵素能顯著影響土壤容重、土壤孔隙度、土壤結(jié)構(gòu)等土壤的物理性質(zhì)。許多研究都發(fā)現(xiàn)施用酵素菌肥可以顯著降低土壤容重[9-10]。王斌等的試驗(yàn)結(jié)果表明，施用酵素菌肥之后不同組的土壤容重平均減小了0.043 g/cm3，土壤的孔隙度也在施用多種不同濃度的酵素后有所增加[11]，當(dāng)環(huán)保酵素與水配比為1∶500或1 ∶750 時(shí)，施用11 周后土壤孔隙度增大0.09%[12]。施用酵素使土壤孔隙度增加的原因可能是因?yàn)榻退刂泻喾N低分子量的有機(jī)酸，如乙酸、檸檬酸等可以中和土壤中的堿性物質(zhì)[13]，從而一定程度上破除土壤鹽堿化過(guò)高造成的土壤板結(jié)；另外，酵素中含有的大量新鮮或半腐解的有機(jī)質(zhì)本身疏松多孔，與土?；旌暇鶆蚝罂墒咕o實(shí)的土壤變疏松，從而降低土壤容重和增大土壤孔隙度[14]。在土壤結(jié)構(gòu)方面，土壤團(tuán)聚體與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。酵素中豐富的有機(jī)質(zhì)和微生物均能對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成產(chǎn)生影響[15]。一方面，酵素中含有的多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物產(chǎn)生的膠結(jié)作用使土粒通過(guò)膠體而結(jié)合在一起，能夠促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。另一方面酵素中大量的微生物分泌的有機(jī)物和真菌菌絲也能對(duì)土壤顆粒起到吸附纏繞的作用[16]，能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，從而起到改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。

施用環(huán)保酵素對(duì)土壤的pH 值、土壤有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）、土壤陽(yáng)離子交換量（cation exchange capacity，CEC）、可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC）等化學(xué)性質(zhì)的影響更為顯著。許多研究表明，對(duì)土壤施用不同類(lèi)型的酵素均能降低pH 值，改變土壤EC 值，增加土壤CEC 值和可溶性有機(jī)質(zhì)含量（表1）。劉澤霞等利用環(huán)保酵素對(duì)鹽堿土改良效果的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施用1 ∶800 稀釋比例的環(huán)保酵素時(shí)土壤的EC 值降幅達(dá)42.50%；在1 ∶200的稀釋比例下，土壤的pH 值顯著降低，土壤DOC顯著增加了34.28%[17]。這些化學(xué)性質(zhì)的變化可能主要由酵素中豐富的有機(jī)質(zhì)和微生物引起。酵素在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和其他有機(jī)物，有機(jī)酸能夠使土壤pH 值降低，活化鈣鎂鹽類(lèi)，提高CEC 值；有機(jī)物則可以吸附無(wú)機(jī)鹽離子，減弱鹽分的副作用，促進(jìn)DOC 的積累；同時(shí)酵素中一些未被充分利用的無(wú)機(jī)陰離子和陽(yáng)離子也能影響土壤中各種離子的含量，與有機(jī)物共同起到改變EC 值的作用；而且酵素中存在的大量微生物可以加快有機(jī)質(zhì)的分解，使上述的反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行[13,17-23]。

表1 不同類(lèi)型酵素對(duì)不同土壤主要化學(xué)性質(zhì)的影響

2 環(huán)保酵素對(duì)土壤主要養(yǎng)分的影響

環(huán)保酵素含有大量的糖分以及小分子的植物組分[9]，并具有較高濃度的有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素、鉀素等養(yǎng)分成分[28]，施用后影響著土壤中主要養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)（表2）。許多研究表明施用酵素使土壤中的全氮含量增加，而速效氮在不同研究中產(chǎn)生相異的變化。這種變化可能是因?yàn)榻退刂斜旧砗械牡啬軌蚴雇寥乐械娜吭黾覽29]。但酵素的施用改變了土壤的結(jié)構(gòu)，提高了土壤微生物對(duì)含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化[17]，促進(jìn)了氮素的有效化[30]，疊加制作酵素的原材料、施用濃度及土壤等因素之間的差異性，從而導(dǎo)致有效氮在不同研究中表現(xiàn)不同。

酵素的施用同樣增加土壤中全磷含量，而速效磷的含量在不同研究中變化則不一致（表2）。土壤中速效磷含量受很多因素影響，如pH 值、無(wú)機(jī)鹽離子和有機(jī)質(zhì)的含量等。pH 值的變化會(huì)引起磷在土壤中存在的形式改變，進(jìn)而影響磷的有效性[36]；無(wú)機(jī)鹽離子如Pb、Cd、Zn 等能與可溶性磷發(fā)生反應(yīng)沉淀，降低有效磷的含量[24]；有機(jī)物的影響則更為復(fù)雜，一方面有機(jī)質(zhì)會(huì)提供陰離子，與磷競(jìng)爭(zhēng)陰離子吸附位點(diǎn)，使磷離子的吸附量下降，另一方面它又能夠釋放出氫離子，使礦物質(zhì)表面基團(tuán)質(zhì)子化，促進(jìn)磷的吸附，因此，有機(jī)物可能使有效磷增加或減少[37]。在不同研究中，制作酵素的原材料、酵素施用濃度等條件的差異性可能會(huì)出現(xiàn)不同的土壤pH 值、無(wú)機(jī)鹽離子濃度及有機(jī)質(zhì)的含量，從而產(chǎn)生不同的有效磷動(dòng)態(tài)。對(duì)于土壤中的鉀，目前相關(guān)酵素施用對(duì)其影響的研究相對(duì)較少。從已有的研究來(lái)看，施用酵素增加土壤中速效鉀的含量，但對(duì)于全鉀含量在不同研究中則表現(xiàn)不同。

表2 不同類(lèi)型酵素對(duì)不同土壤主要養(yǎng)分的影響

3 環(huán)保酵素對(duì)土壤酶及微生物的影響

施用酵素可影響土壤中的酶和微生物，能夠增加土壤中的有益菌，優(yōu)化微生物的種群結(jié)構(gòu)[38]。酵素的濃度影響著土壤中微生物群落和土壤酶活性，酵素濃度越高土壤微生物數(shù)量和酶活性越高[39]。翟敬華等發(fā)現(xiàn)添加酵素可以提高過(guò)氧化氫酶的活性，并使蔗糖酶活性保持較高水平[40]。文廷剛等研究發(fā)現(xiàn)微生物總量在2%濃度的酵素菌施用下較對(duì)照增加1.6%，土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性較對(duì)照分別提高74.0%、76.2%、49.6%和32.1%。這可能是因?yàn)榻退刂泻写罅坑幸嫖⑸锖陀袡C(jī)質(zhì)[41]，這些物質(zhì)一定程度上激活了土壤中酶和微生物的活性。酵素對(duì)土壤酶及微生物的影響對(duì)于土壤肥力的增加和有毒有害物質(zhì)的降解都發(fā)揮著積極的作用[42-43]。

4 總結(jié)與展望

環(huán)保酵素富含養(yǎng)分、酶及微生物，在土壤系統(tǒng)改良應(yīng)用中可顯著提高土壤透氣性、降低土壤鹽堿度、提高土壤養(yǎng)分和改善土壤微生物菌群。當(dāng)前，國(guó)家提出綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展理念，環(huán)保酵素這種無(wú)污染、無(wú)公害且能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的新型生物肥料，在未來(lái)的土壤系統(tǒng)改良應(yīng)用中具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前我國(guó)對(duì)于環(huán)保酵素在土壤改良方面的研究、應(yīng)用與推廣尚處于探索實(shí)踐階段，未來(lái)還需要繼續(xù)深入關(guān)注以下方面。

4.1 環(huán)保酵素的類(lèi)型和施用方法方面

環(huán)保酵素是利用廢棄果蔬、植物、廚余垃圾等發(fā)酵而成，它的施用效果受原材料及其比例、施用方法等因素的影響，目前這方面的研究還不夠全面和深入，加強(qiáng)這方面的研究驗(yàn)證，形成規(guī)范統(tǒng)一的研究方法和手段，建立不同酵素產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與功效評(píng)價(jià)體系。另外，目前的酵素研究周期多為8 周至1 a，缺乏對(duì)施用效果的長(zhǎng)期評(píng)價(jià)。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)保酵素的施用對(duì)土壤改良效果的長(zhǎng)期評(píng)估研究。通過(guò)長(zhǎng)期的評(píng)價(jià)驗(yàn)證，有利于提高環(huán)保酵素在土壤系統(tǒng)改良應(yīng)用中的科學(xué)性。

4.2 環(huán)保酵素的影響機(jī)制方面

國(guó)內(nèi)外研究人員在環(huán)保酵素對(duì)土壤系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤微生物的影響提出了一些看法，但這些結(jié)果大部分都停留在表面現(xiàn)象上，對(duì)造成這種結(jié)果的內(nèi)在機(jī)理還挖掘不夠，未來(lái)的研究需要在這面加強(qiáng)。

4.3 環(huán)保酵素對(duì)生態(tài)因子網(wǎng)絡(luò)影響方面

土壤系統(tǒng)中各個(gè)生態(tài)因子都不是孤立的，他們相互影響，構(gòu)成一個(gè)交叉的網(wǎng)狀脈絡(luò)維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，外來(lái)物質(zhì)的加入肯定會(huì)對(duì)存在的因子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)的影響，但如何影響，目前還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，未來(lái)需要加強(qiáng)這方面的研究，進(jìn)一步揭示環(huán)保酵素的效用機(jī)制，可以更好地發(fā)揮環(huán)保酵素這種新興的生物肥料在土壤系統(tǒng)改良中的作用。