生物炭對玉米秸稈堆肥酶活性的影響

謝振興+李伏生+方澤濤+陳意超+周英捷

摘 要：為研究生物炭對玉米秸稈堆肥中酶活性的影響，試驗選用3 %蔗渣生物質炭（B）、3 %小麥秸稈炭（W）、10 %濾泥（L）、10 %牛糞（N）及它們的不同組合為調理劑進行玉米秸稈堆肥處理。分別在堆后20 d、60 d和110 d測定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和轉化酶活性。在堆肥前期，BLN處理中性磷酸酶活性較B處理提高了40.72 %～44.29 %，WLN處理較W處理提高了7.76 %～17.15 %；堆肥結束時，BL、BN和BLN脲酶活性較B處理分別降低67.23 %、51.81 %和47.94 %，WL、WN和WLN較W處理降低7.14 %～48.21 %。與B相比，BL、BN和BLN轉化酶活性提高34.18%、100.38 %和47.43 %；與W相比，WL、WN和WLN轉化酶活性提高了8.89 %～22.35 %。因此，添加B和W可使堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和轉化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的適宜調理劑。

關鍵詞：生物炭 濾泥 牛糞 堆肥 酶活性

生物炭作為土壤改良劑，是近些年來農業資源環境研究的熱點。大量研究表明，生物炭可以降低土壤容重[1]，提高土壤pH值，改良酸性土壤[2-3]，增強土壤養分吸附能力，減少養分流失[4-5]，減少溫室氣體排放[6-7]。然而，生物炭作為堆肥調理劑，尤其在堆肥過程中對酶活性的影響少有報道。水解酶（脲酶、磷酸酶、轉化酶等）對堆肥有機物的礦質化過程影響較大，它能與特定底物結合，高效降解有機物，促進堆肥腐解進程和強度[8]。添加生物炭的堆肥研究表明：添加生物炭能顯著提高多酚氧化酶、過氧化氫酶和脲酶活性，但脫氫酶和纖維素酶活性下降，不同生物炭的影響差異不明顯[9]。屠巧萍[10]認為添加3 %的生物炭可縮短發酵周期；減少氮素損失25.1 %，其腐殖質含量顯著高于對照處理。擬研究在玉米秸稈堆肥中加入不同組合的生物炭，研究其對堆肥酶活性變化的影響，為生物炭作為調理劑在堆肥制作中的應用提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為廣西大學農學院教學試驗基地所收獲的新鮮玉米秸稈。蔗渣生物炭、小麥秸稈炭、濾泥、牛糞和EM·1號菌劑均購于市場。

1.2 試驗處理

將玉米秸稈切碎，用尿素調節碳氮比至25：1。試驗共設10個處理，分別為3 %蔗渣生物質炭（B）；3 %小麥秸稈炭（W）；10 %濾泥（L）；10 %牛糞（N）；3 %蔗渣生物質炭+10 %濾泥（BL）；3 %蔗渣生物質炭+10 %牛糞（BN）；3 %蔗渣生物質炭+10 %濾泥+10 %牛糞（BLN）；3 %小麥秸稈炭+10 %濾泥（WL）；3 %小麥秸稈炭+10 %牛糞（WN）；3 %小麥秸稈炭+10 %濾泥+10 %牛糞（WLN）。按上述處理把各添加劑與玉米秸稈充分混勻，裝入體積為120 L塑料桶內，每桶裝秸稈20 kg，加EM菌液40 mL，并調節含水率至60 %。試驗過程中每周翻堆一次，根據水分蒸發情況及時補充水分。

1.3 采樣方法與測定

分別在試驗的20 d、60 d、110 d于堆體上中下部多點采樣，取樣量在100 g左右。樣品混合均勻后帶回實驗室風干，粉碎過篩后裝入封口袋備用。酶活性測定見參考文獻[11]。

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS 19.0進行統計分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 脲酶

由表1可知，在堆肥過程中，脲酶活性呈下降趨勢，到堆肥結束時各處理酶活性下降9.5 %～70.6 %。第20 d時，B處理脲酶活性最高，顯著高于BL、BN和BLN處理，W顯著高于WL和WLN處理，N顯著高于L。第60 d時，酶活性大小表現為B>BLN>BN>BL，W>WN>WLN>WL，N>L。第110 d時，各處理中B脲酶活性最高，N次之，L最低；與B相比，BL、BN和BLN處理脲酶活性明顯降低，降幅在47.94 %～67.23 %之間；與W相比，WL和WLN處理分別降低48.21 %和45.74 %。

2.2 中性磷酸酶

由表2可知，堆肥中性磷酸酶活性變化總體表現為先升高后降低。第20 d時，B處理磷酸酶活性最低，BN次之，其它處理間并無實質的變化。第60 d時，添加蔗渣生物炭處理中BLN磷酸酶活性最高，BN次之，B和BL最低，且三者之間差異均顯著；添加小麥秸稈炭的處理中以WN和WLN酶活性較高，W和WL較低，兩者間差異十分顯著；L酶活性稍高于N處理，但差異不顯著。第110 d時，BL、BN和BLN磷酸酶活性較B均有明顯下降，尤其BN下降46.46 %；WLN較W亦明顯下降，降幅22.20 %。

2.3 轉化酶

由表3可知，堆肥轉化酶活性的變化表現為前期降幅較大，后期保持相對穩定。第20 d時，BL酶活性明顯高于BN和BLN處理，WL明顯高于W和WN，L和N均處于較高水平。第60d時，添加蔗渣生物炭的處理中B酶活性最高，BL最低，兩者差異顯著；添加小麥秸稈炭的處理中WLN酶活性最高，顯著高于W、WL和WN。第110d時，BL、BN和BLN酶活性較B增加了34.18%～100.38 %，WL、WN和WLN酶活性較W稍有增加，但差異均不顯著；L酶活性較N顯著提高，增幅達121.83 %。

3 討論

酶是一類由微生物產生的具有高度催化性和專一性的蛋白質，它能提高生物化學反應速度，加速堆肥養分釋放。李映廷[9]的研究結果表明，脲酶活性在堆肥開始時較高，隨后下降，對比不同處理發現生物炭可使脲酶活性提高。本試驗表明，在堆肥過程中，各處理脲酶活性呈下降趨勢，到110 d時脲酶活性較20 d時下降9.5 %～70.6 %；從不同時期來看，B、W和N脲酶活性較高，而BLN、WL、WLN和L酶活性較低，表明單獨添加生物炭和牛糞可以顯著提高堆肥中脲酶活性，與李映廷的研究結果一致。中性磷酸酶活性隨時間變化各異，總體表現出先升高后降低的變化趨勢，趙洪顏等[12]研究指出，沼液堆肥堿性磷酸酶活性隨時間變化呈降低趨勢，而牛糞堆肥中堿性磷酸酶先升高后降低，與本試驗研究結果相似；在整個堆肥過程中，BLN、L和N中性磷酸酶活性較高，而B和W磷酸酶活性較低，這可能是因為生物炭呈堿性，加入堆體后提高了堆肥的pH值，不利于微生物的生長。王亞飛[13]認為轉化酶活性隨時間變化總體呈下降趨勢，本研究亦表明轉化酶活性隨著堆肥進程而降低，其中，B和N在前60d時酶活性較高，到110d時急劇下降，L酶活性保持在較高水平，W始終較低，而BLN和WLN則處于兩者之間，表明純濾泥或者配合生物炭添加有利于堆肥轉化酶活性提高。

4 結論

本研究結果表明，添加B和W處理堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN處理堆肥中性磷酸酶和轉化酶活性提高，因此，單獨添加生物炭有利于提高堆肥脲酶活性，而生物炭與濾泥和牛糞配合添加有利于提高堆肥中性磷酸酶和轉化酶活性。

參考文獻

[1] 曲晶晶， 鄭金偉， 鄭聚鋒， 等. 小麥秸稈生物質炭對水稻產量及晚稻氮素利用率的影響[J]. 生態與農村環境學報， 2012， 28（3）： 288-293.

[2] Gul S， Whalen J K， Thomas B W， et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils： Mechanisms and future directions[J]. Agriculture Ecosystems & Environment， 2015， 206：46-59.

[3] Chintala R， Schumacher T E， Kumar S， et al. Molecular characterization of biochars and their influence on microbiological properties of soil[J]. Journal of Hazardous Materials， 2014， 279：244-256.

[4] 劉瑋晶， 劉燁， 高曉荔， 等. 外源生物質炭對土壤中銨態氮素滯留效應的影響[J]. 農業環境科學學報， 2012， 31（5）：962-968.

[5] Maestrini B， Herrmann A M， Nannipieri P， et al. Ryegrass-derived pyrogenic organic matter changes organic carbon and nitrogen mineralization in a temperate forest soil[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2014， 69（69）：291–301.

[6] 李濤， 王小國， 胡廷旭. 生物炭對紫色土農田土壤NO排放的影響[J]. 土壤， 2016， 48（5）：879-886.

[7] 王妙瑩， 許旭萍， 王維奇， 等. 爐渣與生物炭施加對稻田溫室氣體排放及其相關微生物影響[J]. 環境科學學報，2017，（03）：1046-1056.

[8] 郭梅瑩. 凹凸棒添加堆肥過程中的酶活性研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學， 2015.

[9] 李映廷. 低碳氮比下生物質炭對高溫好氧堆肥的影響[D]. 重慶：西南大學， 2012.

[10] 屠巧萍. 生物質炭添加對豬糞堆肥腐殖化的影響及機理研究[D]. 杭州：浙江大學， 2014.

[11] 關松蔭， 張德生， 張志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京： 農業出版社， 1986.

[12] 趙洪顏， 李杰， 劉晶晶， 等. 沼液堆肥和牛糞堆肥發酵過程中酶活性及理化指標變化的差異[J]. 中國農業大學學報， 2013， 18（2）：153-157.

[13] 王亞飛. 不同畜禽糞便堆肥過程中可培養微生物數量及腐殖質含量和酶活性的變化[D]. 蘭州：甘肅農業大學， 2016.