生物炭對(duì)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(duì)玉米秸稈堆肥中酶活性的影響，試驗(yàn)選用3 %蔗渣生物質(zhì)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(diào)理劑進(jìn)行玉米秸稈堆肥處理。分別在堆后20 d、60 d和110 d測(cè)定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和轉(zhuǎn)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(jié)束時(shí)，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(zhuǎn)化酶活性提高34.18%、100.38 %和47.43 %；與W相比，WL、WN和WLN轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的適宜調(diào)理劑。

關(guān)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(lái)農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究的熱點(diǎn)。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(qiáng)土壤養(yǎng)分吸附能力，減少養(yǎng)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(diào)理劑，尤其在堆肥過(guò)程中對(duì)酶活性的影響少有報(bào)道。水解酶（脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶等）對(duì)堆肥有機(jī)物的礦質(zhì)化過(guò)程影響較大，它能與特定底物結(jié)合，高效降解有機(jī)物，促進(jìn)堆肥腐解進(jìn)程和強(qiáng)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(guò)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(rèn)為添加3 %的生物炭可縮短發(fā)酵周期；減少氮素?fù)p失25.1 %，其腐殖質(zhì)含量顯著高于對(duì)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(duì)堆肥酶活性變化的影響，為生物炭作為調(diào)理劑在堆肥制作中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院教學(xué)試驗(yàn)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(hào)菌劑均購(gòu)于市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)處理

將玉米秸稈切碎，用尿素調(diào)節(jié)碳氮比至25：1。試驗(yàn)共設(shè)10個(gè)處理，分別為3 %蔗渣生物質(zhì)炭（B）；3 %小麥秸稈炭（W）；10 %濾泥（L）；10 %牛糞（N）；3 %蔗渣生物質(zhì)炭+10 %濾泥（BL）；3 %蔗渣生物質(zhì)炭+10 %牛糞（BN）；3 %蔗渣生物質(zhì)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(nèi)，每桶裝秸稈20 kg，加EM菌液40 mL，并調(diào)節(jié)含水率至60 %。試驗(yàn)過(guò)程中每周翻堆一次，根據(jù)水分蒸發(fā)情況及時(shí)補(bǔ)充水分。

1.3 采樣方法與測(cè)定

分別在試驗(yàn)的20 d、60 d、110 d于堆體上中下部多點(diǎn)采樣，取樣量在100 g左右。樣品混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，粉碎過(guò)篩后裝入封口袋備用。酶活性測(cè)定見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 脲酶

由表1可知，在堆肥過(guò)程中，脲酶活性呈下降趨勢(shì)，到堆肥結(jié)束時(shí)各處理酶活性下降9.5 %～70.6 %。第20 d時(shí)，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(shí)，酶活性大小表現(xiàn)為B>BLN>BN>BL，W>WN>WLN>WL，N>L。第110 d時(shí)，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(xiàn)為先升高后降低。第20 d時(shí)，B處理磷酸酶活性最低，BN次之，其它處理間并無(wú)實(shí)質(zhì)的變化。第60 d時(shí)，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(shí)，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(zhuǎn)化酶

由表3可知，堆肥轉(zhuǎn)化酶活性的變化表現(xiàn)為前期降幅較大，后期保持相對(duì)穩(wěn)定。第20 d時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dá)121.83 %。

3 討論

酶是一類(lèi)由微生物產(chǎn)生的具有高度催化性和專(zhuān)一性的蛋白質(zhì)，它能提高生物化學(xué)反應(yīng)速度，加速堆肥養(yǎng)分釋放。李映廷[9]的研究結(jié)果表明，脲酶活性在堆肥開(kāi)始時(shí)較高，隨后下降，對(duì)比不同處理發(fā)現(xiàn)生物炭可使脲酶活性提高。本試驗(yàn)表明，在堆肥過(guò)程中，各處理脲酶活性呈下降趨勢(shì)，到110 d時(shí)脲酶活性較20 d時(shí)下降9.5 %～70.6 %；從不同時(shí)期來(lái)看，B、W和N脲酶活性較高，而B(niǎo)LN、WL、WLN和L酶活性較低，表明單獨(dú)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(jié)果一致。中性磷酸酶活性隨時(shí)間變化各異，總體表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，趙洪顏等[12]研究指出，沼液堆肥堿性磷酸酶活性隨時(shí)間變化呈降低趨勢(shì)，而牛糞堆肥中堿性磷酸酶先升高后降低，與本試驗(yàn)研究結(jié)果相似；在整個(gè)堆肥過(guò)程中，BLN、L和N中性磷酸酶活性較高，而B(niǎo)和W磷酸酶活性較低，這可能是因?yàn)樯锾砍蕢A性，加入堆體后提高了堆肥的pH值，不利于微生物的生長(zhǎng)。王亞飛[13]認(rèn)為轉(zhuǎn)化酶活性隨時(shí)間變化總體呈下降趨勢(shì)，本研究亦表明轉(zhuǎn)化酶活性隨著堆肥進(jìn)程而降低，其中，B和N在前60d時(shí)酶活性較高，到110d時(shí)急劇下降，L酶活性保持在較高水平，W始終較低，而B(niǎo)LN和WLN則處于兩者之間，表明純?yōu)V泥或者配合生物炭添加有利于堆肥轉(zhuǎn)化酶活性提高。

4 結(jié)論

本研究結(jié)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(zhuǎn)化酶活性提高，因此，單獨(dú)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(zhuǎn)化酶活性。

參考文獻(xiàn)

[1] 曲晶晶， 鄭金偉， 鄭聚鋒， 等. 小麥秸稈生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)， 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(zhì)炭對(duì)土壤中銨態(tài)氮素滯留效應(yīng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 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(guó)， 胡廷旭. 生物炭對(duì)紫色土農(nóng)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(duì)稻田溫室氣體排放及其相關(guān)微生物影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，（03）：1046-1056.

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

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

[10] 屠巧萍. 生物質(zhì)炭添加對(duì)豬糞堆肥腐殖化的影響及機(jī)理研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)， 2014.

[11] 關(guān)松蔭， 張德生， 張志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京： 農(nóng)業(yè)出版社， 1986.

[12] 趙洪顏， 李杰， 劉晶晶， 等. 沼液堆肥和牛糞堆肥發(fā)酵過(guò)程中酶活性及理化指標(biāo)變化的差異[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 18（2）：153-157.

[13] 王亞飛. 不同畜禽糞便堆肥過(guò)程中可培養(yǎng)微生物數(shù)量及腐殖質(zhì)含量和酶活性的變化[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2016.