生物菌劑對(duì)玉米秸稈堆漚過程水熱狀況及酶活性的影響

高日平， 劉小月，2， 潘遵天， 張東旭， 沈祥軍， 栗艷芳，黃潔， 景宇鵬，2*

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，呼和浩特 010031； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010019； 3.科左中旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 通遼029300； 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

農(nóng)作物秸稈是一種富含多種營養(yǎng)元素的生物質(zhì)資源，利用潛力巨大[1-3]。近些年，隨著秸稈禁燒政策頒布和人們環(huán)保意識(shí)的提高，秸稈的資源化利用量逐步增加，目前秸稈利用率已達(dá)85%以上，秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用對(duì)土壤質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。秸稈堆漚還田技術(shù)是秸稈肥料化利用的有效途徑之一[4]，該方式可將玉米秸稈就近集中堆漚，操作過程簡便[5]、省工省力，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的資源化和規(guī)?；倮肹6]。秸稈堆漚還田方式相較于常規(guī)直接秸稈還田，秸稈腐解程度高、養(yǎng)分釋放完全[7]，有利于土壤保護(hù)和土壤養(yǎng)分提升，但秸稈自然堆漚腐解周期長，降解速率緩慢，短周期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)秸稈的礦化分解。

秸稈腐熟劑是一種由微生物組成、能夠快速降解秸稈的生物菌劑，利用微生物的分解代謝作用將秸稈礦化分解[8-10]具有廣泛應(yīng)用前景。研究表明，添加秸稈腐熟劑可加速秸稈腐解，縮短堆漚周期[11]，但堆漚過程中腐熟劑激發(fā)催化秸稈腐解受水分、溫度等環(huán)境因子影響較大[12]，腐熟劑作用程度與堆漚過程水熱狀況密切相關(guān)。新鮮牛糞發(fā)酵程度高、含水量高，且自身含有大量生命活動(dòng)旺盛的酶和微生物，可作為一種天然的生物菌劑[13]。秸稈堆漚過程中，不僅堆體秸稈水溫變化可反映堆腐程度，秸稈自身酶活性變化與堆漚過程也密切相關(guān)[14]。鑒于此，本研究針對(duì)東北地區(qū)秸稈直接還田腐解周期長，自然堆漚秸稈降解緩慢等問題，于2020年在通遼市科左中旗設(shè)置了秸稈堆漚腐解試驗(yàn)，通過分析外源生物菌劑對(duì)堆體秸稈溫度、水分、纖維素酶、脲酶及木質(zhì)素過氧化氫酶活性的影響，從堆漚秸稈水熱狀況和酶活性等多方面對(duì)比秸稈腐熟劑和新鮮牛糞對(duì)玉米秸稈的降解效果，以期為內(nèi)蒙古西遼河平原地區(qū)秸稈高效還田提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為粉碎玉米秸稈（C∶N∶P∶K=44.5∶0.6∶0.1∶1.3）；秸稈腐熟劑為沃土牌定制化菌劑，由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)用微生物研發(fā)中心研發(fā)、北京沃土天地生物科技股份有限公司生產(chǎn)；新鮮牛糞源自當(dāng)?shù)仞B(yǎng)牛場，其含水量61.3%、有機(jī)質(zhì)含量65.07 g·kg-1、含氮量1.36 g·kg-1、含磷量1.96 g·kg-1、含鉀量1.36 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年10 月1—30 日在內(nèi)蒙古通遼市科左中旗花吐古拉鎮(zhèn)三家子村良種場試驗(yàn)田（43°49′40.27″N、122°8′57.24″E）進(jìn)行，堆漚方式為條垛式好氧發(fā)酵。將上季收獲的玉米秸稈用秸稈粉碎機(jī)切成2～3 cm 小段，然后制作堆體，堆體長寬高尺寸約為5 m×2 m×1 m，堆體制作完成后進(jìn)行補(bǔ)灌水，將堆體的初始含水率控制在55%～60%之間，即用手緊握原料，有水從指縫滲出，但不會(huì)流下。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4 個(gè)處理，處理Ⅰ：添加沃土牌定制化菌劑的堆料秸稈（SRT），用細(xì)土等輔料均勻稀釋腐熟劑后均勻撒施在秸稈上，每15～20 cm 為1 層，逐層均勻撒施腐熟劑，用量為1 kg腐熟劑腐熟1 000 kg 秸稈；處理Ⅱ：添加新鮮牛糞的堆料秸稈（SRN），牛糞與玉米秸稈配比為1∶3，即每1 kg 新鮮牛糞配比堆漚3 kg 秸稈，將新鮮牛糞與粉碎秸稈充分混勻后逐層堆漚；處理Ⅲ：既添加沃土牌定制化菌劑，也添加新鮮牛糞的堆料秸稈（SRW），將牛糞與秸稈按1∶3 比例混合堆漚，同時(shí)撒施秸稈腐熟劑（秸稈腐熟劑用量同處理Ⅰ）；處理Ⅳ：不添加任何生物菌劑的堆料秸稈（CK）。每個(gè)處理重復(fù)3 次，接種生物菌劑后用塑料棚膜進(jìn)行密封堆漚，每5 d 翻堆1 次，發(fā)酵周期設(shè)計(jì)為30 d，試驗(yàn)期間共進(jìn)行2 次翻堆（第5和10 天）。堆漚后分別于第 0、5、10、15、20、25和30 天測定堆體上部、中部和底部溫度和水分變化，并采集樣品。

1.3 測定指標(biāo)及其方法

堆體溫度的測定：發(fā)酵過程中，每5 d 的10：00、14：00和18：00分別測定堆體上部、中部和底部的堆體溫度，并記錄，取平均值，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。

堆體水分和酶活性的測定：發(fā)酵過程中，分別在堆體上部、中部和底部采集樣品，裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分樣品于80 ℃進(jìn)行24 h 烘樣，樣品烘干后，計(jì)算秸稈含水率，秸稈含水率 =[(秸稈總重-秸稈干重)/秸稈總重]×100%；另一部分樣品自然風(fēng)干后用磨樣機(jī)破碎裝袋保存，用于酶活性測定。

水解酶活性的測定：參照關(guān)松蔭[15]的方法。其中，纖維素酶用蒽酮比色法測定，以24 h 后1 g樣品中生成葡萄糖的毫克數(shù)表示（mg·g-1·d-1）；脲酶活性以24 h 后1 g 樣品中生成 NH3-N 的毫克數(shù)表示（mg·g-1·d-1）；木質(zhì)素過氧化物酶活性采用藜蘆醇氧化速率法[16]（nmol·min-1·mg-1）測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆漚過程溫度的變化

溫度是堆漚過程中的一個(gè)重要指標(biāo)，可以反映堆體中微生物的活動(dòng)狀況。由圖1 可知，堆腐開始后，各處理的溫度先隨著堆漚天數(shù)的增加均呈上升趨勢，到達(dá)峰值后又逐漸下降。第0～5天，各處理升溫緩慢。第5～10 天，SRW、SRN 和SRT處理升溫較快；CK 處理升溫仍較緩慢。第10 天時(shí)，SRW 處理溫度在整個(gè)堆漚過程中達(dá)到最高溫度59.02 ℃；SRT 和SRN 處理溫度分別為50.05 和51.03 ℃，即均達(dá)到秸稈腐解所需溫度（50 ℃）；而對(duì)照CK 溫度為37.00 ℃。第10～30 天，各處理堆體溫度逐漸下降。第30 天時(shí)，由于外界大幅降溫，堆體溫度基本與環(huán)境溫度持平，微生物活動(dòng)基本停止。整個(gè)堆漚過程中，以堆漚天數(shù)為變量x，以堆體溫度為應(yīng)變量y進(jìn)行擬合（圖2）：SRW處理的擬合方程為y=-0.111 9x2+2.910 7x+32.475 0，R2=0.785 4；SRN 處理的擬合方程為y=-0.064 0x2+1.440 4x+31.505 0，R2=0.593 2；SRT 處理的擬合方程為y=-0.063 8x2+1.464 8x+31.186 0，R2=0.603 4；CK 處理的擬合方程為y=-0.029 7x2+0.505 5x+28.786 0，R2=0.580 1。以上結(jié)果表明，添加外源生物菌劑處理前期升溫較快，且高溫持續(xù)時(shí)間較長，以新鮮牛糞混合秸稈腐熟劑效果最佳。

圖1 不同處理堆漚過程的溫度變化Fig. 1 Temperature of different treatments during composting

圖2 不同處理堆漚溫度與堆漚天數(shù)的擬合曲線Fig. 2 Fitting curve of composting temperature and days under different treatments

2.2 堆漚過程水分的變化

一定的水分供應(yīng)是堆漚秸稈正常腐解的重要條件，水分缺乏時(shí)，微生物活動(dòng)和代謝減慢；極度缺水時(shí)，微生物活動(dòng)基本停止，秸稈腐解困難。由圖3 可見，堆漚開始后，隨天數(shù)的增加，各處理含水率逐漸下降。第0～5 天，各處理含水率下降緩慢；第5～10天，各堆體腐解充分，各處理含水率下降速度加快，且伴隨翻堆操作，造成部分水分蒸發(fā)散失，但第10 天時(shí)，SRW、SRT 和SRN 處理的含水率較CK 分別增加5.24%、0.87%和2.84%，表明添加生物菌劑可減緩水分的下降速率和散失程度；第15～30 天，添加生物菌劑處理水分的下降速率大幅減緩，SRW、SRT和SRN處理的含水率顯著高于CK，其中，第15 天時(shí)，SRW、SRT 和SRN 處理的含水率較CK 分別增加49.06%、31.45% 和34.28%，第30 天時(shí)，各處理含水率為20%～25%。整個(gè)堆漚過程中，SRW 處理的含水率最高、下降速率最慢，表明新鮮牛糞和秸稈腐熟劑的混合添加更有利于堆體保水。整個(gè)堆漚過程中，以堆漚天數(shù)為變量x、以堆體含水率為應(yīng)變量y進(jìn)行擬合（圖4）：SRW 處理的擬合方程為y=-0.003 6x2-1.025 0x+61.421 0，R2=0.986 3；SRT 處理的擬合方程為y=0.004 8x2-1.445 7x+61.638 0，R2=0.996 4；SRN 處理的擬合方程為y=0.004 8x2-1.445 7x+61.638 0，R2=0.996 4；CK 處理的擬合方程為y=0.025 0x2-2.192 9x+63.412 0，R2=0.967 6。

圖3 不同處理堆漚過程的含水率Fig.3 Water content under different treatments during composting

圖4 不同處理含水率與堆漚天數(shù)擬合曲線Fig.4 Fitting curve of moisture content and retting days under different treatments

2.3 堆漚過程酶活性的變化

由圖5 可見，堆漚開始后，纖維素酶、脲酶和木質(zhì)素過氧化物酶活性隨著堆漚天數(shù)的增加變化顯著（P＜0.05）。各處理纖維素酶活性隨著堆漚天數(shù)的增加均呈先升高后降低的變化趨勢，其中，第5～10 天，酶活性顯著升高；第10 天，SRW、SRT 和SRN處理的酶活較CK 分別提高17.58%、7.39%和8.99%；第30 天，SRW、SRT 和SRN 處理的纖維素酶活性較CK 提高15.64%、4.87% 和7.96%，以SRW 處理最高。各處理脲酶活性也隨著堆漚天數(shù)的增加先升高后降低，最后趨于平穩(wěn)，其中，第10 天，SRW、SRT 和SRN 處理的脲酶活性較CK 分別提高82.44%、57.14%和65.77%；第10～15天，脲酶活性急劇下降，可能由于堆漚時(shí)間增加，堆體中產(chǎn)生的脲酶抑制物含量增大，降低了微生物的代謝活動(dòng)；第30 天，SRW、SRT 和SRN 處理較CK 處理分別提高10.29%、3.43%和6.86%，以SRW 處理最高。各處理木質(zhì)素過氧化物酶活性隨堆漚天數(shù)先降低后升高，第30 天，SRW、SRT 和SRN 處理的木質(zhì)素過氧化物酶活性較CK 分別提高71.43%、48.05%和53.25%。綜上所述，添加生物菌劑可顯著提高堆體秸稈纖維素酶、脲酶和木質(zhì)素過氧化物酶活性，以SRW處理效果最佳。

圖5 不同處理纖維素酶、脲酶和木質(zhì)素過氧化物酶的活性Fig.5 Activities of cellulase， urease and lignin peroxidase in different treatments

2.4 堆體秸稈溫度、水分與酶活性相關(guān)性分析

對(duì)堆體秸稈溫度和水分含量與酶活性進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表1）表明，堆漚過程中，秸稈溫度與水分和纖維素酶活性呈顯著正相關(guān)，秸稈水分與纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)，表明堆漚過程中秸稈酶活性變化與其溫度和水分變化密切相關(guān)；脲酶活性與木質(zhì)素過氧化物酶活性呈顯著正相關(guān)，與纖維素酶活性呈顯著正相關(guān)，表明不同種類酶之間也存在相互聯(lián)系。

表1 各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of different index

3 討論

溫度、水分和酶活性是反應(yīng)堆腐進(jìn)程和秸稈礦化程度的敏感性指標(biāo)。堆體的秸稈溫度變化及水分含量高低直接影響堆漚進(jìn)程和微生物的生命活動(dòng)。易鎮(zhèn)邪等[18]和蔡立群等[19]研究表明，添加秸稈腐熟劑后，秸稈腐解速率增加，秸稈分解周期顯著降低。本研究結(jié)果也表明，添加秸稈腐熟劑可提高堆體的溫度和含水率，且堆體溫度的變化幅度較外界環(huán)境溫度的急劇變化相對(duì)較慢，堆體水分蒸散速率減緩；添加新鮮牛糞處理堆體的水熱狀況優(yōu)于添加秸稈腐熟劑處理，一方面可能是由于新鮮牛糞自身含水率較高，且含有大量有活性的微生物群落；另一方面可能是由于新鮮牛糞中含有一定氮源，與秸稈混合后，降低了堆體的碳氮比，為土壤微生物營造了有利的微環(huán)境，增加了微生物與秸稈間的物質(zhì)交換，刺激了秸稈的分解及能量釋放，從而提高了堆體的溫度和水分含量。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，混合添加秸稈腐熟劑和新鮮牛糞處理的最高溫度為65.5 ℃，且高溫持續(xù)期顯著大于其他處理，同時(shí)堆體秸稈水分的散失速率顯著降低，因此，二者的疊加效應(yīng)較施用單一生物菌劑能產(chǎn)生更多熱量和二氧化碳，從而改善秸稈的腐解環(huán)境，促進(jìn)秸稈循環(huán)的有效利用。

添加生物菌劑可提高秸稈水解酶活性，促進(jìn)秸稈腐解[7,12,19]。本研究結(jié)果表明，添加外源生物菌劑后，纖維素酶、脲酶和木質(zhì)素過氧化物酶活性較對(duì)照顯著提高。秸稈堆漚作為一個(gè)微生物作用下的酶促反應(yīng)過程，酶活性受堆體水熱條件變化影響顯著[20]。自然堆漚狀態(tài)下，堆體秸稈的溫度和水分受外界氣候環(huán)境影響，達(dá)到秸稈腐解所需的水熱條件需要較長時(shí)間，對(duì)秸稈水解酶的活化影響較大。相同堆腐天數(shù)時(shí)，混合施用腐熟劑與新鮮牛糞處理的堆體秸稈酶活性最高，這可能是由于腐熟劑與新鮮牛糞耦合添加后，大量的細(xì)菌、霉菌和酵母菌不斷生長、繁殖，加速了纖維素和木質(zhì)素的分解，從而提高了水解酶活性。綜合分析來看，添加外源生物菌劑可促進(jìn)秸稈堆漚腐解，尤以新鮮牛糞與秸稈腐熟劑混合施用效果最佳。