生物炭对玉米秸秆堆肥酶活性的影响

谢振兴+李伏生+方泽涛+陈意超+周英捷

摘 要：为研究生物炭对玉米秸秆堆肥中酶活性的影响，试验选用3 %蔗渣生物质炭（B）、3 %小麦秸秆炭（W）、10 %滤泥（L）、10 %牛粪（N）及它们的不同组合为调理剂进行玉米秸秆堆肥处理。分别在堆后20 d、60 d和110 d测定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和转化酶活性。在堆肥前期，BLN处理中性磷酸酶活性较B处理提高了40.72 %～44.29 %，WLN处理较W处理提高了7.76 %～17.15 %；堆肥结束时，BL、BN和BLN脲酶活性较B处理分别降低67.23 %、51.81 %和47.94 %，WL、WN和WLN较W处理降低7.14 %～48.21 %。与B相比，BL、BN和BLN转化酶活性提高34.18%、100.38 %和47.43 %；与W相比，WL、WN和WLN转化酶活性提高了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转化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的适宜调理剂。

关键词：生物炭 滤泥 牛粪 堆肥 酶活性

生物炭作为土壤改良剂，是近些年来农业资源环境研究的热点。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]，增强土壤养分吸附能力，减少养分流失[4-5]，减少温室气体排放[6-7]。然而，生物炭作为堆肥调理剂，尤其在堆肥过程中对酶活性的影响少有报道。水解酶（脲酶、磷酸酶、转化酶等）对堆肥有机物的矿质化过程影响较大，它能与特定底物结合，高效降解有机物，促进堆肥腐解进程和强度[8]。添加生物炭的堆肥研究表明：添加生物炭能显著提高多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶活性，但脱氢酶和纤维素酶活性下降，不同生物炭的影响差异不明显[9]。屠巧萍[10]认为添加3 %的生物炭可缩短发酵周期；减少氮素损失25.1 %，其腐殖质含量显著高于对照处理。拟研究在玉米秸秆堆肥中加入不同组合的生物炭，研究其对堆肥酶活性变化的影响，为生物炭作为调理剂在堆肥制作中的应用提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为广西大学农学院教学试验基地所收获的新鲜玉米秸秆。蔗渣生物炭、小麦秸秆炭、滤泥、牛粪和EM·1号菌剂均购于市场。

1.2 试验处理

将玉米秸秆切碎，用尿素调节碳氮比至25：1。试验共设10个处理，分别为3 %蔗渣生物质炭（B）；3 %小麦秸秆炭（W）；10 %滤泥（L）；10 %牛粪（N）；3 %蔗渣生物质炭+10 %滤泥（BL）；3 %蔗渣生物质炭+10 %牛粪（BN）；3 %蔗渣生物质炭+10 %滤泥+10 %牛粪（BLN）；3 %小麦秸秆炭+10 %滤泥（WL）；3 %小麦秸秆炭+10 %牛粪（WN）；3 %小麦秸秆炭+10 %滤泥+10 %牛粪（WLN）。按上述处理把各添加剂与玉米秸秆充分混匀，装入体积为120 L塑料桶内，每桶装秸秆20 kg，加EM菌液40 mL，并调节含水率至60 %。试验过程中每周翻堆一次，根据水分蒸发情况及时补充水分。

1.3 采样方法与测定

分别在试验的20 d、60 d、110 d于堆体上中下部多点采样，取样量在100 g左右。样品混合均匀后带回实验室风干，粉碎过筛后装入封口袋备用。酶活性测定见参考文献[11]。

1.4 數据分析

试验数据采用SPSS 19.0进行统计分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 脲酶

由表1可知，在堆肥过程中，脲酶活性呈下降趋势，到堆肥结束时各处理酶活性下降9.5 %～70.6 %。第20 d时，B处理脲酶活性最高，显著高于BL、BN和BLN处理，W显著高于WL和WLN处理，N显著高于L。第60 d时，酶活性大小表现为B>BLN>BN>BL，W>WN>WLN>WL，N>L。第110 d时，各处理中B脲酶活性最高，N次之，L最低；与B相比，BL、BN和BLN处理脲酶活性明显降低，降幅在47.94 %～67.23 %之间；与W相比，WL和WLN处理分别降低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变化总体表现为先升高后降低。第20 d时，B处理磷酸酶活性最低，BN次之，其它处理间并无实质的变化。第60 d时，添加蔗渣生物炭处理中BLN磷酸酶活性最高，BN次之，B和BL最低，且三者之间差异均显著；添加小麦秸秆炭的处理中以WN和WLN酶活性较高，W和WL较低，两者间差异十分显著；L酶活性稍高于N处理，但差异不显著。第110 d时，BL、BN和BLN磷酸酶活性较B均有明显下降，尤其BN下降46.46 %；WLN较W亦明显下降，降幅22.20 %。

2.3 转化酶

由表3可知，堆肥转化酶活性的变化表现为前期降幅较大，后期保持相对稳定。第20 d时，BL酶活性明显高于BN和BLN处理，WL明显高于W和WN，L和N均处于较高水平。第60d时，添加蔗渣生物炭的处理中B酶活性最高，BL最低，两者差异显著；添加小麦秸秆炭的处理中WLN酶活性最高，显著高于W、WL和WN。第110d时，BL、BN和BLN酶活性较B增加了34.18%～100.38 %，WL、WN和WLN酶活性较W稍有增加，但差异均不显著；L酶活性较N显著提高，增幅达121.83 %。

3 讨论

酶是一类由微生物产生的具有高度催化性和专一性的蛋白质，它能提高生物化学反应速度，加速堆肥养分释放。李映廷[9]的研究结果表明，脲酶活性在堆肥开始时较高，随后下降，对比不同处理发现生物炭可使脲酶活性提高。本试验表明，在堆肥过程中，各处理脲酶活性呈下降趋势，到110 d时脲酶活性较20 d时下降9.5 %～70.6 %；从不同时期来看，B、W和N脲酶活性较高，而BLN、WL、WLN和L酶活性较低，表明单独添加生物炭和牛粪可以显著提高堆肥中脲酶活性，与李映廷的研究结果一致。中性磷酸酶活性随时间变化各异，总体表现出先升高后降低的变化趋势，赵洪颜等[12]研究指出，沼液堆肥碱性磷酸酶活性随时间变化呈降低趋势，而牛粪堆肥中碱性磷酸酶先升高后降低，与本试验研究结果相似；在整个堆肥过程中，BLN、L和N中性磷酸酶活性较高，而B和W磷酸酶活性较低，这可能是因为生物炭呈碱性，加入堆体后提高了堆肥的pH值，不利于微生物的生长。王亚飞[13]认为转化酶活性随时间变化总体呈下降趋势，本研究亦表明转化酶活性随着堆肥进程而降低，其中，B和N在前60d时酶活性较高，到110d时急剧下降，L酶活性保持在较高水平，W始终较低，而BLN和WLN则处于两者之间，表明纯滤泥或者配合生物炭添加有利于堆肥转化酶活性提高。

4 结论

本研究结果表明，添加B和W处理堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN处理堆肥中性磷酸酶和转化酶活性提高，因此，单独添加生物炭有利于提高堆肥脲酶活性，而生物炭与滤泥和牛粪配合添加有利于提高堆肥中性磷酸酶和转化酶活性。

参考文献

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[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.

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[9] 李映廷. 低碳氮比下生物质炭对高温好氧堆肥的影响[D]. 重庆：西南大学， 2012.

[10] 屠巧萍. 生物质炭添加对猪粪堆肥腐殖化的影响及机理研究[D]. 杭州：浙江大学， 2014.

[11] 关松荫， 张德生， 张志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京： 农业出版社， 1986.

[12] 赵洪颜， 李杰， 刘晶晶， 等. 沼液堆肥和牛粪堆肥发酵过程中酶活性及理化指标变化的差异[J]. 中国农业大学学报， 2013， 18（2）：153-157.

[13] 王亚飞. 不同畜禽粪便堆肥过程中可培养微生物数量及腐殖质含量和酶活性的变化[D]. 兰州：甘肃农业大学， 2016.