厭氧和好氣條件下作物秸稈的腐解特征研究.pdf

1、秸稈還田是維持和提高土壤肥力和作物產量的有效途徑之一。土壤水分狀況是作物秸稈腐解過程中最重要的影響因子，秸稈還田對土壤肥力的提升雖已有研究，但對于厭氧和好氣條件下作物秸稈腐解差異的研究少有報道。本研究采用網袋培養(yǎng)方法，通過室內培養(yǎng)結合田間試驗研究小麥、水稻、玉米和油菜秸稈在厭氧和好氣條件下的質量殘留量與碳、氮釋放量及纖維素、半纖維素和木質素的殘留量的變化特征，運用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared

2、spectroscopy，F(xiàn)TIR)技術，定性分析作物秸稈在厭氧和好氣條件腐解過程的組分及結構變化特征。主要結果如下：
　　1、作物秸稈的腐解均呈前期腐解快，中期變慢，后期穩(wěn)定的趨勢。在培養(yǎng)開始的前30天內，秸稈殘留質量均顯著性降低（P＜0.05），在30-180天內，緩慢下降，在180-360天，秸稈殘留質量變化保持穩(wěn)定。厭氧條件秸稈累積腐解率在56.52％-75.23%，好氣條件秸稈累積腐解率在75.61%-83.63%。秸稈

3、碳、氮殘留量均隨培養(yǎng)時間延長而降低，厭氧和好氣條件秸稈碳釋放率分別在80.77%-91.11%和86.56%-97.16%，秸稈氮釋放率分別在62.23%-92.14%和69.64%-92.15%之間。秸稈中半纖維素、纖維素和木質素殘留量整體呈下降趨勢。由于秸稈在田間和室內的腐解規(guī)律呈現(xiàn)一定相似性，本文以室內結果為代表著重分析。
　　2、小麥秸稈在好氣和厭氧條件的殘留質量、碳和氮殘留量均隨培養(yǎng)時間的延長而降低，且呈前期（0～3個月

4、）降解較快，而后（3～12個月）逐漸減緩的趨勢。用一級動力學方程（y=y0+a·e?kt）對小麥秸稈在好氣和厭氧條件的殘留質量隨時間變化進行擬合（決定系數(shù)R2均大于0.957），質量腐解半衰期分別為72.8和121.9 d，腐解速率常數(shù)（k）分別為0.0220和0.0140/d。在好氣條件，小麥秸稈中碳和氮元素釋放速率常數(shù)分別是其在厭氧條件的1.79和1.67倍，小麥秸稈中碳和氮元素的釋放率分別是其在厭氧條件的4.39和1.40倍，且在

5、培養(yǎng)至1個月時處理之間呈顯著性差異（P＜0.05）。小麥秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素殘留量均隨培養(yǎng)時間延長呈下降趨勢。以上結果表明，好氣條件更有利于小麥秸稈碳氮元素的釋放，及纖維素、半纖維素和木質素的降解，從而更有利于小麥秸稈的降解。
　　4、水稻秸稈還田后，腐解速率表現(xiàn)為前期快、后期較慢的規(guī)律。在360 d培養(yǎng)時間內，厭氧和好氣條件下的水稻秸稈腐解率分別為66.44%和71.41%，一級動力學對水稻秸稈質量殘留進行擬合，腐解

6、速率常數(shù)(k)分別為0.019?d?1和0.020?d?1，腐解半衰期分別為71.41 d和58.8 d。在厭氧和好氣條件下，水稻秸稈的碳釋放率分別為76.89%和83.81%，碳釋放半衰期別為56.90 d和54.20 d。水稻秸稈中氮的釋放率分別為66.37%和72.16%，水稻秸稈在厭氧條件下的氮殘留量比其在好氣條件下高20.81%。隨著培養(yǎng)時間的延長，水稻秸稈的纖維素、半纖維素和木質素殘留量呈降低趨勢，培養(yǎng)結束時，厭氧條件下秸稈

7、半纖維素、纖維素和木質素腐解率分別為91.06%、90.00%、63.09%，均低于好氣條件（95.06%、91.34%、66.76%）
　　5、玉米秸稈各種組分的殘留量隨培養(yǎng)時間延長呈下降趨勢，且前期（0~90天）腐解快，后期（90~360天）變慢。一級動力學方程對玉米秸稈質量殘留率的擬合結果表明，厭氧和好氣條件下玉米秸稈腐解半衰期分別為79.87天和52.89天。厭氧條件下玉米秸稈碳釋放速率常數(shù)k0（0.545/天）低于其在好

8、氣條件下的k0（0.565/天），好氣條件下玉米秸稈氮的累積釋放率（74.20%）高于厭氧條件（71.42%）。隨著培養(yǎng)時間的延長，玉米秸稈的纖維素、半纖維素和木質素殘留量呈降低趨勢。在360天內，好氣條件更有利于玉米秸稈碳、氮元素的礦化和纖維素、半纖維素和木質素的腐解，且隨著時間的延長差異減小。
　　3、油菜秸稈還田后，腐解速率表現(xiàn)為前期快、后期較慢的規(guī)律。在360 d培養(yǎng)時間內，厭氧和好氣條件下的油菜秸稈腐解率分別為60.50

9、%和68.20%，腐解速率常數(shù)(k)分別為0.004?d?1和0.010?d?1，腐解半衰期分別為229 d和117 d。在厭氧和好氣條件下，油菜秸稈的碳釋放率分別為70.33%和77.43%，厭氧條件下的釋放速率常數(shù)(0.025?d?1)低于好氣條件(0.026?d?1)。油菜秸稈中氮的釋放率分別為82.20%和87.48%，油菜秸稈在厭氧條件下的氮殘留量比其在好氣條件下高38.25%，且達到顯著性差異水平(P<0.05)。厭氧條件下

10、的氮殘留率始終高于好氣條件下，且在60~90 d培養(yǎng)期內差異最大。
　　6、不同作物秸稈腐解培養(yǎng)之前的紅外光譜在波數(shù)為3417cm-1、2922cm-1、1376cm-1、1052cm-1處均有的吸收峰，不同秸稈吸收峰的吸收強度雖有不同，但都表明小麥、油菜、玉米、水稻秸稈中含有水溶性物質，包括單糖、多糖、蛋白質、氨基酸等。隨培養(yǎng)時間的延長，秸稈紅外光譜圖在波數(shù)為3430~3410 cm?1（羥基的伸縮振動）、2930 cm?1（亞

11、甲基的伸縮振動）處、2855cm-1（甲基的伸縮振動）處的吸收峰吸收強度均有降低，表明秸稈中的碳水化合物減少，脂肪族特征下降。波數(shù)為1740 cm?1、1419~1425 cm?1處吸收峰吸收強度的降低，秸稈木質素含量略有下降，且厭氧條件下的吸收強度整體高于其在好氣條件下。厭氧條件下，在780~800 cm?1和468-475 cm?1處（硅酸鹽和SiO2等無機硅化物的吸收帶）的吸收強度均高于好氣條件的值。以上結果表明，秸稈腐解過程中脂