水稻、油菜还田秸秆氮素释放与吸附特征

摘要

秸秆还田过程中养分的释放、秸秆自身对养分的吸持及秸秆还田对土壤养分转化的影响对于提高土壤养分的有效性起着重要的作用。本研究通过田间试验和室内模拟试验相结合，从以下3方面展开研究:(1)通过田间试验研究覆盖还田条件下油菜全生育期内稻草腐解和养分释放特征;(2)采集长期定位试验土壤进行室内培养试验，分析添加不同C/N比秸秆对长期秸秆还田土壤矿质氮含量的影响;(3)以水稻秸秆和油菜秸秆为研究对象，通过室内模拟试验研究秸秆对外源铵态氮的吸附特征与机理。研究结果为秸秆还田氮素合理运筹提供理论依据。主要研究结果如下:
　　1.油菜季稻草覆盖还田试验表明，在油菜季生长期内，稻草腐解末期至油菜收获时(157～228d)平均速率是其还田开始阶段(0～157d)腐解速率的3倍。降雨量和＞0℃积温是制约前期秸秆腐解的关键因子，后期降雨量（150天左右突增）和＞0℃积温（180天左右大幅增加）促进秸秆腐解快速进行。秸秆养分累计释放率表现为K＞N＞P。秸秆钾的释放最为明显，而秸秆氮和磷含量的变化不明显，秸秆腐解前期的氮、磷释放率存在负值，说明秸秆腐解前期出现吸附氮、磷的现象。
　　2.添加不同C/N秸秆的土壤培养试验结果表明，添加尿素和秸秆处理的土壤铵态氮、硝态氮和矿质氮含量均显著提高，整体表现为:添加尿素培养(Urea)＞添加C/N24秸秆(Straw C/N24)＞添加C/N36秸秆(Straw C/N36)＞添加C/N55秸秆(Straw C/N55)＞对照(Control)。不灭菌处理在第50天土壤铵态氮明显下降。在培养结束（第130天）时，长期秸秆还田处理土壤(NPKS)硝态氮和矿质氮含量均明显高于长期秸秆不还田处理(NPK)。其中不灭菌条件，NPKS组各处理矿质氮较NPK处理增幅为2.57％～9.93％;灭菌条件下NPKS组各处理矿质氮较NPK处理增幅为15.76％～34.44％。
　　3.秸秆静态吸附影响因素结果表明:在本试验范围内，提高溶液初始浓度，适当增加环境温度，溶液在中性或碱性环境，增加吸附时间和接触面积，均有利于提高秸秆吸附量。秸秆吸附铵态氮试验的推荐条件为:秸秆用量为0.25g，温度介于25～40℃，较高的初始浓度，pH介于7～9之间，吸附时间4h，完全接触状态。
　　4.秸秆静态吸附动力学试验通过SEM和FTIR分析，与油菜秸秆相比，水稻秸秆乳突较多，比表面积较大，且其孔隙更明显，秸秆吸附铵态氮后出现官能团的振动形式，产生新结构，吸附过程包含物理吸附和化学吸附两种吸附作用。不同浓度下的吸附动力学结果表明，4mg/L，12mg/L，20mg/L油菜秸秆的平衡吸附量依次为0.33mg/g、0.61mg/g、0.79mg/g，水稻秸秆的平衡吸附量依次为0.39mg/g、1.29mg/g、2.49mg/g。采用准一级、准二级、Elovich和颗粒内扩散四种方程描述油菜和水稻秸秆对铵态氮吸附的动力学特征，发现准一级动力学模型R2较高且与实际吸附量较吻合，所以准一级动力学模型是最佳模型。
　　5.在秸秆静态吸附热力学试验中，不同温度下的吸附等温线表明，升温促进吸附，278K，298K，313K油菜秸秆的平衡吸附量依次为0.11mg/g、0.20mg/g、0.25mg/g，水稻秸秆的平衡吸附量依次为0.23mg/g、0.26mg/g、0.32mg/g。应用Langmuir吸附等温方程式能较好地描述水稻秸秆(R2:0.95～0.97)和油菜秸秆(R2:0.69～0.90)不同温度下吸附铵态氮的规律，水稻秸秆的Langmuir和Freundlich吸附等温式模型效果优于油菜秸秆的模拟效果。吸附热力学方程计算结果表明，秸秆吸附铵态氮的等温吸附过程，焓变(△H)＞0、熵变(△S)＞0、自由能(△G)＜0，是吸热熵增的自发过程，吸附方式主要是以物理吸附为主。
　　6.秸秆动态吸附试验结果表明:增大铵态氮初始溶液的浓度或增大体系溶液的流速，能缩短秸秆吸附到达平衡的时间，提高秸秆吸附量。在相同条件下，水稻秸秆对铵态氮的吸附能力高于油菜秸秆。在本试验中，流速为5ml/min，铵态氮浓度为16mg/L，此时，油菜和水稻秸秆对铵态氮的吸附率分别为57.3％和88.6％。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 秸秆腐解规律及养分释放特征

1．1．1 秸秆腐解规律

1．1．2 养分释放特征

1．2 秸秆腐解氮素在土壤中的转化及其影响因素

1．2．1 秸秆还田土壤氮素转化过程

1．2．2 秸秆氮素土壤转化的影响因素

1．3 秸秆吸附机理与研究方法

1．3．1 秸秆吸附及其机理

1．3．2 秸秆吸附的性质及实验方法

1．3．3 秸秆吸附的影响因素

2 研究背景、内容和技术路线

2．1 研究背景

2．2 研究目的与意义

2．3 研究内容与方法

2．4 技术路线

3 水稻秸秆覆盖还田腐解与养分释放特征

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验地区概况

3．2．2 供试秸秆

3．2．3 试验方法

3．2．4 数据统计

3．3 结果与分析

3．3．1 秸秆腐解残留量与腐解速率

3．3．2 秸秆腐解碳含量、碳残留量及秸秆碳累积释放率变化特征

3．3．3 覆盖还田条件下秸秆氮含量、氮残留量及秸秆氮累积释放率

3．3．4 秸秆腐解碳氮比变化特征

3．3．5 秸秆腐解磷含量、磷残留量及秸秆磷累积释放率变化特征

3．3．6 秸秆腐解钾含量、钾残留量及秸秆钾累积释放率变化特征

3．4 讨论

3．4．1 影响秸秆腐解的因素

3．4．2 秸秆养分释放速率差异的比较

3．5 小结

4 不同C／N水稻秸秆对土壤矿质氮转化的影响

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验设计

4．2．4 计算方法与数据处理

4．3 结果与分析

4．3．1 土壤中铵态氮含量的变化

4．3．2 土壤中硝态氮含量的变化

4．3．3 土壤中矿质氮含量的变化

4．4 讨论

4．4．1．长期秸秆还田土壤对土壤氮素转化的影响

4．4．2．不同C／N的秸秆对土壤氮素转化的影响

4．5 小结

5 水稻、油菜秸秆氮素静态吸附特征

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验设计

5．2．3 测定方法

5．2．4 计算方法

5．3 结果与分析

5．3．1 秸秆吸附铵态氮的影响因素

5．3．2 秸秆吸附铵态氮动力学特征

5．3．3 秸秆吸附铵态氮热力学特征

5．4 讨论

5．4．1 秸秆吸附铵态氮的影响因素

5．4．2 秸秆吸附铵态氮的机理分析

5．5 小结

6 水稻、油菜秸秆氮素动态吸附特征

6．1 前言

6．2 材料与方法

6．2．1 试验材料

6．2．2 试验设计

6．2．3 测定方法

6．2．4 计算方法

6．3 结果与分析

6．3．1 不同初始浓度对秸秆吸附的影响

6．3．2 不同流速对秸秆吸附的影响

6．4 讨论

6．5 小结

7 全文总结与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

致谢