厌氧和好气条件下作物秸秆的腐解特征研究

摘要

秸秆还田是维持和提高土壤肥力和作物产量的有效途径之一。土壤水分状况是作物秸秆腐解过程中最重要的影响因子，秸秆还田对土壤肥力的提升虽已有研究，但对于厌氧和好气条件下作物秸秆腐解差异的研究少有报道。本研究采用网袋培养方法，通过室内培养结合田间试验研究小麦、水稻、玉米和油菜秸秆在厌氧和好气条件下的质量残留量与碳、氮释放量及纤维素、半纤维素和木质素的残留量的变化特征，运用傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)技术，定性分析作物秸秆在厌氧和好气条件腐解过程的组分及结构变化特征。主要结果如下：
　　1、作物秸秆的腐解均呈前期腐解快，中期变慢，后期稳定的趋势。在培养开始的前30天内，秸秆残留质量均显著性降低（P＜0.05），在30-180天内，缓慢下降，在180-360天，秸秆残留质量变化保持稳定。厌氧条件秸秆累积腐解率在56.52％-75.23%，好气条件秸秆累积腐解率在75.61%-83.63%。秸秆碳、氮残留量均随培养时间延长而降低，厌氧和好气条件秸秆碳释放率分别在80.77%-91.11%和86.56%-97.16%，秸秆氮释放率分别在62.23%-92.14%和69.64%-92.15%之间。秸秆中半纤维素、纤维素和木质素残留量整体呈下降趋势。由于秸秆在田间和室内的腐解规律呈现一定相似性，本文以室内结果为代表着重分析。
　　2、小麦秸秆在好气和厌氧条件的残留质量、碳和氮残留量均随培养时间的延长而降低，且呈前期（0～3个月）降解较快，而后（3～12个月）逐渐减缓的趋势。用一级动力学方程（y=y0+a·e?kt）对小麦秸秆在好气和厌氧条件的残留质量随时间变化进行拟合（决定系数R2均大于0.957），质量腐解半衰期分别为72.8和121.9 d，腐解速率常数（k）分别为0.0220和0.0140/d。在好气条件，小麦秸秆中碳和氮元素释放速率常数分别是其在厌氧条件的1.79和1.67倍，小麦秸秆中碳和氮元素的释放率分别是其在厌氧条件的4.39和1.40倍，且在培养至1个月时处理之间呈显著性差异（P＜0.05）。小麦秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素残留量均随培养时间延长呈下降趋势。以上结果表明，好气条件更有利于小麦秸秆碳氮元素的释放，及纤维素、半纤维素和木质素的降解，从而更有利于小麦秸秆的降解。
　　4、水稻秸秆还田后，腐解速率表现为前期快、后期较慢的规律。在360 d培养时间内，厌氧和好气条件下的水稻秸秆腐解率分别为66.44%和71.41%，一级动力学对水稻秸秆质量残留进行拟合，腐解速率常数(k)分别为0.019?d?1和0.020?d?1，腐解半衰期分别为71.41 d和58.8 d。在厌氧和好气条件下，水稻秸秆的碳释放率分别为76.89%和83.81%，碳释放半衰期别为56.90 d和54.20 d。水稻秸秆中氮的释放率分别为66.37%和72.16%，水稻秸秆在厌氧条件下的氮残留量比其在好气条件下高20.81%。随着培养时间的延长，水稻秸秆的纤维素、半纤维素和木质素残留量呈降低趋势，培养结束时，厌氧条件下秸秆半纤维素、纤维素和木质素腐解率分别为91.06%、90.00%、63.09%，均低于好气条件（95.06%、91.34%、66.76%）
　　5、玉米秸秆各种组分的残留量随培养时间延长呈下降趋势，且前期（0~90天）腐解快，后期（90~360天）变慢。一级动力学方程对玉米秸秆质量残留率的拟合结果表明，厌氧和好气条件下玉米秸秆腐解半衰期分别为79.87天和52.89天。厌氧条件下玉米秸秆碳释放速率常数k0（0.545/天）低于其在好气条件下的k0（0.565/天），好气条件下玉米秸秆氮的累积释放率（74.20%）高于厌氧条件（71.42%）。随着培养时间的延长，玉米秸秆的纤维素、半纤维素和木质素残留量呈降低趋势。在360天内，好气条件更有利于玉米秸秆碳、氮元素的矿化和纤维素、半纤维素和木质素的腐解，且随着时间的延长差异减小。
　　3、油菜秸秆还田后，腐解速率表现为前期快、后期较慢的规律。在360 d培养时间内，厌氧和好气条件下的油菜秸秆腐解率分别为60.50%和68.20%，腐解速率常数(k)分别为0.004?d?1和0.010?d?1，腐解半衰期分别为229 d和117 d。在厌氧和好气条件下，油菜秸秆的碳释放率分别为70.33%和77.43%，厌氧条件下的释放速率常数(0.025?d?1)低于好气条件(0.026?d?1)。油菜秸秆中氮的释放率分别为82.20%和87.48%，油菜秸秆在厌氧条件下的氮残留量比其在好气条件下高38.25%，且达到显著性差异水平(P<0.05)。厌氧条件下的氮残留率始终高于好气条件下，且在60~90 d培养期内差异最大。
　　6、不同作物秸秆腐解培养之前的红外光谱在波数为3417cm-1、2922cm-1、1376cm-1、1052cm-1处均有的吸收峰，不同秸秆吸收峰的吸收强度虽有不同，但都表明小麦、油菜、玉米、水稻秸秆中含有水溶性物质，包括单糖、多糖、蛋白质、氨基酸等。随培养时间的延长，秸秆红外光谱图在波数为3430~3410 cm?1（羟基的伸缩振动）、2930 cm?1（亚甲基的伸缩振动）处、2855cm-1（甲基的伸缩振动）处的吸收峰吸收强度均有降低，表明秸秆中的碳水化合物减少，脂肪族特征下降。波数为1740 cm?1、1419~1425 cm?1处吸收峰吸收强度的降低，秸秆木质素含量略有下降，且厌氧条件下的吸收强度整体高于其在好气条件下。厌氧条件下，在780~800 cm?1和468-475 cm?1处（硅酸盐和SiO2等无机硅化物的吸收带）的吸收强度均高于好气条件的值。以上结果表明，秸秆腐解过程中脂族性下降，芳构化程度增强。好气条件下有利于秸秆中纤维素、半纤维素和脂肪族化合物的分解，提高其芳香性。

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1文献综述

1.1 我国秸秆资源及其资源化利用现状

1.2 秸秆还田及其对土壤的影响

1.3 红外光谱应用技术

1.4选题意义与研究内容

1.5 技术路线

2引言

3材料和方法

3.1 试验场地基本情况

3.2 试验材料与方法

3.3 测定项目与方法

3.4 数据处理方法

4结果与分析

4.1 室内小麦秸秆腐解特征研究

4.2 田间培养条件下小麦秸秆腐解特征研究

4.3 室内玉米秸秆腐解特征研究

4.4 田间培养条件下玉米秸秆质量残留变化特征

4.5 室内水稻秸秆腐解特征研究

4.6 田间培养条件下水稻秸秆腐解特征研究

4.7 油菜秸秆腐解特征研究

5讨论

5.1 厌氧和好气条件作物秸秆腐解变化规律

5.2 厌氧和好气条件作物秸秆腐解差异特征

6 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间所发表论文和取得的研究成果