水稻秸稈腐解產(chǎn)生溶解性有機(jī)質(zhì)的生物降解特性

吳曉波

本研究采用培養(yǎng)法，通過DOC、pH、280nm吸光度指標(biāo)研究水稻秸稈腐解不同階段產(chǎn)生DOM的生物降解特性與結(jié)構(gòu)變化，闡明秸稈還田對(duì)土壤CO2排放與碳固定的影響，為選擇秸稈還田的正確方法提供科學(xué)依據(jù)，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)資料。

通過培養(yǎng)不同天數(shù)的水稻腐解液來控制變量，以研究不同腐解天數(shù)的DOM溶液中DOC降解特性及pH、280nm吸光度變化。DOC采用比色法；pH值采用電極法；280nm吸光度值采用分光光度法。

基于DOM是不同降解速率和不同降解程度的成分的混合物的假定，我們使用雙倍指數(shù)模型（Double Exponential Model）來描述DOC的礦化動(dòng)力學(xué)，模型公式表達(dá)式為：

殘留C%=（100-b）+be （1）

式中：t為時(shí)間/天， b為穩(wěn)定DOC所占最初DOC的百分含量（%），100-b為易礦化DOC所占最初DOC的百分含量（%），k1為易礦化DOC礦化速率常數(shù)（天），k2為穩(wěn)定DOC礦化速率常數(shù)（天）。

同時(shí)計(jì)算半衰期：

1.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的生物降解性

水稻秸稈不同腐解階段DOM液的DOC隨時(shí)間變化如圖1所示。

圖1 不同腐解階段DOM殘留DOC隨時(shí)間的變化

不同腐解階段DOM整個(gè)降解過程都可分為殘留DOC的迅速減少和緩慢減少兩個(gè)階段。在14天前DOC的濃度迅速降低，14天后降解速率明顯減慢，DOC濃度趨于穩(wěn)定。但不同腐解階段DOM降解特性表現(xiàn)出較大差異。雙指數(shù)模型方程擬合結(jié)果（見表1）表明，礦化率表現(xiàn)為7天DOM礦化率達(dá)46.79%，而180dDOM礦化率僅為11.23%，礦化率總體表現(xiàn)為隨腐解時(shí)間延長(zhǎng)而減小。DOM可以分為易礦化性C庫(kù)和穩(wěn)定性C庫(kù)兩個(gè)組分，易礦化性C庫(kù)的半衰期為1～3天，而穩(wěn)定性C庫(kù)的半衰期為173～693天。穩(wěn)定性C庫(kù)的比例則表現(xiàn)為隨腐解時(shí)間延長(zhǎng)而增加。由此可見，隨腐解時(shí)間延長(zhǎng)，DOM生物有效性降低，DOM越穩(wěn)定。

表1不同腐解階段DOM降解過程使用雙指數(shù)模型擬合參數(shù)比較

注：擬合方程為：殘留C%=（100-b）e-k1t+be-k2t；

①易礦化C半衰期=ln2/k1。

②穩(wěn)定性C半衰期=ln2/k2。

③r2為擬合方程的相關(guān)系數(shù)之平方。

2.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的pH的變化

DOM 是一類組分非常復(fù)雜的混合物，它既含低分子量物質(zhì)（如游離的氨基酸、糖類），又含各類大分子成分（如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等）。pH值不同，反映DOM化學(xué)組成上的差異，與酸性基團(tuán)、堿性基團(tuán)的相對(duì)含量有關(guān)。本試驗(yàn)分別選取了腐解初期7d與腐解末期180d兩個(gè)階段DOM，研究其降解過程中pH值的變化，結(jié)果見圖2。從圖中我們可以看出，7dDOM溶液與180dDOM溶液初始pH值有較大差異，7dDOMpH值為7.9，而180dDOM pH僅為7.1，雖均為弱堿性，但兩者化學(xué)組成不同。在整個(gè)降解過程中，7dDOM表現(xiàn)為先下降后上升，并逐漸趨于穩(wěn)定，180dDOM則表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定。兩者都表現(xiàn)為在降解0-7天之內(nèi)pH值迅速發(fā)生變化，原因是這段時(shí)間內(nèi)DOC的迅速降解，化學(xué)組成發(fā)生較大變化。與DOC含量變化相一致。圖2還表明，最后兩者pH值相近，表明兩者在化學(xué)組成上趨于相似。

圖2 DOM降解過程中pH的變化

3.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的280nm下吸光度的變化

E280值主要反映有機(jī)質(zhì)組成中芳香化合物的含量，兩者成正相關(guān)關(guān)系。7d與180dDOM溶液降解過程中280nm吸光度隨時(shí)間變化如圖3所示。兩者變化趨勢(shì)明顯不同，7dDOM在降解初期E280值較小，隨著降解進(jìn)行，7天后E280值迅速升高，14天后趨于穩(wěn)定，并與180dDOME280值接近。而180dDOM在整個(gè)降解過程中變化不大。KalbitzK等指出，DOM由碳水化合物、脂肪、羧基化合物、芳環(huán)物質(zhì)等組成[12]。不同組分物質(zhì)被微生物利用的難易程度有顯著不同，碳水化合物最先被微生物利用，芳環(huán)物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定[13]。由此可見，180dDOM生物有效性低且較穩(wěn)定，與其化學(xué)組成中芳香化合物含量較高有密切關(guān)系。7dDOM芳香化合物含量相對(duì)較少，生物有效性較高，在降解初期碳水化合物、脂肪等易利用組分迅速減少，芳香化合物不易礦化而相對(duì)富集，從而導(dǎo)致E280值迅速增加；14天后DOC含量變化不大，E280值也趨于穩(wěn)定。

3.討論

微生物對(duì)DOM的利用包括兩個(gè)交替或連續(xù)的過程：①微生物對(duì)DOM 的同化吸收；②為獲取能量和無機(jī)養(yǎng)分而完全分解DOM 成CO2或CH4。微生物對(duì)DOM的降解改變DOM的性質(zhì)，而微生物能否利用DOM也決定于DOM本身的性質(zhì)：即化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征。因此，不同來源DOM生物可降性不同。本試驗(yàn)研究了水稻秸稈腐解不同階段DOM的生物降解性，結(jié)果表明不同階段DOM的生物降解性表現(xiàn)出較大差異，礦化率在11.23%～46.79%，隨腐解時(shí)間延長(zhǎng)，礦化率依次降低，DOM越穩(wěn)定。7dDOM與180dDOM pH值和E280值隨降解過程的變化表明，化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征的差異是導(dǎo)致其可降解性不同的主要因素。

本研究秸稈腐解初期DOM主要來源于秸稈中水溶性物質(zhì)，其主要成分為單糖、氨基酸、氨基糖等，這些物質(zhì)極具生物有效性，是微生物最易利用的碳源，將誘導(dǎo)秸稈腐解所需微生物大量繁殖。隨著微生物活性增強(qiáng)，微生物代謝產(chǎn)物、微生物死亡殘骸、秸稈中纖維素和木質(zhì)素等的降解都成為DOM的組成來源，從而使DOM的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。秸稈旺盛分解期DOM主要來源于纖維素和木質(zhì)素等的降解產(chǎn)物以及微生物代謝產(chǎn)物，此時(shí)DOM含豐富的羧酸類物質(zhì)、強(qiáng)氧化木質(zhì)多酚類物質(zhì)以及芳香族和脂肪族物質(zhì)，碳水化合物和氨基糖減少，糖醛酸和半乳糖增多，疏水性較強(qiáng)。在秸稈腐解后期階段，DOM中木質(zhì)素多酚類物質(zhì)降解產(chǎn)物大大增加。因此，隨腐解時(shí)間延長(zhǎng)，表現(xiàn)為DOM的生物可降解性逐漸降低，DOM趨于穩(wěn)定。

4.結(jié)論

（1）DOM生物降解過程殘留DOC隨時(shí)間變化符合雙指數(shù)模型方程。生物降解大致可分為快速礦化期和緩慢礦化期兩個(gè)階段。不同腐解階段DOM的生物降解特性有較大差異。隨著水稻秸稈腐解進(jìn)行，DOM生物降解越弱，DOC越穩(wěn)定，41天DOC礦化率表現(xiàn)為180天DOM<91天DOM<38天<14天DOM<7天DOM，穩(wěn)定性C比例則表現(xiàn)為180天DOM>91天DOM>38天>14天DOM>7天DOM。

（2）DOM生物降解過程中pH的變化隨著DOM成分的改變而改變。7dDOM溶液與180dDOM溶液初始pH值雖都呈偏弱堿性，但仍有較大差異，表明兩者化學(xué)組成不同。另外，在整個(gè)降解過程中，7dDOM表現(xiàn)為先下降后上升并逐漸趨于穩(wěn)定，180dDOM則表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定。

（3）DOM生物降解過程中E280值的變化表明，7dDOM在降解初期E280值較小，隨著降解迅速升高，14天后趨于穩(wěn)定，并與180dDOM E280值接近。而180dDOM在整個(gè)降解過程中變化不大。芳香性化合物含量的不同是導(dǎo)致DOM生物可降解性不同的重要原因。