水稻秸稈在土壤-水體系中的腐解性能

歐陽(yáng)家風(fēng)， 劉峙嶸， 鄒 翔

(東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

秸稈通常指水稻、小麥等農(nóng)作物收獲籽實(shí)后剩余的莖葉部分，是一種重要的有機(jī)肥來源物質(zhì)。中國(guó)作為世界產(chǎn)糧最多的國(guó)家之一，秸稈資源產(chǎn)量占到世界總產(chǎn)量的30%以上。秸稈自然腐解的速率緩慢，中國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)為了方便下一茬作物的播種和生長(zhǎng)，往往選擇對(duì)秸稈進(jìn)行焚燒處理[1]。焚燒雖然可以快速處理大量的堆積秸稈，減少農(nóng)民處置秸稈的費(fèi)用，但同時(shí)也造成了秸稈資源的極大浪費(fèi)，并引發(fā)霧霾等環(huán)境問題。江西省作為以水稻種植為主的農(nóng)業(yè)大省，秸稈資源非常豐富[2]。秸稈還田作為目前解決秸稈堆積殘留問題的有效措施之一，具有改善土壤理化性質(zhì)，為土壤微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)提供食物來源，并能穩(wěn)定提高土壤養(yǎng)分含量，對(duì)農(nóng)作物有明顯的增產(chǎn)效果[3-6]。而研究水稻秸稈的腐解過程，不僅能指導(dǎo)秸稈還田，同時(shí)也會(huì)對(duì)資源的合理利用和環(huán)境的有效治理產(chǎn)生積極影響。

尼龍袋法常用于測(cè)定飼料在單胃中的降解率[7]，其使用方式簡(jiǎn)單，能在特定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)定降解率。為了能在腐解的各個(gè)階段簡(jiǎn)單、快速地從土壤-水體系溶液中分離秸稈，本試驗(yàn)擬以水稻秸稈為對(duì)象，采用尼龍袋法處理秸稈樣品，通過對(duì)不同條件下秸稈腐解后的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，探索秸稈的腐解規(guī)律，以期找出秸稈還田后腐解的最優(yōu)條件。

1 材料與方法

1.1 樣品來源與處理

本試驗(yàn)選用江西省南昌市望城新區(qū)某稻田的二季度晚熟水稻秸稈，供試秸稈的主要成分中全碳占49.56%，全氮占0.78%，全磷占0.05%，全鉀占1.86%。以均勻取樣的方式，抽選適量干凈、新鮮的秸稈作為研究對(duì)象，烘干，取一定量的干燥秸稈均勻剪成 0.5～1.0 cm的小段，用型號(hào)為 15.0 cm×10.0 cm且尺寸為100.0 μm的普通尼龍袋裝好備用。

本試驗(yàn)所取的土壤為稻田里的耕層土壤 (0～20.0 cm)，土壤容質(zhì)量1.97 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量14.20 g/kg，有效氮含量78.60 mg/kg，有效磷含量7.80 mg/kg，有效鉀含量62.80 mg/kg。將收集來的土壤置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，用研缽進(jìn)行研磨，粉碎，并用孔徑為0.5 mm的網(wǎng)篩過篩，直至土壤中無較大顆粒及其他雜物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過模擬現(xiàn)實(shí)中秸稈腐解的環(huán)境，研究不同情況(時(shí)間、溫度、水土比、腐稈劑用量)下，水稻秸稈在土壤-水體系中的腐解特性和養(yǎng)分釋放特征。在一系列容量為500 ml的燒杯中加入不同水土比 (1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，質(zhì)量比)的土壤溶液，將剪成0.5～1.0 cm小段的5 g秸稈樣品用尼龍袋封裝后浸入土壤溶液中，然后分別加入一定量的腐稈劑(0 g、0.25 g、0.50 g、0.75 g、1.00 g)，用保鮮膜封口，放入一定溫度(20 ℃、30 ℃、40 ℃)的恒溫箱中培養(yǎng)一段時(shí)間(3 d、6 d、9 d、12 d、15 d)，各試驗(yàn)均進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。腐解過程中每1 d都將裝有秸稈的土壤溶液燒杯取出，用電子天平稱量記錄質(zhì)量變化，并用去離子水補(bǔ)充損失或者蒸發(fā)的水分。腐解結(jié)束后，通過對(duì)比不同腐解條件下秸稈樣品的腐解率來確定最佳的腐解條件，并通過測(cè)定全碳、全氮、全磷、全鉀的累積釋放率來表征其腐解動(dòng)態(tài)。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 腐解率 采用失重法[8]測(cè)定水稻秸稈的腐解率，腐解結(jié)束后用鑷子將水稻秸稈樣品取出，用水沖洗水稻秸稈樣品至濾液呈無色，然后將樣品放置在干燥箱中，設(shè)置溫度為105 ℃，干燥至質(zhì)量恒定，稱量，計(jì)算其腐解率。公式如下：

m1：腐解前水稻秸稈樣品的質(zhì)量(g)；m2：腐解后水稻秸稈樣品的質(zhì)量(g)。

1.3.2 碳含量的測(cè)定 500 ℃的條件下灼燒水稻秸稈樣品4 h，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量就是灼燒過程損失的質(zhì)量，而碳的總質(zhì)量占有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的58%[9]。計(jì)算公式如下：

Wc：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；c1：灼燒前水稻秸稈樣品的質(zhì)量(g)；c2：灼燒后水稻秸稈樣品的質(zhì)量(g)。

1.3.3 氮含量的測(cè)定 用凱氏定氮法測(cè)定氮累積釋放率[10]。將腐解后的秸稈樣品磨碎，其中95%通過40目篩，裝入磨口瓶備用。稱取0.1 g試樣2份，同時(shí)測(cè)定樣品的含水量。將樣品置于25 ml凱氏瓶中，加入1 g加速劑粉末和3 ml硫酸，輕輕搖動(dòng)凱氏瓶，使試樣被硫酸濕潤(rùn)，并傾斜置于電爐上加熱消煮，待溶液消煮到無微小碳粒并呈透明的藍(lán)綠色時(shí)，繼續(xù)消煮30 min。再將試樣置于50 ml凱氏瓶中，加入0.5 g加速劑和3 ml混液，在凱氏瓶上放1個(gè)曲頸小漏斗，傾斜在電爐上加熱，繼續(xù)消煮30 min。消煮液稍冷卻后加少量蒸餾水，輕輕搖勻，進(jìn)行蒸餾處理。蒸餾時(shí)將冷凝管末端插到盛有10 ml硼酸指示劑混合液的錐形瓶中，向反應(yīng)室中加入40%氫氧化鈉溶液15 ml，然后通氣蒸餾，當(dāng)餾出液的體積達(dá)到約50 ml時(shí)，降下錐形瓶，使冷凝管末端離開液面，繼續(xù)蒸餾 1～2 min，用蒸餾水沖洗冷凝管末端，洗液均需流入錐形瓶中。最后以0.02 mol/L標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定，至錐形瓶中的溶液由藍(lán)綠色變成灰紫色為止，計(jì)算總氮含量。計(jì)算公式如下：

Wn為氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；V1表示滴定時(shí)消耗鹽酸的量(ml)；V2是空白試驗(yàn)所消耗的鹽酸量(ml)；c是鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液濃度(mol/L)；0.014是氮原子的毫摩爾質(zhì)量(g/mol)；m3是樣品質(zhì)量(g)。

1.3.4 磷含量的測(cè)定 稱取烘干磨碎的秸稈樣品0.15 g置于消煮管中，加入8 ml濃硫酸，浸泡一晚上。消煮管于360 ℃條件下消煮1 h，稍冷后加入10滴H2O2，消煮20 min后冷卻，重復(fù)滴加H2O2直至溶液無色或清亮。將消煮液洗入100 ml容量瓶中，用水定容，搖勻，靜置。吸取10 ml消煮液于50 ml容量瓶中，加水稀釋至30 ml，加二硝基酚指示劑2滴，用氫氧化鈉(2.0 mol/L)和硫酸(0.5 mol/L)調(diào)節(jié)pH至溶液成微黃色，然后加入鉬銻抗顯色劑5 ml，搖勻，用水定容。放置30 min后，用分光光度計(jì)比色(波長(zhǎng)700 nm)[11]，以空白溶液為參比液，讀取吸收值，在工作曲線上查找出顯色液的含磷量。計(jì)算公式如下：

Wp為植物磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；c3為通過校準(zhǔn)曲線或回歸方程求得的顯色液中磷的質(zhì)量濃度(mg/L)；V1為消煮液定容體積(ml)；V2為吸取測(cè)定的消煮液體積(ml)；V3為顯色液體積(ml)；m4為稱樣量(g)。

1.3.5 鉀含量的測(cè)定 用火焰光度法測(cè)定鉀累積釋放率。首先是H2SO4-H2O2消煮，其步驟與鉬銻抗比色法測(cè)定磷累積釋放率相同。吸取鉀標(biāo)準(zhǔn)液(100 μg/ml)0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分別置于6個(gè)100 ml容量瓶中，加入與試樣溶液等體積的空白溶液，用水稀釋至100 ml，混勻，此系列溶液濃度為100 ml含鉀0 mg、0.2 mg、0.4 mg、0.6 mg、0.8 mg、1.0 mg的標(biāo)準(zhǔn)溶液。用空白溶液調(diào)節(jié)儀器低標(biāo)旋鈕至零點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)溶液中最高濃度的標(biāo)液用高標(biāo)調(diào)至約100光強(qiáng)度值處。記錄光強(qiáng)度值，從而建立回歸曲線方程。按GB/7857規(guī)定將稱量出的2 g樣品制備成試驗(yàn)樣品，在250 ml容量瓶中定容，吸取其中1 ml試樣溶液于100 ml容量瓶中，用水稀釋至100 ml，混勻，在同條件下用火焰光度計(jì)分別測(cè)定并記錄其與鉀標(biāo)溶液的光強(qiáng)度值，最后用回歸方程計(jì)算出樣品的含量。

1.3.6 殘留率 殘留率=1-累積釋放率

2 結(jié)果與分析

2.1 腐解時(shí)間對(duì)秸稈腐解的影響

將試驗(yàn)條件設(shè)置為腐解溫度20 ℃，水土比 4∶1(質(zhì)量比)，腐稈劑用量0.5 g，模擬當(dāng)?shù)厮窘斩捀獾默F(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)行不同腐解時(shí)間下秸稈樣品腐解程度的試驗(yàn)。結(jié)果(圖1)顯示，腐解前3 d秸稈樣品的腐解速率非常快，第3 d時(shí)腐解率已達(dá)到13.2%，腐解到第9 d左右腐解速率逐步變緩，最后趨于穩(wěn)定，腐解第15 d時(shí)腐解率達(dá)到24.9%。腐解前期秸稈中豐富的有機(jī)物質(zhì)促進(jìn)土壤中微生物的繁殖，使得微生物的數(shù)量迅速增長(zhǎng)，活性大大增強(qiáng)，并產(chǎn)生大量酶，使秸稈質(zhì)量迅速減少,隨著腐解過程進(jìn)行到后期，秸稈中的有機(jī)物質(zhì)開始減少，微生物代謝速率也開始降低，使得秸稈的腐解速率隨之變慢。

圖1 腐解時(shí)間對(duì)秸稈腐解率的影響Fig.1 Effect of time on the decomposition rate of straw

2.2 腐解溫度對(duì)秸稈腐解的影響

在試驗(yàn)條件為水土比 4∶1(質(zhì)量比)，腐稈劑用量0.5 g，腐解時(shí)間為9 d情況下，進(jìn)行腐解溫度對(duì)秸稈腐解影響的試驗(yàn)。結(jié)果(圖2)顯示，腐解溫度對(duì)秸稈腐解有較大的影響。20 ℃時(shí)，腐解率僅有23.1%，30 ℃時(shí)，腐解率達(dá)到39.4%，40 ℃時(shí)，腐解率有所降低，這是因?yàn)槲⑸锏拇x、酶的釋放及活性影響秸稈腐解速率[12]。腐解溫度較低時(shí)，微生物代謝緩慢，酶的釋放率和活性都較低，使得秸稈腐解率較低。當(dāng)腐解溫度過高時(shí)，不耐高溫的微生物易被殺死，酶的釋放和活性也將被抑制，導(dǎo)致秸稈的腐解率隨之降低。本試驗(yàn)中，秸稈腐解的最佳溫度為30 ℃。

圖2 腐解溫度對(duì)秸稈腐解率的影響Fig.2 Effect of temperature on the decomposition rate of straw

2.3 水土比對(duì)秸稈腐解的影響

在試驗(yàn)條件為腐解溫度20 ℃，腐稈劑用量0.5 g，腐解時(shí)間為9 d情況下，進(jìn)行水土比對(duì)秸稈腐解影響的試驗(yàn)。結(jié)果(圖3)顯示，秸稈的腐解率隨水土比的增加而升高，到達(dá) 3∶1(質(zhì)量比)后，腐解率開始有所下降。由此可以推斷，水土比對(duì)秸稈腐解具有一定影響，但并不呈正相關(guān)，也有臨界最優(yōu)值。水土比過高會(huì)影響氧的傳遞，進(jìn)而影響微生物活動(dòng)，還可能造成厭氧環(huán)境，影響秸稈的腐解進(jìn)程。這與李忠義等[13]巴豆秸稈還田試驗(yàn)得出的腐解速率為土埋還田>水淹還田>覆蓋還田的結(jié)論相類似。本試驗(yàn)中，秸稈腐解最佳水土比為 3∶1(質(zhì)量比)。

圖3 水土比對(duì)秸稈樣品腐解率的影響Fig.3 Effect of water-soil ratio on the decomposition rate of straw

2.4 腐稈劑用量對(duì)秸稈腐解的影響

在試驗(yàn)條件為腐解溫度20 ℃，腐解時(shí)間為9 d，水土比為 4∶1(質(zhì)量比)情況下，進(jìn)行腐稈劑用量對(duì)秸稈樣品腐解影響的試驗(yàn)。結(jié)果(圖4)顯示，腐稈劑對(duì)秸稈腐解能起到一定的促進(jìn)作用，然而當(dāng)腐稈劑的用量超過最優(yōu)值時(shí)，秸稈的腐解率有所降低。這是因?yàn)楦拕┒酁槲⑸锞鷦?，?dāng)腐稈劑用量較小時(shí)，微生物的數(shù)量并不多，無法最大程度使秸稈腐解，而當(dāng)腐稈劑用量過高時(shí)，腐稈劑中的微生物菌則會(huì)與土壤微生物競(jìng)爭(zhēng)秸稈中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得部分微生物因營(yíng)養(yǎng)不足而死亡，從而影響腐解效率。本試驗(yàn)中，腐稈劑最佳用量為0.50 g。

圖4 腐稈劑用量對(duì)秸稈腐解率的影響Fig.4 Effect of straw-decomposing inoculant content on decomposition rate of straw

2.5 水稻秸稈腐解過程中養(yǎng)分釋放特征及腐解動(dòng)態(tài)

在試驗(yàn)條件為腐解溫度30 ℃，水土比為 3∶1(質(zhì)量比)，腐稈劑用量0.5 g的最佳腐解條件下，測(cè)定秸稈在腐解過程中全碳、全氮、全磷和全鉀的累積釋放率。結(jié)果(圖5)顯示，隨著腐解時(shí)間的推移，碳、氮、磷養(yǎng)分釋放趨勢(shì)基本保持一致，呈先快后慢的狀態(tài)。腐解6 d后，碳、氮、磷的累積釋放率分別為36.6%、39.4%、40.6%。秸稈中全鉀釋放速率較其他幾種元素有明顯差異，前6 d鉀元素釋放迅速，第6 d時(shí)釋放率就已達(dá)到86.1%，之后變化不明顯。主要原因可能是碳、氮、磷主要以有機(jī)物形態(tài)存在，因此不易分解，釋放速率緩慢，而鉀主要以陽(yáng)離子的形態(tài)存在，容易釋放。秸稈腐解15 d，4種營(yíng)養(yǎng)元素累積釋放率從大到小依次是鉀>磷>氮≈碳。

圖5 水稻秸稈腐解過程中養(yǎng)分的釋放Fig.5 The release of nutrient in the process of rice straw decomposition

根據(jù)水稻秸稈中各養(yǎng)分在最佳條件下的殘留動(dòng)態(tài)，用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，結(jié)果(圖6)顯示，碳、氮、磷的相關(guān)系數(shù)分別為0.903 5、0.869 7和0.866 4，說明擬合方程線性良好，鉀的相關(guān)系數(shù)為0.680 7，相關(guān)性較低，說明用該模型模擬鉀殘留率變化規(guī)律的準(zhǔn)確度不高。

圖6 養(yǎng)分腐解動(dòng)態(tài)Fig.6 The dynamic decomposition of nutrient

用一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)，表1顯示，腐解過程中碳和氮的降解半衰期相同，均為16.120 d，磷降解半衰期稍短于碳和氮，為15.753 d，鉀的降解半衰期最短，為5.415 d。本次試驗(yàn)的養(yǎng)分釋放特征與牛怡[14]、戴志剛等[15]的試驗(yàn)結(jié)果相同，而且也與武際等[16]關(guān)于腐解過程中養(yǎng)分釋放率的結(jié)果(鉀>磷>氮≈碳)吻合。

表1 各養(yǎng)分一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 討 論

水稻秸稈中含有大量有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素，將其作為還田肥料，對(duì)改善中國(guó)養(yǎng)分失調(diào)的土壤有著深遠(yuǎn)意義。本試驗(yàn)通過建立土壤-水溶液體系，模擬一系列的自然條件，從而掌握了水稻秸稈在自然環(huán)境中的腐解規(guī)律。

溫度的升高對(duì)秸稈腐解有促進(jìn)作用，但過高的溫度會(huì)抑制秸稈的腐解。隨著水土比的增加，腐解率上升，但當(dāng)水土比高于最優(yōu)值后，腐解進(jìn)程就會(huì)被抑制。腐稈劑對(duì)水稻秸稈腐解也具有促進(jìn)作用，但也有一個(gè)最優(yōu)用量，過多亦會(huì)對(duì)腐解有所抑制。以上試驗(yàn)結(jié)果均表明，外界環(huán)境對(duì)腐解過程有較大影響。

水稻秸稈是微生物(如細(xì)菌、真菌和放線菌)很好的食物來源。通過微生物分解，秸稈轉(zhuǎn)化成微生物所需的營(yíng)養(yǎng)成分。水稻在自然堆肥和誘導(dǎo)堆肥過程中，會(huì)產(chǎn)生木質(zhì)纖維降解放線菌，用于降解水稻秸稈，進(jìn)而增強(qiáng)土壤肥力。秸稈腐解過程中存在一個(gè)復(fù)雜的微生物系統(tǒng)，里面含有多個(gè)菌種分泌的酶系，秸稈在多種菌種作用下降解。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中微生物群落具有多樣性特點(diǎn)，多種微生物產(chǎn)生多種酶系，共同使秸稈降解。穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)使得各種微生物在降解過程中發(fā)揮獨(dú)特作用。從腐解率變化情況來看，外部條件的改變也使得微生物的種群數(shù)量發(fā)生改變，從而影響秸稈腐解率。

在溫度30 ℃，水土比為 3∶1(質(zhì)量比)，腐稈劑用量為0.5 g的最佳腐解條件下，對(duì)秸稈腐解的試驗(yàn)結(jié)果用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，得到碳、氮、磷、鉀的降解半衰期分別為16.120 d、16.120 d、15.753 d、5.415 d，但鉀在該模型下的相關(guān)性偏低，可以嘗試用更適合的模型進(jìn)行表征。以累積釋放率作為測(cè)定指標(biāo)，腐解過程中各元素的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為前期較快，后期緩慢，累積釋放率表現(xiàn)為鉀>磷>氮≈碳。在元素測(cè)定方法的選擇上，碳和氮的累積釋放率用灼燒失重法和凱氏定氮法容易產(chǎn)生誤差，可以考慮用元素分析法，也可以改變測(cè)定指標(biāo)，研究腐解過程中菌落的變化情況或者纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的變化。

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