外源氮肥、磷鉀肥對棉秸稈堆腐的影響

王志方 ，王小武 ，李晨華 ，古麗努爾·艾合買提，代金平,

陳 競1 ，謝玉清1，馮 蕾1， 楊新平1

(1.新疆農(nóng)科院微生物應(yīng)用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；2.中科院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國最大的棉花主產(chǎn)區(qū)和重要商品棉生產(chǎn)基地，2018年新疆皮棉總產(chǎn)量511.1×104t[1]，占全國總產(chǎn)量的83.8%。按皮棉谷草比5.02計(jì)算，2018年新疆棉秸稈產(chǎn)量為2 565.7×104t，數(shù)量巨大。 棉花秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白等營養(yǎng)元素，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砣缍迅?、發(fā)酵、高溫惰化、熱解氣化等，即可成為肥料、基質(zhì)材料、能源材料等一系列的可持續(xù)能源，新疆棉秸稈在肥料化、基質(zhì)化利用等潛力巨大。棉秸稈是一種含有大量木質(zhì)纖維素的秸稈，但是與軟莖秸稈如麥稈、稻稈、玉米稈等相比又具有特殊特征, 其莖稈的組織結(jié)構(gòu)與木材類似, 是一種木質(zhì)化程度高 、韌皮纖維豐富的硬秸稈[2,3]。棉秸稈的這種特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在自然條件下降解速度緩慢。為了提高棉秸稈的利用效率, 有必要解決棉稈的快速降解問題。研究外源添加物對棉秸稈堆腐過程的影響，可以為棉秸稈肥料化、基質(zhì)化的高效利用提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究顯示，添加氮素如畜禽糞便、尿素可以促進(jìn)秸稈腐解。朱遠(yuǎn)芃等[4]在小麥秸稈中添加尿素后進(jìn)行腐解，在70 d時(shí)比自然腐解多降解了4%。馬想等[5]在玉米秸稈還田過程中，通過調(diào)節(jié)施氮過程的碳氮比，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)氮肥用量越大，養(yǎng)分釋放率也越大。黃婷苗等[6]研究施氮對小麥生長期內(nèi)還田玉米秸稈腐解的影響，發(fā)現(xiàn)從小麥播種到越冬期，施用氮肥但可促進(jìn)秸稈中磷的釋放，灌漿到成熟期，氮肥使秸稈碳的釋放顯著增加。氮素對棉秸稈腐解也具有促進(jìn)作用。周亞飛等[7]在棉秸稈中添加腐熟菌和新鮮羊糞堆腐后，棉秸稈的總降解率以及粗纖維降解率均有提高；張曄等[8]將雞糞和尿素作為外源氮肥添加到棉秸稈進(jìn)行堆腐，可以顯著降低棉秸稈的總孔隙度；劉岳貞等[9]以牛糞為調(diào)理劑加入棉渣中，可以加速物料升溫，提高主發(fā)酵溫度，縮短發(fā)酵時(shí)間。高威威等[10]采用牛糞和棉稈的不同質(zhì)量比進(jìn)行發(fā)酵處理 ，在允許的范圍內(nèi)，隨著糞肥添加量的增加，發(fā)酵產(chǎn)物的腐殖化度增加。孫凱寧等[11]通過調(diào)節(jié)棉稈的碳氮比和添加微生物菌劑，可以促進(jìn)棉稈的腐熟?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對秸稈腐解的研究主要集中在小麥、水稻、玉米秸稈，棉秸腐解研究報(bào)道較少。單施尿素、磷鉀肥對棉秸稈堆腐影響的報(bào)道，涉及棉秸稈纖維成分降解分析的報(bào)道都很少。研究外源氮肥、磷鉀肥對棉秸稈堆腐的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用網(wǎng)袋堆腐的方法，分析棉秸稈堆腐過程中棉秸稈的失重率，棉秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解速率，分析尿素、磷酸二氫鉀對棉秸稈堆腐的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉秸稈來自新疆吐魯番棉花產(chǎn)區(qū)， 尿素、磷酸二氫鉀購自新疆鼎楓科技有限公司；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量測定試劑盒購自蘇州銘科生物技術(shù)有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 棉秸稈堆腐

棉秸稈自然干燥后粉碎成4～5 cm長度，稱取10 kg，加入自來水至含水量為 70% 后拌勻，堆成直徑80 cm，高度60 cm的小堆，表面覆蓋塑料布減少水分蒸發(fā)；同時(shí)稱取拌勻后的棉秸稈20.0 g裝入100目尼龍網(wǎng)袋，扎口后埋于棉堆中，在通風(fēng)的室內(nèi)進(jìn)行堆腐。

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理：(1)CK，棉秸稈自然堆腐；(2)TN，棉秸稈中加入10%尿素作為氮肥處理；(3)TPK，棉秸稈中加入3.5%磷酸二氫鉀作為磷鉀肥處理。每個(gè)處理進(jìn)行3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，每個(gè)重復(fù)放置4個(gè)尼龍網(wǎng)袋。在試驗(yàn)開始后的7、14、21和28 d翻堆，添加適量水分使含水量維持在70%，每次翻堆時(shí)隨機(jī)取出1個(gè)網(wǎng)袋測定棉秸稈干重、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量。

1.2.2 堆腐過程中棉秸稈失重率計(jì)算

每次取樣時(shí)隨機(jī)從秸稈堆中選取1個(gè)網(wǎng)袋，用水沖洗網(wǎng)袋粘附的雜物，在 70℃下烘干，稱重，計(jì)算秸稈累積失重率。將棉秸稈堆腐過程分為4個(gè)階段，堆腐初期(0～7 d)、中期(7～14 d)、后期(14～21 d)、末期(21～28 d)，由累積失重率計(jì)算階段失重率。

累積失重率=(腐解td后的秸稈干重(g)-秸稈原始干重(g))/秸稈原始干重(g)×100；

階段失重率=(累積失重率t1+7(g)-累積失重率t1(g))/累積失重率t1(g)×100。

(1)

(1)式中累積失重率t1+7、累積失重率t1分別為秸稈堆腐過程中2次相鄰取樣時(shí)的累積失重率。

1.2.3 纖維成分測定

纖維素為β-葡萄糖殘基組成的多糖，在酸性條件下加熱能分解成β-葡萄糖。β-葡萄糖在強(qiáng)酸作用下，可脫水生成β-糠醛類化合物。 β-糠醛類化合物與蒽酮脫水縮合，生成糠醛衍生物。顏色的深淺可間接定量測定纖維素含量。半纖維素測定原理：半纖維素經(jīng)酸處理后轉(zhuǎn)化成還原糖，與DNS生成紅棕色物質(zhì)，在540 nm有特征吸收峰，吸光值大反映了半纖維素含量。

木質(zhì)素中的酚羥基發(fā)生乙?；笤?80 nm處有特征吸收峰，280 nm 的吸光值高低與木質(zhì)素含量呈正相關(guān)。采用蘇州銘科生物技術(shù)有限公司纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量測定試劑盒進(jìn)行。

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素累積降解率及階段降解率計(jì)算：

累積降解率=((腐解td后的秸稈纖維成分含量(mg/g)-纖維成分原始含量(mg/g))/纖維成分原始含量(mg/g)×100；

階段降解率=(累積降解率t1+7-累積降解率t1)累積降解率t1/×100。

(2)

(2)式中，累積降解率t1+7、累積降解率t1分別為秸稈堆腐過程中2次相鄰取樣的樣品纖維成分累積降解率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office2010和SPSS20.0整理并分析處理數(shù)據(jù)，涉及的圖形均采用WPS2016進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下棉秸稈失重率變化

研究表明，棉秸稈堆腐末期時(shí)TN的累積失重率最高，為68.23%，比CK的累積失重率增加了6.7%；TPK的累積失重率59.91%，比CK的棉秸稈失重率減少了6.3%。尿素能夠提高棉秸稈的降解程度。磷酸二氫鉀降低了棉秸稈的累積失重率。圖1

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖1 棉秸稈堆腐累積失重率變化
Fig.1 Trends of cumulative weight loss rate of cotton straw decomposition

研究表明，棉秸稈堆腐的階段失重率，TN始終處于上升趨勢，TN的棉秸稈在堆腐全程處于加速降解的狀態(tài)；但是TN在堆腐前期的失重率要低于CK和TPK。CK和TPK的棉秸稈階段失重率在堆腐中期發(fā)生明顯降低，之后再緩慢上升。稈堆腐后、末期時(shí)，3種處理的階段失重率均呈上升趨勢，至末期時(shí)，3種處理的失重率是4個(gè)階段中最高的。TN階段失重率最高，達(dá)到37.37%，比CK增加了25.74%，比TPK增加了30.62%。TPK的階段失重率始終低于CK，磷鉀肥可降低棉秸稈質(zhì)量減輕的速度。圖2

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖2 棉秸稈堆腐階段失重率變化
Fig.2 Trends of period weight loss rate of cotton straw decomposition

2.2 不同處理下纖維素降解變化

研究表明，棉秸稈堆腐末期，TN的纖維素累積降解率最高47.95%，比CK的17.23%增加了178.29%；TPK比CK增加了47.82%。纖維素階段降解率顯示，3種處理的纖維素降解速率在堆腐末期最快，其中TN的降解率比CK和TPK都高出近4倍。圖3，圖4

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖3 棉秸稈堆腐纖維素累積降解率變化
Fig. 3 Trends of cumulative cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖4 棉秸稈堆腐纖維素階段降解率變化
Fig. 4 Trends of period cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.3 不同處理下半纖維素降解變化

研究表明，至堆腐末期，TN和TPK的累積降解率為49%，比CK高出40.6%。3種處理的階段降解率在堆腐初期最高，為24.04%、28.15%、40.80%，占全過程降解率的68%、56.9%、83.03%，中期的階段降解率降低至1%～2%，至后期，CK的階段降解率緩慢上升至4%～5%，并維持至堆腐末期；TPK的階段降解率至末期才上升至6.87%。半纖維素的降解主要發(fā)生在堆腐前期。圖5，圖6

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖5 棉秸稈堆腐半纖維素累積降解率變化
Fig. 5 Trends of cumulative hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖6 棉秸稈堆腐半纖維素階段降解率變化
Fig. 6 Trends of period hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.4 不同處理下木質(zhì)素降解變化

研究表明，至堆腐末期，TN的木質(zhì)素累積降解率為24.02%，比CK提高9.13%；TPK為35.14%，比CK提高59.65%。3種處理的木質(zhì)素階段降解率，TN和TPK在堆腐中期時(shí)已達(dá)到總降解率的90.47%、87.24%，此時(shí)CK的降解率為75%。木質(zhì)素的降解主要發(fā)生在堆腐前期和中期。圖7，圖8

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖7 棉秸稈堆腐木質(zhì)素累積降解率變化
Fig. 7 Trends of cumulative lignin degradation rate of during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖8 棉秸稈堆腐木質(zhì)素階段降解率變化
Fig. 8 Trends of period lignin degradation rate during cotton straw decomposition

2.5 氮肥和磷鉀肥對3種纖維成分降解率比較

研究表明，棉秸稈堆腐過程中分別添加氮肥和磷鉀肥后，與自然堆腐相比，對3種纖維成分降解率的提高比例不同。氮肥對纖維素降解的提高比例要顯著高于木質(zhì)素，磷酸二氫鉀；磷鉀肥對木質(zhì)素的降解提高比例要高于纖維素；二者對半纖維素降解的提高比例基本一致。添加氮肥有利于纖維素的降解，而磷鉀肥更有利于木質(zhì)素的分解，二者都能顯著提高半纖維素的降解。圖9

注：TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖9 尿素和磷酸二氫鉀處理對棉秸稈中3種纖維成分降解率提高比例
Fig.9 Proportion of degradation rate of three fiber components in cotton straw treated by urea and potassium dihydrogen phosphate

3 討 論

棉秸稈自然堆腐過程中失重率表現(xiàn)出先快后慢，這與一般情況下秸稈腐解先快后慢的規(guī)律吻合[12]。添加尿素后，腐解前期的失重率下降，表現(xiàn)出與CK不同的降解規(guī)律，造成這種現(xiàn)象的原因可能是添加氮肥后，使棉秸稈C/N降低，對棉秸稈中土著微生物菌群產(chǎn)生影響，菌群經(jīng)過調(diào)整后適應(yīng)新的C/N，對棉稈降解功能逐漸恢復(fù)。添加10%的尿素對棉秸稈的腐解有一定的促進(jìn)作用，但是沒有顯著變化。目前的研究結(jié)果表明，增加氮肥對秸稈腐解速率的影響不盡相同，Grandy 等[13]研究不同施氮量下小麥秸稈和玉米秸稈的腐解規(guī)律，結(jié)果表明，秸稈腐解速率不受施氮量的影響，朱遠(yuǎn)芃等[4]研究了小麥秸稈添加尿素的腐解情況，發(fā)現(xiàn)外源氮肥通過提高水解酶活性加速小麥秸稈腐解。張姍等[14]發(fā)現(xiàn)隨著施氮量增加，秸稈腐解和養(yǎng)分釋放率增加。李帆等[15]采用尿素硝酸銨溶液作為氮素調(diào)理劑可有效降低小麥秸稈堆肥C/N 比，促進(jìn)小麥秸稈腐解。閆超等[16]、孫繼梅等[17]研究表明，秸稈還田后，一部分碳被礦化分解為 CO2釋放進(jìn)入大氣同時(shí)釋放礦質(zhì)養(yǎng)分是為礦化過程；其余部分在植物根系和微生物作用下經(jīng)過分解逐步轉(zhuǎn)化成為腐殖質(zhì)在土壤中積累。磷鉀肥造成失重率降低，原因可能是以下2種：一是磷鉀肥抑制了微生物作用，使得降解速率下降；二是磷鉀肥的加入可能改變了微生物菌群的功能，加強(qiáng)了秸稈腐殖化過程，從3種纖維成分的降解率可以發(fā)現(xiàn)磷鉀肥是能促進(jìn)3種纖維成分的降解，所以造成失重率降低的原因更傾向于第二種，這有待后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

10%尿素和3.5%磷鉀肥均能促進(jìn)棉秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解。尿素對纖維素的降解率提高178.29%，木質(zhì)素的降解率提高9%，這與其他報(bào)道有差異。Whittinghill等[18]研究發(fā)現(xiàn)外源氮素的投入可以促進(jìn)纖維素的腐解比例為9%，然而木質(zhì)素的腐解率卻降低了 30%。周世興等[19]模擬氮沉降對華西雨屏區(qū)天然常綠闊葉林凋落物木質(zhì)素和纖維素降解的影響，結(jié)果顯示，氮沉降抑制了凋落葉木質(zhì)素和纖維素的降解 ；李仁洪等[20]模擬沉降對華西雨屏區(qū)慈竹林凋落物分解的影響，結(jié)果顯示，氮沉降促進(jìn)了木質(zhì)素和纖維素的降解。Limpens J等[21]發(fā)現(xiàn)凋落物本身碳源質(zhì)量太差，使得分解者不能對外加氮作用產(chǎn)生反應(yīng)。不同材質(zhì)所含碳源的差異，可能是造成添加氮素后棉秸稈與其它植物秸稈纖維素、木質(zhì)素降解趨勢不同的原因。

4 結(jié) 論

4.1 添加氮肥和磷鉀肥均能促進(jìn)棉秸稈堆腐的降解程度，添加氮肥堆腐的棉秸稈比自然堆腐的棉秸稈，累積失重率提高6.7%；添加磷鉀肥堆腐的棉秸稈比自然堆腐的棉秸稈，累積失重率降低了6.3%。添加氮肥后棉秸稈的降解速率在堆腐初期最高低，而自然堆腐和添加磷鉀肥處理的棉秸稈降解速率在堆腐初期最快，中期有顯著下降，之后緩慢上升。

4.2 添加氮肥和磷鉀肥均能提高棉秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解程度。與自然堆腐相比，氮肥對棉秸稈纖維素的降解提高178.29%，磷鉀肥對棉秸稈對棉秸稈纖維素的降解提高47.82%；氮肥和磷鉀肥對棉秸稈半纖維素的降解提高40.6%；氮肥對棉秸稈木質(zhì)素的降解提高9.13%，磷鉀肥對棉秸稈木質(zhì)素的降解提高59.6%。纖維素降解最快階段，添加氮肥是出現(xiàn)在堆腐末期，磷鉀肥是出現(xiàn)在堆腐后期，CK是出現(xiàn)在前期和中期。半纖維素降解最快階段，3種處理都是在堆腐前期。木質(zhì)素降解最快階段則都出現(xiàn)在堆腐前期和中期。