水稻秸秆在土壤-水体系中的腐解性能

欧阳家风， 刘峙嵘， 邹 翔

(东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

秸秆通常指水稻、小麦等农作物收获籽实后剩余的茎叶部分，是一种重要的有机肥来源物质。中国作为世界产粮最多的国家之一，秸秆资源产量占到世界总产量的30%以上。秸秆自然腐解的速率缓慢，中国大部分农村地区为了方便下一茬作物的播种和生长，往往选择对秸秆进行焚烧处理[1]。焚烧虽然可以快速处理大量的堆积秸秆，减少农民处置秸秆的费用，但同时也造成了秸秆资源的极大浪费，并引发雾霾等环境问题。江西省作为以水稻种植为主的农业大省，秸秆资源非常丰富[2]。秸秆还田作为目前解决秸秆堆积残留问题的有效措施之一，具有改善土壤理化性质，为土壤微生物(细菌、真菌和放线菌)提供食物来源，并能稳定提高土壤养分含量，对农作物有明显的增产效果[3-6]。而研究水稻秸秆的腐解过程，不仅能指导秸秆还田，同时也会对资源的合理利用和环境的有效治理产生积极影响。

尼龙袋法常用于测定饲料在单胃中的降解率[7]，其使用方式简单，能在特定时间间隔内测定降解率。为了能在腐解的各个阶段简单、快速地从土壤-水体系溶液中分离秸秆，本试验拟以水稻秸秆为对象，采用尼龙袋法处理秸秆样品，通过对不同条件下秸秆腐解后的各项指标进行测定，探索秸秆的腐解规律，以期找出秸秆还田后腐解的最优条件。

1 材料与方法

1.1 样品来源与处理

本试验选用江西省南昌市望城新区某稻田的二季度晚熟水稻秸秆，供试秸秆的主要成分中全碳占49.56%，全氮占0.78%，全磷占0.05%，全钾占1.86%。以均匀取样的方式，抽选适量干净、新鲜的秸秆作为研究对象，烘干，取一定量的干燥秸秆均匀剪成 0.5～1.0 cm的小段，用型号为 15.0 cm×10.0 cm且尺寸为100.0 μm的普通尼龙袋装好备用。

本试验所取的土壤为稻田里的耕层土壤 (0～20.0 cm)，土壤容质量1.97 g/cm3，有机质含量14.20 g/kg，有效氮含量78.60 mg/kg，有效磷含量7.80 mg/kg，有效钾含量62.80 mg/kg。将收集来的土壤置于通风处自然风干，用研钵进行研磨，粉碎，并用孔径为0.5 mm的网筛过筛，直至土壤中无较大颗粒及其他杂物。

1.2 试验设计

本试验通过模拟现实中秸秆腐解的环境，研究不同情况(时间、温度、水土比、腐秆剂用量)下，水稻秸秆在土壤-水体系中的腐解特性和养分释放特征。在一系列容量为500 ml的烧杯中加入不同水土比 (1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，质量比)的土壤溶液，将剪成0.5～1.0 cm小段的5 g秸秆样品用尼龙袋封装后浸入土壤溶液中，然后分别加入一定量的腐秆剂(0 g、0.25 g、0.50 g、0.75 g、1.00 g)，用保鲜膜封口，放入一定温度(20 ℃、30 ℃、40 ℃)的恒温箱中培养一段时间(3 d、6 d、9 d、12 d、15 d)，各试验均进行3组平行试验。腐解过程中每1 d都将装有秸秆的土壤溶液烧杯取出，用电子天平称量记录质量变化，并用去离子水补充损失或者蒸发的水分。腐解结束后，通过对比不同腐解条件下秸秆样品的腐解率来确定最佳的腐解条件，并通过测定全碳、全氮、全磷、全钾的累积释放率来表征其腐解动态。

1.3 测定方法

1.3.1 腐解率 采用失重法[8]测定水稻秸秆的腐解率，腐解结束后用镊子将水稻秸秆样品取出，用水冲洗水稻秸秆样品至滤液呈无色，然后将样品放置在干燥箱中，设置温度为105 ℃，干燥至质量恒定，称量，计算其腐解率。公式如下：

m1：腐解前水稻秸秆样品的质量(g)；m2：腐解后水稻秸秆样品的质量(g)。

1.3.2 碳含量的测定 500 ℃的条件下灼烧水稻秸秆样品4 h，有机质的质量就是灼烧过程损失的质量，而碳的总质量占有机质质量的58%[9]。计算公式如下：

Wc：碳的质量分数(%)；c1：灼烧前水稻秸秆样品的质量(g)；c2：灼烧后水稻秸秆样品的质量(g)。

1.3.3 氮含量的测定 用凯氏定氮法测定氮累积释放率[10]。将腐解后的秸秆样品磨碎，其中95%通过40目筛，装入磨口瓶备用。称取0.1 g试样2份，同时测定样品的含水量。将样品置于25 ml凯氏瓶中，加入1 g加速剂粉末和3 ml硫酸，轻轻摇动凯氏瓶，使试样被硫酸湿润，并倾斜置于电炉上加热消煮，待溶液消煮到无微小碳粒并呈透明的蓝绿色时，继续消煮30 min。再将试样置于50 ml凯氏瓶中，加入0.5 g加速剂和3 ml混液，在凯氏瓶上放1个曲颈小漏斗，倾斜在电炉上加热，继续消煮30 min。消煮液稍冷却后加少量蒸馏水，轻轻摇匀，进行蒸馏处理。蒸馏时将冷凝管末端插到盛有10 ml硼酸指示剂混合液的锥形瓶中，向反应室中加入40%氢氧化钠溶液15 ml，然后通气蒸馏，当馏出液的体积达到约50 ml时，降下锥形瓶，使冷凝管末端离开液面，继续蒸馏 1～2 min，用蒸馏水冲洗冷凝管末端，洗液均需流入锥形瓶中。最后以0.02 mol/L标准盐酸滴定，至锥形瓶中的溶液由蓝绿色变成灰紫色为止，计算总氮含量。计算公式如下：

Wn为氮的质量分数(g/kg)；V1表示滴定时消耗盐酸的量(ml)；V2是空白试验所消耗的盐酸量(ml)；c是盐酸标准液浓度(mol/L)；0.014是氮原子的毫摩尔质量(g/mol)；m3是样品质量(g)。

1.3.4 磷含量的测定 称取烘干磨碎的秸秆样品0.15 g置于消煮管中，加入8 ml浓硫酸，浸泡一晚上。消煮管于360 ℃条件下消煮1 h，稍冷后加入10滴H2O2，消煮20 min后冷却，重复滴加H2O2直至溶液无色或清亮。将消煮液洗入100 ml容量瓶中，用水定容，摇匀，静置。吸取10 ml消煮液于50 ml容量瓶中，加水稀释至30 ml，加二硝基酚指示剂2滴，用氢氧化钠(2.0 mol/L)和硫酸(0.5 mol/L)调节pH至溶液成微黄色，然后加入钼锑抗显色剂5 ml，摇匀，用水定容。放置30 min后，用分光光度计比色(波长700 nm)[11]，以空白溶液为参比液，读取吸收值，在工作曲线上查找出显色液的含磷量。计算公式如下：

Wp为植物磷的质量分数(g/kg)；c3为通过校准曲线或回归方程求得的显色液中磷的质量浓度(mg/L)；V1为消煮液定容体积(ml)；V2为吸取测定的消煮液体积(ml)；V3为显色液体积(ml)；m4为称样量(g)。

1.3.5 钾含量的测定 用火焰光度法测定钾累积释放率。首先是H2SO4-H2O2消煮，其步骤与钼锑抗比色法测定磷累积释放率相同。吸取钾标准液(100 μg/ml)0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分别置于6个100 ml容量瓶中，加入与试样溶液等体积的空白溶液，用水稀释至100 ml，混匀，此系列溶液浓度为100 ml含钾0 mg、0.2 mg、0.4 mg、0.6 mg、0.8 mg、1.0 mg的标准溶液。用空白溶液调节仪器低标旋钮至零点，标准溶液中最高浓度的标液用高标调至约100光强度值处。记录光强度值，从而建立回归曲线方程。按GB/7857规定将称量出的2 g样品制备成试验样品，在250 ml容量瓶中定容，吸取其中1 ml试样溶液于100 ml容量瓶中，用水稀释至100 ml，混匀，在同条件下用火焰光度计分别测定并记录其与钾标溶液的光强度值，最后用回归方程计算出样品的含量。

1.3.6 残留率 残留率=1-累积释放率

2 结果与分析

2.1 腐解时间对秸秆腐解的影响

将试验条件设置为腐解温度20 ℃，水土比 4∶1(质量比)，腐秆剂用量0.5 g，模拟当地水稻秸秆腐解的现实情况，进行不同腐解时间下秸秆样品腐解程度的试验。结果(图1)显示，腐解前3 d秸秆样品的腐解速率非常快，第3 d时腐解率已达到13.2%，腐解到第9 d左右腐解速率逐步变缓，最后趋于稳定，腐解第15 d时腐解率达到24.9%。腐解前期秸秆中丰富的有机物质促进土壤中微生物的繁殖，使得微生物的数量迅速增长，活性大大增强，并产生大量酶，使秸秆质量迅速减少,随着腐解过程进行到后期，秸秆中的有机物质开始减少，微生物代谢速率也开始降低，使得秸秆的腐解速率随之变慢。

图1 腐解时间对秸秆腐解率的影响Fig.1 Effect of time on the decomposition rate of straw

2.2 腐解温度对秸秆腐解的影响

在试验条件为水土比 4∶1(质量比)，腐秆剂用量0.5 g，腐解时间为9 d情况下，进行腐解温度对秸秆腐解影响的试验。结果(图2)显示，腐解温度对秸秆腐解有较大的影响。20 ℃时，腐解率仅有23.1%，30 ℃时，腐解率达到39.4%，40 ℃时，腐解率有所降低，这是因为微生物的代谢、酶的释放及活性影响秸秆腐解速率[12]。腐解温度较低时，微生物代谢缓慢，酶的释放率和活性都较低，使得秸秆腐解率较低。当腐解温度过高时，不耐高温的微生物易被杀死，酶的释放和活性也将被抑制，导致秸秆的腐解率随之降低。本试验中，秸秆腐解的最佳温度为30 ℃。

图2 腐解温度对秸秆腐解率的影响Fig.2 Effect of temperature on the decomposition rate of straw

2.3 水土比对秸秆腐解的影响

在试验条件为腐解温度20 ℃，腐秆剂用量0.5 g，腐解时间为9 d情况下，进行水土比对秸秆腐解影响的试验。结果(图3)显示，秸秆的腐解率随水土比的增加而升高，到达 3∶1(质量比)后，腐解率开始有所下降。由此可以推断，水土比对秸秆腐解具有一定影响，但并不呈正相关，也有临界最优值。水土比过高会影响氧的传递，进而影响微生物活动，还可能造成厌氧环境，影响秸秆的腐解进程。这与李忠义等[13]巴豆秸秆还田试验得出的腐解速率为土埋还田>水淹还田>覆盖还田的结论相类似。本试验中，秸秆腐解最佳水土比为 3∶1(质量比)。

图3 水土比对秸秆样品腐解率的影响Fig.3 Effect of water-soil ratio on the decomposition rate of straw

2.4 腐秆剂用量对秸秆腐解的影响

在试验条件为腐解温度20 ℃，腐解时间为9 d，水土比为 4∶1(质量比)情况下，进行腐秆剂用量对秸秆样品腐解影响的试验。结果(图4)显示，腐秆剂对秸秆腐解能起到一定的促进作用，然而当腐秆剂的用量超过最优值时，秸秆的腐解率有所降低。这是因为腐秆剂多为微生物菌剂，当腐秆剂用量较小时，微生物的数量并不多，无法最大程度使秸秆腐解，而当腐秆剂用量过高时，腐秆剂中的微生物菌则会与土壤微生物竞争秸秆中的营养物质，使得部分微生物因营养不足而死亡，从而影响腐解效率。本试验中，腐秆剂最佳用量为0.50 g。

图4 腐秆剂用量对秸秆腐解率的影响Fig.4 Effect of straw-decomposing inoculant content on decomposition rate of straw

2.5 水稻秸秆腐解过程中养分释放特征及腐解动态

在试验条件为腐解温度30 ℃，水土比为 3∶1(质量比)，腐秆剂用量0.5 g的最佳腐解条件下，测定秸秆在腐解过程中全碳、全氮、全磷和全钾的累积释放率。结果(图5)显示，随着腐解时间的推移，碳、氮、磷养分释放趋势基本保持一致，呈先快后慢的状态。腐解6 d后，碳、氮、磷的累积释放率分别为36.6%、39.4%、40.6%。秸秆中全钾释放速率较其他几种元素有明显差异，前6 d钾元素释放迅速，第6 d时释放率就已达到86.1%，之后变化不明显。主要原因可能是碳、氮、磷主要以有机物形态存在，因此不易分解，释放速率缓慢，而钾主要以阳离子的形态存在，容易释放。秸秆腐解15 d，4种营养元素累积释放率从大到小依次是钾>磷>氮≈碳。

图5 水稻秸秆腐解过程中养分的释放Fig.5 The release of nutrient in the process of rice straw decomposition

根据水稻秸秆中各养分在最佳条件下的残留动态，用一级动力学方程进行拟合，结果(图6)显示，碳、氮、磷的相关系数分别为0.903 5、0.869 7和0.866 4，说明拟合方程线性良好，钾的相关系数为0.680 7，相关性较低，说明用该模型模拟钾残留率变化规律的准确度不高。

图6 养分腐解动态Fig.6 The dynamic decomposition of nutrient

用一级动力学拟合参数，表1显示，腐解过程中碳和氮的降解半衰期相同，均为16.120 d，磷降解半衰期稍短于碳和氮，为15.753 d，钾的降解半衰期最短，为5.415 d。本次试验的养分释放特征与牛怡[14]、戴志刚等[15]的试验结果相同，而且也与武际等[16]关于腐解过程中养分释放率的结果(钾>磷>氮≈碳)吻合。

表1 各养分一级降解动力学参数

3 讨 论

水稻秸秆中含有大量有机质和营养元素，将其作为还田肥料，对改善中国养分失调的土壤有着深远意义。本试验通过建立土壤-水溶液体系，模拟一系列的自然条件，从而掌握了水稻秸秆在自然环境中的腐解规律。

温度的升高对秸秆腐解有促进作用，但过高的温度会抑制秸秆的腐解。随着水土比的增加，腐解率上升，但当水土比高于最优值后，腐解进程就会被抑制。腐秆剂对水稻秸秆腐解也具有促进作用，但也有一个最优用量，过多亦会对腐解有所抑制。以上试验结果均表明，外界环境对腐解过程有较大影响。

水稻秸秆是微生物(如细菌、真菌和放线菌)很好的食物来源。通过微生物分解，秸秆转化成微生物所需的营养成分。水稻在自然堆肥和诱导堆肥过程中，会产生木质纤维降解放线菌，用于降解水稻秸秆，进而增强土壤肥力。秸秆腐解过程中存在一个复杂的微生物系统，里面含有多个菌种分泌的酶系，秸秆在多种菌种作用下降解。生态环境系统中微生物群落具有多样性特点，多种微生物产生多种酶系，共同使秸秆降解。稳定的群落结构使得各种微生物在降解过程中发挥独特作用。从腐解率变化情况来看，外部条件的改变也使得微生物的种群数量发生改变，从而影响秸秆腐解率。

在温度30 ℃，水土比为 3∶1(质量比)，腐秆剂用量为0.5 g的最佳腐解条件下，对秸秆腐解的试验结果用一级动力学方程进行拟合，得到碳、氮、磷、钾的降解半衰期分别为16.120 d、16.120 d、15.753 d、5.415 d，但钾在该模型下的相关性偏低，可以尝试用更适合的模型进行表征。以累积释放率作为测定指标，腐解过程中各元素的变化趋势均表现为前期较快，后期缓慢，累积释放率表现为钾>磷>氮≈碳。在元素测定方法的选择上，碳和氮的累积释放率用灼烧失重法和凯氏定氮法容易产生误差，可以考虑用元素分析法，也可以改变测定指标，研究腐解过程中菌落的变化情况或者纤维素、半纤维素、木质素含量的变化。

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