外源氮肥、磷钾肥对棉秸秆堆腐的影响

王志方 ，王小武 ，李晨华 ，古丽努尔·艾合买提，代金平,

陈 竞1 ，谢玉清1，冯 蕾1， 杨新平1

(1.新疆农科院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室，乌鲁木齐 830091；2.中科院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国最大的棉花主产区和重要商品棉生产基地，2018年新疆皮棉总产量511.1×104t[1]，占全国总产量的83.8%。按皮棉谷草比5.02计算，2018年新疆棉秸秆产量为2 565.7×104t，数量巨大。 棉花秸秆中富含纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白等营养元素，经过适当的处理如堆腐、发酵、高温惰化、热解气化等，即可成为肥料、基质材料、能源材料等一系列的可持续能源，新疆棉秸秆在肥料化、基质化利用等潜力巨大。棉秸秆是一种含有大量木质纤维素的秸秆，但是与软茎秸秆如麦秆、稻秆、玉米秆等相比又具有特殊特征, 其茎秆的组织结构与木材类似, 是一种木质化程度高 、韧皮纤维丰富的硬秸秆[2,3]。棉秸秆的这种特殊结构导致其在自然条件下降解速度缓慢。为了提高棉秸秆的利用效率, 有必要解决棉秆的快速降解问题。研究外源添加物对棉秸秆堆腐过程的影响，可以为棉秸秆肥料化、基质化的高效利用提供科学依据。【前人研究进展】研究显示，添加氮素如畜禽粪便、尿素可以促进秸秆腐解。朱远芃等[4]在小麦秸秆中添加尿素后进行腐解，在70 d时比自然腐解多降解了4%。马想等[5]在玉米秸秆还田过程中，通过调节施氮过程的碳氮比，发现在一定范围内氮肥用量越大，养分释放率也越大。黄婷苗等[6]研究施氮对小麦生长期内还田玉米秸秆腐解的影响，发现从小麦播种到越冬期，施用氮肥但可促进秸秆中磷的释放，灌浆到成熟期，氮肥使秸秆碳的释放显著增加。氮素对棉秸秆腐解也具有促进作用。周亚飞等[7]在棉秸秆中添加腐熟菌和新鲜羊粪堆腐后，棉秸秆的总降解率以及粗纤维降解率均有提高；张晔等[8]将鸡粪和尿素作为外源氮肥添加到棉秸秆进行堆腐，可以显著降低棉秸秆的总孔隙度；刘岳贞等[9]以牛粪为调理剂加入棉渣中，可以加速物料升温，提高主发酵温度，缩短发酵时间。高威威等[10]采用牛粪和棉秆的不同质量比进行发酵处理 ，在允许的范围内，随着粪肥添加量的增加，发酵产物的腐殖化度增加。孙凯宁等[11]通过调节棉秆的碳氮比和添加微生物菌剂，可以促进棉秆的腐熟。【本研究切入点】目前对秸秆腐解的研究主要集中在小麦、水稻、玉米秸秆，棉秸腐解研究报道较少。单施尿素、磷钾肥对棉秸秆堆腐影响的报道，涉及棉秸秆纤维成分降解分析的报道都很少。研究外源氮肥、磷钾肥对棉秸秆堆腐的影响。【拟解决的关键问题】采用网袋堆腐的方法，分析棉秸秆堆腐过程中棉秸秆的失重率，棉秸秆纤维素、半纤维素、木质素的降解速率，分析尿素、磷酸二氢钾对棉秸秆堆腐的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

棉秸秆来自新疆吐鲁番棉花产区， 尿素、磷酸二氢钾购自新疆鼎枫科技有限公司；纤维素、半纤维素、木质素含量测定试剂盒购自苏州铭科生物技术有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 棉秸秆堆腐

棉秸秆自然干燥后粉碎成4～5 cm长度，称取10 kg，加入自来水至含水量为 70% 后拌匀，堆成直径80 cm，高度60 cm的小堆，表面覆盖塑料布减少水分蒸发；同时称取拌匀后的棉秸秆20.0 g装入100目尼龙网袋，扎口后埋于棉堆中，在通风的室内进行堆腐。

试验共设3个处理：(1)CK，棉秸秆自然堆腐；(2)TN，棉秸秆中加入10%尿素作为氮肥处理；(3)TPK，棉秸秆中加入3.5%磷酸二氢钾作为磷钾肥处理。每个处理进行3个重复试验，每个重复放置4个尼龙网袋。在试验开始后的7、14、21和28 d翻堆，添加适量水分使含水量维持在70%，每次翻堆时随机取出1个网袋测定棉秸秆干重、纤维素、半纤维素、木质素含量。

1.2.2 堆腐过程中棉秸秆失重率计算

每次取样时随机从秸秆堆中选取1个网袋，用水冲洗网袋粘附的杂物，在 70℃下烘干，称重，计算秸秆累积失重率。将棉秸秆堆腐过程分为4个阶段，堆腐初期(0～7 d)、中期(7～14 d)、后期(14～21 d)、末期(21～28 d)，由累积失重率计算阶段失重率。

累积失重率=(腐解td后的秸秆干重(g)-秸秆原始干重(g))/秸秆原始干重(g)×100；

阶段失重率=(累积失重率t1+7(g)-累积失重率t1(g))/累积失重率t1(g)×100。

(1)

(1)式中累积失重率t1+7、累积失重率t1分别为秸秆堆腐过程中2次相邻取样时的累积失重率。

1.2.3 纤维成分测定

纤维素为β-葡萄糖残基组成的多糖，在酸性条件下加热能分解成β-葡萄糖。β-葡萄糖在强酸作用下，可脱水生成β-糠醛类化合物。 β-糠醛类化合物与蒽酮脱水缩合，生成糠醛衍生物。颜色的深浅可间接定量测定纤维素含量。半纤维素测定原理：半纤维素经酸处理后转化成还原糖，与DNS生成红棕色物质，在540 nm有特征吸收峰，吸光值大反映了半纤维素含量。

木质素中的酚羟基发生乙酰化后在280 nm处有特征吸收峰，280 nm 的吸光值高低与木质素含量呈正相关。采用苏州铭科生物技术有限公司纤维素、半纤维素、木质素含量测定试剂盒进行。

纤维素、半纤维素、木质素累积降解率及阶段降解率计算：

累积降解率=((腐解td后的秸秆纤维成分含量(mg/g)-纤维成分原始含量(mg/g))/纤维成分原始含量(mg/g)×100；

阶段降解率=(累积降解率t1+7-累积降解率t1)累积降解率t1/×100。

(2)

(2)式中，累积降解率t1+7、累积降解率t1分别为秸秆堆腐过程中2次相邻取样的样品纤维成分累积降解率。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office2010和SPSS20.0整理并分析处理数据，涉及的图形均采用WPS2016进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同处理下棉秸秆失重率变化

研究表明，棉秸秆堆腐末期时TN的累积失重率最高，为68.23%，比CK的累积失重率增加了6.7%；TPK的累积失重率59.91%，比CK的棉秸秆失重率减少了6.3%。尿素能够提高棉秸秆的降解程度。磷酸二氢钾降低了棉秸秆的累积失重率。图1

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图1 棉秸秆堆腐累积失重率变化
Fig.1 Trends of cumulative weight loss rate of cotton straw decomposition

研究表明，棉秸秆堆腐的阶段失重率，TN始终处于上升趋势，TN的棉秸秆在堆腐全程处于加速降解的状态；但是TN在堆腐前期的失重率要低于CK和TPK。CK和TPK的棉秸秆阶段失重率在堆腐中期发生明显降低，之后再缓慢上升。秆堆腐后、末期时，3种处理的阶段失重率均呈上升趋势，至末期时，3种处理的失重率是4个阶段中最高的。TN阶段失重率最高，达到37.37%，比CK增加了25.74%，比TPK增加了30.62%。TPK的阶段失重率始终低于CK，磷钾肥可降低棉秸秆质量减轻的速度。图2

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图2 棉秸秆堆腐阶段失重率变化
Fig.2 Trends of period weight loss rate of cotton straw decomposition

2.2 不同处理下纤维素降解变化

研究表明，棉秸秆堆腐末期，TN的纤维素累积降解率最高47.95%，比CK的17.23%增加了178.29%；TPK比CK增加了47.82%。纤维素阶段降解率显示，3种处理的纤维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。图3，图4

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图3 棉秸秆堆腐纤维素累积降解率变化
Fig. 3 Trends of cumulative cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图4 棉秸秆堆腐纤维素阶段降解率变化
Fig. 4 Trends of period cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.3 不同处理下半纤维素降解变化

研究表明，至堆腐末期，TN和TPK的累积降解率为49%，比CK高出40.6%。3种处理的阶段降解率在堆腐初期最高，为24.04%、28.15%、40.80%，占全过程降解率的68%、56.9%、83.03%，中期的阶段降解率降低至1%～2%，至后期，CK的阶段降解率缓慢上升至4%～5%，并维持至堆腐末期；TPK的阶段降解率至末期才上升至6.87%。半纤维素的降解主要发生在堆腐前期。图5，图6

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图5 棉秸秆堆腐半纤维素累积降解率变化
Fig. 5 Trends of cumulative hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图6 棉秸秆堆腐半纤维素阶段降解率变化
Fig. 6 Trends of period hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.4 不同处理下木质素降解变化

研究表明，至堆腐末期，TN的木质素累积降解率为24.02%，比CK提高9.13%；TPK为35.14%，比CK提高59.65%。3种处理的木质素阶段降解率，TN和TPK在堆腐中期时已达到总降解率的90.47%、87.24%，此时CK的降解率为75%。木质素的降解主要发生在堆腐前期和中期。图7，图8

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图7 棉秸秆堆腐木质素累积降解率变化
Fig. 7 Trends of cumulative lignin degradation rate of during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸秆自然堆腐；TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图8 棉秸秆堆腐木质素阶段降解率变化
Fig. 8 Trends of period lignin degradation rate during cotton straw decomposition

2.5 氮肥和磷钾肥对3种纤维成分降解率比较

研究表明，棉秸秆堆腐过程中分别添加氮肥和磷钾肥后，与自然堆腐相比，对3种纤维成分降解率的提高比例不同。氮肥对纤维素降解的提高比例要显著高于木质素，磷酸二氢钾；磷钾肥对木质素的降解提高比例要高于纤维素；二者对半纤维素降解的提高比例基本一致。添加氮肥有利于纤维素的降解，而磷钾肥更有利于木质素的分解，二者都能显著提高半纤维素的降解。图9

注：TN：棉秸秆+尿素堆腐；TPK：棉秸秆+磷酸二氢钾堆腐

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

图9 尿素和磷酸二氢钾处理对棉秸秆中3种纤维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 讨 论

棉秸秆自然堆腐过程中失重率表现出先快后慢，这与一般情况下秸秆腐解先快后慢的规律吻合[12]。添加尿素后，腐解前期的失重率下降，表现出与CK不同的降解规律，造成这种现象的原因可能是添加氮肥后，使棉秸秆C/N降低，对棉秸秆中土著微生物菌群产生影响，菌群经过调整后适应新的C/N，对棉秆降解功能逐渐恢复。添加10%的尿素对棉秸秆的腐解有一定的促进作用，但是没有显著变化。目前的研究结果表明，增加氮肥对秸秆腐解速率的影响不尽相同，Grandy 等[13]研究不同施氮量下小麦秸秆和玉米秸秆的腐解规律，结果表明，秸秆腐解速率不受施氮量的影响，朱远芃等[4]研究了小麦秸秆添加尿素的腐解情况，发现外源氮肥通过提高水解酶活性加速小麦秸秆腐解。张姗等[14]发现随着施氮量增加，秸秆腐解和养分释放率增加。李帆等[15]采用尿素硝酸铵溶液作为氮素调理剂可有效降低小麦秸秆堆肥C/N 比，促进小麦秸秆腐解。闫超等[16]、孙继梅等[17]研究表明，秸秆还田后，一部分碳被矿化分解为 CO2释放进入大气同时释放矿质养分是为矿化过程；其余部分在植物根系和微生物作用下经过分解逐步转化成为腐殖质在土壤中积累。磷钾肥造成失重率降低，原因可能是以下2种：一是磷钾肥抑制了微生物作用，使得降解速率下降；二是磷钾肥的加入可能改变了微生物菌群的功能，加强了秸秆腐殖化过程，从3种纤维成分的降解率可以发现磷钾肥是能促进3种纤维成分的降解，所以造成失重率降低的原因更倾向于第二种，这有待后续进行进一步验证。

10%尿素和3.5%磷钾肥均能促进棉秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的降解。尿素对纤维素的降解率提高178.29%，木质素的降解率提高9%，这与其他报道有差异。Whittinghill等[18]研究发现外源氮素的投入可以促进纤维素的腐解比例为9%，然而木质素的腐解率却降低了 30%。周世兴等[19]模拟氮沉降对华西雨屏区天然常绿阔叶林凋落物木质素和纤维素降解的影响，结果显示，氮沉降抑制了凋落叶木质素和纤维素的降解 ；李仁洪等[20]模拟沉降对华西雨屏区慈竹林凋落物分解的影响，结果显示，氮沉降促进了木质素和纤维素的降解。Limpens J等[21]发现凋落物本身碳源质量太差，使得分解者不能对外加氮作用产生反应。不同材质所含碳源的差异，可能是造成添加氮素后棉秸秆与其它植物秸秆纤维素、木质素降解趋势不同的原因。

4 结 论

4.1 添加氮肥和磷钾肥均能促进棉秸秆堆腐的降解程度，添加氮肥堆腐的棉秸秆比自然堆腐的棉秸秆，累积失重率提高6.7%；添加磷钾肥堆腐的棉秸秆比自然堆腐的棉秸秆，累积失重率降低了6.3%。添加氮肥后棉秸秆的降解速率在堆腐初期最高低，而自然堆腐和添加磷钾肥处理的棉秸秆降解速率在堆腐初期最快，中期有显著下降，之后缓慢上升。

4.2 添加氮肥和磷钾肥均能提高棉秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的降解程度。与自然堆腐相比，氮肥对棉秸秆纤维素的降解提高178.29%，磷钾肥对棉秸秆对棉秸秆纤维素的降解提高47.82%；氮肥和磷钾肥对棉秸秆半纤维素的降解提高40.6%；氮肥对棉秸秆木质素的降解提高9.13%，磷钾肥对棉秸秆木质素的降解提高59.6%。纤维素降解最快阶段，添加氮肥是出现在堆腐末期，磷钾肥是出现在堆腐后期，CK是出现在前期和中期。半纤维素降解最快阶段，3种处理都是在堆腐前期。木质素降解最快阶段则都出现在堆腐前期和中期。