红外光谱结合热重法对3种作物秸秆腐解特征的分析

摘要：【目的】通过模拟试验明确3种作物秸秆腐解过程中的物质结构变化规律，为烟田秸秆的合理利用提供理论依据。【方法】以烟草、油菜和水稻3种作物秸秆为研究对象，采用尼龙网袋法模拟腐解180 d，应用傅里叶红外光谱及热重（TG）分析研究3种作物秸秆在干湿交替和淹水2种土壤水分条件下的腐解特性差异。【结果】3种作物秸秆在180 d时腐解率达55.69%～69.39%，表现为水稻秸秆gt;油菜秸秆gt;烟草秸秆；同一秸秆在2种土壤水分条件下的腐解率表现为干湿交替处理gt;淹水处理，但差异较小。红外光谱分析结果显示3种作物秸秆的官能团组成存在一定的相似性，在3420、2920、1640、1380、1050和610 cm-1处共有吸收峰，但在某些特征吸收峰和吸收峰相对强度呈现差异，表明这些吸收峰所对应的物质及含量有所不同。烟草秸秆的1640 cm-1/2920 cm-1和1640 cm-1/1050 cm-1相对强度比值最大，芳香族化合物含量相对较高。随着腐解的进行，3种作物秸秆红外光谱吸收峰及其相对强度发生变化，碳水化合物、酰胺化合物和脂肪族化合物逐步分解，生成了碳酸盐、铵盐、硝酸盐和羧酸盐等，水稻秸秆中元素硅逐步释放形成二氧化硅和硅酸盐。TG分析显示，3种作物秸秆TG-微商热重（DTG）曲线上200～400℃阶段的失重率达55.00%以上，是秸秆挥发分析出的主要阶段。200～400℃和600～700℃阶段失重率分别以油菜秸秆（58.71%）和烟草秸秆（6.38%）最大，水稻秸秆900℃残留质量百分比最高（23.17%）。腐解末期（180 d）3种作物秸秆的固定碳百分比和挥发分质量分数差异显著（Plt;0.05），但同一作物秸秆在不同水分条件下差异不显著（Pgt;0.05）；其中，水稻秸秆固定碳百分比最高（平均值17.32%），挥发分质量分数最低，而油菜秸秆挥发分质量分数较高，固定碳百分比最低，平均值为11.69%。【结论】红外光谱结合热重法可对模拟还田秸秆的降解状况进行分析，其中烟草秸秆较难腐解，水稻秸秆还田更有利于增加土壤有机碳含量。

关键词：作物秸秆；腐解特性；红外光谱分析；热重分析

中图分类号：S141.1文献标志码：A文章编号：2095-1191（2024）09-2591-11

Decomposition characteristics of 3 crop straws based on the infrared spectroscopy combined with thermogravimetry

CHEN Li-juan1，ZHANG Jin-xiu1，FAN Wei1，SU Gui-rong1，LI Wei-peng2，XIE Hui-ling3，LI Yu2，ZHOU Xi-xin1*

（1Key Laboratory of Tobacco Science and Health，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2China Tobacco Jiangsu Industrial Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210019，China；3Baoshan Company，Yunnan Tobacco Company，Baoshan，Yunnan 678000，China）

Abstract：【Objective】Simulated experiments were conducted to clarify the structural characteristics of organic sub-stances of three crop straws during the decomposition process so as to provide theoretical basis for rational utilization of tobacco field straws.【Method】Using tobacco，rape，and rice straws as research objects，the nylon mesh bag method wasused to simulate decomposition for 180 d.Fourier transform infrared spectroscopy and thermogravimetric（TG）analysis were applied to study the differences in decomposition characteristics of the three crop straws under two soil moisture con‐ditions of dry wet alternation and flooding.【Result】The decomposition rate of three straws at 180 d reached 55.69%to 69.39%，with rice strawgt;rape strawgt;tobacco straw.The decomposition rate of the same straw under two different soil moisture conditions showed wet dry alternation treatmentgt;flooding treatment，but the difference was small.There were similarities in the functional group composition of the three crop straws，sharing absorption peaks at 3420，2920，1640，1380，1050，and 610 cm-1 revealed by infrared spectroscopy analysis.However，the relative intensities of some characte-ristic absorption peaks and absorption peaks were varied，showing that the corresponding material and content of these ab‐sorption peaks were different.The ratio of relative intensities of 1640 cm-1/2920 cm-1 and 1640 cm-1/1050 cm-1 in tobacco straw were the highest，indicating a higher content of aromatic compounds of tobacco straw.As the decomposition pro‐gressed，the infrared spectrum characteristic absorption peaks and their relative intensities of the three straws changed.Carbohydrates，amide compounds and aliphatic compounds gradually decomposed to form carbonates，ammonium salts，nitrates and carboxylates.The element silicon in rice straw was released to form silicon dioxide and silicates.The TG-DTG curve analysis showed that the weight loss during the 200-400℃stage of the three straws reached over 55.00%，which was the main stage for the release of volatile matter from straw.The maximum weight loss during the stages of 200-400℃and 600-700℃were found in rape straw（58.71%）and tobacco straw（6.38%）respectively，while the residual mass percentage at 900℃of rice straw was the highest（23.17%）.At the late decomposition stage（180 d），there were significant differences in the content percentage of fixed carbon and volatile matter of the three straws（rlt;0.05），while there was no significant difference in the same crop straw under two different soil moisture conditions（rgt;0.05）.Among them，rice straw had the highest fixed carbon percentage，reaching 17.32%，with the lowest volatile matter percentage.The volatile matter percentage of rape straw was relatively high，with the lowest fixed carbon percentage average of 11.69%.【Conclusion】Infrared spectroscopy combined with thermogravimetry can be used to analyze the degradation sta‐tus of simulated returning straw to the field.Tobacco straw is more difficult to decompose，while returning rice straw to the field is more conducive to increasing soil organic carbon content.

Key words：crop straws；decomposition characteristic；infrared spectrum analysis；thermogravimetric analysis

Foundation items：Hunan Natural Science Foundation（2021JJ30333）；Outstanding Youth Project of Hunan Educa‐tion Department（21B0185）；Science and Technology Project of Baoshan company of Yunnan Tobacco Company（2021 530000242013）；Science and Technology Project of China Tobacco Jiangsu Industry Co.，Ltd.（2024kjc-yc006）

0引言

【研究意义】烟草是我国主要的经济作物之一，在南方地区普遍采用轮作种植，烟田秸秆生物量大，如何有效处理成为一大难题（黄新杰等，2012；刘晓永和李书田，2017）。秸秆中含有大量有机物和植物生长必需的营养元素，目前秸秆还田已成为主要的资源化利用方式（张国等，2017），可改善土壤结构、增强土壤供磷潜力和优化农田生态环境，实现农业生产的良性循环和绿色发展（Zhang et al.，2016；吴杉等，2022；张旭等，2023）。秸秆主要化学组分在土壤中的分解转化，是影响秸秆还田最终效果的关键。因此，对不同还田作物秸秆的物质结构及其在土壤中的腐解特性进行研究十分必要，可为该地区秸秆还田技术的确定提供理论依据，并促进农业秸秆的循环利用。【前人研究进展】近年来，国内外学者针对秸秆还田开展了大量研究。秸秆在土壤中的腐解可分为快速腐解期、缓慢腐解期和停滞期3个阶段（Ma etal.，1999；戴志刚等，2010）。秸秆腐解速度受秸秆中有机碳、木质素、纤维素、半纤维素、多酚类物质及氮、磷、钾等营养元素的影响（陈尚洪，2008；Malhi etal.，2011；Liu et al.，2021；李然等，2023），其中有机碳主导秸秆的腐解（Cai et al.，2018），而纤维素和半纤维素相较于木质素而言，更容易被微生物分解（王娜等，2020）。Sun等（2021）研究表明，随着秸秆降解时间的延长，秸秆中的纤维素和半纤维素分解速度在前期（0～60 d）较快，后期（60～240 d）逐渐减慢；而木质素的分解速度在前期（0～30 d）较慢，在中后期（30～240 d）相对较快。张鑫（2022）研究发现，在腐解后期，秸秆中易降解组分逐渐减少，高度难分解物质（如木质素、蜡质、单宁等）逐渐增加，进而降低了秸秆腐解速率。碳氮比和水分灌溉模式也是关键影响因素，前者影响秸秆分解速率和微生物活性（闫轶文，2023），后者决定秸秆腐解过程与养分释放规律（曾莉等，2020）。大豆秸秆由于具有远低于玉米秸秆的碳氮比，其腐解速率通常较快（张红等，2014；张学林等，2019）；张斯梅等（2023）的研究结果表明，干湿交替的灌溉模式能有效促进水稻分蘖期前小麦秸秆的腐解，从而提高土壤养分含量。也有研究发现，将缓释肥施用与干湿交替灌溉技术相结合，不仅能促进水稻产量增加，还可显著提高水分的利用效率（Cao et al.，2021）。Wang等（2022）深入研究4种作物（水稻、小麦、玉米和油菜）秸秆的分解过程及养分释放特性，发现不同秸秆类型的碳氮比和红外特征峰差异会影响秸秆的分解速率及养分释放特性。Liu等（2023）研究表明，不同的秸秆还田措施会以不同方式影响秸秆腐烂的代谢过程，从而影响土壤功能和生产力的变化。【本研究切入点】目前关于还田秸秆在土壤中的分解转化机制研究较少，本课题组前期针对南方常见的烤烟轮作体系中3种作物（烟草、油菜和水稻）秸秆的腐解和养分释放特性进行了初步探索（陈丽鹃等，2021），但秸秆腐解过程中形成的中间产物复杂且难分离。热重（TG）分析能确定秸秆残体中各组分的百分含量及稳定性，傅里叶红外光谱技术测定快速、操作简便，用于秸秆化学结构的差异分析（孟凡会和吴霞，2012），而利用红外光谱结合热重法对秸秆腐解过程的物质结构变化分析鲜有报道。【拟解决的关键问题】以南方烟田常见的3种轮作作物（烟草、油菜和水稻）秸秆为研究对象，采用尼龙网袋法，在前期研究基础上将TG分析和傅里叶红外光谱分析应用于秸秆腐解过程，研究3种作物秸秆的腐解特性差异和物质结构变化规律，以期为烟田秸秆的合理利用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤为棕壤土，采自湖南农业大学耘园基地烤烟—水稻轮作试验地耕层，晚稻收获后采集。土壤基本理化性质：pH 6.15，有机质22.98 g/kg，全氮1.31 g/kg，碱解氮122.35 mg/kg，全磷0.60 g/kg，速效磷32.96 mg/kg，全钾6.34 g/kg，速效钾147.12 mg/kg。供试作物（烟草、油菜和水稻）秸秆采自湖南农业大学各教学科研基地，将新鲜的秸秆洗净后风干，处理为2～3 cm小段。秸秆样品的基本性质见表1。

1.2试验方法

试验于2020—2021年在湖南农业大学烟草研究院温室进行，采用尼龙网袋法，将秸秆置于70 cm×45 cm×20 cm的塑料盆中腐解（每盆装入供试土壤40 kg），设3种秸秆类型（烟草秸秆S1、油菜秸秆S2、水稻秸秆S3）及2种土壤水分条件（干湿交替M1、淹水M2）共6个处理（S1M1、S2M1、S3M1、S1M2、S2M2和S3M2），每处理1盆，每盆埋入网袋18个；即分别称取2～3 cm的3种供试秸秆25 g装入200目尼龙网袋（15 cm×25 cm）并封口，将网袋竖直插入塑料盆中，并用土掩埋，加水至土壤完全淹没。M2淹水处理保持盆中有3 cm左右的水层，M1干湿交替处理则先保持淹水状态（1～2 cm水层），自然蒸发至土壤表面有明显裂纹时再复水循环。在腐解第0、15、30、60、120和180 d时，每处理各取3袋，冲洗干净泥浆后60℃烘干至恒重，称重计算各处理秸秆的腐解率，然后粉碎过100目筛取样进行傅里叶红外光谱分析和TG分析。

腐解率（%）=（m0-mt）/m0×100

式中，m0为装入的秸秆干重（g），mt为腐解t时的秸秆干重（g），t为腐解时间（d）。

1.3检测分析

1.3.1傅里叶红外光谱分析采用溴化钾压片法，称取1.0 mg秸秆样品与100 mg光谱纯溴化钾粉，均用玛瑙研钵磨至微米级细粉，将其混合均匀后在红外干燥箱中烘3 min，用压片机制成薄片，使用ALPHA傅里叶红外光谱仪（德国Bruker公司）进行分析，光谱扫描范围4000～400 cm-1。红外光谱数据采用Thermo Scientific OMNICTM 8.2软件进行处理，参考文献（吕贻忠等，2009；Huang et al.，2017）对红外光谱图中主要光谱吸收峰进行定性和半定量分析，计算主要吸收峰的相对强度，即某一波段相对强度（%）=该波段吸光度/各出峰波段吸光度之和×100，对3种秸秆不同腐解时期的红外光谱图进行比较分析。

1.3.2 TG分析使用TGA2热重分析仪［梅特勒托利多科技（中国）有限公司］，称取约5.0 mg秸秆样品，采用氮气氛围进行热解分析，气体流量20 mL/min，起始温度40℃，升温速率20℃/min，最后升至1000℃。根据温度和样品质量的变化得到TG和微商热重（DTG）曲线，DTG表示质量变化率与温度的函数关系（%/℃）。利用仪器自带的软件可计算出秸秆中挥发分质量分数（Rv）和固定碳百分比（Rc）。

Rv（%）=R1+R2+R3

Rc（%）=Rr-Ra

式中，R1为TG曲线中200～300℃阶段的失重率，R2为TG曲线中300～400℃阶段的失重率，R3为TG曲线中600～700℃阶段的失重率，Rr为TG曲线中900℃残留质量百分比，Ra为秸秆灰分质量分数（通过马弗炉加热测得）。

1.4统计分析

采用Excel 2010和SPSS 17.0进行数据整理和统计分析，以Origin 2021制图。

2结果与分析

2.1 3种作物秸秆在2种土壤水分条件下腐解率的变化规律

从图1可看出，6个处理秸秆的腐解率在前期上升迅速，0～30 d为快速腐解期，30 d腐解率以水稻秸秆（S3M1、S3M2）最高，分别为55.41%和53.52%；油菜秸秆（S2M1、S2M2）和烟草秸秆（S1M1、S1M2）0～15 d时腐解率上升较快，15～30 d腐解率相对变缓，30 d时腐解率均达45.00%以上。30～180 d为缓慢腐解期，S1M1、S1M2、S2M1、S2M2、S3M1和S3M2处理秸秆180d腐解率分别为57.96%、55.69%、62.25%、60.91%、69.39%和66.04%，表现为水稻秸秆gt;油菜秸秆gt;烟草秸秆，同一秸秆不同土壤水分条件下的腐解率表现为干湿交替处理gt;淹水处理，但差异较小。

2.2 3种作物秸秆腐解过程的红外光谱特征分析结果

2.2.1秸秆原样的红外光谱特征参考文献（吴景贵等，1999；曹莹菲等，2016b），将3种作物秸秆原样红外光谱图（图2）中主要吸收峰及其归属进行总结，详见表2。由图2可知，在3420、2920、1640、1380、1050和610 cm-1处的吸收峰是3种作物秸秆共有，表明3种作物秸秆的官能团组成存在一定的相似性。但在某些特征吸收峰和吸收峰相对强度上有差异，1735和1250 cm-1处的吸收峰为烟草秸秆和油菜秸秆二者共有，油菜秸秆在1425 cm-1处有特征吸收峰；结合表3数据可知，油菜秸秆在3420 cm-1处的吸收峰较烟草秸秆和水稻秸秆更强，烟草秸秆和水稻秸秆在1640和1380 cm-1处的吸收峰较油菜秸秆更强，红外光谱吸收峰相对强度比值（1640 cm-1/2920 cm-1和1640 cm-1/1050 cm-1）以烟草秸秆最大。有研究表明（王帅等，2015；曹莹菲等，2016b），红外光谱吸收峰相对强度之比如1640 cm-1/2920 cm-1、1640 cm-1/1050 cm-1可分别用于表征样品中芳香C与脂族C和多糖C之间的比例关系，从而间接明确各类含碳官能团在样品中的含量之比。因此可推断3种作物秸秆中烟草秸秆的芳香族化合物含量相对较高，较油菜秸秆和水稻秸秆更难腐解。

2.2.2秸秆腐解过程的红外光谱变化分析3种作物秸秆不同腐解时期（0、30、60、120、180 d）的红外光谱变化见图3～图5，秸秆腐解末期（180 d）主要吸收峰的相对强度见表4。可以看出，3种作物秸秆在腐解前后的红外光谱均发生明显变化，吸收峰相对强度及特征吸收峰发生改变，一些特征峰在腐解末期减弱甚至消失，而部分吸收峰相对强度随着腐解的进行呈逐渐增强趋势。

从图3和表4可看出，随着腐解的进行，烟草秸秆在3420、2920、1640、1250和1050 cm-1处吸收峰的相对强度逐渐减弱，表明单糖及多糖类化合物被分解转化，-OH、-CH2等化学基团吸收强度减弱。其中，1640 cm-1处吸收峰在腐解末期变为1640～1610 cm-1处的宽吸收；1735 cm-1处吸收峰相对强度也呈逐渐下降趋势，腐解120 d后该特征峰消失，表明含C=O基团的化合物发生了明显转化；1380 cm-1处吸收峰相对强度随腐解的进行而减弱，腐解30 d开始在1425 cm-1处出现新的吸收峰，且相对强度随腐解时间的延长呈逐渐增强趋势。这标志着秸秆中的碳水化合物、酰胺化合物和脂肪族化合物逐步分解，生成了碳酸盐、铵盐、硝酸盐和羧酸盐等。

从图4和表4可看出，随着腐解的进行，油菜秸秆在3420、2920、1640和1050 cm-1处吸收峰的相对强度逐渐减弱，表明秸秆中的单糖及多糖类化合物被分解转化。与烟草秸秆相同，1640 cm-1处吸收峰在腐解末期变为1640～1610 cm-1处的宽吸收，1735 cm-1处特征峰相对强度随腐解的进行逐渐减弱，直至120 d时消失，表明含C=O基团的化合物变化较明显。1380和1330 cm-1处吸收峰的相对强度随腐解减弱，1250和1425 cm-1处的吸收峰在腐解末期变为宽吸收，且相对强度随腐解的进行逐渐增强。

从图5和表4可看出，随着腐解的进行，水稻秸秆在3420和1640 cm-1处的吸收峰相对强度逐渐减弱；2920 cm-1处吸收峰分裂成2个，60 d时开始在2850 cm-1处出现肩峰，可能是由于降解过程中，大分子碳链断裂所致。1380、1330和1250 cm-1处吸收峰相对强度逐渐减弱，60 d后1250 cm-1处吸收峰消失，在1425 cm-1处出现新的吸收峰，可能是由于含氮化合物降解所致。1050 cm-1处吸收峰则随着腐解的进行向高频移动，腐解后期移至1100 cm-1处。610 cm-1处吸收峰相对强度也随着腐解的进行逐渐减弱，并在805和468 cm-1处出现新的吸收峰，表明秸秆中元素硅逐步释放形成二氧化硅和硅酸盐。

2.3 3种作物秸秆腐解过程的TG分析结果

2.3.1 3种作物秸秆的TG-DTG曲线3种作物秸秆腐解前后的TG-DTG曲线如图6所示，可以看出3种作物秸秆的TG-DTG曲线总体变化趋势相似，分为3个失重阶段：40～150℃、200～400℃和600～700℃。其中，第1阶段的质量损失主要由秸秆样品中的水分蒸发和少量轻质挥发分（乙酸、乙醇等）挥发造成，该阶段具有不稳定性，且3种作物秸秆在该阶段的失重率差异小。

200～400℃阶段TG曲线急剧下降，DTG曲线出现尖锐的失重速率峰，对应峰温为310～350℃（图6）。3种作物秸秆原样热解失重过程重要参数值如表5所示，200～400℃阶段3种作物秸秆的失重率均超55.00%，是作物秸秆挥发分析出的主要阶段；400℃后，3种作物秸秆的失重率趋于缓慢。将200～400℃和600～700℃阶段失重率之和作为秸秆挥发分质量分数，900℃残留物质百分比与灰分百分比之差为固定碳百分比（曹莹菲等，2016a），由表5可知，3种作物秸秆各组分含量存在明显差异，200～400℃阶段失重率以油菜秸秆最大（58.71%），显著高于其余2种秸秆（rlt;0.05，下同）；600～700℃阶段失重率表现为烟草秸秆（6.38%）gt;油菜秸秆（4.61%）gt;水稻秸秆（3.57%），挥发分质量分数以油菜秸秆最大（63.32%）；水稻秸秆900℃残留质量百分比达23.17%，显著高于其余2种秸秆。

对比3种作物秸秆腐解前后的TG-DTG曲线（图6）可看出，秸秆腐解后200～400℃阶段DTG曲线最大失重速率峰明显右移，由秸秆原样的310～320℃变为340～350℃，分别与半纤维素（310℃）和纤维素（355℃）的最大分解速率相对应（侯建伟等，2020）；600～700℃阶段DTG曲线失重速率峰相比腐解前更为尖锐。秸秆腐解前后TG-DTG曲线的变化与3种作物秸秆腐解过程中物质变化有关，200～300℃失重是秸秆中半纤维素分解所致，300～400℃则主要是纤维素分解；木质素的分解温度较宽，在280～900℃均可发生，一部分产生挥发性物质，还有一部分生成固定碳（曹莹菲等，2016a）。

2.3.2秸秆腐解过程中各阶段组分变化3种作物秸秆各阶段失重率及残留质量百分比（由TG-DTG曲线所得）随腐解时间的变化如图7所示，可以看出变化曲线在不同秸秆类型之间呈现明显差异，而同一秸秆不同水分条件处理下重合度较高。

从图7-A可看出，200～300℃阶段3种作物秸秆的失重率随腐解时间的延长逐渐降低，且呈现烟草秸秆gt;油菜秸秆gt;水稻秸秆的规律，此阶段失重主要是半纤维素的热解挥发所致。300～400℃阶段的失重则主要是纤维素的热解挥发，从图7-B可看出，3种作物秸秆300～400℃阶段失重率随着腐解时间的延长逐渐上升，且前期表现为油菜秸秆gt;水稻秸秆gt;烟草秸秆，腐解60d后增长趋于平稳，各处理之间差异缩小，腐解180 d时失重率为40.78%～45.75%。

3种作物秸秆600～700℃阶段失重率随着腐解时间延长的变化趋势如图7-C所示，其中烟草秸秆的失重率无明显变化，整个腐解期均高于油菜秸秆和水稻秸秆，而油菜秸秆和水稻秸秆的失重率均随着腐解的进行呈上升趋势，水稻秸秆的失重率最低。3种作物秸秆900℃残留质量百分比随着腐解时间的延长呈前期上升后期趋于平稳的趋势，烟草秸秆和油菜秸秆残留质量百分比差异小，整个腐解期为13.03%～18.13%，均明显低于水稻秸秆（23.17%～28.23%）（图7-D）。

TG-DTG曲线中的失重主要由水分和挥发分的散失所致，分析挥发分和固定碳对于还田秸秆的物质转化和土壤有机碳累积有一定的参考价值。腐解末期3种作物秸秆的固定碳和挥发分参数值如表6所示，腐解180d后固定碳百分比和挥发分质量分数在不同类型作物秸秆之间差异显著，但同一作物秸秆在不同水分条件下差异不显著（rgt;0.05）；其中水稻秸秆的固定碳百分比最高，平均值为17.32%，挥发分质量分数最低；油菜秸秆与之相反，挥发分质量分数较高，固定碳百分比最低，平均值仅为11.69%。

3讨论

秸秆在土壤中的腐解是一个复杂的过程，腐解速率不仅取决于环境条件，还与秸秆自身的物质组成和存在状态有关。本研究中，3种作物秸秆在180d时腐解率差异明显，表现为水稻秸秆gt;油菜秸秆gt;烟草秸秆。同一秸秆不同土壤水分条件下的腐解率表现为干湿交替处理gt;淹水处理，与武际等（2011）的研究结果相似，土壤干湿交替处理更有利于作物秸秆的腐解，但在本研究中不同水分条件下秸秆腐解率差异小。从化学组成上看，作物秸秆的主要有机成分为纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、糖类、淀粉及脂蜡类化合物等，3种作物秸秆原样的红外光谱特征表现出一定的相似性，在3420、2920、1640、1380、1050和610 cm-1处共有吸收峰，表明烟草、油菜和水稻3种作物秸秆的化学组成及其腐解过程中产生中间产物含有的官能团类型相似。但3种作物秸秆在特征吸收峰及吸收峰相对强度上呈现不同程度的差异，表明这些吸收峰所对应的物质及含量有所不同。由红外光谱图的半定量分析可知，烟草秸秆的1640 cm-1/2920 cm-1和1640 cm-1/1050 cm-1相对强度比值最大，芳香族化合物含量相对较高，更难腐解，与3种作物秸秆的腐解率变化规律相吻合。

根据3种作物秸秆不同腐解时期的红外光谱变化、腐解前后主要吸收峰的相对强度对比及特征吸收峰归属分析可知，3种作物秸秆在3420、2920、1380和1050 cm-1处吸收峰的相对强度随着腐解的进行逐渐减弱，其中位于1380 cm-1处吸收峰的相对强度在腐解180 d后由原样的7.03%～11.98%降至1.51%～4.95%，表明秸秆中碳水化合物、酰胺化合物和脂肪族化合物被逐渐分解转化，使得羟基、甲基和亚甲基等不断减少（曹莹菲等，2016b）。位于1735 cm-1处的吸收峰来自于乙酰基上C=O基团的伸缩振动，是半纤维素区别于其他组分的特征吸收峰（袁诚等，2020），烟草秸秆和油菜秸秆在1735 cm-1处吸收峰相对强度随腐解时间延长逐渐减弱，腐解120d后该峰消失，表明这2种秸秆中半纤维素被严重降解。烟草、油菜和水稻3种作物秸秆在1640 cm-1附近的吸收峰相对强度逐渐减弱，腐解180d后分别由原样的10.16%、8.13%和10.54%降至7.53%、7.43%和9.75%，并在腐解末期变为1640～1610 cm-1处的宽吸收（烟草秸秆和油菜秸秆），标志着木质素的逐步降解以及羧酸盐和腐殖物质的形成（吴景贵等，2006）。烟草秸秆腐解30 d开始在1425 cm-1处出现新的吸收峰，随着腐解的进行3种作物秸秆在1425 cm-1处吸收峰的相对强度不断增强，可能是由于秸秆中含氮化合物分解生成的酰胺类化合物、铵盐和硝酸盐所致，也可能与纤维素和糖类等分解形成的碳酸盐有关。水稻秸秆1100 cm-1处的吸收峰相对强度逐渐增强，腐解后期在805和468 cm-1处出现新的吸收峰，表明含硅化合物发生了转化，是无机物二氧化硅和硅酸盐形成与积累的标志（吴景贵等，1999）。

TG分析表明3种作物秸秆原样200～400℃阶段失重率均达55.0%以上，以油菜秸秆最大，600～700℃阶段失重率表现为烟草秸秆gt;油菜秸秆gt;水稻秸秆，而水稻秸秆900℃残留质量百分比最高。200～400℃阶段是作物秸秆挥发分析出的主要阶段，该阶段失重由半纤维素和纤维素分解所致（曹莹菲等，2016a）；600～700℃阶段失重主要由含苯环结构、热稳定性强的木质素组分分解所贡献（务文涛等，2017）。3种作物秸秆挥发分质量分数以油菜秸秆最大，而水稻秸秆的固定碳百分比最高。由此推断，油菜秸秆中易分解物质成分（如半纤维素等）含量较高，烟草秸秆的难分解物质成分（如木质素）含量较高，稳定性更好，与红外光谱分析结果一致。水稻秸秆900℃残留质量百分比最大，主要是因为作物种类和种植方式不同，水稻种植生长周期相对较短，植株含硅量高，因而相对于烟草秸秆和油菜秸秆，水稻秸秆灰分含量较高、挥发分含量较低（程旭云等，2013）。

秸秆腐解过程中的TG分析结果表明，3种作物秸秆200～300℃阶段失重率均随着腐解的进行逐渐降低，整个腐解期呈现烟草秸秆gt;油菜秸秆gt;水稻秸秆的规律。300～400℃阶段失重率则随着腐解时间延长逐渐升高，前期表现为油菜秸秆gt;水稻秸秆gt;烟草秸秆，后期增长趋于平稳。这是因为秸秆中的半纤维素等易被微生物分解利用，腐解后期半纤维素降低或消失。烟草秸秆和油菜秸秆在200～300℃阶段的失重率高于水稻秸秆，表明秸秆中主要造成该阶段失重的物质（如半纤维素等）在烟草秸秆和油菜秸秆中含量较高；但整个腐解期水稻秸秆处理200～300℃阶段失重率下降幅度最大，表明水稻秸秆中半纤维素等降解更充分。这与3种作物秸秆腐解率的变化规律相吻合，烟草秸秆和油菜秸秆因其碳氮比较低且易腐解物质含量相对较高，有利于微生物的活动，故0～15 d腐解更快，而水稻秸秆30和180 d腐解率最高。3种作物秸秆600～700℃阶段失重率随腐解进行的变化趋势表明，随着腐解时间的延长，易分解物质已被微生物利用殆尽，秸秆中的木质素等难分解成分所占比重逐渐上升。其中油菜秸秆和水稻秸秆600～700℃阶段失重率随着腐解的进行呈上升趋势，烟草秸秆的失重率始终最高，整个腐解期变化不明显。秸秆在土壤中腐解，一部分碳被微生物分解释放，另一部分则残留在土壤中。本研究中，3种作物秸秆腐解末期的固定碳百分比和挥发分质量分数差异明显，水稻秸秆的固定碳百分比最高，挥发分质量分数最低；而油菜秸秆的挥发分质量分数较高，固定碳百分比最低。本课题组前期研究发现，烟草、油菜和水稻3种作物秸秆的添加均可提高植烟土壤有机碳含量和腐殖化程度，其中水稻秸秆固碳减排效果最佳（陈丽鹃等，2019）。本研究结果也间接表明3种作物秸秆中，水稻秸秆还田较烟草秸秆和油菜秸秆还田更有利于增加土壤有机碳含量、起到补土壤碳短板的作用。

4结论

红外光谱结合热重法可对模拟还田秸秆的降解状况进行分析，其中烟草秸秆较难腐解，水稻秸秆还田更有利于增加土壤有机碳含量。

参考文献（References）：

曹莹菲，张红，刘克，吕家珑.2016a.不同处理方式的作物秸秆田间腐解特性研究［J］.农业机械学报，47（9）：212-219.［Cao Y F，Zhang H，Liu K，LüJ L.2016a.Decompo-sition characteristics of crop residues among different agri-cultural treatments［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，47（9）：212-219.］doi：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.030.

曹莹菲，张红，赵聪，刘克，吕家珑.2016b.秸秆腐解过程中结构的变化特征［J］.农业环境科学学报，35（5）：976-984.［Cao Y F，Zhang H，Zhao C，Liu K，LüJ L.2016b.Changes of organic structures of crop residues during decomposition［J］.Journal of Agro-Environment Science，35（5）：976-984.］doi：10.11654/jaes.2016.05.023.

陈丽鹃，陈闺，周冀衡，闫晨兵，柳立，李强，张毅.2021.烟田秸秆腐解特性及其腐解液对烟草疫霉菌的影响［J］.中国烟草科学，42（1）：33-39.［Chen L J，Chen G，Zhou J H，Yan C B，Liu L，Li Q，Zhang Y.2021.Decomposition cha-racteristics of three crop straws and the effects of their decomposed liquids on Phytophthora nicotianae［J］.Chi-nese Tobacco Science，42（1）：33-39.］doi：10.13496/j.issn.1007-5119.2021.01.006.

陈丽鹃，周冀衡，柳立，张毅，李强，张一扬，陈闺.2019.不同秸秆对植烟土壤有机碳矿化和腐殖质组成的影响［J］.中国烟草科学，40（5）：8-14.［Chen L J，Zhou J H，Liu L，Zhang Y，Li Q，Zhang Y Y，Chen G.2019.Effects of dif-ferent crop straws on organic carbon mineralization and humus composition of tobacco-growing soil［J］.Chinese Tobacco Science，40（5）：8-14.］doi：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.05.002.

陈尚洪.2008.还田秸秆腐解特征及其对稻田土壤碳库的影响研究［D］.雅安：四川农业大学.［Chen S H.2008.Study on decomposition characteristics of straw return to soil and its effect on different available carbons［D］.Ya’an：Sichuan Agricultural University.］

程旭云，牛智有，晏红梅，刘梅英.2013.基于工业分析指标的生物质秸秆热值模型构建［J］.农业工程学报，29（11）：196-202.［Cheng X Y，Niu Z Y，Yan H M，Liu M Y.2013.Building of calorific value model of straw biomass based on industrial analysis indexes［J］.Transactions of the Chi-nese Society of Agricultural Engineering，29（11）：196-202.］doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.11.025.

戴志刚，鲁剑巍，李小坤，鲁明星，杨文兵，高祥照.2010.不同作物还田秸秆的养分释放特征试验［J］.农业工程学报，26（6）：272-276.［Dai Z G，Lu J W，Li X K，Lu M X，Yang W B，Gao X Z.2010.Nutrient release characteristic of dif-ferent crop straws manure［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，26（6）：272-276.］doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.047.

侯建伟，邢存芳，邓小梅，陈芬，刘敏，王祖华，李泰君，胡玉玲.2020.不同作物秸秆加工制成生物质炭的理化性质比较研究［J］.土壤通报，51（1）：130-135.［Hou J W，Xing C F，Deng X M，Chen F，Liu M，Wang Z H，Li T J，Hu Y L.2020.Physical and chemical properties of different straw biochars［J］.Chinese Journal of Soil Science，51（1）：130-135.］doi：10.19336/j.cnki.trtb.2020.01.17.

黄新杰，屠乃美，李艳芳，周娟，易镇邪，李宇威，李淼，罗富林.2012.湖南省烟稻轮作区土壤养分的空间变异特征［J］.中国烟草科学，33（3）：13-16.［Huang X J，Tu N M，Li Y F，Zhou J，Yi Z X，Li Y W，Li M，Luo F L.2012.Spa-tial variability of nutrient contents of tobacco and paddysoil in Hunan Province［J］.Chinese Tobacco Science，33（3）：13-16.］doi：10.3969/j.issn.1007-5119.2012.03.003.

李然，徐明岗，孙楠，王晋峰，王斐，李建华.2023.不同碳氮比下秸秆腐解与养分释放的动力学特征［J］.中国农业科学，56（11）：2118-2128.［Li R，Xu M G，Sun N，Wang J F，Wang F，Li J H.2023.Dynamics characteristic of straw decomposition and nutrient release under different C/N ratio［J］.Scientia Agricultura Sinica，56（11）：2118-2128.］doi：10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.007.

刘晓永，李书田.2017.中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征［J］.农业工程学报，33（21）：1-19.［Liu X Y，Li S T.2017.Temporal and spatial distribution characteristics of crop straw nutrient resources and returning to farmland in China［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricul-tural Engineering，33（21）：1-19.］doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.001.

吕贻忠，丛巍巍，廉晓娟.2009.不同耕作措施对黑土腐殖酸组成与红外光谱特性的影响［J］.光谱学与光谱分析，29（10）：2642-2645.［LüY Z，Cong W W，Lian X J.2009.Effect of different tillage managements on black humicfractions and IR spectral feature［J］.Spectroscopy and Spe-ctral Analysis，29（10）：2642-2645.］doi：10.3964/j.issn.1000-0593（2009）10-2642-04.

孟凡会，吴霞.2012.农作物秸秆红外指纹图谱双指标序列分析［J］.分析科学学报，28（2）：233-236.［Meng F H，Wu X.2012.Infrared fingerprint spectra of straw with dual-index sequence analysis［J］.Journal of Analytical Science，28（2）：233-236.］

王娜，李萍，宗毓铮，张东升，郝兴宇.2020.不同还田方式下北方旱作小麦秸秆腐解规律研究［J］.核农学报，34（7）：1613-1619.［Wang N，Li P，Zong Y Z，Zhang D S，Hao X Y.2020.Study on the decomposition mechanism of wheat straw on rain-fed croplands in northern China under diffe-rent patterns of straw returning practice［J］.Journal of Nu-clear Agricultural Sciences，34（7）：1613-1619.］doi：10.11869/j.issn.100-8551.2020.07.1613.

王帅，窦森，张溪，崔艳杰，王婷.2015.纤维素菌体残留物提取类腐殖质的红外光谱研究［J］.光谱学与光谱分析，35（12）：3397-3401.［Wang S，Dou S，Zhang X，Cui Y J，Wang T.2015.FTIR spectroscopic analysis of humic-likesubstances extracted from the microbial residues［J］.Spec-troscopy and Spectral Analysis，35（12）：3397-3401.］doi：10.3964/j.issn.1000-0593（2015）12-3397-05.

吴景贵，王明辉，万忠梅，姜亦梅，吴江.2006.玉米秸秆腐解过程中形成胡敏酸的组成和结构研究［J］.土壤学报，43（3）：443-451.［Wu J G，Wang M H，Wan Z M，Jiang Y M，Wu J.2006.Chemical composition and structure of humic acid from composted corn stalk residue［J］.Acta Pedo-logica Sinica，43（3）：443-451.］doi：10.11766/trxb200501 310313.

吴景贵，席时权，曾广赋，汪冬梅，姜岩，王明辉.1999.玉米秸秆腐解过程的红外光谱研究［J］.土壤学报，36（1）：91-100.［Wu J G，Xi S Q，Zeng G F，Wang D M，Jiang Y，Wang M H.1999.Study on decomposed corn stalk residue by fourier transform infrared spectroscopy［J］.Acta Pedo-logica Sinica，36（1）：91-100.］doi：10.11766/trxb 1997070 20113.

吴杉，王克勤，宋娅丽，陈炳绅，温昌焘，裴益乐，代立.2022.秸秆堆沤还田对红壤烤烟农田生态系统磷素盈亏的影响［J］.南方农业学报，53（6）：1595-1603.［Wu S，Wang K Q，Song Y L，Chen B S，Wen C T，Pei Y L，Dai L.2022.Effects of straw compost retting on phosphorus balance of flue-cured tobacco farmland ecosystem in red soil［J］.Jour-nal of Southern Agriculture，53（6）：1595-1603.］doi：10.3969/j.issn.2095-1191.2022.06.013.

武际，郭熙盛，王允青，许征宇，鲁剑巍.2011.不同水稻栽培模式和秸秆还田方式下的油菜、小麦秸秆腐解特征［J］.中国农业科学，44（16）：3351-3360.［Wu J，Guo X S，Wang Y Q，Xu Z Y，Lu J W.2011.Decomposition charac-teristics of rapeseed and wheat straws under different rice cultivations and straw mulching models［J］.Scientia Agri-cultura Sinica，44（16）：3351-3360.］doi：10.3864/j.issn.0578-1752.2011.16.007.

务文涛，李志华，赵贝贝.2017.烟杆废物热解动力学研究［J］.生物质化学工程，51（5）：41-48.［Wu W T，Li Z H，Zhao B B.2017.Kinetic study of tobacco stem wastepyrolysis［J］.Biomass Chemical Engineering，51（5）：41-48.］doi：10.3969/j.issn.1673-5854.2017.05.007.

闫轶文.2023.带状复合种植下小麦秸秆还田对土壤养分与大豆品质的影响［D］.哈尔滨：东北农业大学.［Yan Y W.2023.Effects of wheat straw returning on soil nutrients and soybean quality under strip compound cropping［D］.Harbin：Northeast Agricultural University.］doi：10.27010/d.cnki.gdbnu.2023.000538.

袁诚，翟胜丞，章一蒙，张耀丽.2020.红外光谱结合热重法对考古木材降解状况的分析［J］.光谱学与光谱分析，40（9）：2943-2950.［Yuan C，Zhai S C，Zhang Y M，Zhang Y L.2020.Simple evaluation of the degradation state of archaeological wood based on the infrared spectroscopy combined with thermogravimetry［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，40（9）：2943-2950.］doi：10.3964/j.issn.1000-0593（2020）09-2943-08.

曾莉，张鑫，张水清，王秀斌，梁国庆，周卫，艾超，张跃强.2020.不同施氮量下潮土中小麦秸秆腐解特性及其养分释放和结构变化特征［J］.植物营养与肥料学报，26（9）：1565-1577.［Zeng L，Zhang X，Zhang S Q，Wang X B，Liang G Q，Zhou W，Ai C，Zhang Y Q.2020.Characteris-tics of decomposition，nutrient release and structure change of wheat straw in a fluvo-aquic soil under different nitrogen application rates［J］.Journal of Plant Nutrition and Fertilizers，26（9）：1565-1577.］doi：10.11674/zwyf.20181.

张国，逯非，赵红，杨广斌，王效科，欧阳志云.2017.我国农作物秸秆资源化利用现状及农户对秸秆还田的认知态度［J］.农业环境科学学报，36（5）：981-988.［Zhang G，Lu F，Zhao H，Yang G B，Wang X K，Ouyang Z Y.2017.Resi-due usage and farmers’recognition and attitude towardresidue retention in China’s croplands［J］.Journal of Agro-Environment Science，36（5）：981-988.］doi：10.11654/jaes.2016-1505.

张红，吕家珑，曹莹菲，徐温新.2014.不同植物秸秆腐解特性与土壤微生物功能多样性研究［J］.土壤学报，51（4）：743-752.［Zhang H，LüJ L，Cao Y F，Xu W X.2014.Decomposition characteristics of different plant straws and soil microbial functional diversity［J］.Acta Pedologica Sinica，51（4）：743-752.］doi：10.11766/trxb201311010504.

张斯梅，段增强，顾克军，张传辉，许博.2023.不同水稻灌溉模式和氮肥减量对还田麦秸腐解特性及土壤养分的影响［J］.土壤，55（4）：749-755.［Zhang S M，Duan Z Q，Gu K J，Zhang C H，Xu B.2023.Effects of different rice irri-gation patterns and nitrogen fertilizer reduction on decom-position characteristics of wheat straw and soil nutrients［J］.Soils，55（4）：749-755.］doi：10.13758/j.cnki.tr.2023.04.007.

张鑫.2022.寒旱区玉米秸秆低温降解复合菌系筛选及M44降解机理与应用效果［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学.［Zhang X.2022.Screening on microbial consortium withstraw degradation at low temperature in frigid region and decomposition mechanism and application effect of M44［D］.Hohhot：Inner Mongolia Agricultural University.］doi：10.27229/d.cnki.gnmnu.2022.000058.

张旭，邢思文，吴玉德.2023.不同秸秆还田方式对农田生态环境的影响综述［J］.江苏农业科学，51（7）：31-39.［Zhang X，Xing S W，Wu Y D.2023.Effects of differentstraw returning methods on farmland ecological environ-ment：A review［J］.Jiangsu Agricultural Sciences，51（7）：31-39.］doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2023.07.005.

张学林，周亚男，李晓立，侯小畔，安婷婷，王群.2019.氮肥对室内和大田条件下作物秸秆分解和养分释放的影响［J］.中国农业科学，52（10）：1746-1760.［Zhang X L，Zhou Y N，Li X L，Hou X P，An T T，Wang Q.2019.Effects of nitrogen fertilizer on crop residue decomposition and nu-trient release under lab incubation and field conditions［J］.Scientia Agricultura Sinica，52（10）：1746-1760.］doi：10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.008.

Cai A D，Liang G P，Zhang X B，Zhang W J，Li L，Rui Y C，Xu M G，Luo Y Q.2018.Long-term straw decomposi-tion in agro-ecosystems described by a unified three-exponentiation equation with thermal time［J］.Science of the Total Environment，636：699-708.doi：10.1016/j.scito-tenv.2018.04.303.

Cao X C，Yuan L，Liu X X，Zhu L F，Zhu C Q，Kong Y L，Wu L L，Tian C，Lu R H，Zhang J H，Yu Y J，Jin Q Y.2021.Benefits of controlled-release/stable fertilizers plus biochar for rice grain yield and nitrogen utilization under alterna-ting wet and dry irrigation［J］.European Journal of Agro-nomy，129：126338.doi：10.1016/j.eja.2021.1263387.

Huang R，Lan M L，Liu J，Gao M.2017.Soil aggregate and organic carbon distribution at dryland soil and paddy soil：The role of different straws returning［J］.Environmental Science and Pollution Research，24（36）：27942-27952.doi：10.1007/s 11356-017-0372-9.

Liu J，Zhong Y Q W，Jia X Y，Yan W M，Cao J，Shangguan Z P.2021.Wheat straw decomposition patterns and control factors under nitrogen fertilization［J］.Journal of Soil Science and Plant Nutrition，21（4）：3110-3121.doi：10.1007/S42729-021-00592-Z.

Liu L，Cheng M，Yang L，Gu X Y，Jin J Y，Fu M J.2023.Regu-lation of straw decomposition and its effect on soil func-tion by the amount of returned straw in a cool zone rice crop system［J］.Scientific Reports，13（1）：15673.doi：10.1038/S41598-023-42650-9.

Ma L，Ahuja L R，Shaffer M J，Rojas K W，Peterson G A，Sher-rod L.1999.Decomposition of surface crop residues in long-term studies of dryland agroecosystems［J］.Agronomy Journal，91（3）：401-409.doi：10.2134/agronj 1999.0002196 2009100030008x.

Malhi S S，Nyborg M，Goddard T，Puurveen D.2011.Long-term tillage，straw management and N fertilization effects on quantity and quality of organic C and N in a black cher-nozem soil［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，90：227-241.doi：10.1007/s 10705-011-9424-6.

Sun L，Sun Z X，Hu J，Yaa O K，Wu J G.2021.Decomposition characteristics，nutrient release，and structural changes of maize straw in dryland farming under combined applica-tion of animal manure［J］.Sustainability，13（14）：7609.doi：10.3390/su 13147609.

Wang K K，Hu W S，Xu Z Y，Xue Y H，Zhang Z，Liao S P，Zhang YY，Li X K，Ren T，Cong R H，Lu J W.2022.Sea-sonal temporal characteristics of in situ straw decomposi-tion in different types and returning methods［J］.Journal of Soil Science and Plant Nutrition，22（4）：4228-4240.doi：10.1007/S42729-022-01021-5.

Zhang J G，Bo G D，Zhang Z F，Kong F Y，Wang Y，Shen G M.2016.Effects of straw incorporation on soil nutrients，enzymes，and aggregate stability in tobacco fields of China［J］.Sustainability，8（8）：1-12.doi：10.3390/su8080710.

（责任编辑 罗丽）