• ISSN 1008-505X
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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

曾莉 张鑫 张水清 王秀斌 梁国庆 周卫 艾超 张跃强

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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

    作者简介: 曾莉 E-mail:1950960528@qq.com;
    通讯作者: 艾超, E-mail:aichao@caas.cn ; 张跃强, E-mail:levinsky@126.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200502);国家自然科学基金项目(31601829);中国科协青年人才托举工程项目(2017QNRC001)。

Characteristics of decomposition, nutrient release and structure change of wheat straw in a fluvo-aquic soil under different nitrogen application rates

    Corresponding author: AI Chao, E-mail:aichao@caas.cn ;ZHANG Yue-qiang, E-mail:levinsky@126.com
  • 摘要:   【目的】  秸秆腐解与元素转化涉及复杂的生物化学过程,提高土壤氮素水平是加速秸秆腐解和养分释放的关键措施。研究不同施氮水平下潮土中小麦秸秆腐解特性、养分释放特征及其结构组分变化规律,深入了解秸秆腐解过程与机制,为完善作物秸秆还田技术、实现秸秆资源的高效利用及农田可持续发展提供科学依据和技术支撑。  【方法】  本试验点位于河南省原阳县,土壤类型为潮土,种植制度为小麦–玉米轮作,以小麦秸秆为研究对象,设置0 (SN0)、180 (SN1) 和240 (SN2) kg/hm2 3个氮肥用量,进行187天的秸秆包填埋试验,利用超高分辨场发射扫描电镜 (SEM)、固态核磁共振 (13C-NMR) 等方法研究小麦秸秆腐解过程中的养分释放和结构组分动态变化规律。  【结果】  1) 小麦秸秆腐解呈现前期快后期慢的特征,前两周为快速腐解期,该阶段秸秆平均腐解率为46%,整个玉米季 (100天) 秸秆平均腐解率为71%;高氮营养环境对前两周的秸秆腐解率无显著影响;从第二周开始,施用氮肥处理加速了秸秆腐解,SN1和SN2处理秸秆腐解率平均高于SN0处理6个百分点,但SN1和SN2处理间无显著差异;秸秆碳释放率与秸秆腐解率变化趋势基本一致。2) 腐解187天后,秸秆氮磷钾养分最终释放率大小顺序为钾 (96%~97%) > 氮 (52%~86%) > 磷 (29%~45%),其中钾在前两周基本完全释放,而氮、磷释放率在后期有负增长现象。3) 纤维素、半纤维素腐解率与秸秆腐解规律基本一致,均表现出前期快后期慢的特点,而木质素则在中后期腐解较快;纤维素、半纤维素和木质素最终腐解率分别为78%~87%、86%~91%和66%~73%(187天后)。4) 扫描电镜结果显示,小麦秸秆结构逐渐遭到破坏,表面变得粗糙,断层增多,空洞增大,纤维束变得松散,形成近似网状结构;高氮处理下小麦秸秆表观结构受破坏程度大于不施氮处理。5) 核磁共振结果显示,不同有机碳官能团信号强度分布表现为:烷氧碳 (47.02%~60.13%) > 烷基碳 (11.41%~17.38%) > 双烷氧碳 (10.79%~13.31%) > 甲氧基碳/烷氮碳 (7.53%~12.02%) > 芳基碳 (2.70%~7.18%) > 羧基碳 (1.07%~2.60%) > 酚基碳 (0.75%~2.02%);腐解过程中烷基碳、甲氧基碳/烷氮碳、酚基碳和羧基碳相对含量显著增加,而烷氧碳相对含量显著降低。6) 相关分析表明,秸秆残余物所有有机碳官能团均与腐解率、碳释放率有显著或极显著相关性;有机碳官能团中只有烷氧碳、甲氧基碳/烷氮碳与氮释放率有显著相关性;烷氧碳、双烷氧碳与纤维素、半纤维素和木质素腐解率均呈极显著负相关,羧基碳和甲氧基碳/烷氮碳均与木质素腐解率呈现极高的正相关性。  【结论】  施用氮肥能够促进小麦秸秆腐解和碳释放,其效果在秸秆还田两周后才能显现出来;在腐解过程中,秸秆残余物中代表易分解碳水化合物的烷氧碳相对含量随腐解时间延长而不断降低,且占比均高于其它碳官能团,对指示秸秆腐解进程具有重要意义;固态核磁共振技术更有利于监测秸秆腐解过程中不同有机碳官能团结构变化,从而更深刻地认识秸秆腐解机制。
  • 图 1  小麦秸秆腐解率与碳释放率

    Figure 1.  Decomposition rate and carbon release rate of wheat straw

    图 2  小麦秸秆氮累积释放率与C/N值

    Figure 2.  Cumulative nitrogen release rate and C/N of wheat straw

    图 3  小麦秸秆磷钾养分释放率

    Figure 3.  Phosphorus and potassium nutrient release rate of wheat straw

    图 4  小麦秸秆纤维素、半纤维素和木质素腐解率

    Figure 4.  Decomposition rates of wheat straw cellulose, hemicellulose and lignin

    图 5  SN0和SN2处理下不同腐解时间小麦秸秆表面结构的扫描电镜图

    Figure 5.  SEM images of wheat straw surface structure at different days of decomposition under the treatments of SN0 and SN2

    表 1  供试土壤的基本理化性质和供试秸秆的基本养分及纤维素含量

    Table 1.  Basic physiochemical properties of the tested soil and basic nutrients and fiber contents of the tested straw

    土壤类型
    Soil type
    有机碳 (g/kg)
    Organic C
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    pH
    潮土 Fluvo-aquic soil10.81.427.2117.6 8.5
    秸秆种类
    Straw type
    全氮 (%)
    Total N
    全磷 (%)
    Total P
    全钾 (%)
    Total K
    全碳 (%)
    Total C
    纤维素 (%)
    Cellulose
    半纤维素 (%)
    Hemicellulose
    木质素 (%)
    Lignin
    小麦秸秆 Wheat straw0.930.233.2841.8934.41 28.0225.88
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    表 2  小麦秸秆有机碳官能团的相对含量

    Table 2.  Relative contents of organic carbon functional groups in wheat straw

    腐解天数
    Decomposition
    days
    处理
    Treatment
    羧基碳 (%)
    Carbonyl-C
    (160~185)
    酚基碳 (%)
    Phenol-C
    (145~160)
    芳基碳 (%)
    Aryl-C
    (110~145)
    双烷氧碳 (%)
    di-O-Alkyl-C
    (90~110)
    烷氧碳 (%)
    O-Alkyl-C
    (60~90)
    甲氧基碳/烷氮碳 (%)
    Methoxyl-C/N-Alkyl-C
    (45~60)
    烷基碳 (%)
    Alkyl-C
    (0~45)
    0SN01.30 ± 0.39 aB 0.75 ± 0.72 aB 2.70 ± 1.73 a A 13.31 ± 0.54 aA 60.13 ± 4.10 aA 8.19 ± 0.93 aC 11.41 ± 1.44 aB
    SN11.43 ± 0.05 a0.99 ± 0.18 a5.42 ± 2.93 a 12.73 ± 0.49 a57.14 ± 4.44 a 7.93 ± 1.32 a12.65 ± 0.29 a
    SN21.07 ± 0.29 a0.90 ± 0.10 a5.00 ± 1.24 a 12.36 ± 1.40 a58.40 ± 2.26 a 7.53 ± 2.31 a12.66 ± 1.47 a
    7SN01.70 ± 0.35 aAB1.26 ± 0.94 aAB4.22 ± 2.06 b A 11.72 ± 0.64 aAB54.80 ± 4.07 aAB 9.76 ± 0.13 aBC14.45 ± 0.97 aAB
    SN11.84 ± 0.78 a1.12 ± 0.51 a4.54 ± 1.32 ab11.88 ± 0.94 a55.49 ± 1.92 a 9.59 ± 1.01 a15.54 ± 2.25 a
    SN21.67 ± 0.44 a1.24 ± 0.33 a7.18 ± 0.15 a 12.36 ± 0.69 a53.76 ± 4.43 a 8.93 ± 2.07 a15.46 ± 1.98 a
    14SN01.90 ± 0.02 aAB1.75 ± 0.51 aAB6.27 ± 1.53 a A 12.63 ± 0.81 aAB52.76 ± 4.56 aBC 8.75 ± 2.19 aBC14.88 ± 2.69 aAB
    SN11.85 ± 0.60 a1.51 ± 1.11 a4.89 ± 0.95 a 11.79 ± 1.20 a53.21 ± 6.19 a10.04 ± 1.60 a16.71 ± 4.60 a
    SN21.75 ± 0.05 a1.49 ± 0.95 a5.89 ± 1.47 a 12.06 ± 1.10 a51.28 ± 3.89 a 9.25 ± 1.58 a15.72 ± 3.61 a
    62SN02.25 ± 1.04 aA 1.77 ± 1.12 aA 5.67 ± 0.85 a A 11.44 ± 1.56 aB 52.62 ± 5.85 aBC10.07 ± 2.39 aAB16.19 ± 3.00 aAB
    SN12.11 ± 0.55 a1.97 ± 0.87 a6.39 ± 2.22 a 11.52 ± 1.77 a50.56 ± 8.37 a10.38 ± 2.09 a16.65 ± 4.90 a
    SN21.82 ± 0.30 a1.35 ± 0.45 a5.48 ± 1.31 a 10.79 ± 1.79 a50.29 ± 6.27 a11.56 ± 2.30 a16.63 ± 3.66 a
    187SN02.60 ± 0.09 aA1.93 ± 0.19 aA 6.00 ± 2.41 a A 11.72 ± 2.34 aAB51.04 ± 7.70 aC 11.07 ± 2.17 aA 16.81 ± 4.37 aA
    SN12.29 ± 0.24 b2.02 ± 0.09 a6.29 ± 1.70 a 11.53 ± 1.85 a47.02 ± 5.11 b11.27 ± 2.61 a17.38 ± 6.87 a
    SN22.13 ± 0.17 b1.47 ± 0.63 a5.94 ± 2.41 a 12.16 ± 0.36 a48.72 ± 3.34 b12.02 ± 0.76 a15.16 ± 1.81 a
    注(Note):表中数据均为小麦秸秆测定数据的平均值 ± 标准差;数据后不同小写字母表示同一时期不同处理之间差异显著 (P < 0.05);数据后不同大写字母表示两因素方差分析 (时期和处理) 不同时期之间的显著差异 (P < 0.05)。Data in the table are the average value of the measured data of wheat straw ± standard deviation. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same period at the 0.05 level, and different capital letters indicate significant difference among different periods of the two-factor analysis of variance (period and treatment) at the 0.05 level.
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    表 3  小麦秸秆有机碳官能团与腐解率、碳释放率、氮释放率及纤维素、半纤维素、木质素腐解率之间的相关性

    Table 3.  Correlation among organic carbon functional groups of wheat straw and decomposition rate, carbon release rate, nitrogen release rate and decomposition rate of cellulose, hemicellulose and lignin

    有机碳官能团
    Organic carbon functional group
    腐解率
    Decomposition rate
    碳释放率
    C release rate
    氮释放率
    N release rate
    腐解率 Decomposition rate
    纤维素
    Cellulose
    半纤维素
    Hemicellulose
    木质素
    Lignin
    羧基碳 Carbonyl-C0.867**0.878**0.430NS0.619**0.903**0.900**
    酚基碳 Phenol-C0.853**0.857**0.441NS0.654**0.860**0.842**
    芳基碳 Aryl-C0.584*0.566*0.330NS0.332NS0.488NS0.773**
    双烷氧碳 di-O-Alkyl-C−0.682**−0.689**−0.397NS−0.766**−0.659**−0.671**
    烷氧碳 O-Alkyl-C−0.932**−0.918**−0.735**−0.814**−0.935**−0.910 **
    甲氧基碳/烷氮碳 Methoxyl-C/N-Alkyl-C0.910**0.921**0.586**0.645**0.857**0.914**
    烷基碳 Alkyl-C0.785**0.799**0.459NS0.894**0.814**0.828**
    注(Note):* —P < 0.05;**—P < 0.01;NS—不显著Not significant.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-20
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

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

    作者简介:曾莉 E-mail:1950960528@qq.com
    通讯作者: 艾超, aichao@caas.cn
    通讯作者: 张跃强, levinsky@126.com
  • 1. 西南大学资源环境学院,重庆 400715
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 3. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所,河南郑州 450002
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200502);国家自然科学基金项目(31601829);中国科协青年人才托举工程项目(2017QNRC001)。
  • 摘要:   【目的】  秸秆腐解与元素转化涉及复杂的生物化学过程,提高土壤氮素水平是加速秸秆腐解和养分释放的关键措施。研究不同施氮水平下潮土中小麦秸秆腐解特性、养分释放特征及其结构组分变化规律,深入了解秸秆腐解过程与机制,为完善作物秸秆还田技术、实现秸秆资源的高效利用及农田可持续发展提供科学依据和技术支撑。  【方法】  本试验点位于河南省原阳县,土壤类型为潮土,种植制度为小麦–玉米轮作,以小麦秸秆为研究对象,设置0 (SN0)、180 (SN1) 和240 (SN2) kg/hm2 3个氮肥用量,进行187天的秸秆包填埋试验,利用超高分辨场发射扫描电镜 (SEM)、固态核磁共振 (13C-NMR) 等方法研究小麦秸秆腐解过程中的养分释放和结构组分动态变化规律。  【结果】  1) 小麦秸秆腐解呈现前期快后期慢的特征,前两周为快速腐解期,该阶段秸秆平均腐解率为46%,整个玉米季 (100天) 秸秆平均腐解率为71%;高氮营养环境对前两周的秸秆腐解率无显著影响;从第二周开始,施用氮肥处理加速了秸秆腐解,SN1和SN2处理秸秆腐解率平均高于SN0处理6个百分点,但SN1和SN2处理间无显著差异;秸秆碳释放率与秸秆腐解率变化趋势基本一致。2) 腐解187天后,秸秆氮磷钾养分最终释放率大小顺序为钾 (96%~97%) > 氮 (52%~86%) > 磷 (29%~45%),其中钾在前两周基本完全释放,而氮、磷释放率在后期有负增长现象。3) 纤维素、半纤维素腐解率与秸秆腐解规律基本一致,均表现出前期快后期慢的特点,而木质素则在中后期腐解较快;纤维素、半纤维素和木质素最终腐解率分别为78%~87%、86%~91%和66%~73%(187天后)。4) 扫描电镜结果显示,小麦秸秆结构逐渐遭到破坏,表面变得粗糙,断层增多,空洞增大,纤维束变得松散,形成近似网状结构;高氮处理下小麦秸秆表观结构受破坏程度大于不施氮处理。5) 核磁共振结果显示,不同有机碳官能团信号强度分布表现为:烷氧碳 (47.02%~60.13%) > 烷基碳 (11.41%~17.38%) > 双烷氧碳 (10.79%~13.31%) > 甲氧基碳/烷氮碳 (7.53%~12.02%) > 芳基碳 (2.70%~7.18%) > 羧基碳 (1.07%~2.60%) > 酚基碳 (0.75%~2.02%);腐解过程中烷基碳、甲氧基碳/烷氮碳、酚基碳和羧基碳相对含量显著增加,而烷氧碳相对含量显著降低。6) 相关分析表明,秸秆残余物所有有机碳官能团均与腐解率、碳释放率有显著或极显著相关性;有机碳官能团中只有烷氧碳、甲氧基碳/烷氮碳与氮释放率有显著相关性;烷氧碳、双烷氧碳与纤维素、半纤维素和木质素腐解率均呈极显著负相关,羧基碳和甲氧基碳/烷氮碳均与木质素腐解率呈现极高的正相关性。  【结论】  施用氮肥能够促进小麦秸秆腐解和碳释放,其效果在秸秆还田两周后才能显现出来;在腐解过程中,秸秆残余物中代表易分解碳水化合物的烷氧碳相对含量随腐解时间延长而不断降低,且占比均高于其它碳官能团,对指示秸秆腐解进程具有重要意义;固态核磁共振技术更有利于监测秸秆腐解过程中不同有机碳官能团结构变化,从而更深刻地认识秸秆腐解机制。

    English Abstract

    • 中国作为农业大国,粮食产量从1990年的4.5万t增加到2019年的6.6万t。随着粮食不断增产,农作物秸秆总产量整体上呈现持续增长的趋势。据调查,2017年全国主要农作物秸秆理论资源量约为8.84亿t,可收集资源量为7.36亿t[1],其中秸秆数量以玉米、水稻和小麦三大粮食作物为主。农作物秸秆含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等富碳物质,以及丰富的氮、磷、钾等营养元素,是农业生产中重要的养分资源。据估算,2017年秸秆总养分达到2104万t,其中氮磷钾养分分别约为669万t、212万t和1223万t[2]。秸秆直接或间接还田不仅可以使有机养分再循环利用,促进作物生长,又可以对土壤产生多重功效,如促进土壤碳积累、降低土壤容重、改善土壤结构以及丰富土壤微生物多样性等[3-5]。然而,大量秸秆还田,如不加速其腐解,将影响下一季作物生长,尤其是茬口比较紧的两季作物;同时,秸秆不合理施用还会引起土壤碳氮比失调,微生物与作物争氮,形成强还原性物质等负面效应,造成作物减产[6]。因此,弄清秸秆腐解规律是合理利用秸秆的基础,也是现代秸秆还田技术研究的关键。

      秸秆腐解涉及物理、化学及生物学过程,土壤氮素含量是影响秸秆腐解和养分释放的关键因素之一。研究表明,C/N强烈影响秸秆碳氮的释放过程,秸秆氮与土壤矿质氮的微生物固持两者究竟谁占优势,主要取决于C/N和碳源的有效性[7-8]。当秸秆C/N < 20时,秸秆有机氮矿化,土壤氮含量增加;当秸秆C/N > 30时,微生物对土壤氮素的固持作用加强,土壤可利用氮水平降低[9]。秸秆腐解过程大致分为易矿化碳组分分解、半纤维素和纤维素分解及木质素分解3个阶段[10]。Guo等[11]研究指出,施用氮肥使得水稻秸秆腐解前期乙酰氨基葡萄糖苷酶 (N-acetyl-glucosamidase) 和亮氨酸氨基肽酶 (L-leucineaminopeptidase) 活性增加,缩短了秸秆的腐解周期。另有研究表明,外源氮促进了纤维素酶等水解酶的活性,而氧化酶的活性受到抑制,进而改变了秸秆等有机物料的腐解过程[12-13]

      华北地区是我国粮食主产区,主要轮作制度为小麦–玉米轮作,种植的小麦产量占全国的61%[14],潮土为该地区最典型的土壤类型,近年来,该地区秸秆直接还田比例为全国最高[15]。当前,有关氮素调控秸秆还田下养分转化与利用的研究多集中于土壤培肥及固碳减排潜力等方面[16-17]。关于不同氮素营养条件下秸秆主要官能团与有机组分变化研究较少,导致氮素对秸秆腐解的调控机理仍不明确,特别是对秸秆残渣结构的动态变化规律不清楚,一定程度上制约了秸秆资源的高效利用。为此,本研究以华北平原小麦–玉米轮作模式下小麦秸秆为研究对象,开展不同施氮水平下潮土小麦秸秆腐解率、养分释放及其结构组分变化规律研究,深入分析小麦秸秆还田后的腐解过程及秸秆残余物结构变化规律,为秸秆资源高效利用提供重要的理论依据。

      • 试验点位于河南省新乡市原阳县河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地 (东经113°40′,北纬 34°47′),属华北平原区域。该地区年平均气温为14.4℃,年平均降水量640.9 mm,全年无霜期225天。试验地土壤类型为钙质潮土,种植制度为小麦–玉米轮作。试验前采集0—20 cm耕层土壤分析其基本理化性质 (表1);供试秸秆为上季小麦成熟收获后的秸秆,其养分含量及纤维素含量见表1

        表 1  供试土壤的基本理化性质和供试秸秆的基本养分及纤维素含量

        Table 1.  Basic physiochemical properties of the tested soil and basic nutrients and fiber contents of the tested straw

        土壤类型
        Soil type
        有机碳 (g/kg)
        Organic C
        全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        pH
        潮土 Fluvo-aquic soil10.81.427.2117.6 8.5
        秸秆种类
        Straw type
        全氮 (%)
        Total N
        全磷 (%)
        Total P
        全钾 (%)
        Total K
        全碳 (%)
        Total C
        纤维素 (%)
        Cellulose
        半纤维素 (%)
        Hemicellulose
        木质素 (%)
        Lignin
        小麦秸秆 Wheat straw0.930.233.2841.8934.41 28.0225.88
      • 试验于2016年小麦播种开始,共设3个处理,即秸秆还田下3个氮肥用量梯度 (SN0、SN1和SN2),随机区组排列,3次重复。小麦季秸秆还田量为7000 kg/hm2,SN0、SN1和SN2氮用量分别为0、180和240 kg/hm2,磷、钾肥作为基肥在小麦播前一次施入,用量分别为P2O5 120 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2;玉米季秸秆还田量为7000 kg/hm2,氮肥用量与小麦季一致,磷、钾肥用量分别为P2O5 75 kg/hm2和60 K2O kg/hm2。供试肥料分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。试验共持续进行3年 (2016—2018年)。

        试验进行第二年,2017年玉米季,采用尼龙网袋填埋法研究小麦秸秆的腐解过程。尼龙网袋规格为10 cm × 15 cm,孔径为0.05 mm。上一季小麦秸秆风干后剪成5~8 cm,在秸秆装袋之前,SN0、SN1和SN2处理秸秆分别加入氮肥0、25.71和34.29 mg/g (根据秸秆包内秸秆重量计算,与大田试验中7000 kg/hm2秸秆还田量所对应的施氮量一致),混匀后装入尼龙网袋,每包秸秆重量为 (10.00 ± 0.03) g,扎实尼龙袋口,然后分别埋入SN0、SN1和SN2施肥处理所对应的小区,秸秆包埋入深度为10 cm,水平放置。2017年6月20日开始进行玉米播种,同时填埋秸秆包,在随后的187天共取样6次,分别为埋入后的第7、14、39、62、100、187天,加上初始秸秆包 (0天),共计63个秸秆包 (3个处理、3次重复、7次取样)。秸秆包取出后用蒸馏水将秸秆包表面附着的土壤、根系等冲洗剔除,然后再用蒸馏水彻底冲洗秸秆包3遍,洗净后70℃烘干备用。

      • 利用第0、7、14、39、62、100、187天小麦秸秆包测定秸秆腐解率及全碳、全氮、全磷、全钾养分含量。根据腐解率,进一步选择第0、7、14、62、187天秸秆,经0.147 mm孔径磨碎后对其有机组分、表面微观结构及官能团结构进行测定。

        秸秆腐解率:采用失重法称重秸秆残渣,计算腐解率。

        秸秆全碳、氮、磷和钾含量:全碳和氮含量利用元素分析仪 (Elementar Analysensysteme GmbH,Hanau,Germany) 测定;全磷含量用钼锑抗比色法测定;全钾含量用火焰光度法测定。

        秸秆有机组分 (纤维素、半纤维素和木质素) 腐解率:使用改进的范式洗涤纤维法[18]测定其含量并计算腐解率。

        秸秆表面微观结构:用超高分辨场发射扫描电镜 (HITACHI S4800,Japan) 进行观察,样品真空干燥后喷金,加速电压3 kV下成像,放大倍数为500倍。

        有机碳官能团结构:利用核磁共振仪 (AVANCE 400,BrukerBiospin,Rheinstetten,Germany) 进行了13C CP/MAS NMR测定。采用CP/MAS固体双共振探头,4 mm转子,魔角转速为5 kHz,13C的检测共振频率为100 MHz,接触时间为1 ms,90°脉冲宽度3.5 μs,循环延迟0.8 s,样品扫描次数是1000次。

      • 秸秆腐解率 (%) = (原秸秆包重 - 秸秆包残留量)/秸秆初重 × 100。

        养分释放率 (%) = (原始秸秆包养分含量 - 残余秸秆养分含量)/原始秸秆包养分含量 × 100。

        秸秆有机组分 (纤维素、半纤维素和木质素) 腐解率 (%) = (原始秸秆组分含量 - 残余秸秆组分含量)/原始秸秆组分含量 × 100。

        运用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0进行数据处理和作图,使用MestRenova软件对核磁共振图谱的数据进行基线校正和积分。不同处理间的差异分析采用单因素方差分析 (one-way ANOVA) 和多重比较 (Duncan) 检验 (P < 0.05)。秸秆中各官能团有机碳组分与腐解指标之间的相关性采用Spearman法分析。

      • 图1-a可以看出,不同处理下的秸秆腐解在整个取样期间均呈现出前期腐解快、后期腐解慢的特点。其中,第0~14天为快速腐解期,SN0、SN1和SN2处理平均腐解速率达0.33 g/天,秸秆包第14天累积腐解率为43%~47%;第14~62天为腐解减缓期,平均腐解速率为0.04 g/天,秸秆包第62天累积腐解率为63%~70%;第62~187天为腐解缓慢期,平均腐解速率仅为0.01 g/天,秸秆包第187天累积腐解率为72%~78%。小麦秸秆大部分在玉米季 (0~100 天) 腐解,平均腐解率为71%,在下一季的前3个月 (100~187 天) 平均腐解率仅为4%。在秸秆快速腐解期,不同氮素水平下秸秆腐解率差异不大。第14天开始,SN1和SN2处理的秸秆腐解率显著高于SN0处理,施用氮肥处理秸秆腐解率平均提高6个百分点,但SN1和SN2之间无显著差异。

        图  1  小麦秸秆腐解率与碳释放率

        Figure 1.  Decomposition rate and carbon release rate of wheat straw

        小麦秸秆碳释放率与秸秆腐解率变化趋势基本一致,释放速率呈现前期释放快、后期释放慢的特点 (图1-b);快速释放期、释放减缓期和释放缓慢期3个阶段也与秸秆腐解过程完全一致。小麦秸秆前14天碳释放率为39%~43%,玉米季 (0~100 天) 秸秆碳释放率为64%~73%,第187天秸秆碳释放率为70%~76%。第14天之后,施用氮肥处理使得秸秆碳释放加快,SN1和SN2处理显著高于SN0处理,但SN1和SN2之间差异不显著。

      • 秸秆氮素释放主要集中在前两周,不添加氮肥的SN0处理小麦秸秆氮素在前两周的释放率为55%,SN0处理秸秆包氮素释放率显著低于施氮肥的SN1和SN2处理,这主要是由于秸秆包中添加的外源速效氮肥在前期迅速释放 (图2-a);两周后,秸秆氮素释放缓慢,SN0处理甚至出现秸秆氮素释放率负增长的现象,表明秸秆残余物有积累外界氮素的潜力;直至第187天,各处理氮素最终累积释放率表现为SN2(86%) > SN1(80%) > SN0(52%),SN1和SN2处理由于分别加入不等量氮肥,使得整个腐解过程中3个处理间的氮释放率差异显著。从氮素储量来看,第62天时,SN0、SN1和SN2处理的秸秆包氮储量已无显著差异,说明秸秆在腐解第62天后,往SN1和SN2处理秸秆包中加入的外源氮素已基本释放完毕,以后3个处理中秸秆包的氮素释放均来自秸秆本身。

        图  2  小麦秸秆氮累积释放率与C/N值

        Figure 2.  Cumulative nitrogen release rate and C/N of wheat straw

        图2-b所示,不添加氮肥的SN0处理小麦秸秆残余物C/N在整个腐解期呈现下降的趋势,但前两周有一个大幅度上升,在第14天达到最大值,秸秆残余物C/N由最初的45快速增加至60 (第14天),然后逐渐下降至31 (第62天),最后缓慢下降至27 (第187天)。SN1和SN2处理秸秆残余物C/N在第7天达到最大,此后逐渐下降,整体变化趋势与SN0处理一致,但由于加入外源氮肥,其秸秆残余物C/N显著低于SN0处理;SN1和SN2处理秸秆残余物C/N在第7天后无显著差异。

        图3-a所示,秸秆磷素在腐解前两周快速释放,前14天小麦秸秆磷素释放率为37%~47%;此后,秸秆磷素释放变缓,至第62天,小麦秸秆磷素释放率达到最大,在51%~59%;第62天至187天,秸秆磷素最终释放率为29%~45%,呈现负增长现象,表明腐解后期小麦秸秆残余物有积累外界磷素的作用。整个秸秆腐解过程,不同施氮水平对秸秆磷素释放无明显规律性影响。

        图  3  小麦秸秆磷钾养分释放率

        Figure 3.  Phosphorus and potassium nutrient release rate of wheat straw

        图3-b所示,绝大部分小麦秸秆钾素在前两周集中释放,前14天释放率达到91%~93%,此后,秸秆钾素释放基本停止,最终释放率为96%~97%。不同施氮水平对整个秸秆腐解过程中钾素释放无显著影响。

      • 图4显示,纤维素和半纤维素的腐解规律较为相似,均表现出前期快、后期慢的趋势,其中第0~14天为纤维素、半纤维素的快速腐解期,第14~62天为腐解减缓期,第62~187天为腐解缓慢期 (图4-a4-b);木质素则在前期腐解相对较慢,中后期腐解相对较快 (图4-c)。第0~14天SN0、SN1和SN2处理中纤维素、半纤维素和木质素平均腐解速率分别达58、57和42 mg/天,第14天三者累积腐解率分别为41%~52%、38%~42%和19%~25%;第14~62天三者平均腐解速率分别为21、25和39 mg/天,第62天累积腐解率分别为67%~79%、72%~79%和51%~59%;第62~187天三者平均腐解速率仅为8、10和16 mg/天,第187天累积腐解率分别为78%~87%、86%~91%和66%~73%。小麦秸秆腐解过程中三大有机组分变化的大致特点为:半纤维素和纤维素在腐解前期 (0~14 天) 就表现出了较大的腐解速率,但随着时间的延长,腐解速率开始下降;与木质素相比,半纤维素和纤维素腐解起步快,但腐解速率衰减幅度较大。在小麦秸秆有机组分快速腐解的前两周,该阶段施氮处理对秸秆中半纤维素、纤维素和木质素腐解率无显著影响;14天后SN1和SN2处理中纤维素腐解率均显著高于SN0处理,而3个处理之间半纤维素腐解率无显著差异。施用氮肥有利于木质素腐解,尤其是SN1处理,其木质素腐解率在不同时期均高于其他处理。

        图  4  小麦秸秆纤维素、半纤维素和木质素腐解率

        Figure 4.  Decomposition rates of wheat straw cellulose, hemicellulose and lignin

      • 通过比较腐解过程中第0、14、62和187天的小麦秸秆扫描电镜图像 (图5),可以看出小麦原始秸秆表面平整且光滑,结构紧密,被一层蜡质所覆盖,无空洞,可见表皮的气孔 (图5-a)。14天后,小麦秸秆开始出现较明显的腐解迹象,秸秆平整的表面被打乱,紧密的结构变得松散,其外表面上的表皮毛等组织已经开始发生脱落和腐解,蜡质—硅化层也逐渐变得稀薄 (图5-b)。腐解至第62天,秸秆表面出现较大的空洞,其蜡质—硅化层下面的表皮组织已经逐渐显现,细胞壁和复杂的纤维结构已被明显破坏;秸秆呈现断裂状并出现了凹凸不平的断层,表面出现许多大小不一的孔隙 (图5-c)。腐解至第187天,小麦秸秆整体结构被严重破坏,基本组织已经被彻底腐解,其中难降解的蜡质层、硅化结构及大维管束均消失不见,只剩下部分高度木质化的机械组织和表皮组织 (图5-d)。上述结果表明,随着腐解时间延长,秸秆结构遭到严重破坏,表面变得粗糙,断层增多,空洞增大,纤维束变得松散,形成近似网状结构。对比SN0和SN2处理,可以明显看出高氮条件下小麦秸秆的受破坏程度更强,说明施氮处理下小麦秸秆腐解效果明显好于不施氮处理。

        图  5  SN0和SN2处理下不同腐解时间小麦秸秆表面结构的扫描电镜图

        Figure 5.  SEM images of wheat straw surface structure at different days of decomposition under the treatments of SN0 and SN2

      • 小麦秸秆核磁共振的化学位移分布范围为0~185,根据相关文献[19-20]将核磁共振图谱划分成7个主要的共振区 (表2),即0~45 (烷基碳Alkyl-C)、45~60 (甲氧基碳/烷氮碳Methoxyl-C/N-Alkyl-C)、60~90 (烷氧碳O-Alkyl-C)、90~110 (双烷氧碳di-O-Alkyl-C)、110~145 (芳基碳Aryl-C)、145~165 (酚基碳Phenol-C) 和165~185 (羧基碳Carbonyl-C)。通过对核磁共振图谱进行积分,可以对这些共振区域与总面积的比值进行相对定量,从而获得腐解秸秆残余物中有机碳官能团的相对含量。由表2可知,不同碳组分官能团相对含量差异较大,残余物有机碳官能团以烷氧碳的相对含量最大,在47.02%~60.13%。其次是烷基碳占比为11.41%~17.38%;双烷氧碳占比为10.79%~13.31%;甲氧基碳/烷氮碳占比为7.53%~12.02%;芳基碳占比为2.70%~7.18%;羧基碳占比为1.07%~2.60%;酚基碳含量最低,仅占0.75%~2.02%。

        表 2  小麦秸秆有机碳官能团的相对含量

        Table 2.  Relative contents of organic carbon functional groups in wheat straw

        腐解天数
        Decomposition
        days
        处理
        Treatment
        羧基碳 (%)
        Carbonyl-C
        (160~185)
        酚基碳 (%)
        Phenol-C
        (145~160)
        芳基碳 (%)
        Aryl-C
        (110~145)
        双烷氧碳 (%)
        di-O-Alkyl-C
        (90~110)
        烷氧碳 (%)
        O-Alkyl-C
        (60~90)
        甲氧基碳/烷氮碳 (%)
        Methoxyl-C/N-Alkyl-C
        (45~60)
        烷基碳 (%)
        Alkyl-C
        (0~45)
        0SN01.30 ± 0.39 aB 0.75 ± 0.72 aB 2.70 ± 1.73 a A 13.31 ± 0.54 aA 60.13 ± 4.10 aA 8.19 ± 0.93 aC 11.41 ± 1.44 aB
        SN11.43 ± 0.05 a0.99 ± 0.18 a5.42 ± 2.93 a 12.73 ± 0.49 a57.14 ± 4.44 a 7.93 ± 1.32 a12.65 ± 0.29 a
        SN21.07 ± 0.29 a0.90 ± 0.10 a5.00 ± 1.24 a 12.36 ± 1.40 a58.40 ± 2.26 a 7.53 ± 2.31 a12.66 ± 1.47 a
        7SN01.70 ± 0.35 aAB1.26 ± 0.94 aAB4.22 ± 2.06 b A 11.72 ± 0.64 aAB54.80 ± 4.07 aAB 9.76 ± 0.13 aBC14.45 ± 0.97 aAB
        SN11.84 ± 0.78 a1.12 ± 0.51 a4.54 ± 1.32 ab11.88 ± 0.94 a55.49 ± 1.92 a 9.59 ± 1.01 a15.54 ± 2.25 a
        SN21.67 ± 0.44 a1.24 ± 0.33 a7.18 ± 0.15 a 12.36 ± 0.69 a53.76 ± 4.43 a 8.93 ± 2.07 a15.46 ± 1.98 a
        14SN01.90 ± 0.02 aAB1.75 ± 0.51 aAB6.27 ± 1.53 a A 12.63 ± 0.81 aAB52.76 ± 4.56 aBC 8.75 ± 2.19 aBC14.88 ± 2.69 aAB
        SN11.85 ± 0.60 a1.51 ± 1.11 a4.89 ± 0.95 a 11.79 ± 1.20 a53.21 ± 6.19 a10.04 ± 1.60 a16.71 ± 4.60 a
        SN21.75 ± 0.05 a1.49 ± 0.95 a5.89 ± 1.47 a 12.06 ± 1.10 a51.28 ± 3.89 a 9.25 ± 1.58 a15.72 ± 3.61 a
        62SN02.25 ± 1.04 aA 1.77 ± 1.12 aA 5.67 ± 0.85 a A 11.44 ± 1.56 aB 52.62 ± 5.85 aBC10.07 ± 2.39 aAB16.19 ± 3.00 aAB
        SN12.11 ± 0.55 a1.97 ± 0.87 a6.39 ± 2.22 a 11.52 ± 1.77 a50.56 ± 8.37 a10.38 ± 2.09 a16.65 ± 4.90 a
        SN21.82 ± 0.30 a1.35 ± 0.45 a5.48 ± 1.31 a 10.79 ± 1.79 a50.29 ± 6.27 a11.56 ± 2.30 a16.63 ± 3.66 a
        187SN02.60 ± 0.09 aA1.93 ± 0.19 aA 6.00 ± 2.41 a A 11.72 ± 2.34 aAB51.04 ± 7.70 aC 11.07 ± 2.17 aA 16.81 ± 4.37 aA
        SN12.29 ± 0.24 b2.02 ± 0.09 a6.29 ± 1.70 a 11.53 ± 1.85 a47.02 ± 5.11 b11.27 ± 2.61 a17.38 ± 6.87 a
        SN22.13 ± 0.17 b1.47 ± 0.63 a5.94 ± 2.41 a 12.16 ± 0.36 a48.72 ± 3.34 b12.02 ± 0.76 a15.16 ± 1.81 a
        注(Note):表中数据均为小麦秸秆测定数据的平均值 ± 标准差;数据后不同小写字母表示同一时期不同处理之间差异显著 (P < 0.05);数据后不同大写字母表示两因素方差分析 (时期和处理) 不同时期之间的显著差异 (P < 0.05)。Data in the table are the average value of the measured data of wheat straw ± standard deviation. Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different treatments in the same period at the 0.05 level, and different capital letters indicate significant difference among different periods of the two-factor analysis of variance (period and treatment) at the 0.05 level.

        秸秆残余物有机碳官能团相对含量随腐解推进而变化。除芳基碳和双烷氧碳外,其它官能团相对含量在腐解结束时 (第187天) 与原始秸秆相比均差异显著。残余物烷基碳和甲氧基碳/烷氮碳的相对含量随着腐解的进行呈现递增趋势;烷氧碳相对含量随腐解时间延长而显著减少,其含量在腐解结束时 (第187天) 与原始秸秆相比,SN0、SN1和SN2处理减幅分别为9.09%、10.12%和9.68%;残余物双烷氧碳相对含量较原始秸秆有降低趋势,在第62天达到显著水平;整个腐解期间,芳基碳相对含量保持相对稳定,无显著变化;酚基碳与羧基碳的相对含量有着相同的变化趋势,均随腐解时间的增加而增加,腐解结束时,羧基碳含量与原始秸秆相比,SN0、SN1和SN2处理分别增加1.30、0.86和1.06个百分点。不同施氮水平下,羧基碳和烷氧碳相对含量在腐解第187天时SN0处理显著高于SN1和SN2处理,其余秸秆残余物有机官能团相对含量差异均不显著。

      • 相关性分析 (表3)表明,所有小麦秸秆残余物有机碳官能团均与秸秆腐解率、碳释放率有显著或极显著相关性 (P < 0.05或P < 0.01),其中羧基碳、酚基碳、芳基碳、甲氧基碳/烷氮碳、烷基碳均与秸秆腐解率、碳释放率呈显著正相关 (r = 0.566~0.921,P < 0.05),而烷氧碳、双烷氧碳则与秸秆腐解率、碳释放率呈极显著负相关 (r = –0.932~–0.682,P < 0.01);有机碳官能团中仅有烷氧碳、甲氧基碳/烷氮碳与氮释放率有显著相关性,相关系数r分别为–0.735、0.586。此外,所有有机碳官能团均与木质素腐解率呈极显著相关关系,尤其是羧基碳、烷氧碳和甲氧基碳/烷氮碳与木质素腐解率相关性最高,相关系数r分别为0.900、–0.910和0.914;除芳基碳外其余官能团均与纤维素、半纤维素腐解率有极显著相关性,其中烷氧碳、双烷氧碳与纤维素、半纤维素腐解率均呈现极显著负相关 (r = –0.935~–0.659,P < 0.01)。

        表 3  小麦秸秆有机碳官能团与腐解率、碳释放率、氮释放率及纤维素、半纤维素、木质素腐解率之间的相关性

        Table 3.  Correlation among organic carbon functional groups of wheat straw and decomposition rate, carbon release rate, nitrogen release rate and decomposition rate of cellulose, hemicellulose and lignin

        有机碳官能团
        Organic carbon functional group
        腐解率
        Decomposition rate
        碳释放率
        C release rate
        氮释放率
        N release rate
        腐解率 Decomposition rate
        纤维素
        Cellulose
        半纤维素
        Hemicellulose
        木质素
        Lignin
        羧基碳 Carbonyl-C0.867**0.878**0.430NS0.619**0.903**0.900**
        酚基碳 Phenol-C0.853**0.857**0.441NS0.654**0.860**0.842**
        芳基碳 Aryl-C0.584*0.566*0.330NS0.332NS0.488NS0.773**
        双烷氧碳 di-O-Alkyl-C−0.682**−0.689**−0.397NS−0.766**−0.659**−0.671**
        烷氧碳 O-Alkyl-C−0.932**−0.918**−0.735**−0.814**−0.935**−0.910 **
        甲氧基碳/烷氮碳 Methoxyl-C/N-Alkyl-C0.910**0.921**0.586**0.645**0.857**0.914**
        烷基碳 Alkyl-C0.785**0.799**0.459NS0.894**0.814**0.828**
        注(Note):* —P < 0.05;**—P < 0.01;NS—不显著Not significant.
      • 本试验结果表明,不同施氮水平下小麦秸秆腐解过程均表现为前期快,后期慢,最后趋于平稳的特点。小麦秸秆在玉米当季 (第100天) 的累积腐解率为66%~75%,经过半年左右时间 (第187天) ,累积腐解率为72%~78%。这与国内其他相关研究结果一致,戴志刚等[21]利用室内培养试验对水稻、小麦和油菜秸秆腐解过程研究后发现,秸秆腐解均经历快速腐解期、腐解减缓期和腐解缓慢期。本试验结果显示,在小麦秸秆快速腐解期 (0~14 天),不同氮肥施用量下秸秆腐解率几乎无差异,然而从第14天开始,无论低氮处理 (SN1) 还是高氮处理 (SN2) 均加快了小麦秸秆的腐解;究其原因可能是腐解初期秸秆本身包含的氮以及土壤可利用氮能够暂时满足秸秆腐解相关微生物的生长所需,然而随着腐解进程的推进,大量氮素消耗后,可利用氮成为秸秆腐解的限制因子,施用氮肥使得秸秆和土壤C/N降低,为腐解相关微生物持续增殖提供了充足氮源,加速土壤微生物新陈代谢,从而促进了秸秆后期腐解和秸秆有机碳向土壤碳库的转化[22-23]

        小麦秸秆含有丰富的养分资源,然而氮磷钾的释放特征有所不同。以试验结束时氮磷钾养分释放率大小来看,钾素释放率最大,基本在前两周释放完成,前两周平均释放率达92%,这主要是由于秸秆中的钾主要以水溶态存在,易溶于水且释放迅速。其次是氮素,秸秆氮素同样在前两周释放较快,此后释放变缓,甚至秸秆氮素释放率出现负增长现象。整个腐解过程中,SN1和SN2处理中氮素释放率始终高于SN0处理且3个处理间的氮释放率有着显著差异。这是由于本试验SN1和SN2两个施氮处理秸秆包中分别加入了不等量的外源氮肥,其氮素释放除秸秆有机氮外还包含添加的肥料氮素,因此造成SN1和SN2处理秸秆包前期氮素释放率明显偏高。累积释放率最小的是磷素,且不同时期磷释放率波动较为明显,前两个月,磷的释放率一直处于上升阶段,这是因为秸秆中60%以上的磷素以离子形态存在,剩余部分主要参与细胞壁的构成[24],前期易溶于水的无机磷逐步释放,而有机磷则更难释放,秸秆磷后期释放率处于负增长阶段。上述结果表明,秸秆氮、磷在腐解释放过程中释放率均出现了负增长现象,这与李昌明等[25]发现小麦和玉米秸秆腐解过程中氮素和磷素在红壤、潮土及寒温带中有富集现象的结果是一致的,其原因之一可能是在秸秆腐解期间,微生物群落丰度和活性不断增加并不同程度地固持氮素和磷素,导致秸秆残渣全氮和磷含量增加[26];原因之二可能是随着秸秆不断腐解,其残余物吸附能力增强,导致周围土壤养分迁移至尼龙网袋内,秸秆残余物氮磷不断累积[27]。卞景阳等[28]和王麒等[29]研究同样发现,小麦秸秆和水稻秸秆在腐解过程中氮含量有所升高,均出现富集现象,甚至秸秆残余物氮含量高于原始秸秆氮含量[28, 30],本试验中,SN0、SN1和SN2氮肥处理下小麦秸秆残留氮最终含量分别为1.6%、2.2%和2.3%,而秸秆原始氮含量为0.9%,因此该结论在本研究中同样成立。

        综合分析表明,不同施氮水平下小麦秸秆腐解和养分释放的快速期均主要集中在腐解的前14天,这与大部分的关于小麦秸秆腐解的研究结果[19, 27, 31]相吻合。主要原因是在腐解前期秸秆中可溶性碳水化合物、有机酸、氨基酸等非结构性、易分解物质迅速释放,为土壤微生物提供了大量的碳源和营养物质,导致微生物数量增多、活性增强,秸秆分解加速[32-33];而在随后的腐解阶段 (第62~187天),一方面由于易分解成分被消耗殆尽,剩余一些难分解组分 (如木质素等) 较为稳定,微生物利用难度增加,从而导致秸秆腐解速率减慢;另一方面可能是因为腐解后期为8~12月份,土壤温度下降,微生物活性减弱,不利于秸秆的腐解和养分释放[34]。本研究中,从整体来看,小麦秸秆中纤维素和半纤维素腐解率变化与秸秆腐解率变化更为接近,这表明还田秸秆的腐解进程受纤维素和半纤维素腐解进程的影响较大,且整体上施氮肥处理对纤维素的腐解具有显著的促进作用;此外,纤维素和半纤维素最终累积腐解率均高于木质素,说明纤维素、半纤维素较木质素更易分解。雷之萌[35]在不同形态氮肥对水稻和油菜秸秆促腐效应的研究中也得出相同的结论,且发现不同形态氮肥均能够促进秸秆纤维素的腐解。另有研究表明,增施外源氮素后,与纤维素等碳水化合物分解相关的水解酶活性增加,而与木质素分解相关的氧化酶活性受到抑制[36]。本研究结果表明,施氮对木质素腐解有明显的促进作用,推测其原因可能在于不同秸秆中各组分的性质 (如类型、分子量、易氧化基团数量等) 有所不同。

      • 小麦秸秆组织结构主要以表皮、机械组织、维管束和基本组织为主,其发生腐解主要是因为基本组织的薄壁细胞和维管束中的韧皮部被破坏[37]。扫描电镜 (SEM) 能够直观地反映出秸秆在腐解过程中的外表结构变化及受破坏程度。通过观察发现,随着腐解时间延长,秸秆残余物外表空洞增多增大,这主要是由于大量的碳水化合物 (包括半纤维素和纤维素) 被分解所致,而木质素结构较为复杂,且较其他碳水化合物更难被分解。施氮处理的秸秆受破坏程度明显大于未施氮处理,进一步说明施氮能促进小麦秸秆的腐解。

        固态核磁共振 (13C-NMR) 能够很好地表征秸秆残余物有机碳官能团的变化特征。经核磁共振图谱解析,烷氧碳主要代表微生物易代谢的碳水化合物,即易分解碳,Mathers等[38]研究认为,烷氧碳是植物残体中最易分解的有机碳官能团;烷基碳和芳基碳等则表征难以被利用的木质素、单宁等,即难分解碳[39-40]。本研究结果表明,随着秸秆腐解时间的延长,秸秆残余物中烷基碳和羧基碳的含量逐渐增加,而烷氧碳含量显著降低。Pafit等[41]的一项关于松针分解的13C-NMR研究同样发现,在植物残体分解过程中,烷氧碳的丰度逐渐降低,而烷基碳和芳基碳的丰度在增加。烷氧碳的减少主要是由于在腐解初期,微生物优先分解秸秆残余物中的活性纤维[42]。酚基碳与羧基碳的相对含量均随腐解时间的延长而明显增加,而芳基碳的含量相对来说较为稳定,这是因为芳香性物质很难被分解,导致芳香环结构被保留[43];另有研究表明,随着时间的推移,微生物利用这些残基形成难以分解的芳香性聚合物,即腐殖酸类物质[44]。本研究结果还表明,不同施氮水平下的大部分有机碳官能团相对含量基本无显著差异,说明施氮肥处理对秸秆有机碳化学结构影响较小。

        秸秆残体的化学结构组成会影响其还田后的分解转化和土壤有机质的形成[45]。Poret等[46]的研究结果显示,N-烷基/甲氧基碳和烷氧碳的相对含量分别与红树林根系质量损失呈显著负相关和正相关关系 (P < 0.05)。本研究中,小麦秸秆残余物的各个有机碳官能团均与秸秆腐解率、碳释放率呈显著或极显著相关,表明秸秆的化学结构组成是影响小麦秸秆腐解和碳释放率的关键因素。而有机碳官能团中只有烷氧碳、甲氧基碳/烷氮碳与氮释放率有显著相关性,其余均无显著相关性,此结果与上述结果“不同施氮水平下大部分秸秆残余物官能团结构无显著差异”相呼应。然而,Wang等[47]研究表明,在施氮处理下,植物细根的分解速率和碳矿化率与初始的芳基碳和甲氧基碳/烷氮碳相对含量显著负相关 (P < 0.05)。此外,本研究结果表明烷氧碳、双烷氧碳与纤维素、半纤维素和木质素的腐解率均呈现极显著负相关,羧基碳和甲氧基碳/烷氮碳均与木质素腐解率有极高的正相关性,这主要与纤维素、半纤维素和木质素本身的分子结构有关,纤维素和半纤维素在核磁共振图谱中所在的主要区域为60~110,对应的官能团即为烷氧碳、双烷氧碳,而木质素分子结构也相对较为复杂,是由多种官能团组合而成的高分子化合物[48],如甲氧基,位于核磁共振图谱的45~60,其侧链也分布于60~110,此外,木质素腐解过程中,其环状结构逐渐发生裂解而变成链状化合物,从而使得亚甲基、羟基及羧基数量不断增加[49]

      • 不同施氮水平下潮土小麦秸秆腐解是一个动态变化过程,其腐解特性、养分释放、有机组分、表观结构和有机碳官能团变化均有规律可循。本研究主要结论包括:1) 小麦秸秆腐解特征表现为前期快、后期慢,在玉米当季累积腐解率为66%~75%,秸秆还田两周后,施用氮肥处理显著加速秸秆腐解和碳释放;2) 随着腐解时间的延长,秸秆结构逐渐遭到破坏,表面变得粗糙,断层增多,空洞增大;高氮处理下的秸秆表观结构受破坏程度明显大于未施氮处理;3) 秸秆烷氧碳相对含量随腐解时间的增加而明显减少,而烷基碳、酚基碳和羧基碳的相对含量增加。本研究表明,传统指标和固态核磁共振技术 (13C-NMR) 对秸秆腐解过程的评价结果基本一致,但后者可半定量地监测秸秆腐解过程中不同结构碳官能团的变化规律,对深入认识秸秆腐解过程与机制具有重要意义。

    参考文献 (49)

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