腐解过程中还田秸秆和土壤有机酸、质能及结构变化特征

【摘要】：作物秸秆在我国是一种较为常见的固体资源,农作物秸秆的资源化利用近年来成为许多研究的焦点,秸秆还田作为农业废弃物综合利用的“五化”之一受到农业学家、环境学家等较多的关注。本论文瞄准秸秆还田腐解过程中小分子有机酸、质、能变化规律科学研究动态,采用田间尼龙网袋法进行秸秆腐解试验,结合高效液相色谱、热分析和红外光谱技术研究了玉米和大豆秸秆不同处理(干湿程度、C/N比)在不同利用类型土壤中(葡萄园、桃园、农田)还田,作物残体和土壤小分子有机酸、结构(官能团)、组分和能量(质能)的变化及影响因素,试图探索秸秆还田过程中的转化机制,为更有效地秸秆还田以及保证土壤质量提供理论参考,更好地发挥秸秆还田的综合效益。所取得的主要结论如下:(1)秸秆秋季还田的腐解特性:腐解前期0-20 d(秋季)两种作物秸秆都腐解20%以上,20-120 d(冬季)腐解率无明显变化,120 d后继续腐解至60-70%,大豆秸秆前期较玉米秸秆腐解快。C/N比(碳氮比)低和新鲜的作物秸秆腐解效果较好(P0.05),在3种不同利用类型土壤(农田、桃园、葡萄园)之间作物秸秆腐解率无明显差异(P0.05)。秸秆腐解过程依赖于作物秸秆类型、状态、水、热条件。(2)小分子有机酸(LMWOAs)在许多植物-土壤等生态系统中都有重要的作用。本试验中LMWOAs的含量在秸秆腐解前、中期呈显较高而后期递减态势;大豆秸秆中的LMWOAs含量高于玉米秸秆,新鲜样品高于干燥样品,加氮处理会加快LMWOAs的变化速度,但是对其含量影响不大(P0.05)。将作物秸秆还田于土壤中,作物残体中的LMWOAs含量与秸秆种类、干湿程度、作物C/N比和还田土壤的利用类型有关。玉米秸秆和大豆秸秆还田前期会对土壤中的草酸有影响(r=0.72*,P0.05),但在整个1年的腐解过程中对土壤的LMWOAs没有显著影响(腐解后期未检测到)。土壤中的LMWOAs是与利用类型、种植作物和季节相关的。(3)热分析可以确定出生物质的组分百分含量、热值(质能)以及作物秸秆的热解特性等热力学特征的变化。热重(TG)曲线中玉米和大豆秸秆的主要失重发生在500-700℃之间,示差扫描量热(DSC)曲线中在600℃左右出现较大的放热峰。这些热分析曲线与作物秸秆类型和腐解时期有关。由作物秸秆的TG-DTG曲线得出,大豆秸秆的稳定成分多于玉米秸秆。不同作物秸秆处理间(新鲜与干燥处理、大豆与玉米秸秆处理、加氮与未加氮处理)各组分百分比差异显著(P0.05),在3种不同利用类型土地之间则无明显差异(P0.05)。秸秆腐解过程中挥发性物质含量的递减、稳定性物质的变化过程以及固碳比例等均与秸秆类型、干湿程度、C/N比,土壤温度、降水量密切相关,土壤温度和利用类型是影响作物残体热值(氧化)的因素(P0.05)。作物残体的热分析性质受秸秆不稳定组分的影响较大,秸秆热值与200-300℃阶段(TG曲线)的失重量呈显著负相关,作物秸秆种类对TG-DSC参数影响较大。(4)秸秆腐解过程中,玉米和大豆秸秆的官能团组成具有相似之处,但在3400、1640、1400-1460、1310和1000-1100 cm-1处的吸收峰强度不同,稳定成分存在差异。腐解前后作物秸秆红外光谱吸收峰强度有所改变,随着腐解时间的增加,羟基、酰胺基、甲基、亚甲基和次甲基的含量逐渐降低,羧基增多,有机酸形成,碳水化合物、酰胺类化合物、糖类等逐渐分解。易分解的化合物(如脂肪族结构、酰胺类化合物和糖类)可直接进行分解,部分芳香类等难分解化合物可先分解为羧酸酯类(1725-1735 cm-1)、脂肪族类(1450-1460 cm-1)等中间产物后再进行分解。1560-1732 cm-1处的肩峰与作物残体中的有机酸有关。尿素对玉米秸秆腐解的官能团变化具有促进作用,且与1310 cm-1处的吸收峰变化有关。作物秸秆还田之后,会向腐殖酸方向腐解,作物秸秆的种类和C/N比对其影响很大。(5)用热分析和傅里叶变换红外光谱技术对3种不同利用类型(农田、桃园和葡萄园)土壤不同季节的结构特征进行分析。热分析结果得出,不同利用类型土壤的TG-DTG曲线有所不同,农田、桃园和葡萄园土壤包含有水分、烷类物质、脂肪族类物质、多糖等碳水化合物、芳核以及粘土矿物,葡萄园土壤中则含有较多的脂肪族类或糖类物质,脂肪性较高。春季和夏季土壤的脂肪性稍高,热值较大。葡萄园土壤热分析参数受其有机质的影响较大,春季和夏季土壤的热分析性质也受有机质的影响较大。红外光谱结果表明,不同利用类型的土壤结构(官能团)具有相似性,吸收峰强度存在差异:农田土壤在3200-3600、1610-1630和780-800 cm-1的吸收峰强度相对较小,风化程度高;桃园土壤在1425 cm-1处的吸收峰强度较弱,碳酸钙含量少;葡萄园土壤则在1000-1100cm-1的强度最大,即土壤中糖类等物质较多。不同季节土壤红外光谱谱形变化差异不大,吸收峰强度随着季节的变化有所差异。由主成分分析结果可知,葡萄园的不同季节红外光谱数据变异较大;春季和夏季在不同利用类型土壤中的红外光谱数据变异较大。综上所述,秸秆腐解过程中,累积腐解率和组分的变化受作物秸秆本身(秸秆种类、C/N比、干湿程度)以及气候条件的影响,LMWOAs含量则还要受土壤利用类型的影响。热值受土壤利用类型和温度的影响较大,结构变化则主要受秸秆种类、C/N比影响。 【关键词】：作物秸秆 利用类型 腐解 热分析 结构 小分子有机酸
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 研究目的及意义15-17
• 1.2 作物秸秆的组成17
• 1.3 作物秸秆在土壤中的分解和转化17-18
• 1.4 作物秸秆的腐解特性18-21
• 1.5 作物秸秆的还田措施21
• 1.6 作物秸秆还田对土壤的影响21-24
• 1.6.1 作物秸秆还田对土壤有机质的影响22-23
• 1.6.2 作物秸秆还田对农业生态系统中有机酸的影响23-24
• 1.7 作物秸秆还田腐解的研究方法24-25
• 1.8 作物秸秆腐解的热分析技术应用25-28
• 1.8.1 植物领域热分析技术的研究25-27
• 1.8.2 土壤领域热分析技术的研究27-28
• 1.9 作物秸秆腐解的红外光谱技术应用28-31
• 1.9.1 植物领域红外光谱技术的研究29
• 1.9.2 土壤领域红外光谱技术的研究29-30
• 1.9.3 热分析与红外光谱技术的结合应用30-31
• 第二章 研究区概况、研究内容及方法31-37
• 2.1 研究区概况31-32
• 2.2 研究内容32
• 2.3 研究方法及数据处理32-36
• 2.3.1 累积腐解率33
• 2.3.2 小分子有机酸33-35
• 2.3.3 热重（TG）分析与差示扫描量热（DSC）分析35
• 2.3.4 傅里叶变换红外光谱分析35
• 2.3.5 数据处理及统计35-36
• 2.4 技术路线36-37
• 第三章 作物秸秆累积腐解率的变化特征37-42
• 3.1 材料与方法37
• 3.2 统计分析方法37
• 3.3 结果与讨论37-41
• 3.4 小结41-42
• 第四章 腐解过程中小分子有机酸的变化特征42-52
• 4.1 材料与方法42
• 4.2 统计分析方法42-43
• 4.3 结果与分析43-49
• 4.3.1 腐解过程中作物秸秆小分子有机酸的变化特征46-49
• 4.3.2 腐解过程中土壤小分子有机酸的变化特征49
• 4.4 讨论49-51
• 4.4.1 腐解过程中作物秸秆的小分子有机酸49-50
• 4.4.2 腐解过程中土壤的小分子有机酸50-51
• 4.5 小结51-52
• 第五章 腐解过程中作物秸秆的热分析变化特征52-68
• 5.1 材料与方法53
• 5.2 统计分析方法53
• 5.3 结果与分析53-66
• 5.3.1 腐解过程中作物秸秆的TG-DTG曲线变化特征53-57
• 5.3.2 腐解过程中作物秸秆各阶段组分的变化特征57-59
• 5.3.3 作物秸秆DSC曲线特征59-60
• 5.3.4 腐解过程中作物秸秆DSC曲线热值的变化特征60-61
• 5.3.5 腐解过程中影响作物秸秆热分析参数变化的因素分析61-63
• 5.3.6 作物秸秆中热分析参数的主成分分析63-66
• 5.4 讨论66-67
• 5.4.1 腐解过程中作物秸秆的TG-DSC曲线分析66
• 5.4.2 腐解过程中作物秸秆DSC热值分析66-67
• 5.5 小结67-68
• 第六章 腐解过程中作物秸秆结构的变化特征68-81
• 6.1 材料与方法68
• 6.2 统计分析方法68-69
• 6.3 结果与分析69-73
• 6.3.1 作物秸秆原样的红外光谱特征69-70
• 6.3.2 腐解过程中作物秸秆红外光谱的变化特征70-73
• 6.4 讨论73-80
• 6.4.1 作物秸秆原样的红外光谱分析73-74
• 6.4.2 作物秸秆物质官能团的转化及其影响因素74-77
• 6.4.3 作物秸秆红外光谱数据的主成分分析77-80
• 6.5 小结80-81
• 第七章 不同季节不同利用类型土壤的热分析和红外光谱分析81-98
• 7.1 材料与方法81
• 7.2 统计分析方法81-82
• 7.3 结果与分析82-89
• 7.3.1 不同利用类型土壤的TG曲线特征82-85
• 7.3.2 不同利用类型土壤的DSC曲线特征85-86
• 7.3.3 不同利用类型土壤的红外光谱特征86-88
• 7.3.4 不同季节土壤的红外光谱变化特征88-89
• 7.4 讨论89-96
• 7.4.1 不同土壤不同季节的TG-DTG曲线分析89-90
• 7.4.2 不同土壤不同季节的DSC曲线分析90-91
• 7.4.3 不同土壤热分析参数的主成分分析91-93
• 7.4.4 不同土壤不同季节的红外光谱分析93-95
• 7.4.5 不同土壤红外光谱数据的主成分分析95-96
• 7.5 小结96-98
• 第八章 结论与展望98-101
• 8.1 主要结论98-99
• 8.2 本研究的创新点99-100
• 8.3 问题与展望100-101
• 参考文献101-117
• 附录117-129
• 致谢129-130
• 作者简介130-131

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