钙盐对秸秆腐解过程及产物可...机质三维荧光光谱特征的影响_仇存璞.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，钙盐对秸秆腐解过程及产物可溶性有机质三维荧光光谱特征的影响仇存璞，唐晓雪，文喜贤，马昕伶，夏明明，李忠佩，吴萌，李桂龙，刘凯，刘凯丽，刘明，镇江高等专科学校，江苏 镇江 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 中国科学院大学，北京 江西省农业技术推广中心，江西 南昌 摘要秸秆是重要的有机资源，研究不同钙盐对秸秆腐解过程的影响及腐解产物性质差异，为有机物料高效利用、高质腐熟提供理论依据和技术参考。以水稻秸秆为供试物料，通过添加不同类型钙盐（不添加（），添加 ，（），和（），进行室内秸秆腐解试验，测定不同腐解时期（，和 ）各 处 理 秸 秆 的 腐 解 速 率 及 腐 解 产 物 化 学 性 质 变 化，利 用 三 维 荧 光 光 谱（）技术和平行因子方法（）探究秸秆腐解产物可溶性有机质（）的化学组成变化特征。结果表明：（）较 对 照而言，（），和 处 理 秸 秆 碳的转化率 中 分 别 增 加 了 ，和 ，在 和（）处理分别减小了 和 ；和（）处理显著增加腐解产物；和（）处理显著增加腐解产物的电导率（）；在各腐解时期，和（）处理腐殖质相对含量分别高于对照 和 。（）通过 方法分析腐解产物 组成，共识别出类色氨酸（）、类富里酸（）和类胡敏酸（）三种荧光组分；（），和 处理类胡敏酸类富里酸比值（）高于 处理，增加了腐解产物的复杂程度；（），和 处理腐解产物 的腐殖化（）指数略高于 处理，（），和 处理的 指数显著低于 处理。（）相关性分析表明，和 是添加钙盐后影响秸秆腐解的主控因子，秸秆腐解产物腐殖化程度与 正相关，与 负相关。综上所述，（）和 处理可以促进秸秆的腐殖化进程，提高腐解产物品质，（）和 起相反作用，另外 和 为影响秸秆腐殖化的主控因子。该研究可为选择合适的钙盐添加剂从而促进秸秆腐解、提高秸秆腐解产物品质提供科学参考。关键词钙盐；秸秆腐解产物；可溶性有机质；三维荧光光谱；平行因子分析中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），江苏省基础研究计划（自然科学基金）面上项目（），镇江市高等专科学校青年专项（），江西省重点研发计划一般项目（，）资助作者简介：仇存璞，女，年生，镇江高等专科学校讲师 ：唐晓雪，女，年生，中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室硕士研究生 ：仇存璞，唐晓雪：并列第一作者通讯作者 ：引言中国是农业大国，农作物秸秆资源丰富，年 年全国三大粮食作物秸秆年均产量约为 亿吨，其中水稻秸秆占 。但是，每年仍有近亿吨的农作物秸秆被就地焚烧，造成极大的资源浪费和环境污染。秸秆直接还田或者简单堆腐还田可促进秸秆肥料化利用，提高土壤有机质积累，提升基础地力。然而，该方式存在有机物料分解快、残留少、养分易损失等缺点。如何实现秸秆的高效腐熟，提高腐解产物复杂程度，形成高品质腐解产物，是提高秸秆资源利用效率以及提升土壤肥力的关键。秸秆的腐解过程受微生物、温度、水分、氧气等影响。秸秆自身性质也影响其降解，如含氮量高的秸秆分解速率较高，而高的秸秆分解速率慢。外源添加剂等不仅影响秸秆的腐解速率，还影响秸秆腐解产物的性质。如沸石可提高污泥与秸秆混合物的降解速度，降低氮素损失，提高腐解产物的品质；硫酸亚铁可显著降低牛粪秸秆混合堆肥的氮损失，并有效提升堆肥的腐殖酸；添加针铁矿后稻草腐熟度高，有机碳损失量大，形成的腐殖物质以胡敏酸为主，并且具有较小的颗粒尺寸、较高的羧基和羟基含量以及氧化度和芳香度。目前，针对钙盐如何影响秸秆腐解过程以及腐解产物性质的研究相对较少。钙对土壤中有机物的降解过程具有调节作用，有利于碳的固定，如红壤和潮土中分别约有 和 的土壤有机碳是以钙结合态有机碳的形式存在的，钙离子（）可以选择保护土壤有机质中的芳香碳和羧基碳，促进 与土壤中氧烷基碳结合。还可以显著提高腐殖酸分子的团聚率，使腐殖酸聚集形成芳香性更加丰富的腐殖质分子，使得腐殖质复杂程度增加，不易分解，有利于土壤固碳和土壤有机质的增加。然而单独的 移动性差，必须配合合适的阴离子。在秸秆腐解过程中，结合不同阴离子的钙盐对腐解过程和腐解产物影响如何尚不清楚。本研究根据钙盐的可移动性、溶解性以及酸碱度等特点选择草酸钙、氢氧化钙、碳酸钙、氯化钙、硫酸钙和磷酸二氢钙 ，（），和（）共六种钙盐，添加到水稻秸秆中设置培养试验，同时设置三个取样时间（，和 ），研究添加不同钙盐后水稻秸秆降解速率以及全碳、全氮、电导率（）和腐殖质含量等化学性质变化；利用三维荧光平行因子分析技术（）分析不同钙盐处理下秸秆腐解产物中可溶性有机物（）化学组分特征，以期阐明钙盐对秸秆腐解过程及腐解产物的复杂程度的影响。研究结果将为选择合适的钙盐调节秸秆腐解过程，提高秸秆腐解产物的品质有重要指导意义。实验部分 供试材料供试秸秆选用水稻秸秆其含有机碳 、全氮 、全磷 、全钾 ；钙盐包括：，（），和（）；豫园菌剂（湖南豫园生物科技有限公司）作为添加菌剂，其有效菌种为枯草芽孢杆菌、米曲霉和酿酒酵母，有效活菌数（）亿，纤维素酶活 ，蛋白酶活。试验设计试验共设置七个处理，分别为对照（，无添加剂）和六种钙盐添加剂 ，（），和（）处理，添加量为等钙含量即其分别为秸秆 干 重 的 ，和 ，每个处理设置九个重复。称取 水稻秸秆（过 目筛）分别按设定比例添加上述钙盐，同时添加 的豫园菌剂，尿素调节至，充分混匀后置于 培养瓶中，调节含水量为，置于 恒温培养箱通气培养。培养，和 时进行破坏性采样，每份样品中一部分用于测定 和三维荧光光谱特征，一部分自然风干后，测定、全碳（）和全氮（）。分析方法 腐解产物腐殖质测定采用 的 浸提液提取秸秆腐解产物中腐殖质，固液比为，振荡过滤后，所得溶液即为腐殖质（），采用 （，德国）测定 溶液的 浓度，然后按照式（）求得 的含量（）（）（）式（）中：为 中 浓度，；为 溶液体积，；为秸秆腐解产物样品鲜重，；为秸秆腐解产物样品含水量。腐解产物 三维荧光测定腐解产物与超纯水按比例混合，室温震荡离心后上清液过 微孔滤膜，使用超纯水按比例稀释 滤液，保证可溶性有机物在相同的浓度范围（以 吸光度 为参照）。采用日立 荧光光谱仪进行三维荧光测量，激发和发射波长的扫描范围分别设置为 和 ，分别以和 为增量，激发和发射波长狭缝宽度均为；扫描速度为 。将样品的扫描数据减去超纯水的三维荧光数据，以校正拉曼散射的影响。利用吸光度值对样品的 矩阵数据进行校正，消除内滤效应，样品的荧光强度用超纯水单位进行归一化。数据计算和统计分析秸秆腐解过程中秸秆碳的转化速率为（）（）式（）中：指试验处理，（），和（）；为腐解时 间（，和 ）；为处理在腐解时间时碳的相对转化率；为处理在腐解时的全碳浓度；为处理在时间时的全碳浓度。根据以往的研究，采用激发波长 为 时，与 处的发射强度的比值计算 生物源指数（），指数通常代表 的本地生物活性（即生物可利用性的高低），反映了新产生的 在总 中所占的比例，分析 来源；采用激发波长 处发射波长 处荧光强度峰值与 与 荧光强度峰值和的比值计算 腐殖化指数（），评价 的腐熟程度；利用平行因子分析（）方法分析荧光组分和荧光特征，采用样品中各组分的最大荧光强度（）计算组分比例。处理间差异显著性水平采用 软件（，），通 过 法 计 算，；分析采用 软件（，），通过 计算；各指标相关性分析采用 ，通过 包计算。光谱学与光谱分析第 卷结果与讨论 钙盐对水稻秸秆腐解速率及腐解产物化学性质的影响 钙盐对水稻秸秆腐解速率的影响添加不同钙盐后，前 水稻秸秆碳转化率为 ，时秸秆碳转化率为 ，腐解 秸秆碳转化率为 。总体上，腐解前期秸秆碳转化率较高，后期趋缓（图）。可能是因为腐解早期，微生物可以快速分解利用秸秆中的糖类、蛋白质、淀粉和氨基酸等活性组分；腐解后期，残留物主要为半纤维素和纤维素等缓性组分，微生物分解缓慢。秸秆腐解 天时，对照（）处理秸秆碳转化率为 ；和（）处 理 秸 秆 碳 转 化 率 较 低，分 别 为 和 ；（），和 处理秸秆碳转化率为 ，可明显促进水稻秸秆腐解，其图不同钙盐处理下秸秆腐解速率 中（）效果最佳。钙盐对水稻秸秆腐解产物化学性质的影响水稻秸秆腐解过程中，腐解产物全碳随培养时间的延长逐渐下降，而全氮逐渐增加，导致各处理逐渐下降 图（）。有机物料腐解过程中微生物分解碳源并转化形成、及热量释放到环境中，因此腐解产物全碳含量下降，碳转化率不断升高。一般认为，随着有机物料腐解，干物质总量减少而产生的“浓缩效应”，导致秸秆腐解产物全氮含量逐渐增加。常被用来评价堆肥腐熟程度，反应腐解产物的稳定性。试验中，（），处理在 腐 解 内快 速 下 降，此 后 下 降 速 率 减 缓。，（）处理在腐解初期下降不明显，甚至略有升高，其主要原因可能是其碳转化率较低或是氮损失较大，较差的保氮作用可能造成有机氮的快速释放和的 挥 发 损 失。秸 秆 在，（），处理下腐解 时均处于之间，表明腐解产物已基本腐熟。此前研究表明，添加石灰可以促进有机肥的腐解，腐解过程 中 值 呈 现 先 增 加 后 降 低 的 趋 势。本 研 究 中，（）处理 变化与此前研究相似，随着腐解时间的延长先升高后降低 图（）。而，和（）处理的 逐渐持续增加，在秸秆腐解 时较其 时分别增加 ，和 个单位 图（）。其原因可能是，（）处理可促进腐殖质形成，消耗了秸秆矿质化产生的有机酸。一般随着有机物分解转化，无机盐离子，例如 ，等离子的形成，腐解体系的电导率（）逐渐升高。本研究中，除（）处理外，各处理腐解产物的 均表现为随腐解时间增加而增加 图（）。钙盐自身的溶解度可能也影响腐解产物的 值，如本研究中，及（）较高的溶解度导致其处理的腐解产物 值也较高。图不同钙盐处理下秸秆腐解产物化学性质的变化 第期仇存璞等：钙盐对秸秆腐解过程及产物可溶性有机质三维荧光光谱特征的影响添加 和（）处理后，秸秆腐解产物腐殖质相对含量（）在各腐解时期均高于对照处理，分别较对照增加 和 图（）；添加 处理腐殖质含量在腐解 时低于对照处理，腐解 和 时均高于对照，相对含量较 对 照 分别 增 加 ，图（）；而 ，和 （）处理中腐殖质相对含量均小于对照值 图（）。有机物料腐解过程中，微生物活动导致有机物料的矿化，而剩余的有机物料转化为微生物难降解的胡敏酸等腐殖质组分，使得有机物质的稳定性增加。添加 和（）处理腐殖质相对含量在各腐解时期均高于对照处理，有利于秸秆腐殖化。腐解产物的 组分变化 解析秸秆腐解产物 三维荧光光谱采用三维荧光光谱分析测定了腐解产物 的组分变化，并通过平行因子分析（）方法将 的三维荧光光谱分为三种组分 图（）。组分（）在激发发射波长 和 处出现两个荧光峰（峰），属于类蛋白质类物质，其荧光特性与色氨酸相类似。组分（）在激发发射波长 和 处出现了两个荧光峰（峰和峰），属于类富里酸，其中 为紫外富里酸、为可见富里酸。组分（）在激发发射波长 和 出现了两个荧光峰，为类胡敏酸。采取基于两个半数集和全数集发射波长和激发波长载荷量的方法验证 模型的有效性 图（）。结果表明，各载荷量重合较好，满足“解的唯一性”，说明基于 模型划分的 结构具有较高的可靠性。图 组分荧光谱图的 模型输出及验证结果注：上排图为 模型输出荧光组分；（）：类色氨酸；（）：类富里酸；（）：类胡敏酸；下排图为组分对应的载荷验证结果，左峰：激发波长载荷；右峰：发射波长载荷；蓝色和灰色分别代表两个半数集载荷数据，橙色曲线代表全集载荷数据 ：（）（），（）：；（）：；（）：，；（）（）；（）（）（），（）添加不同钙盐下秸秆腐解产物 荧光性质差异（）和 处理下类色氨酸的相对荧光强度显著高于其他处理，而类富里酸和类胡敏酸的相对荧光强度显著低于其他处理，且随着腐解时间的延长逐渐减小（）图（）。在腐解 的时间内，（），和 处理的类胡敏酸相对荧光强度增加 图（，）。腐殖质由胡敏酸和富里酸组成，其各组分含量的相对比例可以表征腐殖质的复杂程度和品质，胡敏酸比值越高，表明腐殖质复杂程度更高，具有更