溫度對玉米秸稈腐解期間腐殖質(zhì)消長動態(tài)的影響

侯淑艷,竇　森,劉建新,曲曉晶,3

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118；2 黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150070；3 吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 吉林 132101)

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溫度對玉米秸稈腐解期間腐殖質(zhì)消長動態(tài)的影響

侯淑艷1,2,竇森1,劉建新2,曲曉晶1,3

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118；2 黑龍江省水土保持科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150070；3 吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 吉林 132101)

[摘要]【目的】 研究不同培養(yǎng)溫度下玉米秸稈分解期間土壤有機碳(SOC)、水溶性物質(zhì)(WSS)、可提取腐殖物質(zhì)(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量的動態(tài)變化。【方法】 采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，以不添加玉米秸稈為對照，將添加玉米秸稈的土壤于10，25，40，55 ℃培養(yǎng)360 d，研究溫度對玉米秸稈腐解期間(0～360 d)土壤有機碳(SOC)、水溶性物質(zhì)(WSS)、可提取腐殖物質(zhì)(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量及可提取腐殖物質(zhì)中HA相對比例(PQ)的影響?！窘Y(jié)果】 在同一培養(yǎng)溫度和時間下，隨著培養(yǎng)時間延長，玉米秸稈處理土壤SOC和WSS的含量總體降低，HE和FA含量總體則表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢；添加玉米秸稈土壤PQ值先呈逐漸下降的趨勢，到105 d時降至最低，之后隨著時間延長，PQ總體增加。從不同溫度條件看，40 ℃下培養(yǎng)105～210 d時， PQ值均較低?！窘Y(jié)論】 培養(yǎng)溫度越高越利于土壤中SOC、HE和HA的分解與轉(zhuǎn)化， 40 ℃培養(yǎng)條件下玉米秸稈腐解生成的FA最多。

[關(guān)鍵詞]培養(yǎng)溫度；玉米秸稈腐解；土壤腐殖質(zhì)；胡敏酸比例(PQ)；富里酸

微生物和酶共同作用可使施入土壤的有機物料腐解形成特殊類型的高分子有機化合物——土壤腐殖物質(zhì)，因此將有機物料施入到土壤中，既能固碳又能提高土壤肥力[1-2]。近年來，廣泛采用的有機物料培肥方法一直是人們研究的一個重要課題，在這個方法中有機物料分解轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)的影響因素主要有溫度、水分、通氣狀況、植物殘體的特性和土壤特性等。國內(nèi)外學(xué)者針對土壤水分、氣體條件對有機物料分解期間腐殖質(zhì)形成的影響進行了大量研究[3-5]，但關(guān)于溫度對有機物料腐解期間腐殖質(zhì)的形成影響尚未見相關(guān)研究，因此本試驗研究不同溫度條件下玉米秸稈分解期間有機質(zhì)數(shù)量、腐殖質(zhì)組成等的變化規(guī)律，以期為闡明土壤腐殖質(zhì)形成與環(huán)境條件之間的關(guān)系提供參考。

1材料與方法

1.1供試材料

1.1.1供試土壤供試土壤為采自南京耕作層(0～20 cm)水稻土；土樣風(fēng)干后過2 mm篩備用。供試土壤的基本性質(zhì)如下：有機碳11.03 g/kg，全氮0.91 g/kg，全磷5.26 g/kg，速效鉀80 mg/kg，pH 7.44。

1.1.2供試有機物料玉米秸稈，取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗站。60 ℃下烘干，粉碎后過0.25 mm 篩備用。玉米秸稈的基本性質(zhì)為：有機碳395.51 g/kg,全氮5.30 g/kg，全磷0.4 g/kg，全鉀32 g/kg，C/N 74.62。

1.2培養(yǎng)試驗

采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，將過孔徑2 mm篩后的水稻土加蒸餾水調(diào)至含水量為田間持水量的70%～80%，預(yù)培養(yǎng)2周以激活土壤微生物。取預(yù)培養(yǎng)水稻土186 g，加粉碎過孔徑0.25 mm篩的玉米秸稈7 g，加硫酸銨調(diào)節(jié)C/N約為25∶1。將預(yù)培養(yǎng)土壤、玉米秸稈和硫酸銨加適量的蒸餾水充分混勻裝入燒杯內(nèi)，用透氣塑料薄膜封口后分別放在10，25，40，55 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，定期稱質(zhì)量補水，以未加玉米秸稈的土壤處理作為對照(CK)。每個處理3次重復(fù)，4個處理均在標準含水量(土壤含水量占田間持水量的70%)條件下設(shè)置。分別于培養(yǎng)0，35，70，105，140，210，360 d 取土樣過0.25 mm篩后風(fēng)干備用。

1.3測定項目及方法

土壤腐殖質(zhì)各組分的分離與提取[6-7]主要參照Kumada方法進行，但略有修改。具體方法如下：稱取過0.25 mm篩的風(fēng)干土樣5.00 g于100 mL塑料離心管中，加入30 mL蒸餾水，用玻璃棒攪勻，在恒溫振蕩水浴上于(70±2) ℃提取1 h，然后于3 500 r/min離心15 min，將上清液用中速定量濾紙過濾到50 mL容量瓶中，再用蒸餾水洗殘渣2次(每次用量為10 mL)，上清液合并，用蒸餾水定容。此溶液即為水溶性物質(zhì)(Water soluble substance,WSS)，而濾紙上的有機物即為水浮物(Water floating fubstance，WFS)。將上述提取殘渣(離心管中的沉淀)，加入30 mL 0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na2P2O7混合液(pH 13)，加蓋后在恒溫振蕩水浴上于(70±2) ℃提取1 h，然后于3 500 r/min離心15 min，將上清液過濾到50 mL容量瓶中，再用上述NaOH與 Na2P2O7混合液20 mL洗殘渣2次(每次用量為10 mL)，將其離心后合并上清液并用蒸餾水定容，此溶液即為可提取腐殖物質(zhì)(HE)。離心管中的沉淀為胡敏素(HM)。

吸取上述堿提取液(HE)30 mL，加入0.5 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)pH為1.0～1.5，將此溶液于60～70 ℃下保溫1.5 h，靜置過夜，次日將溶液過濾定容于50 mL容量瓶中，即為富里酸(FA)；濾紙上的沉淀用0.025 mol/L H2SO4洗滌3次，棄去洗滌液，然后將沉淀用溫熱(60 ℃)的0.05 mol/L NaOH溶解到50 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，即為胡敏酸(HA)。

用重鉻酸鉀容量法[8]測定土壤有機碳(SOC)以及WSS、HE、HA、HM等組分的碳含量，WFS、FA中的碳含量則用差減法計算，其計算公式簡化為：WFS=SOC-(WSS+HE+HM)，F(xiàn)A=HE-HA。

根據(jù)測定土壤腐殖物質(zhì)的數(shù)量，可以了解土壤腐殖質(zhì)的組成情況，從而明確特定土壤或特定培養(yǎng)條件下HA、FA形成的相對速度及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。通常用HA/FA或PQ(可提取腐殖物質(zhì)中HA的比例)描述土壤腐殖質(zhì)的組成情況，但由于FA誤差較大(用差減法計算)，數(shù)值又較小，因此會使HA/FA變幅較大，而PQ克服了這一缺點[9]，故本研究選用PQ作為判斷腐殖化程度的指標。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用“平均值±標準差”表示，用Excel 2007分析。

2結(jié)果與分析

2.1溫度對玉米秸稈分解過程中土壤有機碳(SOC)含量的影響

表1顯示，加入玉米秸稈后土壤的有機碳含量明顯增加，隨著培養(yǎng)時間的延長SOC含量總體減少，隨培養(yǎng)溫度的遞增SOC總體降低，但CK的SOC含量隨溫度的變化較平緩。加入秸稈后，不同溫度處理土壤的SOC含量在培養(yǎng)之初較對照土壤的增長率均為53%，到360 d培養(yǎng)結(jié)束時按照溫度由低到高的順序其較對照土壤的增長率分別為41.0%，40.7%，12.7%，7.2%，40和55 ℃高溫培養(yǎng)增長率下降最快，表明40和55 ℃的高溫培養(yǎng)有利于秸稈有機碳的分解與轉(zhuǎn)化。有資料表明，土壤溫度和水分對土壤有機肥料的礦質(zhì)化及腐殖化作用過程有著決定性的影響，在水分充足的條件下，50 ℃是纖維素分解的最適溫度[8,10]。也有研究表明，溫度越高，培養(yǎng)時間越長，黑炭越容易老化，老化的黑炭含有較低的碳濃度[11]。而王麗莉[12]研究認為，25～55 ℃是土壤有機質(zhì)分解的最適宜溫度，在此溫度范圍內(nèi)，當溫度升高，微生物的活動加強，其對有機質(zhì)的分解速度加快。

表 1　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤有機碳(SOC)含量的影響

2.2溫度對玉米秸稈分解過程中土壤水溶性物質(zhì)(WSS)含量的影響

從圖1可以看出，同一溫度處理條件下，加入玉米秸稈的土壤WSS含量明顯高于CK，這主要是因為玉米秸稈中WSS含量較高[7]。隨著培養(yǎng)時間的延長，加入玉米秸稈處理土壤的WSS含量逐漸降低，但是CK的WSS含量隨時間延長變化不大，說明玉米秸稈中的WSS隨時間延長不斷分解轉(zhuǎn)化。研究表明，真菌及混合菌對玉米秸稈類腐殖質(zhì)形成和轉(zhuǎn)化有影響，且隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理的WSS含量開始增大，之后又逐漸降低[13]。這與本研究結(jié)果不同。

圖 1　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤水溶性物質(zhì)(WSS)含量的影響

由圖1可見，對于加入玉米秸稈的土壤而言，其在10 ℃培養(yǎng)條件下的WSS含量總體較高， 25 ℃培養(yǎng)條件下總體較低；其WSS含量在105～140 d總體最低，之后稍有上升趨勢，這主要是因為不同溫度條件對微生物活動的影響不同，而WSS是微生物活動的主要來源，因此不同溫度培養(yǎng)條件下WSS分解轉(zhuǎn)化的數(shù)量不同，隨著培養(yǎng)時間的延長，微生物逐漸死亡，其尸體又轉(zhuǎn)化為新的土壤水溶性物質(zhì)，從而使土壤中的WSS又逐漸積累增多，但其數(shù)量遠遠低于玉米秸稈中WSS的含量。

2.3溫度對玉米秸稈分解過程中土壤可提取腐殖物質(zhì)(HE)含量的影響

土壤腐殖物質(zhì)是一類以芳香化合物或其聚合物為核心，同時結(jié)合了其他類型有機物質(zhì)的有機復(fù)合體，其抵抗微生物分解的能力強，在土壤中穩(wěn)定，分解速率較小。因此本研究中的腐殖物質(zhì)主要是指玉米秸稈分解期間“新形成”的腐殖物質(zhì)。

由表2可以看出，在相同培養(yǎng)溫度下加入玉米秸稈的土壤HE含量明顯高于CK，隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理土壤HE含量總體增加，105 d時基本達到最大值，說明培養(yǎng)初期玉米秸稈不斷分解，HE的形成速度加快；105 d之后，隨培養(yǎng)時間的延長，HE由于分解速度大于形成速度，各處理土壤HE含量總體降低。0～35 d各處理HE含量隨著溫度升高變化不大，之后至培養(yǎng)結(jié)束時各處理土壤HE含量均隨著溫度的升高而降低，說明溫度越高越有利于HE的分解與轉(zhuǎn)化。

表 2　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤可提取腐殖物質(zhì)(HE)含量的影響

2.4溫度對玉米秸稈分解過程中土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量的影響

玉米秸稈分解過程中，土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量隨溫度的變化分別見表3和表4。由表3可見，加入玉米秸稈的土壤HA含量比CK處理高，隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理土壤HA含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。從不同培養(yǎng)溫度角度來看，0～35 d，10和25 ℃條件下添加玉米秸稈處理及CK HA含量變化幅度不大，70 d之后，與0 d相比， 40和55 ℃條件下添加秸稈及CK的HA含量明顯降低，說明40和55 ℃的高溫條件促進了HA的分解與轉(zhuǎn)化，而低溫與常溫對HA數(shù)量的變化影響不大。其原因可能是40和55 ℃是比較適合專性嗜熱菌生長的溫度[14]，從而加速了土壤中HA的轉(zhuǎn)化。研究表明，耐高溫菌在高溫下具有更高的活性及更快的生物降解速率[15]。

從表4可以看出，培養(yǎng)0～105 d，各處理土壤FA含量總體呈上升的趨勢，到105 d時基本達到最高值，之后隨培養(yǎng)時間延長，各處理土壤FA含量總體降低。這與李凱[16]得到的“不同氣體培養(yǎng)條件下，玉米秸稈分解0～140 d FA含量先下降后增加”的結(jié)論不一致。由表4還可知，除0～105 d外的其他培養(yǎng)時間，土壤FA含量隨溫度的升高總體呈降低趨勢。

表 3　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤胡敏酸(HA)含量的影響

表 4　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤富里酸(FA)含量的影響

2.5溫度對土壤可提取腐殖物質(zhì)中HA相對比例(PQ)的影響

由表5可以看出，土壤中加入玉米秸稈后PQ值由94.27%下降至72.24%，這可能是由于玉米秸稈中含有較高的類FA所致。隨著培養(yǎng)時間的延長，各處理土壤PQ值出現(xiàn)先下降后上升的趨勢，出現(xiàn)這一情況的原因可能是在培養(yǎng)之初秸稈迅速腐解生成大量的FA，之后隨著培養(yǎng)時間的延長，新形成的FA進一步礦化縮合成分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的HA。這與竇森等[17]、李翠蘭等[18]所得出的“玉米秸稈分解初期FA的形成速度大于HA，隨培養(yǎng)時間的延長，F(xiàn)A轉(zhuǎn)化為HA或相互轉(zhuǎn)化”的研究結(jié)論一致。從整個培養(yǎng)時間看，添加玉米秸稈處理土壤PQ值在105 d時達到最小值，說明此時HA與FA的相互轉(zhuǎn)化達到一個相對的動態(tài)平衡[19]。從表5還可以看出，添加玉米秸稈后40 ℃下培養(yǎng)105～210 d時土壤PQ值均較低，表明40 ℃的培養(yǎng)條件下玉米秸稈腐解生成的FA最多，說明40 ℃培養(yǎng)條件是玉米秸稈腐解的適宜溫度。但有相關(guān)研究表明，35 ℃是作物秸稈降解的較適宜溫度[20]。

表 5　溫度對玉米秸稈分解過程中土壤PQ的影響

3結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，玉米秸稈分解期間，隨著培養(yǎng)時間的延長，SOC、WSS含量總體減低，HE和FA的含量總體呈先上升后下降的趨勢，且最高值均出現(xiàn)在105 d。與對照相比，加入玉米秸稈后PQ值降低；隨著培養(yǎng)時間的延長，不同培養(yǎng)溫度下各處理土壤的PQ值均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。40 ℃條件下培養(yǎng)的土壤PQ值在105～210 d時均較低，表明在此培養(yǎng)條件下玉米秸稈腐解生成的FA最多，說明40 ℃是玉米秸稈腐解的適宜溫度。

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Effects of temperature on dynamics of humus during corn stalk decomposition

HOU Shu-yan1,2,DOU Sen1,LIU Jian-xin2,QU Xiao-jing1，3

(1CollegeofResourceandEnvironmentalScience,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China;2AcademyofSoilandWaterConservationinHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China;3TheAcademyofAgriculturalSciencesinJilinCity,Jilin,Jilin132101,China)

Abstract:【Objective】 This study investigated dynamic changes of soil organic carbon (SOC),water-soluble substance (WSS),extractable humus (HE),humic acid (HA), and fulvic acid (FA) contents during corn stalk decomposition at different temperatures.【Method】 Indoor culturing experiment was conducted with no corn stalk addition as control.The soil with corn stalk were incubated for 360 days at 10,25,40,and 55 ℃,respectively.Then the effects of temperature on contents of soil organic carbon (SOC),water-soluble substance (WSS),alkali extraction of humic substances (HE),humic acid (HA) and fulvic acid (FA) and the relative ratio of HA (PQ) in humic substance extraction during corn stalk decomposition period (0-360 d) were analyzed.【Result】 Under same temperature,SOC and WSS contents reduced as the increase of incubation time while HE and FA decreased gradually following initial increase.Soil PQ value with the existance of corn stalk decreased gradually to the minimum at 105 d,and then it increased gradually.The lowest PQ value was obtained when cubatrated at 40 ℃ for 105-210 d.【Conclusion】 Higher incubation temperature was more conductive to decomposition and transformation of SOC,HE and HA.The temperature of 40 ℃ generated the largest FA content during corn stalk decomposition.

Key words:culture temperature;corn stalk decomposition;soil humus;radio of humic acid in humus (PQ);fulvic acid

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-03-1408:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.04.012

[收稿日期]2014-08-21

[基金項目]吉林省科技廳項目(20130206018NY)

[作者簡介]侯淑艷(1980-)，女，吉林梅河口人，工程師，博士，主要從事土壤生物化學(xué)研究。E-mail:houshuyan2007@126.com[通信作者]竇森(1959-)，男，吉林東豐人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤生物化學(xué)研究。E-mail:dousen1959@126.com

[中圖分類號]X172

[文獻標志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)04-0087-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160314.0845.024.html