农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征

第20卷第2期生态学报Vol. 20.No. 22000年3月ACTA ECOLOGICA SINICAMar. ,2000衣田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征张春慧',张一平2 ,窦连彬3(1.天津市大港经济技术开发区管委会.天津300270;2. 西北农业大学资环系,陕西杨陵712100;3. 天津市大港区农林畜牧局,天津300270)摘要:用热分析法研究了农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征,并探讨了腐解物中不同组分对腐解物热解特征的影响,结果表明.腐解物DTA曲线的280C、330C、450C放热峰,DTG曲线的第二失重峰和h33o0c/husoc值可作为表征腐解进程的特征峰和特征值。由腐解物DTA、DTG所得能量各参数(OH,E)与文献[3]所述腐解物能态(Q呈现波动起伏,趋于稳定2个阶段相符.二者相互印证,显示热分析方法用于植物残体腐解进程研究的可行性。DTA的280C放热峰主要由苯醇溶性物、水溶性物引起。苯醇溶性物、水溶性物和纤维素、半纤维素是影响腐解物热解及其能态变化特征的主要物质组分。木质素组分对腐解后期腐解物的热解及其能态特征趋于稳定具有重要作用。关键词:玉米秸杆;腐解物;热解;能态Pyrolytic features of corn residues in the decaying process underfield conditionsZHANG Chun-Hui' ,ZHANG Yi- Ping2 ,DOU Lian-Bin'(1. Administrative Compmisso of DagangEcomomic and Technologic Development Area , Tianjin 300270, Chinc; 2. Northrvestern Agricultural University . Shanti,Yangling 300270. hina ;3. Agricultural Forestry Livestock Bureau of Tianjin Dagang .Tianjin 300270.China)Abstract: This research proved that a thermal analysis could be used to study the plant residue decaying.Variations in pyrolytic features of corn residues in the decaying process was investigated under field condi-tions. The results show that 280C，330C ,and 450C peaks of DTA curve and the second peak of DTGcurve could be regarded as the featured peak" and the ratio of hssoc /hasoc as "the featured index" . Energyparameters (OH . E)brought out such two stages as the fluctuating- rolling stage and the stage which tendedto be stable. The results show that 280C peak of DTA curve was mainly given by benzene- alcohol solublesubstances(b-a) and water soluble substances (w); b-a, w，cellulose , hemicellulose were the main compo-nents which aected pyrolitic feature. Lignin had a important function in the latter decaying period in whichporolitic feature and energetics tended to be stable.Key words :corn residue ;decaying subs tance ;pyrolytic feature ;energetic文章编号:1000 -0933(2000>02 0264-06中图分类号 :Q948文献标识码:A近代一些学者借助于热分析方法对土壤有机质研究的结果表明,该方法不仅可以获得腐解物质分子结构有价值的资料,而且还可以估价有机物质的腐殖化程度[.2)。作者曾用氧弹量热计法研究了农田生态:条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的能态变化特征,并探讨了腐解物中不同组分对腐解物能态的影响。为深化这方面的研究,本文在以往研究的基础上采用热分析方法、沿用动态研究途径,对农田生态条件下植物残体腐解过程腐解物的热分解(热解)特征进行探讨,为植物残体腐解过程能态变化研究探索新的途径和累积新的资料。1材料与方法2期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征265本试验利用西北农业大学有机质转化研究定位试验450地进行,土壤系口土,安排本试验时,定位试验已连续进行了13a.小区面积为19.8m2,每年小麦玉米连作。本试验选330用定位试验中化肥,厩肥+化肥,不施肥3个处理,供试小区施肥处理,小区土壤化学性质及供试腐解物样品的采集16<、45及制备同文献[3]。用岛津DT-30B型热分析仪进行供试样￥$2335332品的差热(DTA),热重(TG )和微商热重(DTG)分析。DTAM\称样6. 00mg.TG称样10. 00mg,参比物为AlO,试样气456氛为静态空气,升温速度10C/min. DTA中腐解物的能态1m ) 4s5 16160用焓变(0H)表示,其计算公式为0H=k●s/m(S:测试峰75s2 7面积.m:峰区热解物重量,k:用苯甲酸测得的标定常3314.数)+[1.DTG中腐解物热解活化能(E),比速率常数(ke)依据Turner等C5.1的计算公式推求。322结果与讨论7474492.1植物残体腐解过程腐解物热分析曲线特征12333各施肥处理不同腐解期腐解物的DTA曲线如图1。各7434212~曲线特征基本相似,共同点是.60~85C有-吸热谷,32210、~342C和419~475C有两个主放热峰,480C左右有' -尖85 34010 340状放热峰。此外,腐解前期265~321C有-小放热峰。58104281 I 454各施肥处理不同腐解期腐解物的DTG曲线如图2。各270 \DTG曲线亦有共性,均显示3个失重峰,其中第2失重峰Bi 238314最突出。59 4502.2植物残体腐解过程腐解物热解的动态变化特征308)683102.2.1表征腐解进程的DTA特征峰和特征值图6-50661321401DTA曲线中.265~321C小放热峰(简称280C峰),各施420435肥处理在腐解前期(10个月前)均明显,以后消失,此峰的306出现显示腐解过程处于前期，因此可作为表征腐解进程的330 4-47432654特征峰(280C特征峰);322~342C放热峰(简称330C.475‘ 613201峰),各施肥处理及各腐解期皆突出,峰较高，峰面积较大，305|峰温变幅小，基本处于330C 左右,同时从表1可见,腐解过程此峰的峰高(h),焓变(0H)呈现规律性变化。腐解1050 c个月以前.h.0H值较大、且波动起伏变幅较大,此后该值变小，变幅减小，因此可作为表征腐解进程的330C特征图1各施肥处理不同腐解期腐解物DTA曲线峰;419~475C放热峰(多数在450C ,简称450C峰),各施Fig. 1 DTA curve of decaying substances in vari-肥处理及各腐解期亦较突出,且从表1可见该峰峰高(h),ous decaying periods for fertilizer treatment焓变(0H)随腐解进程亦呈现规律性变化，腐解10个月以a化肥Chemieal frilier treatment,b厩肥+化肥前h,OH值较小,此后增加较多，与330C特征峰呈现相反Barn yard manure + chemical frilier treatmert,e变化趋势，故可作为表征腐解进程的450C特征峰。不施肥Without ferilizer applied treatment. 1.曲线从表1 h330/h4soc值(DTA曲线330C峰高与450C峰旁所标2.4.6.8.10.12.14.16 为腐解期(月).2.峰高比值)看出,各施肥处理随腐解程度加深,该值逐渐变端所标数字为各峰所对应的温度( C).以下图同此小，腐解10个月以前，该值大干1.此，后小干1。亦呈现规律266生态学报20卷表1各施肥处理不同 腐解期腐解物DTA曲线330C .450C峰高(h).焓变(H)及hssoc/hsocTable 1 High 0H of 330C .450C peak and the ratio of h3soc /h4so c obtained from DTA curve of decaying substanese参数处理腐解期(月)Decaying periods(Month)Parameters- Treatment261:1416330C化肥①19.821.612.620.717.13.33.59.8峰高厩肥+化肥19.211.419.216.84.89.6h(em)不施肥12.013.29.012.910.8450C化肥1.03.02.426.128.527.9峰高厩肥+化肥0.93.62.729.4.29.429.129.6h(cm)0.62.58. 127.025.2.32. 1330 C7.13.45.61.91.11.21.4峰焓变2.32.21.71.3SH(kJ/g)2.02.1.61.82.16.56.65.86.1峰焓变厩肥+化肥4.94.20H(kJ/g)6.34.419.47.25.30.70.10.20.3h3aoc /husoc21.35.520.04.00.5①Chemical fertilizer ,②Barn-yard manure + Chmical ferilizer ,@ Without fertilizer applied程较快,这可能与不施肥处理土壤有机质含量较低,土壤缺乏微生物易利用的碳源,而抑制了微生物的活性,加入玉米秸杆后,激发了微生物活性.导致腐解加速有关。2.2.2表征腐 解进程的DTG特征峰图2DTG曲线中,第2失重峰随腐解进程逐渐减小,表2亦可看出,该峰的峰高(h)、活化能(E),比速率常数(ko)均呈规律性变化,即腐解10个月以前h,E,ko值较大呈起伏变化，此后各值均显著减小且趋于稳定。因此该峰可作为表征腐解进程的DTG特征峰。综合上述植物残体腐解过程腐解物热解的DTA.DTG曲线各特征峰及特征值的变化规律,可将植物残体腐解过程以腐解8~10个月为界划分为腐解前.后2个阶段，以所得能量参数(0H、E)看,腐解前期腐解物能态呈现较大波动起伏变化，腐解后期变幅较小趋于稳定,这与文献[3]所得腐解物能态(Q,)变化呈dtspSso \S08 )>514现波动起伏,趋于稳定2个阶段的结论相吻合,二者相互↑印证，进一步证实了此结论的可靠性。同时,亦证实了在试>807s 7670/80验条件下腐解物经8~10个月后腐解主要进程已趋完?080 10121416成8]。显示热分析方法用于植物残体腐解进程研究的可行>s39 )568S19>504冶)曾论治性。上述结论与在相同试验小区上,1990年6月~1991年》79>80 71 )86716月所作苜蓿残体不同腐解期腐解物的热解变化特征类>81 >8010 1212141642 >冶海发器同[6],表明不同植物残体腐解物热解变化特征具有-定共c性。但苜蓿残体腐解物未出现玉米残体腐解物表征腐解进》80)76 187281程的280C特征峰,显示两者热解特征上亦存在一定差异。腐解期2468012 14 162.3腐解物中不同组分对热解特性的影响Date(month)+ dwdt为探讨腐解物中不同组分对热解特征的影响,对腐解图2:各施肥处理不同腐解期腐解物DTG曲线物去除各组分后的样品分别进行热分析研究。各施肥处理Fig.2 DTG curve of decaying substances in vari-不同腐解期腐解物去除苯醇溶性物后样品的DTA曲线2期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征2674“:6400 )528>0255334》75s (60 975 >6575769798 10 12 141634M33516、学)s6s s27 )528 )530.)9@总总3316>80 }75 17972975770>85 783 10 12141632614n,78)508(5222 )s2总>冶海总治3311432472 )72)72 849087172 330)! 4si\8 10121416一dn/de68 33012、)12-80图4各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯理328|醇溶性物(b-a)后样品DTG曲线7434|Fig.4 DTG curves of sample taken b-a solu-190、ble substances away from decaying substance in73455295%1460various decaying periods for fertilizer applied10treatment a,b,c is as same as fig. 182 4S085/33随腐解进程的变化规律与原腐解物相似。280C峰没有消失,与图1相比略有减小,说明此峰不完全是由44859苯-醇溶性物所致。270336-去苯醇溶性物后样品DTG曲线(图4)的动43288,态变化与原腐解物也相似。仅峰高相对减少。因此苯4-Y'-醇溶性物的去除未改变植物残体腐解过程热解及能4x701439态2个阶段变化的基本特征。(OH、E ko,h等参数符2,473合此变化规律。2v各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯醇溶性090)物。水溶性物后样品的DTA,DTG曲线如图5,图6。ab由DTA图可见280C特征峰已完全消失,说明苯醇图3各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯醇溶性物后溶性物，特别是水溶性物是共同引发该峰的主要物质。DTA曲线的330C,450C特征峰和DTG曲线的.样品DTA曲线Fig.3 DTA curve of sample taken benzene: alcohol solu-特征峰仍然存在.且仍呈现与原腐解物类同的热解及ble substances (b-a ) away from decaying sucbstances in能态2个阶段的变化特征。various decaying periods for ferilizer applied treatment.各施肥处理不同腐解期腐解物去苯醇溶性物,a,b,c is as same as fig. 1水溶性物,纤维素,半纤维素后主要组分为木质素,也可能有部分腐殖酸的样品.其DTA曲线如图7,与原腐解物DTA330C ,450C特征峰的峰温及峰形有明显差异,峰温有所提高,相应于原330C峰的峰温变为330~ 370C(简称350C峰),相应于原450C峰的峰温变为472~ 520C(简称500C峰)。腐解前期(10个月以前)500C峰较突出，腐解后期减弱,350C峰呈相反趋势,腐解10个月以前较小,多为肩状峰,腐解后期变为较突出且与500C峰面积相近。因此，该样品虽随腐解进程亦呈2阶段的变化特征,但已不具有表征原268生态学报20卷要物质组分。木质素等组分对腐解后期腐解物的热解及其能态特征趋于稳定具有重要作用。y4S553p455t)512)528)48s35 海台尚治458 |364s4330 |》2》72 >85 )81 728133010 12 1416I 456、16.54)500.537yss )>s40总高治总87514V314-32678”{72 975 74876787210 1214164514-12~ I70 31812-330)502519 )505ys间治治治75 338230-527925湖治337S )7280 >76727597434588 21012 141610~80 451一士dw/dt6455图6各施肥处理不同腐解期腐解物去苯醇溶性物(b-4596520a),水溶性物(w)后样品DTG曲线78457Fig.6 DTG curve of sample taken b-a and w away :340 Ifrom decaying substance in various decaying periods for6-/341 8418633770fertilizer applied treatment.7s445a,b.c is as same as fig. 168, 4424\7340430352349310345 86340512338 5052万16V68//5005730 4901672 bC414~12903985081255 314-R5002,10-/3588,不图5各施肥处理不同腐解期腐解物去苯醇溶性物80(b-a)水溶性物(w)后样品DTA曲线8VFig.5 DTA curve of sample taken b-a and water sol-58 52uble substance away from decaying substance in vari-6\ 353/ous decaying periods for fertilizer applied treatment6835米品358a,b,c is as same as fig. 14V4、2-ab图7各施肥处理不同腐解期腐解物去苯醇溶性物(b-a),水溶性物(w),纤维素、半纤维素后样品DTA曲线Fig. 7 DTA curves of sample taken b-a w. cellulose andhemicellulose away from decaying substance in variousdecaying periods for frtilizer appied treatment2期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征269表2各施肥处理不同腐解期腐解物DTG曲线各参数值Table 2 Parameters of DTG curve of decaying substances in various decaying periods for fertilizer applied treatment参数处理腐解期(月)Decaying periods(Month)Parameters T reatment26121416第二峰高化肥①4.96.37.23.62.91.71.51.4厩肥+化肥25. 97.0.6.3.42.00.9(cm)不施肥8.05.87.53.92.11.3第二峰温化肥613621633635637630(K)厩肥+化肥615631632634641638(T'm)617642644629第二峰活化221.9442.1371. 984.4105.372.471.9能E320. 4.320. 4484.9350. 489.7123. 379.1(KJ/mol)296.8326.4784, 6271.0162.178.286.397.2比速率常数1018-21037.31030.71051.日106-3108.11053105-3(min-1)厩肥+化肥07-21039.31040.41086.5 :106-7109.6105-+106-91025.11026.9105491022.1 0228105.7105-65107.7①Chemical fertilizer .②Barn yard manure +Chmical fertilizer ,③Without fertilizer applied参考文献[1]白锦鳞.张一平,等.陕西省几种主要土壤胡敏酸能态及热分解特征的研究.土壤学报,1990,27(2);151~158.[2] OpToBIC 1u.B H,HI T儿，Ippro I1 y Tepmaa;1 TyNycoBux Beueern 104B ATPOXIMIIH. 1968,(1):68~77.[3]张春慧,张一-平,等.农田生态条件下植物残体腐解过程腐解物的能态变化特征.生态学报,1996,16(2);140~146.[4]波普M1.尤德MD,王世华.等译.差热分析DTA技术及其应用指导.北京:北京师范大学出版社.1981.45~46.[5] Tuurner R C,Schnitzer M. Thermogravinetry of the organie matter of a podzol. Soil Sci. 1962 , 93(4) :225 ~ 232.[6] 陈思根,张一平,等,植物残体腐解物能态特征及其与组分的关系.西北农业大学学报,1993.21(增刊):21~25.