水稻秸秆腐解产生溶解性有机质的生物降解特性

1、水稻秸秆腐解产生溶解性有机质的生物降解特性本研究采用培养法，通过doc、ph、280nm吸光度指标研究水稻秸秆腐解不同阶段产生dom的生物降解特性与结构变化，阐明秸秆还田对土壤c02排放与碳固定的影响，为 选择秸秆还田的正确方法提供科学依据，为可持续发展战略 提供科学资料。通过培养不同天数的水稻腐解液来控制变量，以研究不同腐解天数的dom溶液中doc降解特性及ph、280nm吸光度 变化。doc采用比色法；ph值采用电极法；280nm吸光度值 采用分光光度法。基于dom是不同降解速率和不同降解程度的成分的混合 物的假定，我们使用双倍指数模型(double exponential model)来

2、描述doc的矿化动力学，模型公式表达式为：残留 c%二(100-b) +be (1)式中：t为时间/天，b为稳定doc所占最初doc的百 分含量(%), 100-b为易矿化doc所占最初doc的百分含量 (%), kl为易矿化doc矿化速率常数(天)，k2为稳定doc 矿化速率常数(天)。同时计算半衰期：1. 不同腐解阶段产生d0m的生物降解性水稻秸秆不同腐解阶段dom液的doc随时间变化如图1 所示。图1不同腐解阶段dom残留doc随时间的变化不同腐解阶段dom整个降解过程都可分为残留doc的迅 速减少和缓慢减少两个阶段。在14天前doc的浓度迅速降 低，14天后降解速率明显减慢，doc浓度

3、趋于稳定。但不同 腐解阶段dom降解特性表现出较大差异。双指数模型方程拟 合结果(见表1)表明，矿化率表现为7天dom矿化率达 46.79%,而180ddom矿化率仅为11.23%,矿化率总体表现为 随腐解时间延长而减小。dom可以分为易矿化性c库和稳定 性c库两个组分，易矿化性c库的半衰期为13天，而稳 定性c库的半衰期为173693天。稳定性c库的比例则表 现为随腐解时间延长而增加。由此可见，随腐解时间延长， dom生物有效性降低，dom越稳定。表1不同腐解阶段dom降解过程使用双指数模型拟合参 数比较注：拟合方程为：残留 c%二(100-b) e-klt+be-k2t； 易矿化c半衰期=

4、ln2/klo 稳定性c半衰期=ln2/k2o r2为拟合方程的相关系数之平方。2. 不同腐解阶段产生dom的ph的变化dom是一类组分非常复杂的混合物，它既含低分子量物 质（如游离的氨基酸、糖类），又含各类大分子成分（如酶、 氨基糖、多酚和腐殖酸等）。ph值不同，反映dom化学组成 上的差异，与酸性基团、碱性基团的相对含量有关。本试验 分别选取了腐解初期7d与腐解末期180d两个阶段dom,研 究其降解过程中ph值的变化，结果见图2。从图中我们可以 看出，7dd0m溶液与180dd0m溶液初始ph值有较大差异， 7dd0mph值为7.9,而180dd0m ph仅为7. 1,虽均为弱碱性, 但

5、两者化学组成不同。在整个降解过程中，7dd0m表现为先 下降后上升，并逐渐趋于稳定，180dd0m则表现为先上升后 趋于稳定。两者都表现为在降解0-7天之内ph值迅速发生 变化，原因是这段时间内doc的迅速降解，化学组成发生较 大变化。与doc含量变化相一致。图2还表明，最后两者ph 值相近，表明两者在化学组成上趋于相似。图2 dom降解过程中ph的变化3. 不同腐解阶段产生dom的280nm下吸光度的变化e280值主要反映有机质组成中芳香化合物的含量，两者 成正相关关系。7d与180dd0m溶液降解过程中280nm吸光度 随时间变化如图3所示。两者变化趋势明显不同，7dd0m在 降解初期e2

6、80值较小，随着降解进行，7天后e280值迅速 升高，14天后趋于稳定，并与180dd0me280值接近。而 180dd0m在整个降解过程中变化不大。kalbitzk等指出，dom 由碳水化合物、脂肪、竣基化合物、芳环物质等组成12。 不同组分物质被微生物利用的难易程度有显著不同，碳水化 合物最先被微生物利用，芳环物质结构复杂表现为相对稳定 13 o由此可见，180ddom生物有效性低且较稳定，与其化 学组成中芳香化合物含量较高有密切关系。7dd0m芳香化合 物含量相对较少，生物有效性较高，在降解初期碳水化合物、 脂肪等易利用组分迅速减少，芳香化合物不易矿化而相对富 集，从而导致e280值迅速

7、增加；14天后doc含量变化不大, e280值也趋于稳定。3.讨论微生物对dom的利用包括两个交替或连续的过程：微 生物对dom的同化吸收；为获取能量和无机养分而完全分 解dom成c02或ch4。微生物对dom的降解改变dom的性质， 而微生物能否利用dom也决定于dom本身的性质：即化学组 成和结构特征。因此，不同来源dom生物可降性不同。本试 验研究了水稻秸秆腐解不同阶段dom的生物降解性，结果表 明不同阶段dom的生物降解性表现出较大差异，矿化率在 11.23%46. 79%,随腐解时间延长，矿化率依次降低，dom 越稳定。7dd0m与180ddom ph值和e280值随降解过程的变 化

8、表明，化学组成和结构特征的差异是导致其可降解性不同 的主要因素。本研究秸秆腐解初期dom主要来源于秸秆中水溶性物 质，其主要成分为单糖、氨基酸、氨基糖等，这些物质极具 生物有效性，是微生物最易利用的碳源，将诱导秸秆腐解所 需微生物大量繁殖。随着微生物活性增强，微生物代谢产物、 微生物死亡残骸、秸秆中纤维素和木质素等的降解都成为 dom的组成来源，从而使dom的组成结构发生变化。秸秆旺 盛分解期dom主要来源于纤维素和木质素等的降解产物以及 微生物代谢产物，此时dom含丰富的竣酸类物质、强氧化木 质多酚类物质以及芳香族和脂肪族物质，碳水化合物和氨基 糖减少，糖醛酸和半乳糖增多，疏水性较强。在秸秆

9、腐解后 期阶段，dom中木质素多酚类物质降解产物大大增加。因此, 随腐解时间延长，表现为dom的生物可降解性逐渐降低，dom 趋于稳定。4. 结论(1) dom生物降解过程残留doc随时间变化符合双指数 模型方程。生物降解大致可分为快速矿化期和缓慢矿化期两 个阶段。不同腐解阶段dom的生物降解特性有较大差异。随 着水稻秸秆腐解进行，dom生物降解越弱，doc越稳定，41 天doc矿化率表现为180天d0m91天d0m>38天>14天d0m>7 天 domo(2) dom生物降解过程中ph的变化随着d0m成分的改 变而改变。7ddom溶液与180ddom溶液初始ph值虽都呈偏弱 碱性，但仍有较大差异，表明两者化学组成不同。另外，在 整个降解过程中，7ddom表现为先下降后上升并逐渐趋于稳 定，180dd0m则表现