全 文 ：化学2生物发酵联用技术对稻草腐熟的效
果及红外光谱研究 3
蔡燕飞　廖宗文 3 3 　王德汉　李育锐
(华南农业大学资源环境学院新肥料资源研究室 ,广州 510642)
【摘要】　采用傅立叶变换红外光谱 ( FTIR) ,研究了化学2生物联用处理对稻草腐熟的影响. 结果表明 ,稻
草经各化学2生物联用处理 7 d ,其腐熟效果均比对照好. 其中化学熟化剂 A2生物熟化剂 A 联用处理后 ,稻
草颜色暗褐色 ,容易折断 ,明显腐熟. FTIR 分析表明 ,经处理后稻草的酚羟基、醇羟基和甲基含量降低 ,脂
肪族化合物部分降解 ,芳构化成分增多 ,尤其是取代芳环增多 ,氧化缩合作用增强 ,加快了稻草的腐殖化进
程.比较各熟化剂及其配合对稻草的腐熟效果表明 ,化学熟化剂 A > 化学熟化剂 B ,生物熟化剂 A > 生物
熟化剂 B > 生物熟化剂 C ,其中化学熟化剂 A2生物熟化剂 A 联用处理对稻草腐熟效果最好.
关键词 　稻草 　快速降解 　化学2生物联用技术 　傅立叶变换红外光谱
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 08 - 1269 - 04 　中图分类号 　X712 ; S153 　文献标识码 　A
Decomposing effect of chemical2biological decomposing combined technique on rice stra w and its fourier trans2
form infrared spectroscopy. CAI Yanfei ,L IAO Zongwen , WAN G Dehan ,L I Yurui ( College of Resources and
Envi ronment , South A gricultural U niversity , Guangz hou 510642 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14
(8) :1269～1272.
The effects of several chemical2biological combined decomposing techniques (CBCDT) on the decomposition of
rice straw were studied by fourier transform infrared spectroscopy ( FTIR) . The results showed that under
CBCDT treatments , rice straw could be better decomposed than in control. After seven days under CBCDT
treatments , the straw turned into brown , and was easy to be broken down and obviously decomposed. FTIR
spectra indicated that under chemical agent A2biological agent A combined treatment , hydroxyl , ketonic car2
bonyl , methyl , methylene , methane and aliphatic compounds decreased , proteins and amino acids completely de2
composed , but aromatic compounds ( specially substituted group ) increased , and hence , the humification of
straw was accelerated. The effects of different decomposing agents on straw were decreased in the order of chemi2
cal degrade agent A > chemical degrade agent B , biological degrade agent A > biological degrade agent B > bio2
logical degrade agent C. The chemical agent A2biological agent A combined treatment was the most effective a2
mong several treatments.
Key words 　Rice straw , Quick decomposing , Chemical2biological combined decomposing technique , FTIR spec2
troscopy. 3 国家“九五”科技攻关项目 (952003204201203) 和广西区青年科学
基金资助项目 (0007019) .3 3 通讯联系人.
2002 - 01 - 07 收稿 ,2002 - 08 - 28 接受.
1 　引 　　言
稻草是一种宝贵的生物资源 ,自然腐化通常要
一个多月 ,实际上难以实行. 农民只好将秸杆就地
焚烧 ,即浪费资源又污染环境 ,甚至严重影响飞机起
降和公路交通. 稻草快速腐熟成为当前急待解决的
重要课题[3 ,7～10 ] . 目前稻草腐熟的方法多侧重于选
用优良菌种 ,但存在效果不理想和价格偏高等问题.
本试验针对稻草降解慢的问题 ,采取了化学2生物联
用处理技术 ,即在对稻草进行化学预处理后 ,再进行
生物发酵处理 ,以加快稻草腐熟. 傅立叶变换红外光
谱 ( FTIR)作为一种定性分析的工具 ,可在不破坏样
本的情况下直接分析有机物中的主要化学官能团变
化[1 ,2 ,4～6 ,11 ] . 本文采用 FTIR 法 ,对各处理稻草的
主要官能团进行了研究 ,以揭示稻草腐熟的机理 ,为
有机物培肥土壤提供依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
将干稻草切成 2～3 cm 长 ,备用 ;化学熟化剂 A、B (分别
为无毒的有机无机化合物 ,本室自制) 、生物熟化剂 A (菌剂 ,
本室自制) 、生物熟化剂 B (菌剂 ,市场购买) 、生物熟化剂 C
(菌剂 ,美国某公司提供) .
212 　研究方法
　　化学2生物联用共设 7 个处理 ,3 次重复. 称 100 g(干重)
应 用 生 态 学 报 　2003 年 8 月 　第 14 卷 　第 8 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2003 ,14 (8)∶1269～1272
稻草于塑料小桶 (1 L) ,加自来水 150 ml ,处理 1、2、3 加化学
熟化剂 A 3. 0 g ,处理 4、5、6 加化学熟化剂B 1. 0 g ,处理 7 为
CK , 没有加熟化剂. 将各处理于常温下密封放置 24 h ,然后
进行生物熟化处理. 处理 1、4 加生物熟化剂 A 2 g ,处理 2、5
加生物熟化剂 B 2 g ,处理 3、6 加生物熟化剂 C 2 g. 各处理
样品在常温下放置 ,每 3 d 翻动样品 1 次 ,以保持一定的氧
气条件 ,适当喷水以保持样品含水量为 60 %. 处理 7 d ,取
样 ,在 60 ℃下真空干燥 ,用 KBr 压片法进行红外分析
(FTIR ,仪器型号为 P2E1725X) . 处理期间观察各处理稻草
腐熟的外观变化如颜色、菌斑等 ,记录并比较.
3 　结果与讨论
311 　稻草红外光谱分析
　　从图 1 可见 ,3 430～3 380 cm - 1为形成氢键的
羟基的伸展振动 ,2 930～2 900 cm - 1是2CH2 基团的
C2H 反对称伸展振动 ,2 855 的“肩”是由甲氧基中
C2H 键伸展振动所引起的 ,1 760～1 720 cm - 1为稻
草中羧酸酯类化合物及酮类化合物中的 C = O 伸展
振动. 1 660～1 640 cm - 1是水分子形成氢键的变形
振动、有机羧酸酯类 COO2反对称伸展振动的吸收、
木质素中与芳香环相连的 C = O 伸展振动和酰胺类
化合物的特征峰 ,1 514 cm - 1苯环的υC2C骨架振动
(苯环的环伸展振动) . 1 455 和 1 423 cm - 1 为2C2
CH3 中的 CH3 对称变形振动. 1 318 cm - 1为碳水化
合物2OH 基的变形振动. 1 245 cm - 1为纤维素中2
CMe3 的υC2C骨架振动 ,1 161 为 > CMe2 的υC - C骨架
振动 ,1 039 cm - 1为羟基所连接的 C2O 的伸展振动 ,
898 cm - 1由纤维素及糖类中的环振动产生[3 ,12 ,13 ] .
图 1 　稻草的红外光谱图
Fig. 1 FTIR spectra of rice straw.
312 　稻草腐熟的效果比较
　　化学2生物联用处理稻草 7 d 后 ,腐熟效果均比
对照好. 其中处理 1 最好 ,菌落最多 ,稻草颜色最深 ,
暗褐色 ,完全腐熟 ;处理 2、3、4 较好 ,处理 5、6 次之.
对照无明显菌落 ,稻草颜色比处理的浅 ,呈黄色. 各
处理稻草外观变化表明 ,化学熟化剂能迅速地打破
稻草原有的化学结构 ,为微生物发酵提供良好的基
础 ,然后通过生物熟化作用 ,加快腐熟过程. 其中化
学熟化剂 A2生物熟化剂 A 联用处理的效果最好.
313 　稻草腐解物的红外光谱变化
　　稻草在一定的湿度下保持 7 d ,各化学2生物联
用处理和对照稻草的红外光谱图都发生了一定的变
化 (图 2) ,3 400 和 2 920 cm - 1处的吸收峰强度都有
所下降 ,表明碳水化合物逐步分解 ,从而使羟基和亚
甲基基团不断减少[12 ,13 ] . 1 760 和 1 720 cm - 1消失 ,
说明稻草中羧酸酯类化合物和酮类化合物水解.
图 2 　各处理稻草堆腐 7 d 的红外光谱
Fig. 2 FTIR spectra of rice straw of different treatemnt .
　　化学2生物联用处理与对照稻草的红外光谱图
也存在明显的差异 (图 2) . 化学2生物处理后 ,稻草
的 1 514 cm - 1处吸收峰相对强度有所增加 ,说明稻
草的芳构化程度趋于升高. 1 245、1 161 和 898 cm - 1
处的吸收峰下降为肩状 ,表明纤维素、半纤维素、糖
类及其它碳水化合物分解. 1 246 cm - 1处吸收峰下
降也预示 ,稻草中烷烃类物质的降解和有机成分中
无机元素 Si 被释放出来. 782 和 470 cm - 1处的吸收
峰大幅度增加 ,表明 SiO2 等无机物的形成和积累.
782 cm - 1劈裂成 796 和 779 cm - 1 ,且强度大幅度加
强 ,说明 1、3 取代芳烃的数量增加. 694 和 668 cm - 1
处出现新的吸收峰 ,是由 1 取代芳烃的增多引起的.
由此可见 ,稻草经化学2生物联用处理 7 d 后 ,稻草
中羟基和亚甲基基团逐渐减少 ,羧酸酯类化合物及
酮类化合物水解 ,脂肪类、多糖 (纤维素和半纤维素)
大部分分解 ,芳香性成分增多 ,特别是芳环的取代结
构增加 ,可能是缩合、氧化作用的结果. 同时有机成
分中的无机元素 Si 释放出来 ,并以 SiO2 等氧化物
的形式积累 ,这些结果与吴景贵的报道较一致[14 ] .
314 　不同生物熟化剂处理对稻草腐熟的影响
　　各处理稻草红外图谱解析见表 1. 稻草经生物
0721 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
熟化剂处理 7 d ,都有一定程度的腐熟 ,均比对照效
果好. 处理 1 腐熟最好 , 其稻草中羧酸酯类化合物
及酮类化合物水解 ,脂肪类、多糖 (纤维素和半纤维
素)大部分分解 ,芳构化成分增多. 处理 2、3 次之. 红
外光谱中吸收强度高低与此物质中对应的功能基团
含量多少呈正相关. 对各处理官能团比较发现 (表
3) ,酚羟基、醇羟基和甲基减少量 :处理 1 > 处理 2 >
处理 3 > CK ,芳烃相对增加量 :处理 1 > 处理 2 > 处
理 3 > CK. 图 2 给出不同吸收峰强度比值. 1 514/ 2
920 (芳香碳/ 脂肪碳) 比值 ,处理 1 为 1. 17 ,处理 2
为1. 04 ,处理 3 为 0. 87 ,对照为 0. 73 ;781/ 1 514 (取
代芳香碳/ 芳香碳) 比值 ,处理 1 为 1. 56 ,处理 2 为
1. 03 ,处理 3 为 0. 98 ,对照为 0. 83. 由此可见 ,在化
学熟化剂 A 前处理条件下 ,3 种生物熟化剂后处理
效果的好坏依次为 A > B > C ,前者更有助于稻草中
化合物的脂族性降低 ,芳香性增加. 取代芳烃的增
加 ,说明氧化作用加强 ,有利于加快稻草的腐熟进
程.
315 　不同化学熟化剂对稻草腐熟的影响
　　稻草处理后第 7 d 的红外图谱解析见表 2. 在生
物熟化剂 A 后处理条件下 ,化学熟化剂 A、B 前处理
对稻草腐熟都有一定的促进作用 ,其中化学熟化剂
A 的效果比 B 好. 对各处理稻草的官能团比较发现
(表 3) ,酚羟基、醇羟基和甲基减少量 :处理 1 > 处理
4 > CK ,芳香增加量 :处理 1 > 处理 4 > CK. 不同峰
吸光度比值比较 ,781/ 1 514 (取代芳香碳/ 芳香碳)
比值 :处理 1 为 1. 56 ,处理 4 为 0. 86 ,对照为 0. 83 ,
说明在生物熟化剂 A 后处理条件下 ,化学熟化剂 A
比 B 有利于 1、3 取代芳烃的形成. 1 514/ 2 920 (芳香
碳 / 脂肪碳) 比值 :处理1为1 . 17 ,处理4为0. 9194 ,
表 1 　化学熟化剂 A2不同生物熟化剂联用的稻草红外图谱解析
Table 1 Comparison of FTIR spectra analysis of rice stra ws by different biological agent treatments combined with chemical agent A
波数
Wave number
(cm - 1)
引起吸收的键
Responsible
bonds
处理 Treatment
1 2 3 7
图谱解析
Spectrum
analysis
1 720～1 760 C = O - - - - 表明羧酸酯类化合物及酮类化合物水解7)
1 240 - CMe3 - - - 存在2) 各处理有利于直链烷烃的降解8)
1 160 > CMe2 - 略减1) 略减 存在 生物熟化剂 A 比生物熟化剂 B、生物熟化剂 C 更有
利于环烃的开环. 从而加速稻草脂肪族组分的分解9)
898 C2C 下降呈肩状3) 存在 各处理有利于稻草中纤维素的分解10)
796 取代芳环 出现4) - - - 表明生物熟化剂 A 更有利于稻草腐熟过程
中芳构化程度的增加 ,促进稻草腐殖化进程11)
780 C2H of aromatic ring 增多5) 略增6) 略增 略增
694 containing substituted group 出现 - - -
1) Slightly deceased ,2) Exist ,3) Felled as“shoulder shape”,4) Appear ,5) Inceased ,6) Slightly inceased ,7) Ketonic ,corbonyl decomposed ,8) Chainlike
aliphatic compounds were easy to decompose with biological treats ,9) Aliphatic compounds of were easy to decompose with biological A treat then that
of biological teats ,10) It’s benefit for cellulose decomposing of straw with biological treats ,11) Aromatic compounds increased with biological A treat ,
and it benefit for humification of straw. - :表示相应的峰不存在或消失 Not exist ,or disappear. 下同 The same below.
表 2 　不同化学熟化剂处理后稻草红外图谱解析
Table 2 Comparison of FTIR spectra analysis of rice stra w by different chemical treatments combined with bio2agent A
波数
Wave number
(cm - 1)
引起吸收的键
Responsible
bonds
处理 Treatment
1 4 7
图谱解析
Spectrum
analysis
1720～1760 C = O - - - 羧酸酯类化合物及酮类化合物水解
1240 - CMe3 - 存在 存在 化学熟化剂有利于直链烷烃的降解1)
1160 > CMe2 - 减弱5) 存在 化学熟化剂有利于环烃的开环 ,从而加
速稻草脂肪族组分的分解2)
898 C2C 下降呈肩状 存在 各处理有利于稻草中纤维素的降解3)
796 取代芳环 出现 - - 表明化学熟化剂有利于稻草腐熟过程中芳
构化程度的增加 ,促进稻草腐殖化进程4)
780 C2H of aromatic ring 增多 略增6) 略增
694 containing substituted group 出现 - -
1) Chainlike aliphatic compounds were easy to decompose with chemical A treat , 2) It’s benefit for aliphatic compounds decomposing of straw with
chemical A treat , 3) It’s benefit for cellulose decomposing of straw with chemical treats , 4) Aromatic compounds increased with chemical A treat , and
it benefit for humification of straw ,5) Slightly decreased ,6) Slightly increased.
说明化学熟化剂 A 比化学熟化剂 B 更有利于稻草
中多糖、脂肪类和酰胺等成分的分解及芳香结构成
分的增加 ,从而使稻草的腐熟程度提高. 这一红外分
析结果与盆栽生物试验的结果[3 ]相一致.
316 　化学2生物联用技术处理稻草的经济意义
　　化学2生物联用技术优于一般生物发酵 ,具有快 速、成本低和效果好的优点 ,能迅速地打破稻草原有的化学结构 ,再通过多种菌种和添加剂的协同作用 ,加快腐熟过程. 本研究采用的化学熟化剂、生物熟化剂原料来源于工农业废弃物 ,生产成本低、高效、无毒. 每公顷秸秆所加入的 2 种熟化剂成本低于 225元. 水稻增产 10 %以上[3 ] ,除去熟化剂成本 ,每公顷
17218 期 　　　　　　　　　　　蔡燕飞等 :化学2生物发酵联用技术对稻草腐熟的效果及红外光谱研究 　　　　　　　　
表 3 　各处理稻草红外光谱吸收峰的吸光度的比较
Table 3 Absorbing intensity of FTIR spectra of rice stra w by different
treatment
波数
Wave number
(cm - 1)
吸光值 Absorbance (A)
1 2 3 4 7
3 400 0. 5121 0. 5809 0. 5979 0. 6798 0. 7186
2 920 0. 1673 0. 1858 0. 1937 0. 2109 0. 2344
1 636 0. 2957 0. 3408 0. 3013 0. 3464 0. 3127
1 514 0. 1961 0. 1931 0. 1692 0. 1939 0. 1717
1 424 0. 2870 0. 2669 0. 2515 0. 2821 0. 2757
1 246 - - - 0. 3026 0. 2901
1 162 - 0. 4902 - 0. 5146 0. 5186
898 - - - - 0. 1566
797 0. 2952 - - - -
781 0. 3054 0. 1984 0. 1653 0. 1616 0. 1474
695 0. 2307 0. 2016 - - -
470 0. 5692 0. 4202 0. 3694 0. 3764 0. 3259
1 514/ 2 920 1. 17 1. 04 0. 87 0. 9194 0. 73
1 514/ 1 636 0. 66 0. 57 0. 54 0. 55 0. 56
1 514/ 3 400 0. 38 0. 33 0. 28 0. 24 0. 28
1 514/ 1 039 0. 20 0. 24 0. 20 0. 21 0. 23
1 514/ 1 376 0. 65 0. 73 0. 64 0. 59 0. 68
1 514/ 1 424 0. 68 0. 72 0. 67 0. 62 0. 69
781/ 1 514 1. 56 1. 03 0. 98 0. 86 0. 83
增收约 300 元. 用化学2生物联用技术处理稻草 ,既
消除污染 ,又广开资源 ,是秸杆等废物资源化的一条
有效途径. 对于秸杆快速熟化就地还田和快速堆肥 ,
都具有重要的经济和生态效益.
4 　结 　　论
411 　化学2生物联用处理稻草 7 d 后 ,其腐熟效果
均比对照好. 其中处理 1 (化学熟化剂 A2生物熟化剂
A 联用处理) 最好 ,菌落最多 ,稻草颜色最深 ,暗褐
色 ,明显腐熟 ,处理 2、3、4 较好 ,处理 5、6 次之.
412 　比较各熟化剂对稻草的腐熟效果发现 ,化学熟
化剂 A 比 B 好 ;生物熟化剂 A 最优 ,生物熟化剂 B
居中 ,生物熟化剂 C 次之.
413 　经化学2生物联用处理后 ,各处理稻草的化学
结构发生了明显变化 ,羟基和亚甲基基团逐渐减少 ,
羧酸酯类化合物及酮类化合物水解 ,脂肪类组分大
部分腐熟 ,芳构化成分增多 ,尤其是取代芳香结构增
多 ,说明氧化、缩合作用增强 ,加快了稻草的腐殖质
化进程. 腐熟效果最好的是处理 1 ,其稻草腐熟物的
吸光比值 :781/ 1 514 (取代芳香碳/ 芳香碳) 比值为
1. 56 ,1 514/ 2 920 (芳香碳/ 脂肪碳)比值为 1. 17 ,这
些指数均居各处理之首.
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作者简介 　蔡燕飞 ,女 ,1970 年生 ,博士 ,助理研究员 ,主要
从事工农业废弃物资源化和土壤微生态学研究 ,发表论文
10 多篇. E2mail : yanfeicai @scau. edu. cn
2721 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷