全 文 ：f D 生 态 学 报
ACTA ECO『，{)(；ICA SIN1CA
r )
V0-_16．No 2
Aor．． 1 996
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
张春慧 张一平．／ 寞连彬
— V
橱陵． <／ f
摘要 用氧弹量热计击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，井探讨丁腐解
物中不同组分对腐解枷能态的影响 结果指出·在菌验条件下，王米秸杆腐解过程腐解物能志呈现波动起
伏——趋于稳定 2十阶殷 一其中多 嗳能、放能交错的方式进行，但从整体上看是放能过程 能量活性物
质(苹一醇溶性物、水溶性物 纤维素、半纤维索 )对腐解前期腐解物能态变化影响较大；能量非活性物质(木
质素、腐殖质等)对维持腐解后期腐解物能志坞 于稳定具有重要怍用
煳 堂些 ’丝 征哆-《 ． 惑 、
PRoCESSES oF PLA T RESIDUES DECAYING IN
FIELD EC0SYSTEM S：FEATURES 0F ENERGETIC
VARIAT10N 0F DECAYING SUBSTANCE
Zhang Chunhui Zhang Yiping Dou Lianbin
( ⋯^ Agtic ural U⋯ v．Shan~ Yangling，C ^ 4，712100)
Abstract The energetic change of decaying substance in decaying process of corn straw was
investigated under the conditions of field ecosystem using oxygen bom b calonimeter method．
The influence of different components of dec aying substance on its energetic was explored．
The resuhs show that the energetic change of decaying substance in decaying process of corn
straw brought out such two stages as the fluctuating—rolling stage and the stage，which tending
to be stable，The decaying process was，on the whole，a process of energ~ release，although
most of them could alternate between energy absorption and energy release．The”energy ac
tive substance”(benzene—alcoho1 sduble substance． ater—soluble substance cellulose and hemi
cellulose)had a notable influence on energetic in the earlier period of decaying．The energy
non—active substance (hgnin and humic matter etc．)had important function in the process in
which the energetic of latter decaying period substance tended to be stable．
Key words： plant residue，decaying substance，energetic
· 国家教委高校博士点基金课题
收穑 日期：1994 O2 07．修改穑收到 日期 ：1995 03 18
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2期 张春慧等 ：农日生态条件 下植物残体腐解过程腐解物的能态变化特征
土壤是农业生态系统的重要环境因素，农业生态系统的物质和部分能量的传输及转换
都要通过土体进行。贮存了大量物质和能量的植物残体 ．作为农业废弃物归还到土壤中进
行腐解 ，不但有各种物质的循环释放 ，而且也有能量的转换，此过程对生态农业保持较高
能源 自给率具有重要意义。
植物残体进入土壤 ，其腐解过程的生物化学性状变化及对土壤有机质的贡献等研究较
多，而对其腐解过程的能量变化特征研究报道较步。关于植物残体腐解过程腐解物能量变
化规律的研究 7o年代以来已引起国内外学者 的关注 。但 目前所得结论不尽相同 本
文在农田生态条件下．测定玉米秸杆不同腐解期腐解物的等容燃烧热(能态)，采用动态方
法．研究玉米秸杆腐解过程的能态变化特征，并研究了腐解物中不同物质组分对其能态的
影响，以对本领域的研究作进一步的深入探讨。
1 材料与方法‘
本试验利用西北农业大学有机质转化研究定位试验地进行 ，土壤系蝼土 ，安排本 试验
时，定位试验已连续进行了 13年。小区面积为 1 9 8 ITI。，每年小麦 玉米连作。本试验选用
定位试验 中3个施肥处理(表 1)，这 3个施肥处理在研究植物残体腐解过程能态变化特征
上作为 3次重复。试验小区土壤化学性质见表 2。
表 1 试验小区施肥处理 (kg／hrn。)
Table 1 Fertilizer treatment of test plots
注：尿素、过磷酸钙为每年小麦 玉米 2茬作物用量
表 2 试验小医土壤化学性质
TaM e 2 Chemical properties of test plot soil
腐解物样品的采集及制备：将玉
米秸 杆洗 净、烘干、粉 碎过 】．0 ITlnl
筛．测定其 C、N含量 ，加入适量尿素
溶液，调节 C／N 为 25／1．混 匀后装
入砂滤管 (每管 50 g)，于 1990年
10月 27日分 别埋入表 1中的不施
肥、化肥、厩肥+化肥小区(每区埋 27
管)．管距地表 10 cm，覆以土层。每
隔 2个月取样一次 ，每次每小区取 3
管 ．将其混匀，风干．研细，置红外
干燥器中 60℃烘干 8 h，装瓶贮于干
燥器中作为腐解物样备用。
去除各组分样品的制备 ：将各腐
解期腐解物样及玉米秸杆原样按植物
物质化学组分系统分析法一 ，依次去
除苯一醇溶性物、水溶性物、纤维素半
纤维素组分 ，并测定各组分 (包 括去
除上述组分后剩余物——木质索娄组
分)含量。每去除一类组分后取 出部
分剩余样品，烘干，研细 ，装瓶贮于
干燥器中作为去除组分后样品备用。
等容燃烧热( )用 GR一3500型氧弹量热计测定；样品全碳用丘林法测定。
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生 态 学 报 l6卷
2 结果与讨论
2．1 植物残体腐解过程腐解物能态变化的阶段性
用量热计测定撩烧 热精确 ，所测定的等窖燃烧热(Q )等于燃烧时物质的 内能变化
( u)，即 =△u，因此等容燃烧热是表征物质能态的一种指标 ，。植物的残体随腐解程
度的不断加深，腐解物的组成 、性质发生变异，其能态也必然相应发生变化 ，不同腐解时期
腐解物的能态(Q 值)见表 3和图 1。
图 1可见，整个腐解过程中，各施肥处理腐解物能态变化趋势是一致的，呈现曲折波
动状态 ，但总趋势是降低的。根据腐解物能态变化特征，可划分为 2个阶段 ．即从原样埋
入(1990 10 27)到腐解 8个月(1 991 06 27)为波动起伏阶段 ；腐解 8个月后为趋于稳定阶
段 。表明试验条件下样品经 8个月后腐解主要进程已趋完成 ，这与植物残体进入土壤一年
后分解速度即趋于稳定的结论 基本相符。
表 3 玉米秸杆不同腐解期腐解物能态(J／g古灰干重)
Table 3 EⅡergen of decaying substances in various d~aying periods for
corn straw (J／g dry base containing ashes)
取样时问 Time taking sample 0tit
(腐解新)(Decaying period
施 肥处理 Fertilizer tr朗tment
不施肥 化 肥 厩 肥 +化肥
W itho~ niU神r apphed Chemical ferfih~r Barnyard macture-]chemical fertilizer
注：秸杆未腐解原样能态 ( )=16172 J／g含灰千重
Note：The energetics( )of origiaed sm de of undecayed stuaw 16172 J／g
2．2 植物残体腐解过程能态变化特征
关于植物残体腐解过程能态变化特征，看法不尽相同。Gotham[ 一、Ovington一 等认
为，腐殖化过程是放能过程，与大量能量耗损有关；Ad]~IeB等 。]指出，腐殖质的燃烧热比
原始植物样品高，因而腐殖化过程是吸能过程；K0m oBa 则提出，腐殖化过程分两个阶
段，第 1阶段为原始植物物质的分解一 放能过程，第 2阶段为腐殖物质的合成一 吸能
过程。这些不同看法，表明该问题的本质并未得到充分揭示。
本研究所得结果，玉米秸杆腐解的前 8个月．腐解物能态呈现既有吸能(能量增加)又
有放能(能量减少)的波动起伏变化过程 ，但若把腐解 8个月后能态比较稳定的腐解物作为
腐殖化物质 ，则从原始残体状态到腐殖化物质状态的整体过程是放能过程。因此不能把腐
解过程能态变化简单地归结为放能或吸能过程 ，也不能机械地划分为先放能后吸能两个
阶段 ，而是呈现吸能、放能交错变化 ，从整体上是放能的一个错综复杂的能态变化过程 。此
结论进一步证实了作者早期的初步研 究结果 。至于能态变化的原因，与腐解过程腐解物
组分变异有关。
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2期 张春慧等 ：农 罔生态条件 下随物残体腐解过 腐解物的能志变化特征
一
一 。 ： 乏
庸■期
D睇t V．~od
圈 1 玉米秸轩不同腐解期腐解物能态变化曲线
g 1 Changing CUTV~of energetics of dc~ymg sub~t
ances in various decaying periods／or㈣ suuaw
● 不施肥 Without[~rtRizer a~phedj
×化肥 Chemical fertilizerj
2．3 腐解物组分对能态待征影响
不同元素的燃烧系数不同，如碳为 876 J／
tool、氢为 l44 J／too[、氮为 836 J／tool；不同物质
的燃烧热亦不同．如木质素的燃烧热可高达
25080 J．／g 。目此腐解物中物质组分的变异必
然会导 致其 能态水平 不 同 这 方 面 Gorham
等_l 曾对不同生态环境下的有机物质进行研
究，指出有机物质来源不同．其能态不同。如
林地有机质与沼泽地有机质能态是不相同的。
本文为定量揭示这方面的内在联系，应用
植物物质化学组分系统分析法探讨了植物残体
及腐解物中苯一醇溶性物、水溶性物、纤维素半
纤维素及木质素类组分对腐解物能态特征的影
响。
2．3．1 腐解过程腐解物组分含量变化特征
。厩肥十化肥Barnyar ⋯ re+chemical n-l 玉米秸杆不同腐解期腐解物中各组分含量
_如表4。表4表明，苯一醇溶性物含量变化的总趋势是下降的，将该组分含量与相应腐解物
表 4 不同腐解期腐解物 中各组分含量及全碳含量(含 十基％)
Table 4 Content of each compoaent and total carbon in decaying sahstances of
various decaying periods(dry base containing ashes-per⋯ t)
注：未腐解秸轩原样：苯 醇溶性韧 2．86 ．水溶性物 35．65 ，圩维索、半纤维索28． ．木质素粪物 13．2o％．生硪
43．75 ．_艉舟 2．56
Note：Original sample。{underayed StEaW：Be~ene Alcohol soluble suhstaace 2．86％⋯ r r．,oluble substance 35．65 ．
ce and hemi~[ulose 28．s0％．substar~ces d [igin ksnd 13．20％，total earl,on 43 76 ，ash 2．56％．
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生 态 学 报 16卷
能态作相关分析 ， =0．8705． 一0．8040，r 肥硼 一0．8280，均呈显著正相关；水溶
性物的含量变化亦呈下降趋势，前 10个月减少较快 此后趋于稳定．该组分含量与相应腐
解物能态的相关系数， 一0．8737， 一0．7334．rEn 一0．871 7，均呈显著正相关 ；
纤维素半纤维素含量总变化趋势也是减少的，但前 4个月内略有上升，此后急剧下降．从
第 8个月开始，在波动中趋于稳定，该组分与相应腐解物能态的相关系数， =0．7980．
一0．8327， R 一 一0．87I1亦呈显著正相关 ；本质素类组分含量变化则相反为增大
趋势，该组分与相应腐解物能态的相关系数． 一一0．8513， =一0．8409． 一
一 0．8863，呈显著负相关。
此外，由表 4可见，随腐解进行 ，腐解物中全碳含量减少 ．而灰分含量增加，这 与一般
结论相同。
图 2 不施肥处理腐解物去除各组分后样品的 一 图
F ．2 一f figure of sample taked each
component away from deca g substar．ce for
without JertiU~r apDbed t ent
A腐解物原样 Original sample of dec~yJng substanc~；
B去苯一醇撸性物(b-a)样 Sample raked away
ben蛳 akohol soluble substane* (b—a)；
C去(b—a)厦水椿性物(w)样 sample taked away(b a)
and w*RteE luble bstahoe(w){
D去 (b—a)、w厦纤维豪半纤维紊样 Sample taked away
(b_a)，W and ceU ose．hemicellulose
2．3．2 腐解物能态变化与组分的关系
前述相关分析表 明，腐解物中备组分对
腐解物能态均有显著的、方向不同的影响 为
进一步从数量上探讨各组分对腐解物能态贡
献大小 ，分别测定了不同腐解期各腐解物去
苯 醇溶性物i去苯一醇溶性物、水溶性物；去
苯 醇溶性物、水溶性物及纤维 素半纤维素组
分后各样品的热值(图 2，3．4)。
将腐解物样(未去除各组分样)的 Q．一t曲
线与去除相应组分后样品的各 Q 一￡曲线比较
可见，腐解物样的波动起伏阶段受有关组分
的较大影响，而趋于稳定。阶段 ，即腐解后期
的各 Q 一t曲线部分较类 似 表明腐解前期腐
解物中富含苯一醇溶性物(脂肪等类物质)、水
溶性物(糖类及氨基酸等)、纤维 素、半纤维素
等物质 ，这类物质的数量变化对样品热效应
影响较大，它们的消长与腐解物能态 的消长
密切相关 ，因此这类物质 可称为影响腐解物
能态变化的“能量活性物质”。腐解后期腐解
物主要为木质素、腐殖质等组分，这类物质聚
合度高，结构较复杂 ，其数量变化对样品热
效应影响较小，此粪物质可称为影响腐解物
能态变化的“能量非活性物质”。试验条件下，
腐解 9—10个月后“能量活性物质”基本被分
解掉，进入以“能量非活性物质”作为腐解物
能态变化主导因素的能态趋于稳定的阶段。
比较 A、B曲线，3种施肥处理从整体看，
去除苯一醇溶性物后，能态降低 。以厩肥+化肥处理为倒(下同)，原样(玉米秸杆未腐解样)
Q 值为 l 6172 J／g，去除苯一醇溶性物后 Q 变为 15203 j／g，而以腐解末期比较 ，腐解物样 Q
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2期 张春慧等 ：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
／
17
+＼456 16±57
”
1 5833
1 5~3 +
】2975
13 836
22062
~
18
＼6~0 18
x
1
、
95 。
＼ 15566
＼ 120 9—7
． ． nr88 1 07 ，一 0
图 3 化肥处理腐解物去除各组丹
后样 品的 一t图
Fig 3 figure of~mp]e raked each
component away from decaying substance for
themicaI ferti]izer t~atment
图 同目 2 Nete⋯ f ．2 r
图 4 厩肥+化肥处理腐解物去除各组
分后样品的 — 图
Fig．4 一 figure 0f~mple raked each compoaeat
away rⅡIIl decaying substance for barnyard
manure+~hemicaI ertjhm treatrnent
目 目目 2Note asfig 2
为 14300 J／g，B线中则为 13510 J／g，均有所降低，尤其是曲线 A中的 17514、16553能态峰
明显减弱 ，甚至下降为谷，表明苯 醇溶性物对该腐解阶段能态变化具有更大影响。
比较B、C曲线，C曲线中各腐解期腐解物的能态均比B曲线中对应点低，特别是 B曲
线中 l5671、l5462两能态峰，在 C曲线中变得不明显或消失。此外从 C曲线本身看， 去除
苯一醇溶性物、水溶性物后，各腐解期腐解物能态相差不大，整个曲线相对比较平缓。但与
原样能态(10684)比较 ，显示在腐解前期 8个月中，腐解物中的纤维素，半纤维素及木质素
类组分在性状上与该原样中的有所不同，且在维持腐解物具有相对较高能态上起重要作
用。
D曲线显示，原样以及 l、2期腐解物样中各组分 值存在复杂的交互作用。特别是纤
维素、半纤维素与木质素类组分间的 值有相互对消趋势。因此去除纤维素、半纤维素后
的样品其Q 值大幅度上升，表明植物残体和腐解物 中各组分并非机械混合，在能量上也非
简单加合，这种交互作用的机制有待进一步研究。此外从曲线 D可见，随腐解进行木质素
类组分Q 值变化的 趋势是下降的，最后趋于稳定，这可能与随腐解进行，腐解物样品中
结构复杂Q 值较低的木质素类组分增多，相对比倒增大并趋于稳定有关。
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生 态 学 报 16卷
参 考 文 献
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林心雄 ，程励励等 田间测定植物残体分解速率的砂滤管沽．土壤学报、1981、18(1)：97 102
文启孝等．土壤有机质研究法 北京：农业出版社．1984、250 盯1
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227 236 ‘
A H曲 c^． M 姐 H3、u⋯ ⋯ e㈣ Opl ⋯ 酏LL⋯ lc、uH，】】⋯ 睫且eHHe，1972、(9)：147 149
张 一平 白锦鳞等．不同施肥条件土壤胡敏酸能态的初步研究．土壤学报．1985、22(1)；104 107
文启孝．土壤有机质的组成、形成和分解 土壤，16(4)：121—129
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646
本刊编委会召开在京编委迎春茶话会
2月 10日下午本刊编委会在中国科学院动物研究所多功能厅召开了在京编委迎春茶
话会 ，到会编委 1 6人。本刊主编阳含熙院士主持会议。中国科学院副院长 ，生态学报名誉
主编陈宜喻院士出席了会议并作了重要发言。本刊编辑部负责人李清淑同志将本刊近期工
作进展情况简明地向编委会作了汇报 ，然后编委们针对办刊的两大主要议题——经费与提
高刊物质量也即刊物的生存与发展问题进行了认真地讨论。会上还酝酿了编委会的换届改
选问题。会议始终在热烈的气氛中进行。大家一致表示在新的一年里共同努力把刊物办得
更好。
本报讯
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