全 文 ：中国生态农业学报 2015年 7月 第 23卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2015, 23(7): 892899


* 国家自然科学基金项目(31328020)和国家科技支撑计划项目(2013BAD07B08, 2012BAD04B09)资助
** 通讯作者: 郜红建, 主要从事养分资源高效利用研究。E-mail: hjgao@ahau.edu.cn
王景, 研究方向为养分资源高效利用。E-mail: wangjing1272@126.com
收稿日期: 20150211 接受日期: 20150504
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150212
厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解的红外光谱特征研究*
王 景 魏俊岭 章力干 常 江 郜红建**
(安徽农业大学资源与环境学院 合肥 230036)
摘 要 采用尼龙网袋法, 研究了油菜(Brassica campestris L.)秸秆在厌氧和好气条件下的腐解规律及其红外
光谱特征。结果表明: 油菜秸秆还田后, 腐解速率表现为前期快、后期较慢的规律。在 360 d培养时间内, 厌
氧和好气条件下的油菜秸秆腐解率分别为 60.50%和 68.20%, 腐解速率常数(k)分别为 0.004d1和 0.010d1, 腐解
1/2时所需时间分别为 229 d和 117 d。在厌氧和好气条件下, 油菜秸秆的碳释放率分别为 70.33%和 77.43%, 厌
氧条件下的释放速率常数(0.025d1)低于好气条件(0.026d1)。油菜秸秆中氮的释放率分别为 82.20%和 87.48%,
油菜秸秆在厌氧条件下的氮残留量比其在好气条件下高 38.25%, 且达到显著性差异水平(P<0.05)。厌氧条件
下的氮残留率始终高于好气条件下, 且在 60~90 d培养期内差异最大。红外图谱分析显示, 油菜秸秆腐解过程
最明显的变化在波数为 3 430~3 410 cm1、2 930 cm1处, 吸收峰吸收强度降低, 表明油菜秸秆的脂族性下降。
在波数为 1 740 cm1、1 419~1 425 cm1处的吸收峰吸收强度降低, 表明油菜秸秆木质素含量下降, 且厌氧条件
下的吸收强度高于其在好气条件下, 表明厌氧条件的木质素残留较多。结果表明, 油菜秸秆中羟基、甲基、亚
甲基含量随腐解时间延长而降低, 碳水化合物减少, 脂族性下降, 芳构化程度增强。好气条件有利于秸秆中纤
维素、半纤维素和脂肪族化合物的分解, 提高其芳香性, 对土壤碳、氮的补充作用更大。
关键词 油菜 秸秆 厌氧 好气 腐解规律 红外光谱
中图分类号: S158 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)07-0892-08
FTIR characteristic of rapeseed straw decomposition under
anaerobic and aerobic conditions
WANG Jing, WEI Junling, ZHANG Ligan, CHANG Jiang, GAO Hongjian
(School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)
Abstract As a vital biological resource in agricultural production system, crop straws returned into soil are crucial for maintaining
and improving soil fertility and crop yield. There are differences in straw decomposition between anaerobic and aerobic conditions.
FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) can indicate the dynamic changes in organic components during decomposing
process of straws. In this study, the net-bag method was used to determine the decomposition dynamic of rapeseed straw and the
characteristics of FTIR under anaerobic and aerobic conditions. The results showed a rapid decomposition rate of rapeseed straw at
the start of the decomposing process, and then a slow rate with time. Within 360 days of decomposition, the rates of decomposition of
rapeseed straw under anaerobic and aerobic conditions were respectively 60.50% and 68.20%, with corresponding decomposition
rate constants (k) of 0.004d1 and 0.010d1, and rapeseed straw mass decomposition half-lives (t 1/2) of 229 days and 117 days.
Carbon (C) releasing rates of rapeseed straw under anaerobic and aerobic conditions were 70.33% and 77.43%, respectively. Also C
releasing rate constant (k) under anaerobic condition (0.025d1) was smaller than that under aerobic condition (0.026d1). Then
nitrogen (N) releasing rates of rapeseed straw under anaerobic and aerobic conditions were 82.20% and 87.48%, respectively. Also N
residues under anaerobic condition was 38.25% higher than that under aerobic condition (P < 0.05) within 360 days decomposition,
with the highest difference during the 6090 day incubation period. Infrared spectrum analysis showed that absorption intensities at
3 4303 410 cm1 (stretched hydroxyl), 2 930 cm1 (stretched methylene) bands significantly decreased. This suggested that the
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decomposition of organic matter such as carbohydrate and aliphatic compounds decreased. Absorption intensities at 1 4191 425 cm1
and 1 740 cm1 (assigned to C=O stretching as well as C—O stretching and C—H deformation of carboxylic acid functional groups)
weakened. This suggested that carboxylic acid lipid compounds and lignin contents decreased and that there was higher absorption
intensity under anaerobic condition than aerobic condition. Silicon released from rapeseed straw accumulated as oxides such as SiO2.
During the process of straw decomposition, aliphatic compounds declined while aromatic compounds increased. Also aerobic
condition was beneficial to the decomposition of straw cellulose and hemicellulose, largely supplementing soil C and N.
Keywords Rapeseed; Straw; Anaerobic condition; Aerobic condition; Decomposition characteristics; Fourier transform
infrared spectroscopy (FTIR)
(Received Feb. 11, 2015; accepted May 4, 2015)
作物秸秆作为农作物生产系统中重要的生物资
源, 富含大量有机质。秸秆还田后在微生物的作用下
可以释放出植物生长所需的氮(N)、磷(P)、钾(K)和
微量元素, 并可改善土壤团聚体结构。秸秆还田是维
持和提高土壤肥力和作物产量的有效途径之一[13]。
作物秸秆的腐解过程既受到秸秆本身结构和化
学组成的影响, 又与腐解环境密切相关[4]。土壤水分
是作物秸秆腐解过程中重要的影响因子, 适宜的土
壤水分可提高分解者的活性, 调控微生物氧有效性,
并可能通过破坏有机质结构为微生物提供可利用的
含碳物质[5]。水分还会影响土壤水气状况, 超过或低
于最适的土壤水分均会抑制土壤呼吸[6]。淹水条件
下会加剧土壤还原物质的积累, 改变土壤微生物种
群和数量的变化[7], 进而影响土壤有机碳矿化。
秸秆还田对土壤肥力的提升虽已有研究, 但对
于水分条件特别是厌氧和好气条件下作物秸秆腐
解差异的说法各异。通常认为淹水条件有机物料的
矿化低于好气条件 [8], 而黄东迈等 [9]的研究认为 ,
淹水条件有机物料的分解是以快速和高分解量为
特征; Wang 等 [10]的研究表明 , 环境因素对秸秆腐
解的影响差异主要存在于试验前期, 而后随时间的
延长而减小。作物秸秆腐解过程中形成的中间产物
复杂, 难以分离提取, 秸秆还田在分子水平上的培
肥机理有待进一步解释 [11], 尤其是对油菜秸秆在
厌氧和好气条件下腐解过程中的物质转化缺乏深
入研究。
本研究拟采用网袋培养方法, 研究油菜秸秆在
厌氧和好气条件下的质量残留量与碳、氮释放量变
化特征, 分析油菜秸秆中纤维素、半纤维素和木质
素的含量随时间变化规律。同时运用傅里叶变换红
外光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)
技术, 定性分析油菜秸秆在厌氧和好气条件腐解过
程的组分及结构变化特征。以期为探明油菜秸秆矿
化降解速率, 科学利用作物秸秆提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况与试验材料
1.1.1 研究区概况
试验设在安徽农业大学高新技术农业园, 地处
中纬度地带 , 位于江淮之间 , 全年气温冬寒夏热 ,
春秋温和 , 属于暖温带向亚热带过渡的气候类型 ,
为亚热带湿润季风气候。年平均气温 15.7 , ℃ 降雨
量近 1 000 mm, 日照约 2 100 h。试验田地势平坦、
灌溉便利、肥力均匀, 主要作物轮作方式为小麦水
稻。土壤理化性质为: pH 6.36, 有机质 12.05 g·kg1,
全氮 0.58 g·kg1, 碱解氮 53.19 mg·kg1, 速效磷
7.50 mg·kg1, 速效钾 122.05 mg·kg1。
1.1.2 供试油菜秸秆
油菜秸秆于2013年6月采自安徽农业大学高新
技术农业园。油菜秆经风干后, 在50 ℃下烘干至恒
重, 剪成 5 cm长。油菜秸秆的化学组成为: 有机碳
506.12 gkg1, 全氮7.35 gkg1, 全磷0.91 gkg1, 全
钾10.11 gkg1, C/N为69.15, 纤维素、半纤维素和木
质素初始含量分别为44.35%、21.72%和25.39%。
1.1.3 仪器及药品
乙二胺四乙酸二钠 (ethylenediamine tetraacetic
acid disodium salt, Na2-EDTA)购自美国Amersco公司,
十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate, 分析纯)、
乙二醇乙醚(2-ethoxyethanol, 分析纯)和十六烷三甲
基溴化铵(cetyl trimethyl ammonium bromide, 分析
纯)均购自德国Sigma公司 , 氢氧化钠(NaOH, 分析
纯)、硼酸(H3BO3, 化学纯)、30%双氧水、硫酸亚铁
(FeSO4·7H2O, 化学纯)、重铬酸钾(1/6K2Cr2O7, 化学
纯)等药品购自国药集团化学试剂有限公司。
自动定氮仪(KDN-103F型)购自上海纤检仪器有
限公司。
1.2 田间腐解试验
油菜秸秆的腐解采用网袋法培养 [10]。取烘干
后长度为 5 cm 的油菜秸秆 30 g, 装入长 20 cm、
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宽 20 cm 的双层尼龙袋, 尼龙袋孔径为 0.074 mm
(200 目), 防止秸秆被土壤水分冲走或土壤颗粒和微
生物进入混合导致误差。封口后垂直放入土壤中 ,
上层覆盖 5 cm土。
好气条件下土壤水分管理为常规管理模式, 厌
氧条件下土壤保持淹水状态。同时, 旱作和淹水条
件下统一配施纯 N 225 kghm2, P2O5 120 kghm2,
K2O 150 kghm2。
试验进行后立即随机取出 3 个尼龙网袋, 作为
培养至第 0 d的 3个重复样品。之后按同样的采样方
法, 分别于培养 7 d、14 d、21 d、30 d、45 d、60 d、
90 d、180 d、360 d进行采样。取样后将秸秆烘干称
重, 一部分磨至通过 40 目筛, 用于纤维素、半纤维
素、木质素测定, 另一部分磨碎用于油菜秸秆碳、
氮测定和红外光谱测定分析。
1.3 分析测定方法
油菜秸秆的残留质量采用称重法分析; 秸秆碳
和氮含量参照鲍士旦[12]的方法; 有机碳含量采用重
铬酸钾浓硫酸外加热法分析 , 全氮含量采用开氏
消煮半微量定氮法分析; 纤维、半纤维素和木质素
含量采用范氏法[13]测定。
FTIR 光谱的测定采用 KBr 压片, 在 Thermo
Nicolet 8700光谱测定仪上测定, 波数范围为 4 000~
400 cm1, 分辨率 4 cm1, 透射模式扫描 32次。
1.4 数据处理
1.4.1 油菜秸秆质量变化及模型拟合分析
秸秆残留率(%)=100×培养结束时秸秆质量(g)/
初始培养时秸秆质量(g) (1)
秸秆腐解率(%)=100×[初始培养时秸秆质量(g)−
培养结束时秸秆质量(g)]/初始培养时秸秆质量(g) (2)
油菜秸秆质量残留率随时间变化关系用指数方
程拟合:
y=a+b×e−kt (3)
式中: y表示某时刻油菜秸秆残留质量; k为腐解速率
常数, 其数值大小表明油菜秸秆腐解质量减少快慢;
a 表示当t无穷大时y趋向的值; b是油菜秸秆的损失
量; t是培养时间(d)。
1.4.2 油菜秸秆碳、氮变化及模型拟合分析
油菜秸秆碳释放量(g)=(C0×M0Ct×Mt)×103 (4)
式中: C0为初始培养时油菜秸秆碳含量(gkg1), M0
为初始培养时油菜秸秆质量(g), Ct为培养结束时油
菜秸秆碳含量(gkg1), Mt为培养结束时油菜秸秆质
量(g)。
油菜秸秆氮释放量(mg)=(N0×M0Nt×Mt×103)×
103 (5)
式中: N0为初始培养时油菜秸秆氮含量(gkg1), M0
为初始培养时油菜秸秆质量(g), Nt为培养结束时油
菜秸秆氮含量(gkg1), Mt为培养结束时油菜秸秆质
量(g)。
油菜秸秆的碳释放量随时间变化关系用一级动
力学方程拟合[14]:
Ct=C0× 0(1 e )k t  (6)
式中: Ct为某时刻秸秆累积矿化碳量(g); k0为碳矿化
速率常数; C0是常数, 为碳素的矿化潜力, 即所能释
放的最大值; t为培养时间(d)。
油菜秸秆氮释放量随时间变化关系运用带常数
项的一级反应模型(Special)进行模拟[15]:
Nt=Na×  a1 e k t  +Nr×t (7)
式中: Nt为某时刻秸秆累积矿化氮量(mg); Na和ka分
别为易矿化部分的矿化势(mg)和一级反应速率常数
(d1); Nr表示缓慢矿化部分的矿化常数(mg·d1); t为
培养时间(d)。
1.4.3 统计分析
利用 Excel 2010 软件对数据进行处理统计并作
图, 利用 SPSS 18.0软件对数据进行方差分析和非线
性回归分析, 红外光谱图采用 origin 8.0进行分析。
2 结果分析
2.1 厌氧和好气条件下油菜秸秆的生物量变化
油菜秸秆在厌氧和好气条件的残留质量均随培
养时间延长呈降低趋势, 且均表现为前期下降较快,
后期下降较慢的趋势(图 1)。在前 14 d内, 厌氧和好
气条件下的油菜秸秆生物量迅速降低, 与油菜秸秆
初始质量相比达到显著性差异水平(P<0.05)。培养至
90 d 时 , 厌氧和好气条件下的油菜秸秆累积腐解
率分别为 29.18%和 43.86%, 腐解量分别占整个培养

图 1 厌氧和好气条件下油菜秸秆质量残留量的变化
Fig. 1 Variation of rapeseed straw residual quantity under
anaerobic and aerobic conditions
不同小写字母表示 5%水平差异显著, 下同。Different small
letters show significant difference at 5% level. The same below.
第 7期 王 景等: 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解的红外光谱特征研究 895


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期内腐解总量的 48.23%和 72.49%。培养至 90~180 d,
油菜秸秆腐解速率略有减缓, 培养至 360 d 时, 油
菜秸秆在厌氧和好气条件下的累积腐解率分别为
60.50%和 68.20%, 油菜秸秆在好气条件下的腐解率
高于其在厌氧条件下的腐解率。
油菜秸秆在厌氧条件的质量残留量始终高于其
在好气条件的质量残留量(图1), 其在厌氧条件下的
腐解量比其在好气条件下低11.29%~33.47%, 表明
好气条件下更有利于油菜秸秆生物量的减少。厌氧
和好气条件下, 油菜秸秆残留质量随时间变化可用
一级动力学方程(y=a+b×e–kt)进行拟合(表 1), 相关
性均较高(R2>0.94)。培养结束时, 厌氧和好气条件下
的油菜秸秆残留质量由最初的30 g分别降至11.85 g
和9.54 g, 腐解速率常数 k分别为4×103d1和10×
103d1, 腐解一半时所需时间分别为229 d 和 117 d
(表 1), 即好气条件更有利于油菜秸秆的腐解。
2.2 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解过程中的残
留碳量变化
油菜秸秆残留碳量随培养时间延长呈逐渐降低
趋势(图 2A)。培养初期(0~14 d), 厌氧和好气条件下
的油菜秸秆残留碳量均有显著下降(P<0.05), 但处
理间无显著差异。培养至60 d, 厌氧和好气条件下的
油菜秸秆残留碳量由初始量15.18 g分别降至8.63 g
和7.42 g, 释放量分别占整个培养期释放量的61.11%
和65.34%, 且好气条件下的油菜秸秆碳释放量显
著高于其在厌氧条件下的释放量(P<0.05)。培养至
180 d 时, 处理间差异达到最大。培养至360 d时, 厌
氧条件下的油菜秸秆碳残留量仍高于好气条件的值,
碳累积释放量比其在好气条件下低9.17%, 但处理
间的差异减小(P<0.05)。
表 1 厌氧和好气条件下油菜秸秆质量残留、碳释放量和氮释放量与培养时间关系的拟合
Table 1 Regression models of the rapeseed straw residual quantity, carbon emission, nitrogen emission and incubation time under
anaerobic and aerobic conditions
残留量 Residual quantity 碳释放量 Carbon emission 氮释放量 Nitrogen emission
y=a+b×ek×t Ct=C0×  01 e k t  Nt=Na a1 e k t  +Nr×t 处理 Treatment
a b k R2 C0 k0 R2 Na ka Nr R2
厌氧 Anaerobic condition 6.888 20.354 0.004 0.94 9.297 0.025 2 0.92 103.28 0.111 0.211 0.98
好气 Aerobic condition 9.179 18.803 0.010 0.98 10.703 0.026 3 0.96 118.43 0.063 0.213 0.99
a、b、k、C0、k0是常数; R2: 决定系数; y: 某时刻秸秆残留质量; k: 腐解速率常数, 其数值大小表明秸秆腐解质量减少快慢; b: 损失的量;
a: 表示当 t无穷大时 y趋向的值; Ct: 某时刻秸秆累积矿化碳量(g); C0: 碳素的矿化潜力; k0: 碳释放速率常数; Na和 ka: 易矿化部分的矿化势和
一级反应速率; Nr: 缓慢矿化部分的矿化速率。a, b, k, C0 and k0 are constants; R2: determination coefficient; y: mass remaining at time t; k: constant
of decomposition rate calculated by the least-squares method, indicating the decomposing speed level; b: mass lost; a: asymptote value of y when t is
∝; Ct: organic carbon released from wheat straw at time t; C0: carbon mineralization potentials; k0: constant of carbon decomposition rate calculated
by the least-squares method; Na: nitrogen mineralization potentials of the more stable N pool; ka: constant of the more stable N decomposition rate; Nr:
rate of mineralization of the more stable N pool.

图 2 厌氧和好气条件下油菜秸秆残留碳量(A)和残留氮量(B)的变化
Fig. 2 Variations of rapeseed straw residual carbon (A) and nitrogen (B) under anaerobic and aerobic conditions
用一级动力学方程 Ct=C0×  01 e k t  方程对油
菜秸秆碳的释放过程进行拟合 , 相关性较好 (R2>
0.95)。厌氧和好气条件下的油菜秸秆残留碳量由最
初的 15.18 g分别降至 3.81 g和 3.30 g, 厌氧条件下
油菜秸秆的碳释放速率常数(0.025d1)低于好气条
件(0.026d1), 说明好气条件更有利于油菜秸秆中碳
的释放(表 1)。
2.3 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解过程中的残
留氮量变化
油菜秸秆的残留氮量随培养时间延长呈降低趋
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势(图 2B)。在培养初期(0~14 d), 厌氧和好气条件下
的油菜秸秆的残留氮量分别迅速降低至 156.97 mg
和 174.84 mg, 占初始含氮量(220.54 mg)的比例分别
为 33.89%和 33.79%。培养至 30 d时, 厌氧和好气条
件下油菜秸秆累积氮释放率分别为 54.63%和
58.18%。在 30~180 d的培养期内, 油菜秸秆中的残
留氮在好气条件下释放率高于厌氧条件的值。培养
至 360 d 结束时, 厌氧和好气条件下油菜秸秆的残
留氮量分别减少至 86.56 mg和 60.91 mg, 残留率分
别为 39.25%和 27.62%。油菜秸秆在厌氧条件下的氮
残留量比其在好气条件下高 38.25%, 且达到显著性
差异水平(P<0.05)。
油菜秸秆氮释放的动态趋势可用常数项的一级
反应模型(Special)来描述其变化趋势, 相关系数 R2
在 0.98 以上(表 1)。在 Special 模型中, 油菜秸秆中
氮的缓慢矿化部分的矿化常数 Nr值在厌氧条件下为
0.211, 矿化势 Na 为 103.28; 其在好气条件下的 Nr
值为 0.213, 矿化势 Na为 118.43, 表明油菜秸秆中的
缓慢矿化部分的腐解速率常数高于其在好气条件下
的腐解速率常数, 且油菜秸秆在厌氧条件下的矿化
潜力低于其在好气条件下的值。
2.4 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解过程中纤维
素、半纤维素和木质素变化规律
在厌氧和好气条件下, 油菜秸秆中纤维素、半
纤维素的腐解过程分为快速腐解期和缓慢腐解期 2
个阶段。在培养的前 90 d内, 油菜秸秆中的纤维素
和半纤维素腐解较快, 厌氧条件下的腐解量分别占
初始含量的 32.93%和 68.68%(图 3A), 而在好气条件
下的腐解量分别为 63.98%和 76.81%(图 3B)。在 90~
360 d的培养时间内, 油菜秸秆中的纤维素和半纤维
素腐解缓慢。培养结束时, 厌氧条件下油菜秸秆的
纤维素和半纤维素仍有 39.61%和 7.06%的残留率,
好气条件下则分别为 17.02%和 3.10%。由此可知, 油
菜秸秆半纤维素的腐解快于纤维素腐解, 且好气条
件下的油菜秸秆纤维素和半纤维素腐解速率均高于
厌氧条件下的值。

图 3 厌氧(A)和好气条件下(B)油菜秸秆纤维素、半纤维素和木质素残留量的变化
Fig. 3 Variations of residual quantities of cellulose, hemicellulose and lignin in rapeseed straw under anaerobic (A) and
aerobic (B) conditions
油菜秸秆的木质素残留量随培养时间延长总体
呈下降趋势(图 3)。在培养初期(0~14 d), 两种处理条
件下油菜秸秆的木质素残留量均有所升高, 可能是
由于纤维素、半纤维素等易分解组分的快速分解造
成木质素百分含量升高, 同时残体分解过程中的中
间产物与木质素相互作用的结果[16]。培养至 14 d 后
呈下降趋势, 至 360 d 结束时, 厌氧条件和好气条件
下的油菜秸秆木质素残留量分别为 5.06 g和 3.03 g。
残留率分别为初始含量(7.62 g)的 66.48%和 39.80%。
好气条件的油菜秸秆木质素残留量显著低于厌氧条
件下(P<0.05)。
2.5 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解过程的红外
光谱特征研究
厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解过程 FTIR 图
谱见图 4, 红外光谱吸收峰的归属如下[11,1721]: 油菜
秸秆腐解过程中红外光谱吸收峰发生变化的主要有:
3 424 cm1处(一部分为碳水化合物中OH形成的氢
键的伸缩振动, 另一部分为秸秆中纤维素、半纤维
素、淀粉及其他多糖和单糖等的成分, 也包括氨基
酸中 N—H伸缩振动的吸收)。2 935~2 900 cm1(脂
肪族结构中—CH2基团的 C—H反对称伸缩振动)。
2 853 cm1 处(—CH3 基团的 C—H 伸缩振动)。
1 730~1 750 cm1处(C=O伸缩振动, 木素或半纤维
素中的 C=O伸缩振动)。1 630~1 660 cm1 (酰胺 C=O
伸缩振动, 有机羧酸盐 COO1反对称伸缩振动的吸
收及木质素中与芳香环相连的 C=O伸缩振动 )。
1 500~1 515 cm1(酰胺基的 N—H的振动, 酰胺化合
物的特征吸收谱带)。1 425~1 461 cm1(木质素和碳水
第 7期 王 景等: 厌氧和好气条件下油菜秸秆腐解的红外光谱特征研究 897


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图 4 厌氧条件(A)和好气条件(B)下油菜秸秆腐解过程中 FTIR光谱
Fig. 4 FTIR spectra of rapeseed straw during decomposition under anaerobic (A) and aerobic (B) conditions
化合物中 C—H 的弯曲振动)。1 370~1 380 cm1处
(具有脂肪族特征化合物中—CH3的对称变形振动)。
1 034 cm1(碳水化合物和多糖结构中的 C—O伸缩振
动和硅盐矿物中的 Si—O 伸缩振动)。780~805 cm1
和 470~475 cm1处(由 Si—O 的变形振动引起)。
厌氧条件油菜秸秆的红外光谱有如下变化: 3 430~
3 410 cm1、2 930 cm1和 1 740 cm1、1 032 cm1处
的吸收峰强度逐渐变弱, 表明油菜秸秆中的碳水化
合物(如半纤维素等)在逐步分解, 使甲基、亚甲基和
羟基含量减少, 油菜秸秆的残留碳量随之表现为减
少的趋势; 1 375 cm1处的吸收峰强度减弱, 即具脂
肪族特征的化合物中—CH3 的对称变形振动减弱 ,
表明纤维素、半纤维素或具脂肪族特征的化合物正
在分解, 这与油菜秸秆的纤维素、半纤维素残留量
的变化一致 ; 1 505 cm1 处吸收峰强度的降低和
1 638 cm1、1 430 cm1、1 380 cm1处吸收峰强度的
增强, 则表明秸秆中蛋白质及氨基酸分解, 主要形
成酰胺类或无机铵盐和羧酸盐。至 360 d结束时, 厌
氧条件下油菜秸秆 1 740 cm1和 1 419~1 425 cm1及
1 638cm1处吸收峰仍有吸收强度, 表明此时厌氧条
件下仍有有机羧酸盐 COO－反对称伸缩振动的吸收
及木质素中与芳香环相连的 C=O 的伸缩振动; 在
780~804 cm1和 469~480 cm1处是硅酸盐和 SiO2
等无机硅化物的吸收带, 吸收强度略低于好气条件
的值。
好气条件下的油菜秸秆在腐解至 30 d时的红外
光谱表明, 1 738 cm1处吸收峰增强, 说明有羧酸脂
类和酮类物质产生; 1 256 cm1 处吸收峰增强, 表
明秸秆腐解过程中形成了纤维素酯类化合物。在
30~90 d内, 3 430~3 410 cm1和 1 740 cm1处的吸收
峰强度明显降低, 表明油菜秸秆中的碳水化合物在
迅速分解 , 这与油菜秸秆中残留碳的变化趋势一
致。2 930~2 853 cm1区域内吸收峰强度减弱, 即甲
基和亚甲基的振动减弱, 同时 1 419~1 425 cm1处吸
收峰强度下降, 表明木质素和脂肪族化合物的双键
或羰基相连的—CH2 的变形振动减弱, 油菜秸秆的
脂族性下降。至 360 d 培养结束时, 好气条件下在
1 740 cm1处吸收峰消失, 在 1 638 cm1处吸收峰吸
收强度比厌氧条件下低, 表明随着腐解时间的进行,
好气条件下羧酸脂类化合物和木质素分解, 而厌氧
条件下更容易有木质素及木质素残体与其他有机产
物的结合物积累。804 cm1、527 cm1和 469 cm1
处保持尖锐的吸收峰, 其他吸收峰与未腐解的油菜
秸秆红外光谱的吸收峰无较大差别。表明好气条件
下有利于纤维素、半纤维素、木质素和脂肪族化合
物的分解, 提高其芳香性[22]。
3 讨论
本试验结果表明, 厌氧和好气条件下的油菜秸
秆均表现出前期腐解快后期缓慢的趋势。这与前人
研究结果一致[16,23]。前期油菜秸秆含有的易腐解成
分, 如易溶解的可溶性有机物, 如多糖、氨基酸、有
机酸等以及无机养分迅速释放分解, 加上油菜秸秆
中腔被易腐解的髓填充, 髓可迅速腐解消失, 使油
菜秸秆在培养初期累积释放量迅速增加, 然后油菜
秸秆中易分解组分含量减少, 微生物活性降低, 油
菜秸秆外表面具有很厚的角质层, 腐解变慢[24]。在
培养的 360 d 内, 好气条件下的油菜秸秆腐解率始
终高于厌氧条件, 这可能是因为在好气条件, 土壤
大小孔隙比例适中, 含有充足的氧气和水分, 有利
于微生物呼吸 [6], 消耗更多的有机质为微生物活动
提供能量。
本试验结果还表明, 随培养时间延长, 油菜秸
秆的纤维素、半纤维素和木质素残留量呈下降趋势。
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虽然在腐解开始的前 14 d 内木质素含量略有升高,
这可能是由于纤维素和半纤维素的大量分解, 以及
秸秆中水溶性组分和矿物元素 K、Na、Ca和 Mg含
量的大量下降造成。油菜秸秆在好气条件下的降解
率显著高于厌氧条件的值, 且在培养至 60 d时达到
显著性差异水平。
王文全等[22]研究结果表明, 随培养时间推移, 好
气条件下的牛粪腐解在 3 430~3 430 cm1、2 925 cm1、
2 855 cm1处的吸收峰逐渐减弱。而在厌氧条件下略
有降低, 表明好氧条件下有利于碳水化合物、脂肪
族和蛋白质等有机物的分解。吴景贵等[16]认为, 秸
秆的腐解过程是腐解产物的脂族性降低而芳香性升
高, 并形成硅酸盐的积累。彭义等[18]的研究结果表
明, 秸秆还田是土壤多糖、芳香族碳和脂肪族碳的
主要来源。本试验的结果表明, 油菜秸秆腐解过程
最明显的变化在 3 430~3 410 cm1、2 930 cm1处, 吸
收峰吸收强度降低, 油菜秸秆的脂族性下降。1 740
cm1、1 419~1 425 cm1处吸收峰吸收强度的降低,
油菜秸秆木质素含量下降, 且厌氧条件下的吸收强
度高于其在好气条件下。这表明, 好气条件下更有
利于油菜秸秆碳水化合物、蛋白质和脂肪族化合物
的分解, 而厌氧条件下更有利于木质素的积累, 并
可能以木质素残体为核心与未分解完全的微生物代
谢产物发生聚合形成腐殖质[25]。由于秸秆腐解过程
复杂且受到诸多因素影响, 若想进一步分析所形成
的中间产物, 仅凭红外光谱难以完成, 还需借助其
他仪器, 对秸秆腐解过程官能团及其含量变化进行
分析辨别。
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