農田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征

第20卷第2期生態(tài)學(xué)報Vol. 20. No. 22000年3月ACTA ECOLOGICA SINICAM農田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征張春慧1,張一平2,竇連彬(1,天津市大港經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區管委會(huì ),天津300270;2.西北農業(yè)大學(xué)資環(huán)系,陜西楊陵712100;3,天津市大港區農林畜牧局,天津300270)摘要:;用熱分析法研究了農田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征,并探討了腐解物中不同組分對腐解物熱解特征的影響。結果表明,腐解物DTA曲線(xiàn)的280C、330C、450C放熱峰,DTIG曲線(xiàn)的第二失重峰和h3c/h45c值可作為表征腐解進(jìn)程的特征峰和特征值。由腐解物DTA、DTG所得能量各參數(ΔH,E)與文獻[3]所述腐解物能態(tài)(Q呈現波動(dòng)起伏,趨于穩定2個(gè)階段相符,二者相互印證,顯示熱分析方法用于植物殘體腐解進(jìn)程硏究的可行性。DTA旳28℃放熱峰主要由苯-醇溶性物、水溶性物引起。苯-醇溶性物、水溶性物和纖維素、半纖維素是影鳴腐解物熱解及其能態(tài)變化特征的主要物質(zhì)組分。木質(zhì)素組分對腐解后期腐解物的熱解及其能態(tài)特征趨于穩定具有重要作用關(guān)鍵詞:玉米秸桿;腐解物;熱解;能態(tài)Pyrolytic features of corn residues in the decaying process underfield conditionsZHANG Chun-Hui, ZHANG Yi-Ping DOU Lian-Bin (1. Administrative Commsission of dagangEconomic and Technologic Development Area, Tian jin 300270, China: 2. Northweestern Agricultural University, shanxiYangling 300270, China; 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 condions. The results show that 280 C, 330C, and 450C peaks of DTA curve and the second peak of DTGcurve could be regarded as the featured peak"and the ratio of h3s0c/h4sec as"the featured index". Energyparameters(AH, E)brought out such two stages as the fluctuating-rolling stage and the stage which tendeto 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 affected pyrolitic feature Lignin had a important function in the latter decaying period in whichporolitic feature and energetics tended to be stableKey words: corn residue; decaying substance pyrolytic feature: energetic文章編號:1000-0933(2000)02-0264-06中圖分類(lèi)號:Q948文獻標識碼:A近代一些學(xué)者借助于熱分析方法對土壤有機質(zhì)研究的結果表明,該方法不僅可以荻得腐解物質(zhì)分子結構有價(jià)值的資料,而且還可以估價(jià)有機物質(zhì)的腐殖化程度。作者曾用氧彈量熱計法研究了農田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過(guò)程腐解物的能態(tài)變化特征中國煤化工對腐解物能態(tài)的影響。為深化這方面的研究,本文在以往研究的基礎上采CNMHG途徑,對農田生態(tài)條件下植物殘體腐解過(guò)程腐解物的熱分解(熱解)特征進(jìn)行探討,為植物殘體腐解過(guò)程能態(tài)變化研究探索新的途徑和累積新的資料。材料與方法基金項目:國荊據博士點(diǎn)基金課題稿日期:1997-09-03;修訂日期:199807-312期張春慧等:農田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征本試驗利用西北農業(yè)大學(xué)有機質(zhì)轉化研究定位試驗地進(jìn)行,土壤系口土安排本試驗時(shí),定位試驗已連續進(jìn)行了13a,小區面積為19.8m2,每年小麥玉米連作。本試驗選用定位試驗中化肥,廄肥+化肥,不施肥3個(gè)處理,供試小區施肥處理,小區土壤化學(xué)性質(zhì)及供試腐解物樣品的采集及制備同文獻[3]。用島津DT-30B型熱分析儀進(jìn)行供試樣品的差熱(DTA),熱重(TG)和微商熱重(DTG)分析。DTA稱(chēng)樣6.00g、TG稱(chēng)樣10.00mg,參比物為Al2O,試樣氣氛為靜態(tài)空氣,升溫速度10C/min。DTA中腐解物的能態(tài)14用焓變(△H)表示,其計算公式為AH=k·s/m(S:測試峰面積,m:峰區熱解物重量,k:用苯甲酸測得的標定常數)1。DTG中腐解物熱解活化能(E),比速率常數(k。)依urner等·的計算公式推求2結果與討論2.1植物殘體腐解過(guò)程腐解物熱分析曲線(xiàn)特征各施肥處理不同腐解期腐解物的DTA曲線(xiàn)如圖1。各曲線(xiàn)特征基本相似,共同點(diǎn)是,60~85C有一吸熱谷,32210~342C和419~475C有兩個(gè)主放熱峰,480C左右有一尖狀放熱峰。此外,腐解前期265~321C有一小放熱峰各施肥處理不同腐解期腐解物的DTG曲線(xiàn)如圖2。各DTG曲線(xiàn)亦有共性,均顯示3個(gè)失重峰,其中第2失重峰8最突出。2.2植物殘體腐解過(guò)程腐解物熱解的動(dòng)態(tài)變化特征22.1表征腐解進(jìn)程的DTA特征峰和特征值圖6√0IDTA曲線(xiàn)中,265~321℃小放熱峰(簡(jiǎn)稱(chēng)280C峰),各施肥處理在腐解前期(10個(gè)月前)均明顯,以后消失,此峰的顯示腐解過(guò)程處于前期,因此可作為表征腐解進(jìn)程的4254特征峰(280c特征峰);322-382c放熱峰(簡(jiǎn)稱(chēng)33c6452a22峰),各施肥處理及各腐解期皆突出,峰較高,峰面積較大峰溫變幅小,基本處于330C左右,同時(shí)從表1可見(jiàn),腐解過(guò)程此峰的峰高(h),焓變(ΔⅠ)呈現規律性變化。腐解10個(gè)月以前,、ΔH值較大、且波動(dòng)起伏變幅較大,此后該值變小,變幅減小,因此可作為表征腐解進(jìn)程的330C特征圖1各施肥處理不同腐解期腐解物DTA曲線(xiàn)峰:419~475C放熱峰(多數在450C,簡(jiǎn)稱(chēng)450C峰),各施Fig 1 DTA curve of decaying substances in va肥處理及各腐解期亦較突出,且從表1可見(jiàn)該峰峰高(h)· ous decaying periods for fertilizer treatment焓變(ΔH)隨腐解進(jìn)程亦呈現規律性變化,腐解前h,ΔH值較小,此后增加較多,與330C特征峰」中國煤化工rrmn,b肥化肥hemical fertilizer treatmert. c變化趨勢,故可作為表征腐解進(jìn)程的450℃特征CNMHGcer applied treatment.1.曲線(xiàn)從表1hac/hsc值(DTA曲線(xiàn)330C峰高與450℃峰旁所標2、4、6、8、10、12、14、16為腐解期(月).2·峰高比值)看岀,各施肥處理隨腐解程度加深,該值逐漸變端所標數字為各峰所對應的溫度(C),以下圖同此小,腐解10個(gè)月以前,該值大于1,此后小于1,亦呈現規律性變化。因嶼勇搬據c/h4c作為表征腐解進(jìn)程的DTA特征值。此外,腐解10個(gè)月以前,3種施肥處理比較不同腐解期ha3c/hs比值呈現化肥>廄肥+化肥>不施肥的趨勢,顯示不施肥處理玉米秸桿腐解進(jìn)生態(tài)學(xué)報0卷表1各施肥處理不同腐解期腐解物DTA曲線(xiàn)330C,450C峰高(h),焓變(△H)及h3C/h450cTable 1 High AH of 330C, 450C peak and the ratio of h330c/hase c obtained from DTA curve of decaying substanese參數處理腐解期(月) Decaying periods( Month)Parameters Treatment2 41416化肥①19.83.3峰高廄肥十化肥219.2不施肥13.450C峰高廄肥+化肥0.9不施肥8,12峰焓變廄肥十化肥H(kJ/g)不施肥2,3450C化肥峰焓變廄肥+化肥1.8ΔH(kJ/g)不施肥2.3廄肥+化肥21不施肥20.04.0程較快,這可能與不施肥處理土壤有杋質(zhì)含量較低,土壤缺乏微生物易利用旳碳源,而抑制了微生物的活性,加入玉米秸桿后,激發(fā)了微生物活性,導致腐解加速有關(guān)2.2.2表征腐解進(jìn)程的DIG特征峰圖2DTG曲線(xiàn)中,第2失重峰隨腐解進(jìn)程逐漸減小,表2亦可看出,該峰的峰高()、活化能(E),比速率常數(kυ)均呈規律性變化,即腐解10個(gè)月以前h,E,k值較大呈起伏變化,此后各值均顯著(zhù)諴小且趨于穩定。因此該峰可作為表征腐解進(jìn)程的DIG特征峰綜合上述植物殘體腐解過(guò)程腐解物熱解的DTA、DG曲線(xiàn)各特征峰及特征值的變化規律,可將植物殘體腐解過(guò)程以腐解8~10個(gè)月為界劃分為腐解前、后2個(gè)階段,以所得能量參數(△H、E)看,腐解前期腐解物能態(tài)呈現較大波動(dòng)起伏變化,腐解后期變幅較小趨于穩定,這與文獻[3]所得腐解物能態(tài)(Q)變化呈始)現波動(dòng)起伏,趨于穩定2個(gè)階段的結論相吻合,二者相互50150815答印證,進(jìn)一步證實(shí)了此結論的可靠性。同時(shí),亦證實(shí)了在試驗條件下腐解物經(jīng)8~10個(gè)月后腐解主要進(jìn)程已趨完8a121416成3。顯示熱分析方法用于植物殘體腐解進(jìn)程研究的可行b39)568{519性上述結論與在相同試驗小區上,1990年6月~1991年101214166月所作苜蓿殘體不同腐解期腐解物的熱解變化特征類(lèi)56同,表明不同植物殘體腐解物熱解變化特征具有一定共性。但苜蓿殘體腐解物未岀現玉米殘體腐解物表征腐解進(jìn)78}37580中國煤化工解特征上亦存在一定差異。腐解期810121416CNMHG特性的影響dwt為探討腐解物中不同組分對熱解特征的影響,對腐解圖2各施肥處理不同腐解期腐解物DTG曲線(xiàn)物去除各組分后的樣品分別進(jìn)行熱分析研究。各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物后樣品的DTA曲線(xiàn)saying)數據tilizer treatment如圖3?？梢?jiàn),該樣品DTA曲線(xiàn)中的330C,450C特征峰2期張春慧等:農田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征s40y8))象三750075)685246810121416565527)528總70)85)808017572)5101214)728490)87112圖4各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物(b-a)后樣品DTG曲線(xiàn)Fig 4 DTG curves of sample taken b-a soluble subsvarious decaying periods for fertilizer appl隨腐解進(jìn)程的變化規律與原腐解物相似。280C峰沒(méi)有消失,與圖1相比略有減小,說(shuō)明此峰不完全是由苯-醇溶性物所致去苯醇溶性物后樣品DTG曲線(xiàn)(圖4)的動(dòng)態(tài)變化與原腐解物也相似。僅峰高相對減少。因此苯醇溶性物的去除未改變植物殘體腐解過(guò)程熱解及能態(tài)2個(gè)階段變化的基本特征。(△H、E、k,h等參數符合此變化規律。各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物。水溶性物后樣品的DTA,DTG曲線(xiàn)如圖5,圖6。由DTA圖可見(jiàn)280C特征峰已完全消失,說(shuō)明苯-圖3各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物∫溶性物,特別是水溶性物是共同引發(fā)該峰的主要物樣品DTA曲線(xiàn)質(zhì)。DTA曲線(xiàn)的330C,450C特征峰和DTG曲線(xiàn)的特征峰仍然存在,且仍呈現與原腐解物類(lèi)同的熱解及nces In能態(tài)2個(gè)階段的變化特征arious decaying periods for fertilizer applied treatment各施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物水溶性物,纖維素,半纖維素后主要組分為木質(zhì)素,也中國煤化工,其DTA曲線(xiàn)如圖7,與原腐解物DTA330℃,450℃特征峰的峰溫及峰形ˉCNMHG應于原330cC峰的峰溫變?yōu)?30~370C(簡(jiǎn)稱(chēng)350℃峰),相應于原450C峰的峰溫變?yōu)?72~520C(簡(jiǎn)稱(chēng)500℃峰)。腐解前期(10個(gè)月以前)500℃峰較突岀,腐解后期減弱,350℃峰呈相反趨勢,腐解10個(gè)月以前較小,多為肩狀峰,腐解后期變?yōu)檩^突出且與500℃峰面積相近。因此,該樣品雖隨腐解進(jìn)程亦呈2階段的變化特征,但已不具有表征原腐解物腐解j枵毀搪征峰,特征值、及規律性的變化特點(diǎn)綜合上述結論可見(jiàn),苯醇溶性物,水溶性物和纖維素、半纖維素是影響腐解物熱解及其變化特征的主生態(tài)學(xué)報0卷要物質(zhì)組分。木質(zhì)素等組分對腐解后期腐解物的熱解及其能態(tài)特征趨于穩定具有重要作用。>8727272)8518172141650053776)7846810121416圖6各施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b65420a),水溶性物(w)后樣品DTG曲線(xiàn)DTG curve of sample taken b-a and w awaya.b.c is as same as fig, I32m不琴生?水Fig5 DTA curve of sample taken b-a and water sol-uble substance away from decaying substance in vari-ous decaying periods for fertilizer applied treatmenta,b,c is as same as fig.施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b中國煤化工半纖維素后樣品DTA曲線(xiàn)CNMHGpledecaying periods for fertilizer applied treatmenta,b,c is as same as fig. 12期張春慧等:農田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過(guò)程腐解物的熱解變化特征269表2各施肥處理不同腐解期腐解物DTG曲線(xiàn)各參數值Table 2 Parameters of DTG curve of decaying substances in various decaying periods for fertilizer applied treatment參數處理腐解期(月) Decaying period( Month)14第二峰高化肥6.33.61.71.5h廄肥+化肥25.9(cm)不施肥③第二峰化肥(K)廄不施肥第二峰活化221.9142,1371.9260.371.9能E廄肥+化肥320.420.4486.5350.4123.3(KJ/mol)不施肥296.8326,4784.6271.0比速率常數化肥103.7(min-1)廄肥+化肥10不施肥1028( Chemical fertilizer, 2 Barn-yard manure +Chmical fertilizer, B Without fertilizer applied參考文獻Ⅰ白錦鱗,張一平,等陜西省幾種主要土壙胡敏酸能態(tài)及熱分解特征的硏究.土壤學(xué)報,1990,27(2):151~-158[2 OpIOB [L C y6lH, B H, Il T I. IIHpO TH3 Il :HppepeHI IHH TepmoaHa lH3 T'yMycoBblx BelllecTB nO4BbI, ATPOXIMILH, 1968(1):68~773]張春慧,張一平,等.農田生態(tài)條件下植物殘體腐解過(guò)程腐解物的能態(tài)變化特征.生態(tài)學(xué)報,1996,16(2):140~146.[4]波普MI,尤德MD,王世華,等譯.差熱分析DTA技術(shù)及其應用指導.北京:北京師范大學(xué)出版社,1981.45~46[5 Tuurner R C Schnitzer M. Thermogravimetry of the organic matter of a podzol Soil Sci. 1962,93(4): 225-232.[6]陳思根,張一平,等,植物殘體腐解物能態(tài)特征及其與組分的關(guān)系.西北農業(yè)大學(xué)學(xué)報,1993,21(增刊):21~25中國煤化工CNMHG