农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征

第20卷第2期生态学报Vol. 20. No. 22000年3月ACTA ECOLOGICA SINICAM农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征张春慧1,张一平2,窦连彬(1,天津市大港经济技术开发区管委会,天津300270;2.西北农业大学资环系,陕西杨陵712100;3,天津市大港区农林畜牧局,天津300270)摘要:;用热分析法研究了农田生态条件下玉米秸杆腐解过程腐解物的热解变化特征,并探讨了腐解物中不同组分对腐解物热解特征的影响。结果表明,腐解物DTA曲线的280C、330C、450C放热峰,DTIG曲线的第二失重峰和h3c/h45c值可作为表征腐解进程的特征峰和特征值。由腐解物DTA、DTG所得能量各参数(ΔH,E)与文献[3]所述腐解物能态(Q呈现波动起伏,趋于稳定2个阶段相符,二者相互印证,显示热分析方法用于植物残体腐解进程硏究的可行性。DTA旳28℃放热峰主要由苯-醇溶性物、水溶性物引起。苯-醇溶性物、水溶性物和纤维素、半纤维素是影鳴腐解物热解及其能态变化特征的主要物质组分。木质素组分对腐解后期腐解物的热解及其能态特征趋于稳定具有重要作用关键词:玉米秸杆;腐解物;热解;能态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文章编号:1000-0933(2000)02-0264-06中图分类号:Q948文献标识码:A近代一些学者借助于热分析方法对土壤有机质研究的结果表明,该方法不仅可以荻得腐解物质分子结构有价值的资料,而且还可以估价有机物质的腐殖化程度。作者曾用氧弹量热计法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中国煤化工对腐解物能态的影响。为深化这方面的研究,本文在以往研究的基础上采CNMHG途径,对农田生态条件下植物残体腐解过程腐解物的热分解(热解)特征进行探讨,为植物残体腐解过程能态变化研究探索新的途径和累积新的资料。材料与方法基金项目:国荆据博士点基金课题稿日期:1997-09-03;修订日期:199807-312期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杄腐解过程腐解物的热解变化特征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,土壤系口土安排本试验时,定位试验已连续进行了13a,小区面积为19.8m2,每年小麦玉米连作。本试验选用定位试验中化肥,厩肥+化肥,不施肥3个处理,供试小区施肥处理,小区土壤化学性质及供试腐解物样品的采集及制备同文献[3]。用岛津DT-30B型热分析仪进行供试样品的差热(DTA),热重(TG)和微商热重(DTG)分析。DTA称样6.00g、TG称样10.00mg,参比物为Al2O,试样气氛为静态空气,升温速度10C/min。DTA中腐解物的能态14用焓变(△H)表示,其计算公式为AH=k·s/m(S:测试峰面积,m:峰区热解物重量,k:用苯甲酸测得的标定常数)1。DTG中腐解物热解活化能(E),比速率常数(k。)依urner等·的计算公式推求2结果与讨论2.1植物残体腐解过程腐解物热分析曲线特征各施肥处理不同腐解期腐解物的DTA曲线如图1。各曲线特征基本相似,共同点是,60~85C有一吸热谷,32210~342C和419~475C有两个主放热峰,480C左右有一尖状放热峰。此外,腐解前期265~321C有一小放热峰各施肥处理不同腐解期腐解物的DTG曲线如图2。各DTG曲线亦有共性,均显示3个失重峰,其中第2失重峰8最突出。2.2植物残体腐解过程腐解物热解的动态变化特征22.1表征腐解进程的DTA特征峰和特征值图6√0IDTA曲线中,265~321℃小放热峰(简称280C峰),各施肥处理在腐解前期(10个月前)均明显,以后消失,此峰的显示腐解过程处于前期,因此可作为表征腐解进程的4254特征峰(280c特征峰);322-382c放热峰(简称33c6452a22峰),各施肥处理及各腐解期皆突出,峰较高,峰面积较大峰温变幅小,基本处于330C左右,同时从表1可见,腐解过程此峰的峰高(h),焓变(ΔⅠ)呈现规律性变化。腐解10个月以前,、ΔH值较大、且波动起伏变幅较大,此后该值变小,变幅减小,因此可作为表征腐解进程的330C特征图1各施肥处理不同腐解期腐解物DTA曲线峰:419~475C放热峰(多数在450C,简称450C峰),各施Fig 1 DTA curve of decaying substances in va肥处理及各腐解期亦较突出,且从表1可见该峰峰高(h)· ous decaying periods for fertilizer treatment焓变(ΔH)随腐解进程亦呈现规律性变化,腐解前h,ΔH值较小,此后增加较多,与330C特征峰」中国煤化工rrmn,b肥化肥hemical fertilizer treatmert. c变化趋势,故可作为表征腐解进程的450℃特征CNMHGcer applied treatment.1.曲线从表1hac/hsc值(DTA曲线330C峰高与450℃峰旁所标2、4、6、8、10、12、14、16为腐解期(月).2·峰高比值)看岀,各施肥处理随腐解程度加深,该值逐渐变端所标数字为各峰所对应的温度(C),以下图同此小,腐解10个月以前,该值大于1,此后小于1,亦呈现规律性变化。因屿勇搬据c/h4c作为表征腐解进程的DTA特征值。此外,腐解10个月以前,3种施肥处理比较不同腐解期ha3c/hs比值呈现化肥>厩肥+化肥>不施肥的趋势,显示不施肥处理玉米秸杆腐解进生态学报0卷表1各施肥处理不同腐解期腐解物DTA曲线330C,450C峰高(h),焓变(△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参数处理腐解期(月) Decaying periods( Month)Parameters Treatment2 41416化肥①19.83.3峰高厩肥十化肥219.2不施肥13.450C峰高厩肥+化肥0.9不施肥8,12峰焓变厩肥十化肥H(kJ/g)不施肥2,3450C化肥峰焓变厩肥+化肥1.8ΔH(kJ/g)不施肥2.3厩肥+化肥21不施肥20.04.0程较快,这可能与不施肥处理土壤有杋质含量较低,土壤缺乏微生物易利用旳碳源,而抑制了微生物的活性,加入玉米秸杆后,激发了微生物活性,导致腐解加速有关2.2.2表征腐解进程的DIG特征峰图2DTG曲线中,第2失重峰随腐解进程逐渐减小,表2亦可看出,该峰的峰高()、活化能(E),比速率常数(kυ)均呈规律性变化,即腐解10个月以前h,E,k值较大呈起伏变化,此后各值均显著諴小且趋于稳定。因此该峰可作为表征腐解进程的DIG特征峰综合上述植物残体腐解过程腐解物热解的DTA、DG曲线各特征峰及特征值的变化规律,可将植物残体腐解过程以腐解8~10个月为界划分为腐解前、后2个阶段,以所得能量参数(△H、E)看,腐解前期腐解物能态呈现较大波动起伏变化,腐解后期变幅较小趋于稳定,这与文献[3]所得腐解物能态(Q)变化呈始)现波动起伏,趋于稳定2个阶段的结论相吻合,二者相互50150815答印证,进一步证实了此结论的可靠性。同时,亦证实了在试验条件下腐解物经8~10个月后腐解主要进程已趋完8a121416成3。显示热分析方法用于植物残体腐解进程研究的可行b39)568{519性上述结论与在相同试验小区上,1990年6月~1991年101214166月所作苜蓿残体不同腐解期腐解物的热解变化特征类56同,表明不同植物残体腐解物热解变化特征具有一定共性。但苜蓿残体腐解物未岀现玉米残体腐解物表征腐解进78}37580中国煤化工解特征上亦存在一定差异。腐解期810121416CNMHG特性的影响dwt为探讨腐解物中不同组分对热解特征的影响,对腐解图2各施肥处理不同腐解期腐解物DTG曲线物去除各组分后的样品分别进行热分析研究。各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物后样品的DTA曲线saying)数据tilizer treatment如图3。可见,该样品DTA曲线中的330C,450C特征峰2期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杄腐解过程腐解物的热解变化特征s40y8))象三750075)685246810121416565527)528总70)85)808017572)5101214)728490)87112图4各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物(b-a)后样品DTG曲线Fig 4 DTG curves of sample taken b-a soluble subsvarious decaying periods for fertilizer appl随腐解进程的变化规律与原腐解物相似。280C峰没有消失,与图1相比略有减小,说明此峰不完全是由苯-醇溶性物所致去苯醇溶性物后样品DTG曲线(图4)的动态变化与原腐解物也相似。仅峰高相对减少。因此苯醇溶性物的去除未改变植物残体腐解过程热解及能态2个阶段变化的基本特征。(△H、E、k,h等参数符合此变化规律。各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物。水溶性物后样品的DTA,DTG曲线如图5,图6。由DTA图可见280C特征峰已完全消失,说明苯-图3各施肥处理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物∫溶性物,特别是水溶性物是共同引发该峰的主要物样品DTA曲线质。DTA曲线的330C,450C特征峰和DTG曲线的特征峰仍然存在,且仍呈现与原腐解物类同的热解及nces In能态2个阶段的变化特征arious decaying periods for fertilizer applied treatment各施肥处理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物水溶性物,纤维素,半纤维素后主要组分为木质素,也中国煤化工,其DTA曲线如图7,与原腐解物DTA330℃,450℃特征峰的峰温及峰形ˉCNMHG应于原330cC峰的峰温变为330~370C(简称350℃峰),相应于原450C峰的峰温变为472~520C(简称500℃峰)。腐解前期(10个月以前)500℃峰较突岀,腐解后期减弱,350℃峰呈相反趋势,腐解10个月以前较小,多为肩状峰,腐解后期变为较突出且与500℃峰面积相近。因此,该样品虽随腐解进程亦呈2阶段的变化特征,但已不具有表征原腐解物腐解j枵毁搪征峰,特征值、及规律性的变化特点综合上述结论可见,苯醇溶性物,水溶性物和纤维素、半纤维素是影响腐解物热解及其变化特征的主生态学报0卷要物质组分。木质素等组分对腐解后期腐解物的热解及其能态特征趋于稳定具有重要作用。>8727272)8518172141650053776)7846810121416图6各施肥处理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b65420a),水溶性物(w)后样品DTG曲线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.施肥处理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b中国煤化工半纤维素后样品DTA曲线CNMHGpledecaying periods for fertilizer applied treatmenta,b,c is as same as fig. 12期张春慧等:农田生态条件下玉米秸杄腐解过程腐解物的热解变化特征269表2各施肥处理不同腐解期腐解物DTG曲线各参数值Table 2 Parameters of DTG curve of decaying substances in various decaying periods for fertilizer applied treatment参数处理腐解期(月) Decaying period( Month)14第二峰高化肥6.33.61.71.5h厩肥+化肥25.9(cm)不施肥③第二峰化肥(K)厩不施肥第二峰活化221.9142,1371.9260.371.9能E厩肥+化肥320.420.4486.5350.4123.3(KJ/mol)不施肥296.8326,4784.6271.0比速率常数化肥103.7(min-1)厩肥+化肥10不施肥1028( Chemical fertilizer, 2 Barn-yard manure +Chmical fertilizer, B Without fertilizer applied参考文献Ⅰ白锦鳞,张一平,等陕西省几种主要土壙胡敏酸能态及热分解特征的硏究.土壤学报,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]张春慧,张一平,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.生态学报,1996,16(2):140~146.[4]波普MI,尤德MD,王世华,等译.差热分析DTA技术及其应用指导.北京:北京师范大学出版社,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]陈思根,张一平,等,植物残体腐解物能态特征及其与组分的关系.西北农业大学学报,1993,21(增刊):21~25中国煤化工CNMHG