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        水稻秸稈腐解產(chǎn)生溶解性有機(jī)質(zhì)的生物降解特性

        2013-06-04 07:09:12吳曉波
        關(guān)鍵詞:化學(xué)

        吳曉波

        本研究采用培養(yǎng)法,通過DOC、pH、280nm吸光度指標(biāo)研究水稻秸稈腐解不同階段產(chǎn)生DOM的生物降解特性與結(jié)構(gòu)變化,闡明秸稈還田對土壤CO2排放與碳固定的影響,為選擇秸稈還田的正確方法提供科學(xué)依據(jù),為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)資料。

        通過培養(yǎng)不同天數(shù)的水稻腐解液來控制變量,以研究不同腐解天數(shù)的DOM溶液中DOC降解特性及pH、280nm吸光度變化。DOC采用比色法;pH值采用電極法;280nm吸光度值采用分光光度法。

        基于DOM是不同降解速率和不同降解程度的成分的混合物的假定,我們使用雙倍指數(shù)模型(Double Exponential Model)來描述DOC的礦化動力學(xué),模型公式表達(dá)式為:

        殘留C%=(100-b)+be (1)

        式中:t為時間/天, b為穩(wěn)定DOC所占最初DOC的百分含量(%),100-b為易礦化DOC所占最初DOC的百分含量(%),k1為易礦化DOC礦化速率常數(shù)(天),k2為穩(wěn)定DOC礦化速率常數(shù)(天)。

        同時計算半衰期:

        1.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的生物降解性

        水稻秸稈不同腐解階段DOM液的DOC隨時間變化如圖1所示。

        圖1 不同腐解階段DOM殘留DOC隨時間的變化

        不同腐解階段DOM整個降解過程都可分為殘留DOC的迅速減少和緩慢減少兩個階段。在14天前DOC的濃度迅速降低,14天后降解速率明顯減慢,DOC濃度趨于穩(wěn)定。但不同腐解階段DOM降解特性表現(xiàn)出較大差異。雙指數(shù)模型方程擬合結(jié)果(見表1)表明,礦化率表現(xiàn)為7天DOM礦化率達(dá)46.79%,而180dDOM礦化率僅為11.23%,礦化率總體表現(xiàn)為隨腐解時間延長而減小。DOM可以分為易礦化性C庫和穩(wěn)定性C庫兩個組分,易礦化性C庫的半衰期為1~3天,而穩(wěn)定性C庫的半衰期為173~693天。穩(wěn)定性C庫的比例則表現(xiàn)為隨腐解時間延長而增加。由此可見,隨腐解時間延長,DOM生物有效性降低,DOM越穩(wěn)定。

        表1不同腐解階段DOM降解過程使用雙指數(shù)模型擬合參數(shù)比較

        注:擬合方程為:殘留C%=(100-b)e-k1t+be-k2t;

        ①易礦化C半衰期=ln2/k1。

        ②穩(wěn)定性C半衰期=ln2/k2。

        ③r2為擬合方程的相關(guān)系數(shù)之平方。

        2.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的pH的變化

        DOM 是一類組分非常復(fù)雜的混合物,它既含低分子量物質(zhì)(如游離的氨基酸、糖類),又含各類大分子成分(如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等)。pH值不同,反映DOM化學(xué)組成上的差異,與酸性基團(tuán)、堿性基團(tuán)的相對含量有關(guān)。本試驗分別選取了腐解初期7d與腐解末期180d兩個階段DOM,研究其降解過程中pH值的變化,結(jié)果見圖2。從圖中我們可以看出,7dDOM溶液與180dDOM溶液初始pH值有較大差異,7dDOMpH值為7.9,而180dDOM pH僅為7.1,雖均為弱堿性,但兩者化學(xué)組成不同。在整個降解過程中,7dDOM表現(xiàn)為先下降后上升,并逐漸趨于穩(wěn)定,180dDOM則表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定。兩者都表現(xiàn)為在降解0-7天之內(nèi)pH值迅速發(fā)生變化,原因是這段時間內(nèi)DOC的迅速降解,化學(xué)組成發(fā)生較大變化。與DOC含量變化相一致。圖2還表明,最后兩者pH值相近,表明兩者在化學(xué)組成上趨于相似。

        圖2 DOM降解過程中pH的變化

        3.不同腐解階段產(chǎn)生DOM的280nm下吸光度的變化

        E280值主要反映有機(jī)質(zhì)組成中芳香化合物的含量,兩者成正相關(guān)關(guān)系。7d與180dDOM溶液降解過程中280nm吸光度隨時間變化如圖3所示。兩者變化趨勢明顯不同,7dDOM在降解初期E280值較小,隨著降解進(jìn)行,7天后E280值迅速升高,14天后趨于穩(wěn)定,并與180dDOME280值接近。而180dDOM在整個降解過程中變化不大。KalbitzK等指出,DOM由碳水化合物、脂肪、羧基化合物、芳環(huán)物質(zhì)等組成[12]。不同組分物質(zhì)被微生物利用的難易程度有顯著不同,碳水化合物最先被微生物利用,芳環(huán)物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜表現(xiàn)為相對穩(wěn)定[13]。由此可見,180dDOM生物有效性低且較穩(wěn)定,與其化學(xué)組成中芳香化合物含量較高有密切關(guān)系。7dDOM芳香化合物含量相對較少,生物有效性較高,在降解初期碳水化合物、脂肪等易利用組分迅速減少,芳香化合物不易礦化而相對富集,從而導(dǎo)致E280值迅速增加;14天后DOC含量變化不大,E280值也趨于穩(wěn)定。

        3.討論

        微生物對DOM的利用包括兩個交替或連續(xù)的過程:①微生物對DOM 的同化吸收;②為獲取能量和無機(jī)養(yǎng)分而完全分解DOM 成CO2或CH4。微生物對DOM的降解改變DOM的性質(zhì),而微生物能否利用DOM也決定于DOM本身的性質(zhì):即化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征。因此,不同來源DOM生物可降性不同。本試驗研究了水稻秸稈腐解不同階段DOM的生物降解性,結(jié)果表明不同階段DOM的生物降解性表現(xiàn)出較大差異,礦化率在11.23%~46.79%,隨腐解時間延長,礦化率依次降低,DOM越穩(wěn)定。7dDOM與180dDOM pH值和E280值隨降解過程的變化表明,化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征的差異是導(dǎo)致其可降解性不同的主要因素。

        本研究秸稈腐解初期DOM主要來源于秸稈中水溶性物質(zhì),其主要成分為單糖、氨基酸、氨基糖等,這些物質(zhì)極具生物有效性,是微生物最易利用的碳源,將誘導(dǎo)秸稈腐解所需微生物大量繁殖。隨著微生物活性增強(qiáng),微生物代謝產(chǎn)物、微生物死亡殘骸、秸稈中纖維素和木質(zhì)素等的降解都成為DOM的組成來源,從而使DOM的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。秸稈旺盛分解期DOM主要來源于纖維素和木質(zhì)素等的降解產(chǎn)物以及微生物代謝產(chǎn)物,此時DOM含豐富的羧酸類物質(zhì)、強(qiáng)氧化木質(zhì)多酚類物質(zhì)以及芳香族和脂肪族物質(zhì),碳水化合物和氨基糖減少,糖醛酸和半乳糖增多,疏水性較強(qiáng)。在秸稈腐解后期階段,DOM中木質(zhì)素多酚類物質(zhì)降解產(chǎn)物大大增加。因此,隨腐解時間延長,表現(xiàn)為DOM的生物可降解性逐漸降低,DOM趨于穩(wěn)定。

        4.結(jié)論

        (1)DOM生物降解過程殘留DOC隨時間變化符合雙指數(shù)模型方程。生物降解大致可分為快速礦化期和緩慢礦化期兩個階段。不同腐解階段DOM的生物降解特性有較大差異。隨著水稻秸稈腐解進(jìn)行,DOM生物降解越弱,DOC越穩(wěn)定,41天DOC礦化率表現(xiàn)為180天DOM<91天DOM<38天<14天DOM<7天DOM,穩(wěn)定性C比例則表現(xiàn)為180天DOM>91天DOM>38天>14天DOM>7天DOM。

        (2)DOM生物降解過程中pH的變化隨著DOM成分的改變而改變。7dDOM溶液與180dDOM溶液初始pH值雖都呈偏弱堿性,但仍有較大差異,表明兩者化學(xué)組成不同。另外,在整個降解過程中,7dDOM表現(xiàn)為先下降后上升并逐漸趨于穩(wěn)定,180dDOM則表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定。

        (3)DOM生物降解過程中E280值的變化表明,7dDOM在降解初期E280值較小,隨著降解迅速升高,14天后趨于穩(wěn)定,并與180dDOM E280值接近。而180dDOM在整個降解過程中變化不大。芳香性化合物含量的不同是導(dǎo)致DOM生物可降解性不同的重要原因。

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