李兆龍 孫 燕

南京康鵬檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210038

0 引言

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量在9 億t 左右［1］。農(nóng)民對(duì)秸稈的利用方式多種多樣。例如，在我國(guó)南方地區(qū)，人們將稻稈曬干儲(chǔ)存，用來編織床墊、掃帚等家用品，還可用作炊事燃料，以及喂養(yǎng)牲畜（牛、羊等）、鋪墊牲圈、漚肥還田等，很少被浪費(fèi)掉。然而，由于我國(guó)近幾十年來煤、電、氣的普及，提供的各種工業(yè)制品豐富多樣，致使農(nóng)村對(duì)秸稈的需求減少，大量秸稈的處理成為嚴(yán)重的社會(huì)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)被利用的秸稈占秸稈總量的2/3左右［2］，其余秸稈被焚燒、丟棄［3］，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。近年來，相關(guān)部門加強(qiáng)了對(duì)肆意焚燒秸稈的監(jiān)管，通過培訓(xùn)、宣傳等多種方式，提高了農(nóng)民的環(huán)保意識(shí)，但隨意拋棄秸稈的現(xiàn)象仍難以杜絕。

小麥種植在我國(guó)大部分?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）都比較普遍，目前關(guān)于小麥秸稈處理方式的研究主要集中于秸稈還田腐解、添加催化劑腐解、秸稈氣化發(fā)酵等方面［4-6］。尤其是在秸稈還田方面，揭示秸稈在田間腐解的變化特征及其對(duì)農(nóng)作物影響的研究比較多［7-9］，而秸稈在自然水體中腐解對(duì)水環(huán)境造成的影響鮮有報(bào)道。試驗(yàn)?zāi)M小麥秸稈在自然水體中的腐解過程，通過觀測(cè)水體中常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的變化，揭示小麥秸稈自然腐解對(duì)水環(huán)境的污染特征，為科學(xué)制定秸稈離田化綜合利用管理決策提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)小麥秸稈采自江蘇省南京市六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)，含水率為10.43%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.81%，總氮（Total Nitrogen，TN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.52%，總磷（Total Phosphorus，TP）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%，多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.42%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.49%，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.45%，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.82%。

試驗(yàn)用水來自龍袍鎮(zhèn)田間池塘，pH 值7.4，化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）質(zhì)量濃度為51.7 mg/L，總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）質(zhì)量濃度為14.2 mg/L，總氮（Total Nitrogen，TN）質(zhì)量濃度為2.8 mg/L，總磷（Total Phosphorus，TP）質(zhì)量濃度為0.13 mg/L。

試驗(yàn)用底泥采自龍袍鎮(zhèn)田間池塘，pH 值6.2，固含量5.6%，TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.82 g/kg，TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.73 g/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.17 g/kg。

試驗(yàn)用容器為方形塑料桶（4 只），規(guī)格為100 cm×50 cm×30 cm，總?cè)莘e150 L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

秸稈腐解試驗(yàn)在室溫（25±2）℃下進(jìn)行。在4 只塑料容器中分別加入5 kg池塘底泥（濕），先用大約20 kg池塘水稀釋混勻；然后各添加小麥秸稈250、500、750、1 000 g（分別標(biāo)記為A～D）；最后補(bǔ)充池塘水至總凈質(zhì)量100 kg（含秸稈、底泥質(zhì)量，塑料容器質(zhì)量除外），用扁平的大石塊壓住秸稈，使其完全浸沒在水面以下。每隔1 周采集水樣200 mL，并用池塘水補(bǔ)充至總凈質(zhì)量100 kg。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

采用快速密閉消解法測(cè)定水樣COD 質(zhì)量濃度，用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定TOC 質(zhì)量濃度，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定TN 質(zhì)量濃度，采用水楊酸分光光度法測(cè)定NH4+-N 質(zhì)量濃度，采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定TP 質(zhì)量濃度，用酸堿度測(cè)定儀測(cè)定水體pH值，采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定水體色度［10］，采用苯酚硫酸法測(cè)定多糖質(zhì)量濃度［11］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水體pH值變化

在歷時(shí)4 個(gè)月（16 周）的秸稈腐解過程中，各處理水體的pH 值在5.91～8.56 波動(dòng)，如圖1 所示。秸稈剛剛開始腐解時(shí)（前1 周），A～D 處理水體的pH 值差異不大，且與原水體（試驗(yàn)用池塘水）pH 值相近，之后各處理水體的pH 值有較大程度的下降，并在第4 周末達(dá)到最低點(diǎn)，分別下降到6.57、6.42、6.26、5.91，且秸稈量越大，水體的pH 值越低。在秸稈腐解后期，水體的pH值又緩慢上升，超過初始值，穩(wěn)定在8.0左右，隨著腐解的持續(xù)進(jìn)行，水體的pH值緩慢下降，且秸稈量越大，水體最終的pH 值也越高。這可能是因?yàn)榻斩捲谒w中開始腐解的初期，可產(chǎn)生少量的乳酸和丙酸［12］，使水體的pH 值有一定程度的下降。而隨著腐解的持續(xù)進(jìn)行，秸稈中含氮有機(jī)物的分解產(chǎn)生少量的氨氣，使水體pH 值上升，最終導(dǎo)致秸稈腐解末期水體處于微堿狀態(tài)。

圖1 小麥秸稈自然腐解過程中水體pH值變化

2.2 水體中多糖質(zhì)量濃度變化

秸稈的腐解主要是其成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分解，通過觀測(cè)水體中的多糖質(zhì)量濃度變化，可以了解秸稈的腐解動(dòng)態(tài)。由圖2 可知，A～D 處理水體中多糖質(zhì)量濃度在前4周逐漸上升，基本上都在第4周末達(dá)到了最高值，分別為49、72、85、106 mg/L。之后隨著秸稈腐解速率下降，且水體中的多糖被微生物攝食利用，水體中的多糖質(zhì)量濃度呈逐漸下降態(tài)勢(shì)，但直至第16 周末，各處理水體中的多糖質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)高于起始水平（2.1 mg/L），是起始含量的8～24 倍，且秸稈量越大，水體中殘余的多糖越多。

圖2 小麥秸稈自然腐解過程中水體中多糖質(zhì)量濃度變化

2.3 水體色度變化

秸稈腐解過程中會(huì)釋放一些溶解性物質(zhì)或膠體狀物質(zhì)，使得水體呈現(xiàn)一定的顏色。色度是用來表征水體污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)。在秸稈腐解前期，水體的色度逐漸增加（見圖3），反映出在此期間秸稈的腐解速度比較快，在第5 周末，各處理水體的色度達(dá)到最高值，分別為78、97、113、124 倍，且秸稈量越大，水體的色度越高。而在秸稈腐解后期，水體的色度略有下降并趨于平緩，至第16周末各處理水體的色度為64～99 倍，遠(yuǎn)高于起始試驗(yàn)用水色度13 倍，秸稈腐解使得水體色度明顯增高。

圖3 小麥秸稈自然腐解過程中水體色度變化

2.4 水體中COD質(zhì)量濃度變化

水體中COD 質(zhì)量濃度是衡量水體污染程度的重要參數(shù)之一。由圖4 可知，在腐解過程中，由于小麥秸稈中的有機(jī)物釋放到水體中，水體中的COD 質(zhì)量濃度在前4 周逐漸增加，在第4 周末A～D 處理水體中的COD 質(zhì)量濃度上升到最高值，分別為208、336、397、507 mg/L。后期由于水體中微生物的活動(dòng)，水體中的COD 質(zhì)量濃度逐漸下降，至第16 周末各處理水體的COD 質(zhì)量濃度在102～229 mg/L，仍遠(yuǎn)高于起始水平（53 mg/L），反映出秸稈腐解對(duì)水體造成了一定的污染。

圖4 小麥秸稈自然腐解過程中水體中COD質(zhì)量濃度變化

2.5 水體中TOC質(zhì)量濃度變化

TOC 質(zhì)量濃度是指水體中溶解性和懸浮性有機(jī)物含碳的總量，秸稈中40%左右的干物質(zhì)是由有機(jī)碳組成［13］。由圖5 可知，小麥秸稈自然腐解產(chǎn)生的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等含碳有機(jī)物，在第4 周末達(dá)到了較高的水平，A～D 處理水體中的TOC 質(zhì)量濃度分別為63、93、112、149 mg/L。之后由于微生物的利用、降解作用大于秸稈自然腐解作用，水體中的TOC 質(zhì)量濃度逐漸降低，在第16 周末，各處理水體中的TOC 質(zhì)量濃度為31～67 mg/L，高于起始水平（16 mg/L）。

圖5 小麥秸稈自然腐解過程中水體中TOC質(zhì)量濃度變化

2.6 水體中NH4+-N和TN質(zhì)量濃度變化

氮素水平是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要參數(shù)之一。在小麥秸稈腐解過程中，NH4+-N 和TN 的釋放都表現(xiàn)出前期快、后期慢的趨勢(shì)。

由圖6可知，A～D處理水體中的NH4+-N質(zhì)量濃度在第4周末達(dá)到最高值，分別為8.0、6.9、6.1、4.9 mg/L。

圖6 小麥秸稈自然腐解過程中水體中NH4+-N質(zhì)量濃度變化

由圖7 可知，水體中的TN 質(zhì)量濃度也在第4 周末達(dá)到最高值，分別為10.0、12.3、13.2、18.3 mg/L。腐解速率與作物殘?bào)w的化學(xué)組分有關(guān)，其中水溶性物質(zhì)、粗蛋白物質(zhì)和苯醇溶性物質(zhì)分解最快，其次是半纖維素，纖維素次之，而木質(zhì)素最難分解［14］。在開始腐解的前幾周，秸稈中水溶性物質(zhì)和粗蛋白物質(zhì)等能夠較快地進(jìn)入水體，使得水體中TN質(zhì)量濃度逐漸上升。由于水體中微生物的氨化作用，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，水中的氮素超出自然水體承受范圍，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，消耗水體中的氧，造成水體中溶解氧的質(zhì)量濃度下降，從而導(dǎo)致水發(fā)黑發(fā)臭。通過水體中微生物自身生長(zhǎng)利用及硝化、反硝化等一系列作用，水體中的氮素被逐漸消減。但直至試驗(yàn)結(jié)束，各處理水體中的TN 質(zhì)量濃度依然在6.4～8.6 mg/L，造成了水體嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化［15］。

圖7 小麥秸稈自然腐解過程中水體中TN質(zhì)量濃度變化

2.7 水體中TP質(zhì)量濃度變化

磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子［15］。由圖8 可知，在秸稈腐解過程中，A～D處理水體中TP質(zhì)量濃度在第4 周末達(dá)到了一個(gè)比較高的水平，分別為1.44、1.59、1.77、1.92 mg/L，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。秸稈中磷60%以上以離子態(tài)存在，由于離子態(tài)的磷易溶于水，因此在小麥秸稈腐解初期，隨著水體pH 值的下降，秸稈中的磷能夠較快地釋放到水體中，導(dǎo)致水體中TP 質(zhì)量濃度在前4 周迅速升高。此外，底泥所釋放出來的微生物可通過富集作用吸收并利用水體中的磷進(jìn)行增殖生長(zhǎng)［16］，在第4 周后，隨著時(shí)間的推移，秸稈腐解釋放物質(zhì)的水平降低，其中的離子態(tài)磷的釋放接近尾聲，水體中TP質(zhì)量濃度呈逐漸減少態(tài)勢(shì)。

圖8 小麥秸稈自然腐解過程中水體中TP質(zhì)量濃度變化

3 結(jié)論

小麥秸稈在模擬的自然水環(huán)境里進(jìn)行腐解，在連續(xù)4 個(gè)月里，小麥秸稈腐解的特征是前期較快、后期較慢。在前4～5 周水體中的COD、TOC、NH4+-N、TN、TP 質(zhì)量濃度上升得較快，在試驗(yàn)條件下，最高值分別為507、149、8.0、18.3、1.92 mg/L，色度達(dá)到124 倍。水體中受納的秸稈量越大，水體受污染的程度越高。雖然在微生物的作用下，隨著時(shí)間的延續(xù)和腐解程度的減緩，水體中各水質(zhì)指標(biāo)值緩慢降低，但仍然均遠(yuǎn)高于起始水平。秸稈在水體中自然腐解，嚴(yán)重污染了水體，加劇了水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度。因此，建議加強(qiáng)宣傳，增強(qiáng)農(nóng)戶的環(huán)保意識(shí)，杜絕肆意丟棄秸稈現(xiàn)象，保護(hù)農(nóng)村水環(huán)境。