高粱和玉米秸稈腐解過程的紅外光譜研究

劉佳琪，郭 珺，武愛蓮，董二偉，王勁松，王立革，焦曉燕

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

作物秸稈作為一種寶貴的有機(jī)農(nóng)業(yè)廢棄物資源，存在著回收利用率低、破壞農(nóng)田生態(tài)平衡和污染環(huán)境等問題。如何高效的處理和利用農(nóng)作物秸稈已然成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)所要解決的迫切問題[1]。我國每年有超過6億t的秸稈資源量[2]，作為一種重要的有機(jī)肥源物質(zhì)，秸稈中含有豐富的有機(jī)碳和N，P，K以及中微量營養(yǎng)元素。施入土壤后發(fā)生降解，釋放出碳、氮等營養(yǎng)元素[3-4]，能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并改善土壤性質(zhì)[5-6]。近幾年在秸稈還田方面已進(jìn)行大量的研究，結(jié)果表明，秸稈還田后對(duì)作物產(chǎn)量及土壤肥力產(chǎn)生了明顯的影響[7-8]。目前，關(guān)于植物殘?bào)w腐解過程的研究主要集中在養(yǎng)分釋放、熱解特征等動(dòng)態(tài)變化，土壤有機(jī)質(zhì)和氮素利用有效性的影響和機(jī)制，外源添加不同形態(tài)的碳氮源對(duì)秸稈腐解的影響，及不同氣候、水熱條件、施肥方式對(duì)土壤微生物群落代謝特征的影響方面，而關(guān)于高粱秸稈和玉米秸稈腐解特性與微生物多樣性的研究卻鮮少報(bào)道。

在全球范圍內(nèi)，玉米和高粱均是非常重要的禾谷類作物。但由于高粱具有較強(qiáng)的耐寒、耐瘠薄、耐鹽堿、耐高溫等特點(diǎn)[9-11]，近年來被大量用于能源作物[12]和飼料作物[13]，且廣泛種植于干旱、半干旱地區(qū)[14]，成為了應(yīng)對(duì)氣候變暖的作物之一[15]，高粱不僅是人們不可或缺的雜糧，也是重要的飼料和能源作物。目前，高粱秸稈的分解在生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用方面的研究較多，而在農(nóng)田利用方面的研究較少。高粱還是我國傳統(tǒng)釀造業(yè)（釀酒、釀醋）的主要原料，高粱秸稈較玉米秸稈表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性，但不清楚高粱秸稈分解的特異性。

發(fā)展有機(jī)旱作是保護(hù)生態(tài)脆弱區(qū)的重要栽培措施，其中秸稈還田是重要手段之一。秸稈分解轉(zhuǎn)化過程中所形成的中間產(chǎn)物十分復(fù)雜，且很難分離，其還田后的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)變化是研究秸稈如何提高土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素[16]。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）是一種定性分析的工具，能夠在不破壞樣本的情況下分析出秸稈在腐解過程中的主要官能團(tuán)，且具有操作簡便、進(jìn)樣微量、檢測(cè)快速等特點(diǎn)[17]。

本研究主要以玉米為參照，研究高粱秸稈腐解過程中秸稈腐解特性，利用紅外光譜分析對(duì)高粱和玉米秸稈在分解過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行研究，探明秸稈腐解過程中結(jié)構(gòu)的變化，為秸稈資源的農(nóng)業(yè)利用提供理論依據(jù)，為高粱、玉米秸稈還田培肥土壤的機(jī)制研究及其高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物殘?bào)w為成熟的高粱秸稈和玉米秸稈，包括莖稈和葉片。參照鮑士旦[18]的分析方法測(cè)定秸稈理化性質(zhì)，分別為：高粱秸稈全C 569.50 g/kg，全N 7.83 g/kg，全 P 0.61 g/kg，全 K 13.60 g/kg，C/N 為72.73；玉米秸稈全 C 592.80 g/kg，全 N 7.99 g/kg，全P 0.68 g/kg，全 K16.70 g/kg，C/N為 74.23。制備土壤微生物浸提液的土壤樣品分別采自于山西、貴州，山西土壤類型為潮褐土，質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，貴州土壤類型為黃壤土，質(zhì)地為黏土。并且通過平板計(jì)數(shù)法[19]測(cè)定土壤微生物區(qū)系，結(jié)果如表1所示。

表1 供試土壤微生物區(qū)系 cfu/g

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)法，利用石英砂進(jìn)行不同秸稈腐解試驗(yàn)。秸稈風(fēng)干后，在50℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過篩至0.25～2.00 mm待用。土壤微生物浸提液的制備方法為：將保存在-80℃的新鮮土壤放在室溫條件下解凍，在溫度30℃、濕度70%的人工氣候箱中培養(yǎng)10 d激活土壤微生物活性，然后用滅菌水以水土比5∶1的比例置于三角瓶中搖勻，以浸提土壤主要微生物，然后在溫度30℃、濕度70%的人工氣候箱中靜置培養(yǎng)24 h待用[20]。取2 g過篩秸稈裝入孔徑為0.03 mm的長14 cm、寬4 cm的尼龍網(wǎng)袋中，以免培養(yǎng)過程中秸稈損失或秸稈中混入石英砂影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性，然后將5 mL土壤微生物浸提液接種至秸稈樣品中進(jìn)行培養(yǎng)，對(duì)調(diào)節(jié)C/N的秸稈，在裝袋前以尿素調(diào)節(jié)秸稈C/N為25∶1。

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理：（1）貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)玉米秸稈（G＋Y）；（2）貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)高粱秸稈（G＋G）；（3）貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)調(diào)節(jié)C/N的玉米秸稈（G＋Y＋N）；（4）貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)調(diào)節(jié)C/N的高粱秸稈（G＋G＋N）；（5）山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)玉米秸稈（S＋Y）；（6）山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)高粱秸稈（S＋G）；（7）山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)調(diào)節(jié)C/N的玉米秸稈（S＋Y＋N）；（8）山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)調(diào)節(jié)C/N的高粱秸稈（S＋G＋N）。每個(gè)處理設(shè)置20個(gè)重復(fù)。將裝有接種的秸稈網(wǎng)袋埋入經(jīng)高壓滅菌2次的石英砂中，在培養(yǎng)過程中使用稱重法定期補(bǔ)充水分，保持石英砂含水量為20%（m/m）。共培養(yǎng)90 d，在培養(yǎng)后第30，90天進(jìn)行破壞性取樣，每個(gè)處理每次取4個(gè)重復(fù)，取出的秸稈殘?jiān)鼧悠吩?0℃烘干后研磨，用于紅外光譜的分析。

1.3 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜的測(cè)量。將樣品研磨成微米級(jí)的細(xì)粉，混合均勻后取少量的樣品裝入PE管中密封待測(cè)。由于絕大多數(shù)有機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此，選用中紅外光譜，光譜吸收峰范圍4 000～400 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Orgin 7.5軟件進(jìn)行分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈紅外光譜吸收峰歸屬

參照紅外光譜歸屬[21-26]分析，秸稈腐解過程中紅外光譜吸收峰變化的歸屬主要有：3 333 cm-1處為氫鍵締合，其中包含-OH形成氫鍵的伸縮振動(dòng)及對(duì)氨基酸中N-H伸縮振動(dòng)的吸收，纖維素、半纖維素、淀粉和單糖等成分；2 917 cm-1的吸收峰為脂肪族中-CH2基團(tuán)的C-H反對(duì)稱伸縮振動(dòng)；2 850 cm-1的吸收峰主要是甲基和亞甲基的C-H對(duì)稱伸縮振動(dòng)，這些基團(tuán)主要來自于秸稈中的碳水化合物及脂肪族化合物。1 730 cm-1處吸收峰是秸稈中羧酸酯類化合物以及酮類化合物的C＝O伸縮振動(dòng)。1 602～1 646 cm-1主要為有機(jī)羧酸鹽COO-1反對(duì)稱伸縮振動(dòng)以及木質(zhì)素中與芳香環(huán)相連的C＝O伸縮振動(dòng)；1 507～1 602 cm-1為-COO-羧酸鹽不對(duì)稱振動(dòng)及酰胺化合物和氨基酸的變形振動(dòng)；1 507 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)中的環(huán)伸縮振動(dòng)；1 457 cm-1的吸收峰是秸稈中碳水化合物和脂肪族化合物中的-CH2基團(tuán)的振動(dòng)、脂肪族化合物和木質(zhì)素中的-CH3的C-H不對(duì)稱變形振動(dòng)以及氨基酸等化合物的N-H變形振動(dòng)；1 240 cm-1為木質(zhì)素中C-O伸縮振動(dòng)和羧基中的-OH的變形振動(dòng)以及C-C伸縮振動(dòng)；1 033 cm-1的吸收峰為硅鹽礦物中的Si-O伸縮振動(dòng)以及碳水化合物和多糖結(jié)構(gòu)中的C-O伸縮振動(dòng)；890 cm-1處吸收峰為纖維素及糖類的環(huán)振動(dòng)。

2.2 供試秸稈樣品的紅外光譜特征

供試高粱和玉米秸稈樣品的紅外光譜特征如圖1所示。二者的紅外光譜基本相似，均在3 333，2 917，2 850，1 730，1 646，1 507，1 457，1240，1 033，890 cm-1處出現(xiàn)較為明顯的吸收峰，同時(shí)2種秸稈殘?bào)w在某些特征峰的吸收強(qiáng)度上又存在差異，高粱秸稈在2 917，2 850 cm-1處的吸收峰較玉米秸稈更強(qiáng)，玉米秸稈則在1 240 cm-1的吸收峰較強(qiáng)。

2.3 腐解過程不同處理的紅外光譜變化

圖2～4為不同處理在不同腐解時(shí)期（30，90 d）的紅外光譜。從圖2～4可以看出，高粱秸稈和玉米秸稈在各腐解階段的紅外光譜圖圖形基本相近，也有一些特征峰及其強(qiáng)度出現(xiàn)了變化，與秸稈原樣光譜特征比較，在腐解過程中秸稈殘?jiān)墓庾V特征表現(xiàn)為主要吸收峰強(qiáng)度降低，腐解后逐漸變平緩。

高粱、玉米秸稈的各處理在2 917，2 850，1 240， 1 033，890 cm-1的吸收峰強(qiáng)度都隨著腐解過程的進(jìn)行逐漸下降，而在 1 646，1 602，1 507，1 457 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度則表現(xiàn)為先下降后增強(qiáng)，最終秸稈在培養(yǎng)后90 d與秸稈原樣比較表現(xiàn)為降低。1 730 cm-1處吸收峰強(qiáng)度在腐解第30～90 d增強(qiáng)。

在培養(yǎng)后30 d，與秸稈原樣光譜特征比較，調(diào)節(jié)C/N后秸稈殘?jiān)墓庾V特征表現(xiàn)為在2 917，2 850，1 457 cm-1的吸收峰強(qiáng)度明顯下降，890 cm-1則在30～90 d出現(xiàn)明顯的下降，而未調(diào)節(jié)C/N比的秸稈處理在30，90 d下降強(qiáng)度均低于調(diào)節(jié)C/N的處理（圖2）。利用貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)高粱和玉米秸稈均表現(xiàn)出在腐解30d時(shí)，2917，2850，1033cm-1的吸收峰強(qiáng)度下降幅度均大于山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)的秸稈（圖3）。就玉米和高粱秸稈而言，在腐解后的30 d高粱秸稈殘?jiān)? 917，2 850，1 033，890 cm-1的吸收峰強(qiáng)度降低幅度大于玉米秸稈（圖 4）。

3 討論

本研究表明，在腐解過程中高粱和玉米秸稈均在2 917，1 507，1 602 cm-1的吸收峰強(qiáng)度下降，表明了甲基、亞甲基及酰胺類化合物含量降低[27]，脂肪性減弱，氨基酸、有機(jī)酸等可溶性有機(jī)物分解，與龔報(bào)森等[28]研究結(jié)果一致。在 2 850，1 240，1 033，890 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度也皆有所降低，這些吸收峰強(qiáng)度的下降是碳水化合物和糖類含量逐漸減少，也是纖維木質(zhì)素分解的標(biāo)志[29]。各處理1 730 cm-1處吸收峰的增強(qiáng)，說明了腐解過程中有羧酸酯類和酮類物質(zhì)產(chǎn)生[30]；而 1 507，1 646，1 457 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的增強(qiáng)，則表明腐解過程中無機(jī)銨鹽和羧酸鹽的生成，羧基含量增多。試驗(yàn)結(jié)果與吳景貴等[29，21，31]對(duì)于有機(jī)肥和玉米秸稈腐解過程結(jié)構(gòu)變化的研究結(jié)論基本一致。

無論高粱和玉米秸稈，調(diào)節(jié)C/N加劇了在2917，2 850，1 457，890 cm-1的吸收峰下降強(qiáng)度，這與余坤等[32]的研究“調(diào)節(jié)C/N促進(jìn)了秸稈中木質(zhì)素的變性，從而促進(jìn)了纖維木質(zhì)素的分解”一致，曹瑩菲等[33]也得出了一樣的結(jié)論。在腐解培養(yǎng)30 d時(shí)，貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)下的高粱和玉米秸稈在2 917，2 850，1 033 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的下降幅度均大于山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)的秸稈，表明了貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)下的高粱和玉米秸稈脂肪性的減弱和碳水化合物的分解速度要快于山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)的秸稈。在秸稈的各處理中，高粱秸稈在腐解開始的30 d中在2 917，2 850，1 033，890 cm-1的吸收峰強(qiáng)度降低幅度大于玉米秸稈，說明高粱秸稈碳水化合物含量的降低、脂肪性的減弱速度要快于玉米秸稈，表明高粱秸稈的腐解在30 d以前要快于玉米秸稈。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，高粱和玉米秸稈腐解過程中各處理的紅外光譜圖圖形基本相近，均表現(xiàn)為碳水化合物和糖類含量逐漸減少，氨基酸、有機(jī)酸等可溶性有機(jī)物分解，甲基、亞甲基及酰胺類化合物含量降低，羧基含量增多，脂肪性減弱。

調(diào)節(jié)秸稈C/N可促進(jìn)高粱和玉米秸稈的腐解，與2 917，2 850，1 457 cm-1吸收峰降低有關(guān)。

高粱和玉米秸稈官能團(tuán)具有相似之處，包括碳水化合物、羧酸鹽、脂肪族化合物、酰胺類化合物等，在腐解進(jìn)行的前30 d高粱秸稈的碳水化合物含量的降低、脂肪性的減弱速度要快于玉米秸稈，表明高粱秸稈的腐解在30 d以前要快于玉米秸稈。

貴州土壤微生物浸提液培養(yǎng)下的高粱和玉米秸稈脂肪性的減弱和碳水化合物的分解速度要快于山西土壤微生物浸提液培養(yǎng)的秸稈，表明貴州土壤比山西土壤更有利于秸稈的分解。