腐解過程中還田秸稈和土壤有機酸、質(zhì)能及結(jié)構(gòu)變化特征

【摘要】：作物秸稈在我國是一種較為常見的固體資源,農(nóng)作物秸稈的資源化利用近年來成為許多研究的焦點,秸稈還田作為農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用的“五化”之一受到農(nóng)業(yè)學(xué)家、環(huán)境學(xué)家等較多的關(guān)注。本論文瞄準(zhǔn)秸稈還田腐解過程中小分子有機酸、質(zhì)、能變化規(guī)律科學(xué)研究動態(tài),采用田間尼龍網(wǎng)袋法進行秸稈腐解試驗,結(jié)合高效液相色譜、熱分析和紅外光譜技術(shù)研究了玉米和大豆秸稈不同處理(干濕程度、C/N比)在不同利用類型土壤中(葡萄園、桃園、農(nóng)田)還田,作物殘體和土壤小分子有機酸、結(jié)構(gòu)(官能團)、組分和能量(質(zhì)能)的變化及影響因素,試圖探索秸稈還田過程中的轉(zhuǎn)化機制,為更有效地秸稈還田以及保證土壤質(zhì)量提供理論參考,更好地發(fā)揮秸稈還田的綜合效益。所取得的主要結(jié)論如下:(1)秸稈秋季還田的腐解特性:腐解前期0-20 d(秋季)兩種作物秸稈都腐解20%以上,20-120 d(冬季)腐解率無明顯變化,120 d后繼續(xù)腐解至60-70%,大豆秸稈前期較玉米秸稈腐解快。C/N比(碳氮比)低和新鮮的作物秸稈腐解效果較好(P0.05),在3種不同利用類型土壤(農(nóng)田、桃園、葡萄園)之間作物秸稈腐解率無明顯差異(P0.05)。秸稈腐解過程依賴于作物秸稈類型、狀態(tài)、水、熱條件。(2)小分子有機酸(LMWOAs)在許多植物-土壤等生態(tài)系統(tǒng)中都有重要的作用。本試驗中LMWOAs的含量在秸稈腐解前、中期呈顯較高而后期遞減態(tài)勢;大豆秸稈中的LMWOAs含量高于玉米秸稈,新鮮樣品高于干燥樣品,加氮處理會加快LMWOAs的變化速度,但是對其含量影響不大(P0.05)。將作物秸稈還田于土壤中,作物殘體中的LMWOAs含量與秸稈種類、干濕程度、作物C/N比和還田土壤的利用類型有關(guān)。玉米秸稈和大豆秸稈還田前期會對土壤中的草酸有影響(r=0.72*,P0.05),但在整個1年的腐解過程中對土壤的LMWOAs沒有顯著影響(腐解后期未檢測到)。土壤中的LMWOAs是與利用類型、種植作物和季節(jié)相關(guān)的。(3)熱分析可以確定出生物質(zhì)的組分百分含量、熱值(質(zhì)能)以及作物秸稈的熱解特性等熱力學(xué)特征的變化。熱重(TG)曲線中玉米和大豆秸稈的主要失重發(fā)生在500-700℃之間,示差掃描量熱(DSC)曲線中在600℃左右出現(xiàn)較大的放熱峰。這些熱分析曲線與作物秸稈類型和腐解時期有關(guān)。由作物秸稈的TG-DTG曲線得出,大豆秸稈的穩(wěn)定成分多于玉米秸稈。不同作物秸稈處理間(新鮮與干燥處理、大豆與玉米秸稈處理、加氮與未加氮處理)各組分百分比差異顯著(P0.05),在3種不同利用類型土地之間則無明顯差異(P0.05)。秸稈腐解過程中揮發(fā)性物質(zhì)含量的遞減、穩(wěn)定性物質(zhì)的變化過程以及固碳比例等均與秸稈類型、干濕程度、C/N比,土壤溫度、降水量密切相關(guān),土壤溫度和利用類型是影響作物殘體熱值(氧化)的因素(P0.05)。作物殘體的熱分析性質(zhì)受秸稈不穩(wěn)定組分的影響較大,秸稈熱值與200-300℃階段(TG曲線)的失重量呈顯著負相關(guān),作物秸稈種類對TG-DSC參數(shù)影響較大。(4)秸稈腐解過程中,玉米和大豆秸稈的官能團組成具有相似之處,但在3400、1640、1400-1460、1310和1000-1100 cm-1處的吸收峰強度不同,穩(wěn)定成分存在差異。腐解前后作物秸稈紅外光譜吸收峰強度有所改變,隨著腐解時間的增加,羥基、酰胺基、甲基、亞甲基和次甲基的含量逐漸降低,羧基增多,有機酸形成,碳水化合物、酰胺類化合物、糖類等逐漸分解。易分解的化合物(如脂肪族結(jié)構(gòu)、酰胺類化合物和糖類)可直接進行分解,部分芳香類等難分解化合物可先分解為羧酸酯類(1725-1735 cm-1)、脂肪族類(1450-1460 cm-1)等中間產(chǎn)物后再進行分解。1560-1732 cm-1處的肩峰與作物殘體中的有機酸有關(guān)。尿素對玉米秸稈腐解的官能團變化具有促進作用,且與1310 cm-1處的吸收峰變化有關(guān)。作物秸稈還田之后,會向腐殖酸方向腐解,作物秸稈的種類和C/N比對其影響很大。(5)用熱分析和傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對3種不同利用類型(農(nóng)田、桃園和葡萄園)土壤不同季節(jié)的結(jié)構(gòu)特征進行分析。熱分析結(jié)果得出,不同利用類型土壤的TG-DTG曲線有所不同,農(nóng)田、桃園和葡萄園土壤包含有水分、烷類物質(zhì)、脂肪族類物質(zhì)、多糖等碳水化合物、芳核以及粘土礦物,葡萄園土壤中則含有較多的脂肪族類或糖類物質(zhì),脂肪性較高。春季和夏季土壤的脂肪性稍高,熱值較大。葡萄園土壤熱分析參數(shù)受其有機質(zhì)的影響較大,春季和夏季土壤的熱分析性質(zhì)也受有機質(zhì)的影響較大。紅外光譜結(jié)果表明,不同利用類型的土壤結(jié)構(gòu)(官能團)具有相似性,吸收峰強度存在差異:農(nóng)田土壤在3200-3600、1610-1630和780-800 cm-1的吸收峰強度相對較小,風(fēng)化程度高;桃園土壤在1425 cm-1處的吸收峰強度較弱,碳酸鈣含量少;葡萄園土壤則在1000-1100cm-1的強度最大,即土壤中糖類等物質(zhì)較多。不同季節(jié)土壤紅外光譜譜形變化差異不大,吸收峰強度隨著季節(jié)的變化有所差異。由主成分分析結(jié)果可知,葡萄園的不同季節(jié)紅外光譜數(shù)據(jù)變異較大;春季和夏季在不同利用類型土壤中的紅外光譜數(shù)據(jù)變異較大。綜上所述,秸稈腐解過程中,累積腐解率和組分的變化受作物秸稈本身(秸稈種類、C/N比、干濕程度)以及氣候條件的影響,LMWOAs含量則還要受土壤利用類型的影響。熱值受土壤利用類型和溫度的影響較大,結(jié)構(gòu)變化則主要受秸稈種類、C/N比影響。 【關(guān)鍵詞】：作物秸稈 利用類型 腐解 熱分析 結(jié)構(gòu) 小分子有機酸
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S141.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 研究目的及意義15-17
• 1.2 作物秸稈的組成17
• 1.3 作物秸稈在土壤中的分解和轉(zhuǎn)化17-18
• 1.4 作物秸稈的腐解特性18-21
• 1.5 作物秸稈的還田措施21
• 1.6 作物秸稈還田對土壤的影響21-24
• 1.6.1 作物秸稈還田對土壤有機質(zhì)的影響22-23
• 1.6.2 作物秸稈還田對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中有機酸的影響23-24
• 1.7 作物秸稈還田腐解的研究方法24-25
• 1.8 作物秸稈腐解的熱分析技術(shù)應(yīng)用25-28
• 1.8.1 植物領(lǐng)域熱分析技術(shù)的研究25-27
• 1.8.2 土壤領(lǐng)域熱分析技術(shù)的研究27-28
• 1.9 作物秸稈腐解的紅外光譜技術(shù)應(yīng)用28-31
• 1.9.1 植物領(lǐng)域紅外光譜技術(shù)的研究29
• 1.9.2 土壤領(lǐng)域紅外光譜技術(shù)的研究29-30
• 1.9.3 熱分析與紅外光譜技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用30-31
• 第二章 研究區(qū)概況、研究內(nèi)容及方法31-37
• 2.1 研究區(qū)概況31-32
• 2.2 研究內(nèi)容32
• 2.3 研究方法及數(shù)據(jù)處理32-36
• 2.3.1 累積腐解率33
• 2.3.2 小分子有機酸33-35
• 2.3.3 熱重（TG）分析與差示掃描量熱（DSC）分析35
• 2.3.4 傅里葉變換紅外光譜分析35
• 2.3.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計35-36
• 2.4 技術(shù)路線36-37
• 第三章 作物秸稈累積腐解率的變化特征37-42
• 3.1 材料與方法37
• 3.2 統(tǒng)計分析方法37
• 3.3 結(jié)果與討論37-41
• 3.4 小結(jié)41-42
• 第四章 腐解過程中小分子有機酸的變化特征42-52
• 4.1 材料與方法42
• 4.2 統(tǒng)計分析方法42-43
• 4.3 結(jié)果與分析43-49
• 4.3.1 腐解過程中作物秸稈小分子有機酸的變化特征46-49
• 4.3.2 腐解過程中土壤小分子有機酸的變化特征49
• 4.4 討論49-51
• 4.4.1 腐解過程中作物秸稈的小分子有機酸49-50
• 4.4.2 腐解過程中土壤的小分子有機酸50-51
• 4.5 小結(jié)51-52
• 第五章 腐解過程中作物秸稈的熱分析變化特征52-68
• 5.1 材料與方法53
• 5.2 統(tǒng)計分析方法53
• 5.3 結(jié)果與分析53-66
• 5.3.1 腐解過程中作物秸稈的TG-DTG曲線變化特征53-57
• 5.3.2 腐解過程中作物秸稈各階段組分的變化特征57-59
• 5.3.3 作物秸稈DSC曲線特征59-60
• 5.3.4 腐解過程中作物秸稈DSC曲線熱值的變化特征60-61
• 5.3.5 腐解過程中影響作物秸稈熱分析參數(shù)變化的因素分析61-63
• 5.3.6 作物秸稈中熱分析參數(shù)的主成分分析63-66
• 5.4 討論66-67
• 5.4.1 腐解過程中作物秸稈的TG-DSC曲線分析66
• 5.4.2 腐解過程中作物秸稈DSC熱值分析66-67
• 5.5 小結(jié)67-68
• 第六章 腐解過程中作物秸稈結(jié)構(gòu)的變化特征68-81
• 6.1 材料與方法68
• 6.2 統(tǒng)計分析方法68-69
• 6.3 結(jié)果與分析69-73
• 6.3.1 作物秸稈原樣的紅外光譜特征69-70
• 6.3.2 腐解過程中作物秸稈紅外光譜的變化特征70-73
• 6.4 討論73-80
• 6.4.1 作物秸稈原樣的紅外光譜分析73-74
• 6.4.2 作物秸稈物質(zhì)官能團的轉(zhuǎn)化及其影響因素74-77
• 6.4.3 作物秸稈紅外光譜數(shù)據(jù)的主成分分析77-80
• 6.5 小結(jié)80-81
• 第七章 不同季節(jié)不同利用類型土壤的熱分析和紅外光譜分析81-98
• 7.1 材料與方法81
• 7.2 統(tǒng)計分析方法81-82
• 7.3 結(jié)果與分析82-89
• 7.3.1 不同利用類型土壤的TG曲線特征82-85
• 7.3.2 不同利用類型土壤的DSC曲線特征85-86
• 7.3.3 不同利用類型土壤的紅外光譜特征86-88
• 7.3.4 不同季節(jié)土壤的紅外光譜變化特征88-89
• 7.4 討論89-96
• 7.4.1 不同土壤不同季節(jié)的TG-DTG曲線分析89-90
• 7.4.2 不同土壤不同季節(jié)的DSC曲線分析90-91
• 7.4.3 不同土壤熱分析參數(shù)的主成分分析91-93
• 7.4.4 不同土壤不同季節(jié)的紅外光譜分析93-95
• 7.4.5 不同土壤紅外光譜數(shù)據(jù)的主成分分析95-96
• 7.5 小結(jié)96-98
• 第八章 結(jié)論與展望98-101
• 8.1 主要結(jié)論98-99
• 8.2 本研究的創(chuàng)新點99-100
• 8.3 問題與展望100-101
• 參考文獻101-117
• 附錄117-129
• 致謝129-130
• 作者簡介130-131

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