第20卷第2期生態(tài)學(xué)報(bào)Vol. 20. No. 22000年3月ACTA ECOLOGICA SINICAM農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過程腐解物的熱解變化特征張春慧1,張一平2,竇連彬(1,天津市大港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會,天津300270;2.西北農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)系,陜西楊陵712100;3,天津市大港區(qū)農(nóng)林畜牧局,天津300270)摘要:;用熱分析法研究了農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過程腐解物的熱解變化特征,并探討了腐解物中不同組分對腐解物熱解特征的影響。結(jié)果表明,腐解物DTA曲線的280C、330C、450C放熱峰,DTIG曲線的第二失重峰和h3c/h45c值可作為表征腐解進(jìn)程的特征峰和特征值。由腐解物DTA、DTG所得能量各參數(shù)(ΔH,E)與文獻(xiàn)[3]所述腐解物能態(tài)(Q呈現(xiàn)波動(dòng)起伏,趨于穩(wěn)定2個(gè)階段相符,二者相互印證,顯示熱分析方法用于植物殘?bào)w腐解進(jìn)程硏究的可行性。DTA旳28℃放熱峰主要由苯-醇溶性物、水溶性物引起。苯-醇溶性物、水溶性物和纖維素、半纖維素是影鳴腐解物熱解及其能態(tài)變化特征的主要物質(zhì)組分。木質(zhì)素組分對腐解后期腐解物的熱解及其能態(tài)特征趨于穩(wěn)定具有重要作用關(guān)鍵詞:玉米秸桿;腐解物;熱解;能態(tài)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文章編號:1000-0933(2000)02-0264-06中圖分類號:Q948文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A近代一些學(xué)者借助于熱分析方法對土壤有機(jī)質(zhì)研究的結(jié)果表明,該方法不僅可以荻得腐解物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有價(jià)值的資料,而且還可以估價(jià)有機(jī)物質(zhì)的腐殖化程度。作者曾用氧彈量熱計(jì)法研究了農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸桿腐解過程腐解物的能態(tài)變化特征中國煤化工對腐解物能態(tài)的影響。為深化這方面的研究,本文在以往研究的基礎(chǔ)上采CNMHG途徑,對農(nóng)田生態(tài)條件下植物殘?bào)w腐解過程腐解物的熱分解(熱解)特征進(jìn)行探討,為植物殘?bào)w腐解過程能態(tài)變化研究探索新的途徑和累積新的資料。材料與方法基金項(xiàng)目:國荊據(jù)博士點(diǎn)基金課題稿日期:1997-09-03;修訂日期:199807-312期張春慧等:農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過程腐解物的熱解變化特征本試驗(yàn)利用西北農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化研究定位試驗(yàn)地進(jìn)行,土壤系口土安排本試驗(yàn)時(shí),定位試驗(yàn)已連續(xù)進(jìn)行了13a,小區(qū)面積為19.8m2,每年小麥玉米連作。本試驗(yàn)選用定位試驗(yàn)中化肥,廄肥+化肥,不施肥3個(gè)處理,供試小區(qū)施肥處理,小區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)及供試腐解物樣品的采集及制備同文獻(xiàn)[3]。用島津DT-30B型熱分析儀進(jìn)行供試樣品的差熱(DTA),熱重(TG)和微商熱重(DTG)分析。DTA稱樣6.00g、TG稱樣10.00mg,參比物為Al2O,試樣氣氛為靜態(tài)空氣,升溫速度10C/min。DTA中腐解物的能態(tài)14用焓變(△H)表示,其計(jì)算公式為AH=k·s/m(S:測試峰面積,m:峰區(qū)熱解物重量,k:用苯甲酸測得的標(biāo)定常數(shù))1。DTG中腐解物熱解活化能(E),比速率常數(shù)(k。)依urner等·的計(jì)算公式推求2結(jié)果與討論2.1植物殘?bào)w腐解過程腐解物熱分析曲線特征各施肥處理不同腐解期腐解物的DTA曲線如圖1。各曲線特征基本相似,共同點(diǎn)是,60~85C有一吸熱谷,32210~342C和419~475C有兩個(gè)主放熱峰,480C左右有一尖狀放熱峰。此外,腐解前期265~321C有一小放熱峰各施肥處理不同腐解期腐解物的DTG曲線如圖2。各DTG曲線亦有共性,均顯示3個(gè)失重峰,其中第2失重峰8最突出。2.2植物殘?bào)w腐解過程腐解物熱解的動(dòng)態(tài)變化特征22.1表征腐解進(jìn)程的DTA特征峰和特征值圖6√0IDTA曲線中,265~321℃小放熱峰(簡稱280C峰),各施肥處理在腐解前期(10個(gè)月前)均明顯,以后消失,此峰的顯示腐解過程處于前期,因此可作為表征腐解進(jìn)程的4254特征峰(280c特征峰);322-382c放熱峰(簡稱33c6452a22峰),各施肥處理及各腐解期皆突出,峰較高,峰面積較大峰溫變幅小,基本處于330C左右,同時(shí)從表1可見,腐解過程此峰的峰高(h),焓變(ΔⅠ)呈現(xiàn)規(guī)律性變化。腐解10個(gè)月以前,、ΔH值較大、且波動(dòng)起伏變幅較大,此后該值變小,變幅減小,因此可作為表征腐解進(jìn)程的330C特征圖1各施肥處理不同腐解期腐解物DTA曲線峰:419~475C放熱峰(多數(shù)在450C,簡稱450C峰),各施Fig 1 DTA curve of decaying substances in va肥處理及各腐解期亦較突出,且從表1可見該峰峰高(h)· ous decaying periods for fertilizer treatment焓變(ΔH)隨腐解進(jìn)程亦呈現(xiàn)規(guī)律性變化,腐解前h,ΔH值較小,此后增加較多,與330C特征峰」中國煤化工rrmn,b肥化肥hemical fertilizer treatmert. c變化趨勢,故可作為表征腐解進(jìn)程的450℃特征CNMHGcer applied treatment.1.曲線從表1hac/hsc值(DTA曲線330C峰高與450℃峰旁所標(biāo)2、4、6、8、10、12、14、16為腐解期(月).2·峰高比值)看岀,各施肥處理隨腐解程度加深,該值逐漸變端所標(biāo)數(shù)字為各峰所對應(yīng)的溫度(C),以下圖同此小,腐解10個(gè)月以前,該值大于1,此后小于1,亦呈現(xiàn)規(guī)律性變化。因嶼勇搬據(jù)c/h4c作為表征腐解進(jìn)程的DTA特征值。此外,腐解10個(gè)月以前,3種施肥處理比較不同腐解期ha3c/hs比值呈現(xiàn)化肥>廄肥+化肥>不施肥的趨勢,顯示不施肥處理玉米秸桿腐解進(jìn)生態(tài)學(xué)報(bào)0卷表1各施肥處理不同腐解期腐解物DTA曲線330C,450C峰高(h),焓變(△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參數(shù)處理腐解期(月) Decaying periods( Month)Parameters Treatment2 41416化肥①19.83.3峰高廄肥十化肥219.2不施肥13.450C峰高廄肥+化肥0.9不施肥8,12峰焓變廄肥十化肥H(kJ/g)不施肥2,3450C化肥峰焓變廄肥+化肥1.8ΔH(kJ/g)不施肥2.3廄肥+化肥21不施肥20.04.0程較快,這可能與不施肥處理土壤有杋質(zhì)含量較低,土壤缺乏微生物易利用旳碳源,而抑制了微生物的活性,加入玉米秸桿后,激發(fā)了微生物活性,導(dǎo)致腐解加速有關(guān)2.2.2表征腐解進(jìn)程的DIG特征峰圖2DTG曲線中,第2失重峰隨腐解進(jìn)程逐漸減小,表2亦可看出,該峰的峰高()、活化能(E),比速率常數(shù)(kυ)均呈規(guī)律性變化,即腐解10個(gè)月以前h,E,k值較大呈起伏變化,此后各值均顯著諴小且趨于穩(wěn)定。因此該峰可作為表征腐解進(jìn)程的DIG特征峰綜合上述植物殘?bào)w腐解過程腐解物熱解的DTA、DG曲線各特征峰及特征值的變化規(guī)律,可將植物殘?bào)w腐解過程以腐解8~10個(gè)月為界劃分為腐解前、后2個(gè)階段,以所得能量參數(shù)(△H、E)看,腐解前期腐解物能態(tài)呈現(xiàn)較大波動(dòng)起伏變化,腐解后期變幅較小趨于穩(wěn)定,這與文獻(xiàn)[3]所得腐解物能態(tài)(Q)變化呈始)現(xiàn)波動(dòng)起伏,趨于穩(wěn)定2個(gè)階段的結(jié)論相吻合,二者相互50150815答印證,進(jìn)一步證實(shí)了此結(jié)論的可靠性。同時(shí),亦證實(shí)了在試驗(yàn)條件下腐解物經(jīng)8~10個(gè)月后腐解主要進(jìn)程已趨完8a121416成3。顯示熱分析方法用于植物殘?bào)w腐解進(jìn)程研究的可行b39)568{519性上述結(jié)論與在相同試驗(yàn)小區(qū)上,1990年6月~1991年101214166月所作苜蓿殘?bào)w不同腐解期腐解物的熱解變化特征類56同,表明不同植物殘?bào)w腐解物熱解變化特征具有一定共性。但苜蓿殘?bào)w腐解物未岀現(xiàn)玉米殘?bào)w腐解物表征腐解進(jìn)78}37580中國煤化工解特征上亦存在一定差異。腐解期810121416CNMHG特性的影響dwt為探討腐解物中不同組分對熱解特征的影響,對腐解圖2各施肥處理不同腐解期腐解物DTG曲線物去除各組分后的樣品分別進(jìn)行熱分析研究。各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物后樣品的DTA曲線saying)數(shù)據(jù)tilizer treatment如圖3。可見,該樣品DTA曲線中的330C,450C特征峰2期張春慧等:農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過程腐解物的熱解變化特征s40y8))象三750075)685246810121416565527)528總70)85)808017572)5101214)728490)87112圖4各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物(b-a)后樣品DTG曲線Fig 4 DTG curves of sample taken b-a soluble subsvarious decaying periods for fertilizer appl隨腐解進(jìn)程的變化規(guī)律與原腐解物相似。280C峰沒有消失,與圖1相比略有減小,說明此峰不完全是由苯-醇溶性物所致去苯醇溶性物后樣品DTG曲線(圖4)的動(dòng)態(tài)變化與原腐解物也相似。僅峰高相對減少。因此苯醇溶性物的去除未改變植物殘?bào)w腐解過程熱解及能態(tài)2個(gè)階段變化的基本特征。(△H、E、k,h等參數(shù)符合此變化規(guī)律。各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物。水溶性物后樣品的DTA,DTG曲線如圖5,圖6。由DTA圖可見280C特征峰已完全消失,說明苯-圖3各施肥處理不同腐解期腐解物去除苯-醇溶性物∫溶性物,特別是水溶性物是共同引發(fā)該峰的主要物樣品DTA曲線質(zhì)。DTA曲線的330C,450C特征峰和DTG曲線的特征峰仍然存在,且仍呈現(xiàn)與原腐解物類同的熱解及nces In能態(tài)2個(gè)階段的變化特征arious decaying periods for fertilizer applied treatment各施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物水溶性物,纖維素,半纖維素后主要組分為木質(zhì)素,也中國煤化工,其DTA曲線如圖7,與原腐解物DTA330℃,450℃特征峰的峰溫及峰形ˉCNMHG應(yīng)于原330cC峰的峰溫變?yōu)?30~370C(簡稱350℃峰),相應(yīng)于原450C峰的峰溫變?yōu)?72~520C(簡稱500℃峰)。腐解前期(10個(gè)月以前)500℃峰較突岀,腐解后期減弱,350℃峰呈相反趨勢,腐解10個(gè)月以前較小,多為肩狀峰,腐解后期變?yōu)檩^突出且與500℃峰面積相近。因此,該樣品雖隨腐解進(jìn)程亦呈2階段的變化特征,但已不具有表征原腐解物腐解j枵毀搪征峰,特征值、及規(guī)律性的變化特點(diǎn)綜合上述結(jié)論可見,苯醇溶性物,水溶性物和纖維素、半纖維素是影響腐解物熱解及其變化特征的主生態(tài)學(xué)報(bào)0卷要物質(zhì)組分。木質(zhì)素等組分對腐解后期腐解物的熱解及其能態(tài)特征趨于穩(wěn)定具有重要作用。>8727272)8518172141650053776)7846810121416圖6各施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b65420a),水溶性物(w)后樣品DTG曲線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.施肥處理不同腐解期腐解物去苯-醇溶性物(b中國煤化工半纖維素后樣品DTA曲線CNMHGpledecaying periods for fertilizer applied treatmenta,b,c is as same as fig. 12期張春慧等:農(nóng)田生態(tài)條件下玉米秸杄腐解過程腐解物的熱解變化特征269表2各施肥處理不同腐解期腐解物DTG曲線各參數(shù)值Table 2 Parameters of DTG curve of decaying substances in various decaying periods for fertilizer applied treatment參數(shù)處理腐解期(月) Decaying period( Month)14第二峰高化肥6.33.61.71.5h廄肥+化肥25.9(cm)不施肥③第二峰化肥(K)廄不施肥第二峰活化221.9142,1371.9260.371.9能E廄肥+化肥320.420.4486.5350.4123.3(KJ/mol)不施肥296.8326,4784.6271.0比速率常數(shù)化肥103.7(min-1)廄肥+化肥10不施肥1028( Chemical fertilizer, 2 Barn-yard manure +Chmical fertilizer, B Without fertilizer applied參考文獻(xiàn)Ⅰ白錦鱗,張一平,等陜西省幾種主要土壙胡敏酸能態(tài)及熱分解特征的硏究.土壤學(xué)報(bào),1990,27(2):151~-158[2 OpIOB [L C y6lH, B H, Il T I. 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