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.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

作物秸稈作為一種寶貴的有機農業廢棄物資源，存在著回收利用率低、破壞農田生態平衡和污染環境等問題。如何高效的處理和利用農作物秸稈已然成為了農業生產、環境保護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肥源物質，秸稈中含有豐富的有機碳和N，P，K以及中微量營養元素。施入土壤后發生降解，釋放出碳、氮等營養元素[3-4]，能夠增加土壤有機質含量，并改善土壤性質[5-6]。近幾年在秸稈還田方面已進行大量的研究，結果表明，秸稈還田后對作物產量及土壤肥力產生了明顯的影響[7-8]。目前，關于植物殘體腐解過程的研究主要集中在養分釋放、熱解特征等動態變化，土壤有機質和氮素利用有效性的影響和機制，外源添加不同形態的碳氮源對秸稈腐解的影響，及不同氣候、水熱條件、施肥方式對土壤微生物群落代謝特征的影響方面，而關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道。

在全球范圍內，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的耐寒、耐瘠薄、耐鹽堿、耐高溫等特點[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[14]，成為了應對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能源轉化利用方面的研究較多，而在農田利用方面的研究較少。高粱還是我國傳統釀造業（釀酒、釀醋）的主要原料，高粱秸稈較玉米秸稈表現出較強的韌性，但不清楚高粱秸稈分解的特異性。

發展有機旱作是保護生態脆弱區的重要栽培措施，其中秸稈還田是重要手段之一。秸稈分解轉化過程中所形成的中間產物十分復雜，且很難分離，其還田后的狀態和結構變化是研究秸稈如何提高土壤質量的關鍵因素[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，且具有操作簡便、進樣微量、檢測快速等特點[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高粱和玉米秸稈在分解過程中的結構變化規律進行研究，探明秸稈腐解過程中結構的變化，為秸稈資源的農業利用提供理論依據，為高粱、玉米秸稈還田培肥土壤的機制研究及其高效利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試作物殘體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]的分析方法測定秸稈理化性質，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，質地為砂質黏壤土，貴州土壤類型為黃壤土，質地為黏土。并且通過平板計數法[19]測定土壤微生物區系，結果如表1所示。

表1 供試土壤微生物區系 cfu/g

1.2 試驗方法

試驗采用室內培養法，利用石英砂進行不同秸稈腐解試驗。秸稈風干后，在50℃條件下烘干至恒質量，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的尼龍網袋中，以免培養過程中秸稈損失或秸稈中混入石英砂影響試驗準確性，然后將5 mL土壤微生物浸提液接種至秸稈樣品中進行培養，對調節C/N的秸稈，在裝袋前以尿素調節秸稈C/N為25∶1。

試驗共設8個處理：（1）貴州土壤微生物浸提液培養玉米秸稈（G＋Y）；（2）貴州土壤微生物浸提液培養高粱秸稈（G＋G）；（3）貴州土壤微生物浸提液培養調節C/N的玉米秸稈（G＋Y＋N）；（4）貴州土壤微生物浸提液培養調節C/N的高粱秸稈（G＋G＋N）；（5）山西土壤微生物浸提液培養玉米秸稈（S＋Y）；（6）山西土壤微生物浸提液培養高粱秸稈（S＋G）；（7）山西土壤微生物浸提液培養調節C/N的玉米秸稈（S＋Y＋N）；（8）山西土壤微生物浸提液培養調節C/N的高粱秸稈（S＋G＋N）。每個處理設置20個重復。將裝有接種的秸稈網袋埋入經高壓滅菌2次的石英砂中，在培養過程中使用稱重法定期補充水分，保持石英砂含水量為20%（m/m）。共培養90 d，在培養后第30，90天進行破壞性取樣，每個處理每次取4個重復，取出的秸稈殘渣樣品在50℃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行紅外光譜的測量。將樣品研磨成微米級的細粉，混合均勻后取少量的樣品裝入PE管中密封待測。由于絕大多數有機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此，選用中紅外光譜，光譜吸收峰范圍4 000～400 cm-1。

1.4 數據處理

采用Orgin 7.5軟件進行分析和繪圖。

2 結果與分析

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及對氨基酸中N-H伸縮振動的吸收，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基團的C-H反對稱伸縮振動；2 850 cm-1的吸收峰主要是甲基和亞甲基的C-H對稱伸縮振動，這些基團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。1 602～1 646 cm-1主要為有機羧酸鹽COO-1反對稱伸縮振動以及木質素中與芳香環相連的C＝O伸縮振動；1 507～1 602 cm-1為-COO-羧酸鹽不對稱振動及酰胺化合物和氨基酸的變形振動；1 507 cm-1處的吸收峰為苯環中的環伸縮振動；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基團的振動、脂肪族化合物和木質素中的-CH3的C-H不對稱變形振動以及氨基酸等化合物的N-H變形振動；1 240 cm-1為木質素中C-O伸縮振動和羧基中的-OH的變形振動以及C-C伸縮振動；1 033 cm-1的吸收峰為硅鹽礦物中的Si-O伸縮振動以及碳水化合物和多糖結構中的C-O伸縮振動；890 cm-1處吸收峰為纖維素及糖類的環振動。

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處出現較為明顯的吸收峰，同時2種秸稈殘體在某些特征峰的吸收強度上又存在差異，高粱秸稈在2 917，2 850 cm-1處的吸收峰較玉米秸稈更強，玉米秸稈則在1 240 cm-1的吸收峰較強。

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度出現了變化，與秸稈原樣光譜特征比較，在腐解過程中秸稈殘渣的光譜特征表現為主要吸收峰強度降低，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的吸收峰強度都隨著腐解過程的進行逐漸下降，而在 1 646，1 602，1 507，1 457 cm-1處的吸收峰強度則表現為先下降后增強，最終秸稈在培養后90 d與秸稈原樣比較表現為降低。1 730 cm-1處吸收峰強度在腐解第30～90 d增強。

在培養后30 d，與秸稈原樣光譜特征比較，調節C/N后秸稈殘渣的光譜特征表現為在2 917，2 850，1 457 cm-1的吸收峰強度明顯下降，890 cm-1則在30～90 d出現明顯的下降，而未調節C/N比的秸稈處理在30，90 d下降強度均低于調節C/N的處理（圖2）。利用貴州土壤微生物浸提液培養高粱和玉米秸稈均表現出在腐解30d時，2917，2850，1033cm-1的吸收峰強度下降幅度均大于山西土壤微生物浸提液培養的秸稈（圖3）。就玉米和高粱秸稈而言，在腐解后的30 d高粱秸稈殘渣在2 917，2 850，1 033，890 cm-1的吸收峰強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、有機酸等可溶性有機物分解，與龔報森等[28]研究結果一致。在 2 850，1 240，1 033，890 cm-1處的吸收峰強度也皆有所降低，這些吸收峰強度的下降是碳水化合物和糖類含量逐漸減少，也是纖維木質素分解的標志[29]。各處理1 730 cm-1處吸收峰的增強，說明了腐解過程中有羧酸酯類和酮類物質產生[30]；而 1 507，1 646，1 457 cm-1處吸收峰強度的增強，則表明腐解過程中無機銨鹽和羧酸鹽的生成，羧基含量增多。試驗結果與吳景貴等[29，21，31]對于有機肥和玉米秸稈腐解過程結構變化的研究結論基本一致。

無論高粱和玉米秸稈，調節C/N加劇了在2917，2 850，1 457，890 cm-1的吸收峰下降強度，這與余坤等[32]的研究“調節C/N促進了秸稈中木質素的變性，從而促進了纖維木質素的分解”一致，曹瑩菲等[33]也得出了一樣的結論。在腐解培養30 d時，貴州土壤微生物浸提液培養下的高粱和玉米秸稈在2 917，2 850，1 033 cm-1處吸收峰強度的下降幅度均大于山西土壤微生物浸提液培養的秸稈，表明了貴州土壤微生物浸提液培養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 結論

本研究結果表明，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，均表現為碳水化合物和糖類含量逐漸減少，氨基酸、有機酸等可溶性有機物分解，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。

調節秸稈C/N可促進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。

高粱和玉米秸稈官能團具有相似之處，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的秸稈，表明貴州土壤比山西土壤更有利于秸稈的分解。