外源氮肥、磷鉀肥對棉秸稈堆腐的影響

王志方 ，王小武 ，李晨華 ，古麗努爾·艾合買提，代金平,

陳 競1 ，謝玉清1，馮 蕾1， 楊新平1

(1.新疆農科院微生物應用研究所/新疆特殊環境微生物實驗室，烏魯木齊 830091；2.中科院新疆生態與地理研究所，烏魯木齊 830011)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國最大的棉花主產區和重要商品棉生產基地，2018年新疆皮棉總產量511.1×104t[1]，占全國總產量的83.8%。按皮棉谷草比5.02計算，2018年新疆棉秸稈產量為2 565.7×104t，數量巨大。 棉花秸稈中富含纖維素、半纖維素、木質素、粗蛋白等營養元素，經過適當的處理如堆腐、發酵、高溫惰化、熱解氣化等，即可成為肥料、基質材料、能源材料等一系列的可持續能源，新疆棉秸稈在肥料化、基質化利用等潛力巨大。棉秸稈是一種含有大量木質纖維素的秸稈，但是與軟莖秸稈如麥稈、稻稈、玉米稈等相比又具有特殊特征, 其莖稈的組織結構與木材類似, 是一種木質化程度高 、韌皮纖維豐富的硬秸稈[2,3]。棉秸稈的這種特殊結構導致其在自然條件下降解速度緩慢。為了提高棉秸稈的利用效率, 有必要解決棉稈的快速降解問題。研究外源添加物對棉秸稈堆腐過程的影響，可以為棉秸稈肥料化、基質化的高效利用提供科學依據。【前人研究進展】研究顯示，添加氮素如畜禽糞便、尿素可以促進秸稈腐解。朱遠芃等[4]在小麥秸稈中添加尿素后進行腐解，在70 d時比自然腐解多降解了4%。馬想等[5]在玉米秸稈還田過程中，通過調節施氮過程的碳氮比，發現在一定范圍內氮肥用量越大，養分釋放率也越大。黃婷苗等[6]研究施氮對小麥生長期內還田玉米秸稈腐解的影響，發現從小麥播種到越冬期，施用氮肥但可促進秸稈中磷的釋放，灌漿到成熟期，氮肥使秸稈碳的釋放顯著增加。氮素對棉秸稈腐解也具有促進作用。周亞飛等[7]在棉秸稈中添加腐熟菌和新鮮羊糞堆腐后，棉秸稈的總降解率以及粗纖維降解率均有提高；張曄等[8]將雞糞和尿素作為外源氮肥添加到棉秸稈進行堆腐，可以顯著降低棉秸稈的總孔隙度；劉岳貞等[9]以牛糞為調理劑加入棉渣中，可以加速物料升溫，提高主發酵溫度，縮短發酵時間。高威威等[10]采用牛糞和棉稈的不同質量比進行發酵處理 ，在允許的范圍內，隨著糞肥添加量的增加，發酵產物的腐殖化度增加。孫凱寧等[11]通過調節棉稈的碳氮比和添加微生物菌劑，可以促進棉稈的腐熟?！颈狙芯壳腥朦c】目前對秸稈腐解的研究主要集中在小麥、水稻、玉米秸稈，棉秸腐解研究報道較少。單施尿素、磷鉀肥對棉秸稈堆腐影響的報道，涉及棉秸稈纖維成分降解分析的報道都很少。研究外源氮肥、磷鉀肥對棉秸稈堆腐的影響。【擬解決的關鍵問題】采用網袋堆腐的方法，分析棉秸稈堆腐過程中棉秸稈的失重率，棉秸稈纖維素、半纖維素、木質素的降解速率，分析尿素、磷酸二氫鉀對棉秸稈堆腐的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉秸稈來自新疆吐魯番棉花產區， 尿素、磷酸二氫鉀購自新疆鼎楓科技有限公司；纖維素、半纖維素、木質素含量測定試劑盒購自蘇州銘科生物技術有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 棉秸稈堆腐

棉秸稈自然干燥后粉碎成4～5 cm長度，稱取10 kg，加入自來水至含水量為 70% 后拌勻，堆成直徑80 cm，高度60 cm的小堆，表面覆蓋塑料布減少水分蒸發；同時稱取拌勻后的棉秸稈20.0 g裝入100目尼龍網袋，扎口后埋于棉堆中，在通風的室內進行堆腐。

試驗共設3個處理：(1)CK，棉秸稈自然堆腐；(2)TN，棉秸稈中加入10%尿素作為氮肥處理；(3)TPK，棉秸稈中加入3.5%磷酸二氫鉀作為磷鉀肥處理。每個處理進行3個重復試驗，每個重復放置4個尼龍網袋。在試驗開始后的7、14、21和28 d翻堆，添加適量水分使含水量維持在70%，每次翻堆時隨機取出1個網袋測定棉秸稈干重、纖維素、半纖維素、木質素含量。

1.2.2 堆腐過程中棉秸稈失重率計算

每次取樣時隨機從秸稈堆中選取1個網袋，用水沖洗網袋粘附的雜物，在 70℃下烘干，稱重，計算秸稈累積失重率。將棉秸稈堆腐過程分為4個階段，堆腐初期(0～7 d)、中期(7～14 d)、后期(14～21 d)、末期(21～28 d)，由累積失重率計算階段失重率。

累積失重率=(腐解td后的秸稈干重(g)-秸稈原始干重(g))/秸稈原始干重(g)×100；

階段失重率=(累積失重率t1+7(g)-累積失重率t1(g))/累積失重率t1(g)×100。

(1)

(1)式中累積失重率t1+7、累積失重率t1分別為秸稈堆腐過程中2次相鄰取樣時的累積失重率。

1.2.3 纖維成分測定

纖維素為β-葡萄糖殘基組成的多糖，在酸性條件下加熱能分解成β-葡萄糖。β-葡萄糖在強酸作用下，可脫水生成β-糠醛類化合物。 β-糠醛類化合物與蒽酮脫水縮合，生成糠醛衍生物。顏色的深淺可間接定量測定纖維素含量。半纖維素測定原理：半纖維素經酸處理后轉化成還原糖，與DNS生成紅棕色物質，在540 nm有特征吸收峰，吸光值大反映了半纖維素含量。

木質素中的酚羥基發生乙酰化后在280 nm處有特征吸收峰，280 nm 的吸光值高低與木質素含量呈正相關。采用蘇州銘科生物技術有限公司纖維素、半纖維素、木質素含量測定試劑盒進行。

纖維素、半纖維素、木質素累積降解率及階段降解率計算：

累積降解率=((腐解td后的秸稈纖維成分含量(mg/g)-纖維成分原始含量(mg/g))/纖維成分原始含量(mg/g)×100；

階段降解率=(累積降解率t1+7-累積降解率t1)累積降解率t1/×100。

(2)

(2)式中，累積降解率t1+7、累積降解率t1分別為秸稈堆腐過程中2次相鄰取樣的樣品纖維成分累積降解率。

1.3 數據處理

采用Microsoft Office2010和SPSS20.0整理并分析處理數據，涉及的圖形均采用WPS2016進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同處理下棉秸稈失重率變化

研究表明，棉秸稈堆腐末期時TN的累積失重率最高，為68.23%，比CK的累積失重率增加了6.7%；TPK的累積失重率59.91%，比CK的棉秸稈失重率減少了6.3%。尿素能夠提高棉秸稈的降解程度。磷酸二氫鉀降低了棉秸稈的累積失重率。圖1

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖1 棉秸稈堆腐累積失重率變化
Fig.1 Trends of cumulative weight loss rate of cotton straw decomposition

研究表明，棉秸稈堆腐的階段失重率，TN始終處于上升趨勢，TN的棉秸稈在堆腐全程處于加速降解的狀態；但是TN在堆腐前期的失重率要低于CK和TPK。CK和TPK的棉秸稈階段失重率在堆腐中期發生明顯降低，之后再緩慢上升。稈堆腐后、末期時，3種處理的階段失重率均呈上升趨勢，至末期時，3種處理的失重率是4個階段中最高的。TN階段失重率最高，達到37.37%，比CK增加了25.74%，比TPK增加了30.62%。TPK的階段失重率始終低于CK，磷鉀肥可降低棉秸稈質量減輕的速度。圖2

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖2 棉秸稈堆腐階段失重率變化
Fig.2 Trends of period weight loss rate of cotton straw decomposition

2.2 不同處理下纖維素降解變化

研究表明，棉秸稈堆腐末期，TN的纖維素累積降解率最高47.95%，比CK的17.23%增加了178.29%；TPK比CK增加了47.82%。纖維素階段降解率顯示，3種處理的纖維素降解速率在堆腐末期最快，其中TN的降解率比CK和TPK都高出近4倍。圖3，圖4

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖3 棉秸稈堆腐纖維素累積降解率變化
Fig. 3 Trends of cumulative cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖4 棉秸稈堆腐纖維素階段降解率變化
Fig. 4 Trends of period cellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.3 不同處理下半纖維素降解變化

研究表明，至堆腐末期，TN和TPK的累積降解率為49%，比CK高出40.6%。3種處理的階段降解率在堆腐初期最高，為24.04%、28.15%、40.80%，占全過程降解率的68%、56.9%、83.03%，中期的階段降解率降低至1%～2%，至后期，CK的階段降解率緩慢上升至4%～5%，并維持至堆腐末期；TPK的階段降解率至末期才上升至6.87%。半纖維素的降解主要發生在堆腐前期。圖5，圖6

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖5 棉秸稈堆腐半纖維素累積降解率變化
Fig. 5 Trends of cumulative hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖6 棉秸稈堆腐半纖維素階段降解率變化
Fig. 6 Trends of period hemicellulose degradation rate during cotton straw decomposition

2.4 不同處理下木質素降解變化

研究表明，至堆腐末期，TN的木質素累積降解率為24.02%，比CK提高9.13%；TPK為35.14%，比CK提高59.65%。3種處理的木質素階段降解率，TN和TPK在堆腐中期時已達到總降解率的90.47%、87.24%，此時CK的降解率為75%。木質素的降解主要發生在堆腐前期和中期。圖7，圖8

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖7 棉秸稈堆腐木質素累積降解率變化
Fig. 7 Trends of cumulative lignin degradation rate of during cotton straw decomposition

注：CK：棉秸稈自然堆腐；TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:CK： Cotton straw natural decomposition；TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖8 棉秸稈堆腐木質素階段降解率變化
Fig. 8 Trends of period lignin degradation rate during cotton straw decomposition

2.5 氮肥和磷鉀肥對3種纖維成分降解率比較

研究表明，棉秸稈堆腐過程中分別添加氮肥和磷鉀肥后，與自然堆腐相比，對3種纖維成分降解率的提高比例不同。氮肥對纖維素降解的提高比例要顯著高于木質素，磷酸二氫鉀；磷鉀肥對木質素的降解提高比例要高于纖維素；二者對半纖維素降解的提高比例基本一致。添加氮肥有利于纖維素的降解，而磷鉀肥更有利于木質素的分解，二者都能顯著提高半纖維素的降解。圖9

注：TN：棉秸稈+尿素堆腐；TPK：棉秸稈+磷酸二氫鉀堆腐

Note:TN：cotton straw+urea decomposition ；TPK：cotton straw+potassium dihydrogen phosphate decomposition

圖9 尿素和磷酸二氫鉀處理對棉秸稈中3種纖維成分降解率提高比例
Fig.9 Proportion of degradation rate of three fiber components in cotton straw treated by urea and potassium dihydrogen phosphate

3 討 論

棉秸稈自然堆腐過程中失重率表現出先快后慢，這與一般情況下秸稈腐解先快后慢的規律吻合[12]。添加尿素后，腐解前期的失重率下降，表現出與CK不同的降解規律，造成這種現象的原因可能是添加氮肥后，使棉秸稈C/N降低，對棉秸稈中土著微生物菌群產生影響，菌群經過調整后適應新的C/N，對棉稈降解功能逐漸恢復。添加10%的尿素對棉秸稈的腐解有一定的促進作用，但是沒有顯著變化。目前的研究結果表明，增加氮肥對秸稈腐解速率的影響不盡相同，Grandy 等[13]研究不同施氮量下小麥秸稈和玉米秸稈的腐解規律，結果表明，秸稈腐解速率不受施氮量的影響，朱遠芃等[4]研究了小麥秸稈添加尿素的腐解情況，發現外源氮肥通過提高水解酶活性加速小麥秸稈腐解。張姍等[14]發現隨著施氮量增加，秸稈腐解和養分釋放率增加。李帆等[15]采用尿素硝酸銨溶液作為氮素調理劑可有效降低小麥秸稈堆肥C/N 比，促進小麥秸稈腐解。閆超等[16]、孫繼梅等[17]研究表明，秸稈還田后，一部分碳被礦化分解為 CO2釋放進入大氣同時釋放礦質養分是為礦化過程；其余部分在植物根系和微生物作用下經過分解逐步轉化成為腐殖質在土壤中積累。磷鉀肥造成失重率降低，原因可能是以下2種：一是磷鉀肥抑制了微生物作用，使得降解速率下降；二是磷鉀肥的加入可能改變了微生物菌群的功能，加強了秸稈腐殖化過程，從3種纖維成分的降解率可以發現磷鉀肥是能促進3種纖維成分的降解，所以造成失重率降低的原因更傾向于第二種，這有待后續進行進一步驗證。

10%尿素和3.5%磷鉀肥均能促進棉秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的降解。尿素對纖維素的降解率提高178.29%，木質素的降解率提高9%，這與其他報道有差異。Whittinghill等[18]研究發現外源氮素的投入可以促進纖維素的腐解比例為9%，然而木質素的腐解率卻降低了 30%。周世興等[19]模擬氮沉降對華西雨屏區天然常綠闊葉林凋落物木質素和纖維素降解的影響，結果顯示，氮沉降抑制了凋落葉木質素和纖維素的降解 ；李仁洪等[20]模擬沉降對華西雨屏區慈竹林凋落物分解的影響，結果顯示，氮沉降促進了木質素和纖維素的降解。Limpens J等[21]發現凋落物本身碳源質量太差，使得分解者不能對外加氮作用產生反應。不同材質所含碳源的差異，可能是造成添加氮素后棉秸稈與其它植物秸稈纖維素、木質素降解趨勢不同的原因。

4 結 論

4.1 添加氮肥和磷鉀肥均能促進棉秸稈堆腐的降解程度，添加氮肥堆腐的棉秸稈比自然堆腐的棉秸稈，累積失重率提高6.7%；添加磷鉀肥堆腐的棉秸稈比自然堆腐的棉秸稈，累積失重率降低了6.3%。添加氮肥后棉秸稈的降解速率在堆腐初期最高低，而自然堆腐和添加磷鉀肥處理的棉秸稈降解速率在堆腐初期最快，中期有顯著下降，之后緩慢上升。

4.2 添加氮肥和磷鉀肥均能提高棉秸稈中纖維素、半纖維素、木質素的降解程度。與自然堆腐相比，氮肥對棉秸稈纖維素的降解提高178.29%，磷鉀肥對棉秸稈對棉秸稈纖維素的降解提高47.82%；氮肥和磷鉀肥對棉秸稈半纖維素的降解提高40.6%；氮肥對棉秸稈木質素的降解提高9.13%，磷鉀肥對棉秸稈木質素的降解提高59.6%。纖維素降解最快階段，添加氮肥是出現在堆腐末期，磷鉀肥是出現在堆腐后期，CK是出現在前期和中期。半纖維素降解最快階段，3種處理都是在堆腐前期。木質素降解最快階段則都出現在堆腐前期和中期。