论文部分内容阅读
本研究采用培养法，通过DOC、pH、280nm吸光度指标研究水稻秸秆腐解不同阶段产生DOM的生物降解特性与结构变化，阐明秸秆还田对土壤CO2排放与碳固定的影响，为选择秸秆还田的正确方法提供科学依据，为可持续发展战略提供科学资料。
通过培养不同天数的水稻腐解液来控制变量，以研究不同腐解天数的DOM溶液中DOC降解特性及pH、280nm吸光度变化。DOC采用比色法；pH值采用电极法；280nm吸光度值采用分光光度法。
基于DOM是不同降解速率和不同降解程度的成分的混合物的假定，我们使用双倍指数模型（Double Exponential Model）来描述DOC的矿化动力学，模型公式表达式为：
残留C%=（100-b）+be （1）
式中：t为时间/天， b为稳定DOC所占最初DOC的百分含量（%），100-b为易矿化DOC所占最初DOC的百分含量（%），k1为易矿化DOC矿化速率常数（天），k2为稳定DOC矿化速率常数（天）。
同时计算半衰期：
1.不同腐解阶段产生DOM的生物降解性
水稻秸秆不同腐解阶段DOM液的DOC随时间变化如图1所示。
图1 不同腐解阶段DOM残留DOC随时间的变化
不同腐解阶段DOM整个降解过程都可分为残留DOC的迅速减少和缓慢减少两个阶段。在14天前DOC的浓度迅速降低，14天后降解速率明显减慢，DOC浓度趋于稳定。但不同腐解阶段DOM降解特性表现出较大差异。双指数模型方程拟合结果（见表1）表明，矿化率表现为7天DOM矿化率达46.79%，而180dDOM矿化率仅为11.23%，矿化率总体表现为随腐解时间延长而减小。DOM可以分为易矿化性C库和稳定性C库两个组分，易矿化性C库的半衰期为1～3天，而稳定性C库的半衰期为173～693天。稳定性C库的比例则表现为随腐解时间延长而增加。由此可见，随腐解时间延长，DOM生物有效性降低，DOM越稳定。
表1不同腐解阶段DOM降解过程使用双指数模型拟合参数比较
注：拟合方程为：残留C%=（100-b）e-k1t+be-k2t；
①易矿化C半衰期=ln2/k1。
②稳定性C半衰期=ln2/k2。
③r2为拟合方程的相关系数之平方。
2.不同腐解阶段产生DOM的pH的变化
DOM 是一类组分非常复杂的混合物，它既含低分子量物质（如游离的氨基酸、糖类），又含各类大分子成分（如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等）。pH值不同，反映DOM化学组成上的差异，与酸性基团、碱性基团的相对含量有关。本试验分别选取了腐解初期7d与腐解末期180d两个阶段DOM，研究其降解过程中pH值的变化，结果见图2。从图中我们可以看出，7dDOM溶液与180dDOM溶液初始pH值有较大差异，7dDOMpH值为7.9，而180dDOM pH仅为7.1，虽均为弱碱性，但两者化学组成不同。在整个降解过程中，7dDOM表现为先下降后上升，并逐渐趋于稳定，180dDOM则表现为先上升后趋于稳定。两者都表现为在降解0-7天之内pH值迅速发生变化，原因是这段时间内DOC的迅速降解，化学组成发生较大变化。与DOC含量变化相一致。图2还表明，最后两者pH值相近，表明两者在化学组成上趋于相似。
图2 DOM降解过程中pH的变化
3.不同腐解阶段产生DOM的280nm下吸光度的变化
E280值主要反映有机质组成中芳香化合物的含量，两者成正相关关系。7d与180dDOM溶液降解过程中280nm吸光度随时间变化如图3所示。两者变化趋势明显不同，7dDOM在降解初期E280值较小，随着降解进行，7天后E280值迅速升高，14天后趋于稳定，并与180dDOME280值接近。而180dDOM在整个降解过程中变化不大。KalbitzK等指出，DOM由碳水化合物、脂肪、羧基化合物、芳环物质等组成[12]。不同组分物质被微生物利用的难易程度有显著不同，碳水化合物最先被微生物利用，芳环物质结构复杂表现为相对稳定[13]。由此可见，180dDOM生物有效性低且较稳定，与其化学组成中芳香化合物含量较高有密切关系。7dDOM芳香化合物含量相对较少，生物有效性较高，在降解初期碳水化合物、脂肪等易利用组分迅速减少，芳香化合物不易矿化而相对富集，从而导致E280值迅速增加；14天后DOC含量变化不大，E280值也趋于稳定。
3.讨论
微生物对DOM的利用包括两个交替或连续的过程：①微生物对DOM 的同化吸收；②为获取能量和无机养分而完全分解DOM 成CO2或CH4。微生物对DOM的降解改变DOM的性质，而微生物能否利用DOM也决定于DOM本身的性质：即化学组成和结构特征。因此，不同来源DOM生物可降性不同。本试验研究了水稻秸秆腐解不同阶段DOM的生物降解性，结果表明不同阶段DOM的生物降解性表现出较大差异，矿化率在11.23%～46.79%，随腐解时间延长，矿化率依次降低，DOM越稳定。7dDOM与180dDOM pH值和E280值随降解过程的变化表明，化学组成和结构特征的差异是导致其可降解性不同的主要因素。
本研究秸秆腐解初期DOM主要来源于秸秆中水溶性物质，其主要成分为单糖、氨基酸、氨基糖等，这些物质极具生物有效性，是微生物最易利用的碳源，将诱导秸秆腐解所需微生物大量繁殖。随着微生物活性增强，微生物代谢产物、微生物死亡残骸、秸秆中纤维素和木质素等的降解都成为DOM的组成来源，从而使DOM的组成结构发生变化。秸秆旺盛分解期DOM主要来源于纤维素和木质素等的降解产物以及微生物代谢产物，此时DOM含丰富的羧酸类物质、强氧化木质多酚类物质以及芳香族和脂肪族物质，碳水化合物和氨基糖减少，糖醛酸和半乳糖增多，疏水性较强。在秸秆腐解后期阶段，DOM中木质素多酚类物质降解产物大大增加。因此，随腐解时间延长，表现为DOM的生物可降解性逐渐降低，DOM趋于稳定。
4.结论
（1）DOM生物降解过程残留DOC随时间变化符合双指数模型方程。生物降解大致可分为快速矿化期和缓慢矿化期两个阶段。不同腐解阶段DOM的生物降解特性有较大差异。随着水稻秸秆腐解进行，DOM生物降解越弱，DOC越稳定，41天DOC矿化率表现为180天DOM<91天DOM<38天<14天DOM<7天DOM，稳定性C比例则表现为180天DOM>91天DOM>38天>14天DOM>7天DOM。
（2）DOM生物降解过程中pH的变化随着DOM成分的改变而改变。7dDOM溶液与180dDOM溶液初始pH值虽都呈偏弱碱性，但仍有较大差异，表明两者化学组成不同。另外，在整个降解过程中，7dDOM表现为先下降后上升并逐渐趋于稳定，180dDOM则表现为先上升后趋于稳定。
（3）DOM生物降解过程中E280值的变化表明，7dDOM在降解初期E280值较小，随着降解迅速升高，14天后趋于稳定，并与180dDOM E280值接近。而180dDOM在整個降解过程中变化不大。芳香性化合物含量的不同是导致DOM生物可降解性不同的重要原因。
通过培养不同天数的水稻腐解液来控制变量，以研究不同腐解天数的DOM溶液中DOC降解特性及pH、280nm吸光度变化。DOC采用比色法；pH值采用电极法；280nm吸光度值采用分光光度法。
基于DOM是不同降解速率和不同降解程度的成分的混合物的假定，我们使用双倍指数模型（Double Exponential Model）来描述DOC的矿化动力学，模型公式表达式为：
残留C%=（100-b）+be （1）
式中：t为时间/天， b为稳定DOC所占最初DOC的百分含量（%），100-b为易矿化DOC所占最初DOC的百分含量（%），k1为易矿化DOC矿化速率常数（天），k2为稳定DOC矿化速率常数（天）。
同时计算半衰期：
1.不同腐解阶段产生DOM的生物降解性
水稻秸秆不同腐解阶段DOM液的DOC随时间变化如图1所示。
图1 不同腐解阶段DOM残留DOC随时间的变化
不同腐解阶段DOM整个降解过程都可分为残留DOC的迅速减少和缓慢减少两个阶段。在14天前DOC的浓度迅速降低，14天后降解速率明显减慢，DOC浓度趋于稳定。但不同腐解阶段DOM降解特性表现出较大差异。双指数模型方程拟合结果（见表1）表明，矿化率表现为7天DOM矿化率达46.79%，而180dDOM矿化率仅为11.23%，矿化率总体表现为随腐解时间延长而减小。DOM可以分为易矿化性C库和稳定性C库两个组分，易矿化性C库的半衰期为1～3天，而稳定性C库的半衰期为173～693天。稳定性C库的比例则表现为随腐解时间延长而增加。由此可见，随腐解时间延长，DOM生物有效性降低，DOM越稳定。
表1不同腐解阶段DOM降解过程使用双指数模型拟合参数比较
注：拟合方程为：残留C%=（100-b）e-k1t+be-k2t；
①易矿化C半衰期=ln2/k1。
②稳定性C半衰期=ln2/k2。
③r2为拟合方程的相关系数之平方。
2.不同腐解阶段产生DOM的pH的变化
DOM 是一类组分非常复杂的混合物，它既含低分子量物质（如游离的氨基酸、糖类），又含各类大分子成分（如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等）。pH值不同，反映DOM化学组成上的差异，与酸性基团、碱性基团的相对含量有关。本试验分别选取了腐解初期7d与腐解末期180d两个阶段DOM，研究其降解过程中pH值的变化，结果见图2。从图中我们可以看出，7dDOM溶液与180dDOM溶液初始pH值有较大差异，7dDOMpH值为7.9，而180dDOM pH仅为7.1，虽均为弱碱性，但两者化学组成不同。在整个降解过程中，7dDOM表现为先下降后上升，并逐渐趋于稳定，180dDOM则表现为先上升后趋于稳定。两者都表现为在降解0-7天之内pH值迅速发生变化，原因是这段时间内DOC的迅速降解，化学组成发生较大变化。与DOC含量变化相一致。图2还表明，最后两者pH值相近，表明两者在化学组成上趋于相似。
图2 DOM降解过程中pH的变化
3.不同腐解阶段产生DOM的280nm下吸光度的变化
E280值主要反映有机质组成中芳香化合物的含量，两者成正相关关系。7d与180dDOM溶液降解过程中280nm吸光度随时间变化如图3所示。两者变化趋势明显不同，7dDOM在降解初期E280值较小，随着降解进行，7天后E280值迅速升高，14天后趋于稳定，并与180dDOME280值接近。而180dDOM在整个降解过程中变化不大。KalbitzK等指出，DOM由碳水化合物、脂肪、羧基化合物、芳环物质等组成[12]。不同组分物质被微生物利用的难易程度有显著不同，碳水化合物最先被微生物利用，芳环物质结构复杂表现为相对稳定[13]。由此可见，180dDOM生物有效性低且较稳定，与其化学组成中芳香化合物含量较高有密切关系。7dDOM芳香化合物含量相对较少，生物有效性较高，在降解初期碳水化合物、脂肪等易利用组分迅速减少，芳香化合物不易矿化而相对富集，从而导致E280值迅速增加；14天后DOC含量变化不大，E280值也趋于稳定。
3.讨论
微生物对DOM的利用包括两个交替或连续的过程：①微生物对DOM 的同化吸收；②为获取能量和无机养分而完全分解DOM 成CO2或CH4。微生物对DOM的降解改变DOM的性质，而微生物能否利用DOM也决定于DOM本身的性质：即化学组成和结构特征。因此，不同来源DOM生物可降性不同。本试验研究了水稻秸秆腐解不同阶段DOM的生物降解性，结果表明不同阶段DOM的生物降解性表现出较大差异，矿化率在11.23%～46.79%，随腐解时间延长，矿化率依次降低，DOM越稳定。7dDOM与180dDOM pH值和E280值随降解过程的变化表明，化学组成和结构特征的差异是导致其可降解性不同的主要因素。
本研究秸秆腐解初期DOM主要来源于秸秆中水溶性物质，其主要成分为单糖、氨基酸、氨基糖等，这些物质极具生物有效性，是微生物最易利用的碳源，将诱导秸秆腐解所需微生物大量繁殖。随着微生物活性增强，微生物代谢产物、微生物死亡残骸、秸秆中纤维素和木质素等的降解都成为DOM的组成来源，从而使DOM的组成结构发生变化。秸秆旺盛分解期DOM主要来源于纤维素和木质素等的降解产物以及微生物代谢产物，此时DOM含丰富的羧酸类物质、强氧化木质多酚类物质以及芳香族和脂肪族物质，碳水化合物和氨基糖减少，糖醛酸和半乳糖增多，疏水性较强。在秸秆腐解后期阶段，DOM中木质素多酚类物质降解产物大大增加。因此，随腐解时间延长，表现为DOM的生物可降解性逐渐降低，DOM趋于稳定。
4.结论
（1）DOM生物降解过程残留DOC随时间变化符合双指数模型方程。生物降解大致可分为快速矿化期和缓慢矿化期两个阶段。不同腐解阶段DOM的生物降解特性有较大差异。随着水稻秸秆腐解进行，DOM生物降解越弱，DOC越稳定，41天DOC矿化率表现为180天DOM<91天DOM<38天<14天DOM<7天DOM，稳定性C比例则表现为180天DOM>91天DOM>38天>14天DOM>7天DOM。
（2）DOM生物降解过程中pH的变化随着DOM成分的改变而改变。7dDOM溶液与180dDOM溶液初始pH值虽都呈偏弱碱性，但仍有较大差异，表明两者化学组成不同。另外，在整个降解过程中，7dDOM表现为先下降后上升并逐渐趋于稳定，180dDOM则表现为先上升后趋于稳定。
（3）DOM生物降解过程中E280值的变化表明，7dDOM在降解初期E280值较小，随着降解迅速升高，14天后趋于稳定，并与180dDOM E280值接近。而180dDOM在整個降解过程中变化不大。芳香性化合物含量的不同是导致DOM生物可降解性不同的重要原因。