小麦秸秆自然腐解对水环境的影响

李兆龙 孙 燕

南京康鹏检测技术有限公司，江苏 南京 210038

0 引言

作为一个农业大国，我国每年农作物秸秆产量在9 亿t 左右［1］。农民对秸秆的利用方式多种多样。例如，在我国南方地区，人们将稻秆晒干储存，用来编织床垫、扫帚等家用品，还可用作炊事燃料，以及喂养牲畜（牛、羊等）、铺垫牲圈、沤肥还田等，很少被浪费掉。然而，由于我国近几十年来煤、电、气的普及，提供的各种工业制品丰富多样，致使农村对秸秆的需求减少，大量秸秆的处理成为严重的社会问题。据统计，目前我国被利用的秸秆占秸秆总量的2/3左右［2］，其余秸秆被焚烧、丢弃［3］，既浪费资源，又污染环境。近年来，相关部门加强了对肆意焚烧秸秆的监管，通过培训、宣传等多种方式，提高了农民的环保意识，但随意抛弃秸秆的现象仍难以杜绝。

小麦种植在我国大部分省（自治区、直辖市）都比较普遍，目前关于小麦秸秆处理方式的研究主要集中于秸秆还田腐解、添加催化剂腐解、秸秆气化发酵等方面［4-6］。尤其是在秸秆还田方面，揭示秸秆在田间腐解的变化特征及其对农作物影响的研究比较多［7-9］，而秸秆在自然水体中腐解对水环境造成的影响鲜有报道。试验模拟小麦秸秆在自然水体中的腐解过程，通过观测水体中常规水质指标的变化，揭示小麦秸秆自然腐解对水环境的污染特征，为科学制定秸秆离田化综合利用管理决策提供一定的参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验小麦秸秆采自江苏省南京市六合区龙袍镇，含水率为10.43%，灰分质量分数为4.81%，总氮（Total Nitrogen，TN）质量分数为2.52%，总磷（Total Phosphorus，TP）质量分数为0.17%，多糖质量分数为3.42%，木质素质量分数为16.49%，纤维素质量分数为32.45%，半纤维素质量分数为25.82%。

试验用水来自龙袍镇田间池塘，pH 值7.4，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）质量浓度为51.7 mg/L，总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）质量浓度为14.2 mg/L，总氮（Total Nitrogen，TN）质量浓度为2.8 mg/L，总磷（Total Phosphorus，TP）质量浓度为0.13 mg/L。

试验用底泥采自龙袍镇田间池塘，pH 值6.2，固含量5.6%，TN 质量分数为1.82 g/kg，TP 质量分数为0.73 g/kg，有机质质量分数为46.17 g/kg。

试验用容器为方形塑料桶（4 只），规格为100 cm×50 cm×30 cm，总容积150 L。

1.2 试验设计

秸秆腐解试验在室温（25±2）℃下进行。在4 只塑料容器中分别加入5 kg池塘底泥（湿），先用大约20 kg池塘水稀释混匀；然后各添加小麦秸秆250、500、750、1 000 g（分别标记为A～D）；最后补充池塘水至总净质量100 kg（含秸秆、底泥质量，塑料容器质量除外），用扁平的大石块压住秸秆，使其完全浸没在水面以下。每隔1 周采集水样200 mL，并用池塘水补充至总净质量100 kg。

1.3 测定内容与方法

采用快速密闭消解法测定水样COD 质量浓度，用总有机碳分析仪测定TOC 质量浓度，采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定TN 质量浓度，采用水杨酸分光光度法测定NH4+-N 质量浓度，采用钼锑抗分光光度法测定TP 质量浓度，用酸碱度测定仪测定水体pH值，采用稀释倍数法测定水体色度［10］，采用苯酚硫酸法测定多糖质量浓度［11］。

2 试验结果与分析

2.1 水体pH值变化

在历时4 个月（16 周）的秸秆腐解过程中，各处理水体的pH 值在5.91～8.56 波动，如图1 所示。秸秆刚刚开始腐解时（前1 周），A～D 处理水体的pH 值差异不大，且与原水体（试验用池塘水）pH 值相近，之后各处理水体的pH 值有较大程度的下降，并在第4 周末达到最低点，分别下降到6.57、6.42、6.26、5.91，且秸秆量越大，水体的pH 值越低。在秸秆腐解后期，水体的pH值又缓慢上升，超过初始值，稳定在8.0左右，随着腐解的持续进行，水体的pH值缓慢下降，且秸秆量越大，水体最终的pH 值也越高。这可能是因为秸秆在水体中开始腐解的初期，可产生少量的乳酸和丙酸［12］，使水体的pH 值有一定程度的下降。而随着腐解的持续进行，秸秆中含氮有机物的分解产生少量的氨气，使水体pH 值上升，最终导致秸秆腐解末期水体处于微碱状态。

图1 小麦秸秆自然腐解过程中水体pH值变化

2.2 水体中多糖质量浓度变化

秸秆的腐解主要是其成分纤维素、半纤维素和木质素的分解，通过观测水体中的多糖质量浓度变化，可以了解秸秆的腐解动态。由图2 可知，A～D 处理水体中多糖质量浓度在前4周逐渐上升，基本上都在第4周末达到了最高值，分别为49、72、85、106 mg/L。之后随着秸秆腐解速率下降，且水体中的多糖被微生物摄食利用，水体中的多糖质量浓度呈逐渐下降态势，但直至第16 周末，各处理水体中的多糖质量浓度都远高于起始水平（2.1 mg/L），是起始含量的8～24 倍，且秸秆量越大，水体中残余的多糖越多。

图2 小麦秸秆自然腐解过程中水体中多糖质量浓度变化

2.3 水体色度变化

秸秆腐解过程中会释放一些溶解性物质或胶体状物质，使得水体呈现一定的颜色。色度是用来表征水体污染程度的一个重要指标。在秸秆腐解前期，水体的色度逐渐增加（见图3），反映出在此期间秸秆的腐解速度比较快，在第5 周末，各处理水体的色度达到最高值，分别为78、97、113、124 倍，且秸秆量越大，水体的色度越高。而在秸秆腐解后期，水体的色度略有下降并趋于平缓，至第16周末各处理水体的色度为64～99 倍，远高于起始试验用水色度13 倍，秸秆腐解使得水体色度明显增高。

图3 小麦秸秆自然腐解过程中水体色度变化

2.4 水体中COD质量浓度变化

水体中COD 质量浓度是衡量水体污染程度的重要参数之一。由图4 可知，在腐解过程中，由于小麦秸秆中的有机物释放到水体中，水体中的COD 质量浓度在前4 周逐渐增加，在第4 周末A～D 处理水体中的COD 质量浓度上升到最高值，分别为208、336、397、507 mg/L。后期由于水体中微生物的活动，水体中的COD 质量浓度逐渐下降，至第16 周末各处理水体的COD 质量浓度在102～229 mg/L，仍远高于起始水平（53 mg/L），反映出秸秆腐解对水体造成了一定的污染。

图4 小麦秸秆自然腐解过程中水体中COD质量浓度变化

2.5 水体中TOC质量浓度变化

TOC 质量浓度是指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量，秸秆中40%左右的干物质是由有机碳组成［13］。由图5 可知，小麦秸秆自然腐解产生的纤维素、半纤维素、木质素等含碳有机物，在第4 周末达到了较高的水平，A～D 处理水体中的TOC 质量浓度分别为63、93、112、149 mg/L。之后由于微生物的利用、降解作用大于秸秆自然腐解作用，水体中的TOC 质量浓度逐渐降低，在第16 周末，各处理水体中的TOC 质量浓度为31～67 mg/L，高于起始水平（16 mg/L）。

图5 小麦秸秆自然腐解过程中水体中TOC质量浓度变化

2.6 水体中NH4+-N和TN质量浓度变化

氮素水平是衡量水体富营养化程度的重要参数之一。在小麦秸秆腐解过程中，NH4+-N 和TN 的释放都表现出前期快、后期慢的趋势。

由图6可知，A～D处理水体中的NH4+-N质量浓度在第4周末达到最高值，分别为8.0、6.9、6.1、4.9 mg/L。

图6 小麦秸秆自然腐解过程中水体中NH4+-N质量浓度变化

由图7 可知，水体中的TN 质量浓度也在第4 周末达到最高值，分别为10.0、12.3、13.2、18.3 mg/L。腐解速率与作物残体的化学组分有关，其中水溶性物质、粗蛋白物质和苯醇溶性物质分解最快，其次是半纤维素，纤维素次之，而木质素最难分解［14］。在开始腐解的前几周，秸秆中水溶性物质和粗蛋白物质等能够较快地进入水体，使得水体中TN质量浓度逐渐上升。由于水体中微生物的氨化作用，将有机氮转化为氨氮，水中的氮素超出自然水体承受范围，导致水体富营养化，消耗水体中的氧，造成水体中溶解氧的质量浓度下降，从而导致水发黑发臭。通过水体中微生物自身生长利用及硝化、反硝化等一系列作用，水体中的氮素被逐渐消减。但直至试验结束，各处理水体中的TN 质量浓度依然在6.4～8.6 mg/L，造成了水体严重的富营养化［15］。

图7 小麦秸秆自然腐解过程中水体中TN质量浓度变化

2.7 水体中TP质量浓度变化

磷是水体富营养化的限制性因子［15］。由图8 可知，在秸秆腐解过程中，A～D处理水体中TP质量浓度在第4 周末达到了一个比较高的水平，分别为1.44、1.59、1.77、1.92 mg/L，加剧了水体富营养化程度。秸秆中磷60%以上以离子态存在，由于离子态的磷易溶于水，因此在小麦秸秆腐解初期，随着水体pH 值的下降，秸秆中的磷能够较快地释放到水体中，导致水体中TP 质量浓度在前4 周迅速升高。此外，底泥所释放出来的微生物可通过富集作用吸收并利用水体中的磷进行增殖生长［16］，在第4 周后，随着时间的推移，秸秆腐解释放物质的水平降低，其中的离子态磷的释放接近尾声，水体中TP质量浓度呈逐渐减少态势。

图8 小麦秸秆自然腐解过程中水体中TP质量浓度变化

3 结论

小麦秸秆在模拟的自然水环境里进行腐解，在连续4 个月里，小麦秸秆腐解的特征是前期较快、后期较慢。在前4～5 周水体中的COD、TOC、NH4+-N、TN、TP 质量浓度上升得较快，在试验条件下，最高值分别为507、149、8.0、18.3、1.92 mg/L，色度达到124 倍。水体中受纳的秸秆量越大，水体受污染的程度越高。虽然在微生物的作用下，随着时间的延续和腐解程度的减缓，水体中各水质指标值缓慢降低，但仍然均远高于起始水平。秸秆在水体中自然腐解，严重污染了水体，加剧了水体的富营养化程度。因此，建议加强宣传，增强农户的环保意识，杜绝肆意丢弃秸秆现象，保护农村水环境。