Patrycja Boguta Zofia Sokolowska 著 周小康 段晨曦 陳方圓 趙紅艷*譯

(1 波蘭科學(xué)院農(nóng)業(yè)物理研究所 都柏林 20-290 2 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 長春 130024)

波蘭Polesie Lubelskie地區(qū)以及Biebrza河地區(qū)泥炭地都是最有價值的自然資源之一。除其旅游價值外，還是動植物重要的生境和棲息地。泥炭地也是大的有機(jī)碳庫，它影響著土壤的吸附性、土壤結(jié)構(gòu)和微生物活動。然而，該區(qū)泥炭也遭受著各種改變(自然演化以及不合理的開采)。波蘭大多數(shù)泥炭地被排干用于農(nóng)業(yè)使用，這加速了泥炭到淤泥的轉(zhuǎn)化。泥炭的礦化與二次分解使得泥炭土在物理、化學(xué)、生物和形態(tài)上發(fā)生了變化，從而失去吸附性變?yōu)槭杷浴Ｄ嗵客Ｖ股L，濕度周期性降低，氧氣供給增加。分解作用的加強(qiáng)使得泥炭地表層轉(zhuǎn)變成黑棕色的腐殖質(zhì)。而這種淤泥質(zhì)泥炭對農(nóng)業(yè)十分有利，因其包含著非常有價值的腐殖物質(zhì)，尤其是腐植酸和富里酸。這些高吸附性的組分在陽離子交換中扮演重要角色。腐殖質(zhì)的理化作用促進(jìn)形成良好的土壤結(jié)構(gòu)(土壤顆粒團(tuán)聚體的穩(wěn)定性),提高了土壤肥力、通氧、水分保持、緩沖和交換能力。腐植酸和富里酸通過對土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的影響促進(jìn)了植物的生長，這是因為它們?yōu)橹参锾峁┝松L所需的N、P和陽離子。上述事實表明：腐殖質(zhì)在控制土壤的理化性質(zhì)方面起著重要作用(特別是有機(jī)土壤)。腐殖質(zhì)會因腐殖化度、氧化度、芳香度、官能團(tuán)含量和分子量的不同而改變。而這些差異會影響腐植酸對土壤性質(zhì)的作用。因此，掌握腐殖質(zhì)理化性質(zhì)方面的知識能夠幫助我們選擇出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最優(yōu)條件。然而,分離和調(diào)查腐植酸、富里酸用在農(nóng)業(yè)上既耗時又耗資。

本研究目的是檢驗?zāi)芊裼猛寥赖睦砘再|(zhì)來描述腐植酸的性質(zhì)。對于任何存在于腐植酸與土壤屬性之間明顯的統(tǒng)計相關(guān)性，都可以作為評估腐植酸屬性的最簡單、省時的測量方法。

1 材料和方法

1.1 土壤參數(shù)測定

從PolesieLubelskie和Biebrza河谷泥炭地5～10 cm深處采集11種泥炭淤泥質(zhì)土壤，標(biāo)記為S1～S11。根據(jù)Okruszko分類法，將代表典型泥炭質(zhì)淤泥的5種標(biāo)記為Z1，其余6種淤泥為Z3。根據(jù)Gawlik方法，用吸水指數(shù)(W1)表示二次分解。用腐殖化指數(shù)(Hz)描述腐殖化度?？偺己陀袡C(jī)碳使用元素分析儀(Carbon/Nitrogen analyzer TOC MULTI N/C 2000, HT 1300)測定?；曳趾繙y定參照Sapek和Sapek(1997)的方法。

1.2 腐植酸參數(shù)測定

使用堿液提取法(Swift，1996)分離出腐植酸(標(biāo)注為HA1-HA11)。使用Perkin Elmer CHN 2400分析儀測得腐植酸中氮、碳、氫元素組成。由公式100%-H%-C%-N%計算氧含量。用重量百分比表示數(shù)據(jù)。由所得結(jié)果計算H/C、O/H、O/C和C/N的原子比，用ω=[(2O+3N)-H]/C計算氧化度(ω)。根據(jù)Kucharenko和Dragunowa的技術(shù)方法，使用滴定法測定羧基官能團(tuán)以及羧基和酚基官能團(tuán)的總量(Dziadowiec，1990)。合成完KBr壓片后，用FTIR Thermo Nicolet spectrometer分光計記錄腐植酸的傅里葉變換紅外光譜(Thermo Scientific)。用吸光度單位測量腐植酸中羧基(1619～1639 cm-1)和酚基(3389～3401 cm-1)的峰值強(qiáng)度。在腐植酸溶液密度40 mg/dm3；pH值8；波長465 nm、665 nm和260 nm條件下，計算E4/E6和E2/E6的吸光度比。用公式logA400-logA600計算Kumada參數(shù)△logK(400、600分別代表在400 nm和600 nm波長處的吸光度)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

上述測量步驟需重復(fù)3次并求數(shù)據(jù)平均值。使用光譜儀軟件求傅里葉變換紅外光譜(FTIR)的平均值。用Saphiro-Wilk驗證數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，并計算土壤與腐植酸參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，最后使用t-檢驗法在α=0.05水平上計算相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果和討論

有機(jī)土壤理化性質(zhì)參數(shù)在表1中給出。

根據(jù)Gawlik分類(1992)的吸水指數(shù)(W1)，我們把第一類W1∈<0.36-0.45>(分解初始階段)由樣本S8表示；第二類W1∈<0.46-0.60>(弱分解)由樣本S1、S6和S7表示；W1∈<0.61-0.75>(中分解)由樣本S2、S3、S10、S5、S9、S11表示；W1=0.82(強(qiáng)分解)由樣本S4表示。Hz最高的為S4、S3、S2，最低的為S8、S6、S1。研究樣本的總碳含量從249 mg C/g干物質(zhì)變化到了419 mg C/g干物質(zhì)。本研究還發(fā)現(xiàn)，樣品S5為極大值而S11為極小值，也許能證明泥炭向淤泥轉(zhuǎn)化中的最低與最高程度。上述是基于淤泥質(zhì)過程包括腐殖化與礦化的事實而言。在成礦過程中，部分碳以二氧化碳的形式釋放到大氣中。土壤中有機(jī)碳的含量略低于總有機(jī)碳，在范圍241(S11)～393(S5) mg C/g干物質(zhì)內(nèi)。很多的有機(jī)碳證明了礦化過程很微弱。土壤灰分含量在16.4%至26.8%范圍內(nèi)，表明淤泥化過程與泥炭分解進(jìn)一步加深?；谶@個事實，我們可以認(rèn)為礦化過程對灰分含量最高的樣本(例如：S1、S6、S7、S8、S11)和最小灰分含量(S9)起著很重要的作用。容重在0.19～0.37 g/cm3之間，由此得出土壤在二次分解程度上的多樣性。其中，吸水程度與容重這兩個參數(shù)有著強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系，容重最低(0.19～0.27 g/cm3)的泥炭淤泥(Z1)同時有較低程度的吸水指數(shù)W1(0.44～0.61)；較高容重(0.30～0.37 g/cm3)的淤泥(Z3)同時有高程度的吸水指數(shù)W1(0.6～0.82)。

表1 泥炭淤泥質(zhì)土壤篩選出的理化性質(zhì)Tab.1 Selected physicochemical properties of studied peaty-muck soils

腐植酸樣品所測量的參數(shù)在表2中給出。

各腐植酸樣本表現(xiàn)出典型的E4/E6值。參考Kononowa(1966)的研究，他們應(yīng)該低于6。E4/E6的最高值(5.3～5.7)在樣本HA8～HA11中出現(xiàn)，最低值(3.4和3.8)為樣本HA2和HA3。該指標(biāo)與腐殖化程度相關(guān)，在強(qiáng)分解腐植酸中值最低。同時，E4/E6值低的腐植酸可能有較大的分子質(zhì)量和更緊密的芳香結(jié)構(gòu)；E2/E6值高則證明樣本含有大量弱分解化合物，如木質(zhì)素(樣本HA5、HA7和HA8)。△logK值在0.7到0.93波動，據(jù)Kumada(1987)的研究進(jìn)行分類，樣本HA1～HA4屬中分解腐植酸而HA5～HA11屬于弱分解腐植酸。HA1～HA3在波長280 nm時的吸光度數(shù)值最高，表明它們的芳香結(jié)構(gòu)含量較高。而HA5～H A8表現(xiàn)出最低的吸收信號，可能與芳香族含量比脂肪族結(jié)構(gòu)更多有關(guān)。腐植酸各樣本碳含量相似，范圍從46.18%(HA2)到48.34%(HA7)。該比例和有機(jī)碳濃度相近。含碳量越高表明腐殖化程度越深，分析其原因可能是芳香族化合物結(jié)構(gòu)的增加。表2中，氮含量從3.08%(H A3)變化到3.89%(HA11)，氫含量從4.42%(HA2)變化到5.45%(HA7)。氧含量從42.48%(HA7)變化到45.89%(HA3)。根據(jù)Van Krevelen(1950)，計算出的H/C比值(從1.15到1.35)與加脂鏈的芳香系統(tǒng)(低于10個碳原子)相對應(yīng)。樣本HA2和HA3的H/C比值最低，證明其芳香結(jié)構(gòu)含量高以及這些單元結(jié)合緊密。而HA7的H/C比值(1.35)最高，證明這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)在其中含量較低。O/H比值在0.49(HA7)～0.64(HA2)范圍變化，相比于O/H比值較低的樣本，該樣本含氧官能團(tuán)如羧基、羥基、酚類等所占比例大。O/C比值從0.66(HA7)變化到0.74(HA2)，該指標(biāo)的值越高，表明腐植酸的氧化度和腐殖化度越高，碳水化合物的含量越高。如表2，HA7的氧化度最低(0.16)，HA2的氧化度最高(0.54)。樣本中C/N比值沒有明顯差異，表明樣本間的生物性質(zhì)相似。

表2 待測腐植酸的化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Chemical properties determined for studied humic acids

由表2可以看出，HA2、HA3、HA4(分別為642 meq/100 g、648 meq/100 g和645 meq/100 g)的C O O H+O H官能團(tuán)含量最高，而H A8的COOH+OH官能團(tuán)含量最低(為489 meq/100 g)。其中，COOH官能團(tuán)含量大約是酚基含量的二倍。表2中HA1、HA3、HA11的COOH官能團(tuán)含量最高(分別為420 meq/100 g、416 meq/100 g和422 meq/100 g)，而HA8的COOH含量最低(為306 meq/100 g)。HA2、HA3、HA4、HA5的酚基含量最多(分別為241 meq/100 g、232 meq/100 g、236 meq/100 g、234 meq/100 g)，HA1的最低(為132 meq/100 g)。上述官能團(tuán)可能表示腐植酸的吸附性，也可能是羧基和酚基官能團(tuán)為樣本提供了酸性環(huán)境。羧基含量較高的腐植酸酸性更強(qiáng)，而酚基官能團(tuán)表現(xiàn)了弱酸性。腐植酸的紅外光譜表明存在含這種基團(tuán)的化合物。圖1是腐植酸樣本(HA2、HA3、HA5、HA7)的光譜圖。

光譜圖顯示了在3401～3415 cm-1范圍內(nèi)的酚基和醇羥基的振動波段。吸收光譜表明在HA2和HA4中OH的含量最高，在HA1和HA8中OH的含量最少。烷烴和環(huán)烷的吸收范圍是2850～3850 cm-1。一般來說，在腐植酸中這些波段的吸光度很強(qiáng)，且上下波動不超過10 cm-1。腐植酸的紅外光譜有兩個波段(最大在1716 cm-1和1633 cm-1)，這可能源自COOH和COO-的不對稱拉伸振動。通過COOH，COO-中對稱振動的C=O結(jié)構(gòu)的波長范圍分別是1228～1239 cm-1和1228～1384 cm-1，確認(rèn)了羧基的存在。C=O的波段強(qiáng)度在HA2和HA4中最大，在HA1、HA7、HA8中最小。需注意的一點是，由光譜分析得到的官能團(tuán)數(shù)量的結(jié)論可能因光譜吸收和波段重疊而造成一些誤差。

所有土壤和腐植酸的參數(shù)都趨于正態(tài)分布，并已用Saphiro-Wilk檢驗。表3顯示的是土壤性質(zhì)與腐植酸理化性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)。表中星號標(biāo)注的數(shù)據(jù)為信度在α=0.05下，兩要素間的顯著相關(guān)性(t-檢驗)。

表3 土壤理化性質(zhì)與腐植酸化學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coef fi cients calculated between selected properties of studied soils and chemical properties of humic acids isolated from peaty-muck soils

根據(jù)研究結(jié)果可得，土壤的總碳、有機(jī)碳與腐植酸性質(zhì)無顯著關(guān)系，因為碳在泥炭淤泥質(zhì)土壤中有多種存在形式和豐富的來源，大量的有機(jī)碳可能來自其他腐殖化合物，例如富里酸、胡敏酸、不同分解階段的有機(jī)化合物(木質(zhì)素、脂肪、碳水化合物、單寧)以及動植物在不同階段的分解產(chǎn)物。此外，總碳還包括碳酸鹽等無機(jī)部分。土壤灰分含量與腐植酸性質(zhì)間相關(guān)系數(shù)很低，因為泥炭灰分有不同的來源,不僅含泥炭植物分解轉(zhuǎn)化的灰分，也包括被風(fēng)和水?dāng)y帶而來的沉積礦物部分(二次灰分)，而腐植酸主要來源于動植物等有機(jī)物腐殖化過程后的產(chǎn)物。因此，灰分含量和腐植酸性質(zhì)之間的關(guān)系很微弱。土壤容重與腐植酸性質(zhì)(E2/E6，E4/E6，△logK，A280)或腐植酸的氧、碳、氮含量無明顯相關(guān)關(guān)系。但土壤容重與腐植酸的氫含量和H/C比值呈明顯負(fù)相關(guān)。土壤容重的增加導(dǎo)致腐植酸氧化度以及O/H比值、O/C比值的增加，同時羧基含量、羧基和酚基官能團(tuán)的累積數(shù)量、OHstr.、COOHasym.、COO-asym.波段的吸光度也有所增加。圖2為波段高度與容重的相關(guān)關(guān)系，圖3是氧化度與容重的關(guān)系。

圖2 土壤容重與紅外光譜測量腐植酸官能團(tuán)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the density of peaty-muck soils and the functional groups of isolated humic acids measured as absorbance of FTIR bands

圖3 土壤容重與腐植酸原子比、氧化度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the density of peaty-muck soils and atomic ratios as well as the internal oxidation degree (ω)of isolated humic acids

上述相關(guān)系數(shù)很高且在統(tǒng)計學(xué)上具有重要意義。土壤容重與腐植酸的密切聯(lián)系是很令人感興趣的，這可能是由于淤泥質(zhì)過程對土壤容重和有機(jī)物的理化性質(zhì)，主要是包括腐植酸的膠體部分產(chǎn)生了影響。淤泥質(zhì)過程造成泥炭容重的增加、孔隙度的減小可以解釋為進(jìn)一步脫水過程。另一方面，這為泥炭中含有纖維素、木質(zhì)素等有機(jī)化合物的進(jìn)一步分解提供條件。氧的增加促進(jìn)了腐殖物質(zhì)的氧化結(jié)構(gòu)的形成，即增加了COOH、OH等含氧官能團(tuán)的數(shù)量，加強(qiáng)了土壤的交換能力。腐植酸的含氧量參數(shù)(O%、O/H、O/C、ω、COOH與OH含量)與土壤容重呈正相關(guān)(盡管與O%呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)檢驗未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義，今后研究應(yīng)擴(kuò)大樣本數(shù)量)。這些結(jié)論間接證實了前人的研究。他們的調(diào)查顯示，隨著淤泥質(zhì)、腐殖化和礦化過程的進(jìn)行，會形成更多新的有機(jī)化合物，土壤容重增加。同時，這些過程需在更多氧氣參與下發(fā)生，因此，腐植酸中含氧官能團(tuán)增多。

土壤腐殖化指數(shù)、吸水指數(shù)與腐植酸的大多數(shù)性質(zhì)有相關(guān)性，Hz與W1兩參數(shù)顯著相關(guān)，有相似的R值，且相關(guān)方向一致。土壤腐殖化指數(shù)與吸水指數(shù)以及腐植酸參數(shù)E2/E6、E4/E6、△logK、N%及C/N之間不存在相關(guān)關(guān)系。腐植酸的這些性質(zhì)與土壤容重、灰度、總碳和有機(jī)碳含量之間也無相關(guān)性。280 nm處腐植酸的吸光度在統(tǒng)計上顯著地隨泥炭質(zhì)淤泥土壤Hz和W1值的增加而增加。該范圍內(nèi)吸光度的增加可能和其結(jié)構(gòu)的芳香度增加有關(guān)。根據(jù)Flaig腐殖化理論，芳香族化合物有可能隨著分解進(jìn)一步加深而增多。這就解釋了土壤參數(shù)W1、Hz和腐植酸280 nm吸光度之間的正相關(guān)性。我們的研究也證明，土壤參數(shù)W1和Hz的增加會伴隨氧化度和氧含量的增加，以及腐植酸結(jié)構(gòu)中氫含量的減少。這可能與結(jié)構(gòu)芳香化的進(jìn)行、氫含量的減少有關(guān)，其中氫含量的減少是芳香環(huán)中氫原子被富含不同官能團(tuán)的側(cè)鏈替換所導(dǎo)致的。此外，W1、Hz和腐植酸的含氧官能團(tuán)含量呈高度正相關(guān)。圖4為土壤吸水指數(shù)與腐植酸官能團(tuán)的關(guān)系。圖5是腐殖化指數(shù)與官能團(tuán)關(guān)系。

圖6顯示了吸水指數(shù)和腐植酸的原子比的相關(guān)性。由此可知腐植酸氧化度和氧含量(O/H、O/C和ω)隨著吸水指數(shù)的增加而增加，而H/C比值隨吸水指數(shù)增加而減少。腐植酸原子比和土壤的腐殖化指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系類似。R值分別為-0.63(H/C)、0.67(O/H)、0.67(O/C)、0.65(ω)。通過土壤參數(shù)Hz、W1和OH、COOH基團(tuán)吸收譜帶峰值間的顯著正相關(guān)，證實了腐殖化指數(shù)和吸水指數(shù)隨著腐植酸中含氧官能團(tuán)增長而提高，其中吸收譜帶的峰值通過提取的腐植酸的傅立葉紅外變換光譜測得。圖7揭示泥炭質(zhì)淤泥土壤的吸水指數(shù)與腐植酸中官能團(tuán)之間的相關(guān)關(guān)系。腐植酸的OH、COOH基團(tuán)的吸收譜帶峰值和土壤腐殖化指數(shù)之間的關(guān)系在統(tǒng)計上顯著相關(guān)，并具有與吸水指數(shù)相同的變化趨勢[R值分別為0.74(OHstr.)、0.78 (COOHasym.)和0.63(COO-asym.)]。

在分解過程中，一些有機(jī)質(zhì)(如纖維素、木質(zhì)素、瀝青質(zhì))轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，即先轉(zhuǎn)化為富里酸再為腐植酸，并有大量含氧官能團(tuán)。羧基和酚基數(shù)量增加，O/C比值增加，且結(jié)構(gòu)發(fā)生氧化。泥炭的腐殖化指數(shù)、吸水指數(shù)或者叫二次轉(zhuǎn)換指數(shù)的增加來表達(dá)其進(jìn)一步的分解。上述結(jié)論間接認(rèn)同了前人的研究結(jié)果，也就是有機(jī)土壤的表面電荷與腐殖化指數(shù)、吸水指數(shù)之間存在正相關(guān)。由于有機(jī)土壤的表面電荷主要來自腐殖質(zhì)的含氧官能團(tuán)，有人就假設(shè)土壤中W1、Hz和腐植酸的羧基、酚基官能團(tuán)之間可能存在關(guān)系。因此，他們的結(jié)果可以與本研究相比較。

圖4 泥炭淤泥質(zhì)土壤吸水指數(shù)與腐植酸官能團(tuán)(電位滴定)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and the functional groups (potentiometric titration) of isolated humic acids

圖5 泥炭淤泥質(zhì)土壤腐殖化指數(shù)與腐植酸官能團(tuán)(電位滴定)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the humi fi cation index of peaty-muck soils and the functional groups(potentiometric titration) of isolated humic acids

圖6 泥炭淤泥質(zhì)土壤的吸水指數(shù)與腐植酸的原子比、氧化度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and atomic ratios as well as the internal oxidation degree (ω) of isolated humic acids

圖7 泥炭淤泥質(zhì)土壤的吸水指數(shù)與紅外光譜測量腐植酸官能團(tuán)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and the functional groups of isolated humic acids measured as absorbance of FTIR bands

概括來說，我們努力尋找著腐植酸與土壤性質(zhì)間的關(guān)系，并使用簡單統(tǒng)計學(xué)檢驗，試圖找出這種關(guān)系是否顯著且相關(guān)程度如何。目前我們可得出有機(jī)土壤的理化性質(zhì)與腐植酸的化學(xué)性質(zhì)之間存在統(tǒng)計上的顯著關(guān)系，且所有的顯著關(guān)系都發(fā)生在淤泥質(zhì)過程尤其是進(jìn)一步分解過程。土壤與腐植酸參數(shù)之間的高度相關(guān)證明了腐植酸組分在有機(jī)土壤腐殖化和礦化等轉(zhuǎn)化過程中所起的重要作用。同時腐植酸的狀態(tài)和性質(zhì)可以通過更簡單的土壤參數(shù)來描述，而無需耗時分離腐植酸組分。獲得腐植酸與土壤性質(zhì)間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系并且確認(rèn)其在統(tǒng)計上顯著相關(guān)是有可能的。掌握腐植酸性質(zhì)和土壤之間存在的統(tǒng)計函數(shù)，對于生態(tài)學(xué)的有機(jī)土壤保護(hù)以及農(nóng)業(yè)上利用簡單的土壤信息描述腐植酸重要組分等方面很有價值。

3 結(jié)論

(1) 腐植酸增加導(dǎo)致O/H、O/C、氧化度、羧基和酚基含量的增加。因為淤泥質(zhì)過程中的脫水、破碎，使得土壤孔隙度降低、容重增大。同時，該過程的進(jìn)一步分解，發(fā)生在強(qiáng)耗氧的環(huán)境下，這與腐植酸包含大量羧基、醇羥基和酚基等含氧官能團(tuán)有關(guān)。

(2) 土壤腐殖化指數(shù)、吸水指數(shù)的增加伴隨著腐植酸參數(shù)，如氧和含氧官能團(tuán)的含量、O/H、O/C、氧化度、芳香度的增加。上述參數(shù)間的高度相關(guān)也許是因為腐植酸占土壤中腐殖質(zhì)的絕大部分，且該組分在土壤系統(tǒng)的性質(zhì)中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。

(3) 土壤的灰分、總碳和有機(jī)碳對腐植酸化學(xué)性質(zhì)方面無顯著影響。我們推測是因土壤中存在著其他形式的碳，例如無機(jī)碳，或是有機(jī)碳不能由堿性溶液完全提取。

(4) 研究表明，在沒耗時分離腐植酸的情況下評估其狀態(tài)、質(zhì)量和性質(zhì)是有可能的，但需建立在眾多土壤參數(shù)的基礎(chǔ)上。掌握腐植酸性質(zhì)和土壤之間存在的統(tǒng)計函數(shù)，對于生態(tài)學(xué)上有機(jī)土壤保護(hù)以及農(nóng)業(yè)上利用簡單的土壤信息描述腐植酸重要組分等方面很有價值。

略)

譯自：Int. Agrophys.，2014，28：269～278。