为明确颗粒有机碳在土壤固碳中的作用机制, 对比研究了不同有机培肥土壤颗粒有机碳的结构差异。 以单施化肥处理为对照, 选择了四种有机物料进行定位培肥试验, 利用13C NMR和红外光谱技术对比分析不同有机培肥对土壤颗粒有机碳结构的影响。 结果表明: 颗粒有机碳以脂肪碳和含氧基团为主, 脂化度高于75%, 含氧官能团含量高于50%; 不同有机培肥对土壤颗粒有机碳结构的影响差异性显著, 树叶培肥在提高颗粒有机碳芳香度的同时, 亲水性也大幅度提高, 比单施化肥处理(对照)提高了078%; 短期内, 牛粪、 秸秆和树叶培肥均可提高土壤颗粒有机碳的芳香度, 但从长远角度分析, 牛粪和秸秆培肥更利于土壤颗粒有机碳的稳定, 尤其是秸秆培肥, 其颗粒有机碳的芳香度分别比对照和牛粪培肥高035%和011%, 而亲水性远低于二者; 红外光谱与核磁分析的结果基本一致, 红外光谱可用于大量样品的颗粒有机碳结构初步筛选。

近年来, 生物质碳(biochar)作为新型吸附剂被广泛研究。 但由于制备biochar的生物质原料和热解温度的不同, 使biochar的结构和组成存在差异, 从而影响其对污染物的吸附。 目前关于biochar的结构和组成的研究还不够全面。 因此, 结合了能谱与光谱分析的手段, 对biochar的结构和组成进行了深入的分析。 选取木质类(柳树枝条)和草类(水稻秸秆)作为原料, 分别在不同热解温度(300, 450和600 ℃)下制得biochars, 并对biochars样品进行元素分析、 X射线光电子能谱分析(XPS)和固态13C核磁共振(13C NMR)研究, 以阐明不同热解温度和生物质来源的biochars的结构和组成。 结果显示: biochar的H/C, O/C和(O+N)/C的比值随着热解温度的升高而降低;草类biochar比木质类biochar具有更高的灰分含量和表面极性;木质类biochar的矿物主要分布在样品颗粒内部, 其表面被有机质覆盖, 而草类biochar部分矿物暴露在样品颗粒表面;13C NMR显示低温制得的biochar主要由芳香碳、 脂肪碳、 羧基和羰基碳组成, 高温制得的biochar主要由芳香碳组成, 且低温制得biochars中, 木质类biochars比草类biochars含有更高的木质素的残留碳结构, 这是由于木质类biochars原材料中含有更高的木质素。

从北京通州地区3个河流沉积物和天津渤海湾地区4个土壤样品中提取胡敏酸(HA)和非水解碳(NHC), 并进行了元素分析、 X射线光电子能谱分析(XPS)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和固态13C核磁共振(13C NMR)等一系列定性定量的研究。 结果显示: 同一来源的NHC中H/C和O/C比值低于HA的H/C和O/C比值; NHC和HA表面含氧官能团的含量分别为7.6%～10.7%, 40.9%～46.7%; 13C NMR和FTIR显示NHC主要由脂肪碳和芳香碳组成; 从土壤中比从沉积物中提取的NHC的芳香度高。 研究结果表明, 与HA相比, NHC的热成熟度高, 疏水性强。

选择一口开采约20a的废弃油井, 在距离井口0.5, 1.5, 3.5, 5.5和7.5 m处进行多点采样, 应用元素分析、 傅里叶变换红外光谱和固态13C核磁共振方法, 研究了长期不同程度石油污染土壤中胡敏酸的结构特征。 结果表明： 随与油井口距离的减小, 胡敏酸的C/H, O/C和(N+O)/C原子比值分别由0.74, 0.41和0.45增加到0.80, 0.83和0.88； 红外光谱分析显示, 胡敏酸的2 921, 2 851, 1 454 cm-1吸收峰相对强度下降, 2 921/1 600比值由0.22减少到0.11； 固态13C核磁共振分析显示, 胡敏酸中烷基C的相对含量由49.9%下降到30.9%, 而烷氧C、 芳香C和羧基C的相对含量分别由20.1%, 13.1%和14.3%增加到28.0% 18.8%和19.3%。 上述结果说明, 随石油含量增加, 胡敏酸的脂族性和疏水性降低, 而芳香性和极性增强, 其分子结构变得老化。 为了促进受石油污染土壤的修复, 有必要采取适当措施使其中老化的胡敏酸得以更新和活化。