1 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193
2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081
为了研究长期施用堆肥对潮土剖面土壤水溶性有机物(DOM)的来源和组分特征的影响, 研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的试验田为研究对象, 利用三维荧光光谱技术研究了在长期施用高量生物堆肥(EMI)、 常量生物堆肥(EMII)、 高量传统堆肥(TCI)、 常量传统堆肥(TCII)和化肥(CF)下不同深度土壤水溶性有机物在来源和组成的差异。 研究结果表明, 不同施肥处理的土壤水溶性有机碳(DOC)含量在土壤剖面的分布规律有较大差异, 堆肥使0～20和60～80 cm土层的DOC分别显著提高了81.94%～171.33%和61.18%～152.18%。 荧光光谱指数表明, DOM来源为微生物和植物混合源, 堆肥施用量的增加使DOM腐殖化程度加强, 造成表层土壤中DOM由陆源向生物源迁移, 随着土壤深度的增加, DOM由陆源向生物源迁移。 三维荧光光谱和荧光区域积分表明, 生物堆肥和传统堆肥增加了类腐殖酸物质的含量, 且随着施用量的增加而增加; 高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量; 施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。 类腐殖酸含量、 类富里酸含量和类溶解性微生物代谢产物数量随着土壤深度的增加整体呈降低趋势; 类酪氨酸随着土壤深度的增加呈增加趋势; 类色氨酸随着土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势, 且在20～40 cm含量最高。 相关性分析表明, 全磷(TP)、 全氮(TN)、 阳离子交换量(CEC)、 速效钾(AK)、 有机碳(SOC)和DOC等土壤理化指标与类酪氨酸物质呈显著负相关, 与类富里酸、 类溶解性微生物产物和类腐殖酸含量呈显著正相关, 硝态氮(NO-3-N)、 TN、 pH、 SOC与类色氨酸物质呈显著正相关。 总之, 长期施用堆肥增加了潮土表层DOM的含量, 显著改变了土壤中DOM的组成和剖面上的分布特征。
潮土 堆肥 水溶性有机物 三维荧光光谱 Fluvo-aquic soil Compost DOM Three-dimensional fluorescence spectrum
华北水利水电大学水利学院, 河南 郑州 450046
施用有机肥是改善土壤物理结构、 提升土壤肥力、 调控养分平衡的的有效手段之一, 但目前有机肥施用对农田有机质和氮素演化的影响尚不清楚。 研究了施入有机肥后土壤总有机碳(TOC)、 可溶性有机碳(DOC)、 无机氮含量的变化特征, 并利用三维荧光光谱分析了施加有机肥后土壤DOM光谱学特性的变化规律, 结合PARAFAC分析法分析了施加有机肥后不同时期土壤水溶性有机物(DOM)各组分相对含量的变化, 利用2D-COS技术分析各荧光组分随时间的变化顺序, 此外采用典型相关度分析法研究了DOM各组分相对含量与土壤氮素的响应关系, 以探究施入有机肥对土壤有机质和氮素演变的影响。 结果表明: ①施加有机肥提高了土壤总有机碳、 水溶性有机碳和硝态氮含量, 降低了铵态氮含量; ②土壤DOM三维荧光光谱图出现了A峰(UV类腐殖酸)、 M峰(UVA类腐殖酸)、 T峰(类色氨酸), PARAFAC分析结果显示试验土壤DOM主要由陆地源类腐殖酸(C1)、 典型类腐殖酸(C2)、 类色氨酸(C3)组成。 结果还显示, 施加有机肥能提高土壤C1, C2和C3组分的相对含量, 试验期间, 施加有机肥处理后土壤C1, C2和C3组分的相对含量均呈现先上升后下降的趋势, 第30 d达到最大值, 不同荧光组分随时间的变动顺序一般表现为C1和C2组分先增加, 然后C1和C2组合降解促进C3形成, 为简便起见, 可用C1(C2)↑→C3来描述。 类腐殖酸变动幅度较大, 施加有机肥对类腐殖酸促进作用更为显著; ③施加有机肥能提高土壤的生物可利用性, 降低土壤腐殖化程度。 试验期间, 施加有机肥后BIX值呈先上升后下降的趋势, 在第30 d达到最大值; HIX值呈先下降后上升的趋势, 在第30 d达到最小值。 BIX和HIX呈显著负相关(R2=0.732); ④C1, C2和C3相对含量与硝态氮呈正相关, 与铵态氮呈负相关, 且C1和C2组分的相对含量对硝态氮和铵态氮含量的影响较大。 综上所述, 合理施加有机肥可调控土壤有机质和氮素转化, 减少农田面源污染。
土壤有机肥 三维荧光光谱 二维相关光谱 水溶性有机物 氮素 Soil Organic fertilizer Three-dimensional fluorescence spectrum Two-dimensional correlation spectroscopy Dissolved organic matter Nitrogen 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3116
1 安徽科技学院资源与环境学院, 安徽 凤阳 233100
2 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室, 江苏 南京 210008
3 安徽科技学院农学院, 安徽 凤阳 233100
堆肥是小麦秸秆资源化利用重要的途径之一, 然而目前关于秸秆单一物料堆肥的研究较少。 水溶性有机物（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分, 因此探讨DOM的演变特征可有效评价秸秆的腐熟过程。 以小麦秸秆好氧堆肥过程中的DOM为研究对象, 利用总有机碳、 紫外-可见光光谱（UV-Vis）、 三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）分析方法, 阐明小麦秸秆堆肥过程中DOM的含量、 结构和组成的演变特征。 结果表明: 堆肥过程中DOM的有机碳含量降低了23%, 说明DOM是堆肥中活跃的有机质组分。 值得注意的是, 堆肥前期DOM微生物降解最为剧烈。 UV-Vis谱图显示DOM光谱随堆肥进行不断降低, 表明堆肥过程芳香族物质不断降解。 EEM光谱显示出显著的荧光峰演变趋势, 由堆肥前期较强的类蛋白荧光峰（D, E）演变为堆肥后期较强的类腐殖质荧光峰（H）, 表明堆肥过程DOM的物质组成发生改变。 通过光谱参数SUVA254和HIX的观测, 发现随着堆肥进行, DOM的芳香度和腐殖化程度呈现动态变化, 整体呈增强趋势。 由此可推测堆肥过程DOM降解的成分主要为非腐殖质, 而腐殖质类物质的相对含量则不断提升、 整体芳构化和腐殖化程度增加。 EEM-PARAFAC进一步定量分析了DOM组分的演变特征。 随着堆肥的进行, DOM中的类蛋白物质（C3）相对含量显著降低（~46%）, 而类富里酸（C1）和类腐殖酸（C2）物质相对含量分别提高了45%和80%。 DOM中的组成由堆肥初期的C1∶C2∶C3=41∶17∶42演变成堆肥后期的53∶27∶20。 结果揭示出堆肥过程中类蛋白物质发生显著的降解, 而类腐殖质则由于分子聚合生成作用和微生物降解速率较慢等因素逐渐演变成堆肥DOM的主要组分。 相关性分析结果显示HIX与C1和C2均呈现极显著正相关（r=0.806~0.853）, 表明腐殖化指数(HIX)可有效指示DOM的腐殖质物质组成。 本研究结果可为进一步优化小麦秸秆堆肥条件, 改善秸秆有机肥质量提供科学依据。
秸秆堆肥 水溶性有机物 芳香度 腐殖化 三维荧光-平行因子分析 Wheat straw composting Water soluble organic matters Aromaticity Humification EEM-PARAFAC 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1199
1 广西大学资源环境与材料学院, 广西 南宁 530004
2 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049
3 清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100084
4 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
三维荧光光谱(3DEEM)是表征大气颗粒物中水溶性有机物(WSOC)化学组成与官能团的有效工具, 目前所报道的应用3DEEM分析WSOC仅局限于荧光强度及其指标研究。 由于大气颗粒物pH值变化范围大(0~9), WSOC形成、 传输和转化过程易受pH值的影响。 因此, 研究pH值对WSOC荧光特性的影响, 对于加深了解WSOC的环境效应以及化学结构组成具有重要意义, 然而关于pH值对大气颗粒物中WSOC荧光特性影响的研究还未见报道。 在此基础上, 采用三维荧光光谱研究北京市大气细粒子中WSOC荧光特征, 并着重考察WSOC在不同pH值(2~8)条件下荧光光谱特征的变化情况。 研究表明, 大气细粒子中WSOC荧光主要成分包括类腐殖质、 类色氨酸和新生成有机物质。 进一步研究发现, WSOC荧光峰位置、 荧光强度和荧光指数对pH取值敏感。 WSOC荧光强度在pH值为3左右时达到最大值, 推测是羧基质子化达到最强的结果, 然而, 当pH值大于3时, 荧光强度变化则呈现相反趋势, 随pH值增大明显下降, 可能是由于分子间与分子内的氢键作用增强造成的。 另外, 夏季WSOC类色氨酸荧光峰随pH值升高略有红移现象, 表明分子结构中苯环增多, 共轭度增加。 相对于其他荧光物质, 类腐殖质受溶液pH值影响更显著。 通过对pH值与荧光指标进行相关性分析发现, WSOC荧光基团结构具有季节性差异。 pH值与自生源指数(BIX)呈显著负相关性, 随pH值的增大明显下降。 而pH值与Peak T/C(荧光峰T与荧光峰C的荧光强度比值)呈显著正相关性(p<0.01), 随pH值的增大明显升高, 说明低pH值不利于有机物的生物降解。 腐殖化指数(HIX)和荧光指数(FI)随pH值增大先升高后降低, 其值变化范围分别为1.6~3.64和0.8~1.94。 通过对三维荧光光谱分析发现pH值是影响WSOC荧光特性的一个重要因素, 在表征WSOC光学特性或其他性质时, 还应考虑pH值对WSOC的影响。
北京 水溶性有机物 大气细粒子 三维荧光光谱 Beijing pH pH Water-soluble organic compounds Atmospheric fine particles Three dimensional excitation-emission matrix 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1668
1 内蒙古科技大学化学与化工学院, 内蒙古 包头 014010
2 生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心, 内蒙古 包头 014010
3 内蒙古自治区煤化工与煤炭综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
研究添加褐煤对羊粪有机肥中水溶性有机物(DOM)光谱学特性的影响, 为高腐殖酸有机肥的腐熟度评价提供依据。 以内蒙古褐煤、 羊粪为原料, 添加10%褐煤进行羊粪有机肥发酵, 对不同阶段有机肥样品的DOM进行紫外可见光谱、 荧光光谱、 FTIR的表征。 紫外-可见吸收光谱分析显示, 有机肥样品的E4/E6值随着有机肥发酵的进行呈现出先下降后上升的趋势, 由有机肥开始时的9.110 4降至最低为4.647 7, 再升为有机肥结束时的5.390 1; A1呈现先减小后增大趋势, A2和A3均呈现先增大后减少的趋势, 峰值出现在12 d。 同步荧光光谱显示, 荧光峰光强的比值(I470/I435) 由有机肥起始的0.452 8上升至有机肥结束的0.655 2; AHLR/AFLR呈现上升趋势, 从有机肥开始的0.673 9上升至有机肥结束的1.040 8。 经过18 d的有机肥发酵后, 有机肥发酵结束后样品荧光强度小于有机肥起始时的荧光强度, 而且10%褐煤添加的羊粪有机肥的相对荧光强度明显高于未添加褐煤的荧光强度。 FTIR显示, 18 d的有机肥发酵过程中DOM中的碳水化合物、 蛋白质被逐渐分解, 而羧基、 含苯环的物质含量明显增加。 随着发酵的进行, DOM中的非腐殖质物质转化为类腐殖质, 不饱和结构的多聚化或联合程度变大, 稳定度增加; 添加褐煤可以有效促进羊粪中木质素类物质的分解, 提高羊粪有机肥DOM的芳构化程度, 促进羊粪有机肥腐熟。
羊粪 褐煤 有机肥 水溶性有机物 光谱学特性 Sheep manure Lignite Organic fertilizer Dissolved organic matter Spectroscopic characteristics 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3579
为了探究添加钙基膨润土(CB)对猪粪好氧堆肥过程中水溶性有机物(DOC)动态变化的影响, 向猪粪和木屑混合物料中添加不同质量比的CB, 采用自制的强制通风好氧发酵装置, 进行了为期60天的好氧堆肥试验。 定期采集堆肥样品并进行冷冻干燥, 通过紫外-可见光谱(UV-Vis), 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和荧光光谱(FS)相结合的方法, 对堆肥样品中DOC光谱特征的变化进行研究。 结果表明, 在堆肥过程中DOC呈降低趋势, 且随着CB添加量的增多, DOC的降解率为49.11%~62.92%； 堆肥DOC相应的UV-Vis和FS光谱分析显示, 类腐殖质的特征峰强度不断升高, 而碳水化合物、 类蛋白的特征峰强度逐渐降低； 且与对照相比, 添加钙基膨润土使类腐殖质特征峰的强度增大, 峰位置红移。 堆肥结束时, 相较于对照, 添加CB处理的光谱特征参数SUVA254, SUVA280和腐殖化系数分别增加了16.51%~47.72%, 8.58%~44.02%和23.16%~88.22%, 且5%添加比例最佳, 这被FTIR解析峰密度进一步证实； 相关性分析显示, SUVA254与堆肥腐熟度呈极显著相关, 可指示堆肥腐熟度。 综上所述, 随着堆肥的进行, 有机物由非腐殖质向腐殖质转化, DOC的分子质量及芳构化程度逐渐增加, 且添加CB对这一过程具有促进作用, 并以5%添加比例最佳。
堆肥 钙基膨润土 水溶性有机物 光谱分析 腐殖化程度 Composting Ca-bentonite Dissolved organic carbon Spectra Humification degree 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1856
1 中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地， 北京 100012
2 桂林理工大学环境工程学院， 广西 桂林 541006
3 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012
4 兰州交通大学环境与市政工程学院， 甘肃 兰州 730070
水溶性有机物(DOM)所在的固-液交界面是化学反应和微生物活动最活跃的部分。 DOM中存在具有氧化还原作用的含氧芳香性官能团， 使得DOM能影响有机污染物和重金属污染物迁移与转化。 堆肥物料猪粪含有丰富且有利于微生物生长的氮元素， 其DOM结构变化可能具有一定的独特性。 本研究选取8个不同阶段的猪粪堆肥样品， 提取其中的DOM， 利用紫外-可见光光谱和三维荧光光谱等现代光谱学方法， 并结合基础理化指标解析猪粪堆肥DOM的结构和组分演变特征。 在堆肥过程中可溶性有机碳和总有机碳分别降低了5888%和1630%， 说明可溶性有机碳的降解速率要高于不可溶性有机碳。 紫外-可见光光谱特征值SUVA254， SUVA280和E253/E203均随着堆肥过程呈现出逐渐增加的趋势， 表明堆肥过程DOM芳香性升高， 大分子有机质含量增大， 芳环取代基中含氧基团增多。 基于三维荧光光谱体积积分中类酪氨酸、 类色氨酸和微生物代谢产物的百分比分别从1596%， 1814%和2545%降低至553%， 1127%和1796%， 而类胡敏酸和类富里酸的百分比则分别从1767%和2277%增加至2062%和4462%， 这一方面是由于DOM中各有机质组分中类蛋白物质降解速率比类腐殖质物质快， 另一方面是由于随着堆肥进行一部分类蛋白物质会转化为类腐殖质物质。 研究结果可为调控生产稳定化、 无害化的堆肥产品提供科学依据。
猪粪堆肥 水溶性有机物 荧光光谱 紫外-可见光光谱 Swine manure composting Dissolved organic matter Fluorescence spectroscopy UV-Visable spectra 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1526
1 东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨150030
2 华北水利水电大学水利学院, 河南 郑州450045
水溶性有机物荧光特性是评价有机废弃物堆肥腐殖化程度的重要手段之一。 针对现有方法大都局限于腐殖化程度的定性表征等问题, 基于投影寻踪方法, 该研究开展了堆肥腐熟程度分级评价的定量表征。 通过对不同来源有机废弃物堆肥过程中样品水溶性有机物(DOM)荧光特性参数获取, 采用统计分析表明, 荧光参数I436/I383, FLR, PHA/Pro, A4/A1, r(A,C)两两之间显著相关(p<0.01), 可作为综合评价指标。 在此基础上, 确定完全腐熟(Ⅰ级)、 较腐熟(Ⅱ级)、 基本腐熟(Ⅲ级)、 未腐熟堆肥(Ⅳ级)4个腐熟等级荧光参数取值区间。 模型运算得到各等投影值分别为2.01～2.22(Ⅰ级)、 1.21～2.0(Ⅱ级)、 0.57～1.2(Ⅲ级)、 0.10～0.56(Ⅳ级)。 模型验证证实, 各样品的实际腐熟度等级与模型所得到腐熟与未腐熟样品的评价结果准确率为100%, 因此, 该评价方法对有机废弃物的实际堆肥具有重要的指导意义。
有机废弃物 荧光光谱特性 水溶性有机物 腐熟度评价 投影寻踪 Organic waste matter Fluorescence spectra characteristics Dissolved organic matter Assessment of compost maturity Projection pursuit classification 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2940
1 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
2 中原工学院, 河南 郑州 450007
3 中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地, 北京 100012
4 第二炮兵工程大学, 陕西 西安 710025
采用三维荧光技术,结合荧光区域一体化积分的分析方法,研究了一个表面流+垂直流复合人工湿地处理两条污染河流废水中水溶性有机物的荧光特征变化,结果表明:(1)该人工湿地中水溶性有机物腐殖质的主要来源为生物代谢输入而非陆源输入;(2)在表面流人工湿地的后段,部分类蛋白类物质转化为类富里酸类物质,表明经过表面流人工湿地处理之后,水溶性有机物的组成成分发生显著变化,并且有机物结构趋于稳定.而垂直流人工湿地对类腐殖酸物质峰具有明显的削弱作用;(3)表面流人工湿地对水溶性有机物的结构转化意义重大,可以显著提高水溶性有机物的稳定性.表面流+垂直流的复合人工湿地工艺对水溶性有机物具有良好的去除效果.
水溶性有机物 三维荧光技术 复合人工湿地 荧光区域一体化积分 Dissolved organic matter(DOM) Three-dimensional excitation emission matrix fluor Combined constructed wetland Fluorescence regional integration(FRI) 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2212
1 东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2 中国环境科学研究院水环境系统工程研究室, 北京 100012
水溶性有机物(DOM)紫外-可见吸收光谱特性是评价堆肥腐熟度重要方法之一,但由于紫外-可见吸收光谱指标众多,单指标评价具有较大局限性.因此,本研究开展了影响堆肥腐熟度的关键紫外-可见光谱特性指标识别,并采用化学剂量学方法评价了不同来源堆肥腐熟程度.与传统单一物料评价相比,优选的评价指标及评价方法更具普适性.不同物料堆肥过程中DOM紫外-可见光谱特性分析结果表明,SUVA254和SUVA280值呈明显的增加趋势,E250/E365和E4/E6值呈相反的趋势,而A226～400,S275～295,S350～400值则在堆肥末期变化显著.相关分析表明不同紫外-可见光谱参数(E2/E4和E235/E203除外)彼此之间相关性显著;主成分分析显示,DOM紫外-可见光谱指标A226～400,SUVA254,S350～400,SUVA280,S275～295可作为堆肥腐熟程度关键影响评价指标.在此基础上,采用筛选的特性指标对堆肥末期进行聚类分析,可将九种不同来源堆肥分为两大类,第一类为猪粪、鸡粪、污泥、秸秆、园林垃圾、果蔬及生活垃圾等腐熟程度较低的堆肥;第二类为杂草和厨余腐熟程度较高的堆肥。
有机废弃物 堆肥 水溶性有机物 紫外-可见光谱 腐熟程度 Organic waste matter Composting Dissolved organic matter UV-Vis spectra Maturity degree
