不同原料堆制有機肥腐殖酸的化學組成與結(jié)構特征

李章海，朱　凱，彭　宇，馬　瑩，江玉平，郭亞利，高　貴

（1.中國科學技術大學，合肥 230052；2.貴州省煙草公司黔西南州公司，貴州 興義 562400）

不同原料堆制有機肥腐殖酸的化學組成與結(jié)構特征

李章海1，朱凱1，彭宇2，馬瑩2，江玉平1，郭亞利2，高貴2

（1.中國科學技術大學，合肥 230052；2.貴州省煙草公司黔西南州公司，貴州 興義 562400）

采用元素分析、傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、固體13C核磁共振（NMR）以及電鏡掃描技術，對3種不同物料堆積的有機肥（T1，玉米桿:牛糞:菜籽餅=60:50:30；T2，玉米桿:廢次煙草:牛糞:菜籽餅=35:25:40:30；T3，煙稈:廢次煙葉:豬糞:菜籽餅=30:30:40:30）中腐殖酸的化學組成與結(jié)構特征進行了初步研究。結(jié)果顯示：（1）不同有機肥中腐殖酸的C、H、N、O的含量均表現(xiàn)為T3>T2>T1；（2）FT-IR分析顯示，T3樣品中腐殖酸的雙鍵H和苯環(huán)H較T1、T2樣品多；T2樣品在1050 cm-1處的吸收強度相對較強；1710 cm-1處的吸收峰T3樣品最明顯，含有羧基和羰基官能團最多，T1樣品中最少。（3）固體13C-NMR分析結(jié)果顯示，脂肪碳（δ 0～50）含量T3樣品最高，含氧脂肪碳（δ 50～110）含量T1樣品最高，芳香碳（δ 110～160）含量T2樣品最高，δ 160～230的羧基碳和羰基碳含量表現(xiàn)為T2=T3>T1；（4）電鏡掃描結(jié)果顯示，3種腐殖酸顆粒的表面具有維管狀結(jié)構和孔隙，維管結(jié)構數(shù)量表現(xiàn)為T3>T2>T1，孔隙數(shù)量則表現(xiàn)為T1>T2>T3。以上結(jié)果表明，3種腐殖酸的化學組成與結(jié)構特征有著明顯差異。

有機肥；腐殖酸；化學元素；紅外；13C核磁共振；結(jié)構特征；電鏡掃描

腐殖酸是有機肥的重要組成成分，其活性基團具有親水性和吸附性，可與金屬離子生成螯合物，對土壤結(jié)構和肥力形成具有重要作用。同時腐殖酸有良好的生理活性，對作物營養(yǎng)和代謝具有極為重要的作用[1]。腐殖酸大量存在于褐煤、泥炭等天然物質(zhì)中，同時也存在于堆制而成的有機肥料中。目前，我國農(nóng)業(yè)廢棄物每年排放量為40多億t，其中畜禽糞便排放量為26.1億t，農(nóng)作物秸桿為7.0億t，餅粕類為0.25億t[2-3]。資源化利用是未來生物質(zhì)廢棄物處理的主流。近幾年，利用農(nóng)作物秸桿、家畜糞便加生物發(fā)酵菌制作有機肥，腐熟后期添加20%～30%的餅肥，制成優(yōu)質(zhì)生物有機肥，在烤煙生產(chǎn)中施用能明顯提高煙葉油分、香氣質(zhì)、香氣量和工業(yè)可用性[4]。堆肥過程是腐殖酸生成和演化的一個快速進程，堆制過程中腐殖酸的動態(tài)變化與堆肥的穩(wěn)定性、腐熟程度密切相關。宋海燕等[1]對泥碳、稻田、魚塘和河流中的腐殖酸的化學組成與結(jié)構進行了研究，吳峰等[6]對堆肥過程中不同碳氮比物料有機肥中腐殖酸含量、化學組成與結(jié)構特征進行了分析。對于不同堆肥原料以及堆肥的不同階段腐殖酸的生成規(guī)律及結(jié)構特性的研究還不夠[7]。本文對3種不同配料有機肥中的腐殖酸化學組成和結(jié)構特征進行了分析，通過數(shù)據(jù)比較了不同配料堆捂的有機肥中腐殖酸化學組成和結(jié)構特征差異，旨在為充分利用不同來源的生物質(zhì)廢棄物，進行有機肥的科學制作和合理利用提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試材料為3種有機肥。其物料組成與配比見表1。這3種有機肥按有機肥堆制規(guī)范要求，經(jīng)3個月發(fā)酵堆制而成，堆制的條件相同，起始原料的C/N調(diào)整到30/1，物料水分含量為65%左右。各處理物料總干重1000kg，其中菜籽餅在有機肥堆制75 d后翻堆時加入，用翻堆機充分拌勻，再堆制15 d。發(fā)酵結(jié)束后從發(fā)酵堆的前、中、后部位，每個部位分上、中、下3個點各取有機肥樣品1 kg，對9個點位的樣品充分混合，用四分法濃縮至1 kg備用。有機肥樣品晾干后粉碎，過100目篩，供腐殖酸提取使用。

表1　供試材料原料組成及配比Table 1　The ratio of the compositions and proportions of the test materials

1.2腐殖酸的提取

參照IHSS推薦的分離方法[5]提取有機肥樣品中的腐殖酸。具體操作過程參照文獻[1]。

1.3測試方法

1.3.1元素分析腐殖酸樣品的C、H、N、O元素組成，采用德國Elementar公司Vario EL cube元素分析儀測定，測定C、H、N的爐溫分別為：燃燒管950℃、還原管550℃，測定O的爐溫為1150℃。1.3.2傅立葉變換紅外分析（FT-IR）將1 mg研磨均勻的腐殖酸樣品與60 mg光譜純KBr混合壓片，在Perkin Elmer 1725 X型傅立葉變換紅外光譜儀上測定。

1.3.3固體13C核磁共振分析（NMR）在Bruker AVANCE AV III 400WB型核磁共振儀上測定。測定方法參照JY/T 007—1996超導脈沖傅立葉變換核磁共振譜方法通則，13C以金剛烷C10H16的二條13C 峰29.50 mg/kg和38.56 mg/kg為參照。固體NMR樣品均為粉末樣品，一般需0.3 mL（壓緊）樣品。

1.3.4電子顯微鏡掃描取少量灰白色粉末樣品，將其均勻灑落在貼有導電碳膠帶的樣品臺上，并用洗耳球?qū)⑽凑掣降臉悠贩勰┐等?。通過離子濺射儀在樣品表面噴鍍金導電膜后，將樣品臺放置于電鏡樣品室中，對樣品進行微觀形貌觀察，并拍攝適宜放大倍數(shù)的掃描電鏡照片（肖特基發(fā)射掃描電子顯微鏡，儀器型號：SIRION 200，美國FEI電子光學公司）。

2　結(jié)果

2.1元素組成特征

3種不同物料來源的腐殖酸的元素組成見表2，其中C元素含量為34.98%～46.39%，H元素含量為4.31%～5.59%，N元素含量為3.62%～6.90%，O元素含量為23.96%～33.59%，均表現(xiàn)為T3>T2>T1。

通常，樣品的O/C、H/C和C/N原子比可以用來描述不同形成條件下腐殖酸的性質(zhì)和結(jié)構的差異[1,9]。其中O/C原子比被認為是腐殖酸中碳水化合物和羧酸含量的指標。比較3種樣品的O/C原子比可以看出，T2的O/C原子比比值最高，為0.59，其次是T3為0.54，T1最低為0.51，3種腐殖酸的O/C原子比并沒有很大的差別，可以認為3種腐殖酸中的碳水化合物和羧酸含量大致相當。

表2　元素含量及原子比Table 2　Element contents and the atomic ratios

H/C可以作為堆制有機肥的有機質(zhì)組分的來源標志[1,9]。3種腐殖酸的 H/C原子比依次為T2(1.48)>T1(1.47)>T3(1.44)，差別不大，表明3種有機肥堆制的原料來源相近。

腐殖酸的C/N比值也可以作為堆制有機肥的有機質(zhì)的來源指標[1]。3種腐殖酸的C/N原子比為7.84～12.18，這3種腐殖酸的前體所用原料為陸生維管植物和動物糞便，因此，可以認為由于動物糞便中含有較高的有機質(zhì)，C/N原子比相對較低，進而使得堆制而成的有機肥中的腐殖酸C/N原子比也比較低。

2.2傅立葉變換紅外光譜特征

3種腐殖酸樣品的傅立葉紅外吸收光譜圖如圖1。可見，不同腐殖酸樣品的紅外光譜特征非常相似：650～1000 cm-1處可以歸屬為C=C雙鍵上H的彎曲振動(δ C=C-H)和苯環(huán)上H的面外振動(Ar-H)；1050 cm-1處可以歸屬于O-H伸縮振動(ν-OH)；1250 cm-1處主要為羧酸官能團的C-O伸縮振動(ν C-O)和O-H的變形振動(δ O-H)；1400 cm-1處包括醇或羧酸類的O-H彎曲振動(δ O-H)和酚類的C-O伸縮振動峰(ν C-O)；1630 cm-1處包括芳環(huán)的骨架振動C=C吸收(ν C=C)，H鍵締合C=O吸收(ν C=O)和酰胺鍵(ν O=C-H)等相互疊加吸收峰；1710 cm-1處的羧酸和羰基官能團的C=O伸縮振動吸收(ν C=O)；2800～3000 cm-1的脂肪C-H伸縮振動吸收(ν C-H)；2500～3500 cm-1處強而寬的締合-OH伸縮振動吸收(ν O-H)[9-11]。這些相似的FT-IR光譜特征都表明了腐殖酸分子具有十分類似的結(jié)構特征和官能團信息。但是，仔細比較3種腐殖酸的紅外光譜圖之后可以發(fā)現(xiàn)，盡管3個圖在吸收峰上大致相同，它們之間仍存在差異：T3在650～1000 cm-1處的吸收強度高于T1、T2，這表明T3中腐殖酸的雙鍵H和苯環(huán)H較T1、T2多；T2在1050 cm-1處的吸收強度與T1、T3相比相對較強；1710 cm-1處的吸收峰T3最明顯，T1最不明顯，表明T3中含有羧基和羰基官能團最多，T1最少；此外，T3在2800～3000 cm-1處相比較于T1、T2也沒有明顯雙峰。

圖1　3種腐殖酸樣品的傅立葉紅外吸收光譜圖Fig.1　The Fourier transform infrared absorption spectra of the three humic acid samples

2.3固體13C-NMR波譜

3種腐殖酸樣品的固體13C-NMR譜圖如圖2?？梢钥闯觯瑤缀跛械母乘針悠范紮z測到了7個核磁共振峰，依次為：甲基/亞甲基(δ 29)、甲氧基(δ 55)、碳水化合物(δ 73)、烷基取代的芳香碳(δ 130)、與氧相連的芳香碳(δ 155)、羧基碳(δ 172)和羰基碳(δ 220)等共振峰[1,8,10]。

圖2　3種腐殖酸樣品的固體13C-NMR譜圖Fig.2　The solid13C-NMR spectra of the three humic acid samples

各個峰的積分面積以及所占的百分比見表3。這些峰可以歸屬于4個不同的結(jié)構帶：脂肪碳(δ 0～50)、含氧脂肪碳(δ 50～110)、芳香碳(δ 110～160)、羧基碳/羰基碳(δ 160～220)[1,10,12]。這說明3種腐殖酸具有類似的化學結(jié)構，主要由芳香碳、脂肪碳以及含氧的基團等構成。

表3　各官能團積分面積百分比與特征峰比值Table 3　The percentages of integral areas of different functional groups and the ratios of characteristic peaks

積分結(jié)果顯示，T3中脂肪碳（δ 0～50）的含量最高，為28%，其次為T1，為23%，T2最低，為20%。這可能與T3中使用豬糞，T1、T2樣品中使用牛糞有關（豬為雜食動物，而牛是食草動物），而T1中更多的玉米稈來源很可能也是導致T1中脂肪碳比T2中要多的原因。

在δ 50～110的含氧脂肪碳區(qū)域內(nèi)的兩個峰分別為甲氧基和碳水化合物結(jié)構，如：-CH(OH)-或-CH2-O-C-等。其中最高為T1（30%），其次為T2樣品（29%），最低為T3（23%）。

含氧脂肪碳含量上的差異，既與堆制腐殖酸的有機質(zhì)來源有關，也與腐殖酸的腐殖化程度有關[9]。

在δ 110～160區(qū)域內(nèi)，有2個共振峰分別為與氫或碳相連的芳香碳(δ 130)和與氧相連的芳香碳(δ 155，不明顯)。對比這2個峰的積分面積可知，3種腐殖酸在整個區(qū)域的積分面積表現(xiàn)為T2>T1>T3，T2的腐殖酸具有較多的芳香結(jié)構。

δ 160～230范圍的碳以羧基碳和羰基碳為主，同時也包括酰胺碳、酯碳在內(nèi)的各種碳，具體含量表現(xiàn)為T2=T3>T1，表明T2、T3樣品的腐殖酸含有比T1樣品稍多的羧基/羰基官能團。

上述分析可見，3種腐殖酸樣品所含官能團以芳香碳為主，其次是含氧脂肪碳和脂肪碳，最少的是羧基碳和羰基碳。T1和T2都表現(xiàn)為芳香碳>含氧脂肪碳>脂肪碳>羧基碳和羰基碳；而T3為芳香碳>脂肪碳>含氧脂肪碳>羧基碳和羰基碳。

2.4電子顯微鏡掃描

由電鏡掃描圖（圖3）可見，3種有機肥在提取腐殖酸之前其表面特征表現(xiàn)為大小不等的顆粒，差異不是很大。在提取腐殖酸之后，在20000X電鏡照片上可以清楚地看見，3種腐殖酸顆粒的表面有著相同的維管狀結(jié)構，數(shù)量上，T3處理的腐殖酸遠多于T2處理多于T1處理；同時3種腐殖酸顆粒的表面也存在著孔隙，且孔隙的相對數(shù)量T3處理的腐殖酸少于T2處理，遠少于T1處理。這可能與3種腐殖酸C、H、N、O元素含量有明顯差異有關。

3　討論

腐殖酸是一類成分復雜的高分子有機物質(zhì)，主要由脂肪碳、含氧脂肪碳、芳香碳和羧基碳/羰基碳等組成。本研究表明，由不同原料堆制的有機肥中的腐殖酸在化學組成和結(jié)構上基本保持一致，但在具體的官能團組成和結(jié)構單元上還是明顯不同，表3不同原料在堆制過程中，所形成的腐殖酸種類和數(shù)量存在差異性。這可能與原料自身所含的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物等物質(zhì)含量差異有關，同時也受堆制過程中微生物種類、溫度、水分等因素變化的影響。

傅立葉變換紅外光譜的分析結(jié)果顯示，相比較于土壤腐殖酸的研究[10]，有機肥腐殖酸和土壤腐殖酸在500cm-1、1050cm-1、1710cm-1以及2500～3500cm-1處都有明顯吸收峰，不同的是，從土壤中提取出來的腐殖酸在1050 cm-1處的峰值更高，而從有機肥中提取出來的腐殖酸在1710 cm-1處的峰值更高。這說明土壤中的腐殖酸有更多的羥基官能團，而有機肥中的腐殖酸則有更多的羧基和羰基官能團。

固體13C-NMR波譜研究結(jié)果顯示，土壤中的腐殖酸在烷氧基碳(δ 50～110)和芳香族碳(δ 110～160)處的峰比較明顯[10]，說明土壤中的腐殖酸烷氧基碳和芳香族碳占大多數(shù)；而有機肥中的腐殖(δ 110～160)處的峰比較明顯之外，在脂肪類碳(δ 0～50)和羧基碳(δ 160～190)處也有明顯的峰，說明有機肥中的腐殖酸不僅含有較多的烷氧基碳和芳香族碳，也同樣含有較多的脂肪碳和羧基碳。

圖3　3種有機肥及其提取的腐殖酸樣品電鏡掃描圖Fig.3　Scanning electron microscope of three kinds organic fertilizers and their humic acids

本試驗中不同有機肥腐殖酸化學組成和結(jié)構差異的結(jié)果，有助于全面了解不同生物原料堆肥過程中的化學變化，為合理制作和利用有機肥提供科學依據(jù)。但其在土壤改良、作物生長與品質(zhì)形成中的作用，尚有待于進一步研究。

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Chemical Composition and Structural Characteristics of Humic Acids Extracted from Organic Fertilizers Composted by Different Materials

LI Zhanghai1,ZHU Kai1,PENG Yu2,MAYing2,JIANG Yuping1,GUO Yali2,GAO Gui2
(1.University of Science and Technology of China,Hefei 230052,China；2.Qianxinan Prefecture Company,Tobacco Companies of Guizhou Province,Xingyi,Guizhou 562400,China)

the chemical composition and structure characteristics of humic acid in three kinds types of organic fertilizers(T1,corn stalk:cow dung:rapeseed cake=60:50:30;T2,corn stalk:tobacco waste:cow dung:rapeseed cake=35:25:40:30;T3,tobacco stem: tobacco waste:pig dung:rapeseed cake=30:30:40:30)are were studied using elemental analysis,Ffourier transform infrared spectroscopy(FT IR),solid13C nuclear magnetic resonance(NMR)and electron microscope scanning.The results showed that(1)C, H,N,O contents of organic humic acid were in T3>in T2>in T1;(2)The FT-IR analysis showed that H-H and benzene H in humic acid in T3 were higher than>in T1 and T2.The absorption intensity at 1050 cm-1 of T2 is was relatively strong.Absorption intensity at 1710 cm-1 of the T3 sample is was the most strongest among the 3 treatments,which containing the most carboxyl and carbonyl functional groups.(3)The solid 13C-NMR analysis results showed that the fat content of carbon(δ0～50)in T3 and the carbon oxygen fat(δ50～110)content in T1 and the aromatic carbon(δ110～160)content in T2 arewere the highest among the three treatments respectively,and that the carboxyl and carbonyl(δ160～230)carbon contents were in T3=in T2>in T1;(4)the The electron microscope scanning results showed that there are were vascular structures and space surfacepores on the surface of humic acid particles,with the number of vascular structures of T3>of T2>of T1,and the number of gap pores in the reversed orderon the contrary.In summary,significant difference was observed inThe results showed that the chemical composition and structure characteristics of the three kinds types of humic acid has obvious difference.

organic fertilizer;humic acid;chemical elements;IR,13C-NMR;structural characteristics;scanning electron microscope

S572.062

1007-5119（2016）03-0040-05

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.03.007

中國煙草總公司貴州省公司重點科技項目（201411）

李章海，男，副教授，主要從事煙草化學調(diào)控、營養(yǎng)和品質(zhì)評價教學與研究工作。E-mail：lzhai@ustc.edu.cn

2015-05-29

2016-03-11