幾種原料生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的光譜特征研究

周向陽,劉佳玥,孫尚貴,雷文娟①

(1.貴州大學(xué)茶學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

生物炭(Biochar)作為一種環(huán)境友好型土壤改良和修復(fù)劑,近年來成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)。土壤中施入生物炭后可改變土壤pH值、有機(jī)碳含量、陽離子交換量[1]、孔隙度和持水能力[2-3]、團(tuán)聚性[4]以及微生物活動(dòng)[5]等,并且合理施用生物炭可強(qiáng)化土壤氮和磷的生物化學(xué)循環(huán)[6],為作物提供養(yǎng)分,提高作物產(chǎn)量[7];另外,生物炭通過其強(qiáng)大的吸附作用可降低土壤中污染物的遷移能力,從而降低污染水體的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

但是生物炭通常以細(xì)小顆粒的形式施入土壤中,其作為碳源易產(chǎn)生溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)。DOM是指通過0.45 μm孔徑濾膜,能溶于水、酸和堿溶液,具有不同結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和分子大小的有機(jī)物的連續(xù)體或混合體[9-10],是自然生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組分,對(duì)于土壤中養(yǎng)分循環(huán)、微生物活性和污染物的遷移與轉(zhuǎn)化等方面都有重要的影響作用[11-13]。目前,大多數(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注生物炭施加后對(duì)土壤DOM含量、組分特征等因素的影響,或不同熱解溫度對(duì)生物炭DOM影響的2個(gè)方面。前者揭示添加生物炭總體上能提高土壤DOC含量,增強(qiáng)DOM的生物可利用性,且長期施入生物炭會(huì)增加大分子量腐殖酸類物質(zhì),減少小分子量蛋白類物質(zhì)[14-19]。后者的相關(guān)研究表明,與低溫制備的生物炭相比,高溫制備的生物炭DOC含量降低,但其DOM的芳香化和腐殖化程度升高,穩(wěn)定性增強(qiáng)[20-21]。

另一方面,原料對(duì)生物炭的DOM含量和分子結(jié)構(gòu)影響非常大。有研究表明,水稻秸稈生物炭中DOM含量和腐殖化程度高于杉木凋落物生物炭[22];木屑生物炭中DOM含量高于稻殼生物炭,而稻殼生物炭DOM的腐殖化、芳香化程度和疏水組分比例則高于木屑生物炭DOM[23]。由此可知,生物炭原料不僅影響DOM含量,而且影響DOM的化學(xué)特性,但是其結(jié)構(gòu)和影響機(jī)制還有待進(jìn)一步解析。此外,光譜分析具有檢測(cè)速度快、無損性、反應(yīng)信息綜合量大、測(cè)試精度較高等優(yōu)點(diǎn)。如傅里葉紅外分析能夠迅速判定出DOM的基本官能團(tuán)[24];三維熒光光譜能夠識(shí)別DOM的主要成分、來源和地球化學(xué)特征[25];紫外-可見光譜能夠辨別DOM相對(duì)分子質(zhì)量和芳香族化合物含量等[26]。這些技術(shù)為快速判定DOM的組成、關(guān)鍵基團(tuán)、應(yīng)用途徑和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等提供了重要的技術(shù)支撐。

因此,筆者以蘋果枝條、橘樹枝條、花生殼、玉米秸稈和水稻秸稈5種生物質(zhì)為原材料,在同一溫度下熱解制備成生物炭,提取其DOM,然后采用紫外-可見光譜、三維熒光光譜和傅里葉變換紅外光譜識(shí)別5種生物炭樣品中DOM含量并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,以期為生物質(zhì)資源的合理利用及潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 生物炭的制備

實(shí)驗(yàn)所采用的蘋果枝條、橘子枝條、花生殼、玉米秸稈和水稻秸稈取自貴州省某農(nóng)田,按照結(jié)構(gòu)和組分可簡(jiǎn)單劃分為木質(zhì)類、殼類、秸稈類3類。生物炭的制備過程[22]如下：(1)將各生物質(zhì)用去離子水沖洗干凈后自然風(fēng)干,在80 ℃烘箱中烘24 h至恒重,溫度降至室溫,使用快速粉碎機(jī)粉碎并過0.85 mm孔徑篩;(2)將過篩后的生物質(zhì)原料放入帶蓋的陶瓷坩堝中,用鋁箔包裹后置于馬弗爐中,在500 ℃限氧條件下熱解2 h,待馬弗爐冷卻至室溫后取出樣品,粉碎后過0.15 mm孔徑篩,裝袋儲(chǔ)存于干燥黑暗處備用。熱解后制備的5種生物炭分別標(biāo)記為蘋果枝條(PG)、橘子枝條(JZ)、花生殼(HS)、玉米秸稈(YM)和水稻秸稈(SD)。

1.2 DOM的提取與測(cè)定

生物炭DOM提取方法[27]：用固液比(m∶V)為1∶50 的去離子水提取,于避光條件下置于恒溫(25 ℃)搖床中振蕩48 h,離心10 min(轉(zhuǎn)速為15 000 r·min-1,離心半徑為4 cm)后取上清液過0.45 μm孔徑玻璃纖維濾膜,將過濾液置于棕色瓶中,并在4 ℃下避光保存?zhèn)溆谩２捎每傆袡C(jī)碳分析儀(Vario TOC,德國)測(cè)定各生物炭樣品DOM的溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)含量,同時(shí)用PHS-3C pH計(jì)測(cè)定pH值。

1.3 紫外-可見吸收光譜測(cè)定與分析

采用紫外-可見分光光度計(jì)(UH5300,日本)測(cè)定生物炭樣品DOM的紫外可見光光譜特征：將樣品置于10 mm石英比色皿中,以超純水為空白,以2 nm的間隔波長對(duì) 200～800 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,測(cè)定其吸光度。通過紫外可見光光譜中提取的特征光譜參數(shù)進(jìn)行DOM相關(guān)性質(zhì)的表征：相對(duì)分子質(zhì)量參數(shù)M為波長250與365 nm處吸收系數(shù)的比值,用于估算DOM的相對(duì)分子質(zhì)量大小,值越高則DOM相對(duì)分子量越小[28-29];SUVA254為波長254 nm處的吸收系數(shù)與DOC濃度的比值,可用于表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物含量,SUVA254越高,腐殖質(zhì)和芳香族化合物含量越高[30];SUVA260為波長260 nm處的吸收系數(shù)與DOC濃度的比值,表征疏水組分在DOM中所占比例,其值越高,表明疏水組分所占比例越高[31]。

1.4 三維熒光光譜測(cè)定與分析

采用熒光分光光度計(jì)(棱光97Pro,上海)測(cè)定生物炭樣品DOM的三維熒光光譜特征。將樣品置于10 mm石英比色皿中,以超純水為空白,激發(fā)波長(Ex)的掃描范圍為200～600 nm,間隔為10 nm,發(fā)射波長(Em)的掃描范圍為200～600 nm,間隔為5 nm,掃描速度為48 000 nm·min-1,增益(PMT)為650 V,響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)匹配。運(yùn)用MATLAB 2014b運(yùn)行dreem工具包對(duì)掃描所得的三維熒光光譜進(jìn)行扣除空白、紫外矯正、切除散射、插值等預(yù)處理[32-33],最后采用區(qū)域積分法對(duì)三維熒光光譜的組分進(jìn)行解析,并計(jì)算相關(guān)光譜參數(shù)(表1)。

表1 DOM三維熒光光譜特征參數(shù)[17,34]

三維熒光區(qū)域積分法步驟[34]：按照激發(fā)與發(fā)射波長的不同范圍將熒光光譜分為5個(gè)區(qū)域,分別為區(qū)域Ⅰ(Ex/Em=220～250 nm /280～330 nm)類色氨酸區(qū)域;區(qū)域Ⅱ(Ex/Em=220～250 nm /330～380 nm)類酪氨酸區(qū)域;區(qū)域Ⅲ(Ex/Em=220～250 nm /380～550 nm)類富里酸區(qū)域;區(qū)域Ⅳ(Ex/Em=250～400 nm /280～380 nm)可溶性微生物降解產(chǎn)物區(qū)域;區(qū)域Ⅴ(Ex/Em=250～400 nm /380～550 nm)類胡敏酸區(qū)域。通過各區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)積分體積Φi,n間接表征各區(qū)域所代表的有機(jī)物質(zhì)的相對(duì)含量。

Φi=∑Ex∑Em×I(λEx×λEm)×dλEx×dλEm,

(1)

Φi,n=Fi×Φi,

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中,Φi為區(qū)域i的積分體積;I(λEx×λEm)為激發(fā)與發(fā)射波長對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度;Φi,n為區(qū)域i經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的標(biāo)準(zhǔn)積分體積;ΦT,n為各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)積分體積之和;Pi,n為區(qū)域i標(biāo)準(zhǔn)積分體積占總積分體積的比例;Fi為各區(qū)域的倍增因子,為區(qū)域i積分面積與總積分面積之和比值的倒數(shù),區(qū)域Ⅰ為20.4,區(qū)域Ⅱ?yàn)?6.4,區(qū)域Ⅲ為4.81,區(qū)域Ⅳ為8.76,區(qū)域Ⅴ為1.76[34]。

1.5 傅里葉紅外光譜測(cè)定與分析

采用KBr壓片法進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)定[11]：將0.001 g冷凍干燥后的DOM樣品與0.1 g KBr研磨混勻后壓片,使用傅里葉紅外光譜儀(FTIR850,天津)在400～4 000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描,分辨率為1 cm-1,用于表征生物炭DOM的表面官能團(tuán),最后根據(jù)相應(yīng)的波段分析其所屬官能團(tuán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭DOM的pH值與DOC濃度

5種生物炭樣品DOM的pH值范圍在7.85～9.18之間,均呈堿性,與大部分生物炭的堿性性質(zhì)一致[11]。這5種生物炭中木質(zhì)類生物炭pH值最高,秸稈類次之,殼類最低。通常不同原材料生物炭的pH值為秸稈類最高,木質(zhì)類和殼類次之,與灰分含量成正相關(guān)[35]。YM、SD秸稈生物炭pH值范圍在6.75～10.73和7.78～11.30之間,PG枝條生物炭為10.33～10.99[35-36]。該研究中木質(zhì)類生物炭樣品DOM的pH值最高,這可能是由于實(shí)際原材料和燒制溫度不同所致。

DOC是DOM的重要表征,5種生物炭樣品的DOC含量在0.95～10.29 mg·g-1之間,其中PG、JZ和HS的DOC較低,分別為1.04、0.95與0.62 mg·g-1;而SD與YM的DOC含量較高,分別為10.29與7.10 mg·g-1。據(jù)報(bào)道,木本生物炭比草本生物炭產(chǎn)生的DOM含量低[37],其原因是與草本原料相比,木本原料通常含有比半纖維素和纖維素更穩(wěn)定的木質(zhì)素[38],從而更有利于形成不溶性生物炭,降低了木本生物炭產(chǎn)生的DOC含量[39]。此外,研究中生物炭制備溫度條件相同,可能導(dǎo)致木質(zhì)類原料炭化不完全,有利于形成固態(tài)生物炭,從而導(dǎo)致其DOC含量較低[28]。

2.2 生物炭DOM的紫外-可見吸收光譜特征

PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。

生物炭DOM的紫外可見光譜特征參數(shù)如表2所示。相對(duì)分子質(zhì)量參數(shù)M常用于估算DOM的相對(duì)分子質(zhì)量大小,M值越小則DOM的相對(duì)分子質(zhì)量越大[29]。5種生物炭DOM中,秸稈類生物炭的M值最小,木質(zhì)類生物炭次之,殼類生物炭M值最大。這說明秸稈類生物炭DOM的相對(duì)分子質(zhì)量明顯大于木質(zhì)類和殼類,這也造成不同生物炭DOM生物可利用性的差異。通常相對(duì)分子量較大的DOM更難被生物利用,說明秸稈類生物炭DOM更難被生物所利用[29]。

表2 不同原料生物炭的紫外-可見光、三維熒光光譜特征參數(shù)

PG為蘋果枝條;JZ為橘子枝條;HS為花生殼;YM為玉米秸稈;SD為水稻秸稈。M為DOM相對(duì)分子質(zhì)量;SUVA254表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物的含量;SUVA260表征疏水組分在DOM中所占比例;BIX為腐殖化指數(shù);HIX為自生源指數(shù)。

2.3 生物炭DOM的三維熒光光譜特征

5種生物炭DOM的三維熒光光譜如圖2所示?？梢钥闯?不同DOM樣品的三維熒光特性差異明顯。Ⅰ區(qū)代表類色氨酸物質(zhì),其中木質(zhì)類和殼類生物炭DOM樣品幾乎無類色氨酸物質(zhì)的熒光值,而秸稈類生物炭DOM則表現(xiàn)出較強(qiáng)的熒光值,尤其是YM秸稈生物炭出現(xiàn)明顯的熒光峰。Ⅱ區(qū)代表類酪氨酸物質(zhì),5種生物炭DOM樣品的類酪氨酸物質(zhì)熒光光譜表現(xiàn)與類色氨酸物質(zhì)一致,僅秸稈類生物炭出現(xiàn)熒光特征,且熒光強(qiáng)度較低。Ⅲ區(qū)代表類富里酸物質(zhì),5種生物炭DOM樣品均沒有形成較明顯的熒光峰。Ⅳ區(qū)代表可溶性微生物降解產(chǎn)物,5種生物炭DOM樣品均有明顯的熒光峰,且熒光強(qiáng)度較高,說明可溶性微生物降解產(chǎn)物存在于5種生物炭中。Ⅴ區(qū)代表類胡敏酸物質(zhì),5種生物炭DOM均表現(xiàn)出非常明顯的熒光峰,且熒光強(qiáng)度達(dá)到最高,說明類胡敏酸物質(zhì)含量在生物炭中最高。

為更好地評(píng)價(jià)5種生物炭DOM的差異性,對(duì)其各組分進(jìn)行區(qū)域體積積分,分析各區(qū)域所代表的物質(zhì)的變化情況,分別用類色氨酸(C1)、類酪氨酸(C2)、類富里酸(C3)、可溶性微生物降解產(chǎn)物(C4)和類胡敏酸(C5)表示[27]。各組分的區(qū)域積分體積含量和所占比例如圖3所示。不同原料生物炭DOM的熒光組分總含量差異明顯,表現(xiàn)為秸稈類生物炭的熒光組分含量最高,其次為木質(zhì)類和殼類,各組分的區(qū)域積分體積與其熒光強(qiáng)度特征表現(xiàn)一致。各生物炭樣品DOM的組分中,各物質(zhì)含量表現(xiàn)也不同。PG、JZ與HS生物炭中C1和C2均占比最小,其中C1在0.24%～0.40%之間,C2在1.09%～1.26%之間;而SD與YM的C1組分占比為11%與15%,C2占比為4.64%與3.51%。C3組分在5種生物炭中占比均較低,介于1.53%～3.19%之間,無明顯差異。C4組分占比較高,在27.73%～38.04%之間,秸稈類生物炭占比高于木質(zhì)類和殼類生物炭。C5組分在所有組分中占比最大,其中木質(zhì)類與殼類C5組分占比相近,PG、JZ和HS分別為66.44%、66.78%與68.43%;秸稈類相近,SD和YM分別占比42.51%與44.59%。結(jié)果表明,秸稈類生物炭DOM的熒光組分物質(zhì)含量最豐富,主要以類色氨酸、可溶性微生物降解產(chǎn)物和類胡敏酸物質(zhì);而木質(zhì)類與殼類生物炭DOM的熒光組分物質(zhì)含量較低,且以可溶性微生物降解產(chǎn)物和類胡敏酸為主。研究發(fā)現(xiàn),DOM中的類蛋白和類腐殖物質(zhì)與重金屬具有較強(qiáng)的親和力[11,13],可見秸稈類生物炭在修復(fù)重金屬污染的土壤和水體中的應(yīng)用效果較其他生物炭更優(yōu)。

PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。

圖3 不同原料生物炭DOM三維熒光各組分含量及占比

5種生物炭DOM三維熒光光譜特征參數(shù)如表2所示。自生源指數(shù)(BIX)常用于表征DOM中的自生貢獻(xiàn)比例,也可用于反映DOM中類蛋白物質(zhì)含量及生物可利用性的高低[17,34]。5種生物炭的BIX值均小于1,表明生物炭的自生源特性不明顯,生物可利用性和類蛋白比例較低,其中秸稈類生物炭BIX值較高,這也與熒光區(qū)域積分法所得結(jié)論一致。腐殖化指數(shù)(HIX)是表征DOM腐殖化程度的重要指標(biāo),HIX值越高表明腐殖化程度越高,DOM結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[23,27]。5種生物炭中木質(zhì)類與殼類生物炭DOM腐殖化程度較秸稈類強(qiáng),這也與紫外可見光譜中的結(jié)論一致。

2.4 生物炭DOM的傅里葉紅外光譜特征

PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。

2.5 生物炭DOM不同光譜特征間相關(guān)性分析

對(duì)上述5種生物炭DOM的pH值、DOC含量、紫外-可見光譜特征參數(shù)、傅里葉紅外光譜特征參數(shù)和三維熒光光譜特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。5種生物炭DOM不同光譜特征的各種指標(biāo)之間相關(guān)性差異明顯。其中pH值與SUVA254和SUVA260呈顯著正相關(guān),表明其親水性官能團(tuán)較多;DOC與HIX呈顯著負(fù)相關(guān),進(jìn)一步說明其DOM的腐殖化程度較低。BIX與各熒光組分具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,HIX與各熒光組分具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明BIX和HIX與各熒光物質(zhì)的含量有關(guān);各熒光組分之間也具有較強(qiáng)的相關(guān)性(R2>0.9,P<0.05),表明各種生物炭的DOM具有相似的組分且含量相對(duì)穩(wěn)定;不同波段傅里葉紅外光譜的相關(guān)指標(biāo)之間相關(guān)性中等,部分達(dá)到顯著性水平;紫外、可見光光譜總體相關(guān)性較弱,少數(shù)達(dá)到顯著性水平,表明相關(guān)指標(biāo)按照一定的比例維持穩(wěn)定,很可能在生物炭制備的過程中影響較小或總體按比例衰減、增加。部分顯著相關(guān)但總體相關(guān)性差,說明多數(shù)變量之間相互獨(dú)立或者在生物炭制備過程中部分組分損失較大,導(dǎo)致其相關(guān)性減弱。

3 結(jié)論

通過紫外-可見光譜、三維熒光光譜和傅里葉紅外光譜對(duì)同一溫度條件下幾種原料制備的5種生物質(zhì)炭DOM的含量和光譜特征進(jìn)行了綜合研究,結(jié)論如下：

(1)木質(zhì)類和秸稈類生物炭DOM的pH值明顯高于殼類生物炭;秸稈類生物炭的溶解性有機(jī)碳(DOC)顯著高于其他3種生物炭。

(2)紫外-可見光譜分析表明,5種生物炭DOM的芳香性組分含量均較少,腐殖化程度較低,親水性組分占主導(dǎo);三維熒光光譜分析表明,秸稈類生物炭DOM的熒光組分物質(zhì)含量高于木質(zhì)類和殼類,且各熒光組分含量占比中可溶性微生物降解產(chǎn)物和類胡敏酸比例最高;傅里葉紅外光譜分析表明,5種生物炭DOM的光譜特征相似,均含有豐富的有機(jī)官能團(tuán)(如羧基、酚羥基等)或半醌自由基等。