不同物料堆肥過(guò)程中溶解性有機(jī)質(zhì)和腐殖酸的物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化時(shí)序差異分析

趙芹，程?hào)|會(huì)，王燕，趙昕宇，黨秋玲*

1.長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）是自然界中最復(fù)雜的混合物之一，由腐殖質(zhì)和其他有機(jī)化合物組成，如氨基酸、碳水化合物、芳香族和脂肪族等[6]。在堆肥有機(jī)質(zhì)中，DOM 占比僅有5%[7]，但卻是堆肥有機(jī)質(zhì)中活性最強(qiáng)的組成部分，具有生物化學(xué)活性強(qiáng)、遷移轉(zhuǎn)化快、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，同時(shí)也是微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)，與重金屬相互作用，介導(dǎo)微生物與受體之間的電子轉(zhuǎn)移，在全球碳氮循環(huán)、養(yǎng)分輸出和生物地球化學(xué)行為中發(fā)揮著重要作用[8-10]。腐殖酸（HA）是一類(lèi)以芳香核為主體、不溶于水且含有多種官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的高度異質(zhì)性的混合物質(zhì)，在自然界中廣泛存在。其化學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在帶有不穩(wěn)定質(zhì)子的官能團(tuán)，如羧酸、酚和胺，這些官能團(tuán)能夠結(jié)合質(zhì)子和金屬離子[11-12]，進(jìn)而影響堆肥有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。HA 在操作上可進(jìn)一步提取富里酸（黃腐酸）和胡敏酸（黑腐酸）。而HA 的特殊結(jié)構(gòu)性質(zhì)導(dǎo)致HA 在堆肥過(guò)程中的結(jié)構(gòu)組成及其形成機(jī)制不同于DOM，盡管之前的研究已經(jīng)為了解DOM 和HA 在堆肥過(guò)程中的形成過(guò)程提供了理論基礎(chǔ)[13-14]，但目前在物料堆肥過(guò)程中提取的DOM和HA 的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其演化差異的研究甚少。充分了解不同堆肥過(guò)程中DOM 和HA 結(jié)構(gòu)特性的差異，是正確認(rèn)識(shí)DOM 和HA 的真實(shí)特征及其在堆肥環(huán)境中的化學(xué)行為的前提。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)DOM 和HA 結(jié)構(gòu)組成提出了多種表征技術(shù)，如質(zhì)譜、色譜、光譜等技術(shù)[8,15]，根據(jù)對(duì)有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的跟蹤需要，熒光光譜技術(shù)顯示出了很大的應(yīng)用前景[16]。筆者采用三維熒光光譜技術(shù)（3D-EEM）結(jié)合平行因子分析（EEM-PARAFAC）對(duì)比了雞糞未添加菌劑堆肥（CM）、雞糞添加菌劑堆肥（CMB）和餐廚垃圾堆肥（FW）分別提取的DOM與HA 的物質(zhì)組成及其演化特征的差異，以期為后續(xù)定向調(diào)控堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，生成優(yōu)質(zhì)堆肥產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 堆肥樣品

試驗(yàn)所用的餐廚垃圾和雞糞堆肥原料由河北省石家莊市某餐廚場(chǎng)和某養(yǎng)殖場(chǎng)提供，稻殼取自石家莊市某糧食加工廠，試驗(yàn)所用芽孢桿菌取自山東省某微生物技術(shù)自主研發(fā)中心，有效活菌數(shù)（cfu）≥20 億個(gè)/mL，添加比例為2‰（質(zhì)量比）。試驗(yàn)于2021年5 月20 日—7 月20 日在石家莊市某堆肥廠進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置3 種堆肥處理：CM、CMB 和FW 堆肥，每種處理均設(shè)3 次重復(fù)。將稻殼粉碎成粒徑為0.5～1.0 cm，便于混合使用。將雞糞、餐廚垃圾堆肥原料的C/N 調(diào)整為25∶1；調(diào)節(jié)堆肥物料的初始含水率，使其控制在50%～60%。所有堆肥均在總?cè)莘e為32.5 L（100 cm×50 cm×65 cm）的發(fā)酵箱中進(jìn)行，堆肥條件相同。在堆體溫度降至環(huán)境溫度(25±2)℃時(shí)開(kāi)始堆肥，在堆肥期間，利用氣泵對(duì)堆體進(jìn)行供氧，保持通氣量為600 mL/min。使用鐵鏟對(duì)堆體進(jìn)行定期翻拌，保持良好通風(fēng)條件。試驗(yàn)在靜態(tài)堆肥下共進(jìn)行60 d，根據(jù)堆肥過(guò)程中溫度的變化，分別在堆肥第1、10、20、40、60 天采集樣品。將堆肥時(shí)間分為升溫階段(1～10 d)、高溫階段（11～40 d）和腐熟階段（41～60 d），采用五點(diǎn)取樣法對(duì)堆體進(jìn)行取樣并混合均勻。堆肥物料基本理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 堆肥物料基本理化指標(biāo)Table 1 Basic physiochemical indexes of compost materials

1.3 基礎(chǔ)理化指標(biāo)測(cè)定

堆體溫度使用溫度傳感器測(cè)定；堆肥樣品pH 和電導(dǎo)率（EC）的測(cè)量按照堆肥樣品∶超純水為1∶10 的比例進(jìn)行浸提，放于搖床上以150 r/min 振蕩1 h，取過(guò)濾液，分別使用pH 計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH 和EC；采用差重法對(duì)堆肥含水率進(jìn)行測(cè)定；采用燃燒法對(duì)堆肥有機(jī)質(zhì)濃度進(jìn)行測(cè)定，使用坩堝盛放2 g 堆肥鮮樣品，放于105 ℃恒溫干燥箱中4 h，稱(chēng)重，然后移入550 ℃的馬弗爐中灼燒4 h，取出冷卻至室溫后稱(chēng)重；-N 和NH4+-N 濃度分別使用紫外分光光度法與納氏試劑比色法測(cè)定；使用TOC 測(cè)定儀（multi N/C 3100 TOC/TC Analyzer，德國(guó)）對(duì)堆肥樣品水溶性有機(jī)碳（DOC）濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.4 DOM 和HA 的提取

DOM 的提取參照文獻(xiàn)[17]。堆肥樣品風(fēng)干后通過(guò)0.25 mm 的篩，取4 g 過(guò)篩后的樣品放入50 mL 離心管中，按固液比1∶10 的比例加入40 mL 去離子水。在室溫下振蕩24 h，充分搖勻后，以8 000 r/min 離心20 min，取離心后的上清液過(guò)0.45 μm 濾膜，即為提取的DOM。

HA 的提取參照Wu 等[18]方法，首先配置0.1 mol/L 的NaOH 與0.1 mol/L 的Na4P2O7的混合液(體積比1∶1)，取4 g 過(guò)篩后的堆肥樣品放入100 mL 的離心管中，按照固液比1∶20 的比例加入80 mL 的NaOH 與Na4P2O7的混合液，在室溫下以180 r/min 浸提12 h，然后在4 ℃、10 000 r/min 條件下離心20 min，取上清液過(guò)0.45 μm 的濾膜，即為提取的HA 溶液。

SPOC混合教學(xué)模式按照教學(xué)目標(biāo)重新設(shè)計(jì)課程，課程設(shè)計(jì)圍繞知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)。SPOC平臺(tái)中的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的特點(diǎn)與要求，教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)進(jìn)行督促與激勵(lì)，同時(shí)SPOC課堂能發(fā)揮交流與互動(dòng)多的優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)生加強(qiáng)實(shí)踐指導(dǎo)，幫助提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。通過(guò)SPOC教學(xué)改革，促進(jìn)教師從知識(shí)的簡(jiǎn)單傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者與自由討論的組織者，學(xué)生也從被動(dòng)學(xué)習(xí)的接受者，轉(zhuǎn)變?yōu)樽晕覍W(xué)習(xí)的管理者與知識(shí)創(chuàng)新的實(shí)踐者。

1.5 DOM 和HA 光譜分析

采用日立HF-7000 型熒光光譜測(cè)定儀測(cè)定DOM和HA 的三維熒光光譜，參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[19]，設(shè)置發(fā)射波長(zhǎng)（Em）為280～550 nm，激發(fā)波長(zhǎng)（Ex）為200～400 nm，PMT 電壓為700 V，掃描頻率為2 400 nm/min，間隔5 nm。為避免內(nèi)濾效應(yīng)的干擾，測(cè)定前將DOM 和HA 溶液的總有機(jī)碳(TOC)用去離子水稀釋至10 mg/L[20]，調(diào)整濃度后的樣品溶液在1 cm的石英池中用HF-7 000 熒光分光光度計(jì)掃描熒光光譜，以蒸餾水作為空白對(duì)照。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用熒光光譜軟件FL WinLa 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，利用MATLAB 2020 軟件中的Removescatter工具包進(jìn)行散射處理，再利用DomFluor 工具包對(duì)其進(jìn)行平行因子分析。利用2D-shige 軟件對(duì)平行因子分析結(jié)果中的Emission Loading 進(jìn)行二維相關(guān)光譜分析。采用Origin 2021 軟件對(duì)熒光光譜指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[21]。利用SPSS 26 軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-factor analysis of variance，ANOVA)，采用R 語(yǔ)言進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥樣品基礎(chǔ)理化特性

對(duì)堆肥過(guò)程中各階段樣品理化指標(biāo)進(jìn)行差異性分析，如表2 所示。在整個(gè)堆肥過(guò)程中，pH 和NH4+-N濃度均先增加后降低，而-N 濃度持續(xù)增長(zhǎng)。研究表明，在堆肥升溫階段含氮有機(jī)物被微生物分解轉(zhuǎn)化為NH4+-N[22]，因而導(dǎo)致其濃度增加并伴隨著pH 升高。隨著堆體溫度的升高以及pH 的增加，致使NH4+-N 以NH3的形式揮發(fā)出堆體，NH4+-N 濃度下降，以往的研究表明，NH4+-N 濃度的降低是堆肥逐漸腐熟的標(biāo)志[23]；而同時(shí)高溫期（≥40 ℃）會(huì)抑制硝化細(xì)菌的活性[24]，此階段-N 濃度增加較為緩慢。腐熟期溫度開(kāi)始下降，NH4+-N 濃度持續(xù)降低，降溫后硝化細(xì)菌活性逐漸增強(qiáng)，NH4+-N 在硝化細(xì)菌的硝化作用下轉(zhuǎn)化為-N，進(jìn)而導(dǎo)致-N 濃度增加，NH4+-N 濃度降低，pH 下降。

表2 堆肥樣品理化特性Table 2 Physiochemical properties of compost samples

相同堆肥條件下，溫度、pH 和NH4+-N 濃度表現(xiàn)為CM（CMB）＞FW；-N 濃度表現(xiàn)為FW＞CM（CMB），不同堆肥物料理化特性存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致CM、CMB 和FW 中含有的營(yíng)養(yǎng)元素如C、N、P 等的濃度不同，CM 和CMB 堆肥的NH4+-N 濃度要顯著高于FW 堆肥組，而FW 堆肥中-N 濃度較高。CM 和CMB 堆肥NH4+-N 濃度下降率大于FW 堆肥，由于CM 和CMB 為弱堿性物料，特別是添加菌劑的CMB 堆肥組，有利于進(jìn)行氨氧化反應(yīng)，而FW 物料呈弱酸性，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行[25-26]，致使-N 濃度大于CM 和CMB 堆肥組。

由圖1 可知，不同物料堆肥DOM 和HA 中DOC 濃度均隨著堆肥的進(jìn)行持續(xù)下降。堆肥前期DOC 作為碳源供微生物生長(zhǎng)繁殖，堆肥腐熟期，由于部分有機(jī)質(zhì)發(fā)生化學(xué)分解，進(jìn)而導(dǎo)致DOC 濃度持續(xù)下降[27]。同種物料堆肥HA 中DOC 濃度均大于DOM，說(shuō)明提取方法對(duì)有機(jī)質(zhì)中DOC 濃度影響較大，堿性環(huán)境更有助于DOC 的浸出[28]，3 種堆肥DOM 或HA 中DOC 濃度均表現(xiàn)為FW＞CM＞CMB，F(xiàn)W 本身所含有的有機(jī)質(zhì)較CM 和CMB 堆肥組的高，營(yíng)養(yǎng)元素較為全面，DOC 濃度較高；CMB 處理組中芽孢桿菌的添加有助于提高微生物群落多樣性，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)DOC 的利用率。

圖1 3 種堆肥DOM 和HA 中DOC 濃度變化Fig.1 DOC concentration changes of DOM and HA in three composts

2.2 堆肥三維熒光光譜特性

2.2.1 堆肥DOM、HA 熒光光譜特征參數(shù)

熒光光譜參數(shù)是表征堆肥DOM 和HA 物質(zhì)特征與結(jié)構(gòu)組成的重要手段。為探討堆肥DOM 與HA 的結(jié)構(gòu)特性的差異，對(duì)3 種堆肥樣品提取的DOM 和HA 的熒光光譜參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。一般情況下，熒光指數(shù)（FI）定義為樣品Ex 在370 nm、Em 在470 和520 nm 處的熒光強(qiáng)度的比值(f470/520)；自生源指數(shù)（BIX）定義為樣品Ex 在310 nm、Em在380 與430nm處的熒光強(qiáng)度的比值(f380/430)；腐殖化指數(shù)（HIX）定義為樣品Ex在254 nm、Em 在435～480 nm 與300～345 nm 處熒光強(qiáng)度平均值的比值[29]。FI 可用來(lái)反映堆肥DOM 的來(lái)源，通常與芳香性程度呈負(fù)相關(guān)[30]，BIX 可反映自生源DOM 占整體DOM 的比例[31]，HIX 可用于判別有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度[32]。由表3 可知，3 種堆肥DOM 的FI 和BIX 均值均大于HA，說(shuō)明3 種堆肥DOM 的自生源特征較HA 明顯，而HA 的自生源貢獻(xiàn)率較低，不同提取方法影響了有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)而影響了其光譜特性。至堆肥結(jié)束，3 種堆肥DOM 的FI 介于1.4～1.9，BIX 介于0.8～1.0[33]，說(shuō)明3 種堆肥處理的DOM 來(lái)源同時(shí)受自生源和外生源的影響，且自生源特性較強(qiáng)；3 種堆肥處理的自生源特性表現(xiàn)為FW＞CM＞CMB，F(xiàn)W 堆肥自生源特性更強(qiáng)，表明FW 堆肥的DOM 更多地由微生物分解作用所產(chǎn)生。且3 種堆肥處理的FI 與BIX 在整個(gè)堆肥過(guò)程中均呈下降趨勢(shì)，HIX 呈逐漸上升趨勢(shì)，說(shuō)明堆肥促進(jìn)了腐殖質(zhì)物質(zhì)的形成。本研究中DOM 與HA 的HIX 分布在0.182～0.427 和0.417～0.687，其均值分別為0.280 和0.553，可知HA 的腐殖化程度大于DOM。DOM 是用純水直接提取的，其溶解的總有機(jī)質(zhì)濃度較少，而HA 是在堿性環(huán)境中提取的有機(jī)質(zhì)，HA 結(jié)構(gòu)的不飽和度隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)而增高，分子量及芳香度升高，不易被微生物代謝利用，物質(zhì)組分及化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定[34]。3 種堆肥DOM 的HIX 表現(xiàn)為CMB＞CM＞FW，表明雞糞堆肥可顯著提高其腐殖化進(jìn)程；且CMB 堆肥組的腐殖化特征更為顯著，這與周可等[35]的研究結(jié)果較為一致。

表3 堆肥DOM、HA 的熒光光譜參數(shù)Table 3 Fluorescence spectrum parameters of compost DOM and HA

2.2.2 堆肥DOM、HA 熒光組分特征

為研究堆肥樣品的DOM 與HA 的結(jié)構(gòu)組成的差異，采用三維熒光平行因子分析法對(duì)不同堆肥處理的熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖2 所示。從圖2可以看出，F(xiàn)W 的DOM 以及CM、CMB 的HA 均得到3 種熒光組分。根據(jù)文獻(xiàn)[36-38]，組分C1 代表類(lèi)酪氨酸，分子質(zhì)量較小，對(duì)應(yīng)峰B。組分C2 代表類(lèi)色氨酸，與官能團(tuán)羧基有關(guān)，短波/長(zhǎng)波類(lèi)色氨酸分別對(duì)應(yīng)峰T1/T2，C1 和C2 均為易被微生物分解利用且聚合度較低的類(lèi)蛋白物質(zhì)。組分C3 代表類(lèi)富里酸，紫外光區(qū)類(lèi)富里酸對(duì)應(yīng)峰A，由相對(duì)分子質(zhì)量高且難降解的有機(jī)物組成，可見(jiàn)光區(qū)類(lèi)富里酸對(duì)應(yīng)峰C，由相對(duì)分子質(zhì)量較低且易被分解氧化的有機(jī)物組成，屬于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。而CM、CMB 的DOM 以及FW 的HA 均得到4 種熒光組分，其中前3 種熒光組分同與上述相同，第4 種組分C4 為類(lèi)胡敏酸，相對(duì)分子質(zhì)量較大，對(duì)應(yīng)峰F，含多環(huán)芳烴及苯環(huán)，與木質(zhì)素的分解有關(guān)，C3 和C4 同屬于類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。綜上所述，3 種堆肥處理的熒光組分類(lèi)型為類(lèi)蛋白物質(zhì)（類(lèi)酪氨酸和類(lèi)色氨酸）、類(lèi)富里酸和類(lèi)胡敏酸，這一結(jié)果與Xu 等[39]的研究結(jié)果較為一致。

圖2 不同物料堆肥中DOM 和HA 的三維熒光組分Fig.2 Three-dimensional fluorescence components of DOM and HA in compost of different materials

為探究不同物料堆肥過(guò)程中DOM 和HA 的熒光組分隨堆肥時(shí)間的變化特征，基于EEM-PARAFAC分析，對(duì)不同堆肥處理的各熒光組分進(jìn)行分析（圖3）。根據(jù)圖3 可知，3 種堆肥提取的DOM 中，整體上類(lèi)蛋白物質(zhì)占比表現(xiàn)為FW＞CM＞CMB，類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)占比表現(xiàn)為CMB＞CM＞FW，可見(jiàn)CM 和CMB 堆肥的腐殖化程度大于FW 堆肥，且CMB 堆肥組腐殖化程度更高，這與2.2.1 節(jié)熒光參數(shù)變化規(guī)律較為相似。在堆肥前期，3 個(gè)堆體的類(lèi)蛋白物質(zhì)占主體地位，且類(lèi)酪氨酸組分占比最高，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，其占比逐漸下降，而類(lèi)富里酸組分占比逐漸上升，F(xiàn)W 堆肥組的類(lèi)蛋白物質(zhì)的占比高于CM 和CMB 堆肥組。研究表明，類(lèi)酪氨酸等蛋白類(lèi)物質(zhì)易被微生物降解并被轉(zhuǎn)化為分子量較大、結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)[40]。在堆肥試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，3 組堆肥物料的芳香性及其腐殖化程度均有所升高，類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的占比增加，此外，F(xiàn)W 堆肥組類(lèi)蛋白物質(zhì)仍占主體地位，CMB 堆肥組的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)占比最高。

圖3 不同物料堆肥DOM、HA 熒光組分占比變化Fig.3 Changes in the proportion of fluorescence components of DOM and HA in composts with different materials

隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，HA 與DOM 類(lèi)蛋白物質(zhì)逐漸減少以及類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)逐漸增加表現(xiàn)出相似的規(guī)律，但總體上HA 的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)占比要大于DOM 的。HA 中，3 種堆肥的類(lèi)蛋白物質(zhì)占比表現(xiàn)為CM＞CMB（FW）；類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)表現(xiàn)為CMB(FW)＞CM，CMB 和FW 堆肥組的腐殖化程度要大于CM，且FW 堆肥組提取的HA 中觀察到類(lèi)胡敏酸組分。整體來(lái)說(shuō)，3 種堆肥提取的HA 的類(lèi)腐殖質(zhì)占比要高于DOM。CM 和CMB 堆肥在較高的pH 環(huán)境下，可能由于水合離子及分子間發(fā)生了解離平衡的改變，導(dǎo)致CM 和CMB 堆肥提取的HA 中酸性官能團(tuán)發(fā)生了變化[36]，進(jìn)而影響HA 的大分子類(lèi)胡敏酸物質(zhì)的溶出。而FW 富含酸性有機(jī)組分，且有機(jī)質(zhì)在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸，在提取FW 中HA 的同時(shí)，酸性組分易溶于堿性環(huán)境中，致使FW 中HA 的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的占比要大于DOM。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CMB 堆肥的DOM 與HA 中的類(lèi)蛋白組分的減少量遠(yuǎn)高于CM 和FW，說(shuō)明添加菌劑后雞糞堆肥中微生物群落的改變使得DOM 中類(lèi)蛋白物質(zhì)更易被轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。

2.2.3 堆肥過(guò)程DOM、HA 二維相關(guān)光譜

二維相關(guān)光譜(2DCOS)是一種分析有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)過(guò)程的有效解析方法[33]，使用2DCOS 可以通過(guò)沿二維擴(kuò)展光譜來(lái)區(qū)分重疊峰，并提供有關(guān)分子結(jié)構(gòu)變化的相對(duì)方向和順序的信息，本研究根據(jù)平行因子結(jié)果中的Em Loading 進(jìn)行二維相關(guān)光譜分析[36]，比較了不同堆肥中DOM 和HA 各熒光組分的演化時(shí)序，如圖4 所示。在堆肥DOM 中，CM 同步2DCOS 中共觀察到3 個(gè)自動(dòng)峰（450 nm/450 nm、375 nm/375 nm、305 nm/305 nm）和2 個(gè)負(fù)交叉峰（450～500 nm/375 nm、350～430 nm/335 nm），CMB組觀察到3 個(gè)自動(dòng)峰（450 nm/450 nm、330 nm/330 nm、305 nm/305 nm）和1 個(gè)負(fù)交叉峰（375 ～450 nm/330 nm），F(xiàn)W 組觀察到3 個(gè)自動(dòng)峰（425 nm/425 nm、330 nm/330 nm、305 nm/305 nm）和2 個(gè)負(fù)交叉峰（425 nm/330 nm、375 nm/300 nm）。3 種堆肥DOM 的異步2DCOS 圖譜具有顯著性差異，在CM中觀察到1 個(gè)負(fù)交叉峰（450 nm/325 nm）和2 個(gè)正交叉峰（425 nm/375 nm、375 nm/325 nm），在CMB 中觀察到1 個(gè)負(fù)交叉峰（475 nm/305 nm）和2 個(gè)正交叉峰（450 nm/350 nm、350 nm/305 nm），在FW 中觀察到2 個(gè)負(fù)交叉峰（425 nm/330 nm、350 nm/300 nm）和1 個(gè)正交叉峰（400～450 nm/300 nm）。根據(jù)Noda解析譜峰響應(yīng)的順序規(guī)則[41]，CM 組和CMB 組堆肥過(guò)程中觀察到的DOM 各組分變化時(shí)序?yàn)轭?lèi)胡敏酸（Em=475 nm）＞類(lèi)酪氨酸（Em=305 nm）＞類(lèi)色氨酸（Em=355 nm）＞類(lèi)富里酸（Em=425 nm）；FW 中DOM 的各組分變化順序?yàn)轭?lèi)色氨酸（Em=350 nm）＞類(lèi)酪氨酸（Em=300 nm）＞類(lèi)富里酸（Em=425 nm）。由此可知，CM 和CMB 堆肥與FW 堆肥物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化差異較大：CM 和CMB 堆肥中DOM 的大分子類(lèi)胡敏酸物質(zhì)先發(fā)生變化，可能是由于大分子腐殖質(zhì)物質(zhì)中包含苯環(huán)及多環(huán)芳烴，與木質(zhì)素的降解息息相關(guān)[42]，而CM 和CMB 堆肥中含有大量纖維素，進(jìn)而導(dǎo)致其組分濃度優(yōu)先發(fā)生變化；FW 含有羧酸、多糖類(lèi)等一系列低分子化合物組成，在堆肥過(guò)程中，微生物所分泌的蛋白酶優(yōu)先分解利用小分子蛋白類(lèi)物質(zhì)[40]。因此，大分子類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成可能與類(lèi)蛋白的分解有關(guān)，這與Li 等[43]的研究結(jié)果類(lèi)似，聚合程度較低的類(lèi)蛋白物質(zhì)在微生物的分解利用下被轉(zhuǎn)化生成聚合程度較高的大分子類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。

圖4 不同物料堆肥DOM、HA 的二維相關(guān)光譜Fig.4 Two-dimensional correlation spectra of DOM and HA in composts of different materials

CM 和CMB 中HA 各組分演化時(shí)序?yàn)轭?lèi)酪氨酸（Em=305 nm）＞類(lèi)富里酸（Em=425 nm）＞類(lèi)色氨酸（Em=350 nm）。FW 中HA 各組分變化順序?yàn)轭?lèi)胡敏酸（Em=475 nm）＞類(lèi)酪氨酸（Em=305 nm）＞類(lèi)色氨酸（Em=330 nm）＞類(lèi)富里酸（Em=425 nm）。DOM 和HA 的腐殖化與堆肥過(guò)程中有機(jī)物的分解及組分濃度的變化密切相關(guān)。由于HA 是球形固體團(tuán)塊組成，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，而FW 中高分子有機(jī)化合物濃度較高，部分腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)可能在高pH 提取環(huán)境下被破壞，芳香化合物的熒光強(qiáng)度在短波長(zhǎng)處增高[44]，導(dǎo)致FW 堆肥中HA 的大分子類(lèi)胡敏酸優(yōu)先變化[45]。

2.2.4 堆肥DOM、HA 結(jié)構(gòu)變化影響因素

為探究不同物料堆肥過(guò)程中提取DOM 和HA物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)變化的影響因素，對(duì)堆肥DOM 與HA 的各熒光組分、熒光特征參數(shù)和堆肥基本理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5 所示。堆肥理化因子是影響DOM 和HA 結(jié)構(gòu)演化時(shí)序的重要影響因素[43]，CM 和CMB 堆肥生成的DOM 中，NH4+-N濃度、含水率和DOC 濃度與類(lèi)蛋白組分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），含水率過(guò)高容易形成厭氧環(huán)境，不利于好氧微生物的生長(zhǎng)代謝，使微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響堆肥腐殖化進(jìn)程[46]。-N濃度與HIX、類(lèi)富里酸、類(lèi)胡敏酸組分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），有研究表明[47]N 元素對(duì)堆肥腐殖化與芳構(gòu)化有顯著促進(jìn)作用，-N 通過(guò)調(diào)節(jié)微生物代謝活性，可能會(huì)促進(jìn)堆肥大分子類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的形成。DOM 中，CM 和CMB 堆肥熒光特性對(duì)理化指標(biāo)響應(yīng)更為強(qiáng)烈。DOC 是活性較高的有機(jī)組分，是微生物生長(zhǎng)的重要碳源，可通過(guò)縮聚作用或被微生物分解利用生成高分子穩(wěn)定的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)，其分解轉(zhuǎn)化可反映堆肥腐殖化進(jìn)程[48-49]；HA 中，3 組物料堆肥類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的生成均與DOC 濃度的下降密切相關(guān)，說(shuō)明DOC 濃度的下降可能與類(lèi)蛋白物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化及大分子類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的形成有關(guān)。含水率的變化對(duì)FW 堆肥DOM 和HA 中類(lèi)蛋白和類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化影響較大，這與堆肥物料本身特性有關(guān)，不同物料堆肥的結(jié)構(gòu)演化時(shí)序?qū)砘蜃禹憫?yīng)不同：CM 和CMB 的含水率較低，呈弱堿性，其所含有的木質(zhì)纖維素具有高度的芳構(gòu)化，可通過(guò)水解直接參與HA 的形成，促使大分子類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的形成。而FW 含水率較高，且含有鹵代烴、羧酸、芳香醚等低分子化合物[50]，隨著有機(jī)物的降解，小分子物質(zhì)通過(guò)縮合反應(yīng)聚集形成具有腐殖質(zhì)特征且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子化合物；此外，F(xiàn)W 富含酸性有機(jī)組分，在分解過(guò)程中產(chǎn)生大量小分子有機(jī)酸，易溶于堿性環(huán)境中，逐漸表現(xiàn)出類(lèi)腐殖質(zhì)成分的特征，從而增加了FW 中HA 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，由此導(dǎo)致不同物料堆肥DOM 和HA 結(jié)構(gòu)變化的影響因素存在差異。

圖5 堆肥DOM、HA 熒光特征與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between fluorescence characteristics and physicochemical properties of DOM and HA of compost

3 結(jié)論

（1）堆肥DOM 和HA 的三維熒光特征參數(shù)的差異顯著。隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，3 種堆肥處理的NH4+-N 濃度呈先增加后降低的趨勢(shì)，-N 濃度后期緩慢增加；3 種堆肥的DOM 與HA 均具有自生源特性，DOM 的自生源特征強(qiáng)于HA，HA 的腐殖化程度較高。DOC 濃度表現(xiàn)為HA 高于DOM，堆肥過(guò)程中DOC 被不斷消耗利用而逐漸降低，DOM 或HA 中DOC 濃度均表現(xiàn)為FW＞CM＞CMB。

（2）3 種堆肥提取的DOM 中，CM 和CMB 的腐殖化程度大于FW；3 種堆肥提取的HA 中，CMB 和FW 的腐殖化程度大于CM。HA 的類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)相對(duì)濃度大于DOM 的，且在FW 提取的HA 中觀察到類(lèi)胡敏酸組分。

（3）不同物料堆肥提取DOM、HA 熒光組分演化順序不同。DOM 中，CM 和CMB 堆肥過(guò)程中觀察到的各組分變化順序?yàn)轭?lèi)胡敏酸＞類(lèi)酪氨酸＞類(lèi)色氨酸＞類(lèi)富里酸。FW 中各組分變化順序?yàn)轭?lèi)色氨酸＞類(lèi)酪氨酸＞類(lèi)富里酸。HA 中，CM 和CMB 中各組分變化順序?yàn)轭?lèi)酪氨酸＞類(lèi)富里酸＞類(lèi)色氨酸。FW 中各組分變化順序?yàn)轭?lèi)胡敏酸＞類(lèi)酪氨酸＞類(lèi)色氨酸＞類(lèi)富里酸。

（4）堆肥DOM、HA 的結(jié)構(gòu)組成演變的影響因素存在差異且不同物料堆肥的結(jié)構(gòu)變化對(duì)理化因子響應(yīng)不同。含水率、NH4+-N 濃度的下降可能是驅(qū)動(dòng)DOM 中類(lèi)蛋白物質(zhì)的降低、增強(qiáng)腐殖化程度的重要影響因素；類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的增加與-N 濃度的升高有關(guān)，含水率和DOC 濃度降低可能會(huì)促進(jìn)HA 類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)的增加。