不同来源有机肥释放的溶解有机质粒径分布与光谱特征

  【目的】  研究不同来源有机肥释放的溶解有机质 (DOM) 的粒径分布与光谱特征,为有机肥在农业生产中的应用及DOM后续环境行为的研究提供理论指导。  【方法】  本研究选择海藻、羊粪、虾肽以及小麦秸秆生物炭4种有机肥,提取有机肥中的DOM (<0.7 μm)。利用超滤分级技术对提取的DOM进一步区分为 <1 kDa、1～100 kDa、100 kDa～0.2 μm和0.2～0.7 μm 4个粒级,使用总有机碳 (TOC) 分析仪测定各粒径DOM的含量并使用傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、紫外?可见吸收光谱 (UV-Vis) 和三维荧光光谱 (3D-EEM) 进行光谱表征。  【结果】  从全量 (粒径<0.7 μm) 溶解有机碳(DOC)来看,小麦秸秆生物炭 (308 mg/kg)<虾肽 (1060 mg/kg)<海藻 (1266 mg/kg)<羊粪 (2989 mg/kg)。供试有机肥中不同粒径的DOC所占比例和含量差异明显,均以最小粒径 (<1 kDa) 所占比例最高,除海藻为47%外,其余有机肥处理皆达到50%及以上。4种不同来源有机肥DOM的紫外和荧光特征值表明,4种有机肥的荧光指数 (FI) 和自生源指数(BIX)随着DOM粒径的减小而增大,而SUVA₂₅₄、SUVA₂₆₀和腐殖化指数 (HIX)随着DOM粒径的减小而减小。虾肽DOM各粒径的类蛋白组分含量高且主要为内源DOM,自生来源有机质丰富,生物可利用性高;羊粪DOM各粒径受人类活动影响较大;而小麦秸秆生物炭的DOM大粒径(>100 kDa)组分的FI<1.4,表明其大粒径DOM主要为外源性的,自身生产和微生物活动贡献相对较低。此外,尽管海藻、羊粪和虾肽各粒径的DOM的HIX值随着粒径的减小而逐渐减小,除虾肽DOM的<1 kDa组分外,其腐殖化程度依旧较高 (HIX>10),而小麦秸秆生物炭小粒径DOM的HIX<4,表明小麦秸秆生物炭的小粒径DOM疏水组分含量高,腐殖化程度相对较低。荧光组分和红外光谱表明了4种不同来源有机肥DOM以类腐殖质物质为主,且含有大量氨基酸N—H键、O—H键和C—O键等官能团。  【结论】  依据有机肥释放的DOM的粒径分布和光谱特征,海藻、羊粪、虾肽有机肥中的DOM主要以小粒径为主,其腐殖化程度高,蛋白组分含量较低。小麦秸秆生物炭DOM的生物稳定性要高于其他有机肥,生物可利用性较低,因此,施加过量的生物炭不利于微生物对土壤DOM的降解利用;而虾肽来源有机肥的DOM类蛋白组分贡献最大,生物可利用性高,施用虾肽有机肥可能有利于微生物对土壤DOM的降解利用。     

不同有机改良剂对矿区土壤溶解性有机质及其铅赋存形态的影响机制

为探讨不同来源有机改良剂对污染土壤溶解性有机质（DOM）分子特征及重金属环境行为的影响机制,本研究选择3种不同来源的有机改良剂,以海南省昌化矿区铅（Pb）污染土壤为研究对象,以不施有机改良剂的土壤为空白对照处理,对3种不同有机改良剂处理（添加5%羊粪、海藻有机肥、小麦秸秆生物炭）的土壤进行培养实验。结果表明：施用有机改良剂能显著提高土壤溶解性有机碳（DOC）含量,在培养后期DOC含量逐渐降低;除了生物炭,其他3种处理高分子量芳香碳类物质（C2）占比随培养时间增加而降低,较低分子量的氧化醌类物质（C3）占比提高。红外光谱特征表明施用有机改良剂后土壤中DOM的官能团主要是氨基酸N—H键和羟基—OH;随着培养时间的增加,4种处理均能提高土壤中水溶态Pb含量,其中海藻处理的水溶态Pb含量最高,达到1.91 mg·kg^-1,可还原态/铁锰氧化物结合态是Pb的主要存在形态（48%~54%）。不同培养时间的冗余分析表明土壤DOC含量以及相关官能团与土壤Pb含量和形态存在相关性,土壤溶液中的Pb主要受控于土壤溶液中的DOM,海藻和羊粪处理能够增加土壤中水溶态Pb和EDTA-Pb的含量。研究表明,施用有机改良剂改变了土壤中DOM的性质,进而影响土壤中水溶态Pb和有效态Pb含量。     

海南北部滨海区不同土地利用模式下土壤DOM粒径分布与光谱特性

为研究海南热带滨海区不同土地利用模式对土壤溶解态有机质（DOM）含量组成及其分子粒径依赖性的影响，分别采集琼北滨海地区四种代表性土地利用模式下（水稻田、菜园、果园和橡胶园）土壤为研究材料，通过超滤技术对土壤水提液进行分级（所选滤膜孔径大小分别为0.7、0.45、0.2、0.1 μm和100、10、1 kDa），并对样品中DOM的碳、氮含量和光谱特性（紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱、傅立叶变换红外光谱）进行表征。结果表明，四种地类土壤溶解态有机碳（DOC）含量（<0.7 μm）为水稻土（171.9 mg·kg^-1）最高，胶园土（116.7 mg·kg^-1）最低；而C/N值则为胶园土（22.26）最高，菜园土（11.39）最低。在不同粒径中，4种地类土壤DOC含量为<1 kDa组分占比最高（45%以上），C/N值则在<1 kDa粒径中最高（31.43），10~100 kDa中最低（4.80）。紫外-可见吸收光谱和红外光谱表明了水稻土和菜园土DOM的分子芳香性（SUVA₂₅₄）、分子量大小（S_R）和疏水组分（SUVA₂₆₀）比例显著高于胶园土和果园土，且含有较多的醇、酚、芳香类物质。三维荧光光谱特征表明四种土地利用模式土壤DOM的来源均为土壤微生物活动产生的“内源”。由此可见，不同的土地利用模式和粒径大小会影响土壤DOM的含量和组成结构，人类活动干扰是引起地类间DOM差异显著的重要因素。     

土壤溶解性有机质分子特征对不同来源有机肥分解的响应

从有机肥料中提取的溶解性有机质（DOM）可为不同的商业有机肥料的潜在应用提供新的见解。选用四种不同来源有机肥（生物质炭肥,WSB;羊粪有机肥,SM;海藻有机肥,SW;虾肽有机肥,SP）与昌化矿区周边土壤为研究材料,进行为期三个月的培养试验,采用多元光谱分析研究土壤DOM分子特征对有机肥分解的响应。与对照组相比,在培养过程中添加四种有机肥均增加土壤DOM的含量,WSB处理增加量最低,SW处理增加最高。激发发射矩阵结合平行因子分析 (EEM-PARAFAC) 表明培养过程中添加WSB提高了土壤DOM中类胡敏酸组分,减少了类富里酸组分;添加SM、SW和SP在0~45 d内降低了土壤DOM中微生物转化的类胡敏酸组分的比例而提高类富里酸组分,在45~90 d内增加难降解的类胡敏酸组分的比例。二维红外相关分析 ( 2D-FTIR-COS) 表明CK和SP处理中土壤DOM的芳香性或羧酸碳优先对分解时间发生响应;而添加WSB、SW和SM处理组中土壤DOM的烯烃或多糖类碳优先对分解时间发生响应;添加WSB和SP处理土壤提取液中也出现了Si-O-Al等土壤纳米矿物类官能团响应信号。碳近边X射线吸收精细结构 (C 1s NEXAFS) 分析结果表明：培养结束后,与未添加有机肥处理相比,WSB处理提高土壤DOM中含氧脂肪族碳组分比例,而减少芳香与酚类碳比例;SW处理主要增加了芳香碳、羰基碳的比例,而减少了脂族碳和氧烷基碳含量;SM、SP处理增加了酚类碳、芳香碳以及脂族碳比例,减少了羧基碳、氧烷基碳和羰基碳比例。本研究结果可增强对不同来源有机肥分解影响土壤DOM分子特征的了解,对于评估土壤中施用商品有机肥料的生态环境效应至关重要。