泥炭淤泥质土壤的理化性质与其腐植酸组分之间的统计关系

时间：2024-07-29

Patrycja Boguta Zofia Sokolowska 著周小康段晨曦陈方圆赵红艳*译

(1 波兰科学院农业物理研究所都柏林 20-290 2 东北师范大学地理科学学院长春 130024)

波兰Polesie Lubelskie地区以及Biebrza河地区泥炭地都是最有价值的自然资源之一。除其旅游价值外，还是动植物重要的生境和栖息地。泥炭地也是大的有机碳库，它影响着土壤的吸附性、土壤结构和微生物活动。然而，该区泥炭也遭受着各种改变(自然演化以及不合理的开采)。波兰大多数泥炭地被排干用于农业使用，这加速了泥炭到淤泥的转化。泥炭的矿化与二次分解使得泥炭土在物理、化学、生物和形态上发生了变化，从而失去吸附性变为疏水性。泥炭停止生长，湿度周期性降低，氧气供给增加。分解作用的加强使得泥炭地表层转变成黑棕色的腐殖质。而这种淤泥质泥炭对农业十分有利，因其包含着非常有价值的腐殖物质，尤其是腐植酸和富里酸。这些高吸附性的组分在阳离子交换中扮演重要角色。腐殖质的理化作用促进形成良好的土壤结构(土壤颗粒团聚体的稳定性),提高了土壤肥力、通氧、水分保持、缓冲和交换能力。腐植酸和富里酸通过对土壤物理、化学、生物性质的影响促进了植物的生长，这是因为它们为植物提供了生长所需的N、P和阳离子。上述事实表明：腐殖质在控制土壤的理化性质方面起着重要作用(特别是有机土壤)。腐殖质会因腐殖化度、氧化度、芳香度、官能团含量和分子量的不同而改变。而这些差异会影响腐植酸对土壤性质的作用。因此，掌握腐殖质理化性质方面的知识能够帮助我们选择出农业生产的最优条件。然而,分离和调查腐植酸、富里酸用在农业上既耗时又耗资。

本研究目的是检验能否用土壤的理化性质来描述腐植酸的性质。对于任何存在于腐植酸与土壤属性之间明显的统计相关性，都可以作为评估腐植酸属性的最简单、省时的测量方法。

1 材料和方法

1.1 土壤参数测定

从PolesieLubelskie和Biebrza河谷泥炭地5～10 cm深处采集11种泥炭淤泥质土壤，标记为S1～S11。根据Okruszko分类法，将代表典型泥炭质淤泥的5种标记为Z1，其余6种淤泥为Z3。根据Gawlik方法，用吸水指数(W1)表示二次分解。用腐殖化指数(Hz)描述腐殖化度。总碳和有机碳使用元素分析仪(Carbon/Nitrogen analyzer TOC MULTI N/C 2000, HT 1300)测定。灰分含量测定参照Sapek和Sapek(1997)的方法。

1.2 腐植酸参数测定

使用碱液提取法(Swift，1996)分离出腐植酸(标注为HA1-HA11)。使用Perkin Elmer CHN 2400分析仪测得腐植酸中氮、碳、氢元素组成。由公式100%-H%-C%-N%计算氧含量。用重量百分比表示数据。由所得结果计算H/C、O/H、O/C和C/N的原子比，用ω=[(2O+3N)-H]/C计算氧化度(ω)。根据Kucharenko和Dragunowa的技术方法，使用滴定法测定羧基官能团以及羧基和酚基官能团的总量(Dziadowiec，1990)。合成完KBr压片后，用FTIR Thermo Nicolet spectrometer分光计记录腐植酸的傅里叶变换红外光谱(Thermo Scientific)。用吸光度单位测量腐植酸中羧基(1619～1639 cm-1)和酚基(3389～3401 cm-1)的峰值强度。在腐植酸溶液密度40 mg/dm3；pH值8；波长465 nm、665 nm和260 nm条件下，计算E4/E6和E2/E6的吸光度比。用公式logA400-logA600计算Kumada参数△logK(400、600分别代表在400 nm和600 nm波长处的吸光度)。

1.3 数据处理

上述测量步骤需重复3次并求数据平均值。使用光谱仪软件求傅里叶变换红外光谱(FTIR)的平均值。用Saphiro-Wilk验证数据的正态分布，并计算土壤与腐植酸参数间的相关系数，最后使用t-检验法在α=0.05水平上计算相关系数。

2 结果和讨论

有机土壤理化性质参数在表1中给出。

根据Gawlik分类(1992)的吸水指数(W1)，我们把第一类W1∈<0.36-0.45>(分解初始阶段)由样本S8表示；第二类W1∈<0.46-0.60>(弱分解)由样本S1、S6和S7表示；W1∈<0.61-0.75>(中分解)由样本S2、S3、S10、S5、S9、S11表示；W1=0.82(强分解)由样本S4表示。Hz最高的为S4、S3、S2，最低的为S8、S6、S1。研究样本的总碳含量从249 mg C/g干物质变化到了419 mg C/g干物质。本研究还发现，样品S5为极大值而S11为极小值，也许能证明泥炭向淤泥转化中的最低与最高程度。上述是基于淤泥质过程包括腐殖化与矿化的事实而言。在成矿过程中，部分碳以二氧化碳的形式释放到大气中。土壤中有机碳的含量略低于总有机碳，在范围241(S11)～393(S5) mg C/g干物质内。很多的有机碳证明了矿化过程很微弱。土壤灰分含量在16.4%至26.8%范围内，表明淤泥化过程与泥炭分解进一步加深。基于这个事实，我们可以认为矿化过程对灰分含量最高的样本(例如：S1、S6、S7、S8、S11)和最小灰分含量(S9)起着很重要的作用。容重在0.19～0.37 g/cm3之间，由此得出土壤在二次分解程度上的多样性。其中，吸水程度与容重这两个参数有着强烈的相关关系，容重最低(0.19～0.27 g/cm3)的泥炭淤泥(Z1)同时有较低程度的吸水指数W1(0.44～0.61)；较高容重(0.30～0.37 g/cm3)的淤泥(Z3)同时有高程度的吸水指数W1(0.6～0.82)。

表1 泥炭淤泥质土壤筛选出的理化性质Tab.1 Selected physicochemical properties of studied peaty-muck soils

腐植酸样品所测量的参数在表2中给出。

各腐植酸样本表现出典型的E4/E6值。参考Kononowa(1966)的研究，他们应该低于6。E4/E6的最高值(5.3～5.7)在样本HA8～HA11中出现，最低值(3.4和3.8)为样本HA2和HA3。该指标与腐殖化程度相关，在强分解腐植酸中值最低。同时，E4/E6值低的腐植酸可能有较大的分子质量和更紧密的芳香结构；E2/E6值高则证明样本含有大量弱分解化合物，如木质素(样本HA5、HA7和HA8)。△logK值在0.7到0.93波动，据Kumada(1987)的研究进行分类，样本HA1～HA4属中分解腐植酸而HA5～HA11属于弱分解腐植酸。HA1～HA3在波长280 nm时的吸光度数值最高，表明它们的芳香结构含量较高。而HA5～H A8表现出最低的吸收信号，可能与芳香族含量比脂肪族结构更多有关。腐植酸各样本碳含量相似，范围从46.18%(HA2)到48.34%(HA7)。该比例和有机碳浓度相近。含碳量越高表明腐殖化程度越深，分析其原因可能是芳香族化合物结构的增加。表2中，氮含量从3.08%(H A3)变化到3.89%(HA11)，氢含量从4.42%(HA2)变化到5.45%(HA7)。氧含量从42.48%(HA7)变化到45.89%(HA3)。根据Van Krevelen(1950)，计算出的H/C比值(从1.15到1.35)与加脂链的芳香系统(低于10个碳原子)相对应。样本HA2和HA3的H/C比值最低，证明其芳香结构含量高以及这些单元结合紧密。而HA7的H/C比值(1.35)最高，证明这些环状结构在其中含量较低。O/H比值在0.49(HA7)～0.64(HA2)范围变化，相比于O/H比值较低的样本，该样本含氧官能团如羧基、羟基、酚类等所占比例大。O/C比值从0.66(HA7)变化到0.74(HA2)，该指标的值越高，表明腐植酸的氧化度和腐殖化度越高，碳水化合物的含量越高。如表2，HA7的氧化度最低(0.16)，HA2的氧化度最高(0.54)。样本中C/N比值没有明显差异，表明样本间的生物性质相似。

表2 待测腐植酸的化学性质Tab.2 Chemical properties determined for studied humic acids

由表2可以看出，HA2、HA3、HA4(分别为642 meq/100 g、648 meq/100 g和645 meq/100 g)的C O O H+O H官能团含量最高，而H A8的COOH+OH官能团含量最低(为489 meq/100 g)。其中，COOH官能团含量大约是酚基含量的二倍。表2中HA1、HA3、HA11的COOH官能团含量最高(分别为420 meq/100 g、416 meq/100 g和422 meq/100 g)，而HA8的COOH含量最低(为306 meq/100 g)。HA2、HA3、HA4、HA5的酚基含量最多(分别为241 meq/100 g、232 meq/100 g、236 meq/100 g、234 meq/100 g)，HA1的最低(为132 meq/100 g)。上述官能团可能表示腐植酸的吸附性，也可能是羧基和酚基官能团为样本提供了酸性环境。羧基含量较高的腐植酸酸性更强，而酚基官能团表现了弱酸性。腐植酸的红外光谱表明存在含这种基团的化合物。图1是腐植酸样本(HA2、HA3、HA5、HA7)的光谱图。

光谱图显示了在3401～3415 cm-1范围内的酚基和醇羟基的振动波段。吸收光谱表明在HA2和HA4中OH的含量最高，在HA1和HA8中OH的含量最少。烷烃和环烷的吸收范围是2850～3850 cm-1。一般来说，在腐植酸中这些波段的吸光度很强，且上下波动不超过10 cm-1。腐植酸的红外光谱有两个波段(最大在1716 cm-1和1633 cm-1)，这可能源自COOH和COO-的不对称拉伸振动。通过COOH，COO-中对称振动的C=O结构的波长范围分别是1228～1239 cm-1和1228～1384 cm-1，确认了羧基的存在。C=O的波段强度在HA2和HA4中最大，在HA1、HA7、HA8中最小。需注意的一点是，由光谱分析得到的官能团数量的结论可能因光谱吸收和波段重叠而造成一些误差。

所有土壤和腐植酸的参数都趋于正态分布，并已用Saphiro-Wilk检验。表3显示的是土壤性质与腐植酸理化性质间的相关系数。表中星号标注的数据为信度在α=0.05下，两要素间的显著相关性(t-检验)。

表3 土壤理化性质与腐植酸化学性质间的相关系数Tab.3 Correlation coef fi cients calculated between selected properties of studied soils and chemical properties of humic acids isolated from peaty-muck soils

根据研究结果可得，土壤的总碳、有机碳与腐植酸性质无显著关系，因为碳在泥炭淤泥质土壤中有多种存在形式和丰富的来源，大量的有机碳可能来自其他腐殖化合物，例如富里酸、胡敏酸、不同分解阶段的有机化合物(木质素、脂肪、碳水化合物、单宁)以及动植物在不同阶段的分解产物。此外，总碳还包括碳酸盐等无机部分。土壤灰分含量与腐植酸性质间相关系数很低，因为泥炭灰分有不同的来源,不仅含泥炭植物分解转化的灰分，也包括被风和水携带而来的沉积矿物部分(二次灰分)，而腐植酸主要来源于动植物等有机物腐殖化过程后的产物。因此，灰分含量和腐植酸性质之间的关系很微弱。土壤容重与腐植酸性质(E2/E6，E4/E6，△logK，A280)或腐植酸的氧、碳、氮含量无明显相关关系。但土壤容重与腐植酸的氢含量和H/C比值呈明显负相关。土壤容重的增加导致腐植酸氧化度以及O/H比值、O/C比值的增加，同时羧基含量、羧基和酚基官能团的累积数量、OHstr.、COOHasym.、COO-asym.波段的吸光度也有所增加。图2为波段高度与容重的相关关系，图3是氧化度与容重的关系。

图2 土壤容重与红外光谱测量腐植酸官能团之间的关系Fig.2 Relationship between the density of peaty-muck soils and the functional groups of isolated humic acids measured as absorbance of FTIR bands

图3 土壤容重与腐植酸原子比、氧化度之间的关系Fig.3 Relationship between the density of peaty-muck soils and atomic ratios as well as the internal oxidation degree (ω)of isolated humic acids

上述相关系数很高且在统计学上具有重要意义。土壤容重与腐植酸的密切联系是很令人感兴趣的，这可能是由于淤泥质过程对土壤容重和有机物的理化性质，主要是包括腐植酸的胶体部分产生了影响。淤泥质过程造成泥炭容重的增加、孔隙度的减小可以解释为进一步脱水过程。另一方面，这为泥炭中含有纤维素、木质素等有机化合物的进一步分解提供条件。氧的增加促进了腐殖物质的氧化结构的形成，即增加了COOH、OH等含氧官能团的数量，加强了土壤的交换能力。腐植酸的含氧量参数(O%、O/H、O/C、ω、COOH与OH含量)与土壤容重呈正相关(尽管与O%呈正相关，但相关系数检验未达到统计学意义，今后研究应扩大样本数量)。这些结论间接证实了前人的研究。他们的调查显示，随着淤泥质、腐殖化和矿化过程的进行，会形成更多新的有机化合物，土壤容重增加。同时，这些过程需在更多氧气参与下发生，因此，腐植酸中含氧官能团增多。

土壤腐殖化指数、吸水指数与腐植酸的大多数性质有相关性，Hz与W1两参数显著相关，有相似的R值，且相关方向一致。土壤腐殖化指数与吸水指数以及腐植酸参数E2/E6、E4/E6、△logK、N%及C/N之间不存在相关关系。腐植酸的这些性质与土壤容重、灰度、总碳和有机碳含量之间也无相关性。280 nm处腐植酸的吸光度在统计上显著地随泥炭质淤泥土壤Hz和W1值的增加而增加。该范围内吸光度的增加可能和其结构的芳香度增加有关。根据Flaig腐殖化理论，芳香族化合物有可能随着分解进一步加深而增多。这就解释了土壤参数W1、Hz和腐植酸280 nm吸光度之间的正相关性。我们的研究也证明，土壤参数W1和Hz的增加会伴随氧化度和氧含量的增加，以及腐植酸结构中氢含量的减少。这可能与结构芳香化的进行、氢含量的减少有关，其中氢含量的减少是芳香环中氢原子被富含不同官能团的侧链替换所导致的。此外，W1、Hz和腐植酸的含氧官能团含量呈高度正相关。图4为土壤吸水指数与腐植酸官能团的关系。图5是腐殖化指数与官能团关系。

图6显示了吸水指数和腐植酸的原子比的相关性。由此可知腐植酸氧化度和氧含量(O/H、O/C和ω)随着吸水指数的增加而增加，而H/C比值随吸水指数增加而减少。腐植酸原子比和土壤的腐殖化指数之间相关关系类似。R值分别为-0.63(H/C)、0.67(O/H)、0.67(O/C)、0.65(ω)。通过土壤参数Hz、W1和OH、COOH基团吸收谱带峰值间的显著正相关，证实了腐殖化指数和吸水指数随着腐植酸中含氧官能团增长而提高，其中吸收谱带的峰值通过提取的腐植酸的傅立叶红外变换光谱测得。图7揭示泥炭质淤泥土壤的吸水指数与腐植酸中官能团之间的相关关系。腐植酸的OH、COOH基团的吸收谱带峰值和土壤腐殖化指数之间的关系在统计上显著相关，并具有与吸水指数相同的变化趋势[R值分别为0.74(OHstr.)、0.78 (COOHasym.)和0.63(COO-asym.)]。

在分解过程中，一些有机质(如纤维素、木质素、沥青质)转化为腐殖质，即先转化为富里酸再为腐植酸，并有大量含氧官能团。羧基和酚基数量增加，O/C比值增加，且结构发生氧化。泥炭的腐殖化指数、吸水指数或者叫二次转换指数的增加来表达其进一步的分解。上述结论间接认同了前人的研究结果，也就是有机土壤的表面电荷与腐殖化指数、吸水指数之间存在正相关。由于有机土壤的表面电荷主要来自腐殖质的含氧官能团，有人就假设土壤中W1、Hz和腐植酸的羧基、酚基官能团之间可能存在关系。因此，他们的结果可以与本研究相比较。

图4 泥炭淤泥质土壤吸水指数与腐植酸官能团(电位滴定)间的关系Fig.4 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and the functional groups (potentiometric titration) of isolated humic acids

图5 泥炭淤泥质土壤腐殖化指数与腐植酸官能团(电位滴定)间的关系Fig.5 Relationship between the humi fi cation index of peaty-muck soils and the functional groups(potentiometric titration) of isolated humic acids

图6 泥炭淤泥质土壤的吸水指数与腐植酸的原子比、氧化度之间的关系Fig.6 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and atomic ratios as well as the internal oxidation degree (ω) of isolated humic acids

图7 泥炭淤泥质土壤的吸水指数与红外光谱测量腐植酸官能团之间的关系Fig.7 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and the functional groups of isolated humic acids measured as absorbance of FTIR bands

概括来说，我们努力寻找着腐植酸与土壤性质间的关系，并使用简单统计学检验，试图找出这种关系是否显著且相关程度如何。目前我们可得出有机土壤的理化性质与腐植酸的化学性质之间存在统计上的显著关系，且所有的显著关系都发生在淤泥质过程尤其是进一步分解过程。土壤与腐植酸参数之间的高度相关证明了腐植酸组分在有机土壤腐殖化和矿化等转化过程中所起的重要作用。同时腐植酸的状态和性质可以通过更简单的土壤参数来描述，而无需耗时分离腐植酸组分。获得腐植酸与土壤性质间的数学函数关系并且确认其在统计上显著相关是有可能的。掌握腐植酸性质和土壤之间存在的统计函数，对于生态学的有机土壤保护以及农业上利用简单的土壤信息描述腐植酸重要组分等方面很有价值。