紅外光譜與核磁共振在土壤有機質結構研究中的應用

張福韜　喬云發

摘要土壤有機質結構與其穩定性密切相關，可調控土壤有機質的含量和性質，對于農業生產管理和環境保護具有重要意義。由于其復雜性，至今對土壤有機質結構、變化規律的認識還不是很清楚。現已證明光譜技術是闡明物質結構的較好方法。近年來，紅外光譜和核磁共振技術被廣泛應用于土壤有機質結構的研究。本文通過收集閱讀相關文獻報道，總結了紅外光譜分析和核磁共振技術應用于研究土壤有機質結構研究的現狀，以期相關領域的研究者能通過綜述快速了解這兩種方法在研究土壤有機質結構方面的情況，進一步促進土壤有機質結構的研究。

關鍵詞紅外光譜分析；13C-核磁共振分析；土壤有機質結構；官能團；元素

中圖分類號S153.6+2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-081-04

Application of Infrared Spectroscopy and Nuclear Magnetic Resonance in Soil Organic Matter Structure Research

ZHANG Fu-tao1，2， QIAO Yun-fa2*

（1. Northeast Institute of Geography and Agroecology， Chinese Academy of Science， Harbin， Heilongjiang 150081； 2. Graduate School， Chinese Academy of Science， Beijing 100049）

AbstractThe structure of soil organic matter is closely related to its stability， which can regulate the content and nature of soil organic matter. Thus it has great significance to agriculture management and environment protection. Up to now， it is not clear in understanding the structure of soil organic matter due to its complexity. It has been proved that spectroscopy is a optimal skill to clarify material structure. Infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance are widely applied in structure research of soil organic matter in recent years. This review concludes research status in soil organic matter structure by the two methods through reading relative literatures. The aim is to make researchers in relative field understand the research status， which could promote structure research of soil organic matter in the future.

Key wordsInfrared spectroscopy analysis； Nuclear magnetic resonance analysis； Soil organic matter structure； Functional groups； Elements

土壤有機質在維持土壤微生物、動植物正常生命活動，保持土壤肥力和緩沖性，調節環境氣候方面具有重要意義[1]，而研究土壤有機質的關鍵在于深入了解和認識其的結構。采用化學方法、熱解質譜法、同位素示蹤法、固態碳13核磁共振分析法（13C-NMR）和傅里葉紅外光譜分析法（FTIR）[1-2]，可以研究土壤有機質結構。傳統的化學方法需先提取土壤有機質并且進行前處理，這會對其原結構產生影響[3]，而且成本高，耗費時間，在分析過程中用到的危險化學品降低了研究者的安全系數[4]。近紅外光譜和核磁共振技術在研究土壤有機質結構方面具有獨特的優勢。通過搜集閱讀相關文獻，筆者總結這兩種方法在土壤有機質結構方面的研究進展，主要從土壤有機質的幾種主要組分結構、不同因素影響下土壤有機質結構變化幾方面來陳述，以期相關領域的研究者對這兩種方法研究土壤有機質結構的概況有一個整體的了解，促進土壤有機質結構的研究。

1紅外光譜技術在土壤有機質結構中的研究進展

1.1紅外光譜技術

紅外光譜分析技術是一種利用物質有機官能團如C-H、O-H、N-H等對紅外光的選擇性吸收，快速測量物質中一種或幾種成分含量的技術[5]，具有無破壞性、有效利用成本、樣品用量少、不用危險化學品等優點[4]。紅外光分為近紅外光、中紅外光和遠紅外光[5]，研究土壤有機質結構常用近紅外光譜技術[6]，最初應用于土壤學方面時受到儀器和技術的限制，傅里葉近紅外光譜的出現為其研究工作的順利進行提供了技術保障[3]，現已廣泛應用于農業、食品、石油化工、制藥等領域[7]。許多研究者都采用紅外光譜儀研究土壤營養物質含量、土壤結構、土壤性質等[8]。

1.2近紅外光譜對土壤有機碳的研究

土壤有機碳是土壤有機質的重要組成部分，是評價土壤質量的一個重要指標。從前人研究看來，近紅外光譜可以用來獲取土壤組分信息，能快速、可靠地估測總碳、無機碳、有機碳、可用碳和不穩定性有機碳組分含量[9-10]，預測不同大小顆粒組分中的土壤有機碳[11-12]。紅外光譜表明，不同粒徑水穩性團聚體有機碳組成一致，只是豐度有差異。大團聚體有機碳中主要是脂肪碳、多糖碳等活性較高的碳，而穩定的芳香碳則趨向于被保護在微團聚體中[13]。不同耕作年限對稻田表層有機碳含量影響不大，隨著年限的增加，0～40 cm土層和40～80 cm土層有機碳儲量下降，而30～60 cm土層中有機碳有升高的趨勢[14]。水稻秸稈燃燒對土壤有機碳的影響僅在土壤表層幾厘米以內，隨著燃燒次數的增加，土壤有機碳的減少量增加[15]。在田間使用紅外光譜儀研究土壤有機碳時，土壤表面性質的空間變異（如不平整度、土壤水）會導致與土壤有機碳不相關的光譜變化，降低研究土壤有機碳的準確性[16-17]。

1.3近紅外光譜對土壤腐殖質結構的研究

土壤有機質包括腐殖物質和非腐殖物質，其中腐殖物質是其主要組分。根據酸堿溶解特性和分子量特征，可分為胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）[2]。目前，對不同土壤、耕作方式、管理條件下土壤腐殖質結構的研究都較多。相對其他土壤來說，黑土HA的相對分子量較大，碳氫比和氧碳比高，羧基含量高，羧基與酚羥基的比值高，分子結構復雜[18]；黃壤HA脂肪碳含量較高，芳香結構含量較低；石灰土HA分子的脂肪碳含量較低，芳香結構和含氧官能團含量較高[19]。在不同耕作方式下，HA的含氧官能團一樣，數量不一樣，向土壤中添加稻草，脂肪性增強[20]。有機培肥使HA的分子量、縮合度、羧基含量和反應熱下降，HA變得簡單化和年輕化；施用豬糞可以增加HA的含氮量，降低酚羥基含量，而施玉米秸稈則相反[21]。土壤使用會改變腐殖酸的質量。土壤耕作表層中所減少的不穩定性腐殖酸是傳統耕作的2.6倍，冬季作物輪作對不穩定性腐殖酸含量的增加有很大的影響[22]。隨著耕作年限的增加，HA的芳化程度有所提高，聚合程度基本上不受影響，500和700年的水稻土脂肪族-CH2-、-CH3基團量高于100年的[23]。

土壤FA以脂肪族碳為主，主要是烷基碳和烷氧碳。隨著深度的增加，免耕有利于土壤FA中羧基、羰基和酚羥基含量的增加，而甲氧基和醇羥基的含量降低，氧化程度和芳構化程度增強[20]。在過氧化物酶催化作用下，FA包含更大、更多的環芳香結構，有更高的共軛作用[24]。施入玉米秸稈后土壤中FA的羧基含量減少且逐漸由羧酸鹽的形式向游離的羧基形式過渡，芳香碳的含量下降，氧化程度降低，芳香度顯著下降，酰胺成分增加，脂族鏈烴結構成分明顯增多，分子結構向更簡單化的方向發展[25]。隨著水稻秸稈燃燒次數的增加，FA 中芳香性成分和含脂肪族的羥基碳和C-O增加[15]。

相對HA和FA來說，對HM結構的研究較少。HM分為鐵結合胡敏素（HMi）、黏粒結合胡敏素（HMc）和不溶性胡敏素（HMr）[26]。紅外光譜結果表明，自然土壤中HMi、HMc的脂族性強弱順序為風沙土>黑土>草甸土[27]，與自然土壤相比，加玉米秸稈培養后新形成HMi、HMc的脂族性強。在不同土地利用方式（桑園、水田、水杉、黑土）下，土壤胡敏素元素和功能團的組成相似，均含有較多的芳香族類不飽和物質，而相對脂肪族類物質含量較少[28]。微生物促使胡敏素的脂族-CH2-增多，真菌能增強其脂族性，并使芳香化合物增加，分子結構復雜化[29]。高氧使HMi的數量增加，有利于HMr和HMc分解；低氧有利于HMi和HMr積累；低二氧化碳也有利于HMi分解；高二氧化碳有利于HMc形成和積累，促進HMr分解[30]。

可見，對不同條件下土壤HM、FA和HM的結構都有研究。黑土相對于其他土壤腐殖質含量較高。外源物質的添加及微生物的作用增加腐殖質的脂肪結構，降低芳香性和氧化程度，而秸稈燃燒結果相反。

1.4紅外光譜對土壤有機質結構變化的研究

1.4.1人為因素對土壤有機質結構的影響。土壤有機質的結構受多方面因素的影響。人為因素包括施肥、秸稈還田、作物種植方式和耕作方式對土壤有機質結構產生很大的影響。在長期不同施肥后，土壤有機質結構單元和官能團數量有較明顯的變化，而碳骨架基本一致。化合物組分主要是醇和酚脂肪族化合物、芳香族化合物、碳水化合物以及有機硅化合物等[31-32]。在不同植被條件下，森林土壤結構最好，干篩土壤團聚體含有更高的土壤有機碳和不穩定性碳，植物殘渣中含更高的木質素和更多疏水性團聚體與土壤中含更少土壤有機碳具有相關性[33]。在不同耕作方式下，犁地耕作形成最好的土壤結構，耙地耕作次之，鉆地耕作最差，作物輪作也影響土壤結構。相對于混合輪作來說，冬季作物為主輪作形成最差的土壤結構質量[34]。因此，想在土壤貧瘠地區改善土壤肥力和環境，可以從種植植被方面考慮，并結合保護性耕作方式、合理施肥來改善土壤結構達到目的。

1.4.2自然因素對土壤有機質結構的影響。自然形成的土壤有機質結構是存在差異的，主要是數量上的差異，碳骨架以及官能團是相似的[35]。比較傅里葉紅外光譜表明，磚紅壤中閉塞的輕組有機質更頑固，比自由輕組更濃縮凝結。傳統耕作系統的表層比免耕系統的自由輕組有更多的芳香性物質，并且表層比深層有更多的芳香性物質[36]。風蝕土壤中的粉黏粒有更高水平的脂肪族碳，能帶走更高水平脂肪族碳化合物和黏土，對土壤有機質數量和質量有潛在負效應，影響農業生態系統的持續性[37]。火燃燒的嚴重程度對土壤有機質結構的影響不一樣，中度土壤燃燒使土壤有機質大量損失，高度土壤燃燒引起土壤有機質重要質量的改變[38]。海洋土壤在海底以下7 m，SOM仍然是不穩定的，且含有約25%的蛋白質和15%的碳水化合物。隨著深度的增加，到海底以下367 m時，蛋白質含量呈指數下降到13%，碳水化合物的含量線性地降低到11%，木質素和脂質的含量隨著深度的增加而增加[39]。生物退化導致土壤含水層溶解性有機質芳香結構富集，并且降低含氧功能組（C=O和C-O）的含量[40]。由此可知，自然形成的不同土壤有機質結構相似，只是存在官能團、各元素含量的差異；在風蝕、水蝕和其他具破壞性自然因素的影響下，土壤有機質含量降低，結構向不利于提高土壤質量的方向變化。

2核磁共振在土壤有機質結構中的研究進展

2.1核磁共振技術概述

應用核磁共振技術研究土壤有機質已成為一種較優的選擇。研究者常用1H-NMR、液態13C-NMR和固態13C-NMR來研究土壤有機質，也有少數研究者用31P-NMR和15N-NMR[41]。其中，最早使用的是1H-NMR，液態13C-NMR使用較晚[42]，固態13C-NMR到20世紀80年代才使用，樣品預處理簡單，可直接檢測而無需用化學或其他方法提取有機物質，波譜圖內涵豐富，較全面地提供土壤樣品有機質成分信息[41]，因此核磁共振技術在土壤有機質研究中發揮著越來越重要的作用。

2.2核磁共振技術在土壤有機質結構方面的研究進展

黑土、紅壤、黃棕壤和黃潮土腐殖酸核磁共振圖譜表明，其組分中以烷氧碳含量最高，脂類碳略高于芳香碳含量[35]，胡敏酸以烷氧碳和烷基碳為主體，以芳香結構為核心，黑土胡敏酸含有較多羰基碳和芳香碳，較少的烷氧碳[43]。火燃燒引起土壤有機質烷氧基丟失，烷基、羧基結構和芳香結構增加[38]。在不同的耕作方式中，免耕增加了甲基碳含量，形成最復雜的土壤有機質結構[44]。相對于免耕和鑿耕，犁耕加大了對土壤團聚體的擾動，有機質含更高的烷基碳/烷氧碳，土壤總有機碳、微生物量碳和高錳酸鹽氧化碳含量減少[45]。不同植被覆蓋下土壤有機質結構的不同與植被所含物質不一樣有關[46]。長期施肥并未對土壤有機質的化學組成產生顯著影響，但各功能集團的相對含量發生較大變化[47]。施用有機肥提高了土壤烷氧碳（甲氧基+含氮烷基碳）和羰基碳的相對含量，但降低了有機質的分解程度，而施用化肥提高了土壤烷氧碳和烷基碳的相對含量；有機肥和化肥處理均降低了芳基碳的相對含量[48]。不同團聚體中的有機質結構也存在差異，隨著團聚體粒徑的減小，烷基碳與烷氧碳比值逐漸提高，并且與土壤C/N呈顯著負相關[49]。

綜上所述，核磁共振與紅外分析儀在土壤有機質結構方面的研究結果相似。土壤有機質以烷氧碳為主，其次為芳香碳，再者為烷基碳和羰基碳。在耕作方式上，核磁共振圖譜表明免耕能改變土壤有機質結構而改善土壤質量，在實際生產中應避免犁耕；而紅外光譜表明犁耕形成最好的土壤結構，這可能是由于試驗區域環境條件不同所形成的差異。不同植被覆蓋下土壤有機質結構存在差異可能是由于植被輸入土壤中的有機質不同，不同施肥條件下土壤有機質的結構單元不變，只是官能團數量上有差異。

3多種方法結合研究土壤有機質結構

核磁共振技術研究土壤有機質結構有很多優勢，也存在以下缺點：不同的功能組光譜峰由于重疊而不能區分開，不能區分O替代的脂肪族碳和N替代的脂肪族碳，不能區分羰基、氨基化合物、酯質碳[50]，使用成本和分析成本高[51]。紅外光譜存在不適合分析含水樣品，定量分析誤差大、主要振動鍵結合、圖譜解析主要靠經驗等缺點[52]。所以，應用單一技術達不到理想效果。多種技術聯合使用才有利于闡明土壤有機質結構[53]。固態13C-NMR結合CP技術（交叉極化技術）可以克服固體樣品中13C 核靈敏度低和弛豫時間長所造成的測試費時的困難；結合MAS技術（魔角自旋技術），可以增強分辨率[26]。紅外光譜結合多重校準可以直接用來定量分析樣本的組成[54]。Davinic等[55]應用高溫測序和中紅外光譜分析技術揭示土壤微生物群落和和土壤有機質數量和質量間的關系。Wen等[56]將元素分析儀、紫外-可見光譜、傅里葉轉換紅外光譜和固態13C-NMR結合分析泥炭地腐殖質的各個組分，得出脂肪性大小順序是脂質>結合腐殖酸的物質>腐殖酸>難溶性殘基組分，極性大小順序是難溶性殘基組分>結合腐殖酸的物質>腐殖酸>脂質。從大量報道看來，兩種或兩種以上的技術結合使用能夠優勢互補，跨領域，從多方面展開研究，得到更多的信息和更好的研究結果。對于復雜的土壤有機質結構，多種技術聯合使用是使其結構研究取得突破的關鍵。

4結論

用近紅外光譜和核磁共振研究土壤有機質結構是可行的，現已認識到土壤有機質的主要組成元素及各自含量比例、主要的官能團種類，但是對于各元素、官能團之間的關系尚不清楚，對有機質的整體結構認識還不全面。在不同耕作方式、施肥方式、秸稈還田土壤有機質結構研究中，大多數研究只集中于定性地認識到各元素和官能團的增加或減少，定量化的研究還很少，而土壤有機質結構定量化的變化對于指導土地管理和環境保護具有重要意義，所以未來要著重定量化方面的研究。近紅外光譜和核磁共振技術各自有優缺點，結合使用可以優勢互補，獲得更多信息，達到更好效果，促進土壤有機質結構的研究。在實際研究中，根據實驗研究的實際需要，可以結合熱質譜技術、元素分析技術和脈沖技術等。

43卷7期

張福韜等紅外光譜與核磁共振在土壤有機質結構研究中的應用

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