土壤腐殖物質的固體13C核磁共振技術研究

李今今，季宏兵，2*

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院首都圈生態環境過程重點實驗室，北京 100048;2.中國科學院地球化學研

究所環境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽 550002)

土壤腐殖物質是土壤有機質的主要部分，是全球碳平衡過程中重要的碳庫，是植物所需營養物質主要來源，對重金屬、有機污染物的遷移轉化起重要作用。腐殖物質是由一系列具有不同分子量和大量含氧官能團的大分子有機質組成的非均質深色混合物。利用腐殖物質在酸堿溶液中的溶解性，對其進行化學分組，可分為胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)。其中，胡敏酸溶于堿但不溶于酸，富里酸既溶于酸又溶于堿，胡敏素既不溶于酸又不溶于堿［1］。

近年來，對土壤腐殖物質的研究主要集中在元素組成、官能團含量、化學降解分析和同位素分異等方面。現階段，對腐殖物質的官能團研究以紅外光譜技術和核磁共振技術(NMR)為主。雖然紅外光譜的應用廣泛，但它只對研究某些官能團較有效。而核磁共振技術既可用于溶液態又可用于固態樣品，在測試過程中極大地減少對樣品結構的破壞。特別是對于難溶的HM樣品，固體核磁共振技術是解決其研究的一大重要技術。

通過對相關文獻及書籍的整理和分析，筆者對現階段腐殖物質的固體13C核磁共振技術的研究進展進行了闡述，以期通過對固體13C NMR的分析，為土壤腐殖物質的形態結構研究提供理論依據。

1 固態13C NMR

自1963年Schnitzer和Barton首次將核磁共振技術引入土壤有機物質研究這一領域以來，該技術已在土壤、水體、泥炭、污泥和煤炭等原材料中的有機物質的組成、結構及轉化等研究中獲得廣泛的應用［2－4］。

近年來，固體和液體的1H NMR和13C NMR都已成功地應用于腐殖物質的研究，但由于C是有機化合物的骨架，因此與1H NMR相比，13C NMR能夠得到更多的結構信息，對于研究腐殖物質的結構有著十分重要的意義。而對于難溶的HM樣品，固態13C NMR成為解決HM研究困難的一大重要技術。

由于13C的天然豐度很低，檢測較困難，直到20世紀80年代初，固體13C NMR才被用于土壤腐殖物質的研究。此前，由于在空氣中用堿液提取腐殖物質易使腐殖物質各組分發生結構上的變化，用化學方法提取腐殖物質存在一定局限性，特別是對于不溶的胡敏素幾乎無法進行結構分析，因此采用固體13C NMR技術對土壤腐殖物質進行原位測試就顯得十分必要。1980年Schnitzer和Barton首次將固體13C NMR用于土壤有機質的結構研究，之后又應用CP/MAS技術(交叉極化/魔角轉動樣品)使得波譜質量大為提高。

2 土壤腐殖物質的13C-NMR化學位移

在核磁共振技術中，13C化學位移是重要的參數。它直接反映測試物質中所含基團的情況。在一般情況下，固體13C－NMR的化學位移范圍在0～250 ppm之間。除化學位移偶然重合的情況外，每個含碳基團都有自己的特征峰。

不同結構與化學環境的碳原子的化學位移基本表現為:飽和碳在較高場，炔碳次之，烯碳和芳碳在較低場，而羰基在更低場［5］。

在以往對腐殖物質的固態13C核磁共振的研究中，對所含基團所在信號區間的劃分略有不同，但對不同官能團的歸屬基本一致，主要分為烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羧基碳和羰基碳5個不同類型碳區間。有些研究也將羧基碳與羰基碳合并為一類。一般認為，在0～100 ppm之間屬于脂肪碳，包含不直接連氧、氮、氟等雜原子的飽和碳(烷基碳)和炔碳(烷氧碳)。腐殖物質中主要13C信號區間0～50、50～100、100～160、160～190、190～220 ppm的歸屬分別為烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羧基碳、羧基碳。

固體13C NMR與液體13C NMR的化學位移各向異性相差小于3 ppm，因此可以相互借鑒套用。Schnitzer等［4］于1974年首次測定甲基化FA的13C NMR波譜，發現在53、166 ppm處有吸收信號分別歸屬于－OCH3和與－OCH3相連的芳香碳。隨后Vila等［6］發現，隨著樣品含N量的提高，50～70 ppm吸收增強，說明HA、FA中有與N相連的碳(氨基酸)。根據以往對土壤HA、FA的研究，174 ppm為COO－、－COOH和－COONH2等的吸收;101 ppm為乙縮醛的信號。對于＜60 ppm的烷基碳可以分辨出末端CH3(14.2 ppm)、β－CH2(17.8 ppm)和γ－CH2(30 ppm)3種類型的C。

綜合以往的研究結果，可以將土壤腐殖物質的官能團類型與對應的化學位移分為以下幾個部分，即化學位移13、20，31、40，56、76、93，101、113、126、140，153、167，178、187，202 ppm處的官能團類型分別為甲基碳、亞甲基碳、與氧相連的脂肪碳、與碳、氫相邊的芳香碳、與氧相連的芳香碳、羧基碳、羧基碳［7］。

在早期用化學方法對腐殖物質的研究中，學者普遍認為腐殖物質是芳香本性的。而在固體13C NMR的研究中，幾乎所有研究都檢測到大量的脂族C信號，而芳香C信號較弱［8］。這表明土壤腐殖物質中相當一部分碳是以脂肪碳的形式存在。這與過去用化學方法得出的認為腐殖物質是芳香本性的推論不一致［2，8］。可知，芳香結構和脂族結構在土壤腐殖物質中都是極為重要的組分，其中脂族C含量一般較芳香碳多。

由核磁共振波譜計算得到的腐殖化指數(HI)和芳香度(fa)，可以用來評價有機質的結構特征［8－9］。Ussiri等［9－13］認為，烷基C是難以降解的穩定有機碳組分，而烷氧C則相對易分解，因此通常將HI作為土壤有機質分解程度的評價指標。腐殖化指數的計算公式如下:

腐殖化指數=烷基C(0～50)/烷氧C(50～100)

芳香度常被用來描述土壤有機質的腐殖化程度，其計算公式如下:

芳香性=芳香C(100～160)/(芳香C+烷基C+烷氧C)

文啟孝等［2］列出了全土中不同形態碳的相對含量，發現全土有機質中芳香碳的含量并不高，一般僅在20%左右，主要為鏈烷碳和碳水化合物(烷基碳和烷氧碳)。核磁共振技術測得的fa較低，一般比化學方法低20%以上。這可能是由堿性KMnO4氧化降解的原因造成的。

Lu等［14－15］將腐殖物質在13C NMR譜圖上的特征峰定義了4個比值，分別具有特殊的意義:73 ppm/105 ppm表示纖維素和木質素的相當含量;73 ppm/130 ppm表示纖維素C和芳香C的分配特征;172 ppm/130 ppm表示腐殖物質的氧化程度;56 ppm/130 ppm表示腐殖物質子的礦化程度。

3 腐殖物質中不同組分的13C-NMR

腐殖物質中的含氧官能團使其表現出離子交換性、配合性、氧化還原性及生理活性等［15］，同時含氧官能團的含量反映腐殖物質組分的氧化程度。腐殖物質中HA、FA和HM在性質上表現出一定的差異性。利用13CNMR對其組分和結構進行比對，對于腐殖物質各組分之間的形成與轉化有重要的研究意義。目前，在對于腐殖物質不同組分的研究中，較多的集中在HA和FA上，而對于HM組分的研究較少，主要是由于其與無機礦物結合緊密，提取和純化較困難造成的。

竇森等［16－18］對土壤腐殖物質不同組分進行了固體13C NMR測定，并將胡敏素細分為鐵結合胡敏素(HMi)和黏粒結合胡敏素(HMc)。研究表明，4種組分出峰點一致，均在30.25、54.31、71.69、101.5、131.11、172.25 和 211.82 ppm 處表現出明顯特征峰，分別代表聚亞甲基、甲氧基、碳水化合物羥基、乙縮醛、取代芳香碳、羰基碳、酰胺態碳。HA與HMi相近，芳香性和氧化程度較高，結構復雜;而HMc與FA相近，脂族性更強，結構相對簡單。

不同分解程度植物殘體的13C NMR的大量研究表明，隨著腐殖化程度的增加，腐解產物中烷基C和羰基C的含量增加，而烷氧C含量下降。至于芳碳，不同研究人員之間得到的結果差異較大。一部分學者認為，隨著腐殖化程度增加，芳碳含量也增加。但大多數研究者觀察到，芳碳基本保持穩定。以往大量研究是通過核磁共振技術測定不同土壤中腐殖物質的不同組分，從而得到HA、FA和HM的結構特征相似的結果。同時，他們認為HA與HM的芳化度接近，而富里酸的芳化度低于胡敏酸。綜合大量研究材料，土壤胡敏酸、富里酸的芳化度大多分別在30%～45%和10%～20%之間［2］。一些研究者報道某些土壤HA的芳化度較高，但亦在55%以下。但是，對于HA和FA芳化度的比較，以往研究中也有FA的芳化度高于HA的情況出現。這可能與樣品制備、測定方法有關。所以，在FA和HA芳化度的比較中，目前尚沒有一致的結果。

在FA的13C NMR譜中，普遍在74和105 ppm表現出很強的信號，表明其中碳水化合物的含量很高。據此，可以認為FA以多糖結構為主。

在提取HA、FA后的剩余殘渣中灰分含量較高，因此需用HCl－HF進行處理后，得到較純凈的HM，方可進行核磁共振測試。大部分報道認為，HM與HA的譜圖較為相似，但也有部分報道認為HM的譜圖更接近于FA。

4 小結

在現階段腐殖物質的研究中，固態13C核磁共振技術起至關重要的作用，但對于腐殖物質的形成、轉化機理至今仍未有一套詳實的解釋。由于腐殖物質本身過于復雜，其研究理論存在較大分歧。基于不同的土壤形成假說，出現了不同的觀點。由于腐殖物質生成機制，各組分形成順序和轉化機理存在著多種可能性。在今后的研究中，仍需進一步的探討和詳細的研究，從而對土壤發生有新的認識。

由于土壤腐殖物質的組成和結構復雜且具有變異性，腐殖物質與土壤無機組分結合的多樣性，通過腐殖物質的分組及核磁共振技術僅能對腐殖物質的整體結構進行研究，對腐殖物質結構的研究仍處在探索階段，仍需進一步的探討。

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