泥炭淤泥質土壤的理化性質與其腐植酸組分之間的統計關系

Patrycja Boguta Zofia Sokolowska 著 周小康 段晨曦 陳方圓 趙紅艷*譯

(1 波蘭科學院農業物理研究所 都柏林 20-290 2 東北師范大學地理科學學院 長春 130024)

波蘭Polesie Lubelskie地區以及Biebrza河地區泥炭地都是最有價值的自然資源之一。除其旅游價值外，還是動植物重要的生境和棲息地。泥炭地也是大的有機碳庫，它影響著土壤的吸附性、土壤結構和微生物活動。然而，該區泥炭也遭受著各種改變(自然演化以及不合理的開采)。波蘭大多數泥炭地被排干用于農業使用，這加速了泥炭到淤泥的轉化。泥炭的礦化與二次分解使得泥炭土在物理、化學、生物和形態上發生了變化，從而失去吸附性變為疏水性。泥炭停止生長，濕度周期性降低，氧氣供給增加。分解作用的加強使得泥炭地表層轉變成黑棕色的腐殖質。而這種淤泥質泥炭對農業十分有利，因其包含著非常有價值的腐殖物質，尤其是腐植酸和富里酸。這些高吸附性的組分在陽離子交換中扮演重要角色。腐殖質的理化作用促進形成良好的土壤結構(土壤顆粒團聚體的穩定性),提高了土壤肥力、通氧、水分保持、緩沖和交換能力。腐植酸和富里酸通過對土壤物理、化學、生物性質的影響促進了植物的生長，這是因為它們為植物提供了生長所需的N、P和陽離子。上述事實表明：腐殖質在控制土壤的理化性質方面起著重要作用(特別是有機土壤)。腐殖質會因腐殖化度、氧化度、芳香度、官能團含量和分子量的不同而改變。而這些差異會影響腐植酸對土壤性質的作用。因此，掌握腐殖質理化性質方面的知識能夠幫助我們選擇出農業生產的最優條件。然而,分離和調查腐植酸、富里酸用在農業上既耗時又耗資。

本研究目的是檢驗能否用土壤的理化性質來描述腐植酸的性質。對于任何存在于腐植酸與土壤屬性之間明顯的統計相關性，都可以作為評估腐植酸屬性的最簡單、省時的測量方法。

1 材料和方法

1.1 土壤參數測定

從PolesieLubelskie和Biebrza河谷泥炭地5～10 cm深處采集11種泥炭淤泥質土壤，標記為S1～S11。根據Okruszko分類法，將代表典型泥炭質淤泥的5種標記為Z1，其余6種淤泥為Z3。根據Gawlik方法，用吸水指數(W1)表示二次分解。用腐殖化指數(Hz)描述腐殖化度。總碳和有機碳使用元素分析儀(Carbon/Nitrogen analyzer TOC MULTI N/C 2000, HT 1300)測定。灰分含量測定參照Sapek和Sapek(1997)的方法。

1.2 腐植酸參數測定

使用堿液提取法(Swift，1996)分離出腐植酸(標注為HA1-HA11)。使用Perkin Elmer CHN 2400分析儀測得腐植酸中氮、碳、氫元素組成。由公式100%-H%-C%-N%計算氧含量。用重量百分比表示數據。由所得結果計算H/C、O/H、O/C和C/N的原子比，用ω=[(2O+3N)-H]/C計算氧化度(ω)。根據Kucharenko和Dragunowa的技術方法，使用滴定法測定羧基官能團以及羧基和酚基官能團的總量(Dziadowiec，1990)。合成完KBr壓片后，用FTIR Thermo Nicolet spectrometer分光計記錄腐植酸的傅里葉變換紅外光譜(Thermo Scientific)。用吸光度單位測量腐植酸中羧基(1619～1639 cm-1)和酚基(3389～3401 cm-1)的峰值強度。在腐植酸溶液密度40 mg/dm3；pH值8；波長465 nm、665 nm和260 nm條件下，計算E4/E6和E2/E6的吸光度比。用公式logA400-logA600計算Kumada參數△logK(400、600分別代表在400 nm和600 nm波長處的吸光度)。

1.3 數據處理

上述測量步驟需重復3次并求數據平均值。使用光譜儀軟件求傅里葉變換紅外光譜(FTIR)的平均值。用Saphiro-Wilk驗證數據的正態分布，并計算土壤與腐植酸參數間的相關系數，最后使用t-檢驗法在α=0.05水平上計算相關系數。

2 結果和討論

有機土壤理化性質參數在表1中給出。

根據Gawlik分類(1992)的吸水指數(W1)，我們把第一類W1∈<0.36-0.45>(分解初始階段)由樣本S8表示；第二類W1∈<0.46-0.60>(弱分解)由樣本S1、S6和S7表示；W1∈<0.61-0.75>(中分解)由樣本S2、S3、S10、S5、S9、S11表示；W1=0.82(強分解)由樣本S4表示。Hz最高的為S4、S3、S2，最低的為S8、S6、S1。研究樣本的總碳含量從249 mg C/g干物質變化到了419 mg C/g干物質。本研究還發現，樣品S5為極大值而S11為極小值，也許能證明泥炭向淤泥轉化中的最低與最高程度。上述是基于淤泥質過程包括腐殖化與礦化的事實而言。在成礦過程中，部分碳以二氧化碳的形式釋放到大氣中。土壤中有機碳的含量略低于總有機碳，在范圍241(S11)～393(S5) mg C/g干物質內。很多的有機碳證明了礦化過程很微弱。土壤灰分含量在16.4%至26.8%范圍內，表明淤泥化過程與泥炭分解進一步加深。基于這個事實，我們可以認為礦化過程對灰分含量最高的樣本(例如：S1、S6、S7、S8、S11)和最小灰分含量(S9)起著很重要的作用。容重在0.19～0.37 g/cm3之間，由此得出土壤在二次分解程度上的多樣性。其中，吸水程度與容重這兩個參數有著強烈的相關關系，容重最低(0.19～0.27 g/cm3)的泥炭淤泥(Z1)同時有較低程度的吸水指數W1(0.44～0.61)；較高容重(0.30～0.37 g/cm3)的淤泥(Z3)同時有高程度的吸水指數W1(0.6～0.82)。

表1 泥炭淤泥質土壤篩選出的理化性質Tab.1 Selected physicochemical properties of studied peaty-muck soils

腐植酸樣品所測量的參數在表2中給出。

各腐植酸樣本表現出典型的E4/E6值。參考Kononowa(1966)的研究，他們應該低于6。E4/E6的最高值(5.3～5.7)在樣本HA8～HA11中出現，最低值(3.4和3.8)為樣本HA2和HA3。該指標與腐殖化程度相關，在強分解腐植酸中值最低。同時，E4/E6值低的腐植酸可能有較大的分子質量和更緊密的芳香結構；E2/E6值高則證明樣本含有大量弱分解化合物，如木質素(樣本HA5、HA7和HA8)。△logK值在0.7到0.93波動，據Kumada(1987)的研究進行分類，樣本HA1～HA4屬中分解腐植酸而HA5～HA11屬于弱分解腐植酸。HA1～HA3在波長280 nm時的吸光度數值最高，表明它們的芳香結構含量較高。而HA5～H A8表現出最低的吸收信號，可能與芳香族含量比脂肪族結構更多有關。腐植酸各樣本碳含量相似，范圍從46.18%(HA2)到48.34%(HA7)。該比例和有機碳濃度相近。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結構的增加。表2中，氮含量從3.08%(H A3)變化到3.89%(HA11)，氫含量從4.42%(HA2)變化到5.45%(HA7)。氧含量從42.48%(HA7)變化到45.89%(HA3)。根據Van Krevelen(1950)，計算出的H/C比值(從1.15到1.35)與加脂鏈的芳香系統(低于10個碳原子)相對應。樣本HA2和HA3的H/C比值最低，證明其芳香結構含量高以及這些單元結合緊密。而HA7的H/C比值(1.35)最高，證明這些環狀結構在其中含量較低。O/H比值在0.49(HA7)～0.64(HA2)范圍變化，相比于O/H比值較低的樣本，該樣本含氧官能團如羧基、羥基、酚類等所占比例大。O/C比值從0.66(HA7)變化到0.74(HA2)，該指標的值越高，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)。樣本中C/N比值沒有明顯差異，表明樣本間的生物性質相似。

表2 待測腐植酸的化學性質Tab.2 Chemical properties determined for studied humic acids

由表2可以看出，HA2、HA3、HA4(分別為642 meq/100 g、648 meq/100 g和645 meq/100 g)的C O O H+O H官能團含量最高，而H A8的COOH+OH官能團含量最低(為489 meq/100 g)。其中，COOH官能團含量大約是酚基含量的二倍。表2中HA1、HA3、HA11的COOH官能團含量最高(分別為420 meq/100 g、416 meq/100 g和422 meq/100 g)，而HA8的COOH含量最低(為306 meq/100 g)。HA2、HA3、HA4、HA5的酚基含量最多(分別為241 meq/100 g、232 meq/100 g、236 meq/100 g、234 meq/100 g)，HA1的最低(為132 meq/100 g)。上述官能團可能表示腐植酸的吸附性，也可能是羧基和酚基官能團為樣本提供了酸性環境。羧基含量較高的腐植酸酸性更強，而酚基官能團表現了弱酸性。腐植酸的紅外光譜表明存在含這種基團的化合物。圖1是腐植酸樣本(HA2、HA3、HA5、HA7)的光譜圖。

光譜圖顯示了在3401～3415 cm-1范圍內的酚基和醇羥基的振動波段。吸收光譜表明在HA2和HA4中OH的含量最高，在HA1和HA8中OH的含量最少。烷烴和環烷的吸收范圍是2850～3850 cm-1。一般來說，在腐植酸中這些波段的吸光度很強，且上下波動不超過10 cm-1。腐植酸的紅外光譜有兩個波段(最大在1716 cm-1和1633 cm-1)，這可能源自COOH和COO-的不對稱拉伸振動。通過COOH，COO-中對稱振動的C=O結構的波長范圍分別是1228～1239 cm-1和1228～1384 cm-1，確認了羧基的存在。C=O的波段強度在HA2和HA4中最大，在HA1、HA7、HA8中最小。需注意的一點是，由光譜分析得到的官能團數量的結論可能因光譜吸收和波段重疊而造成一些誤差。

所有土壤和腐植酸的參數都趨于正態分布，并已用Saphiro-Wilk檢驗。表3顯示的是土壤性質與腐植酸理化性質間的相關系數。表中星號標注的數據為信度在α=0.05下，兩要素間的顯著相關性(t-檢驗)。

表3 土壤理化性質與腐植酸化學性質間的相關系數Tab.3 Correlation coef fi cients calculated between selected properties of studied soils and chemical properties of humic acids isolated from peaty-muck soils

根據研究結果可得，土壤的總碳、有機碳與腐植酸性質無顯著關系，因為碳在泥炭淤泥質土壤中有多種存在形式和豐富的來源，大量的有機碳可能來自其他腐殖化合物，例如富里酸、胡敏酸、不同分解階段的有機化合物(木質素、脂肪、碳水化合物、單寧)以及動植物在不同階段的分解產物。此外，總碳還包括碳酸鹽等無機部分。土壤灰分含量與腐植酸性質間相關系數很低，因為泥炭灰分有不同的來源,不僅含泥炭植物分解轉化的灰分，也包括被風和水攜帶而來的沉積礦物部分(二次灰分)，而腐植酸主要來源于動植物等有機物腐殖化過程后的產物。因此，灰分含量和腐植酸性質之間的關系很微弱。土壤容重與腐植酸性質(E2/E6，E4/E6，△logK，A280)或腐植酸的氧、碳、氮含量無明顯相關關系。但土壤容重與腐植酸的氫含量和H/C比值呈明顯負相關。土壤容重的增加導致腐植酸氧化度以及O/H比值、O/C比值的增加，同時羧基含量、羧基和酚基官能團的累積數量、OHstr.、COOHasym.、COO-asym.波段的吸光度也有所增加。圖2為波段高度與容重的相關關系，圖3是氧化度與容重的關系。

圖2 土壤容重與紅外光譜測量腐植酸官能團之間的關系Fig.2 Relationship between the density of peaty-muck soils and the functional groups of isolated humic acids measured as absorbance of FTIR bands

圖3 土壤容重與腐植酸原子比、氧化度之間的關系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

上述相關系數很高且在統計學上具有重要意義。土壤容重與腐植酸的密切聯系是很令人感興趣的，這可能是由于淤泥質過程對土壤容重和有機物的理化性質，主要是包括腐植酸的膠體部分產生了影響。淤泥質過程造成泥炭容重的增加、孔隙度的減小可以解釋為進一步脫水過程。另一方面，這為泥炭中含有纖維素、木質素等有機化合物的進一步分解提供條件。氧的增加促進了腐殖物質的氧化結構的形成，即增加了COOH、OH等含氧官能團的數量，加強了土壤的交換能力。腐植酸的含氧量參數(O%、O/H、O/C、ω、COOH與OH含量)與土壤容重呈正相關(盡管與O%呈正相關，但相關系數檢驗未達到統計學意義，今后研究應擴大樣本數量)。這些結論間接證實了前人的研究。他們的調查顯示，隨著淤泥質、腐殖化和礦化過程的進行，會形成更多新的有機化合物，土壤容重增加。同時，這些過程需在更多氧氣參與下發生，因此，腐植酸中含氧官能團增多。

土壤腐殖化指數、吸水指數與腐植酸的大多數性質有相關性，Hz與W1兩參數顯著相關，有相似的R值，且相關方向一致。土壤腐殖化指數與吸水指數以及腐植酸參數E2/E6、E4/E6、△logK、N%及C/N之間不存在相關關系。腐植酸的這些性質與土壤容重、灰度、總碳和有機碳含量之間也無相關性。280 nm處腐植酸的吸光度在統計上顯著地隨泥炭質淤泥土壤Hz和W1值的增加而增加。該范圍內吸光度的增加可能和其結構的芳香度增加有關。根據Flaig腐殖化理論，芳香族化合物有可能隨著分解進一步加深而增多。這就解釋了土壤參數W1、Hz和腐植酸280 nm吸光度之間的正相關性。我們的研究也證明，土壤參數W1和Hz的增加會伴隨氧化度和氧含量的增加，以及腐植酸結構中氫含量的減少。這可能與結構芳香化的進行、氫含量的減少有關，其中氫含量的減少是芳香環中氫原子被富含不同官能團的側鏈替換所導致的。此外，W1、Hz和腐植酸的含氧官能團含量呈高度正相關。圖4為土壤吸水指數與腐植酸官能團的關系。圖5是腐殖化指數與官能團關系。

圖6顯示了吸水指數和腐植酸的原子比的相關性。由此可知腐植酸氧化度和氧含量(O/H、O/C和ω)隨著吸水指數的增加而增加，而H/C比值隨吸水指數增加而減少。腐植酸原子比和土壤的腐殖化指數之間相關關系類似。R值分別為-0.63(H/C)、0.67(O/H)、0.67(O/C)、0.65(ω)。通過土壤參數Hz、W1和OH、COOH基團吸收譜帶峰值間的顯著正相關，證實了腐殖化指數和吸水指數隨著腐植酸中含氧官能團增長而提高，其中吸收譜帶的峰值通過提取的腐植酸的傅立葉紅外變換光譜測得。圖7揭示泥炭質淤泥土壤的吸水指數與腐植酸中官能團之間的相關關系。腐植酸的OH、COOH基團的吸收譜帶峰值和土壤腐殖化指數之間的關系在統計上顯著相關，并具有與吸水指數相同的變化趨勢[R值分別為0.74(OHstr.)、0.78 (COOHasym.)和0.63(COO-asym.)]。

在分解過程中，一些有機質(如纖維素、木質素、瀝青質)轉化為腐殖質，即先轉化為富里酸再為腐植酸，并有大量含氧官能團。羧基和酚基數量增加，O/C比值增加，且結構發生氧化。泥炭的腐殖化指數、吸水指數或者叫二次轉換指數的增加來表達其進一步的分解。上述結論間接認同了前人的研究結果，也就是有機土壤的表面電荷與腐殖化指數、吸水指數之間存在正相關。由于有機土壤的表面電荷主要來自腐殖質的含氧官能團，有人就假設土壤中W1、Hz和腐植酸的羧基、酚基官能團之間可能存在關系。因此，他們的結果可以與本研究相比較。

圖4 泥炭淤泥質土壤吸水指數與腐植酸官能團(電位滴定)間的關系Fig.4 Relationship between the water absorption index of peaty-muck soils and the functional groups (potentiometric titration) of isolated humic acids

圖5 泥炭淤泥質土壤腐殖化指數與腐植酸官能團(電位滴定)間的關系Fig.5 Relationship between the humi fi cation index of peaty-muck soils and the functional groups(potentiometric titration) of isolated humic acids

圖6 泥炭淤泥質土壤的吸水指數與腐植酸的原子比、氧化度之間的關系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

圖7 泥炭淤泥質土壤的吸水指數與紅外光譜測量腐植酸官能團之間的關系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

概括來說，我們努力尋找著腐植酸與土壤性質間的關系，并使用簡單統計學檢驗，試圖找出這種關系是否顯著且相關程度如何。目前我們可得出有機土壤的理化性質與腐植酸的化學性質之間存在統計上的顯著關系，且所有的顯著關系都發生在淤泥質過程尤其是進一步分解過程。土壤與腐植酸參數之間的高度相關證明了腐植酸組分在有機土壤腐殖化和礦化等轉化過程中所起的重要作用。同時腐植酸的狀態和性質可以通過更簡單的土壤參數來描述，而無需耗時分離腐植酸組分。獲得腐植酸與土壤性質間的數學函數關系并且確認其在統計上顯著相關是有可能的。掌握腐植酸性質和土壤之間存在的統計函數，對于生態學的有機土壤保護以及農業上利用簡單的土壤信息描述腐植酸重要組分等方面很有價值。

3 結論

(1) 腐植酸增加導致O/H、O/C、氧化度、羧基和酚基含量的增加。因為淤泥質過程中的脫水、破碎，使得土壤孔隙度降低、容重增大。同時，該過程的進一步分解，發生在強耗氧的環境下，這與腐植酸包含大量羧基、醇羥基和酚基等含氧官能團有關。

(2) 土壤腐殖化指數、吸水指數的增加伴隨著腐植酸參數，如氧和含氧官能團的含量、O/H、O/C、氧化度、芳香度的增加。上述參數間的高度相關也許是因為腐植酸占土壤中腐殖質的絕大部分，且該組分在土壤系統的性質中發揮了主導作用。

(3) 土壤的灰分、總碳和有機碳對腐植酸化學性質方面無顯著影響。我們推測是因土壤中存在著其他形式的碳，例如無機碳，或是有機碳不能由堿性溶液完全提取。

(4) 研究表明，在沒耗時分離腐植酸的情況下評估其狀態、質量和性質是有可能的，但需建立在眾多土壤參數的基礎上。掌握腐植酸性質和土壤之間存在的統計函數，對于生態學上有機土壤保護以及農業上利用簡單的土壤信息描述腐植酸重要組分等方面很有價值。

略)

譯自：Int. Agrophys.，2014，28：269～278。