1 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193
2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081
为了研究长期施用堆肥对潮土剖面土壤水溶性有机物(DOM)的来源和组分特征的影响, 研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的试验田为研究对象, 利用三维荧光光谱技术研究了在长期施用高量生物堆肥(EMI)、 常量生物堆肥(EMII)、 高量传统堆肥(TCI)、 常量传统堆肥(TCII)和化肥(CF)下不同深度土壤水溶性有机物在来源和组成的差异。 研究结果表明, 不同施肥处理的土壤水溶性有机碳(DOC)含量在土壤剖面的分布规律有较大差异, 堆肥使0～20和60～80 cm土层的DOC分别显著提高了81.94%～171.33%和61.18%～152.18%。 荧光光谱指数表明, DOM来源为微生物和植物混合源, 堆肥施用量的增加使DOM腐殖化程度加强, 造成表层土壤中DOM由陆源向生物源迁移, 随着土壤深度的增加, DOM由陆源向生物源迁移。 三维荧光光谱和荧光区域积分表明, 生物堆肥和传统堆肥增加了类腐殖酸物质的含量, 且随着施用量的增加而增加; 高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量; 施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。 类腐殖酸含量、 类富里酸含量和类溶解性微生物代谢产物数量随着土壤深度的增加整体呈降低趋势; 类酪氨酸随着土壤深度的增加呈增加趋势; 类色氨酸随着土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势, 且在20～40 cm含量最高。 相关性分析表明, 全磷(TP)、 全氮(TN)、 阳离子交换量(CEC)、 速效钾(AK)、 有机碳(SOC)和DOC等土壤理化指标与类酪氨酸物质呈显著负相关, 与类富里酸、 类溶解性微生物产物和类腐殖酸含量呈显著正相关, 硝态氮(NO-3-N)、 TN、 pH、 SOC与类色氨酸物质呈显著正相关。 总之, 长期施用堆肥增加了潮土表层DOM的含量, 显著改变了土壤中DOM的组成和剖面上的分布特征。
潮土 堆肥 水溶性有机物 三维荧光光谱 Fluvo-aquic soil Compost DOM Three-dimensional fluorescence spectrum
1 桂林理工大学环境科学与工程学院, 广西 桂林 541006
3 中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地, 北京 100012
生物沥浸深度脱水污泥为主料, 四种农林有机废物为辅料, 设4个处理组(T1: 污泥+甘蔗渣、 T2: 污泥+秸秆、 T3: 污泥+米糠、 T4: 污泥+木屑)进行混合堆肥, 采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和三维荧光光谱(3D-EEM), 研究不同辅料堆肥过程中溶解性有机质(DOM)结构特征和组分含量的演化规律。 UV-Vis结果显示, 四个处理组在堆肥过程中DOM的芳香度和不饱和度皆有所增加, 其中T3处理组的增加幅度最大。 四个处理组的紫外参数SUVA254和SUVA280均呈现递增趋势, 其中T3处理组的变化幅度高于其他三个处理组, 表明芳构化程度加深, DOM分子量逐渐加大; E253/E203和E253/E220在堆肥结束时显著增加, 表明DOM中苯环上的脂肪链发生氧化分解, 转化为羧基羰基等官能团, A226~400随堆肥进行增加而E250/E365减小, 表明共轭程度增加。 FTIR结果表明堆肥过程中多糖类、 脂肪族类物质含量在减少, 包括带有苯环的芳香族等不饱和有机物在增加, 其中T4处理组的转化程度优于其他三个处理组。 发射荧光光谱显示荧光峰位置由334 nm红移至422 nm附近, 说明共轭程度低的物质不断降解, 芳香基团不断缩合, 生成结构复杂的类腐殖质物质。 同步荧光光谱中代表类蛋白物质的荧光峰随堆肥时间由强变弱, 代表腐殖质的荧光峰由弱变强, A250~308值降低, A308~360和A363~500值上升, 说明了类蛋白质物质在不断降解而类胡敏酸物质和类富里酸物质含量在上升。 结合平行因子(PARAFAC)模型分析四个处理组的三维荧光光谱, 将DOM解析为三类荧光组分, 根据每个组分所在的激发、 发射波长位置分析判断, 三类组分分别是类富里酸物质, 类胡敏酸物质和类色氨酸物质, 且C1(类富里酸物质)和C2(类胡敏酸物质)组分所占百分比呈现增加趋势, C3(类色氨酸物质)组分所占百分比呈现减少趋势, 表明类蛋白物质减少而类腐殖质物质增加, 其中T3和T4处理组的腐殖化程度较好。 综合分析, 米糠和木屑作为辅料时堆肥腐熟度更好。
溶解性有机质(DOM) 辅料 生物沥浸深度脱水污泥 堆肥 光谱特征 Dissolved organic matter (DOM) Conditioners Bioleach deep dehydrated sludge Composting Spectral characteristics 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2120
1 安徽科技学院资源与环境学院, 安徽 凤阳 233100
2 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室, 江苏 南京 210008
3 安徽科技学院农学院, 安徽 凤阳 233100
堆肥是小麦秸秆资源化利用重要的途径之一, 然而目前关于秸秆单一物料堆肥的研究较少。 水溶性有机物（DOM）被普遍认为是堆肥中最活跃的有机组分, 因此探讨DOM的演变特征可有效评价秸秆的腐熟过程。 以小麦秸秆好氧堆肥过程中的DOM为研究对象, 利用总有机碳、 紫外-可见光光谱（UV-Vis）、 三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）分析方法, 阐明小麦秸秆堆肥过程中DOM的含量、 结构和组成的演变特征。 结果表明: 堆肥过程中DOM的有机碳含量降低了23%, 说明DOM是堆肥中活跃的有机质组分。 值得注意的是, 堆肥前期DOM微生物降解最为剧烈。 UV-Vis谱图显示DOM光谱随堆肥进行不断降低, 表明堆肥过程芳香族物质不断降解。 EEM光谱显示出显著的荧光峰演变趋势, 由堆肥前期较强的类蛋白荧光峰（D, E）演变为堆肥后期较强的类腐殖质荧光峰（H）, 表明堆肥过程DOM的物质组成发生改变。 通过光谱参数SUVA254和HIX的观测, 发现随着堆肥进行, DOM的芳香度和腐殖化程度呈现动态变化, 整体呈增强趋势。 由此可推测堆肥过程DOM降解的成分主要为非腐殖质, 而腐殖质类物质的相对含量则不断提升、 整体芳构化和腐殖化程度增加。 EEM-PARAFAC进一步定量分析了DOM组分的演变特征。 随着堆肥的进行, DOM中的类蛋白物质（C3）相对含量显著降低（~46%）, 而类富里酸（C1）和类腐殖酸（C2）物质相对含量分别提高了45%和80%。 DOM中的组成由堆肥初期的C1∶C2∶C3=41∶17∶42演变成堆肥后期的53∶27∶20。 结果揭示出堆肥过程中类蛋白物质发生显著的降解, 而类腐殖质则由于分子聚合生成作用和微生物降解速率较慢等因素逐渐演变成堆肥DOM的主要组分。 相关性分析结果显示HIX与C1和C2均呈现极显著正相关（r=0.806~0.853）, 表明腐殖化指数(HIX)可有效指示DOM的腐殖质物质组成。 本研究结果可为进一步优化小麦秸秆堆肥条件, 改善秸秆有机肥质量提供科学依据。
秸秆堆肥 水溶性有机物 芳香度 腐殖化 三维荧光-平行因子分析 Wheat straw composting Water soluble organic matters Aromaticity Humification EEM-PARAFAC 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1199
可溶性有机物(DOM)作为土壤有机碳库的重要组成部分, 其在碳氮循环、 养分转化及污染物迁移等土壤生物化学过程中具有重要作用。 研究不同类型土壤对堆肥DOM的吸附行为, 可为堆肥在不同类型土壤中合理施用以及研究堆肥DOM的土壤环境化学行为提供理论参考。 该研究选取黑土和潮土两种土壤, 以石英砂作对比, 开展不同吸附时间下三种介质对DOM的吸附试验, 并采用紫外-可见光谱和三维荧光光谱结合平行因子法分析吸附反应溶液中DOM的光谱特征。 结果表明, DOM在土壤中能很快被土壤颗粒吸附, 在最初的20 min内吸附速率最快, 随着吸附时间延长, 吸附速率会逐渐减慢, 并在260 min时达到平衡。 在吸附时间为20 min时, 黑土、 潮土和石英砂对DOM的吸附量, 分别占到260 min时吸附量的61.94%, 67.43%和61.57%。 在吸附时间达260 min时, 黑土对DOM的吸附量为9.30 mg·g-1, 潮土对DOM的吸附量为9.18 mg·g-1, 石英砂对DOM的吸附量为8.90 mg·g-1。 紫外-可见光谱分析结果显示, 在200~600 nm波长范围内, 不同吸附反应溶液中DOM的吸光度值随吸附时间延长均降低, 在最初5 min内降低幅度大于5~260 min时段, 此外, 吸附反应溶液中DOM的SUVA254值先升高再降低。 平行因子分析(PARAFAC)结果显示, 吸附反应溶液中存在三个有机荧光组分, 其中C1组分(325/410 nm)鉴定为UV类腐殖酸, C2组分(主峰为265/440 nm、 次峰360/440 nm)鉴定为陆地植物源类腐殖酸, C3组分(主峰为370/485 nm、 次峰290/485 nm)为典型的类腐殖质组分。 C3组分的相对分子质量高于C1和C2组分, 但芳香性构化程度低于C1和C2组分。 黑土对C3组分的吸附能力最强, 潮土对C1组分的吸附能力最强, 石英砂对C2组分的吸附能力最强。 综上所述, 土壤类型和DOM自身的组成结构特征会影响土壤对DOM的吸附行为。 该研究可为堆肥在不同类型土壤上合理施用提供理论依据。
堆肥 可溶性有机物 吸附 紫外-可见光谱 三维荧光光谱 Compost Dissolved organic matter Adsorption UV-Vis spectra 3D-EEMFS 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3832
1 福建农林大学资源与环境学院, 福建省土壤环境健康与调控重点实验室, 福建 福州 350002
2 广东省生态环境技术研究所, 广东省农业环境综合治理重点实验室, 广东 广州 510650
超高温堆肥工艺是一种新颖的污泥资源化利用技术, 相比于高温堆肥工艺, 具有发酵温度更高、 腐殖化过程更快、 堆肥产物质量更好等优势。 然而, 超高温堆肥产物作为调理剂在重金属污染土壤修复过程中的应用效果和优势仍有待明确。 采用激发-发射矩阵荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)和傅里叶变换红外-二维相关光谱(FTIR-2DCOS)方法对比分析了超高温堆肥(HTC)、 高温堆肥(TC)和污泥(SS)样品中提取的腐殖酸(HAs)与Cd(Ⅱ)的络合性能及相关反应机制。采用EEM-PARAFAC从HTC, TC和SS样品提取的HAs中鉴定出腐殖酸C1(Ex/Em=270, 350/470)、 类腐殖质物质C2(Ex/Em=270, 325/470)和类蛋白质物质C3(Ex/Em=225, 275/330)等3种组分, 不同样品中不同组分的含量存在显著差异。 进一步采用Ryan-Weber荧光猝灭模型对不同样品中HAs及HAs的各组分与Cd(Ⅱ)发生络合反应的荧光猝灭效应进行拟合, 发现来源于HTC的HAs及其组分C1和C2对Cd(Ⅱ)络合稳定性和络合容量(LogKCd=5.72～5.95, CCCd=0.977～0.990)明显优于TC(LogKCd=5.62～5.67, CCCd=0.807～0.823)和SS(LogKCd=4.79～5.29, CCCd=0.476～0.581), 表明HTC比TC和SS中HAs具有更好的Cd(Ⅱ)络合能力, 而不同样品HAs中组分C1和C2是决定HAs与Cd(Ⅱ)络合性能的重要因素。 采用FTIR-2DCOS对HAs与Cd(Ⅱ)发生络合反应时官能团变化顺序进行分析, 发现HTC的HAs中羧基是与Cd(Ⅱ)发生络合时响应最为灵敏的官能团。 由此推测, 超高温堆肥通过促进堆肥腐殖化进程使羧基等不饱和基团含量增加是HTC的HAs与Cd(Ⅱ)具有更高效络合能力的另一关键因素。 总之, 样品HAs中相对高的腐熟程度以及羧基等官能团对Cd(Ⅱ)络合的高灵敏度是导致HTC络合Cd(Ⅱ)能力优于TC和SS的主要原因。 EEM-PARAFAC和FTIR-2DCOS的结合, 为定量表征堆肥中HAs与重金属络合性能及解析络合机制提供有力支撑, 也为超高温堆肥产品应用于镉污染土壤修复研究提供了科学依据。
超高温堆肥 腐殖酸 Cd(Ⅱ)络合 激发发射矩阵荧光光谱-平行因子分析 傅里叶变换红外-二维相关光谱 Hyperthermophilic compost Humic acids Cd(Ⅱ)complexation EEM-PARAFAC FTIR-2DCOS 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1534
1 聊城大学生命科学学院, 山东 聊城 252000
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101
抗酸化微生物复合菌系(AAMC)通过多种耐酸、 嗜酸微生物的协同作用, 在克服由于酸化抑制导致的餐厨垃圾堆肥发酵崩溃问题方面效果显著, 接种AAMC可明显加速有机物质降解。 然而生物堆肥存在有机物彻底降解和碳重新固定(形成稳定的腐殖质类物质)两种途径, 有机质降解与腐殖质形成具有互动关系, 为腐殖质形成提供原材料。 为探究接种AAMC对餐厨垃圾堆肥腐殖质品质的影响, 采用树脂柱法进行腐殖质分组, 分别研究接种AAMC对富里酸、 亲水性组分和胡敏酸3个组分分子结构复杂度和稳定性的影响。 设接种组(AAMC)、 加碱组(MgO和K2HPO4)和自然堆肥组3个处理, 采用三维荧光技术(EEM)结合两种定量表征方法区域体积积分(FRI)和平行因子分析(PARAFAC), 实现对富里酸、 亲水性组分和胡敏酸3个组分光谱学性质定量表征的准确性和完整性。 FRI结果显示, 堆肥结束后3个腐殖质组分中表征简单分子结构组分例如羧基或蛋白源结构区域的Pi, n值均降低, 接种组降低幅度显著大于对照组, 降低幅度大小排序为: 接种组＞加碱组＞对照组。 表征高芳香度和缩聚程度的胡敏酸类物质区域的Pi, n值均上升, 且接种组上升幅度显著高于其他两处理, 上升幅度排序也为: 接种组＞加碱组＞对照组。 PARAFAC结果显示, 富里酸和胡敏酸组分又可分成短波长胡敏酸、 长波长胡敏酸和色氨酸或类蛋白类物质3个组分, 亲水性组分又可分为短波长胡敏酸、 色氨酸和酪氨酸3个组分。 堆肥结束后, 表征短波胡敏酸和长波胡敏酸组分的Fmax升高, 而表征色氨酸等类蛋白类物质组分的Fmax降低, 升高或降低的幅度接种组最高, 显著高于加碱组和对照组。 综上结果说明接种AAMC可明显促进腐殖质组分子结构复杂化、 稳定化, 提高腐殖质组分高芳香度和缩聚程度, 改善餐厨垃圾堆肥腐殖质品质, 利于施用堆肥土壤保水保肥。 这可能与AAMC具有高的小分子有机酸降解、 转化能力, 可规避酸累积对堆肥微生物活性的抑制导致的堆肥腐殖化效率低的问题密切相关。 添加化学缓冲剂也能一定程度促进腐殖质组分稳定化、 结构复杂化和提高堆肥腐殖化程度。 这可能与堆料pH的改善, 使得小分子有机酸可被持续降解和转化, 有利于堆肥腐殖化进程有关。
堆肥 餐厨垃圾 抗酸化 腐殖质组分 平行因子分析 Composting Food waste Anti-acidification Humicfractions Parallel factor analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3533
1 湖南省畜牧兽医研究所, 湖南 长沙 410131
2 湖南鑫广安农牧股份有限公司, 湖南 长沙 410100
3 长沙县隆广生态农业科技有限公司, 湖南 长沙 410132
畜禽养殖业的迅速发展和疾病的日益复杂导致了兽用抗生素的广泛使用, 但大部分抗生素不能被机体完全吸收, 最终以原形或者代谢产物形式由粪尿排出, 导致了畜禽粪便中大量残留抗生素。残留抗生素多途径进入土壤、水体, 由此引起的潜在生态风险及抗性基因传播备受关注。本文总结了抗生素残留的降解方法: 堆肥、厌氧消化、高级氧化、植物修复等, 并对各种降解方法中的影响因素进行了阐述, 以期为畜禽粪污的无害化处理和资源化利用提供参考。
畜禽粪污 抗生素 堆肥 厌氧消化 高级氧化 植物修复 降解 livestock and poultry manure antibiotics composting anaerobic digestion advanced oxidation plant restoration degradation
为了探究添加钙基膨润土(CB)对猪粪好氧堆肥过程中水溶性有机物(DOC)动态变化的影响, 向猪粪和木屑混合物料中添加不同质量比的CB, 采用自制的强制通风好氧发酵装置, 进行了为期60天的好氧堆肥试验。 定期采集堆肥样品并进行冷冻干燥, 通过紫外-可见光谱(UV-Vis), 傅里叶变换红外光谱(FTIR)和荧光光谱(FS)相结合的方法, 对堆肥样品中DOC光谱特征的变化进行研究。 结果表明, 在堆肥过程中DOC呈降低趋势, 且随着CB添加量的增多, DOC的降解率为49.11%~62.92%； 堆肥DOC相应的UV-Vis和FS光谱分析显示, 类腐殖质的特征峰强度不断升高, 而碳水化合物、 类蛋白的特征峰强度逐渐降低； 且与对照相比, 添加钙基膨润土使类腐殖质特征峰的强度增大, 峰位置红移。 堆肥结束时, 相较于对照, 添加CB处理的光谱特征参数SUVA254, SUVA280和腐殖化系数分别增加了16.51%~47.72%, 8.58%~44.02%和23.16%~88.22%, 且5%添加比例最佳, 这被FTIR解析峰密度进一步证实； 相关性分析显示, SUVA254与堆肥腐熟度呈极显著相关, 可指示堆肥腐熟度。 综上所述, 随着堆肥的进行, 有机物由非腐殖质向腐殖质转化, DOC的分子质量及芳构化程度逐渐增加, 且添加CB对这一过程具有促进作用, 并以5%添加比例最佳。
堆肥 钙基膨润土 水溶性有机物 光谱分析 腐殖化程度 Composting Ca-bentonite Dissolved organic carbon Spectra Humification degree 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1856
1 东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 北京中天元工程设计有限责任公司, 北京 100142
在中国,厌氧发酵的渣滓——沼渣的主要处理方式是作为有机肥直接施用于土壤,此方式对土壤存在不利影响,本研究采用畜禽粪便与沼渣混和堆肥的方式处理沼渣,可避免传统沼渣处理方式的缺陷,改善土壤质量.初始原料组成对堆肥过程有显著影响.为揭示初始物料组成对堆肥理化、生物和光谱学性质的影响,进行了15组不同物料配比的沼渣、猪粪和鸡粪混合堆肥试验.对堆肥理化和生物指标进行了测定,并采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、同步和三维荧光光谱(3D-EEM)结合区域体积积分(FRI)和平行因子分析(PARAFAC)识别特征光谱参数,表征堆肥光谱学特性,采用典型对应分析(CCA)分别建立堆肥理化生物学性质和光谱学性质与初始物料组成的关系.结果显示:堆肥理化、生物学性质和光谱学性质都与初始物料组成有较高相关性,前4个排序轴分别合并解释了83.9%和97.5%的样本总变异.影响堆肥理化、生物学性质和光谱学性质的环境因子排序分别为:猪粪量＞鸡粪量＞沼渣量和沼渣量＞猪粪量＞鸡粪量.富碳原料有利于堆肥腐熟,高比例富氮原料不会导致堆肥氨氮累积.在沼渣混合物料堆肥中,低比例的沼渣有利于腐殖质形成.对沼渣与畜禽粪便混合堆肥发酵效果的评价应综合考虑理化、生物学指标和光谱学参数.
堆肥 物料组成 荧光光谱 区域体积积分 平行因子分析 典型对应分析 Composting Composition of raw materials Fluorescence spectroscopy FRI PARAFAC CCA 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2268
