我不同来源腐殖质的化学组成与结构特征研究
土壤有机质(SOM)对改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进土壤生态系统健康具有重要作用[1]，已成为衡量土壤质量水平的重要指标[2]。土壤腐殖质是SOM最重要的组分，其含量可占总SOM的50%~75%[3]。土壤腐殖质是有机物料在腐殖化过程中所形成的一类复杂而又稳定的大分子有机化合物，它的多寡在很大程度上影响着土壤质量，而其表面官能团的含量及差异又决定着在土壤中所具有的作用，如羧基、酚羟基和醇羟基等含氧官能团，可与土壤中的黏土矿物、水合氧化物、金属离子发生相互作用，对土壤元素的保持与释放，以及土壤中的物理化学和生物化学反应均有着重要影响，也能与黏土矿物结合形成有机无机复合体，促进土壤团聚体的形成和稳定[4]。所以，增加SOM特别是腐殖质含量，对提高土壤质量有重要意义。
农业生产中主要通过作物秸秆还田和施用有机肥等有机物料来提高SOM，但这些培育措施需要持续很长时间才能产生显著效果。如Xin等[5]的研究结果表明，连续施用有机肥23 a，潮土有机碳(SOC)含量从3.81 g·kg-1提升至9.08 g·kg-1。Liu等[6]的试验结果表明，30 a分别连续施用有机肥和秸秆，黑垆土SOC含量仅较对照分别增加了32.7%和23.0%。这主要是因为添加的有机物料转变成土壤有机质需要经过腐殖化过程，每年有限的有机物料添加量及其不到20%的腐殖化系数，限制了SOM特别是土壤腐殖质的快速提升。
为快速提高SOM、改善土壤质量，富含腐殖质和各种养分元素的泥炭在国内外被广泛应用于园艺、设施农业以及土壤改良[7-8]。据报道，欧洲每年开采泥炭6 300万m3，其中约有50%应用于园艺、土壤改良等方面[7]。我国泥炭主要用在园艺、设施农业以及游乐和体育场绿地土壤修复，如上海迪士尼乐园[8]。泥炭一般可分为草本泥炭、藓类泥炭和木本泥炭三类[9]，其中，草本泥炭和藓类泥炭应用较多，而木本泥炭的相关研究和应用较少，主要原因是我国甚至欧洲木本泥炭资源相对稀缺。近年来，我国也有少量关于木本泥炭应用方面的研究，如袁京等[10]及张地方等[11]发现添加木本泥炭能减少堆肥堆制过程中CH4、NH3、H2S等温室气体的排放和氮素的损失; 常瑞雪等[12]发现以木本泥炭为碳源调节剂，能减少堆肥堆制过程中有机质的降解和CO2的累积排放量。然而，对木本泥炭重要组分腐殖质的化学组成和官能团结构特征了解甚少，对其施入土壤后的降解速率和增加SOM的效果尚不清楚。随着“一带一路”战略的实施，来自于热带国家的木本泥炭资源不断增加，迫切需要对木本泥炭的上述性质及其作用进行研究，为其更好地开发利用提供依据。
本研究通过分别提取木本泥炭、水稻土、黑土、混合物料发酵有机肥以及鸡粪发酵有机肥共5种样品的腐殖质，分析比较5种腐殖质样品腐殖质含量、表面特征、元素组成以及官能团结构等方面的差异，为解析木本泥炭在土壤改良中的潜在作用和提出高效利用模式提供基础数据和理论支持。
1 材料与方法
1.1 供试材料
本研究选取了木本泥炭(WP)、水稻土(PS)、黑土(BS)、混合物料发酵有机肥(MFOM)以及鸡粪发酵有机肥(FCM)5种有机碳源材料作为试验样品。木本泥炭样品由北京中向利丰科技有限公司提供(产自印度尼西亚)。水稻土样品采自江苏南京附近的农田，耕作制度为稻麦轮作; 黑土样品采自于黑龙江省哈尔滨农业科学院试验田，耕作制度为春玉米单作，两种土壤样品均取自0~20 cm耕作层。混合物料发酵有机肥(以下简称混合发酵肥)购于江阴市联业生物科技有限公司，为畜禽粪便、秸秆、豆粕粉、菜籽饼、砻糠粉等不同原料混合发酵而成。鸡粪发酵有机肥(以下简称发酵鸡粪)购于江苏东台市旺德福肥料有限公司，该有机肥是以鸡粪为主要原料，并结合蘑菇渣辅助发酵而成。五种样品的基本养分性质见表 1。
表 1
Table 1
表 1 供试样品的基本养分性质
Table 1 Basic nutrient status of tested samples
样品Sample
有机碳Organic carbon/(g·kg-1)
全氮Total N /(g·kg-1)
C/N
全磷Total P /(g·kg-1)
全钾Total K /(g·kg-1)
pH
WP
485.0 ± 1.00
7.71 ± 0.21
62.96 ± 1.61
1.02 ± 0.10
1.94 ± 0.89
4.05 ± 0.02
PS
17.61 ± 0.08
1.66 ± 0.06
10.82 ± 0.86
0.50 ± 0.03
9.90 ± 0.26
5.78 ± 0.02
BS
16.88 ± 0.62
1.43 ± 0.01
11.77 ± 0.47
0.46 ± 0.01
10.15 ± 0.28
6.81 ± 0.02
MFOM
201.7 ± 4.51
19.30 ± 0.36
10.45 ± 0.19
12.31 ± 0.28
20.20 ± 0.38
8.26 ± 0.05
FCM
208.2 ± 0.05
22.41 ± 0.09
9.29 ± 0.04
1.62 ± 0.01
61.20 ± 0.94
7.74 ± 0.01
注：WP、PS、BS、MFOM和FCM分别代表木本泥炭、水稻土、黑土、混合发酵肥和发酵鸡粪; 表中N、P、K的养分含量均为纯N、P、K的元素含量。下同Note：WP, PS, BS, MFOM and FCM stands for woody peat, paddy soil, black soil, mixed fermented organic manure and fermented chicken manure, respectively. Nutrient contents of N, P and K are listed on the basis of content of the element. The same below
表 1 供试样品的基本养分性质
Table 1 Basic nutrient status of tested samples
1.2 腐殖质的分离提取和纯化
本研究采用腐殖酸组成修改法[13]对5种不同样品进行腐殖质提取。具体提取步骤为：
(1) 将木本泥炭、水稻土、黑土、混合发酵肥和发酵鸡粪样品风干、去除植物残体等杂质后过70目筛。分别称取过筛的20 g土壤和10 g木本泥炭、混合发酵肥与发酵鸡粪于500 mL三角瓶中，加200 mL蒸馏水，并在25℃振荡1 h后过300目筛以去除砂粒和植物残体，再以3 500 r·min-1离心15 min，弃去上清液。
(2) 向三角瓶中加入200 mL浓度为0.1 mol·L-1的NaOH+Na4P2O7混合液，并在180 r·min-1转速下振荡提取16 h，然后以5 000 r·min-1离心10 min。将上层腐殖酸提取液收集于2 L的烧杯中。重复本提取步骤直至上层溶液变为浅黄色。离心管中的残渣样品即为含胡敏素(Hu)组分的未纯化样品。
(3) 将获得的腐殖酸提取液用2 mol·L-1的H2SO4溶液调节其pH至1.0~1.5，在70℃下保温1~2 h，静置过夜后离心。上清液过0.45 μm滤膜后即为未纯化的富里酸(FA)提取液。离心管中的样品用少量0.1 mol·L-1的NaOH+Na4P2O7混合液溶解、离心，弃去残渣，用2 mol·L-1 H2SO4溶液调节其pH至1.0~1.5，再在70℃下保温1~2 h，静置过夜并离心后，即为未纯化的胡敏酸(HA)样品。因土壤样品所能提取的FA组分较少，本研究另取250 g的2种土壤样品，参照步骤(1)~(3)以提取足够量的土壤腐殖质FA组分样品。
(4) 将所提取的FA提取液通过填充有DAX-8树脂的交换柱以吸附FA，并用0.1 mol·L-1的NaOH解吸所吸附的FA。将解吸液通过填充有Amberlite IR 120 H+型阳离子交换树脂的交换柱后，于40℃浓缩至一定体积，再用分子截留量为100~500的纤维素透析袋(31 mm，上海源叶生物)进行透析。纯化后的FA溶液经40℃烘干后即得到FA固体样品。
(5) 将上述步骤(2)中未纯化的Hu样品与步骤(3)中未纯化的HA样品依次用体积比为5%、10%、12.5%、15%、20%、30%和40%的HC1-HF混合液分别振荡处理7、12、12、6、4、2和1次，每次12 h。再用去离子水洗至无Cl-反应(AgNO3检验)，再经40℃烘干后，即为纯化后的Hu和HA样品。
1.3 项目分析与测定
扫描电子显微镜观察：取少量腐殖质样品，将其洒落在贴有导电碳胶带的样品台上，再用离子溅射仪(Leica EM ACE200，德国)在样品表面喷镀金导电膜后，置于扫描电镜(HITACHI SU3500，日本)的真空样品室中对样品进行形貌观察。
元素组成测定：碳(C)、氮(N)、氢(H)含量采用元素分析仪(ElementarVario EL III，德国)测定，硫(S)元素采用元素分析仪(ElementarVario MAX CNS，德国)测定，氧(O)元素采用差减法计算得到，并用马弗炉900℃燃烧测得的灰分数据进行校正。
傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析：FA、HA和Hu样品的红外光谱采用KBr压片法在傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Nicolet 8700，美国)上测定，扫描模式为4 000 ~ 400 cm-1。对谱线选取特征峰，并对相应的官能团进行半定量分析。
1.4 数据处理
本研究中，不同处理间的方差分析(ANOVA)采用SPSS 20.0软件进行，并采用最小显著性差异法(LSD)进行显著性差异检验。
2 结果
2.1 不同碳源材料中腐殖质及各组分的含量
不同有机碳源材料样品所提取的腐殖质及其各组分的含量见表 2。腐殖质含量以木本泥炭最高，达862.7 g·kg-1，其次是混合发酵肥和发酵鸡粪两种有机肥，分别为168.8 g·kg-1和209.6 g·kg-1。水稻土和黑土的腐殖质含量显著低于木本泥炭与两种有机肥，仅分别为20.67 g·kg-1和28.33 g·kg-1。可以看出，木本泥炭腐殖质含量为土壤的30.5倍~41.7倍、有机肥的4.1倍~5.1倍。根据不同材料FA、HA和Hu的含量，对三个组分的比例进行计算，水稻土和黑土腐殖质的FA:HA:Hu比例分别为1:2.1:5.7和1:1.1:1.1，混合发酵肥和发酵鸡粪腐殖质的FA:HA:Hu比例分别为1:2.0:4.1和1:2.8:4.4，木本泥炭腐殖质的FA:HA:Hu比例则为1:65.2:10.6。可见，木本泥炭腐殖质以HA组分为主，水稻土与两种有机肥的腐殖质都以Hu组分为主，而黑土腐殖质三种组分的比例相对接近。PQ表示HA在腐殖酸(FA+HA)中所占的比例，用于表征有机质的腐殖化程度[2]，该比值越大，腐殖化程度越高，分子结构越复杂，品质越好[14]，在土壤中的稳定性也越高[15]。由表 2可知，木本泥炭的PQ分别为水稻土和黑土的1.4倍和1.9倍，混合发酵肥和发酵鸡粪的1.5倍和1.3倍。这说明木本泥炭的腐殖化程度远高于土壤和有机肥，品质最好，在土壤中的稳定性最好。相反，两种有机肥腐殖质的PQ与土壤更相近，它们的腐殖化程度也与土壤腐殖质更为接近。
表 2
Table 2
表 2 不同样品腐殖质及其组分的含量(无灰分)和PQ
Table 2 Contents of humus and humus fractions (no ash) and PQ values in different samples / (g·kg-1)
样品Sample
富里酸Fulvic acid (FA)
胡敏酸Humic acid (HA)
胡敏素Humin (Hu)
腐殖质Humus (Hus)
PQ
WP
11.24±0.67b
732.8±3.13a
118.7±3.47a
862.7±6.00a
98.49 ± 0.08a
PS
2.35±0.74c
4.93±0.12e
13.39±0.08c
20.67±0.89d
68.16 ± 6.18b
BS
8.69±0.42b
9.58±1.58d
9.98±0.08c
28.33±0.96d
52.16 ± 5.81c
MFOM
23.72±7.66a
48.04±0.59c
96.88±12.88b
168.7±4.40c
67.36 ± 6.82b
FCM
25.46±3.81a
71.29±1.24b
112.8±13.02a
209.6±10.45b
73.73 ± 3.24b
注：同一列中的不同小写字母表示不同样品相同组分间差异显著(P < 0.05);Hus = FA + HA + Hu; PQ =HA/(HA+FA)×100。下同Note: The lowercase letters in the same column indicate significant difference at P < 0.05 level; Hus = FA + HA + Hu; PQ= HA / (HA+FA) ×100. The same below
表 2 不同样品腐殖质及其组分的含量(无灰分)和PQ
Table 2 Contents of humus and humus fractions (no ash) and PQ values in different samples / (g·kg-1)
2.2 不同碳源材料腐殖质各组分的微形态特征
根据所测定的不同样品腐殖质各组分的灰分含量(表 3)，除了水稻土和黑土的Hu组分经纯化处理后的灰分含量仍较高外，其余样品腐殖质的各组分经纯化处理后的灰分含量均已较低，尤其是不同样品腐殖质HA组分的灰分均在30 g·kg-1以下。因此，可以对不同样品腐殖质各组分的微形态特征进行比较。图 1为木本泥炭(a、f和k)、水稻土(b、g和l)、黑土(c、h和m)、混合发酵肥(d、i和n)和发酵鸡粪(e、j和o)五种样品腐殖质FA、HA和Hu组分的扫描电镜结果。本文中，两种土壤Hu组分的扫描电镜结果体现的主要是它们有机无机复合体的特征。比较相同样品腐殖质的不同组分可看出，木本泥炭的HA、两种土壤的FA和两种有机肥的HA分别为各自腐殖质中颗粒最小和最致密的组分。对于FA组分，两种土壤的颗粒最小，木本泥炭的颗粒其次，两种有机肥的颗粒远大于木本泥炭和两种土壤。对于HA组分，则木本泥炭的颗粒最为细小和致密，两种土壤其次，两种有机肥的颗粒略大于土壤。对于Hu组分，木本泥炭与两种土壤Hu组分(有机无机复合体)的微形态相近，而两种有机肥Hu组分的颗粒明显较小。考虑到木本泥炭腐殖质是以HA为主(表 2)，木本泥炭腐殖质可能较土壤和有机肥腐殖质的颗粒更为细小，表面也更为致密。
表 3
Table 3
表 3 不同样品所提取的腐殖质各组分灰分含量
Table 3 Ash contents in the humus fractions extracted from the samples / (g·kg-1)
样品Sample
FA
HA
Hu
WP
62.15
1.40
15.05
PS
83.17
29.81
435.2
BS
139.4
16.71
389.2
MFOM
42.36
5.31
28.57
FCM
23.51
4.93
149.0
表 3 不同样品所提取的腐殖质各组分灰分含量
Table 3 Ash contents in the humus fractions extracted from the samples / (g·kg-1)
图 1 不同样品腐殖质FA(a~e)、HA(f~j)和Hu(k~o)组分的扫描电镜图(a、f和k为木本泥炭，b、g和l为水稻土，c、h和m为黑土，d、i和n为混合发酵肥，e、j和o为发酵鸡粪) Fig. 1 Scanning electron microscopy of the FA (a~e)、HA (f~j) and Hu (k~o) fractions of Humus relative to source (a, f and k stands for woody peat; b, g and l for rice soil; c, h and m for black soil; d, I and n for mixed fermentation organic manure; and e, j and o for fermented chicken manure)
2.3 不同碳源材料腐殖质各组分的元素组成特点
表 4为不同样品腐殖质FA、HA和Hu组分的C、N、H、S、O各元素的含量。在FA组分中，虽然木本泥炭FA的C含量小于混合发酵肥，但远高于水稻土和黑土，与发酵鸡粪的FA组分相当。对于HA组分，木本泥炭HA组分的C含量与黑土、混合发酵肥的HA组分相当，显著高于水稻土和发酵鸡粪。而在Hu组分中，木本泥炭Hu组分的C含量不仅远高于水稻土和黑土，还远高于两种有机肥Hu组分的C含量。然而，与C含量不同，木本泥炭腐殖质各组分的N含量则均远小于水稻土和黑土两种土壤以及混合发酵肥和发酵鸡粪两种有机肥。例如，木本泥炭FA、HA和Hu组分的N含量平均仅为土壤的1/6、1/6和1/8，有机肥的1/10、1/11和1/9。木本泥炭腐殖质组分C、N含量的差异导致其腐殖质的C/N比远高于两种土壤和两种有机肥的C/N比，其FA、HA和Hu组分的C/N摩尔比平均分别为土壤的6.2倍、7.1倍和10.4倍，有机肥的9.9倍、12.3倍和11.0倍。与木本泥炭相反，除了水稻土Hu组分的N含量略高于混合发酵肥Hu组分外，水稻土和黑土腐殖质各组分的N含量均显著小于混合发酵肥和发酵鸡粪腐殖质相应组分的N含量。其结果是，混合发酵肥和发酵鸡粪的FA、HA组分和发酵鸡粪的Hu组分的C/N比均小于或略小于两种土壤相应腐殖质组分的C/N比。
表 4
Table 4
表 4 不同样品腐殖质组分元素组成(无水无灰)
Table 4 Elemental composition of the humus fractions of the samples (oven-dried and ash-free)
组分Fraction
样品Sample
C
N
H /(g·kg-1)
S
O
C/N
H/C
(O+S)/C
FA
WP
431.4 ± 7.0b
5.0 ± 0.3c
48.3 ± 0.9b
39.9 ± 0.8b
475.3 ± 5.8b
100.4 ± 3.8a
1.34 ± 0.04b
1.14 ± 0.03bc
PS
358.2 ± 13.9d
25.8 ± 6.3b
48.4 ± 3.5b
59.9 ± 6.1a
507.7 ± 19.0a
17.0 ± 4.6b
1.62 ± 0.12a
1.48 ± 0.10a
BS
405.6 ± 22.1c
31.3 ± 3.4b
49.6 ± 1.6b
19.4 ± 0.3d
494.2 ± 20.1a
15.3 ± 2.0bc
1.47 ± 0.11ab
1.24 ± 0.11b
MFOM
467.6 ± 4.3a
48.8 ± 1.9a
54.6 ± 1.8a
32.9 ± 1.9c
396.2 ± 1.3d
11.2 ± 0.4cd
1.40 ± 0.06b
0.87 ± 0.01d
FCM
428.7 ± 8.1b
54.8 ± 3.7a
50.7 ± 2.1b
30.4 ± 2.8c
435.4 ± 3.7c
9.3 ± 0.6d
1.38 ± 0.08b
1.02 ± 0.05c
HA
WP
558.6 ± 9.4ab
5.6 ± 0.5e
51.3 ± 2.3c
2.0 ± 0.2e
382.6 ± 8.7a
117.1 ± 12.1a
1.10 ± 0.06c
0.69 ± 0.03a
PS
539.6 ± 3.5c
49.7 ± 0.9c
62.0 ± 0.3a
61.3 ± 16.1a
287.3 ± 11.9d
12.7 ± 0.3c
1.38 ± 0.01a
0.57 ± 0.03c
BS
552.2 ± 13.1bc
23.7 ± 6.7d
44.2 ± 0.6d
4.7 ± 1.1d
375.1 ± 7.9a
23.3 ± 2.4b
0.96 ± 0.01d
0.68 ± 0.03a
MFOM
567.0 ± 6.8a
56.9 ± 1.8b
55.3 ± 3.0b
15.1 ± 0.5c
305.7 ± 9.4c
11.6 ± 0.3c
1.17 ± 0.06b
0.55 ± 0.02c
FCM
524.4 ± 1.7d
75.6 ± 0.2a
61.5 ± 0.2a
17.2 ± 0.2b
321.4 ± 1.6b
8.1 ± 0.0d
1.41 ± 0.01a
0.63 ± 0.00b
Hu
WP
691.5 ± 0.6a
5.1 ± 0.2d
77.2 ± 2.1a
1.6 ± 0.1e
224.6 ± 2.1c
158.6 ± 5.0a
1.34 ± 0.04c
0.33 ±0.00d
PS
526.6 ± 4.5d
43.2 ± 0.6b
66.2 ± 0.8b
6.2 ± 0.1c
357.7 ± 5.8a
14.2 ± 0.1c
1.51 ± 0.01b
0.68 ±0.02a
BS
546.8 ± 6.3c
38.6 ± 0.3c
54.2 ± 0.2c
4.9 ± 0.1d
355.4 ± 6.5a
16.5 ± 0.2b
1.19 ± 0.01d
0.65 ±0.02b
MFOM
610.8 ± 8.1b
42.9 ± 1.7b
55.7 ± 0.9c
10.8 ± 0.3a
279.7 ± 10.4b
16.6 ± 0.4b
1.09 ± 0.02e
0.46 ±0.02c
FCM
514.1 ± 2.4e
46.6 ± 0.0a
68.4 ± 0.4b
9.6 ± 0.0b
361.3 ± 2.8a
12.8 ± 0.1d
1.60 ± 0.00a
0.71 ±0.01a
表 4 不同样品腐殖质组分元素组成(无水无灰)
Table 4 Elemental composition of the humus fractions of the samples (oven-dried and ash-free)
腐殖质各组分的H/C和(O+S)/C比通常被用来表征大分子物质缩合度与氧化度的强弱[14]。H/C比值越小，缩合度越高，分子结构越复杂[13];(O+S)/C比值越大，氧化度越高，含氧官能团特别是易降解含氧官能团的数量越多[16]。由表 4可看出，在FA组分中，尽管无显著差异，但木本泥炭FA组分的缩合度在5种样品中仍为最高，两种土壤最小，而两种有机肥介于木本泥炭和土壤之间。在HA组分中，木本泥炭的缩合度也仅略低于黑土，而高于其他3种样品。在Hu组分中，木本泥炭的缩合度高于水稻土和发酵鸡粪，但低于黑土和混合发酵肥。由于木本泥炭以HA组分为主，故木本泥炭腐殖质的分子结构总体上可能要较两种有机肥和水稻土的腐殖质复杂，而与黑土腐殖质相当。木本泥炭Hu组分的氧化度远低于两种土壤和两种有机肥的Hu组分，但其HA组分的氧化度显著高于水稻土和两种有机肥，而略高于黑土的HA组分，且其FA组分的氧化度也要高于两种有机肥，而与黑土FA组分相当。这说明木本泥炭FA和HA组分中含有较多的易降解含氧官能团，但在Hu组分中含有相对较少的易降解含氧官能团。
2.4 不同来源腐殖质组分的红外光谱特征
图 2为对木本泥炭、水稻土、黑土、混合发酵肥和发酵鸡粪FA、HA和Hu组分的FTIR图谱，图谱中各相关特征峰的归属见表 5。由图 2可看出，不同样品相同组分的FTIR图谱具有相似的形状，但是在2 920、2 850、1 720、1 620和1 240 cm-1等处特征峰的吸收强度上存在不同程度的差异。其中，木本泥炭腐殖质的FA和HA组分在表征羧基C=O伸展的1 720 cm-1处和表征羧基-OH的变形振动与C-O伸展的1 240 cm-1处的吸光度[17]均高于水稻土与黑土两种土壤以及混合发酵肥和发酵鸡粪两种有机肥的相应组分。这说明木本泥炭腐殖质FA和HA组分的氧化度和含量官能团数量要高于两种土壤和两种有机肥FA和HA组分。
图 2 不同样品FA、HA和Hu的红外光谱特征 Fig. 2 Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) spectra of FA, HA and Hu relative to source
表 5
Table 5
表 5 红外光谱的特征峰归属[13, 17]
Table 5 Chemical ascriptions of the characteristic peaks (cm-1) in FTIR spectra
特征峰Peaks
化学归属Chemical ascriptions
2 920
脂族CH2伸展Aliphatic CH2 bond
2 850
脂族C-H伸展Aliphatic C-H bond
1 720
羧基C=O伸展Carboxyl C=O bond
1 620
芳香C=C伸展Aromatic C=C bond
1 420
脂族C-H变形Aliphatic C-H bond
1 240
羧基C-O伸展和OH变形Carboxyl C-O and OH bonds
1 050
硅酸盐杂质的Si-O Silicate Si-O bond
表 5 红外光谱的特征峰归属[13, 17]
Table 5 Chemical ascriptions of the characteristic peaks (cm-1) in FTIR spectra
表 6列出了不同样品腐殖质FA、HA和Hu组分FTIR主要吸收峰的相对强度。2 920 cm-1和2 850 cm-1处的吸收峰表征的是脂族CH2伸展和C-H伸展，1 620 cm-1处的吸收峰则表征芳香C=C键的伸展[23]。2 920/1 620的比值大小可指示腐殖质组分的脂肪性和芳香性的强弱; 2 920/2 850的比值大小可说明脂族链烃中聚亚甲基(-(CH2)n-)和末端甲基(-CH3)的比例，比值越大，聚亚甲基的数量就越多，分子结构越复杂[13]。对于同一样品，2 920/1 620比值的大小顺序基本为FA < HA < Hu，说明Hu组分的脂肪性最强而芳香性最弱，FA组分的芳香性最强而脂肪性最弱，HA组分介于两者之间。对于不同样品，尽管木本泥炭Hu组分的2 920/1 620比值在各样品Hu组分中为最大，具有最强的脂肪性，但其FA组分和占比最多的HA组分的2 920/1 620比值则为最小。这说明木本泥炭腐殖质总体上具有最强的芳香性。此外，木本泥炭HA和Hu的2 920/2 850比值均为各样品相同组分中的最大值，说明木本泥炭腐殖质组分聚亚甲基数量要高于水稻土和黑土两种土壤及混合发酵肥和发酵鸡粪两种有机肥，其腐殖质的分子结构最为复杂。
表 6
Table 6
表 6 不同样品FA、HA和Hu的红外光谱主要吸收峰的相对强度
Table 6 Relative intensities of the main absorption peaks in FTIR spectrum of FA, HA and Hu relative to sample
样品 Sample
组分 Fraction
2 920 cm-1
2 850 cm-1
1 720 cm-1
1 620 cm-1
%
1 420 cm-1
1 240 cm-1
1 050 cm-1
2 920/1 620
2 920/2 850
WP
FA
2.25
0
45.11
16.62
3.98
27.54
4.51
0.14
-
HA
4.83
1.45
30.71
33.67
2.08
27.26
0
0.19
3.33
Hu
23.47
5.47
10.43
29.22
5.62
4.60
15.62
0.99
4.29
PS
FA
2.22
0
33.15
15.15
1.80
33.81
15.89
0.15
-
HA
13.95
5.29
23.55
38.41
4.35
11.28
3.17
0.50
2.64
Hu
13.25
3.40
7.57
25.49
2.60
4.62
38.67
0.65
3.90
BS
FA
2.35
0
33.84
13.36
3.41
33.00
15.96
0.18
-
HA
2.34
0.75
10.39
13.40
1.68
20.24
0.42
0.23
3.13
Hu
5.99
2.59
15.09
22.15
5.23
5.51
17.28
0.39
2.31
MFOM
FA
4.74
0
44.19
23.56
4.03
21.4
2.09
0.20
-
HA
8.78
2.93
20.63
48.65
4.05
11.29
3.67
0.24
2.99
Hu
17.24
6.89
0.00
50.85
4.38
7.19
12.94
0.47
2.50
FCM
FA
4.11
0
40.13
30.43
3.98
19.21
2.14
0.14
-
HA
14.64
4.79
21.46
41.71
3.57
10.49
3.34
0.47
3.06
Hu
16.16
4.02
0.00
50.78
5.68
5.29
17.64
0.40
4.03
注：表内数值为某峰面积占各峰总面积的比例，%; 2 920/1 620比值为2 920+2 850处面积与1 620处面积的比值Note: The value of each absorption peak equals to the proportion of the area of a certain absorption peak to the total area of the absorption peak (%); 2 920/1 620 is the ratio of the area at 2 920 + 2 850 to the area at 1 620
表 6 不同样品FA、HA和Hu的红外光谱主要吸收峰的相对强度
Table 6 Relative intensities of the main absorption peaks in FTIR spectrum of FA, HA and Hu relative to sample
3 讨论
3.1 木本泥炭与有机肥腐殖质组分及其性质的主要差异
水稻土和黑土是耕作土壤中SOM和腐殖质含量较高的两类土壤，而本研究中的有机肥与木本泥炭的有机碳和腐殖质含量均远高于水稻土和黑土(表 1和表 2)，表明有机肥和木本泥炭均为能提升SOM和腐殖质含量的优质有机物料。其中，木本泥炭的有机碳和腐殖质含量更高(表 1和表 2)，揭示施用等量的木本泥炭对提升SOM和腐殖质含量的潜力将大于有机肥。对于不同有机物料腐殖质中FA、HA和Hu组分的占比，水稻土为11%、24%和65%，黑土为31%、34%和35%，混合发酵肥为14%、28%和57%，发酵鸡粪为12%、34%和54%，而木本泥炭FA、HA和Hu组分的占比分别为1%、85%和14%。HA组分的占比越高(即PQ越高)，腐殖化程度越深，品质和稳定性越好[14-15, 18]。可见，有机肥的腐殖化程度与土壤腐殖化过程更相近，而木本泥炭的腐殖化程度、品质和稳定性远高于有机肥。此外，根据扫描电镜的结果，在经历漫长的泥炭化地质过程后，木本泥炭腐殖质中占比最高的HA组分的颗粒要小于两种土壤和两种有机肥的HA组分，表明木本泥炭腐殖质的分子和颗粒排列较土壤和有机肥的腐殖质更致密，表面活性较低。相反，两种有机肥FA和HA组分的颗粒大小不仅要远大于土壤和木本泥炭，甚至它们占比最高的Hu组分的颗粒也远大于木本泥炭HA组分，这表明有机肥腐殖质的分子和颗粒排列更为疏松，表面活性较高。腐殖化程度和腐殖质表面特征的结果均揭示有机肥施入土壤后可能容易分解，而木本泥炭则相对更加稳定。
有机肥与木本泥炭稳定性的差异还可由它们不同的元素组成和官能团结构特征而得出。C/N比的高低可影响有机物料被微生物利用的难易程度，微生物可直接利用C/N比低的有机物料，但对C/N比高的有机物料，通常需要添加额外的N源[19]。混合发酵肥和发酵鸡粪腐殖质各组分的C含量不仅较高，它们的N含量也均为最大值，从而使得两种有机肥的腐殖质在不同样品中具有最小的C/N比(表 4)。再考虑到两种有机肥均含有较高的P、K等养分(表 1)，将有机肥施入土壤后无疑能极大地促进土壤微生物的活性[20]，从而具有较高的生物降解速率。相反，尽管木本泥炭原样和腐殖质的C含量极高，但其原样的P、K含量和腐殖质中N含量均较低。木本泥炭FA、HA和Hu组分C/N比分别为100.4、117.1和158.6，约为土壤和有机肥的5倍~11倍和9倍~14倍(表 4)，其原样的C/N比也分别为土壤和有机肥的5.3倍~5.8倍和6.0倍~6.8倍(表 1)，这揭示木本泥炭相对更难于被微生物分解。H/C的大小(即缩合度的高低)揭示腐殖质分子结构的复杂程度，FTIR光谱分析中的2 920/1 620和2 920/2 850的比值则揭示腐殖质芳香化度和聚亚甲基化程度的高低。由表 4和表 6的结果可看出，两种有机肥的缩合度、芳香化度和聚亚甲基化程度均小于木本泥炭。相反，木本泥炭腐殖质中占比最多的HA组分在不同样品中具有几乎最低的缩合度，其HA和Hu组分的芳香化度和聚亚甲基化程度也要高于有机肥和土壤。这说明木本泥炭腐殖质总体上具有较有机肥和土壤更复杂的分子结构，微生物降解时需要更多的能量[13]。然而，与土壤和有机肥腐殖质相比较，木本泥炭腐殖质HA组分的(O+S)/C(氧化度)较高。在表征羧基C=O和C-O伸展的1 720 cm-1和1 240 cm-1处的红外光谱吸收峰强度也表明，木本泥炭腐殖质FA和HA组分基本的羧基含量均高于有机肥和土壤(图 2，表 6)，这揭示木本泥炭中含氧官能团尚未得到充分降解，仍具有降解可能。另一方面，木本泥炭FA和HA组分更高的羧基含量，表明其较土壤和有机肥腐殖质具有更强的吸水和持水性能。
3.2 木本泥炭与有机肥替代腐殖质提高SOM的比较及施用方式
秸秆还田是提升SOM的重要措施，假设秸秆的腐殖化系数为0.15，一年两熟的农田秸秆量在15 t·hm-2，一年能形成2.25 t·hm-2腐殖质，要使耕层SOM增加10 g·kg-1(1%)，每公顷需要20 t腐殖质。以静态计算，需要全量秸秆9年才能达到增加1%的目标，实际情况则要10~20年[5]。木本泥炭腐殖质含量高达860 g·kg-1以上，如果每公顷施用约23 t，就可以达到全量秸秆还田增加的腐殖质量。相比之下，即使不考虑有机肥的高降解率，要想单次施用有机肥就达到增加1%的目标，以本研究两种有机肥平均19%的腐殖质含量来计算，就需要超过每公顷105 t的有机肥。显然，施用木本泥炭更加高效、经济、可行。然而，问题是施用木本泥炭所增加的腐殖质是否等同土壤腐殖质以及具有相同的功效？前面的研究已经表明，木本泥炭腐殖质FA、HA和Hu组分比例与土壤腐殖质存在很大差异; 其次是C/N比高达100以上; 第三是其颗粒致密，表面活性低; 第四是分子结构复杂，难以分解，但含氧官能团如C=O多，易被降解; 第五是全量秸秆还田形成的有机质至少可以颗粒态、闭蓄态和有机无机结合态三种形式存在，加入的木本泥炭腐殖质主要以颗粒态以及少量以闭蓄态形式存在。这些差异必然导致与土壤腐殖质的功效不同。因此，缩小这些差异是木本泥炭替代土壤腐殖质的关键。首先是调整木本泥炭腐殖质C/N比和各组分比例，通过筛选生物质材料发酵腐解，获得Hu含量高和C/N低的腐殖质，按比例与木本泥炭混合，以降低其C/N比和HA的占比，调高Hu的占比; 第二，加工木本泥炭至适当粒度，提高其活性，同时对部分木本泥炭进行断链处理，如聚亚甲基(-(CH2)n-)，降低分子的复杂度，进一步提高其活性; 第三，施用木本泥炭组合材料后添加生物激发剂，激发微生物快速转化，促进团聚体形成和腐殖质向颗粒态、闭蓄态和有机无机结合态转变; 上述处理可能加快木本泥炭的分解，因此，第四是继续保持秸秆还田，以平衡木本泥炭的分解，从而达到SOM的快速提升而又持续保持。
4 结论
木本泥炭和有机肥均为改良土壤的优质有机物料，但木本泥炭的有机碳和腐殖质含量更高，对培肥和改良土壤的潜力更大。木本泥炭腐殖质各组分的相对比例与土壤和有机肥腐殖质间存在巨大差异，其腐殖质以HA组分为主，腐殖化程度更高。有机肥腐殖化程度较低，表面疏松，活性较高，同时N、P、K等养分含量较高，C/N比较低，施入土壤后容易被微生物分解。相反，木本泥炭腐殖质HA组分的颗粒细小，表面排列致密，活性较低，其腐殖质C/N比可高达100以上，远高于土壤和有机肥。同时，木本泥炭HA组分的缩合度、聚亚甲基化程度和芳香化度更高，分子结构更复杂，相对难被微生物分解。但木本泥炭腐殖质的羧基含量和氧化度较高，仍有降解可能。施用木本泥炭时，应当加工木本泥炭至适当粒度，配合施用高Hu含量、低C/N比生物质材料发酵腐解的腐殖质，并在添加生物激发剂的同时继续保持秸秆还田。
