周向陽,劉佳玥,孫尚貴,雷文娟①
(1.貴州大學茶學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550025)
生物炭(Biochar)作為一種環境友好型土壤改良和修復劑,近年來成為農業生產應用中的研究熱點。土壤中施入生物炭后可改變土壤pH值、有機碳含量、陽離子交換量[1]、孔隙度和持水能力[2-3]、團聚性[4]以及微生物活動[5]等,并且合理施用生物炭可強化土壤氮和磷的生物化學循環[6],為作物提供養分,提高作物產量[7];另外,生物炭通過其強大的吸附作用可降低土壤中污染物的遷移能力,從而降低污染水體的風險[8]。
但是生物炭通常以細小顆粒的形式施入土壤中,其作為碳源易產生溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)。DOM是指通過0.45 μm孔徑濾膜,能溶于水、酸和堿溶液,具有不同結構、化學組成和分子大小的有機物的連續體或混合體[9-10],是自然生態系統中最為活躍的組分,對于土壤中養分循環、微生物活性和污染物的遷移與轉化等方面都有重要的影響作用[11-13]。目前,大多數研究重點關注生物炭施加后對土壤DOM含量、組分特征等因素的影響,或不同熱解溫度對生物炭DOM影響的2個方面。前者揭示添加生物炭總體上能提高土壤DOC含量,增強DOM的生物可利用性,且長期施入生物炭會增加大分子量腐殖酸類物質,減少小分子量蛋白類物質[14-19]。后者的相關研究表明,與低溫制備的生物炭相比,高溫制備的生物炭DOC含量降低,但其DOM的芳香化和腐殖化程度升高,穩定性增強[20-21]。
另一方面,原料對生物炭的DOM含量和分子結構影響非常大。有研究表明,水稻秸稈生物炭中DOM含量和腐殖化程度高于杉木凋落物生物炭[22];木屑生物炭中DOM含量高于稻殼生物炭,而稻殼生物炭DOM的腐殖化、芳香化程度和疏水組分比例則高于木屑生物炭DOM[23]。由此可知,生物炭原料不僅影響DOM含量,而且影響DOM的化學特性,但是其結構和影響機制還有待進一步解析。此外,光譜分析具有檢測速度快、無損性、反應信息綜合量大、測試精度較高等優點。如傅里葉紅外分析能夠迅速判定出DOM的基本官能團[24];三維熒光光譜能夠識別DOM的主要成分、來源和地球化學特征[25];紫外-可見光譜能夠辨別DOM相對分子質量和芳香族化合物含量等[26]。這些技術為快速判定DOM的組成、關鍵基團、應用途徑和環境風險等提供了重要的技術支撐。
因此,筆者以蘋果枝條、橘樹枝條、花生殼、玉米秸稈和水稻秸稈5種生物質為原材料,在同一溫度下熱解制備成生物炭,提取其DOM,然后采用紫外-可見光譜、三維熒光光譜和傅里葉變換紅外光譜識別5種生物炭樣品中DOM含量并對其結構進行表征,以期為生物質資源的合理利用及潛在環境風險評價提供科學依據。
1.1 生物炭的制備
實驗所采用的蘋果枝條、橘子枝條、花生殼、玉米秸稈和水稻秸稈取自貴州省某農田,按照結構和組分可簡單劃分為木質類、殼類、秸稈類3類。生物炭的制備過程[22]如下：(1)將各生物質用去離子水沖洗干凈后自然風干,在80 ℃烘箱中烘24 h至恒重,溫度降至室溫,使用快速粉碎機粉碎并過0.85 mm孔徑篩;(2)將過篩后的生物質原料放入帶蓋的陶瓷坩堝中,用鋁箔包裹后置于馬弗爐中,在500 ℃限氧條件下熱解2 h,待馬弗爐冷卻至室溫后取出樣品,粉碎后過0.15 mm孔徑篩,裝袋儲存于干燥黑暗處備用。熱解后制備的5種生物炭分別標記為蘋果枝條(PG)、橘子枝條(JZ)、花生殼(HS)、玉米秸稈(YM)和水稻秸稈(SD)。
1.2 DOM的提取與測定
生物炭DOM提取方法[27]：用固液比(m∶V)為1∶50 的去離子水提取,于避光條件下置于恒溫(25 ℃)搖床中振蕩48 h,離心10 min(轉速為15 000 r·min-1,離心半徑為4 cm)后取上清液過0.45 μm孔徑玻璃纖維濾膜,將過濾液置于棕色瓶中,并在4 ℃下避光保存備用。采用總有機碳分析儀(Vario TOC,德國)測定各生物炭樣品DOM的溶解性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)含量,同時用PHS-3C pH計測定pH值。
1.3 紫外-可見吸收光譜測定與分析
采用紫外-可見分光光度計(UH5300,日本)測定生物炭樣品DOM的紫外可見光光譜特征：將樣品置于10 mm石英比色皿中,以超純水為空白,以2 nm的間隔波長對 200～800 nm波長范圍內進行掃描,測定其吸光度。通過紫外可見光光譜中提取的特征光譜參數進行DOM相關性質的表征：相對分子質量參數M為波長250與365 nm處吸收系數的比值,用于估算DOM的相對分子質量大小,值越高則DOM相對分子量越小[28-29];SUVA254為波長254 nm處的吸收系數與DOC濃度的比值,可用于表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物含量,SUVA254越高,腐殖質和芳香族化合物含量越高[30];SUVA260為波長260 nm處的吸收系數與DOC濃度的比值,表征疏水組分在DOM中所占比例,其值越高,表明疏水組分所占比例越高[31]。
1.4 三維熒光光譜測定與分析
采用熒光分光光度計(棱光97Pro,上海)測定生物炭樣品DOM的三維熒光光譜特征。將樣品置于10 mm石英比色皿中,以超純水為空白,激發波長(Ex)的掃描范圍為200～600 nm,間隔為10 nm,發射波長(Em)的掃描范圍為200～600 nm,間隔為5 nm,掃描速度為48 000 nm·min-1,增益(PMT)為650 V,響應時間自動匹配。運用MATLAB 2014b運行dreem工具包對掃描所得的三維熒光光譜進行扣除空白、紫外矯正、切除散射、插值等預處理[32-33],最后采用區域積分法對三維熒光光譜的組分進行解析,并計算相關光譜參數(表1)。
表1 DOM三維熒光光譜特征參數[17,34]
三維熒光區域積分法步驟[34]：按照激發與發射波長的不同范圍將熒光光譜分為5個區域,分別為區域Ⅰ(Ex/Em=220～250 nm /280～330 nm)類色氨酸區域;區域Ⅱ(Ex/Em=220～250 nm /330～380 nm)類酪氨酸區域;區域Ⅲ(Ex/Em=220～250 nm /380～550 nm)類富里酸區域;區域Ⅳ(Ex/Em=250～400 nm /280～380 nm)可溶性微生物降解產物區域;區域Ⅴ(Ex/Em=250～400 nm /380～550 nm)類胡敏酸區域。通過各區域的標準積分體積Φi,n間接表征各區域所代表的有機物質的相對含量。
Φi=∑Ex∑Em×I(λEx×λEm)×dλEx×dλEm,
(1)
Φi,n=Fi×Φi,
(2)
(3)
(4)
式(1)～(4)中,Φi為區域i的積分體積;I(λEx×λEm)為激發與發射波長對應的熒光強度;Φi,n為區域i經過標準化處理的標準積分體積;ΦT,n為各區域標準積分體積之和;Pi,n為區域i標準積分體積占總積分體積的比例;Fi為各區域的倍增因子,為區域i積分面積與總積分面積之和比值的倒數,區域Ⅰ為20.4,區域Ⅱ為16.4,區域Ⅲ為4.81,區域Ⅳ為8.76,區域Ⅴ為1.76[34]。
1.5 傅里葉紅外光譜測定與分析
采用KBr壓片法進行傅里葉紅外光譜測定[11]：將0.001 g冷凍干燥后的DOM樣品與0.1 g KBr研磨混勻后壓片,使用傅里葉紅外光譜儀(FTIR850,天津)在400～4 000 cm-1波長范圍內掃描,分辨率為1 cm-1,用于表征生物炭DOM的表面官能團,最后根據相應的波段分析其所屬官能團。
2.1 生物炭DOM的pH值與DOC濃度
5種生物炭樣品DOM的pH值范圍在7.85～9.18之間,均呈堿性,與大部分生物炭的堿性性質一致[11]。這5種生物炭中木質類生物炭pH值最高,秸稈類次之,殼類最低。通常不同原材料生物炭的pH值為秸稈類最高,木質類和殼類次之,與灰分含量成正相關[35]。YM、SD秸稈生物炭pH值范圍在6.75～10.73和7.78～11.30之間,PG枝條生物炭為10.33～10.99[35-36]。該研究中木質類生物炭樣品DOM的pH值最高,這可能是由于實際原材料和燒制溫度不同所致。
DOC是DOM的重要表征,5種生物炭樣品的DOC含量在0.95～10.29 mg·g-1之間,其中PG、JZ和HS的DOC較低,分別為1.04、0.95與0.62 mg·g-1;而SD與YM的DOC含量較高,分別為10.29與7.10 mg·g-1。據報道,木本生物炭比草本生物炭產生的DOM含量低[37],其原因是與草本原料相比,木本原料通常含有比半纖維素和纖維素更穩定的木質素[38],從而更有利于形成不溶性生物炭,降低了木本生物炭產生的DOC含量[39]。此外,研究中生物炭制備溫度條件相同,可能導致木質類原料炭化不完全,有利于形成固態生物炭,從而導致其DOC含量較低[28]。
2.2 生物炭DOM的紫外-可見吸收光譜特征
PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。
生物炭DOM的紫外可見光譜特征參數如表2所示。相對分子質量參數M常用于估算DOM的相對分子質量大小,M值越小則DOM的相對分子質量越大[29]。5種生物炭DOM中,秸稈類生物炭的M值最小,木質類生物炭次之,殼類生物炭M值最大。這說明秸稈類生物炭DOM的相對分子質量明顯大于木質類和殼類,這也造成不同生物炭DOM生物可利用性的差異。通常相對分子量較大的DOM更難被生物利用,說明秸稈類生物炭DOM更難被生物所利用[29]。
表2 不同原料生物炭的紫外-可見光、三維熒光光譜特征參數
PG為蘋果枝條;JZ為橘子枝條;HS為花生殼;YM為玉米秸稈;SD為水稻秸稈。M為DOM相對分子質量;SUVA254表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物的含量;SUVA260表征疏水組分在DOM中所占比例;BIX為腐殖化指數;HIX為自生源指數。
2.3 生物炭DOM的三維熒光光譜特征
5種生物炭DOM的三維熒光光譜如圖2所示。可以看出,不同DOM樣品的三維熒光特性差異明顯。Ⅰ區代表類色氨酸物質,其中木質類和殼類生物炭DOM樣品幾乎無類色氨酸物質的熒光值,而秸稈類生物炭DOM則表現出較強的熒光值,尤其是YM秸稈生物炭出現明顯的熒光峰。Ⅱ區代表類酪氨酸物質,5種生物炭DOM樣品的類酪氨酸物質熒光光譜表現與類色氨酸物質一致,僅秸稈類生物炭出現熒光特征,且熒光強度較低。Ⅲ區代表類富里酸物質,5種生物炭DOM樣品均沒有形成較明顯的熒光峰。Ⅳ區代表可溶性微生物降解產物,5種生物炭DOM樣品均有明顯的熒光峰,且熒光強度較高,說明可溶性微生物降解產物存在于5種生物炭中。Ⅴ區代表類胡敏酸物質,5種生物炭DOM均表現出非常明顯的熒光峰,且熒光強度達到最高,說明類胡敏酸物質含量在生物炭中最高。
為更好地評價5種生物炭DOM的差異性,對其各組分進行區域體積積分,分析各區域所代表的物質的變化情況,分別用類色氨酸(C1)、類酪氨酸(C2)、類富里酸(C3)、可溶性微生物降解產物(C4)和類胡敏酸(C5)表示[27]。各組分的區域積分體積含量和所占比例如圖3所示。不同原料生物炭DOM的熒光組分總含量差異明顯,表現為秸稈類生物炭的熒光組分含量最高,其次為木質類和殼類,各組分的區域積分體積與其熒光強度特征表現一致。各生物炭樣品DOM的組分中,各物質含量表現也不同。PG、JZ與HS生物炭中C1和C2均占比最小,其中C1在0.24%～0.40%之間,C2在1.09%～1.26%之間;而SD與YM的C1組分占比為11%與15%,C2占比為4.64%與3.51%。C3組分在5種生物炭中占比均較低,介于1.53%～3.19%之間,無明顯差異。C4組分占比較高,在27.73%～38.04%之間,秸稈類生物炭占比高于木質類和殼類生物炭。C5組分在所有組分中占比最大,其中木質類與殼類C5組分占比相近,PG、JZ和HS分別為66.44%、66.78%與68.43%;秸稈類相近,SD和YM分別占比42.51%與44.59%。結果表明,秸稈類生物炭DOM的熒光組分物質含量最豐富,主要以類色氨酸、可溶性微生物降解產物和類胡敏酸物質;而木質類與殼類生物炭DOM的熒光組分物質含量較低,且以可溶性微生物降解產物和類胡敏酸為主。研究發現,DOM中的類蛋白和類腐殖物質與重金屬具有較強的親和力[11,13],可見秸稈類生物炭在修復重金屬污染的土壤和水體中的應用效果較其他生物炭更優。
PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。
圖3 不同原料生物炭DOM三維熒光各組分含量及占比
5種生物炭DOM三維熒光光譜特征參數如表2所示。自生源指數(BIX)常用于表征DOM中的自生貢獻比例,也可用于反映DOM中類蛋白物質含量及生物可利用性的高低[17,34]。5種生物炭的BIX值均小于1,表明生物炭的自生源特性不明顯,生物可利用性和類蛋白比例較低,其中秸稈類生物炭BIX值較高,這也與熒光區域積分法所得結論一致。腐殖化指數(HIX)是表征DOM腐殖化程度的重要指標,HIX值越高表明腐殖化程度越高,DOM結構越復雜[23,27]。5種生物炭中木質類與殼類生物炭DOM腐殖化程度較秸稈類強,這也與紫外可見光譜中的結論一致。
2.4 生物炭DOM的傅里葉紅外光譜特征
PG—蘋果枝條;JZ—橘子枝條;HS—花生殼;YM—玉米秸稈;SD—水稻秸稈。
2.5 生物炭DOM不同光譜特征間相關性分析
對上述5種生物炭DOM的pH值、DOC含量、紫外-可見光譜特征參數、傅里葉紅外光譜特征參數和三維熒光光譜特征參數進行相關性分析。5種生物炭DOM不同光譜特征的各種指標之間相關性差異明顯。其中pH值與SUVA254和SUVA260呈顯著正相關,表明其親水性官能團較多;DOC與HIX呈顯著負相關,進一步說明其DOM的腐殖化程度較低。BIX與各熒光組分具有較強的正相關關系,HIX與各熒光組分具有較強的負相關關系,表明BIX和HIX與各熒光物質的含量有關;各熒光組分之間也具有較強的相關性(R2>0.9,P<0.05),表明各種生物炭的DOM具有相似的組分且含量相對穩定;不同波段傅里葉紅外光譜的相關指標之間相關性中等,部分達到顯著性水平;紫外、可見光光譜總體相關性較弱,少數達到顯著性水平,表明相關指標按照一定的比例維持穩定,很可能在生物炭制備的過程中影響較小或總體按比例衰減、增加。部分顯著相關但總體相關性差,說明多數變量之間相互獨立或者在生物炭制備過程中部分組分損失較大,導致其相關性減弱。
通過紫外-可見光譜、三維熒光光譜和傅里葉紅外光譜對同一溫度條件下幾種原料制備的5種生物質炭DOM的含量和光譜特征進行了綜合研究,結論如下：
(1)木質類和秸稈類生物炭DOM的pH值明顯高于殼類生物炭;秸稈類生物炭的溶解性有機碳(DOC)顯著高于其他3種生物炭。
(2)紫外-可見光譜分析表明,5種生物炭DOM的芳香性組分含量均較少,腐殖化程度較低,親水性組分占主導;三維熒光光譜分析表明,秸稈類生物炭DOM的熒光組分物質含量高于木質類和殼類,且各熒光組分含量占比中可溶性微生物降解產物和類胡敏酸比例最高;傅里葉紅外光譜分析表明,5種生物炭DOM的光譜特征相似,均含有豐富的有機官能團(如羧基、酚羥基等)或半醌自由基等。
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