不同原料堆制有机肥腐殖酸的化学组成与结构特征

李章海，朱　凯，彭　宇，马　莹，江玉平，郭亚利，高　贵

（1.中国科学技术大学，合肥 230052；2.贵州省烟草公司黔西南州公司，贵州 兴义 562400）

不同原料堆制有机肥腐殖酸的化学组成与结构特征

李章海1，朱凯1，彭宇2，马莹2，江玉平1，郭亚利2，高贵2

（1.中国科学技术大学，合肥 230052；2.贵州省烟草公司黔西南州公司，贵州 兴义 562400）

采用元素分析、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、固体13C核磁共振（NMR）以及电镜扫描技术，对3种不同物料堆积的有机肥（T1，玉米杆:牛粪:菜籽饼=60:50:30；T2，玉米杆:废次烟草:牛粪:菜籽饼=35:25:40:30；T3，烟秆:废次烟叶:猪粪:菜籽饼=30:30:40:30）中腐殖酸的化学组成与结构特征进行了初步研究。结果显示：（1）不同有机肥中腐殖酸的C、H、N、O的含量均表现为T3>T2>T1；（2）FT-IR分析显示，T3样品中腐殖酸的双键H和苯环H较T1、T2样品多；T2样品在1050 cm-1处的吸收强度相对较强；1710 cm-1处的吸收峰T3样品最明显，含有羧基和羰基官能团最多，T1样品中最少。（3）固体13C-NMR分析结果显示，脂肪碳（δ 0～50）含量T3样品最高，含氧脂肪碳（δ 50～110）含量T1样品最高，芳香碳（δ 110～160）含量T2样品最高，δ 160～230的羧基碳和羰基碳含量表现为T2=T3>T1；（4）电镜扫描结果显示，3种腐殖酸颗粒的表面具有维管状结构和孔隙，维管结构数量表现为T3>T2>T1，孔隙数量则表现为T1>T2>T3。以上结果表明，3种腐殖酸的化学组成与结构特征有着明显差异。

有机肥；腐殖酸；化学元素；红外；13C核磁共振；结构特征；电镜扫描

腐殖酸是有机肥的重要组成成分，其活性基团具有亲水性和吸附性，可与金属离子生成螯合物，对土壤结构和肥力形成具有重要作用。同时腐殖酸有良好的生理活性，对作物营养和代谢具有极为重要的作用[1]。腐殖酸大量存在于褐煤、泥炭等天然物质中，同时也存在于堆制而成的有机肥料中。目前，我国农业废弃物每年排放量为40多亿t，其中畜禽粪便排放量为26.1亿t，农作物秸杆为7.0亿t，饼粕类为0.25亿t[2-3]。资源化利用是未来生物质废弃物处理的主流。近几年，利用农作物秸杆、家畜粪便加生物发酵菌制作有机肥，腐熟后期添加20%～30%的饼肥，制成优质生物有机肥，在烤烟生产中施用能明显提高烟叶油分、香气质、香气量和工业可用性[4]。堆肥过程是腐殖酸生成和演化的一个快速进程，堆制过程中腐殖酸的动态变化与堆肥的稳定性、腐熟程度密切相关。宋海燕等[1]对泥碳、稻田、鱼塘和河流中的腐殖酸的化学组成与结构进行了研究，吴峰等[6]对堆肥过程中不同碳氮比物料有机肥中腐殖酸含量、化学组成与结构特征进行了分析。对于不同堆肥原料以及堆肥的不同阶段腐殖酸的生成规律及结构特性的研究还不够[7]。本文对3种不同配料有机肥中的腐殖酸化学组成和结构特征进行了分析，通过数据比较了不同配料堆捂的有机肥中腐殖酸化学组成和结构特征差异，旨在为充分利用不同来源的生物质废弃物，进行有机肥的科学制作和合理利用提供科学依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试材料为3种有机肥。其物料组成与配比见表1。这3种有机肥按有机肥堆制规范要求，经3个月发酵堆制而成，堆制的条件相同，起始原料的C/N调整到30/1，物料水分含量为65%左右。各处理物料总干重1000kg，其中菜籽饼在有机肥堆制75 d后翻堆时加入，用翻堆机充分拌匀，再堆制15 d。发酵结束后从发酵堆的前、中、后部位，每个部位分上、中、下3个点各取有机肥样品1 kg，对9个点位的样品充分混合，用四分法浓缩至1 kg备用。有机肥样品晾干后粉碎，过100目筛，供腐殖酸提取使用。

表1　供试材料原料组成及配比Table 1　The ratio of the compositions and proportions of the test materials

1.2腐殖酸的提取

参照IHSS推荐的分离方法[5]提取有机肥样品中的腐殖酸。具体操作过程参照文献[1]。

1.3测试方法

1.3.1元素分析腐殖酸样品的C、H、N、O元素组成，采用德国Elementar公司Vario EL cube元素分析仪测定，测定C、H、N的炉温分别为：燃烧管950℃、还原管550℃，测定O的炉温为1150℃。1.3.2傅立叶变换红外分析（FT-IR）将1 mg研磨均匀的腐殖酸样品与60 mg光谱纯KBr混合压片，在Perkin Elmer 1725 X型傅立叶变换红外光谱仪上测定。

1.3.3固体13C核磁共振分析（NMR）在Bruker AVANCE AV III 400WB型核磁共振仪上测定。测定方法参照JY/T 007—1996超导脉冲傅立叶变换核磁共振谱方法通则，13C以金刚烷C10H16的二条13C 峰29.50 mg/kg和38.56 mg/kg为参照。固体NMR样品均为粉末样品，一般需0.3 mL（压紧）样品。

1.3.4电子显微镜扫描取少量灰白色粉末样品，将其均匀洒落在贴有导电碳胶带的样品台上，并用洗耳球将未粘附的样品粉末吹去。通过离子溅射仪在样品表面喷镀金导电膜后，将样品台放置于电镜样品室中，对样品进行微观形貌观察，并拍摄适宜放大倍数的扫描电镜照片（肖特基发射扫描电子显微镜，仪器型号：SIRION 200，美国FEI电子光学公司）。

2　结果

2.1元素组成特征

3种不同物料来源的腐殖酸的元素组成见表2，其中C元素含量为34.98%～46.39%，H元素含量为4.31%～5.59%，N元素含量为3.62%～6.90%，O元素含量为23.96%～33.59%，均表现为T3>T2>T1。

通常，样品的O/C、H/C和C/N原子比可以用来描述不同形成条件下腐殖酸的性质和结构的差异[1,9]。其中O/C原子比被认为是腐殖酸中碳水化合物和羧酸含量的指标。比较3种样品的O/C原子比可以看出，T2的O/C原子比比值最高，为0.59，其次是T3为0.54，T1最低为0.51，3种腐殖酸的O/C原子比并没有很大的差别，可以认为3种腐殖酸中的碳水化合物和羧酸含量大致相当。

表2　元素含量及原子比Table 2　Element contents and the atomic ratios

H/C可以作为堆制有机肥的有机质组分的来源标志[1,9]。3种腐殖酸的 H/C原子比依次为T2(1.48)>T1(1.47)>T3(1.44)，差别不大，表明3种有机肥堆制的原料来源相近。

腐殖酸的C/N比值也可以作为堆制有机肥的有机质的来源指标[1]。3种腐殖酸的C/N原子比为7.84～12.18，这3种腐殖酸的前体所用原料为陆生维管植物和动物粪便，因此，可以认为由于动物粪便中含有较高的有机质，C/N原子比相对较低，进而使得堆制而成的有机肥中的腐殖酸C/N原子比也比较低。

2.2傅立叶变换红外光谱特征

3种腐殖酸样品的傅立叶红外吸收光谱图如图1。可见，不同腐殖酸样品的红外光谱特征非常相似：650～1000 cm-1处可以归属为C=C双键上H的弯曲振动(δ C=C-H)和苯环上H的面外振动(Ar-H)；1050 cm-1处可以归属于O-H伸缩振动(ν-OH)；1250 cm-1处主要为羧酸官能团的C-O伸缩振动(ν C-O)和O-H的变形振动(δ O-H)；1400 cm-1处包括醇或羧酸类的O-H弯曲振动(δ O-H)和酚类的C-O伸缩振动峰(ν C-O)；1630 cm-1处包括芳环的骨架振动C=C吸收(ν C=C)，H键缔合C=O吸收(ν C=O)和酰胺键(ν O=C-H)等相互叠加吸收峰；1710 cm-1处的羧酸和羰基官能团的C=O伸缩振动吸收(ν C=O)；2800～3000 cm-1的脂肪C-H伸缩振动吸收(ν C-H)；2500～3500 cm-1处强而宽的缔合-OH伸缩振动吸收(ν O-H)[9-11]。这些相似的FT-IR光谱特征都表明了腐殖酸分子具有十分类似的结构特征和官能团信息。但是，仔细比较3种腐殖酸的红外光谱图之后可以发现，尽管3个图在吸收峰上大致相同，它们之间仍存在差异：T3在650～1000 cm-1处的吸收强度高于T1、T2，这表明T3中腐殖酸的双键H和苯环H较T1、T2多；T2在1050 cm-1处的吸收强度与T1、T3相比相对较强；1710 cm-1处的吸收峰T3最明显，T1最不明显，表明T3中含有羧基和羰基官能团最多，T1最少；此外，T3在2800～3000 cm-1处相比较于T1、T2也没有明显双峰。

图1　3种腐殖酸样品的傅立叶红外吸收光谱图Fig.1　The Fourier transform infrared absorption spectra of the three humic acid samples

2.3固体13C-NMR波谱

3种腐殖酸样品的固体13C-NMR谱图如图2。可以看出，几乎所有的腐殖酸样品都检测到了7个核磁共振峰，依次为：甲基/亚甲基(δ 29)、甲氧基(δ 55)、碳水化合物(δ 73)、烷基取代的芳香碳(δ 130)、与氧相连的芳香碳(δ 155)、羧基碳(δ 172)和羰基碳(δ 220)等共振峰[1,8,10]。

图2　3种腐殖酸样品的固体13C-NMR谱图Fig.2　The solid13C-NMR spectra of the three humic acid samples

各个峰的积分面积以及所占的百分比见表3。这些峰可以归属于4个不同的结构带：脂肪碳(δ 0～50)、含氧脂肪碳(δ 50～110)、芳香碳(δ 110～160)、羧基碳/羰基碳(δ 160～220)[1,10,12]。这说明3种腐殖酸具有类似的化学结构，主要由芳香碳、脂肪碳以及含氧的基团等构成。

表3　各官能团积分面积百分比与特征峰比值Table 3　The percentages of integral areas of different functional groups and the ratios of characteristic peaks

积分结果显示，T3中脂肪碳（δ 0～50）的含量最高，为28%，其次为T1，为23%，T2最低，为20%。这可能与T3中使用猪粪，T1、T2样品中使用牛粪有关（猪为杂食动物，而牛是食草动物），而T1中更多的玉米秆来源很可能也是导致T1中脂肪碳比T2中要多的原因。

在δ 50～110的含氧脂肪碳区域内的两个峰分别为甲氧基和碳水化合物结构，如：-CH(OH)-或-CH2-O-C-等。其中最高为T1（30%），其次为T2样品（29%），最低为T3（23%）。

含氧脂肪碳含量上的差异，既与堆制腐殖酸的有机质来源有关，也与腐殖酸的腐殖化程度有关[9]。

在δ 110～160区域内，有2个共振峰分别为与氢或碳相连的芳香碳(δ 130)和与氧相连的芳香碳(δ 155，不明显)。对比这2个峰的积分面积可知，3种腐殖酸在整个区域的积分面积表现为T2>T1>T3，T2的腐殖酸具有较多的芳香结构。

δ 160～230范围的碳以羧基碳和羰基碳为主，同时也包括酰胺碳、酯碳在内的各种碳，具体含量表现为T2=T3>T1，表明T2、T3样品的腐殖酸含有比T1样品稍多的羧基/羰基官能团。

上述分析可见，3种腐殖酸样品所含官能团以芳香碳为主，其次是含氧脂肪碳和脂肪碳，最少的是羧基碳和羰基碳。T1和T2都表现为芳香碳>含氧脂肪碳>脂肪碳>羧基碳和羰基碳；而T3为芳香碳>脂肪碳>含氧脂肪碳>羧基碳和羰基碳。

2.4电子显微镜扫描

由电镜扫描图（图3）可见，3种有机肥在提取腐殖酸之前其表面特征表现为大小不等的颗粒，差异不是很大。在提取腐殖酸之后，在20000X电镜照片上可以清楚地看见，3种腐殖酸颗粒的表面有着相同的维管状结构，数量上，T3处理的腐殖酸远多于T2处理多于T1处理；同时3种腐殖酸颗粒的表面也存在着孔隙，且孔隙的相对数量T3处理的腐殖酸少于T2处理，远少于T1处理。这可能与3种腐殖酸C、H、N、O元素含量有明显差异有关。

3　讨论

腐殖酸是一类成分复杂的高分子有机物质，主要由脂肪碳、含氧脂肪碳、芳香碳和羧基碳/羰基碳等组成。本研究表明，由不同原料堆制的有机肥中的腐殖酸在化学组成和结构上基本保持一致，但在具体的官能团组成和结构单元上还是明显不同，表3不同原料在堆制过程中，所形成的腐殖酸种类和数量存在差异性。这可能与原料自身所含的纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和脂类化合物等物质含量差异有关，同时也受堆制过程中微生物种类、温度、水分等因素变化的影响。

傅立叶变换红外光谱的分析结果显示，相比较于土壤腐殖酸的研究[10]，有机肥腐殖酸和土壤腐殖酸在500cm-1、1050cm-1、1710cm-1以及2500～3500cm-1处都有明显吸收峰，不同的是，从土壤中提取出来的腐殖酸在1050 cm-1处的峰值更高，而从有机肥中提取出来的腐殖酸在1710 cm-1处的峰值更高。这说明土壤中的腐殖酸有更多的羟基官能团，而有机肥中的腐殖酸则有更多的羧基和羰基官能团。

固体13C-NMR波谱研究结果显示，土壤中的腐殖酸在烷氧基碳(δ 50～110)和芳香族碳(δ 110～160)处的峰比较明显[10]，说明土壤中的腐殖酸烷氧基碳和芳香族碳占大多数；而有机肥中的腐殖(δ 110～160)处的峰比较明显之外，在脂肪类碳(δ 0～50)和羧基碳(δ 160～190)处也有明显的峰，说明有机肥中的腐殖酸不仅含有较多的烷氧基碳和芳香族碳，也同样含有较多的脂肪碳和羧基碳。

图3　3种有机肥及其提取的腐殖酸样品电镜扫描图Fig.3　Scanning electron microscope of three kinds organic fertilizers and their humic acids

本试验中不同有机肥腐殖酸化学组成和结构差异的结果，有助于全面了解不同生物原料堆肥过程中的化学变化，为合理制作和利用有机肥提供科学依据。但其在土壤改良、作物生长与品质形成中的作用，尚有待于进一步研究。

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Chemical Composition and Structural Characteristics of Humic Acids Extracted from Organic Fertilizers Composted by Different Materials

LI Zhanghai1,ZHU Kai1,PENG Yu2,MAYing2,JIANG Yuping1,GUO Yali2,GAO Gui2
(1.University of Science and Technology of China,Hefei 230052,China；2.Qianxinan Prefecture Company,Tobacco Companies of Guizhou Province,Xingyi,Guizhou 562400,China)

the chemical composition and structure characteristics of humic acid in three kinds types of organic fertilizers(T1,corn stalk:cow dung:rapeseed cake=60:50:30;T2,corn stalk:tobacco waste:cow dung:rapeseed cake=35:25:40:30;T3,tobacco stem: tobacco waste:pig dung:rapeseed cake=30:30:40:30)are were studied using elemental analysis,Ffourier transform infrared spectroscopy(FT IR),solid13C nuclear magnetic resonance(NMR)and electron microscope scanning.The results showed that(1)C, H,N,O contents of organic humic acid were in T3>in T2>in T1;(2)The FT-IR analysis showed that H-H and benzene H in humic acid in T3 were higher than>in T1 and T2.The absorption intensity at 1050 cm-1 of T2 is was relatively strong.Absorption intensity at 1710 cm-1 of the T3 sample is was the most strongest among the 3 treatments,which containing the most carboxyl and carbonyl functional groups.(3)The solid 13C-NMR analysis results showed that the fat content of carbon(δ0～50)in T3 and the carbon oxygen fat(δ50～110)content in T1 and the aromatic carbon(δ110～160)content in T2 arewere the highest among the three treatments respectively,and that the carboxyl and carbonyl(δ160～230)carbon contents were in T3=in T2>in T1;(4)the The electron microscope scanning results showed that there are were vascular structures and space surfacepores on the surface of humic acid particles,with the number of vascular structures of T3>of T2>of T1,and the number of gap pores in the reversed orderon the contrary.In summary,significant difference was observed inThe results showed that the chemical composition and structure characteristics of the three kinds types of humic acid has obvious difference.

organic fertilizer;humic acid;chemical elements;IR,13C-NMR;structural characteristics;scanning electron microscope

S572.062

1007-5119（2016）03-0040-05

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.03.007

中国烟草总公司贵州省公司重点科技项目（201411）

李章海，男，副教授，主要从事烟草化学调控、营养和品质评价教学与研究工作。E-mail：lzhai@ustc.edu.cn

2015-05-29

2016-03-11