几种原料生物炭溶解性有机质(DOM)的光谱特征研究

周向阳,刘佳玥,孙尚贵,雷文娟①

(1.贵州大学茶学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025)

生物炭(Biochar)作为一种环境友好型土壤改良和修复剂,近年来成为农业生产应用中的研究热点。土壤中施入生物炭后可改变土壤pH值、有机碳含量、阳离子交换量[1]、孔隙度和持水能力[2-3]、团聚性[4]以及微生物活动[5]等,并且合理施用生物炭可强化土壤氮和磷的生物化学循环[6],为作物提供养分,提高作物产量[7];另外,生物炭通过其强大的吸附作用可降低土壤中污染物的迁移能力,从而降低污染水体的风险[8]。

但是生物炭通常以细小颗粒的形式施入土壤中,其作为碳源易产生溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)。DOM是指通过0.45 μm孔径滤膜,能溶于水、酸和碱溶液,具有不同结构、化学组成和分子大小的有机物的连续体或混合体[9-10],是自然生态系统中最为活跃的组分,对于土壤中养分循环、微生物活性和污染物的迁移与转化等方面都有重要的影响作用[11-13]。目前,大多数研究重点关注生物炭施加后对土壤DOM含量、组分特征等因素的影响,或不同热解温度对生物炭DOM影响的2个方面。前者揭示添加生物炭总体上能提高土壤DOC含量,增强DOM的生物可利用性,且长期施入生物炭会增加大分子量腐殖酸类物质,减少小分子量蛋白类物质[14-19]。后者的相关研究表明,与低温制备的生物炭相比,高温制备的生物炭DOC含量降低,但其DOM的芳香化和腐殖化程度升高,稳定性增强[20-21]。

另一方面,原料对生物炭的DOM含量和分子结构影响非常大。有研究表明,水稻秸秆生物炭中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含量高于稻壳生物炭,而稻壳生物炭DOM的腐殖化、芳香化程度和疏水组分比例则高于木屑生物炭DOM[23]。由此可知,生物炭原料不仅影响DOM含量,而且影响DOM的化学特性,但是其结构和影响机制还有待进一步解析。此外,光谱分析具有检测速度快、无损性、反应信息综合量大、测试精度较高等优点。如傅里叶红外分析能够迅速判定出DOM的基本官能团[24];三维荧光光谱能够识别DOM的主要成分、来源和地球化学特征[25];紫外-可见光谱能够辨别DOM相对分子质量和芳香族化合物含量等[26]。这些技术为快速判定DOM的组成、关键基团、应用途径和环境风险等提供了重要的技术支撑。

因此,笔者以苹果枝条、橘树枝条、花生壳、玉米秸秆和水稻秸秆5种生物质为原材料,在同一温度下热解制备成生物炭,提取其DOM,然后采用紫外-可见光谱、三维荧光光谱和傅里叶变换红外光谱识别5种生物炭样品中DOM含量并对其结构进行表征,以期为生物质资源的合理利用及潜在环境风险评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 生物炭的制备

实验所采用的苹果枝条、橘子枝条、花生壳、玉米秸秆和水稻秸秆取自贵州省某农田,按照结构和组分可简单划分为木质类、壳类、秸秆类3类。生物炭的制备过程[22]如下：(1)将各生物质用去离子水冲洗干净后自然风干,在80 ℃烘箱中烘24 h至恒重,温度降至室温,使用快速粉碎机粉碎并过0.85 mm孔径筛;(2)将过筛后的生物质原料放入带盖的陶瓷坩埚中,用铝箔包裹后置于马弗炉中,在500 ℃限氧条件下热解2 h,待马弗炉冷却至室温后取出样品,粉碎后过0.15 mm孔径筛,装袋储存于干燥黑暗处备用。热解后制备的5种生物炭分别标记为苹果枝条(PG)、橘子枝条(JZ)、花生壳(HS)、玉米秸秆(YM)和水稻秸秆(SD)。

1.2 DOM的提取与测定

生物炭DOM提取方法[27]：用固液比(m∶V)为1∶50 的去离子水提取,于避光条件下置于恒温(25 ℃)摇床中振荡48 h,离心10 min(转速为15 000 r·min-1,离心半径为4 cm)后取上清液过0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜,将过滤液置于棕色瓶中,并在4 ℃下避光保存备用。采用总有机碳分析仪(Vario TOC,德国)测定各生物炭样品DOM的溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)含量,同时用PHS-3C pH计测定pH值。

1.3 紫外-可见吸收光谱测定与分析

采用紫外-可见分光光度计(UH5300,日本)测定生物炭样品DOM的紫外可见光光谱特征：将样品置于10 mm石英比色皿中,以超纯水为空白,以2 nm的间隔波长对 200～800 nm波长范围内进行扫描,测定其吸光度。通过紫外可见光光谱中提取的特征光谱参数进行DOM相关性质的表征：相对分子质量参数M为波长250与365 nm处吸收系数的比值,用于估算DOM的相对分子质量大小,值越高则DOM相对分子量越小[28-29];SUVA254为波长254 nm处的吸收系数与DOC浓度的比值,可用于表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物含量,SUVA254越高,腐殖质和芳香族化合物含量越高[30];SUVA260为波长260 nm处的吸收系数与DOC浓度的比值,表征疏水组分在DOM中所占比例,其值越高,表明疏水组分所占比例越高[31]。

1.4 三维荧光光谱测定与分析

采用荧光分光光度计(棱光97Pro,上海)测定生物炭样品DOM的三维荧光光谱特征。将样品置于10 mm石英比色皿中,以超纯水为空白,激发波长(Ex)的扫描范围为200～600 nm,间隔为10 nm,发射波长(Em)的扫描范围为200～600 nm,间隔为5 nm,扫描速度为48 000 nm·min-1,增益(PMT)为650 V,响应时间自动匹配。运用MATLAB 2014b运行dreem工具包对扫描所得的三维荧光光谱进行扣除空白、紫外矫正、切除散射、插值等预处理[32-33],最后采用区域积分法对三维荧光光谱的组分进行解析,并计算相关光谱参数(表1)。

表1 DOM三维荧光光谱特征参数[17,34]

三维荧光区域积分法步骤[34]：按照激发与发射波长的不同范围将荧光光谱分为5个区域,分别为区域Ⅰ(Ex/Em=220～250 nm /280～330 nm)类色氨酸区域;区域Ⅱ(Ex/Em=220～250 nm /330～380 nm)类酪氨酸区域;区域Ⅲ(Ex/Em=220～250 nm /380～550 nm)类富里酸区域;区域Ⅳ(Ex/Em=250～400 nm /280～380 nm)可溶性微生物降解产物区域;区域Ⅴ(Ex/Em=250～400 nm /380～550 nm)类胡敏酸区域。通过各区域的标准积分体积Φi,n间接表征各区域所代表的有机物质的相对含量。

Φi=∑Ex∑Em×I(λEx×λEm)×dλEx×dλEm,

(1)

Φi,n=Fi×Φi,

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中,Φi为区域i的积分体积;I(λEx×λEm)为激发与发射波长对应的荧光强度;Φi,n为区域i经过标准化处理的标准积分体积;ΦT,n为各区域标准积分体积之和;Pi,n为区域i标准积分体积占总积分体积的比例;Fi为各区域的倍增因子,为区域i积分面积与总积分面积之和比值的倒数,区域Ⅰ为20.4,区域Ⅱ为16.4,区域Ⅲ为4.81,区域Ⅳ为8.76,区域Ⅴ为1.76[34]。

1.5 傅里叶红外光谱测定与分析

采用KBr压片法进行傅里叶红外光谱测定[11]：将0.001 g冷冻干燥后的DOM样品与0.1 g KBr研磨混匀后压片,使用傅里叶红外光谱仪(FTIR850,天津)在400～4 000 cm-1波长范围内扫描,分辨率为1 cm-1,用于表征生物炭DOM的表面官能团,最后根据相应的波段分析其所属官能团。

2 结果与讨论

2.1 生物炭DOM的pH值与DOC浓度

5种生物炭样品DOM的pH值范围在7.85～9.18之间,均呈碱性,与大部分生物炭的碱性性质一致[11]。这5种生物炭中木质类生物炭pH值最高,秸秆类次之,壳类最低。通常不同原材料生物炭的pH值为秸秆类最高,木质类和壳类次之,与灰分含量成正相关[35]。YM、SD秸秆生物炭pH值范围在6.75～10.73和7.78～11.30之间,PG枝条生物炭为10.33～10.99[35-36]。该研究中木质类生物炭样品DOM的pH值最高,这可能是由于实际原材料和烧制温度不同所致。

DOC是DOM的重要表征,5种生物炭样品的DOC含量在0.95～10.29 mg·g-1之间,其中PG、JZ和HS的DOC较低,分别为1.04、0.95与0.62 mg·g-1;而SD与YM的DOC含量较高,分别为10.29与7.10 mg·g-1。据报道,木本生物炭比草本生物炭产生的DOM含量低[37],其原因是与草本原料相比,木本原料通常含有比半纤维素和纤维素更稳定的木质素[38],从而更有利于形成不溶性生物炭,降低了木本生物炭产生的DOC含量[39]。此外,研究中生物炭制备温度条件相同,可能导致木质类原料炭化不完全,有利于形成固态生物炭,从而导致其DOC含量较低[28]。

2.2 生物炭DOM的紫外-可见吸收光谱特征

PG—苹果枝条;JZ—橘子枝条;HS—花生壳;YM—玉米秸秆;SD—水稻秸秆。

生物炭DOM的紫外可见光谱特征参数如表2所示。相对分子质量参数M常用于估算DOM的相对分子质量大小,M值越小则DOM的相对分子质量越大[29]。5种生物炭DOM中,秸秆类生物炭的M值最小,木质类生物炭次之,壳类生物炭M值最大。这说明秸秆类生物炭DOM的相对分子质量明显大于木质类和壳类,这也造成不同生物炭DOM生物可利用性的差异。通常相对分子量较大的DOM更难被生物利用,说明秸秆类生物炭DOM更难被生物所利用[29]。

表2 不同原料生物炭的紫外-可见光、三维荧光光谱特征参数

PG为苹果枝条;JZ为橘子枝条;HS为花生壳;YM为玉米秸秆;SD为水稻秸秆。M为DOM相对分子质量;SUVA254表征DOM的腐殖化程度和芳香族化合物的含量;SUVA260表征疏水组分在DOM中所占比例;BIX为腐殖化指数;HIX为自生源指数。

2.3 生物炭DOM的三维荧光光谱特征

5种生物炭DOM的三维荧光光谱如图2所示。可以看出,不同DOM样品的三维荧光特性差异明显。Ⅰ区代表类色氨酸物质,其中木质类和壳类生物炭DOM样品几乎无类色氨酸物质的荧光值,而秸秆类生物炭DOM则表现出较强的荧光值,尤其是YM秸秆生物炭出现明显的荧光峰。Ⅱ区代表类酪氨酸物质,5种生物炭DOM样品的类酪氨酸物质荧光光谱表现与类色氨酸物质一致,仅秸秆类生物炭出现荧光特征,且荧光强度较低。Ⅲ区代表类富里酸物质,5种生物炭DOM样品均没有形成较明显的荧光峰。Ⅳ区代表可溶性微生物降解产物,5种生物炭DOM样品均有明显的荧光峰,且荧光强度较高,说明可溶性微生物降解产物存在于5种生物炭中。Ⅴ区代表类胡敏酸物质,5种生物炭DOM均表现出非常明显的荧光峰,且荧光强度达到最高,说明类胡敏酸物质含量在生物炭中最高。

为更好地评价5种生物炭DOM的差异性,对其各组分进行区域体积积分,分析各区域所代表的物质的变化情况,分别用类色氨酸(C1)、类酪氨酸(C2)、类富里酸(C3)、可溶性微生物降解产物(C4)和类胡敏酸(C5)表示[27]。各组分的区域积分体积含量和所占比例如图3所示。不同原料生物炭DOM的荧光组分总含量差异明显,表现为秸秆类生物炭的荧光组分含量最高,其次为木质类和壳类,各组分的区域积分体积与其荧光强度特征表现一致。各生物炭样品DOM的组分中,各物质含量表现也不同。PG、JZ与HS生物炭中C1和C2均占比最小,其中C1在0.24%～0.40%之间,C2在1.09%～1.26%之间;而SD与YM的C1组分占比为11%与15%,C2占比为4.64%与3.51%。C3组分在5种生物炭中占比均较低,介于1.53%～3.19%之间,无明显差异。C4组分占比较高,在27.73%～38.04%之间,秸秆类生物炭占比高于木质类和壳类生物炭。C5组分在所有组分中占比最大,其中木质类与壳类C5组分占比相近,PG、JZ和HS分别为66.44%、66.78%与68.43%;秸秆类相近,SD和YM分别占比42.51%与44.59%。结果表明,秸秆类生物炭DOM的荧光组分物质含量最丰富,主要以类色氨酸、可溶性微生物降解产物和类胡敏酸物质;而木质类与壳类生物炭DOM的荧光组分物质含量较低,且以可溶性微生物降解产物和类胡敏酸为主。研究发现,DOM中的类蛋白和类腐殖物质与重金属具有较强的亲和力[11,13],可见秸秆类生物炭在修复重金属污染的土壤和水体中的应用效果较其他生物炭更优。

PG—苹果枝条;JZ—橘子枝条;HS—花生壳;YM—玉米秸秆;SD—水稻秸秆。

图3 不同原料生物炭DOM三维荧光各组分含量及占比

5种生物炭DOM三维荧光光谱特征参数如表2所示。自生源指数(BIX)常用于表征DOM中的自生贡献比例,也可用于反映DOM中类蛋白物质含量及生物可利用性的高低[17,34]。5种生物炭的BIX值均小于1,表明生物炭的自生源特性不明显,生物可利用性和类蛋白比例较低,其中秸秆类生物炭BIX值较高,这也与荧光区域积分法所得结论一致。腐殖化指数(HIX)是表征DOM腐殖化程度的重要指标,HIX值越高表明腐殖化程度越高,DOM结构越复杂[23,27]。5种生物炭中木质类与壳类生物炭DOM腐殖化程度较秸秆类强,这也与紫外可见光谱中的结论一致。

2.4 生物炭DOM的傅里叶红外光谱特征

PG—苹果枝条;JZ—橘子枝条;HS—花生壳;YM—玉米秸秆;SD—水稻秸秆。

2.5 生物炭DOM不同光谱特征间相关性分析

对上述5种生物炭DOM的pH值、DOC含量、紫外-可见光谱特征参数、傅里叶红外光谱特征参数和三维荧光光谱特征参数进行相关性分析。5种生物炭DOM不同光谱特征的各种指标之间相关性差异明显。其中pH值与SUVA254和SUVA260呈显著正相关,表明其亲水性官能团较多;DOC与HIX呈显著负相关,进一步说明其DOM的腐殖化程度较低。BIX与各荧光组分具有较强的正相关关系,HIX与各荧光组分具有较强的负相关关系,表明BIX和HIX与各荧光物质的含量有关;各荧光组分之间也具有较强的相关性(R2>0.9,P<0.05),表明各种生物炭的DOM具有相似的组分且含量相对稳定;不同波段傅里叶红外光谱的相关指标之间相关性中等,部分达到显著性水平;紫外、可见光光谱总体相关性较弱,少数达到显著性水平,表明相关指标按照一定的比例维持稳定,很可能在生物炭制备的过程中影响较小或总体按比例衰减、增加。部分显著相关但总体相关性差,说明多数变量之间相互独立或者在生物炭制备过程中部分组分损失较大,导致其相关性减弱。

3 结论

通过紫外-可见光谱、三维荧光光谱和傅里叶红外光谱对同一温度条件下几种原料制备的5种生物质炭DOM的含量和光谱特征进行了综合研究,结论如下：

(1)木质类和秸秆类生物炭DOM的pH值明显高于壳类生物炭;秸秆类生物炭的溶解性有机碳(DOC)显著高于其他3种生物炭。

(2)紫外-可见光谱分析表明,5种生物炭DOM的芳香性组分含量均较少,腐殖化程度较低,亲水性组分占主导;三维荧光光谱分析表明,秸秆类生物炭DOM的荧光组分物质含量高于木质类和壳类,且各荧光组分含量占比中可溶性微生物降解产物和类胡敏酸比例最高;傅里叶红外光谱分析表明,5种生物炭DOM的光谱特征相似,均含有丰富的有机官能团(如羧基、酚羟基等)或半醌自由基等。