黑钙土无机纳米粒子对玉米秸秆腐解形成产物的影响

【摘要】通过室内培养法研究了黑钙土B层提取出的纳米粒子对玉米秸秆残体在不同培养时期腐解形成的不同组分产物含量的变化，并采用傅里叶变换红外光谱法对产物组成进行了表征。结果表明：黑钙土纳米粒子的加入在玉米秸秆腐解培养的前期和后期皆显著降低了水溶性有机化合物（WOM）的含量，主要是减少了水溶性胡敏酸（WHA）的含量，对小分子有机化合物（WLOM）生成则有促进作用。在前期促进了碱溶性胡敏酸（AHA）和碱溶性富里酸（AFA）含量增加，在后期降低了AHA和AFA的含量。

【关键词】黑钙土无机纳米粒子玉米秸秆残体可溶性有机物红外光谱

土壤颗粒组成与有机质的转化有密切的关系，进而直接影响到土壤的结构和肥力性质。对不同粒级土壤颗粒有机质的特征研究表明[6]，随着颗粒的变小，木质素、水解类氨基酸含量降低，但木质素侧链的氧化程度增加，烷氧基碳含量增加，并且后者构成粘粒中有机碳的主要成分，同时亚甲基碳减少。纳米粒子在土壤学中还是一个陌生的名词，其是指粒径在1~100nm范围的粒子[7]。

一、实验设计与方法

1.供试作物残体及处理

供试作物残体为成熟的玉米秸秆。将秸秆剪成约20cm长的小段，在恒温干燥箱中50~70℃下烘干，用粉碎机粉碎并过1mm筛备用。

2.土壤纳米粒子的提取及配制

供试纳米粒子提取于淋溶黑钙土亚类的淀积层（B），土壤采自吉林省农安县新刘家镇。将采集的土壤风干后过0.25mm筛，按水:土=10:1加入去离子水，浸泡24小时后，进行超声和震荡处理，通过离心分离法进行纳米粒子提取，提取的纳米胶液经过透析，使其pH接近7，配成浓度为10g/L胶液备用。

二、结果与讨论

1.黑钙土纳米粒子对秸秆腐解形成可溶性有机物量的影响

分别为各培养期内黑钙土无机纳米粒子（HSNP）对秸秆腐解形成的不同水溶性和碱溶性组分的影响，其中名称后为CK的是不施纳米粒子对照处理，NP为施入纳米粒子处理。

可以看出，对水溶性有机化合物（WOM）来说，HSNP在整个培养期皆显著降低了WOM的含量，并以前期的作用最显著，其中在培养的第18天，施入HSNP的秸秆腐解生成的WOM量仅为对照的 18.6%，下降了81.39%，而在第32天、第48天和第78天分别下降了37.47%、16.77%和18.42%。但这种作用，主要是减少了水溶性胡敏酸(WHA)的含量，在四个取样期内，同对照相比，WHA的数量分别下降了88.98%、48.88%、19.79%和20.09%，而对水溶性小分子有机化合物(WLOM)生成，HSNP的加入在整个腐解过程中皆起到了促进作用，同对照相比，在四个取样期内，WLOM分别增加9.62%、10.53%、39.29%和27.55%。

2.不同腐解组分的红外光谱分析

玉米秸秆腐解形成的不同可溶性产物的红外光谱如图3~6所示。参照文献[13~15]中有关红外谱峰的归属，对不同腐解产物的动态变化分析如下，吸收强度的增减以1511 cm-1（苯环的C=C伸缩振动）475cm-1（无机矿物的Si-O变形振动）处的吸收峰强度作为参比获得。

不同培养时期WHA红外光谱分析表明，随着腐解的进行，HSNP处理秸秆腐解形成的WHA红外光谱在3314~3375cm-1、2848~3083cm-1、1515~1560cm-1和1000~1200cm-1吸收峰强度升高。3314~3375cm-1为形成氢键的羟基的伸缩振动，这部分羟基一部分为秸秆中碳水化合物(纤维素、半纤维素、淀粉及其他多糖和单糖等)的成分、另一部分为样品中含有的水分中的羟基。另外，该峰也包括氨基酸中的N-H伸缩振动的吸收。

不同培养时期生成的WLOM红外光谱分析表明，HSNP处理与对照相比，生成的WLOM在腐解的初始和末期（第18天和第78天）的红外光谱无大的变化，说明，HSNP的加入对玉米秸秆腐解初始和最终形成的WLOM的组成无大的影响，这些WLOM主要为小分子的有机酸（1721cm-1）、氨基酸化合物（3288、1560、1100~1200cm-1）和碳水化合物（2853、3447、1400~1410、1100~1200、1000~1100cm-1）。但在腐解的中期（在培养后的第48天），对照所提WLOM的光谱的复杂程度和谱峰的吸收强度要远低于施用纳米粒子的处理。这表明，HSNP的加入显著增加了WLOM的存留和抗分解能力。因此，上面对WLOM含量增加的作用，就是由于这种抗分解能力作致。

Fig.5 FTIR spectra of water soluble low molecular weight organic matters(WLOM) in different incubation time

三、结论

不同培养时期有机质腐解组分含量分析结果表明：HSNP的加入在玉米秸秆腐解培养的前期和后期皆显著降低了WOM的含量，并以前期的作用最显著。但这种作用，主要是减少了WHA的含量，对WLOM生成，HSNP的加入在整个腐解过程中皆起到了促进作用。HSNP的加入在玉米秸秆腐解培养的前期，促进了AOM含量的提高，且对AHA和AFA皆有作用，两者含量增加的幅度相近。在后期，HSNP的加入降低了AHA和AFA的含量，HSNP在后期对AHA含量降低的幅度显著大于AFA。

参考文献：

[6]Schmidt M W I and I Kogel-Knabner Organic matter in particle-size fractions from A and B horizons of a Haplic AlisolEuropean Journal of Soil Science, 2002, 53:383-391.

[7]施周，张文辉. 环境纳米技术. 北京：化学工业出版社，2003，5.

[8]李泉, 曾广赋, 席时权. 纳米粒子.化学通报[J],1995,6:29~34.

[9]巩雄, 张桂兰, 汤国庆, 陈文驹, 杨宏秀. 纳米晶体材料研究进展.化学进展,1997, 4:349.

[10]许宜名.苯酚及氯代苯酚化合物TiO2催化光致降解. 环境科学,1990,9(6):13~19.