长期定位施肥黑土富里酸与Cu(Ⅱ)配位能力的研究
2012-09-20魏自民赵富阳周宝库李艳平李书玲
魏自民,赵富阳,魏 丹,周宝库,李艳平,李书玲
(1.东北农业大学大学生命科学学院,哈尔滨 150030;2.黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境研究所,哈尔滨 150086)
长期定位施肥试验是指超过20年研究作物生产、养分循环和农业环境效应的田间试验[1]。它能克服短期培肥试验受当年环境因素影响,为探讨施入土壤中磷肥和有机肥的转化、去向、有效性、消耗和积累等提供技术条件。腐殖酸广泛存在于土壤、水和沉积物中,是一种含有多功能基的聚电解质,具有相当量的多种离子与放射性核物质[2-5]结合能力,对各种金属离子在自然界中的迁移、固定和聚集有重要作用[6]。目前已有高效液相色谱、离子选择电极、荧光光谱分析等多种研究方法[7]应用于对有机质与重金属作用的研究。由于荧光光谱法具有灵敏度高、快速、定性、定量、实验易于操作等特点,且在水溶液中浓度低条件下易被检测到,被广泛应用于腐殖酸领域的研究。国内外对于不同来源的FA分子与重金属离子间相互反应的研究报道比较多[8-10],但对经过长期定位施肥后黑土FA于Cu(Ⅱ)之间相互作用关系报道较少。本研究运用荧光光谱分析方法,对经过长期施加不同肥料的黑土中的FA与Cu(Ⅱ)的络合能力进行分析,以期研究长期施加不同肥料对黑土性质的影响。
1 材料与方法
1.1 材料
实验土壤样品于2009年5月取自黑龙江省农业科学院,试验分4个施肥处理,分别为CK、NPK(无机肥处理)、MNPK(有机无机肥混施处理)、OM(有机肥处理)。试验田2009年已达30个生长季。1980年按小麦-大豆-玉米顺序轮作,每个处理小区面积168 m2,每区8垄,垄长30 m,垄距70 cm。对小麦和玉米施肥量为:N 150 kg·hm-1,P2O575 kg·hm-1,K2O 75 kg·hm-1;对大豆施肥量为:N 75 kg·hm-1,P2O5150 kg·hm-1,K2O 75 kg·hm-1;有机肥为纯马粪,每轮作周期施一次,施于玉米茬,按氮量75 kg·hm-1(约马粪18.6 t·hm-1),以M表示。氮肥为尿素,磷肥为重过磷酸钙、磷酸氢二铵,钾肥为硫酸钾。
1.2 土壤富里酸(FA)的提取
1.2.1 腐殖质的提取
样品大约30 g用0.1 mol·L-1Na2P2O7+0.1 mol·L-1NaOH的混合液按固液比1∶5振荡(150 r·min-1)浸提24 h,0.45 μm纤维树脂滤膜,收集滤液。
1.2.2 FA的分离纯化
将1.2.1中滤液用6 mol·L-1HCl将pH调至1.0,在4℃中静置过夜后,过滤后过0.45 μm纤维树脂滤膜,得上清液及沉淀,上清液过XAD8-HP大孔吸附树脂及氢型阳离子交换树脂后,得FA组分。
1.2.3 FA与Cu(Ⅱ)配位反应平衡液制备
取8个50 mL锥形瓶,每瓶中均加入15 mg·L-1所制备滤液20 mL,分别滴加浓度为0.01 mol·L-1或0.001 mol·L-1Cu(NO3)2溶液,8 个锥形瓶中的 Cu(Ⅱ)浓度依次为0、10、20、30、40、50、60、70 μmol·L-1,使用两种浓度(0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1)的HClO4和NaOH溶液调各样品pH为8.0±0.05,加入的酸碱试剂总量不超过100 μmol,忽略浓度稀释效应,在恒温震荡器中30℃、180 r·min-1避光震荡24 h,相同温度下再避光静止4 h,待反应平衡后,进行光谱测定。
1.3 光谱学分析
1.3.1 荧光光谱测定
荧光光谱测定采用仪器为Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B。该仪器的主要性能参数如下:激发光源:150-W氙弧灯;PMT电压:700 V;信噪比>110;带通(Bandpass):Ex=10 nm;Em=10 nm;响应时间:自动;扫描光谱进行仪器自动校正。各荧光光谱的扫描参数:荧光发射光谱:发射波长扫描范围为Eem=250~750 nm,固定激发波长Eex=360 nm;荧光激发光谱:激发波长扫描范围为Eex=370~600 nm,固定发射波长Eem=560 nm;同步扫描光谱:波长扫描范围为Eex=200~600 nm,Δλ=Eem-Eex=18 nm,上述三种传统荧光光谱测定时的扫描速度均为200 nm·min-1。
1.3.2 荧光猝灭方程计算配位比例系数及表观稳定常数计算
利用修正型Stern-Volme方程[11-12]:F0/(F0-F)=1/(fK[Cu])+1/f,其中f是能与Cu离子结合的荧光基团的比例,K是络合反应的表观稳定常数,F0为初始荧光强度,F为猝灭后的荧光强度。在上式中如F0/(F0-F)与1/[Cu]成线性关系可求出表观稳定常数K和参加配位的荧光基团比例f。
2 结果与分析
2.1 FA与Cu(Ⅱ)相互作用的传统荧光光谱特性
2.1.1 发射光谱
由图1可以看出,不同处理荧光发射光谱图谱形状较为类似。但各峰强度不同,相似的荧光基团以不同比例存在于各处理FA分子中。在扫描波长范围内,随着溶液中Cu(Ⅱ)浓度升高,FA荧光强度依次下降。加入Cu(Ⅱ)后440 nm主峰未发现明显位移。低浓度Cu(Ⅱ)可明显起到对FA的荧光猝灭效应,而当Cu(Ⅱ)浓度达到一定程度时反应趋于达到平衡。与CK处理相比较施肥后低浓度的Cu(Ⅱ)更能起到对FA荧光猝灭作用,特别是M,MNPK处理在Cu(Ⅱ)浓度达到60 μmol·L-1时反应已明显接近饱和,长期定位施肥后(特别是施加M,MNPK肥)土壤FA与Cu(Ⅱ)间反应更强烈。
图1 各处理FA与Cu(Ⅱ)离子作用的发射光谱Fig.1 Emission spectrum of each FA after Cu(II)added
2.1.2 激发光谱
由图2可知,不同处理图谱形状基本相似,均在458、392 nm附近各产生一个荧光峰。392 nm处的荧光峰与木质素降解产物酚结构上的羟基有关,458 nm处荧光峰来源于苯环上的供电子基团(-OH、-NH2等),加入Cu(Ⅱ)后,392、458 nm处荧光强度剧烈下降,表明FA中的-OH、-NH2等基团与Cu(Ⅱ)发生强烈反应。低浓度Cu(Ⅱ)可对FA荧光猝灭效果,而当Cu(Ⅱ)浓度达到一定程度时反应趋于平衡。施肥后458 nm荧光峰猝灭现象较392 nm荧光峰的猝灭现象剧烈,这表明施肥后FA的偏复杂结构(苯环上的供电子基团:-OH、-NH2)与Cu(Ⅱ)间发生较强烈的反应。
2.1.3 同步扫描光谱
由图3可见,加入Cu(Ⅱ)后470、430、390 nm主峰没有发现明显的位移。低浓度Cu(Ⅱ)可明显起到对FA的荧光猝灭效应,而当Cu(Ⅱ)浓度达到一定程度时反应趋于达到平衡。Cu(Ⅱ)浓度为10 μmol·L-1时所有处理FA分子的470 nm峰下降得均较明显,当Cu(Ⅱ)浓度继续升高时施肥后的FA 470 nm峰的猝灭现象更为显著(在Cu(Ⅱ)浓度达到70 μmol·L-1时此峰趋于消失),尤其是施加MNPK肥后470 nm峰由最高峰降为最低峰,这表明施肥后(尤其是施加MNPK肥)FA分子中的偏复杂结构能与Cu(Ⅱ)发生较强烈反应。
2.2 猝灭类型的确定
静态猝灭发生于猝灭剂与荧光物质的基态分子间。静态猝灭改变了荧光物质的荧光特性而造成激发光谱的位移。加入Cu(Ⅱ)后392、458 nm主峰没有发现明显的位移,意味着Cu(Ⅱ)与FA的络合反应属于动态猝灭(见图4)。
2.3 荧光猝灭方程
表1为根据动态猝灭方程计算出的Cu(Ⅱ)与FA分子间的配位表观稳定常数及配位比例系数。
Cu(Ⅱ)与各处理FA的配位比例由高至低顺序为:MNPK(0.95)>NPK(0.93)>M(0.92)>CK(0.81),与CK相比较MNPK处理后的FA与Cu(Ⅱ)的配位比例提高了17.2%,NPK处理后的FA与Cu(Ⅱ)的配位比例提高了14.8%,M处理后的FA与Cu(Ⅱ)的配位比例提高13.6%。以上数据表明施肥(特别是施加MNPK肥)有更多Cu(Ⅱ)可结合到FA分子。
图2 各处理FA与Cu(Ⅱ)离子作用的激发光谱Fig.2 Excitation spectrum of each FA after Cu(II)added
图3 各处理FA与Cu(Ⅱ)离子作用的恒波长同步光谱Fig.3 Sy spectrum of each FA after Cu(II)added
Cu(Ⅱ)与各处理FA反应的表观稳定常数由高至低顺序为:M(0.043)>NPK(0.043)>CK(0.035)>MNPK(0.020)。与CK相比较M,NPK处理后的FA与Cu(Ⅱ)反应的表观稳定常数提高了22.8%,而MNPK处理后的FA与Cu(Ⅱ)反应的表观稳定常数降为原来的57.1%。施加M或NPK肥料均提高Cu(Ⅱ)与土壤FA分子间反应的表观稳定常数即Cu(Ⅱ)与土壤FA分子间的反应更为稳定,而当施加MNPK肥料时土壤FA与金属离子间的表观稳定常数降低。
图4 温度对FA与Cu(Ⅱ)间反应能力的影响Fig.4 Effect of temperature on the reactivity ability between FA and Cu(Ⅱ)
表1 加入离子后FA的配位比例与表观稳定常数Table1 Coordination ratio and stability constant of FA after Cu(II)added
3 结论
a.与CK处理相比较施肥后低浓度的Cu(Ⅱ)对FA荧光猝灭作用更强,特别是M、MNPK处理在Cu(Ⅱ)浓度达到60 μmol·L-1时反应已明显接近达到饱和,这意味着经长期定位施肥后(特别是施加M,MNPK肥)土壤FA与Cu(Ⅱ)间的反应更加强烈。
b.激发光谱显示施肥后458 nm荧光峰的猝灭现象较392 nm荧光峰的猝灭现象剧烈,这表明施肥后FA的偏复杂结构与Cu(Ⅱ)间发生较强烈反应。
c.同步扫描光谱显示在Cu(Ⅱ)浓度较高时施肥后的FA470 nm峰的猝灭现象更为显著(尤其是施加MNPK肥后470 nm峰由最高峰降为最低峰),这表明施肥后(尤其是施加MNPK肥)FA分子中的偏复杂结构能与Cu(Ⅱ)发生较强烈的反应。
d.施加NPK肥料即可提高FA与Cu(Ⅱ)间的配位比例系数又可提高二者间的表观稳定常数,亦表明有更多的Cu(Ⅱ)离子能够更加稳定的结合到长期施用NPK肥料后的FA分子上。
e.虽然施加MNPK肥料的FA与Cu(Ⅱ)间的配位比例系数最高,但二者间反应的表观稳定常数明显下降,这意味着施加MNPK肥料后的FA能够结合Cu(Ⅱ)的数量最多,但二者的结合并不稳定。
[1]Rasmussen Paul E,Keith W T Goulcling,James R,et al.Longterm agroecosysterm experiments:Assessing agricultural sustainability and global change[J].Science,1998,282:893-896.
[2]Takumi Saito,Luuk K Koopal,Shinya Nagasaki,et al.Electrostatic potentials of humic acid:Fluoresence quenching measurements and comparison with modal calculations[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem,Eng,Aspects,2009,347:27-32.
[3]Milne C J,Kinniburgh D G,Riemsdijk W H,et al.Generic NICADonnan model parameters for metalion binding by humic substances[J].Environ Sci Technol,2003,37:958-995.
[4]Mccarthy J F,Zachara J M,Subsurface transport of contaminantsmobile colloids in the subsurface envirment may alter the transport of contaminants[J].Environ,Sci,Technol,1989,23:496-502.
[5]Seo D J,Kin Y J,Ham S Y,et al.Characterization of dissolved organic matter in leachate discharged from final disposal sites which contained municipal solid waste incineration residues[J].Journal of Hazardous Materials,2007,148:679-692.
[6]俞天智,幐秀兰,张子瑜,等.用荧光光谱研究腐殖酸与金属离子Al3+的配合作用[J].环境化学,1999,18:3-6.
[7]Gaffney J S,Marley N A,Clark S B,Humic fulvic acids organic colloidal materials in the environment[C]//Gaffney J S,Marley N A,Clark S B.Humic and Fulvic Acids.American Chemical Society,1996,50:1-16.
[8]Christensen J B,Jensen D L,Gron Christian,et al.Characterrization of the dissolved organic carbon in landfill leachatepolluted groundwater[J].Water Res,1998,32:125-135.
[9]Hernandez D,Plaza C,Senesi N,et al.Detection of copper(Ⅱ)and zinc(Ⅱ)binding to humic acids pig slurry and amended soils by fluorescence spectroscopy[J].Environ Pollut,2006,143:212-220.
[10]Imai A,Fukushima T,Matsushige K,et al.Characterization of dissolved organic matter in effluents from wastewater treatment plants[J].Water Res,2002,36:859-870.
[11]Joaquim C G,Esteves da Silva,Adelio A S C,et al.Fluorescence quenching of anthropogenic fulvic acids by Cu(Ⅱ),Fe(Ⅲ)and UO22+[J].Talanta,1998,45:1155-1165.
[12]Buffle J.Complexation reactions in aquatic systems:An analytical approach[J].Ellis Horwood,Chichester,1985.