红外光谱与核磁共振在土壤有机质结构研究中的应用

张福韬　乔云发

摘要土壤有机质结构与其稳定性密切相关，可调控土壤有机质的含量和性质，对于农业生产管理和环境保护具有重要意义。由于其复杂性，至今对土壤有机质结构、变化规律的认识还不是很清楚。现已证明光谱技术是阐明物质结构的较好方法。近年来，红外光谱和核磁共振技术被广泛应用于土壤有机质结构的研究。本文通过收集阅读相关文献报道，总结了红外光谱分析和核磁共振技术应用于研究土壤有机质结构研究的现状，以期相关领域的研究者能通过综述快速了解这两种方法在研究土壤有机质结构方面的情况，进一步促进土壤有机质结构的研究。

关键词红外光谱分析；13C-核磁共振分析；土壤有机质结构；官能团；元素

中图分类号S153.6+2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）07-081-04

Application of Infrared Spectroscopy and Nuclear Magnetic Resonance in Soil Organic Matter Structure Research

ZHANG Fu-tao1，2， QIAO Yun-fa2*

（1. Northeast Institute of Geography and Agroecology， Chinese Academy of Science， Harbin， Heilongjiang 150081； 2. Graduate School， Chinese Academy of Science， Beijing 100049）

AbstractThe structure of soil organic matter is closely related to its stability， which can regulate the content and nature of soil organic matter. Thus it has great significance to agriculture management and environment protection. Up to now， it is not clear in understanding the structure of soil organic matter due to its complexity. It has been proved that spectroscopy is a optimal skill to clarify material structure. Infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance are widely applied in structure research of soil organic matter in recent years. This review concludes research status in soil organic matter structure by the two methods through reading relative literatures. The aim is to make researchers in relative field understand the research status， which could promote structure research of soil organic matter in the future.

Key wordsInfrared spectroscopy analysis； Nuclear magnetic resonance analysis； Soil organic matter structure； Functional groups； Elements

土壤有机质在维持土壤微生物、动植物正常生命活动，保持土壤肥力和缓冲性，调节环境气候方面具有重要意义[1]，而研究土壤有机质的关键在于深入了解和认识其的结构。采用化学方法、热解质谱法、同位素示踪法、固态碳13核磁共振分析法（13C-NMR）和傅里叶红外光谱分析法（FTIR）[1-2]，可以研究土壤有机质结构。传统的化学方法需先提取土壤有机质并且进行前处理，这会对其原结构产生影响[3]，而且成本高，耗费时间，在分析过程中用到的危险化学品降低了研究者的安全系数[4]。近红外光谱和核磁共振技术在研究土壤有机质结构方面具有独特的优势。通过搜集阅读相关文献，笔者总结这两种方法在土壤有机质结构方面的研究进展，主要从土壤有机质的几种主要组分结构、不同因素影响下土壤有机质结构变化几方面来陈述，以期相关领域的研究者对这两种方法研究土壤有机质结构的概况有一个整体的了解，促进土壤有机质结构的研究。

1红外光谱技术在土壤有机质结构中的研究进展

1.1红外光谱技术

红外光谱分析技术是一种利用物质有机官能团如C-H、O-H、N-H等对红外光的选择性吸收，快速测量物质中一种或几种成分含量的技术[5]，具有无破坏性、有效利用成本、样品用量少、不用危险化学品等优点[4]。红外光分为近红外光、中红外光和远红外光[5]，研究土壤有机质结构常用近红外光谱技术[6]，最初应用于土壤学方面时受到仪器和技术的限制，傅里叶近红外光谱的出现为其研究工作的顺利进行提供了技术保障[3]，现已广泛应用于农业、食品、石油化工、制药等领域[7]。许多研究者都采用红外光谱仪研究土壤营养物质含量、土壤结构、土壤性质等[8]。

1.2近红外光谱对土壤有机碳的研究

土壤有机碳是土壤有机质的重要组成部分，是评价土壤质量的一个重要指标。从前人研究看来，近红外光谱可以用来获取土壤组分信息，能快速、可靠地估测总碳、无机碳、有机碳、可用碳和不稳定性有机碳组分含量[9-10]，预测不同大小颗粒组分中的土壤有机碳[11-12]。红外光谱表明，不同粒径水稳性团聚体有机碳组成一致，只是丰度有差异。大团聚体有机碳中主要是脂肪碳、多糖碳等活性较高的碳，而稳定的芳香碳则趋向于被保护在微团聚体中[13]。不同耕作年限对稻田表层有机碳含量影响不大，随着年限的增加，0～40 cm土层和40～80 cm土层有机碳储量下降，而30～60 cm土层中有机碳有升高的趋势[14]。水稻秸秆燃烧对土壤有机碳的影响仅在土壤表层几厘米以内，随着燃烧次数的增加，土壤有机碳的减少量增加[15]。在田间使用红外光谱仪研究土壤有机碳时，土壤表面性质的空间变异（如不平整度、土壤水）会导致与土壤有机碳不相关的光谱变化，降低研究土壤有机碳的准确性[16-17]。

1.3近红外光谱对土壤腐殖质结构的研究

土壤有机质包括腐殖物质和非腐殖物质，其中腐殖物质是其主要组分。根据酸碱溶解特性和分子量特征，可分为胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）[2]。目前，对不同土壤、耕作方式、管理条件下土壤腐殖质结构的研究都较多。相对其他土壤来说，黑土HA的相对分子量较大，碳氢比和氧碳比高，羧基含量高，羧基与酚羟基的比值高，分子结构复杂[18]；黄壤HA脂肪碳含量较高，芳香结构含量较低；石灰土HA分子的脂肪碳含量较低，芳香结构和含氧官能团含量较高[19]。在不同耕作方式下，HA的含氧官能团一样，数量不一样，向土壤中添加稻草，脂肪性增强[20]。有机培肥使HA的分子量、缩合度、羧基含量和反应热下降，HA变得简单化和年轻化；施用猪粪可以增加HA的含氮量，降低酚羟基含量，而施玉米秸秆则相反[21]。土壤使用会改变腐殖酸的质量。土壤耕作表层中所减少的不稳定性腐殖酸是传统耕作的2.6倍，冬季作物轮作对不稳定性腐殖酸含量的增加有很大的影响[22]。随着耕作年限的增加，HA的芳化程度有所提高，聚合程度基本上不受影响，500和700年的水稻土脂肪族-CH2-、-CH3基团量高于100年的[23]。

土壤FA以脂肪族碳为主，主要是烷基碳和烷氧碳。随着深度的增加，免耕有利于土壤FA中羧基、羰基和酚羟基含量的增加，而甲氧基和醇羟基的含量降低，氧化程度和芳构化程度增强[20]。在过氧化物酶催化作用下，FA包含更大、更多的环芳香结构，有更高的共轭作用[24]。施入玉米秸秆后土壤中FA的羧基含量减少且逐渐由羧酸盐的形式向游离的羧基形式过渡，芳香碳的含量下降，氧化程度降低，芳香度显著下降，酰胺成分增加，脂族链烃结构成分明显增多，分子结构向更简单化的方向发展[25]。随着水稻秸秆燃烧次数的增加，FA 中芳香性成分和含脂肪族的羟基碳和C-O增加[15]。

相对HA和FA来说，对HM结构的研究较少。HM分为铁结合胡敏素（HMi）、黏粒结合胡敏素（HMc）和不溶性胡敏素（HMr）[26]。红外光谱结果表明，自然土壤中HMi、HMc的脂族性强弱顺序为风沙土>黑土>草甸土[27]，与自然土壤相比，加玉米秸秆培养后新形成HMi、HMc的脂族性强。在不同土地利用方式（桑园、水田、水杉、黑土）下，土壤胡敏素元素和功能团的组成相似，均含有较多的芳香族类不饱和物质，而相对脂肪族类物质含量较少[28]。微生物促使胡敏素的脂族-CH2-增多，真菌能增强其脂族性，并使芳香化合物增加，分子结构复杂化[29]。高氧使HMi的数量增加，有利于HMr和HMc分解；低氧有利于HMi和HMr积累；低二氧化碳也有利于HMi分解；高二氧化碳有利于HMc形成和积累，促进HMr分解[30]。

可见，对不同条件下土壤HM、FA和HM的结构都有研究。黑土相对于其他土壤腐殖质含量较高。外源物质的添加及微生物的作用增加腐殖质的脂肪结构，降低芳香性和氧化程度，而秸秆燃烧结果相反。

1.4红外光谱对土壤有机质结构变化的研究

1.4.1人为因素对土壤有机质结构的影响。土壤有机质的结构受多方面因素的影响。人为因素包括施肥、秸秆还田、作物种植方式和耕作方式对土壤有机质结构产生很大的影响。在长期不同施肥后，土壤有机质结构单元和官能团数量有较明显的变化，而碳骨架基本一致。化合物组分主要是醇和酚脂肪族化合物、芳香族化合物、碳水化合物以及有机硅化合物等[31-32]。在不同植被条件下，森林土壤结构最好，干筛土壤团聚体含有更高的土壤有机碳和不稳定性碳，植物残渣中含更高的木质素和更多疏水性团聚体与土壤中含更少土壤有机碳具有相关性[33]。在不同耕作方式下，犁地耕作形成最好的土壤结构，耙地耕作次之，钻地耕作最差，作物轮作也影响土壤结构。相对于混合轮作来说，冬季作物为主轮作形成最差的土壤结构质量[34]。因此，想在土壤贫瘠地区改善土壤肥力和环境，可以从种植植被方面考虑，并结合保护性耕作方式、合理施肥来改善土壤结构达到目的。

1.4.2自然因素对土壤有机质结构的影响。自然形成的土壤有机质结构是存在差异的，主要是数量上的差异，碳骨架以及官能团是相似的[35]。比较傅里叶红外光谱表明，砖红壤中闭塞的轻组有机质更顽固，比自由轻组更浓缩凝结。传统耕作系统的表层比免耕系统的自由轻组有更多的芳香性物质，并且表层比深层有更多的芳香性物质[36]。风蚀土壤中的粉黏粒有更高水平的脂肪族碳，能带走更高水平脂肪族碳化合物和黏土，对土壤有机质数量和质量有潜在负效应，影响农业生态系统的持续性[37]。火燃烧的严重程度对土壤有机质结构的影响不一样，中度土壤燃烧使土壤有机质大量损失，高度土壤燃烧引起土壤有机质重要质量的改变[38]。海洋土壤在海底以下7 m，SOM仍然是不稳定的，且含有约25%的蛋白质和15%的碳水化合物。随着深度的增加，到海底以下367 m时，蛋白质含量呈指数下降到13%，碳水化合物的含量线性地降低到11%，木质素和脂质的含量随着深度的增加而增加[39]。生物退化导致土壤含水层溶解性有机质芳香结构富集，并且降低含氧功能组（C=O和C-O）的含量[40]。由此可知，自然形成的不同土壤有机质结构相似，只是存在官能团、各元素含量的差异；在风蚀、水蚀和其他具破坏性自然因素的影响下，土壤有机质含量降低，结构向不利于提高土壤质量的方向变化。

2核磁共振在土壤有机质结构中的研究进展

2.1核磁共振技术概述

应用核磁共振技术研究土壤有机质已成为一种较优的选择。研究者常用1H-NMR、液态13C-NMR和固态13C-NMR来研究土壤有机质，也有少数研究者用31P-NMR和15N-NMR[41]。其中，最早使用的是1H-NMR，液态13C-NMR使用较晚[42]，固态13C-NMR到20世纪80年代才使用，样品预处理简单，可直接检测而无需用化学或其他方法提取有机物质，波谱图内涵丰富，较全面地提供土壤样品有机质成分信息[41]，因此核磁共振技术在土壤有机质研究中发挥着越来越重要的作用。

2.2核磁共振技术在土壤有机质结构方面的研究进展

黑土、红壤、黄棕壤和黄潮土腐殖酸核磁共振图谱表明，其组分中以烷氧碳含量最高，脂类碳略高于芳香碳含量[35]，胡敏酸以烷氧碳和烷基碳为主体，以芳香结构为核心，黑土胡敏酸含有较多羰基碳和芳香碳，较少的烷氧碳[43]。火燃烧引起土壤有机质烷氧基丢失，烷基、羧基结构和芳香结构增加[38]。在不同的耕作方式中，免耕增加了甲基碳含量，形成最复杂的土壤有机质结构[44]。相对于免耕和凿耕，犁耕加大了对土壤团聚体的扰动，有机质含更高的烷基碳/烷氧碳，土壤总有机碳、微生物量碳和高锰酸盐氧化碳含量减少[45]。不同植被覆盖下土壤有机质结构的不同与植被所含物质不一样有关[46]。长期施肥并未对土壤有机质的化学组成产生显著影响，但各功能集团的相对含量发生较大变化[47]。施用有机肥提高了土壤烷氧碳（甲氧基+含氮烷基碳）和羰基碳的相对含量，但降低了有机质的分解程度，而施用化肥提高了土壤烷氧碳和烷基碳的相对含量；有机肥和化肥处理均降低了芳基碳的相对含量[48]。不同团聚体中的有机质结构也存在差异，随着团聚体粒径的减小，烷基碳与烷氧碳比值逐渐提高，并且与土壤C/N呈显著负相关[49]。

综上所述，核磁共振与红外分析仪在土壤有机质结构方面的研究结果相似。土壤有机质以烷氧碳为主，其次为芳香碳，再者为烷基碳和羰基碳。在耕作方式上，核磁共振图谱表明免耕能改变土壤有机质结构而改善土壤质量，在实际生产中应避免犁耕；而红外光谱表明犁耕形成最好的土壤结构，这可能是由于试验区域环境条件不同所形成的差异。不同植被覆盖下土壤有机质结构存在差异可能是由于植被输入土壤中的有机质不同，不同施肥条件下土壤有机质的结构单元不变，只是官能团数量上有差异。

3多种方法结合研究土壤有机质结构

核磁共振技术研究土壤有机质结构有很多优势，也存在以下缺点：不同的功能组光谱峰由于重叠而不能区分开，不能区分O替代的脂肪族碳和N替代的脂肪族碳，不能区分羰基、氨基化合物、酯质碳[50]，使用成本和分析成本高[51]。红外光谱存在不适合分析含水样品，定量分析误差大、主要振动键结合、图谱解析主要靠经验等缺点[52]。所以，应用单一技术达不到理想效果。多种技术联合使用才有利于阐明土壤有机质结构[53]。固态13C-NMR结合CP技术（交叉极化技术）可以克服固体样品中13C 核灵敏度低和弛豫时间长所造成的测试费时的困难；结合MAS技术（魔角自旋技术），可以增强分辨率[26]。红外光谱结合多重校准可以直接用来定量分析样本的组成[54]。Davinic等[55]应用高温测序和中红外光谱分析技术揭示土壤微生物群落和和土壤有机质数量和质量间的关系。Wen等[56]将元素分析仪、紫外-可见光谱、傅里叶转换红外光谱和固态13C-NMR结合分析泥炭地腐殖质的各个组分，得出脂肪性大小顺序是脂质>结合腐殖酸的物质>腐殖酸>难溶性残基组分，极性大小顺序是难溶性残基组分>结合腐殖酸的物质>腐殖酸>脂质。从大量报道看来，两种或两种以上的技术结合使用能够优势互补，跨领域，从多方面展开研究，得到更多的信息和更好的研究结果。对于复杂的土壤有机质结构，多种技术联合使用是使其结构研究取得突破的关键。

4结论

用近红外光谱和核磁共振研究土壤有机质结构是可行的，现已认识到土壤有机质的主要组成元素及各自含量比例、主要的官能团种类，但是对于各元素、官能团之间的关系尚不清楚，对有机质的整体结构认识还不全面。在不同耕作方式、施肥方式、秸秆还田土壤有机质结构研究中，大多数研究只集中于定性地认识到各元素和官能团的增加或减少，定量化的研究还很少，而土壤有机质结构定量化的变化对于指导土地管理和环境保护具有重要意义，所以未来要着重定量化方面的研究。近红外光谱和核磁共振技术各自有优缺点，结合使用可以优势互补，获得更多信息，达到更好效果，促进土壤有机质结构的研究。在实际研究中，根据实验研究的实际需要，可以结合热质谱技术、元素分析技术和脉冲技术等。

43卷7期

张福韬等红外光谱与核磁共振在土壤有机质结构研究中的应用

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