土壤腐殖物质的固体13C核磁共振技术研究

李今今，季宏兵，2*

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院首都圈生态环境过程重点实验室，北京 100048;2.中国科学院地球化学研

究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳 550002)

土壤腐殖物质是土壤有机质的主要部分，是全球碳平衡过程中重要的碳库，是植物所需营养物质主要来源，对重金属、有机污染物的迁移转化起重要作用。腐殖物质是由一系列具有不同分子量和大量含氧官能团的大分子有机质组成的非均质深色混合物。利用腐殖物质在酸碱溶液中的溶解性，对其进行化学分组，可分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)。其中，胡敏酸溶于碱但不溶于酸，富里酸既溶于酸又溶于碱，胡敏素既不溶于酸又不溶于碱［1］。

近年来，对土壤腐殖物质的研究主要集中在元素组成、官能团含量、化学降解分析和同位素分异等方面。现阶段，对腐殖物质的官能团研究以红外光谱技术和核磁共振技术(NMR)为主。虽然红外光谱的应用广泛，但它只对研究某些官能团较有效。而核磁共振技术既可用于溶液态又可用于固态样品，在测试过程中极大地减少对样品结构的破坏。特别是对于难溶的HM样品，固体核磁共振技术是解决其研究的一大重要技术。

通过对相关文献及书籍的整理和分析，笔者对现阶段腐殖物质的固体13C核磁共振技术的研究进展进行了阐述，以期通过对固体13C NMR的分析，为土壤腐殖物质的形态结构研究提供理论依据。

1 固态13C NMR

自1963年Schnitzer和Barton首次将核磁共振技术引入土壤有机物质研究这一领域以来，该技术已在土壤、水体、泥炭、污泥和煤炭等原材料中的有机物质的组成、结构及转化等研究中获得广泛的应用［2－4］。

近年来，固体和液体的1H NMR和13C NMR都已成功地应用于腐殖物质的研究，但由于C是有机化合物的骨架，因此与1H NMR相比，13C NMR能够得到更多的结构信息，对于研究腐殖物质的结构有着十分重要的意义。而对于难溶的HM样品，固态13C NMR成为解决HM研究困难的一大重要技术。

由于13C的天然丰度很低，检测较困难，直到20世纪80年代初，固体13C NMR才被用于土壤腐殖物质的研究。此前，由于在空气中用碱液提取腐殖物质易使腐殖物质各组分发生结构上的变化，用化学方法提取腐殖物质存在一定局限性，特别是对于不溶的胡敏素几乎无法进行结构分析，因此采用固体13C NMR技术对土壤腐殖物质进行原位测试就显得十分必要。1980年Schnitzer和Barton首次将固体13C NMR用于土壤有机质的结构研究，之后又应用CP/MAS技术(交叉极化/魔角转动样品)使得波谱质量大为提高。

2 土壤腐殖物质的13C-NMR化学位移

在核磁共振技术中，13C化学位移是重要的参数。它直接反映测试物质中所含基团的情况。在一般情况下，固体13C－NMR的化学位移范围在0～250 ppm之间。除化学位移偶然重合的情况外，每个含碳基团都有自己的特征峰。

不同结构与化学环境的碳原子的化学位移基本表现为:饱和碳在较高场，炔碳次之，烯碳和芳碳在较低场，而羰基在更低场［5］。

在以往对腐殖物质的固态13C核磁共振的研究中，对所含基团所在信号区间的划分略有不同，但对不同官能团的归属基本一致，主要分为烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羧基碳和羰基碳5个不同类型碳区间。有些研究也将羧基碳与羰基碳合并为一类。一般认为，在0～100 ppm之间属于脂肪碳，包含不直接连氧、氮、氟等杂原子的饱和碳(烷基碳)和炔碳(烷氧碳)。腐殖物质中主要13C信号区间0～50、50～100、100～160、160～190、190～220 ppm的归属分别为烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羧基碳、羧基碳。

固体13C NMR与液体13C NMR的化学位移各向异性相差小于3 ppm，因此可以相互借鉴套用。Schnitzer等［4］于1974年首次测定甲基化FA的13C NMR波谱，发现在53、166 ppm处有吸收信号分别归属于－OCH3和与－OCH3相连的芳香碳。随后Vila等［6］发现，随着样品含N量的提高，50～70 ppm吸收增强，说明HA、FA中有与N相连的碳(氨基酸)。根据以往对土壤HA、FA的研究，174 ppm为COO－、－COOH和－COONH2等的吸收;101 ppm为乙缩醛的信号。对于＜60 ppm的烷基碳可以分辨出末端CH3(14.2 ppm)、β－CH2(17.8 ppm)和γ－CH2(30 ppm)3种类型的C。

综合以往的研究结果，可以将土壤腐殖物质的官能团类型与对应的化学位移分为以下几个部分，即化学位移13、20，31、40，56、76、93，101、113、126、140，153、167，178、187，202 ppm处的官能团类型分别为甲基碳、亚甲基碳、与氧相连的脂肪碳、与碳、氢相边的芳香碳、与氧相连的芳香碳、羧基碳、羧基碳［7］。

在早期用化学方法对腐殖物质的研究中，学者普遍认为腐殖物质是芳香本性的。而在固体13C NMR的研究中，几乎所有研究都检测到大量的脂族C信号，而芳香C信号较弱［8］。这表明土壤腐殖物质中相当一部分碳是以脂肪碳的形式存在。这与过去用化学方法得出的认为腐殖物质是芳香本性的推论不一致［2，8］。可知，芳香结构和脂族结构在土壤腐殖物质中都是极为重要的组分，其中脂族C含量一般较芳香碳多。

由核磁共振波谱计算得到的腐殖化指数(HI)和芳香度(fa)，可以用来评价有机质的结构特征［8－9］。Ussiri等［9－13］认为，烷基C是难以降解的稳定有机碳组分，而烷氧C则相对易分解，因此通常将HI作为土壤有机质分解程度的评价指标。腐殖化指数的计算公式如下:

腐殖化指数=烷基C(0～50)/烷氧C(50～100)

芳香度常被用来描述土壤有机质的腐殖化程度，其计算公式如下:

芳香性=芳香C(100～160)/(芳香C+烷基C+烷氧C)

文启孝等［2］列出了全土中不同形态碳的相对含量，发现全土有机质中芳香碳的含量并不高，一般仅在20%左右，主要为链烷碳和碳水化合物(烷基碳和烷氧碳)。核磁共振技术测得的fa较低，一般比化学方法低20%以上。这可能是由碱性KMnO4氧化降解的原因造成的。

Lu等［14－15］将腐殖物质在13C NMR谱图上的特征峰定义了4个比值，分别具有特殊的意义:73 ppm/105 ppm表示纤维素和木质素的相当含量;73 ppm/130 ppm表示纤维素C和芳香C的分配特征;172 ppm/130 ppm表示腐殖物质的氧化程度;56 ppm/130 ppm表示腐殖物质子的矿化程度。

3 腐殖物质中不同组分的13C-NMR

腐殖物质中的含氧官能团使其表现出离子交换性、配合性、氧化还原性及生理活性等［15］，同时含氧官能团的含量反映腐殖物质组分的氧化程度。腐殖物质中HA、FA和HM在性质上表现出一定的差异性。利用13CNMR对其组分和结构进行比对，对于腐殖物质各组分之间的形成与转化有重要的研究意义。目前，在对于腐殖物质不同组分的研究中，较多的集中在HA和FA上，而对于HM组分的研究较少，主要是由于其与无机矿物结合紧密，提取和纯化较困难造成的。

窦森等［16－18］对土壤腐殖物质不同组分进行了固体13C NMR测定，并将胡敏素细分为铁结合胡敏素(HMi)和黏粒结合胡敏素(HMc)。研究表明，4种组分出峰点一致，均在30.25、54.31、71.69、101.5、131.11、172.25 和 211.82 ppm 处表现出明显特征峰，分别代表聚亚甲基、甲氧基、碳水化合物羟基、乙缩醛、取代芳香碳、羰基碳、酰胺态碳。HA与HMi相近，芳香性和氧化程度较高，结构复杂;而HMc与FA相近，脂族性更强，结构相对简单。

不同分解程度植物残体的13C NMR的大量研究表明，随着腐殖化程度的增加，腐解产物中烷基C和羰基C的含量增加，而烷氧C含量下降。至于芳碳，不同研究人员之间得到的结果差异较大。一部分学者认为，随着腐殖化程度增加，芳碳含量也增加。但大多数研究者观察到，芳碳基本保持稳定。以往大量研究是通过核磁共振技术测定不同土壤中腐殖物质的不同组分，从而得到HA、FA和HM的结构特征相似的结果。同时，他们认为HA与HM的芳化度接近，而富里酸的芳化度低于胡敏酸。综合大量研究材料，土壤胡敏酸、富里酸的芳化度大多分别在30%～45%和10%～20%之间［2］。一些研究者报道某些土壤HA的芳化度较高，但亦在55%以下。但是，对于HA和FA芳化度的比较，以往研究中也有FA的芳化度高于HA的情况出现。这可能与样品制备、测定方法有关。所以，在FA和HA芳化度的比较中，目前尚没有一致的结果。

在FA的13C NMR谱中，普遍在74和105 ppm表现出很强的信号，表明其中碳水化合物的含量很高。据此，可以认为FA以多糖结构为主。

在提取HA、FA后的剩余残渣中灰分含量较高，因此需用HCl－HF进行处理后，得到较纯净的HM，方可进行核磁共振测试。大部分报道认为，HM与HA的谱图较为相似，但也有部分报道认为HM的谱图更接近于FA。

4 小结

在现阶段腐殖物质的研究中，固态13C核磁共振技术起至关重要的作用，但对于腐殖物质的形成、转化机理至今仍未有一套详实的解释。由于腐殖物质本身过于复杂，其研究理论存在较大分歧。基于不同的土壤形成假说，出现了不同的观点。由于腐殖物质生成机制，各组分形成顺序和转化机理存在着多种可能性。在今后的研究中，仍需进一步的探讨和详细的研究，从而对土壤发生有新的认识。

由于土壤腐殖物质的组成和结构复杂且具有变异性，腐殖物质与土壤无机组分结合的多样性，通过腐殖物质的分组及核磁共振技术仅能对腐殖物质的整体结构进行研究，对腐殖物质结构的研究仍处在探索阶段，仍需进一步的探讨。

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