三维荧光光谱结合荧光区域指数分析方法评估堆肥腐熟度

评估堆肥腐熟度是确保堆肥产品质量的重要保证. 采用三维荧光光谱结合荧光区域指数分析方法快速评估菜粕和稻糠堆肥过程中的腐熟度. 结果表明:菜粕和稻糠堆肥可在16 d内完成一次发酵,其中第7～14天为高温期(>50 ℃,共8 d);随后,堆体进入降温期,第16天降至32 ℃. 堆肥初期(第0～6天)DOC(溶解性有机碳)、DON(溶解性有机氮)质量浓度和EC(电导率)先稳定在一个较低的水平;在堆肥高温期(第7～14天),ρ(DOC)、 ρ(DON)和EC则分别迅速升至10.47 mg/L、7.52 mg/L和5.76 mS/cm. 堆肥腐熟度相关指标〔即ρ(DOC)、 ρ(DON)和EC〕与FRI(荧光区域指数)方法中P_Ⅲ,n、P_Ⅴ,n、P_Ⅴ,n/P_Ⅲ,n指标的变化趋势一致,并且具有极显著相关性(R>0.942,P<0.01);而与P_Ⅰ,n变化趋势相反,也具有显著的相关性(R<-0.871,P<0.05). 因此,P_Ⅲ,n、P_Ⅴ,n、P_Ⅴ,n/P_Ⅲ,n与P_Ⅰ,n可以用于表征堆肥腐熟度.      

有机肥施用对盐渍土富里酸荧光特性的影响

为探讨有机肥长期培肥盐渍土后土壤富里酸(FA)结构组成及土壤环境的变化特征,对黑龙江西北部盐渍土壤连续5 a采取不同施肥处理,设置CK(对照)和TR1(处理1,施用有机肥8 000 kg/hm2)、TR2(处理2,施用有机肥4 000 kg/hm2及化肥N 80 kg/hm2、P₂O₅ 50 kg/hm2、K₂O 35 kg/hm2)、TR3(处理3,施用化肥N 160 kg/hm2、P₂O₅ 100 kg/hm2、K₂O 70 kg/hm2) 4个处理组,分析土壤中富里酸荧光光谱特征的变化情况. 结果表明:与CK比较,TR1、TR2处理可明显增加土壤中ρ(富里酸),增幅分别为98.24%、72.16%;二维荧光参数分析显示,各处理下富里酸腐殖化程度均表现为TR1>TR2>TR3>CK;三维荧光光谱区域积分比值分析结果进一步证实,TR1、TR2处理通过增加可见区类富里酸的荧光响应比值和减少紫外区类富里酸的荧光响应比值来提高富里酸的腐殖化程度. 根据三维荧光光谱结合平行因子分析结果,可将富里酸分为C1组分(生物可利用富里酸组分)、C2组分(陆生来源富里酸组分)及C3组分(类蛋白组分);施用有机肥主要增加C1组分的比例,其次为增加C2组分的比例,说明施用有机肥可提高盐渍土供肥能力,对盐渍土生态环境改善具有积极作用. 传统荧光图谱解析手段结合统计分析结果显示,施用有机肥可明显提高盐渍土富里酸含量并增加其腐殖化程度.      

东北典型湖库水体对铜绿微囊藻荧光特性的影响

为考察东北典型湖库水体对铜绿微囊藻(Microcystic aeruginosa)生长过程中IDOM(细胞内溶解性有机物)荧光特性的影响,在镜泊湖、兴凯湖、五大连池、松花湖和大伙房水库5个典型湖库,共10个采样点采集水样,用于铜绿微囊藻的培养,利用EEM(三维荧光光谱)技术,结合三维荧光FRI(区域体积积分)开展IDOM荧光特性的聚类分析. 结果表明:铜绿微囊藻中IDOM的主要荧光特征峰为类蛋白荧光峰(峰S和峰T),峰S荧光强度高于峰T;对IDOM的三维荧光光谱分为5个区(Ⅰ～Ⅴ区)进行区域体积积分,荧光响应值比例(P_Ⅰ+Ⅱ,n和P_Ⅳ,n)总体上呈互补趋势;Ф_T,n(总区域体积积分)表现为镜泊湖>五大连池>兴凯湖>松花湖>大伙房水库,第16天镜泊湖的Ф_T,n最大,平均值为9.76×10-5 AU·nm2/(mg/L);大伙房水库的Ф_T,n最小,平均值为3.72×10-5 AU·nm2/(mg/L). 聚类分析将10个采样点分成3类. HJ1、HJ2采样点为类别1;HX1、LD1、JS1、LD2采样点为类别2;HX2、JS2、HW2、HW1采样点为类别3,其中,类别1(镜泊湖)水体较类别2和类别3水体更适宜铜绿微囊藻的生长.      

洱海上覆水溶解性有机氮特征及其与湖泊水质关系

研究了洱海上覆水溶解性有机氮(DON)含量及空间分布,利用三维荧光和紫外光谱技术分析了其结构组分特征,探讨了DON与湖泊水质间关系.结果表明:2014年洱海上覆水DON含量在0.08~0.33mg/L之间,全年平均为0.18mg/L,时间分布为春季 > 夏季 > 秋季 > 冬季,空间分布呈南部 > 北部 > 中部的趋势,垂向分布呈中层 > 表层 > 底层的趋势.洱海上覆水DON腐殖化程度较高,取代基中羰基、羧基、羟基、酯等含量较少,主要以脂肪链为主;自生源指数(BIX)在0.84~1.19之间(平均值0.94),荧光指数FI值在1.58~1.66之间(平均值为1.63),表明洱海上覆水DON受陆源输入和内源生物代谢共同影响;另外,洱海上覆水DON主要组分为腐殖质类物质(平均61.82%),且在0~2m各荧光组分转化量最大,其类蛋白成分P_(I+II,n)始终小于20%.洱海上覆水DON和溶解性总氮(DTN)呈极显著正相关(R=0.949, P < 0.01),类蛋白物质与类腐殖质比值(P_(I+II,n)/P_(III+V,n))与TN、DTN和SRP呈显著正相关(R=0.467~0.552, P < 0.05),表明上覆水DON含量在一定程度上可以指示洱海水质状况,特别是其类蛋白物质含量能较好的指示其水质状况,即类蛋白物质含量越高,上覆水体氮磷含量越高.     

不同气氛热解生物炭可溶性有机碳的光谱特征

为探明不同气氛热解生物炭可溶性有机碳(BDOC)的性质特征,在不同热解气氛(CO₂、N₂和空气限制)和热解温度(300～750℃)下制备了一系列小麦秸秆生物炭,通过提取其BDOC并结合紫外-可见光谱和荧光光谱-平行因子分析方法对BDOC性质进行分析.热解温度为300℃时,CO₂和N₂热解生物炭释放的DOC含量高(CO₂:10.55mg/g,N₂:10.17mg/g);而热解温度为450～750℃时,空气限制热解生物炭释放的DOC含量高(0.31～2.88mg/g).生物炭释放DOC含量与生物炭的挥发性物质含量、H/C和(O+N)/C呈正相关关系.空气限制热解BDOC具有更低的分子量,更高的芳香性(SUVA₂₅₄范围:7.66～16.86),腐殖化程度(HIX范围:10.77～52.21)和类腐殖酸物质含量,而CO₂和N₂热解BDOC含有更多的类蛋白物质.此外,CO₂和N...     

不同物料堆肥腐熟度评价指标的变化特性

为探讨工厂化好氧堆肥的堆肥周期及腐熟度评价体系,提高工厂堆肥效率,选取上海地区不同来源典型的9种物料,采用工厂化工艺进行堆肥试验,对堆体的温度、含水率、pH、C/N、w(OM)、ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₃--N)、ρ(DOC)、ρ(DOC)/ρ(DON)及GI(种子发芽指数)腐熟度评价指标变化规律进行研究. 结果表明:堆肥腐熟度受多方面因素影响,T〔(C/N)终点/(C/N)起点)〕与w(OM)、ρ(NH₄+-N)、GI、ρ(DOC)/ρ(DON)之间相关性显著,T、ρ(NH₄+-N)、GI 3个指标能准确有效地判断堆肥腐熟情况,堆肥结束后T在0.50~0.59之间,ρ(NH₄+-N)为301~346 mg/L,GI为81.31%~91.03%. 不同物料堆肥腐熟难易程度不同,通过聚类分析将9种物料分为5类:第1类,厨余、杂草、生活垃圾、园林垃圾;第2类,果蔬、污泥;第3类,秸秆;第4类,鸡粪;第5类,猪粪. 厨余、杂草、生活垃圾、园林垃圾、污泥、秸秆堆肥成分复杂较难腐熟,需要35 d达到腐熟标准;鸡粪及猪粪堆肥结构简单较易腐熟,29 d即可达到腐熟标准. 据此可适当将工厂化堆肥周期缩短为35 d.      

南漪湖上覆水溶解性有机质的光谱特征

为考察南漪湖上覆水中溶解性有机质(DOM)的光谱特征与来源,采用紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)与三维荧光光谱(EEMs)为工具,并结合平行因子分析(PARAFAC)、荧光区域积分分析(FRI)、相关性分析、主成分分析与聚类分析对DOM进行定性与定量分析.结果显示,UV-Vis参数a(440)、E₂/E₃、E₃/E₄、S_R表明DOM具有腐殖化特征与自生源特征,且E₂/E₃、E₃/E₄与a(440)呈显著正相关关系(P<0.01,P<0.05),S_R与a(440)无显著相关关系(P>0.05),说明腐殖酸浓度越高则DOM相对分子量越大,但无法依据腐殖酸浓度大小判断DOM来源.根据a(440)计算获得溶解性有机碳(DOC)平均浓度为26.79mg/L,且该湖泊出口附近DOC浓度为10.15mg/L.荧光指数(β:α、FI、BIX、HIX、Fn (280)、Fn (355))显示该湖泊DOM具有腐殖化程度较低及强自生源特征,类蛋白组分(Fn (280))相对浓度的空间分布上由西向东逐渐增大,而腐殖酸类组分(Fn (355))相对浓度峰值出现在入湖口与出湖口.通过PARAFAC解析出3种组分,分别为类富里酸(C1)、类色氨酸(C2)和类腐殖酸(C3),且C1、C2、C3含量分别占总组分强度21.96%、13.36%、84.21%.FRI法分析显示类蛋白物质所占比例之和(区域I+II)为49.65%,该结果说明水体已受到了人为因素影响.通过相关性分析结果显示,C1、C3与β:α、BIX呈显著负相关系(P<0.001),C2与β:α、BIX、Fn (355)呈正相关系(P<0.001).通过主成分分析与聚类分析,南漪湖上覆水中DOM在16个位点间呈现不同特征,但整体上水体中DOM来源受内源输入影响较为显著,应加强该湖泊内源释放污染物控制与管理.     

外加葡萄糖对洱海沉积物溶解性有机质光谱特征影响

利用三维荧光光谱(3DEEM)技术,研究了外加葡萄糖对洱海沉积物中DOM(溶解性有机质)释放和转化的影响以及DOM的光谱特征变化. 培养试验设4个处理(C₁、C₂、C₃、C₄),ρ(葡萄糖)分别为0、50、100和200mg/L. 结果表明:①洱海沉积物DOM出现了6种荧光峰,分别代表类蛋白荧光物质和类富里酸荧光物质,并且荧光峰位置在1~8d呈“蓝移”现象,8~17d呈“红移”现象. ②紫外区与可见区类富里酸(峰A和峰M)随培养时间延长逐渐升高,其中C₄处理的峰A荧光强度小于C₁处理;在培养初期C₄处理的峰M荧光强度小于C₁处理,培养后期则相反. ③随着培养时间延长,上覆水中类蛋白荧光强度呈“单峰”曲线变化,其峰值均出现在培养后第8天,在整个培养过程中,类蛋白荧光强度均表现为C₄处理>C₁处理. 外加葡萄糖可促进洱海沉积物DOM转化,使部分微生物难利用的DOM转化为易被微生物利用的类酪氨酸、类色氨酸等类蛋白物质.      

北京森林土壤富里酸亚组分的表征及荧光指标分析

为探究土壤FA（富里酸）的结构组成及其腐殖化和芳香性特征,采用SFS（同步荧光光谱）技术结合FRI（荧光区域积分）、DSFS（导数荧光光谱）及PCA（主成分分析）对土壤FA亚组分的荧光光谱特征及荧光指标间的相关性进行了分析.利用XAD-8吸附树脂结合初始pH为3、5、7、9和13的Na₄P₂O₇（焦磷酸钠）缓冲溶液逐步洗脱技术将土壤FA分别分级得5种亚组分（FA₃、FA₅、FA₇、FA₉和FA₁₃）.结果表明:①FA₃-FA₁₃的SFS体现3类荧光峰,分别代表类蛋白、类富里酸和类腐殖酸物质.FA₃和FA₅含有含量相近的类蛋白、类富里酸和类腐殖酸物质,而FA₇-FA₁₃含有的主要成分是类蛋白物质;同时,FA₇-FA₁₃的类富里酸和类腐殖酸较FA₃和FA₅更为复杂,且FA₇-FA₁₃含有更多易降解的单环芳香族化合物.②FA₃和FA₅的类酪氨酸和类色氨酸物质被识别,且FA₇-FA₁₃的类色氨酸含量明显大于类富里酸和类腐殖酸含量.③FA₃-FA₁₃光谱荧光强度指标（I₂₄₀/I₃₄₀、I₂₄₀/I₄₅₀、I₃₄₀/I₂₇₀、I₄₅₀/I₂₇₀和I₄₅₀/I₃₄₀）的对比分析表明,FA₃和FA₅的腐殖化程度和芳香性均大于FA₇-FA₁₃.④荧光指标A_FLR/A、A_HLR/A、S_270-340、S_270-450、A₂/A₁和A₃/A₁可作为指示亚组分芳香性的优化指标,且A_HLR/A、A₂/A₁和A₃/A₁可作为最佳指标反映亚组分的腐殖化程度.研究显示,土壤FA亚组分的结构表征及荧光指标分析为后续FA亚组分与环境污染物相互机理研究提供依据,为探究有机质的结构特性和环境行为提供理论支撑.      

广州冬季气溶胶中水溶性有机物和类腐殖质的吸光性和荧光光谱特性

利用紫外-可见光谱与三维荧光-平行因子分析法(EEM-PARAFAC),研究了广州市2014年12月～2015年1月大气气溶胶中水溶性有机物(WSOC)和类腐殖质(HULIS)的吸光性和荧光光谱特征.结果表明,广州冬季气溶胶中HULIS的芳香性(SUVA254)、腐殖化程度(HIX)和光吸收效率(MAE365)均高于WSOC.利用EEM-PARAFAC从WSOC和HULIS解析出了类富里酸(C1)、类腐殖酸(C2)和类蛋白(C3)这3种荧光组分.其中类腐殖质组分(C1+C2)分别占WSOC和HULIS中总荧光组分的78%和85%,说明类腐殖荧光组分是WSOC和HULIS的最主要组成,且HULIS富集了更多的WSOC中主要的类腐殖组分.另外,灰霾期的WSOC和HULIS表现出更高的芳香性、腐殖化程度和C2组分,说明灰霾期有助于大分子量吸光性有机质的形成.相关性分析结果显示,WSOC和HULIS的C1组分相对含量与HIX、MAE365、OCsec、K+、SO_4~(2-)和NH_4~+呈现极显著的负相关关系,而C2与它们之间存在极显著的正相关关系.由此说明,WSOC和HULIS中C1的降低和C2的增加会引起它们的腐殖化程度和光吸收能力的增强;同时生物质燃烧排放和二次气溶胶过程可能有助于C2组分的增加.     

海拔梯度上川西高山土壤溶解性有机质(DOM)光谱特征

采用三维激发发射矩阵荧光光谱、平行因子分析（EEM-PARAFAC）和荧光区域积分方法（FRI）,研究川西高原3200~4000m高寒土壤DOM特征及其在海拔梯度上变化规律.结果表明,高寒土壤DOC含量为0.47~0.81g/kg,随着海拔梯度的升高而呈增加趋势,表层土中含量多高于亚表层土;土壤中DOM组分均呈5个组分,即芳香蛋白类物质I（酪氨酸类,Peak I）、芳香蛋白类物质II（BOD₅,Peak II）、富里酸类（Peak III）、微生物代谢产物（色氨酸类,Peak IV）和腐殖酸类（大分子腐殖酸,Peak V）;高山土壤DOM中以富里酸类有机质和腐殖酸类有机质组分为主,FRI值均随着海拔的升高而降低..川西高山土壤DOM荧光特征参数（荧光指数FI、自生源指数BIX、腐殖化指数HIX、新鲜度指数β：α）表明,土壤DOM的稳定性随着海拔升高而降低,生物有效性随着海拔升高而升高.因此,气候变暖可能将导致高海拔土壤DOM分解加剧而含量降低,但稳定性升高.     

猪粪稻秸超高温预处理促进后续堆肥腐殖化条件优化

以猪粪稻秸为原料,设计超高温预处理温度（75,85,95℃）、时间（2,4,8h）和通风量（0.3,0.6,0.9L/kgTS·h）的三因素三水平正交试验,研究不同超高温预处理条件对猪粪稻秸理化特性及后续模拟堆肥腐殖质生成的影响,结果表明,温度、时间和通气量对猪粪稻秸后续高温堆肥腐殖化系数影响各不相同,各因素对后续好氧发酵累腐殖化系数的影响大小顺序为大小顺序为预处理时间 > 温度 > 通气量;最佳超高温预处理条件为：预处理温度为95℃,停留时间为4h,通气量为0.6L/（kgTS·h）,与CK相比,最佳预处理参数下猪粪稻秸后续高温发酵60d腐殖化系数提高119%,腐殖质、胡敏酸含量分别增加105%、116%,而富里酸含量降低17.2%,结合预处理前后物料理化特性变化规律分析,表明超高温预处理促进了大分子有机物降解为可溶性有机碳,促进了木质纤维素组分降解溶出,促使其更多转化为多酚,同时增加了腐殖质前体还原糖、氨基酸的含量,从而有利于腐殖质的生成.     

水环境中秸秆源溶解有机质的组成及光化学活性特征

利用紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱和稳态光化学反应技术,对水环境中水稻和小麦秸秆短期（91d）分解释放的溶解有机质（DOM）的组成、结构和光化学活性进行了研究.结果表明：在水环境中,秸秆分解释放DOM过程可分为物理淋溶、易分解组分分解和难分解组分分解三个阶段,其中易分解组分是该分解过程中秸秆DOM的主要来源;随分解周期增长,秸秆源DOM的芳香性、腐殖化程度及分子量不断增大,而生物可利用性逐渐减小;秸秆源DOM中的类酪氨酸、类腐殖酸和类富里酸在秸秆分解过程中逐渐累积,至分解末期,3种组分在水稻和小麦秸秆DOM中的含量分别增加了4.2%~14.3%和5.9%~12.8%,而类色氨酸和溶解性微生物分泌物相对不稳定,会被逐渐分解;秸秆源DOM的紫外和荧光光谱特征指数SUVA₂₅₄、E2/E3、S_275~295、S_R、BIX和FI均与其光生HO×、¹O₂和三线态DOM间具有良好的相关关系（r > 0.61,P < 0.05）,因此秸秆源DOM的光化学活性由其芳香结构、分子量及生物可利用性共同决定.鉴于此,研究认为,探讨生物可利用组分的光化学活性,及构建光谱特征指数预测DOM光化学活性的数学模型,是今后秸秆源DOM生态环境作用研究的两项重要内容.     

强还原处理和生物炭对设施蔬菜土壤DOM数量和光谱特征的影响

土壤强还原处理（Reductive Soil Disinfestation,RSD）可以有效地修复设施蔬菜土壤的连作障碍,但实施过程中亦会引起可溶性有机质（Dissolved Organic Matter,DOM）数量和质量的变化.本研究通过培养实验,设置未修复对照（CK）、RSD修复（RSD）、生物炭修复（BC）及RSD与生物炭联合修复（RSD+BC）4个处理,对比研究不同修复处理对土壤DOM含量和光谱特征的影响.结果表明,与CK相比,RSD、BC和RSD+BC修复后土壤的DOC含量分别增加了142.9%、24.6%和127.0%;相较于RSD处理,RSD+BC处理的DOC含量显著降低（p<0.05）.土壤DOM组分以类富里酸和类腐殖酸物质为主,RSD处理增加了类腐殖酸组分,而RSD+BC处理更有利于类富里酸物质的增加.RSD、BC及二者联合修复显著增强了土壤DOM的芳香化和腐殖化程度.结构方程模型分析表明,土壤pH对DOC含量和腐殖化指数（HIX_em）产生直接正效应,土壤氧化还原电位（E_h）对DOC含量具有直接负效应,pH亦可通过影响DOC含量间接影响微生物量碳（MBC）和荧光指数（FI）.     

牛粪生物堆肥有机酸变化及对腐熟度的影响

利用外源微生物(发酵菌,EM)进行牛粪工厂化堆肥,堆肥期间,分析了小分子有机酸及大分子腐殖酸动态变化。结果表明,接种外源微生物可明显提高堆肥前期小分子有机酸含量,在堆肥后期又呈明显降低的趋势;腐殖酸呈先降低而后趋于稳定的趋势,胡敏酸呈先降低而后增加的趋势,富里酸呈一直下降的趋势。对堆肥过程中有机酸、腐殖化指数分析表明,接种外源微生物可明显提高堆肥的腐熟度,但与微生物添加量有关。