長期定位施肥黑土富里酸與Cu（Ⅱ）配位能力的研究

魏自民，趙富陽，魏 丹，周寶庫，李艷平，李書玲

（1.東北農業大學大學生命科學學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境研究所，哈爾濱 150086）

長期定位施肥試驗是指超過20年研究作物生產、養分循環和農業環境效應的田間試驗[1]。它能克服短期培肥試驗受當年環境因素影響，為探討施入土壤中磷肥和有機肥的轉化、去向、有效性、消耗和積累等提供技術條件。腐殖酸廣泛存在于土壤、水和沉積物中，是一種含有多功能基的聚電解質，具有相當量的多種離子與放射性核物質[2-5]結合能力，對各種金屬離子在自然界中的遷移、固定和聚集有重要作用[6]。目前已有高效液相色譜、離子選擇電極、熒光光譜分析等多種研究方法[7]應用于對有機質與重金屬作用的研究。由于熒光光譜法具有靈敏度高、快速、定性、定量、實驗易于操作等特點，且在水溶液中濃度低條件下易被檢測到，被廣泛應用于腐殖酸領域的研究。國內外對于不同來源的FA分子與重金屬離子間相互反應的研究報道比較多[8-10]，但對經過長期定位施肥后黑土FA于Cu（Ⅱ）之間相互作用關系報道較少。本研究運用熒光光譜分析方法，對經過長期施加不同肥料的黑土中的FA與Cu（Ⅱ）的絡合能力進行分析，以期研究長期施加不同肥料對黑土性質的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗土壤樣品于2009年5月取自黑龍江省農業科學院，試驗分4個施肥處理，分別為CK、NPK（無機肥處理）、MNPK（有機無機肥混施處理）、OM（有機肥處理）。試驗田2009年已達30個生長季。1980年按小麥-大豆-玉米順序輪作，每個處理小區面積168 m2，每區8壟，壟長30 m，壟距70 cm。對小麥和玉米施肥量為：N 150 kg·hm-1，P2O575 kg·hm-1，K2O 75 kg·hm-1；對大豆施肥量為：N 75 kg·hm-1，P2O5150 kg·hm-1，K2O 75 kg·hm-1；有機肥為純馬糞，每輪作周期施一次，施于玉米茬，按氮量75 kg·hm-1（約馬糞18.6 t·hm-1），以M表示。氮肥為尿素，磷肥為重過磷酸鈣、磷酸氫二銨，鉀肥為硫酸鉀。

1.2 土壤富里酸（FA）的提取

1.2.1 腐殖質的提取

樣品大約30 g用0.1 mol·L-1Na2P2O7+0.1 mol·L-1NaOH的混合液按固液比1∶5振蕩（150 r·min-1）浸提24 h，0.45 μm纖維樹脂濾膜，收集濾液。

1.2.2 FA的分離純化

將1.2.1中濾液用6 mol·L-1HCl將pH調至1.0，在4℃中靜置過夜后，過濾后過0.45 μm纖維樹脂濾膜，得上清液及沉淀，上清液過XAD8-HP大孔吸附樹脂及氫型陽離子交換樹脂后，得FA組分。

1.2.3 FA與Cu（Ⅱ）配位反應平衡液制備

取8個50 mL錐形瓶，每瓶中均加入15 mg·L-1所制備濾液20 mL，分別滴加濃度為0.01 mol·L-1或0.001 mol·L-1Cu（NO3）2溶液，8 個錐形瓶中的 Cu（Ⅱ）濃度依次為0、10、20、30、40、50、60、70 μmol·L-1，使用兩種濃度（0.1 mol·L-1和0.01 mol·L-1）的HClO4和NaOH溶液調各樣品pH為8.0±0.05，加入的酸堿試劑總量不超過100 μmol，忽略濃度稀釋效應，在恒溫震蕩器中30℃、180 r·min-1避光震蕩24 h，相同溫度下再避光靜止4 h，待反應平衡后，進行光譜測定。

1.3 光譜學分析

1.3.1 熒光光譜測定

熒光光譜測定采用儀器為Perkin Elmer Luminescence Spectrometer LS50B。該儀器的主要性能參數如下：激發光源：150-W氙弧燈；PMT電壓：700 V；信噪比＞110；帶通（Bandpass）：Ex=10 nm；Em=10 nm；響應時間：自動；掃描光譜進行儀器自動校正。各熒光光譜的掃描參數：熒光發射光譜：發射波長掃描范圍為Eem=250～750 nm，固定激發波長Eex=360 nm；熒光激發光譜：激發波長掃描范圍為Eex=370～600 nm，固定發射波長Eem=560 nm；同步掃描光譜：波長掃描范圍為Eex=200～600 nm，Δλ=Eem-Eex=18 nm，上述三種傳統熒光光譜測定時的掃描速度均為200 nm·min-1。

1.3.2 熒光猝滅方程計算配位比例系數及表觀穩定常數計算

利用修正型Stern-Volme方程[11-12]：F0/（F0-F）=1/（fK[Cu]）+1/f，其中f是能與Cu離子結合的熒光基團的比例，K是絡合反應的表觀穩定常數，F0為初始熒光強度，F為猝滅后的熒光強度。在上式中如F0/（F0-F）與1/[Cu]成線性關系可求出表觀穩定常數K和參加配位的熒光基團比例f。

2 結果與分析

2.1 FA與Cu（Ⅱ）相互作用的傳統熒光光譜特性

2.1.1 發射光譜

由圖1可以看出，不同處理熒光發射光譜圖譜形狀較為類似。但各峰強度不同，相似的熒光基團以不同比例存在于各處理FA分子中。在掃描波長范圍內，隨著溶液中Cu（Ⅱ）濃度升高，FA熒光強度依次下降。加入Cu（Ⅱ）后440 nm主峰未發現明顯位移。低濃度Cu（Ⅱ）可明顯起到對FA的熒光猝滅效應，而當Cu（Ⅱ）濃度達到一定程度時反應趨于達到平衡。與CK處理相比較施肥后低濃度的Cu（Ⅱ）更能起到對FA熒光猝滅作用，特別是M，MNPK處理在Cu（Ⅱ）濃度達到60 μmol·L-1時反應已明顯接近飽和，長期定位施肥后（特別是施加M，MNPK肥）土壤FA與Cu（Ⅱ）間反應更強烈。

圖1 各處理FA與Cu(Ⅱ)離子作用的發射光譜Fig.1 Emission spectrum of each FA after Cu(II)added

2.1.2 激發光譜

由圖2可知，不同處理圖譜形狀基本相似，均在458、392 nm附近各產生一個熒光峰。392 nm處的熒光峰與木質素降解產物酚結構上的羥基有關，458 nm處熒光峰來源于苯環上的供電子基團（-OH、-NH2等），加入Cu（Ⅱ）后，392、458 nm處熒光強度劇烈下降，表明FA中的-OH、-NH2等基團與Cu（Ⅱ）發生強烈反應。低濃度Cu（Ⅱ）可對FA熒光猝滅效果，而當Cu（Ⅱ）濃度達到一定程度時反應趨于平衡。施肥后458 nm熒光峰猝滅現象較392 nm熒光峰的猝滅現象劇烈，這表明施肥后FA的偏復雜結構（苯環上的供電子基團：-OH、-NH2）與Cu（Ⅱ）間發生較強烈的反應。

2.1.3 同步掃描光譜

由圖3可見，加入Cu（Ⅱ）后470、430、390 nm主峰沒有發現明顯的位移。低濃度Cu（Ⅱ）可明顯起到對FA的熒光猝滅效應，而當Cu（Ⅱ）濃度達到一定程度時反應趨于達到平衡。Cu（Ⅱ）濃度為10 μmol·L-1時所有處理FA分子的470 nm峰下降得均較明顯，當Cu（Ⅱ）濃度繼續升高時施肥后的FA 470 nm峰的猝滅現象更為顯著（在Cu（Ⅱ）濃度達到70 μmol·L-1時此峰趨于消失），尤其是施加MNPK肥后470 nm峰由最高峰降為最低峰，這表明施肥后（尤其是施加MNPK肥）FA分子中的偏復雜結構能與Cu（Ⅱ）發生較強烈反應。

2.2 猝滅類型的確定

靜態猝滅發生于猝滅劑與熒光物質的基態分子間。靜態猝滅改變了熒光物質的熒光特性而造成激發光譜的位移。加入Cu（Ⅱ）后392、458 nm主峰沒有發現明顯的位移，意味著Cu（Ⅱ）與FA的絡合反應屬于動態猝滅（見圖4）。

2.3 熒光猝滅方程

表1為根據動態猝滅方程計算出的Cu（Ⅱ）與FA分子間的配位表觀穩定常數及配位比例系數。

Cu（Ⅱ）與各處理FA的配位比例由高至低順序為：MNPK（0.95）＞NPK（0.93）＞M（0.92）＞CK（0.81），與CK相比較MNPK處理后的FA與Cu（Ⅱ）的配位比例提高了17.2%，NPK處理后的FA與Cu（Ⅱ）的配位比例提高了14.8%，M處理后的FA與Cu（Ⅱ）的配位比例提高13.6%。以上數據表明施肥（特別是施加MNPK肥）有更多Cu（Ⅱ）可結合到FA分子。

圖2 各處理FA與Cu(Ⅱ)離子作用的激發光譜Fig.2 Excitation spectrum of each FA after Cu(II)added

圖3 各處理FA與Cu(Ⅱ)離子作用的恒波長同步光譜Fig.3 Sy spectrum of each FA after Cu(II)added

Cu（Ⅱ）與各處理FA反應的表觀穩定常數由高至低順序為：M（0.043）＞NPK（0.043）＞CK（0.035）＞MNPK（0.020）。與CK相比較M，NPK處理后的FA與Cu（Ⅱ）反應的表觀穩定常數提高了22.8%，而MNPK處理后的FA與Cu（Ⅱ）反應的表觀穩定常數降為原來的57.1%。施加M或NPK肥料均提高Cu（Ⅱ）與土壤FA分子間反應的表觀穩定常數即Cu（Ⅱ）與土壤FA分子間的反應更為穩定，而當施加MNPK肥料時土壤FA與金屬離子間的表觀穩定常數降低。

圖4 溫度對FA與Cu(Ⅱ)間反應能力的影響Fig.4 Effect of temperature on the reactivity ability between FA and Cu(Ⅱ)

表1 加入離子后FA的配位比例與表觀穩定常數Table1 Coordination ratio and stability constant of FA after Cu(II)added

3 結論

a.與CK處理相比較施肥后低濃度的Cu（Ⅱ）對FA熒光猝滅作用更強，特別是M、MNPK處理在Cu（Ⅱ）濃度達到60 μmol·L-1時反應已明顯接近達到飽和，這意味著經長期定位施肥后（特別是施加M，MNPK肥）土壤FA與Cu（Ⅱ）間的反應更加強烈。

b.激發光譜顯示施肥后458 nm熒光峰的猝滅現象較392 nm熒光峰的猝滅現象劇烈，這表明施肥后FA的偏復雜結構與Cu（Ⅱ）間發生較強烈反應。

c.同步掃描光譜顯示在Cu（Ⅱ）濃度較高時施肥后的FA470 nm峰的猝滅現象更為顯著（尤其是施加MNPK肥后470 nm峰由最高峰降為最低峰），這表明施肥后（尤其是施加MNPK肥）FA分子中的偏復雜結構能與Cu（Ⅱ）發生較強烈的反應。

d.施加NPK肥料即可提高FA與Cu(Ⅱ)間的配位比例系數又可提高二者間的表觀穩定常數，亦表明有更多的Cu（Ⅱ）離子能夠更加穩定的結合到長期施用NPK肥料后的FA分子上。

e.雖然施加MNPK肥料的FA與Cu（Ⅱ）間的配位比例系數最高，但二者間反應的表觀穩定常數明顯下降，這意味著施加MNPK肥料后的FA能夠結合Cu（Ⅱ）的數量最多，但二者的結合并不穩定。

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