1.3　堆肥过程腐植酸形成影响因素

1.3.1　特定有机组分对腐植酸及其组分形成的影响

研究表明，多酚化合物、羧基、氨基酸、还原糖及多糖作为腐植酸的前体物质，在胡敏酸与富里酸形成过程中发挥重要作用^［8］。如表1-3所列，多酚与腐植酸、胡敏酸及富里酸含量呈显著负相关（P<0.05），说明多酚化合物对腐植酸的形成起到了至关重要的作用。多酚化合物是形成酚羟基的重要前体物质^［40］，因此，酚基是胡敏酸与富里酸的重要功能基团。Amir等^［41］的研究结果也可证实这一推论，在堆肥过程中胡敏酸与富里酸中酚羟基含量的增加伴随着多酚化合物的减少，充分说明在胡敏酸与富里酸形成的过程中，酚基作为逐渐形成腐植酸的基本单元聚合到其结构中，从而增加了堆肥中腐植酸的芳香性。

由表1-3可知，羧基与腐植酸含量没有显著相关性，然而与胡敏酸呈显著的负相关（P<0.01），说明在堆肥过程中羧基对胡敏酸的形成起到重要作用。羧基在堆肥过程中可被还原为羟基结合到腐植酸结构中^［42］。而羧基与富里酸呈显著的正相关（P<0.05），富里酸中含氧官能团较多，酸性较强，因此随着堆肥的进行，富里酸中羧基含量也随之增多。

氨基酸与腐植酸呈显著的负相关（P<0.05），但与胡敏酸无显著相关性（表1-3）。研究表明，在堆肥过程中形成的醌基、酚基及羧基之间会发生缩合，生成分子量更高、结构更为复杂的芳香性化合物，而这个缩合过程在存在氨基化合物时表现更为明显^［43］。而胡敏酸结构中主要以芳香性化合物为主，氨基酸对胡敏酸的形成存在一定的促进作用，但并不是形成其芳香化结构的重要基团。根据Kononova^［39］提出的生物化学聚合假说，氨基酸可以与醌基反应引起氨基乙酸的降解及芳基胺的形成，因此氨基酸中的N就被整合到腐植酸聚合体中，这对腐植酸的稳定性起到明显作用。

还原糖、多糖与堆肥中的腐植酸与胡敏酸均无显著的相关性，但与富里酸呈显著负相关（P<0.05），说明还原糖、多糖与富里酸的形成关系密切。还原糖中含有游离的醛基或酮基，均具有一定的还原性^{［43，44］}。多糖的作用与还原糖类似，在堆肥升温期，多糖与还原糖作为主要碳源被微生物降解利用，尤其在纤维素物料中^［45］，单糖是多酚形成的重要前体物质，对腐植酸碳骨架的形成起重要作用。这一结果与前文一致，充分说明富里酸的结构较胡敏酸相对简单。

从以上数据可以看出，不同有机组分对胡敏酸与富里酸的形成作用各不相同，多酚化合物、羧基、氨基酸、还原糖及多糖的不同作用会引起胡敏酸与富里酸中的化学结构变化，从而改变其电子转移能力。

1.3.2　有机组分与官能团对胡敏酸和富里酸结构形成的影响

堆肥过程中不同有机组分对胡敏酸、富里酸及腐植酸的形成存在不同的影响，致使胡敏酸与富里酸化学结构不同，为进一步研究胡敏酸与富里酸中化学结构形成规律，分别对堆肥中特定有机组分与胡敏酸、富里酸化学结构表征指标进行了相关性分析，结果见表1-3与表1-4。

从表1-3中可以看出，多酚化合物与类胡敏酸物质（C3）、¹³C-NMR3、SUVA₂₅₄呈显著负相关（P=0.006；P=0.02；P=0.003），与E₄/E₆呈显著正相关（P=0.03），说明多酚化合物参与了胡敏酸中芳香碳、酚类碳及芳香性结构的合成，证实多酚化合物是胡敏酸芳构化过程中的重要组分^［46］。多酚化合物与富里酸结构中的¹H-NMR2显著相关（P=0.002）（表1-4）。说明多糖、有机氨等化合物与多酚化合物在堆肥过程中的变化规律相同^［30］。多酚化合物与SUVA₂₉₀、¹H-HMR3呈显著负相关（P=0.002），与E₄/E₆呈正相关（P=0.003），说明多酚化合物参与了富里酸结构中醌基、苯酚及含氧、含氮杂环芳香化合物的形成，因此，对富里酸芳香化也同样起到重要作用^［47］。

羧基在胡敏酸中仅与类胡敏酸物质（C3）呈负相关（P=0.017）（表1-3），说明羧基可能是形成类胡敏酸物质（C3）组分的前体物质，然而对芳香化结构的形成无明显作用。然而羧基与富里酸中多种化学结构指标呈显著相关，包括¹H-NMR1（P=0.001）、¹H-NMR3（P=0.009）、类胡敏酸物质（C3）（P=0.017）、E₄/E₆（P=0.04）及S_R（P=0.012）（表1-4），更加充分地说明了羧基在富里酸芳香化结构形成中起到重要作用。研究表明，羧基、羰基等含氧类基团是富里酸中的重要功能基团。表1-4显示羧基与脂肪族碳呈显著正相关，而与芳香碳、酚类碳及类蛋白物质呈负相关。这是由于微生物在堆肥初期降解蛋白质类物质形成羧基与脂肪碳类物质，随堆肥进行羧基逐渐被缩合，形成富里酸中芳香碳等更为复杂的结构^［48-50］。

氨基酸与胡敏酸中¹C-NMR1、类酪氨酸类物质（C2）呈显著正相关（P=0.003；P=0.046）（表1-3），这说明胡敏酸中氨基酸的变化规律与脂肪碳、类酪氨酸的一致，均可作为形成腐植酸结构的重要基团。氨基酸还与类胡敏酸物质（C3）、SUVA₂₅₄呈显著负相关（P=0.016、P=0.025），与酚基、羧基也呈显著正相关（P=0.023、P=0.01），这更能充分地说明堆肥过程中氨基酸在胡敏酸的芳香化与腐殖化过程中起到重要作用^［51］。氨基酸与富里酸中¹H-NMR1、S_R呈显著正相关（P=0.023、P=0.01），而与¹H-NMR3、类胡敏酸物质（C3）及E₄/E₆呈显著负相关（P=0.023、P=0.016、P=0.046）（表1-4），这与胡敏酸的相关性结果类似，说明氨基酸在堆肥过程中对胡敏酸与富里酸的腐殖化存在明显的促进作用^［52］。

从表1-3可以看出，多糖与胡敏酸结构中的¹³C-NMR1呈显著负相关（P=0.026），说明在胡敏酸结构中，脂肪碳的形成主要来自多糖的降解合成；而多糖与胡敏酸芳香化指标无显著影响。在富里酸结构中，多糖仅与S_R呈显著负相关（P=0.046）（表1-4），说明多糖在富里酸芳香化过程中起到了重要作用；虽然还原糖与胡敏酸、富里酸化学结构均无显著相关性（表1-3、表1-4），但这不能说明糖类物质对胡敏酸与富里酸化学结构没有影响，糖是微生物的重要营养源，也是羧基与醛基等基团合成的重要底物，并可在堆肥过程中通过转化合成多酚类物质参与腐殖质形成^{［53，54］}。因此，尽管多糖、还原糖与腐植酸化学结构关系并不显著，但由于其参与了腐植酸形成诸多前体物的合成，对腐植酸形成数量及其芳香化程度具有重要影响^［15］。