第4章 堆肥过程有机质电子转移能力的影响因素
4.1 堆肥过程有机质结构对腐植酸电子转移能力的影响
4.1.1 有机质结构对电子转移能力的影响
堆肥腐植酸电子转移能力主要受其氧化还原功能基团的影响，而在讨论腐植酸氧化还原特性时，首先涉及醌基，它是腐植酸在环境氧化还原过程中既可以作为电子供体，也能作为电子受体及电子传递体的主要作用基团［1］。但在近些年的研究中，越来越多的证据表明，能够使腐植酸发挥氧化还原特性功能的基团远远不止醌基一种基团［2，3］。Ratasuk［4］利用氧化-还原循环法测定胡敏酸与富里酸中的氧化还原功能基团，结果发现醌基并不是唯一的氧化还原功能基团，还包括非醌基团，如羧基、氨基等。因此，本节通过相关性分析，优选堆肥中对胡敏酸、富里酸电子转移能力产生显著影响的氧化还原功能基团。
堆肥胡敏酸中电子供给能力主要与13C-NMR4（P=0.014）、类酪氨酸类物质（C2）（P=0.018）及羧基（P=0.012）呈显著相关（表1-1），说明电子供给能力主要受羧基与芳香碳的影响，这与前面章节研究结论一致，含氧官能团提供电子能力更为显著。而电子接受能力则与13C-NMR3、SUVA254、A224-400及SUVA290呈显著正相关（P=0.032、P=0.047、P=0.008、P=0.000），与SR呈显著负相关（P=0.021）。再次证明电子接受能力主要与胡敏酸芳香化结构相关，包括酚类碳、醌基及其他大分子物质，其中醌为极显著影响指标，说明醌是胡敏酸中重要的接受电子基团［5］。
堆肥过程富里酸化学结构对电子转移能力的影响如表1-2所列。由表1-2可知，富里酸中电子供给能力与多酚化合物、羧基、氨基酸显著相关（P=0.038、P=0.027、P=0.008），这一结果与胡敏酸类似，供电基团多为含氧官能团。而富里酸中电子接受能力与多种化学结构的波谱学表征指标呈显著相关性，其中与1H-NMR1呈显著负相关（P=0.036），与1H-NMR3、类富里酸物质（C1）、SUVA254、E4/E6及A224-400呈显著正相关（P=0.027、P=0.041、P=0.004、P=0.006、P=0.025）。说明富里酸的电子接受能力来自芳香碳、酚类碳及类富里酸等物质，这与前面章节研究结果一致，即有机质的聚合程度越高，其电子转移能力越强。
4.1.2 微环境对有机质氧化还原功能基团的影响
堆肥过程中微环境的变化对有机质转化存在至关重要的影响［6］，因此，明确核心氧化还原功能基团的关键微环境因子，可对实现提升堆肥产品电子转移能力的微环境调控具有重要作用［7-9］。
运用Canoco for windows 5.0，对堆肥过程中微环境与胡敏酸、富里酸中氧化还原功能基团进行典型对应分析，包括胡敏酸结构中13C-NMR4、类酪氨酸类物质（C2）、羧基、13C-NMR3、SUVA254、A224-400及SUVA290与富里酸结构中多酚化合物、羧基、氨基酸、1H-NMR1、1H-NMR3、类富里酸物质（C1）、SUVA254、E4/E6及A224-400。首先对其采用DCA分析，结果表明，胡敏酸与富里酸的第一排序轴的最大梯度分别为0.289和0.704，均小于2，因此选择单峰模型冗余分析（redundancy analysis，RDA）研究堆肥过程中微环境对腐植酸关键氧化还原功能基团的影响。
RDA分析表明，第一排序轴与第二排序轴特征值分别为0.466和0.259，种类与环境因子排序轴的相关系数为0.957和0.895，充分说明本研究利用RDA分析可较好地反映环境因子与胡敏酸中关键氧化还原功能基团的响应关系。其中第一排序轴可解释46.6%的变化量，第二排序轴解释了72.4%的变化量，四个排序轴共解释了胡敏酸关键功能基团81.9%的变化量。堆肥过程微环境因子与富里酸中氧化还原功能基团的RDA分析结果显示，第一排序轴与第二排序轴的特征值分别为0.516和0.279，种类与环境因子排序轴的相关系数为0.962和0.942。同样说明本研究利用RDA分析可较好地反映环境因子与富里酸中关键氧化还原功能基团的响应关系。其中第一排序轴可解释51.6%的变化量，第二排序轴解释了79.5%的变化量，四个排序轴共解释了胡敏酸关键功能基团84.1%的变化量。
为确定胡敏酸、富里酸中关键氧化还原基团变化受哪些微环境因子显著影响，我们采用偏相关分析分别筛选这两种有机质的显著影响指标（表4-1）。偏相关分析表明，pH值、有机质、C/N、含水率及发芽率与胡敏酸中氧化还原基团呈显著相关（P<0.05）（表4-1），说明这几种微环境因子均能影响胡敏酸的电子转移能力。
表4-1 微环境与胡敏酸中的氧化还原基团的偏相关分析
非度量多维尺度分析了单个环境因子解释胡敏酸与富里酸的关键氧化还原功能基团的百分含量，结果见表4-2。对比胡敏酸与富里酸中显著性相关指标可知，含水率、有机质、C/N、发芽率是显著影响腐植酸中氧化还原功能基团的共同指标。这说明堆肥过程中腐植酸结构变化与堆肥中有机质组成成分、堆肥稳定性有密切关系。这与传统研究观点一致，首先，含水率是决定堆肥能否正常进行的必要条件，并且含水率对水溶性有机营养组分及微生物活性也产生极大的影响［10］；C/N也是微生物活性及产品质量的重要影响因素，碳源和氮素是堆肥中腐植酸结构形成的重要因素［11］；发芽率代表堆肥的稳定性与无害化，与腐植酸的电子转移存在密切关系［12］。pH值显著影响胡敏酸中氧化还原功能基团的变化，但对富里酸无显著影响，这可能是由于二者的结构差异造成的。有研究表明，不同的pH值条件会改变醌的赋存形态，从而改变有机质的氧化还原能力［13］。pH值不同可直接影响胡敏酸中酸性功能基团及碱性功能基团数量及种类变化［14］。由于富里酸pH值较低，并且主要以酸性基团为主，因此pH值变化对其中氧化还原功能基团的影响相对较弱。堆肥过程中氮素循环作用与蛋白质紧密相关，也直接影响了富里酸中氨基酸、羧基及酚基的变化［13，15］。通过富里酸的相关分析可以看出（表4-2），N
-N（硝态氮）、N
-N（氨态氮）是其显著性指标，说明N-N与N-N的变化可以影响富里酸中氧化还原功能基团的生成。
表4-2 微环境因子与富里酸中的氧化还原基团的偏相关分析
从图4-1可以进一步分析不同微环境因子与胡敏酸中氧化还原功能基团的相互关系，其中羧基位于第一象限，与N-N呈显著正相关，与N-N、发芽率呈负相关；N-N、发芽率与位于第三象限的SUVA254、A224-400及SUVA290呈正相关，这说明堆肥过程中羧基降解与硝化作用都可促进醌基与芳香碳的形成。pH值与酚羟基碳呈正相关，但与羧基碳呈负相关，这是由于羧基属于酸性碳，一定的pH值范围内，相对较低的pH值有利于羧基碳形成；酚羟基在解离后pH值呈弱碱性，范围在8～10之间［16］，达到堆肥中pH值的最高值（表4-2），因此，在堆肥过程中适当升高pH值，有利于酚羟基的生成。
图4-1 堆肥中微环境因子与胡敏酸氧化还原功能基团的RDA排序图
DOC—可溶性有机碳；DON—可溶性有机氮；N
-N—硝态氮；N
-N—氨态氮；OM—有机质；GI—发芽率
微环境因子与富里酸中氧化还原功能基团的相互关系如图4-2所示，N-N与1H-NMR1、羧基呈正相关，而与N-N、发芽率、A224-400、类富里酸物质（C1）、1H-NMR3及E4/E6呈负相关，这也能充分说明硝化作用促进了富里酸中芳香碳的形成。另外，脂肪碳、羧基可作为硝化作用中微生物的营养源，此类微生物对堆肥中氧化还原功能基团的形成也有促进作用。而有机质、C/N与N-N、发芽率、A224-400、类富里酸物质（C1）、1H-NMR3及E4/E6也呈明显的负相关，说明适当调高堆肥过程中的有机质与C/N也可促进堆肥过程中氧化还原功能基团的形成。
图4-2 堆肥中微环境因子与富里酸中氧化还原功能基团的RDA排序图
DOC—可溶性有机碳；DON—可溶性有机氮；N-N—硝态氮；N-N—氨态氮；OM—有机质；GI—发芽率