典型作物残茬磷分子形态表征

作物残茬还田对农业绿色发展和地力提升意义重大。我国作物残茬产量大，种类多，研究典型作物残茬中磷的赋存形态是预测其还田后作物有效性的前提。目前，液相磷-31核磁共振（31P-NMR）是可在分子水平上表征磷素形态的主流分析技术。而利用该技术表征作物残茬磷素形态的已有研究有限，且主要采用不同磷化合物的化学位移进行图谱解析。由于某些有机磷的峰位置相邻，其化学位移受样品pH等化学条件影响较大，导致单纯依靠文献报道进行图谱解析存在较大不确定性，并且识别出的有机磷种类偏少。该研究进行加标实验，选取典型作物残茬（玉米、小麦、水稻、大豆、花生、棉花），利用液相31P-NMR技术表征了不同部位（茎叶、谷壳和种子）磷的分子形态及其含量。研究发现，所有供试作物残茬中总磷含量均为种子＞谷壳＞茎叶。NaOH-EDTA前处理对供试作物残茬总磷有较高的提取率（73%~139%），平均105%。根据加标试验的31P-NMR图谱，供试样品中检测出的无机磷形态包括正磷酸盐、焦磷酸盐、三聚磷酸盐，有机磷包括植酸、α/β-甘油磷酸盐、单核苷酸，首次在作物残茬的正磷酸二酯组分中检测到脱氧核糖核酸；供试茎叶和谷壳中磷均以正磷酸盐为主，大约占NaOH-EDTA可提取磷的49.3%~71.6%，种子以植酸为主，占比达48.5%~82.9%；将正磷酸单酯和正磷酸二酯含量针对正磷酸二酯的降解产物进行矫正，发现作物茎叶中正磷酸二酯（17.1%~33.5%）高于正磷酸单酯（9%~13.5%），谷壳中正磷酸单酯和正磷酸二酯的百分含量分别为8.8%~23.2%及8.8%~24.6%，种子中则以正磷酸单酯为主（57.6%~82.9%）。研究结果表明，供试作物残茬尤其茎叶秸秆还田后可能释放正磷酸盐和正磷酸二酯，作为有效磷源供给后茬作物吸收。该研究为作物残茬还田及农田磷肥管理提供重要科学依据。     

外源植酸酶添加对土壤磷酸酶活性影响的荧光光谱法研究

外源植酸酶加入土壤中,能直接或者间接提高有机磷的生物有效性。但外源植酸酶添加后,对土壤本身的磷酸酶(单酯酶、二酯酶)活性会产生何种影响尚不明确。采用荧光物质为底物,将96微孔板和荧光检测法相结合,利用多功能酶标仪测定外源植酸酶(1 g/50 g干土)添加条件下红壤、棕壤以及褐土中磷酸单酯酶(酸性和碱性)和二酯酶的活性响应。结果表明,外源植酸酶添加后,酸性磷酸单酯酶活性在红壤中极显著增加(p≤0.01),而在褐土中显著降低;碱性磷酸单酯酶活性在棕壤和褐土中增加,其中在褐土中增加极显著(p≤0.01),而在红壤中显著降低;磷酸二酯酶活性在三种土壤中均不同程度地增加,其中在棕壤中增加极显著(p≤0.01);不同土壤中,培养到8天时不同酶活性亦保持增加,即红壤中的酸性磷酸单酯酶,棕壤中的磷酸二酯酶以及褐土中的碱性磷酸单酯酶分别保持活性增加,说明外源植酸酶的添加能够有效地增强土壤磷酸酶活性,这种作用不仅与土壤性质如pH和磷形态相关,并且可能与刺激微生物分泌酶量有关。运用荧光光谱法研究外源植酸酶对土壤磷酸酶活性的影响在国内外尚属首次。与传统的分光光度法相比, 微孔板荧光法是一种灵敏、准确、快速、简便的土壤磷酸酶活性关系的测定方法。     

外源植酸酶添加对土壤磷酸酶活性影响的荧光光谱法研究（英文）

外源植酸酶加入土壤中,能直接或者间接提高有机磷的生物有效性。但外源植酸酶添加后,对土壤本身的磷酸酶(单酯酶、二酯酶)活性会产生何种影响尚不明确。采用荧光物质为底物,将96微孔板和荧光检测法相结合,利用多功能酶标仪测定外源植酸酶(1g/50g干土)添加条件下红壤、棕壤以及褐土中磷酸单酯酶(酸性和碱性)和二酯酶的活性响应。结果表明,外源植酸酶添加后,酸性磷酸单酯酶活性在红壤中极显著增加(p≤0.01),而在褐土中显著降低;碱性磷酸单酯酶活性在棕壤和褐土中增加,其中在褐土中增加极显著(p≤0.01),而在红壤中显著降低;磷酸二酯酶活性在三种土壤中均不同程度地增加,其中在棕壤中增加极显著(p≤0.01);不同土壤中,培养到8天时不同酶活性亦保持增加,即红壤中的酸性磷酸单酯酶,棕壤中的磷酸二酯酶以及褐土中的碱性磷酸单酯酶分别保持活性增加,说明外源植酸酶的添加能够有效地增强土壤磷酸酶活性,这种作用不仅与土壤性质如pH和磷形态相关,并且可能与刺激微生物分泌酶量有关。运用荧光光谱法研究外源植酸酶对土壤磷酸酶活性的影响在国内外尚属首次。与传统的分光光度法相比,微孔板荧光法是一种灵敏、准确、快速、简便的土壤磷酸酶活性关系的测定方法。     

人工湿地沉积物中磷的赋存形态研究

为更好了解湿地沉积物磷循环过程,采用分级提取方法和31P-NMR技术,开展黑土洼人工湿地沉积物中磷的种类组成和赋存形态研究。结果表明,沿湿地工艺流程,磷在湿地沉积物中存在一个逐渐累积的过程,沉积物中总磷、有机磷、无机磷及有机质含量均呈现上升趋势。沉积物中的磷主要以正磷酸盐、磷酸单酯、DNA、焦磷酸盐等四种形态存在,且以正磷酸盐与磷酸单酯占主导地位,但DNA-P和焦磷酸盐在湿地磷循环中的作用不容忽视,有机磷在湿地磷循环及沉积物磷“源-汇”转化中占有重要意义。相对而言,31P-NMR技术具有样品前处理相对简单、组分分析完全等优点,该技术的推广应用,将有助于弥补以往湿地磷生物地球化学循环研究中知识缺位。     

THE 31P NMR INVESTIGATION OF PHOSPHORUS BURNS

为了明确磷烧伤创面及吸收毒性物质的化学形式及分布.作者采用\+\{31\}P NMR波谱,研究皮下注射黄磷、磷酸及磷烧伤后创面残留、肝脏及脑组织吸收的元素磷及其化合物含量.其结果皮下注射非致死与致死剂量的黄磷后,肝脏可测到元素磷的吸收,磷燃烧后创面磷绝大部分转化为磷酸及其结合物,极少部分以元素磷形式存在.致死面积的磷酸烫伤与磷烧伤后肝脏区域磷酸增加4～5倍,未检测到元素磷的波谱,各组脑组织均未检测到元素磷峰,而磷酸峰只有微小的增加.结论为磷烧烧后吸收的主要中毒物质与创面残留的主要化学物质一致,磷烧伤中毒的致死性主要是创面磷酸吸收所致.     

一种高效有机结合态磷肥的多谱学分子形态表征

当前,磷肥不合理施用引发的资源危机和环境问题日益凸显,创制新型磷肥、提高磷肥利用率是保障农业生产、环境安全及可持续发展的关键。鉴于有机结合态磷肥不易被土壤组分固定,在土壤中移动性强,作物有效性高,研发新型有机结合态磷肥有望从根本上突破并解决无机磷肥利用率低的问题。新近,新型有机结合态磷肥的研发方兴未艾,而有机结合态磷肥的赋存形态及其高效机理尚不清楚。基于多种有机结合态磷肥研制及肥效方面的研究成果,选取价格低廉、肥效稳定的淀粉基磷肥,采用液相磷-31核磁共振(P-NMR)技术、同步辐射X射线吸收近边结构谱(XANES)技术在分子层面上对其磷形态进行表征。将供试淀粉基磷肥酶解制成α-极限淀粉糊精,溶解于45%的二甲亚砜,通过液相P-NMR分析发现该磷肥中总磷含量约为5 218 mg·kg-1,与灼烧-比色法测得的结果一致;其中磷主要以有机形态赋存,正磷酸单酯占总磷比例达75.8%。正磷酸二酯含量为17.3%,而无机磷仅占总磷含量的6.9%。另外,通过指纹图谱比对,供试样品磷的K-边XANES谱与植酸磷的谱图极为相似。以上研究结果表明该淀粉基磷肥中磷以正磷酸单酯为主,为深入揭示有机结合态磷肥的高效机制提供了重要依据。     

同步辐射X射线衍射光谱在地带性土壤粘粒矿物研究中的应用

X射线衍射（XRD）光谱是分析土壤粘粒矿物组成的重要手段,但常规XRD分析存在前处理复杂、耗时较长、光谱分辨率低、扫描不充分等问题。为此,该研究依托北京同步辐射装置（BSRF）的4B9A衍射实验站,以我国东部不同气候带（即温带、亚热带、热带）的7种地带性森林土壤（棕色针叶林、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、黄壤、赤红壤和砖红壤）为研究对象,利用同步辐射X射线衍射（SR-XRD）光谱对土壤粘粒矿物组成特征进行分析。结果表明：（1）温带土壤（棕色针叶林、暗棕壤和棕壤）质地以粘壤土为主,而亚热带土壤（黄棕壤、黄壤和赤红壤）分布在粘土和粘壤土的分界线上;从亚热带到热带,土壤质地呈现出粘土→壤土→砂土的变化趋势。（2）土壤硅铝率（Sa）表现为温带土壤（5.22）>热带土壤（4.53）>亚热带土壤（4.49）;同样地,硅铝铁率（Saf）也呈现出温带土壤（4.06）>热带土壤（3.53）>亚热带土壤（3.36）的变化规律。（3）从温带到热带,土壤粘粒矿物中高岭石的含量增加、结晶度提高,而伊利石的含量则逐渐减少;温带土壤以2∶1型粘粒矿物为主,而热带土壤则以1∶1型矿物为主;在SR-XRD光谱中鉴定出了伊蒙混层、长石两种粘粒矿物的存在,而这两种矿物在常规XRD光谱中未被识别。（4）与常规XRD法相比,利用SR-XRD法分析土壤粘粒矿物组成具有以下优势：一是前处理工作量较少,常规XRD法需将粘粒样品制成不同类型的载玻片再进行测定,而SR-XRD法直接测定粘粒样品即可;二是光谱分辨率高,SR-XRD法的分辨率可达到≤100 nm,从而能够检测到更多的衍射峰;三是实验效率提高,SR-XRD法的优化扫描步长可达0.04°,比常规XRD法增加1倍,从而提高了测试效率;四是扫描辨识度增加,SR-XRD法的看光时间可优化为4 min,是常规XRD法的2倍,使得样品的扫描更加充分。     

一种脑代谢研究的有效方法——高分辨率磁共振波谱分析

介绍了一种脑代谢研究的有效方法.成年大鼠脑经漏斗法液氮冷冻,制备脑组织高氯酸提取物并冷冻干燥,所得固体溶于D2O后用¹H和³¹P磁共振波谱(MRS)检测.结果表明：脑高氯酸提取物的磁共振波谱有着极好的分辨率,³¹P MRS可以分辨出ATP、ADP、磷酸肌酸(PCr)、无机磷以及多种磷酯和糖磷;¹H MRS可以分辨出乳酸(Lac)、N-乙酰天冬氨酸(NAA)、胆碱(Cho)、肌酸(Cr)、GABA、肌醇(Ino)、琥珀酸(Suc)以及多种氨基酸.各波峰积分后得到各种物质的相对含量,而这些代谢中间产物的相对含量变化可以反应脑内的代谢状况和脑受损伤情况.     

生物炭施用对土壤磷及磷酸酶活性影响的可见和荧光光谱法研究

含碳丰富的秸秆在无氧或限氧的条件下低温热解后得到生物炭可施入土壤,有利于缓解秸秆处理压力、减少污染、减少温室气体排放,并改良土壤。在重要的农粮基地辽宁潮棕壤上布置了生物炭还田试验。玉米田施用不同量的生物炭(0,360,1 800和3 600 kg·ha-1)一个生长季后,研究土壤有效磷(P)、有机P和全P含量的变化,并采用荧光共轭物质作为测定底物,通过酶解产生荧光物质研究土壤磷酸酶活性的响应。结果表明,生物炭添加到土壤后,土壤有效P含量随生物炭施用量增加而显著升高、有机P和全P的含量没有显著的变化。其原因是生物炭携带有效P而引起的。碱性磷酸单酯酶和磷酸二酯酶活性随生物炭添加量的增加而增大,适量生物炭处理(1 800 kg·ha-1)可显著增加酸性磷酸酶,而高量生物炭处理(3 600 kg·ha-1)对酸性磷酸酶略有抑制,可能是生物炭自身的偏碱性使土壤pH值增大所致。生物炭的添加对土壤磷素和磷酸酶活性的影响是土壤物理性质、化学性质及土壤微生物群落结构和代谢能力的综合体现,需要进一步深入研究。     

生物炭施用对土壤磷及磷酸酶活性影响的可见和荧光光谱法研究（英文）

含碳丰富的秸秆在无氧或限氧的条件下低温热解后得到生物炭可施入土壤,有利于缓解秸秆处理压力、减少污染、减少温室气体排放,并改良土壤。在重要的农粮基地辽宁潮棕壤上布置了生物炭还田试验。玉米田施用不同量的生物炭(0,360,1 800和3 600 kg·ha~(-1))一个生长季后,研究土壤有效磷(P)、有机P和全P含量的变化,并采用荧光共轭物质作为测定底物,通过酶解产生荧光物质研究土壤磷酸酶活性的响应。结果表明,生物炭添加到土壤后,土壤有效P含量随生物炭施用量增加而显著升高、有机P和全P的含量没有显著的变化。其原因是生物炭携带有效P而引起的。碱性磷酸单酯酶和磷酸二酯酶活性随生物炭添加量的增加而增大,适量生物炭处理(1 800 kg·ha~(-1))可显著增加酸性磷酸酶,而高量生物炭处理(3 600 kg·ha~(-1))对酸性磷酸酶略有抑制,可能是生物炭自身的偏碱性使土壤pH值增大所致。生物炭的添加对土壤磷素和磷酸酶活性的影响是土壤物理性质、化学性质及土壤微生物群落结构和代谢能力的综合体现,需要进一步深入研究。     

同步辐射软X射线近边吸收谱方法研究长期施肥对黑土有机氮官能团的影响

有机态氮是土壤氮素的主要存在形式,在农田生态系统氮循环中占有重要地位。了解土壤有机氮官能团组成,可为制定合理的农田管理措施提供科学依据。同步辐射软X射线近边吸收谱(N K-edge XANES)技术,是原位测定土壤有机氮官能团组成最有效的方法,但利用该技术对长期施肥条件下土壤有机氮官能团组成的研究尚未见报道。本试验利用N K-edge XANES方法,研究了长期(18年)不同施肥措施[即休闲(Fallow)、不施肥(CK)、施氮磷钾化肥(NPK)、有机肥配施化肥(NPKM)、1.5倍量的有机肥配施化肥(1.5NPKM)和玉米秸秆配施化肥(NPKS)]对黑土全土及粘粒中有机氮官能团的影响。结果表明：各处理均在401.2～401.6和402.7～403.1 eV范围内出现特征吸收峰,分别归属为酰胺/胺和吡咯类化合物,粘粒中特征吸收峰通常较全土更为明显。半定量分析结果指出,全土和粘粒均以酰胺/胺的相对比例最高,是有机氮官能团的主要存在形态;与休闲处理相比,对照处理中酰胺/胺的相对比例较低,而吡咯类氮的相对比例较高;有机无机配施条件下,酰胺/胺的相对比例随有机肥量的增加而下降,而吡咯类氮的相对比例则呈相反的变化趋势;全土中以NPKS处理的酰胺/胺相对比例最高,而粘粒中则以休闲处理的腈类/芳香氮相对比例最高。利用N K-edge XANES方法原位测定不同施肥措施下土壤有机氮官能团组成的变化是可行的。     

Reference spectra of important adsorbed organic and inorganic phosphate binding forms for soil P speciation using synchrotron‐based K‐edge XANES spectroscopy

Direct speciation of soil phosphorus (P) by linear combination fitting (LCF) of P K‐edge XANES spectra requires a standard set of spectra representing all major P species supposed to be present in the investigated soil. Here, available spectra of free‐ and cation‐bound inositol hexakisphosphate (IHP), representing organic P, and of Fe, Al and Ca phosphate minerals are supplemented with spectra of adsorbed P binding forms. First, various soil constituents assumed to be potentially relevant for P sorption were compared with respect to their retention efficiency for orthophosphate and IHP at P levels typical for soils. Then, P K‐edge XANES spectra for orthophosphate and IHP retained by the most relevant constituents were acquired. The spectra were compared with each other as well as with spectra of Ca, Al or Fe orthophosphate and IHP precipitates. Orthophosphate and IHP were retained particularly efficiently by ferrihydrite, boehmite, Al‐saturated montmorillonite and Al‐saturated soil organic matter (SOM), but far less efficiently by hematite, Ca‐saturated montmorillonite and Ca‐saturated SOM. P retention by dolomite was negligible. Calcite retained a large portion of the applied IHP, but no orthophosphate. The respective P K‐edge XANES spectra of orthophosphate and IHP adsorbed to ferrihydrite, boehmite, Al‐saturated montmorillonite and Al‐saturated SOM differ from each other. They also are different from the spectra of amorphous FePO₄, amorphous or crystalline AlPO₄, Ca phosphates and free IHP. Inclusion of reference spectra of orthophosphate as well as IHP adsorbed to P‐retaining soil minerals in addition to spectra of free or cation‐bound IHP, AlPO₄, FePO₄ and Ca phosphate minerals in linear combination fitting exercises results in improved fit quality and a more realistic soil P speciation. A standard set of P K‐edge XANES spectra of the most relevant adsorbed P binding forms in soils is presented.     

Sulfur speciation in two typical soil samples using X-ray absorption near-edge structure spectroscopy and chemical fractionation

Sulfur K-edge X-ray absorption near-edge structure spectroscopy and chemical sequential extraction was respectively used to study the speciation of sulfur in two sulfur-rich soils samples. Sulfur K-edge X-ray absorption near-edge structure spectroscopy analysis obtained a variety of spectra. Spectral fitting of the X-ray absorption near-edge structure spectra utilizing a large set of model compounds showed great differences between these two sulfur-rich soil samples. It was found that both of the soil samples had high sulfur content (8.40 and 11.57?g?kg^?1, respectively). Chemical extraction results suggested that sulfur mainly existed as organic in the ancient paddy soil (7.37?g?kg^?1) and more reduced sulfur was identified in it. X-ray absorption near-edge structure spectroscopy also got similar results. These organic forms of sulfur existed in organic matter across a range of oxidation states. There was high proportion of oxidized sulfur in the sulfuric acid plant that mainly existed as sulfate.     

Phosphorus-31 NMR studies of stabilized phosphorus ylids in the solid state.

Phosphorus-31 powder NMR spectra and high-resolution MAS spectra have been obtained for a number of stabilized phosphorus ylids under conditions of high-power proton decoupling and cross-polarization. The 31P CP/MAS spectra are compared to those obtained from isotropic solutions. The variation of chemical shift anisotropy and of the principal components of the 31P chemical shift tensor determined from 31P powder NMR line shapes are discussed in terms of the relative importance of accepted valence bond resonance structures. The results indicate that the invariance of the isotropic chemical shift, delta iso, observed in previous 31P NMR investigations of phosphorus ylids in solution is due to fortuitous cancellation of opposing changes in the principal components, delta 11 and delta 33, of the 31P chemical shift tensor. The 31P dipolar NMR powder spectrum of a typical stabilized ylid, (C6H5)3(31)P-13CHC(O)OCH2CH3, is analyzed in order to obtain the orientation of the 31P chemical shift tensor with respect to the 31P-13C alpha dipolar vector.     

萃金体系第三相的产生及其谱学研究

利用^198Au示踪法研究了十四烷基二甲基苄基氯化铵从碱性氰化液中萃取金第三相的产生过程，同时用傅里叶变换红外光谱（FTIR），核磁共振（NMR），激光光散射（DLS）等方法分析了第三相形成后上下两有机相的微观结构，结果表明，随着有机相中金浓度的增大，有机相中有纳米级的聚集体形成；当金浓度继续增大时，有机相分为上下两相，有机相中的金，磷酸三丁酯（TBP）和水主要集中在下层，下层有机相有明显的水特征吸收峰，TBP的P=O伸缩振动向低频移动，核磁共振（^31P-NMR)的化学位移明显移向高场；用激光光散射技术测定了两有机相中聚集体的大小。     

棕壤与褐土刺槐林下土壤腐殖质组分的傅里叶变换红外光谱分析

森林土壤富含不同组分和功能的有机碳。该研究以棕壤和褐土45年林龄的刺槐林下表层及底层土壤为对象,研究其林下土壤腐殖酸组分在不同土壤类型和不同土层间的差异和变换。褐土和棕壤表层及底层土壤分别定义为CO和CA,BO和BA。应用傅里叶变换红外光谱对土壤腐殖质组分的富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)进行了分析。结果表明富里酸主要吸收峰为3 400 cm-1处的碳水化合物中—OH形成的氢键伸缩振动,1 655 cm-1处的芳香环CC伸缩振动,1 110 cm-1处的脂族C—OH伸缩振动。与富里酸相比,胡敏酸所含官能团与其相似,差异在于其吸收峰强度较弱。胡敏素在1 110 cm-1处的脂族C—OH伸缩振动和1 030 cm-1处多糖或类多糖物质的C—O伸缩振动较胡敏酸此处的峰吸收强度强。根据分析,表层土壤腐殖质官能团结构较底层土壤多且吸收强度强。另外,富里酸不同物质官能团数量及强度受土壤类型和土壤深度的影响较胡敏酸和胡敏素小。根据不同吸收峰对比分析发现,富里酸组分的芳化程度较强,而胡敏酸和胡敏素的芳化作用仅表层土壤程度较强。不同土壤类型胡敏酸组分分析表明,棕壤表层土壤芳族和脂肪族物质吸收强度明显高于褐土。综上,土壤类型和土层显著影响45年林龄的刺槐林下土壤腐殖质组分,尤其是胡敏酸和胡敏素组分。     

一种新的光谱参量预测黑土养分含量模型

我国东北黑土富含养分,随着土壤数字制图、精确农业和土壤资源调查等研究的深入,引入航空高光谱数据并提供科学的预测结果成为研究热点。数据源为CASI-1500航空高光谱成像系统,光谱范围380~1 050 nm,空间分辨率1.5 m。在黑龙江建三江地区采集59个土壤样本,化验获得有机质、全氮、全磷和全钾含量数据,选择eps-regression支持向量机模型,BP神经网络和PLS1最小二乘回归模型,建立光谱与含量的机器学习模型。通过评价3种模型的预测精度,选用支持向量机方法,对航空高光谱数据进行全氮、全磷和全钾的信息提取,采用神经网络方法,反演了有机质信息。研究表明：以光谱统计量、光谱特征值和光谱信息量为大类指标,所选取的18个子指标,能够反映土壤光谱的综合情况,是一种新的土壤光谱数据处理方法。有机质和全钾信息提取精度最高的算法是神经网络法,误差分别为1.21%和0.81%,而支持向量机算法在提取全氮和全磷信息时,验证样本的实测均值和预测均值完全吻合,精度最高。评价航空高光谱提取土壤养分的综合精度,有机质、全氮、全磷和全钾提取误差分别为5.25%,6.05%,2.74%和8.90%,在全磷反演中精度最高。