基于近红外光谱技术的豆腐渣堆肥有机质含量测定

为了对堆肥过程中有机质含量进行实时动态分析,以豆腐渣作为底物辅以完全发酵的厨余垃圾粉末进行混合好氧堆肥,通过近红外光谱分析技术采集不同处理阶段堆肥样品的光谱数据,分别采用归一化法、一阶微分法和二阶微分法对原始光谱进行预处理,利用反向区间偏最小二乘法(biPLS)、联合区间偏最小二乘法(siPLS)和间隔区间偏最小二乘法(iPLS)构建近红外光谱吸光度与有机质含量之间的定量分析模型。结果显示,采用二阶微分预处理方法结合iPLS建立的模型性能最佳,第23个子区间对应的最佳特征波段为5 832~6 086 cm-1,校正集的相关系数(Rc)为0.986 1,交互验证均方根误差(RMSECV)为0.824 7,预测集的相关系数(Rp)为0.964 7,均方根误差(RMSEP)为0.445 7,相对分析误差(RPD)为3.8。结果表明所建立的模型具有良好的稳定性和可靠性,二阶微分预处理方法结合iPLS可以有效地优化光谱建模区域,提高模型预测能力,实现堆肥样品有机质含量的快速测定。

城市污泥堆肥中水溶性有机物的理化特性变化

通过透析和XAD-8树脂等方法研究了城市污泥堆肥过程中水溶性有机物(DOM)的理化特性变化.结果表明,随着堆肥的进行,堆肥DOM的浓度和pH值分别降低了58.4%和9.5%;DOM中小分子组分和亲水性组分分别减少了13.1%和9.2%,而大分子组分与疏水性组分有所增加,疏水性组分/亲水性组分由0.89增至1.29;DOM中C、H、N、S含量和C/H、C/N、C/S、C/(N+S)均呈降低趋势.这些变化趋势与堆肥过程中有机物的变化规律一致,因此,堆肥DOM的理化特性能用以表征堆肥的腐熟度.

添加矿物质对猪粪好氧堆肥中有机物降解的影响

为了探讨添加矿物材料对猪粪堆肥过程中有机物动态变化的影响,通过好氧堆肥的方式向猪粪和玉米秸秆粉混合物料中添加干质量分数为2.5%的粉煤灰、膨润土和风化煤等矿物质,用化学分析和红外光谱技术相结合的方法,对90 d好氧高温堆肥过程中有机质的动态变化特征进行了研究。结果表明:添加粉煤灰、风化煤或膨润土对猪粪堆肥的堆体温度变化均无明显影响,堆体温度能迅速升至近70℃,并维持在55℃以上超过7 d,达到高温堆肥的温度要求;随着堆肥时间的延长,各处理中总有机碳(TOC)和水溶性有机碳(WSC)含量均呈现出逐渐降低最后趋于相对稳定的趋势,但添加粉煤灰、风化煤和膨润土处理,能促进有机质的降解,促进能力依次为粉煤灰、膨润土、风化煤;添加粉煤灰、风化煤和膨润土等矿物质有利于猪粪堆肥的腐殖化过程进行,堆肥过程的雪里蕻种子萌发指数(GI)与WSC显著负相关、GI与胡敏酸的百分比(PHA)和腐殖酸聚合度(DP)显著正相关;红外光谱数据显示,在好氧堆肥过程中,含有—OH、—CH3和—CH2基团的化合物相对减少,而含有—CO、C—O—C、—COO基团和含芳香环类物质的含量逐渐增加,堆肥有机质降解可持续至60 d以后;添加粉煤灰、风化煤和膨润土会影响堆肥初期GI增加,但经过90 d好氧堆肥后,雪里蕻种子的GI均能大于0.5,所有堆肥处理均基本达到腐熟水平。

鸡粪工厂化堆肥过程中有机质含量预测模型

以148份肉鸡粪和菊花渣工厂化高温堆肥过程样品为研究对象,分别探讨了基于基本理化指标和近红外光谱预测鸡粪堆肥过程中有机质含量的可行性。根据样品中干物质含量、pH值和电导率3种理化指标与有机质含量的相关关系建立了基于理化指标预测有机质含量的一元和二元线性回归模型。结果表明,利用干物质含量预测有机质含量简便、易行且最具实际应用价值(R2=0.81,P<0.001)。采用多元线性回归、主成分回归和偏最小二乘回归3种定量分析方法分别建立了鸡粪堆肥过程有机质含量的近红外预测模型。其中,主成分回归和偏最小二乘定量分析方法所得预测模型的验证决定系数(r2)均为0.95,验证相对分析误差(RPD)均大于4.0,所建模型的预测精度较高,可用于实际检测工作。

土壤有机质含量可见-近红外光谱反演模型校正集优选方法

土壤有机质含量可见-近红外光谱反演过程中校正集的构建策略对模型的预测精度有重要影响。以江汉平原洪湖地区水稻土为研究对象,采用Kennard-Stone(KS)法,Rank-KS(RKS)和Sample set Partitioning based on joint X-Y distance(SPXY)法,构建样本数占总校正集不同比例的子校正集,通过偏最小二乘回归,建立土壤有机质含量的可见—近红外光谱反演模型。结果表明:KS法无法提高模型预测精度,但可以在保证标准差与预测均方根误差比(ratio of performance to standard deviation,RPD)>2.0的前提下减少30%的校正样本;基于SPXY法的模型,当子校正集样本比例为总校正集的50%时达到最佳的模型预测精度,RPD为2.557;RKS法能够在保证预测精度的情况下(RPD>2.0),最多减少总校正集70%的样本,对应模型RPD为2.212。当校正集与验证集的有机质含量分布相近时,能够以较少的建模样本达到与总校正集相近甚至更高的模型预测精度,提升土壤有机质光谱反演模型的实用性。

用近红外光谱分析转基因抗虫棉根际全氮和有机质含量

随着转基因植物的普及推广，人们越来越关心其生态安全性。以转基因棉花及其对照为实验材料，借助于近红外光谱仪对转基因棉花及其对照根际土壤和非根际土壤中的全氮和有机质进行了分析测定，扫描区间为12000～ 4000cm^-1，分辨率为4cm^-1，扫描次数为64次；同时用标准方法进行对比测定。结果显示近红外检测样品的结果与标准方法结果无明显差别，说明通过扫描光谱加上数学和计算机软件分析，非常准确、方便地测定了转基因作物根际土壤中的全氮和有机质。结果显示，转基因棉花根际土壤中的全氮和有机质含量显著高于对照中的含量，分析原因主要可能与转基因抗虫棉向根际土壤分泌毒蛋白所致，毒蛋白会结合在土壤颗粒上，降解较慢，增加了全氮和有机质的含量，有机质又会增加土壤微生物的繁殖，进一步增加了土壤有机质含量。

草炭溶解态有机物质与Cu^(2+)、Cd^(2+)、Pb^(2+)、Zn^(2+)络合物的红外光谱

草炭有机质提取物胡敏酸、富里酸、水溶解态有机质的红外光谱研究显示 ,三者的含氧官能团组成相似 ,但基团含量差异较大 .胡敏酸、富里酸、水溶解态有机质与金属离子 (Cu2 +、Cd2 +、Pb2 +、Zn2 + )络合物的红外光谱表明 ,除 -COOH外 ,-OH、C=O、-NH2 等官能团也参与了对金属离子的络合 。

基于EMD的土壤有机质含量近红外光谱检测

以检测土壤有机质含量为例,探讨经验模态分解在土壤近红外光谱检测中的应用,提出了应用的原理和步骤。用处理后的光谱计算了土壤中的有机质含量,并与九点平滑和小波变换方法的处理结果进行了对比分析。结果表明:与传统的九点平滑处理结果相比,SNR从3 dB左右提高到10 dB左右,原始信号与消噪信号之间的标准差由2.972降到0.901;预测集的决定系数r2由0.941 0提高到0.980 3,预测均方根误差RMSEP由0.670 2降为0.301 1。证明了经验模态分解方法在光谱处理过程中的可靠性,提高了土壤有机质含量近红外光谱的定量分析精度。

有机堆肥中作物营养元素钾的近红外光谱快速分析

对近红外光谱数据进行小波变换,利用处理后的小波系数,采用偏最小二乘法预测了有机肥料中钾离子(K+)的含量,建立了小波变换与近红外光谱技术结合用于测定奶牛粪便为主的有机堆肥产品样品中无机钾离子测定的模型。结果表明:小波变换充分提取了近红外光谱的信息,数据压缩为原始大小的3.6%,计算量大大减少;文章利用C4小波系数对48个有机肥料样本进行建模,对42个预示集样本进行预测,预示集的RMSEP(root mean square error of prediction)和r2(correlation coefficient)分别为0.113 8%和0.927,优于原始光谱直接建模的0.167 2%和0.835%。基于小波系数的模型优于传统的全谱模型,对于无机离子(K+)的测定可以取得较为准确的预测结果。

污泥堆肥前后水溶性有机物的性质变化研究

采用透析、XAD-8树脂、表面张力测定、光谱分析等方法研究了城市污泥堆肥前后产生的水溶性有机物(DOM)的理化特性变化。结果表明,在腐熟堆肥中,DOM的表面张力减小,堆肥DOM含量下降了38.6%。腐熟堆肥DOM中>8000Da大分子组分和疏水性组分含量分别增加了35.8%和10.7%,疏水性组分与亲水性组分的比值变化从0.87增至为1.34。紫外光谱和红外光谱,以及E4/E6比均表明,随着堆制的进行,污泥堆肥DOM的聚合程度增加,芳构化程度加深。

预处理条件对高含固污泥热水解有机物组分转化的影响

以城市污水处理厂含固率为10%的剩余污泥为研究对象,探讨了不同热水解预处理条件对水解效率及有机物组分的影响。结果表明,热水解温度和时间对剩余污泥水解有显著影响,COD及VSS水解率在热水解温度为160℃、时间为120 min时达到44.1%及46.9%。剩余污泥水解液的主要基团为COO—、NH3＋、NH2＋、O—H、CH3、CH2,芳香族物质可随着热水解温度和时间的进一步增加逐渐被水解。在160～180℃、60～90 min的热水解条件下,污泥中蛋白质、碳水化合物基团吸收峰峰面积最小且有机物水解效率最高。

微生物腐熟菌剂对牛粪堆肥产品中低分子量有机物的影响

利用固相微萃取—气相色谱—质谱(SPME-GC-MS)技术对奶牛粪堆肥产品中的低分子量有机物质进行了定性分类和定量分析,结果表明奶牛粪堆肥产品中含有大量的低分子量有机物质,其中低分子量有机酸多达16种,并且还含有醛、醇、酮、呋喃和吡嗪等低分子量有机物质。研究证实添加微生物腐熟菌剂的奶牛粪堆肥产品中醛类、醇类、酯类、羧酸类、呋喃类、吡啶类和含硫类等低分子有机化合物的相对含量比未添加NMF微生物腐熟菌剂分别增加6.5%、9.2%、5.7%、15.6%、9.8%、11.3%和28.6%,而酮类、脂肪族碳氢化合物的相对含量则分别减少11.4%和15.5%。添加NMF菌剂比未添加NMF菌剂的奶牛粪便堆肥产品中低分子有机化合物总量增加42.8%。为考察有机肥品质的客观指标和应用微生物调控有机肥对植物有正、负面影响的低分子有机物种类和含量提供基础资料。

红外光谱对有机废弃物堆肥的监测研究

研究了堆肥过程中红外光谱特征。在堆肥过程中,变化最大的是类脂,脂肪酸等有机质。红外光谱表征有:亚甲基伸缩振动在2 925和2 850 cm-1,C=O伸缩振动在1 640 cm-1,羧酸OH面内弯曲振动,羧酸盐COO伸缩振动以及亚甲基弯曲振动在1 430 cm-1存在吸收,强度随堆肥的酵解而下降直至平稳,羧酸C-O的或氨基类C-N的伸展振动在1 260～1 240 cm-1之间,芳香胺出现在1 320 cm-1,堆肥的后期出现硝酸盐,并在1 384 cm-1处产生特征吸收,1 640 cm-1附近的吸收峰与堆肥原料中木质素,腐殖酸和鞣质等有关,属于芳环的C=C伸缩振动。结果表明红外光谱能提供堆肥化学物质降解行为的详细信息,有利于堆肥降解过程控制和实时检测,是堆肥降解分析的有用工具。

液氨中油和有机物快速分析

研究了一种液氨中油和有机物的快速测定方法 ,采用不分光红外光谱法直接测定样品中的碳氢键含量 ,方法简便快速 ,测定结果与质量法基本一致 ,实验表明新方法准确度。

光谱法在城市污水溶解性有机物处理中的应用

文章介绍了城市污水溶解性有机物的来源、组成及其危害,简要阐述了紫外光谱、红外光谱和三维荧光光谱技术的基本原理,总结了它们在城市污水溶解性有机物处理方面的应用,展望了化学分离与化学计量学分离相结合的三维荧光分析方法在城市污水溶解性有机物定量分析方面的应用前景。

西北灌漠土长期不同施肥改变土壤可溶性有机质的化学及光谱学特性

依托在河西走廊灌漠土上开始于1988年的长期定位试验,利用紫外-可见光谱、红外光谱、元素分析等方法研究了不同施肥处理下土壤可溶性有机质(DOM)的变化。试验设施用有机肥、绿肥、化肥和不施肥对照4个处理。结果表明,施肥增加DOM的含量,相比对照处理,有机肥处理、绿肥处理、化肥处理的可溶性有机碳(DOC)分别增加37%,29%,16%,可溶性有机氮(DON)分别增加334%,257%,182%,总碳水化合碳(TCs)分别增加90%,25%,2%,总有机酸碳(TOAs)分别增加195%,116%,58%。有机肥处理各指标比对照处理均差异显著,除TCs外绿肥处理、化肥处理的其他指标也比对照处理差异显著。紫外-可见光谱结果,施肥提高了DOM的紫外吸收特征值SUVA_(254),SUVA_(260),SUVA_(272),SUVA_(280),表明施肥增加了DOM的芳香及疏水部分比例、腐殖化程度、平均分子量,使DOM更趋于稳定。不同施肥处理间表现出相当一致的规律,有机肥效果最为明显,其次是绿肥、化肥。红外光谱分析结果,有机肥处理相对于其他处理芳香族特征峰从1 625cm^(-1)处向近红外方向移动出现在1 649cm^(-1)处,接近土壤胡敏酸芳香族特征峰(1650cm^(-1)),说明有机肥处理土壤DOM的芳香性更高。绿肥处理在归属于糖、醇类及羧酸物质C—O伸缩振动的1 260~1 000cm^(-1)吸收峰高于其他处理,说明绿肥处理增加了土壤DOM的富氧基团类物质。化肥处理在归属于N—H振动的3 559,3 419和1 456cm^(-1)吸收峰高于其他处理,表明化肥增加了土壤DOM的胺类物质。元素分析结果显示有机肥、绿肥、化肥分别增加了C,O,N的相对含量。

基于电化学方法研究猪粪堆肥过程溶解性有机物电子转移能力演变规律

堆肥水溶性有机物(Dissolved organic matter,DOM)是堆肥有机质中最活跃的部分,而具有氧化还原能力的官能团使得DOM能够作为电子穿梭体促进微生物与电子受体间的电子传递。本研究提取了8个不同阶段堆肥样品的DOM,利用电化学方法,以2,2'-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺胺)二铵盐(ABTS)和敌草快农药(DQ)作为介导剂,工作电压设为0.61 V/^-0.49 V,分别测定电子供给能力(Electron donating capacity,EDC)和电子接受能力(Electron accepting capacity,EAC)。同时结合三维荧光光谱、红外光谱和元素分析等方法阐明DOM结构组分变化,并探讨其变化对电子转移能力的影响。结果表明,堆肥DOM的EDC从堆肥1 d的16.850μmol e^-/(g C)增加至43 d的22.077μmol e^-/(g C),EAC从堆肥1 d的1.866μmol e^-/(g C)降至43 d的1.779μmol e^-/(g C)。三维荧光光谱分析结果表明,在堆肥过程中类腐殖质组分含量逐渐增多,类蛋白组分逐渐减少,表明堆肥过程类腐殖质组分的形成对DOM的ETC起重要的贡献作用。红外光谱显示堆肥过程中DOM含量较高的羟基和羧基变化不显著,对电子转移能力无明显贡献。元素分析结果表明,DOM中氧元素含量随着堆肥进行而增加,含硫基团是电子转移能力的贡献基团。

亚热带地区3种典型林分土壤DOM数量及光谱特征

可溶性有机质(DOM)是土壤有机质库中最为活跃的部分,也是土壤有机库中对环境变化最敏感的部分,它参与了有机质在土壤中的腐殖化和微生物的新陈代谢等一系列生物地球化学过程。因此,在调节土壤养分周转和森林生态系统碳氮循环过程中起到重要的桥梁作用。采用水浸提法,结合紫外-可见光谱、荧光光谱、傅里叶红外光谱等技术,探讨了亚热带米槠人促林(AR)、米槠次生林(SF)、杉木人工林(CF)的土壤DOM的数量和光谱特征,以期深入评价森林转换对不同林分土壤肥力及其养分有效性的影响。结果表明:各林分A层土壤DOC、DON浓度均高于B层。B层土壤中,米槠人促林的DOC浓度显著低于其他2种林分(P<0.05),而各林分A层土壤的DOC和DON浓度并无显著差异。各林分A、B层土壤DOM的芳香化指数无显著差异。米槠次生林A层土壤DOM的荧光发射光谱腐殖化指数(HIXem)、荧光效率(Feff)显著高于其他2种林分(P<0.05),其HIXem分别是米槠人促林、杉木人工林的1.3、1.2倍,其Feff分别是米槠人促林、杉木人工林的2.7、2.5倍。三维荧光光谱表明,各林分A层土壤DOM主要以类腐殖酸物质为主;B层土壤中,米槠人促林和杉木人工林以类蛋白物质为主。各林分土壤的荧光指数(FI)均大于1.4,且B层土壤DOM的鲜度指数(β∶α)均高于A层。傅里叶红外光谱表明,米槠人促林土壤DOM没有羧酸的吸收,土壤pH最高;而米槠次生林土壤羧酸的相对含量最高;杉木林土壤DOC含量少,芳香化合物、羧酸等难分解物质相对富集。综合来看,除了建群树种的影响外,林下植被对土壤肥力的作用也很突出。

湖泊底泥好氧堆肥过程中溶解性有机物的转化规律

为探究湖泊底泥好氧堆肥过程中溶解性有机物(DOM)的组成和转化规律,采用紫外、荧光光谱并结合傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)技术,对不同堆肥时间的底泥中DOM的分子结构进行了表征分析。光谱学结果表明:随着堆肥时间的延长,底泥样品中DOM的含共轭苯环结构和显色基团的组分含量均在增加,含有不饱和结构的组分中π→π~*跃迁更为活跃;底泥样品中DOM的腐殖化指数(HIX)不断增大,氢碳比减少,平均芳香性指数增大,由此说明堆肥底泥中DOM的芳构化程度和腐殖化程度提高;底泥样品中DOM的荧光指数(FI)在0.7~0.9之间,生物源指数(BIX)在0.7~1.0之间,表明其来源受微生物活动的影响显著;此外,底泥样品中蛋白类物质被分解转化为腐殖酸和富里酸类物质,且富里酸类物质成为DOM中的主要部分;FT-ICR MS则从分子层面说明堆肥底泥中DOM的脂肪族/蛋白质类化合物会向木质素/富羧基脂环分子类化合物转变。

可见-近红外光谱原位估测土壤有机质含量中测试点和采样位置导致的误差分析

由于土壤的非均质性,同一样品的多个光谱测试点位置之间以及同一土壤发生层的多个样品之间,均存在着不同程度的光谱差异,进而导致光谱估测的土壤属性具有误差。截至目前,还没有揭示这种误差的研究报道。在我国南方典型丘陵区林地的小区内,用环刀重复2次采集了80个土壤剖面发生层和38个土壤表层的样品,再分别用原位光谱法和传统实验室方法测定土壤有机质含量,从而分析因光谱测试点和样品采集位置不同导致的土壤有机质含量估测误差。结果表明:每个样品在共计18个测试点位置上的光谱差异为0.12°~8.13°,均值为1.55°;在共计2个重复采样位置之间的光谱差异为0.18°~3.65°,均值为0.88°。因测试点和采样位置不同导致的土壤有机质估测误差用标准偏差表示,分别为0.92~14.66和0.005 7~11.46 g·kg^-1,占实测有机质的3.8%~428%和0.017%~92%。同时,这两种误差会随着实测有机质值含量的增大而增加。并且,测试点位置不同导致的误差比偏最小二乘回归模型所导致的误差还要大。研究认为,今后的研究中需注意测试点和采样位置不同引起的误差,尤其是有机质含量较高的土壤。