模拟酸雨淋溶条件下紫壤淋出液中溶解性有机质的三维荧光特性*

田文杰 何绪文 黄 擎 张大定 刘 俐 李发生＊＊

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京，100083;2.中国环境科学研究院，北京，100012;3.洛阳理工学院环境工程与化学系，洛阳，472301;4.北京理工大学化工与环境学院，北京，100081;5.北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083)

模拟酸雨淋溶条件下紫壤淋出液中溶解性有机质的三维荧光特性*

田文杰1，2，3何绪文1黄 擎4张大定5刘 俐2李发生2＊＊

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京，100083;2.中国环境科学研究院，北京，100012;3.洛阳理工学院环境工程与化学系，洛阳，472301;4.北京理工大学化工与环境学院，北京，100081;5.北京科技大学土木与环境工程学院，北京，100083)

运用三维荧光技术分析了模拟酸雨淋溶紫壤淋出液中溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)的组分与酸度及淋溶量的关系.研究结果表明，模拟酸雨淋溶紫壤淋出液中DOM荧光峰主要为类胡敏酸和类富里酸，荧光峰的中心位于Ex/Em=305—370 nm/420—450 nm和Ex/Em=260—270 nm/420—440 nm，在淋溶初期只出现类胡敏酸的荧光峰，当淋溶到750 mL时，出现类富里酸的荧光峰，且类胡敏酸的荧光峰较类富里酸强;随着酸雨淋溶量的增加，不同酸度淋出液中各种溶解性有机质的荧光强度均逐渐减弱，在淋溶初期减弱的幅度较大，溶解性有机质淋失率与酸雨pH呈负相关，表明酸雨作用下紫壤中大部分溶解性有机质在淋溶初期发生大量淋失，且酸度越大，有机质淋失率也越大;不同酸度淋出液溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)随淋溶量和酸度的变化趋势与三维荧光的结果相一致，因此说明应用三维荧光技术分析淋溶液中溶解性有机质的组分和变化是可行的.

酸雨，紫壤，溶解性有机质(DOM)，三维荧光.

酸雨是地球化学气候中人类影响的重要特征，是大气中含有大量的SO2和NOx所致［1］.随着经济的高速发展，我国已成为继欧洲和北美之后第三大酸雨区［2］，目前已形成西南酸雨区、湘赣浙酸雨区、厦门、福州的东南污染区和以青岛为中心的污染区等4个重酸雨污染区［3］.酸雨的最终接受系统是土壤，它使土壤酸化，使土壤中有机组分、结构、活性和传输均发生变化，进而影响整个生态系统［4-6］.

土壤中溶解性有机质(DOM)是生物活性和物理化学反应活性都很活跃的有机组分，尽管其在土壤中含量较低，但其对有机污染物有明显的增溶作用［7］，它不仅影响土壤中有机污染物的溶液浓度，而且对有机污染物在土壤中的吸附-解吸行为有明显影响［8-9］，制约着有机污染物在土壤中的传质速率和迁移、转化、降解等化学和生物过程［10-11］，同时DOM也是土壤微生物可直接利用的有机物质，为有机污染物的代谢或共代谢提供碳源［12］.紫壤主要分布在中国的亚热带地区，以四川盆地为主，处于重酸雨区，其有机质含量相对较低，矿质养分丰富，是对酸较为敏感的土壤.DOM是土壤中主要控制因素，因此了解酸雨对紫壤DOM的作用异常重要.

近年来对土壤中DOM的研究较深入，主要集中在其结构、性质及其在土壤物理、化学和生物过程中的作用［13-14］，对土壤中几种有机质分别受酸雨影响而释放的研究报道较少.本文运用三维荧光检测技术，分析酸雨淋溶下紫壤DOM的荧光光谱变化，以期揭示酸度和淋溶量对紫壤DOM的影响，为酸雨导致土壤DOM淋失以及DOM在环境中各种地球化学行为研究提供基础.

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验用土样采自重庆某焦化厂焦油回收车间附近表层0—20 cm土壤.样品采集后自然风干，去除植物残体、砾石，研磨全部通过2 mm筛孔待用.供试土样 pH值为6.65;有机质含量为1.48%，阳离子交换量 CEC 为 3.83 cmol·kg－1;土壤密度为 2.69 g·cm－3.

1.2 模拟酸雨的制备

为了使模拟酸雨符合我国西南地区酸雨组成特点，本试验控制［SO2－4］与［NO－3］摩尔浓度比为6∶1，离子浓度参考廖正军等［15］的研究，按 CaSO4∶(NH4)2SO4∶MgSO4∶NaNO3∶NH4Cl∶NaCl∶KF 物质的量之比为45∶47∶10∶17∶17∶11∶18 配制稀盐混合溶液，用硫酸与硝酸物质的量之比为 6∶1 的酸溶液和去离子水(pH值约为6.40)调节溶液pH值为2.5、3.5、4.5 3个不同酸度的模拟酸雨液，模拟酸雨溶液中各离子浓度见表1.

表1 模拟酸雨离子浓度Table 1 The ion concentrations of simulated acid rains(mg·L －1)

1.3 紫壤的酸雨淋溶试验

本次试验设计的淋溶柱为内径5 cm，高30 cm的玻璃柱.土样高度为20 cm(392.5 cm3)，土样质量500 g，均匀盛放于淋溶柱中.土样底部为玻璃制成的砂板(玻璃滤板，G1型孔大，滤水快)和30 g石英砂(分析纯、厚1 cm)，以保证土壤颗粒的保持和溶液的流出.为了保证淋洗液均匀浸透土壤并不溅出，在土壤上铺一层厚1 cm的石英砂(分析纯，30 g).资料表明［16］，重庆年均降水量约为1250 mm，根据淋溶土柱内径为5 cm，计算全年降水量约为2.45 L.为了更接近自然降水过程，试验采用间歇淋滤法以使土壤有一定的反应时间，设计每间隔24 h淋滤一次，每次淋250 mL模拟酸雨溶液(相当于125 mm降水量)，控制淋溶速率为3 mL·min－1，每24 h收集一次淋出液，淋出液通过0.45 μm醋酸纤维膜过滤后，运用Multi N/C 3100仪测定淋出液总有机碳(Total organic carbon，TOC)含量.

为了消除pH值对荧光强度的影响，用NaOH、HCl溶液将淋出液pH值调至7.0后用于荧光测定.

1.4 三维荧光光谱(3DEEMS)分析

本研究使用带有1 cm石英荧光样品池的F-7000荧光分光光度计(日本，HITACHI)，测定条件为激发光源为150 W氙弧灯，光电倍增管电压(PMT电压)为700 V，带通(band pass):Ex=5 nm，Em=10 nm(激发和发射狭缝宽度分别为5 nm和10 nm);响应时间:自动;扫描速度12000 nm·min－1，扫描光谱仪器自动进行校正.激发波长范围为Ex=200—440 nm(间隔5 nm)，发射波长范围为Em=250—500 nm(间隔5 nm).所得结果均扣除实验空白(相同条件下去离子水配制的模拟酸雨淋溶液的荧光强度)，应用Origin软件对3DEEMS进行处理，以Ex=200—440 nm为纵坐标，Em=250—500 nm为横坐标，做三维荧光等高线图，以供分析讨论.

2 结果与讨论

2.1 酸雨淋出液中DOM的荧光特征

不同的溶解性有机质具有不同的荧光基团，并且荧光峰的位置和强度也不尽相同，荧光强度与有机质的分子结构有关，有机质分子越大，荧光强度就越强，这是由于有机质分子大，芳环多，电子共轭度大，导致荧光效率也大，但荧光强度随有机质中含有羧基和羟基等吸电子基团的量的增加而降低且发生红移，这是因为芳香度增加，导致例如大分子链状芳环和共轭不饱和键增多的缘故.环境中各种DOM的荧光峰中心位置(用Ex/Em表示)如表2所示［17］.

一般地讲，短激发(200—250 nm)短发射(280—350 nm)波长的荧光峰与简单芳香蛋白有关，中等激发波长(250—280 nm)和较短发射波长(300—380 nm)的荧光峰与微生物类副产物有关，如类蛋白等，蛋白质中具有荧光特性的芳烃基氨基酸主要包括色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸.较长激发(280—440 nm)和发射(380—510 nm)波长的荧光峰与类胡敏酸有机质有关;在短激发波长(＜250 nm)和较长发射波长(＞350 nm)的荧光峰与类富里酸有关，类富里酸以含有大量的羧基和羰基为主要结构特征.因此利用三维荧光光谱来分析DOM的组分及来源是可行的.

表2 一些典型DOM荧光峰位置及激发发射波长范围Table 2 Location of fluorescence peaks and excitation-emission wavelength range for some typical DOM)

2.2 模拟酸雨对紫壤淋出液中DOM组分的影响

图1为模拟酸雨淋溶紫壤淋出液中DOM三维荧光等高线图.图1中自上而下分别表示模拟酸雨的pH 值为2.5、3.5 和 4.5，从左到右分别表示酸雨淋溶量为 250 mL、500 mL、750 mL、1000 mL、1500 mL、2500 mL.

图1 模拟酸雨淋溶紫壤过程中淋出液DOM三维荧光图谱Fig.1 3DEEMS contour maps of the leachates from purple soil with the acid rains

从图1和表3可以看出，在所有的等高线图中，主要有两个荧光峰，分别出现在Ex/Em=305—370 nm/420—450 nm的类胡敏酸荧光和Ex/Em=260—270 nm/420—440 nm的紫外区类富里酸荧光.在淋溶初期(淋溶量＜750 mL)，淋出液3DEEM只有一个峰，为类胡敏酸荧光峰，当淋溶量达到750 mL时，淋出液3DEEM出现两个峰，分别为类胡敏酸(HA-Like)荧光峰和紫外区类富里酸(FA-Like)荧光峰，这说明淋溶初期只有类胡敏酸有机质溶出，到淋溶量达到一定值后，类富里酸才溶出.这可能是因为大部分含碳量高的有机质是以络合铝的形式存在于土壤中的，各酸度淋出液中主要元素分析见表4.在酸雨条件下，大多数高分子胡敏酸溶解性依赖于它的铝络合物的溶解性，因为这类有机质含碳量和分子量均较高，极大可能以络合铝的形式吸附在土壤表面，而富里酸含碳量和分子量都较小，其溶解性与它的铝络合物的溶解性关系较小［18］，而土壤中铝络合物受酸雨影响较大.比较两种峰出峰初期的荧光强度，类胡敏酸的荧光强度比类富里酸的荧光强度要强得多，这可能是由于类胡敏酸分子量和含碳量较高，芳香度也较高，而类富里酸含碳量和分子量均较低，但其含羧基较高，芳香度较低.

表3 模拟酸雨淋溶紫壤过程中淋出液DOM三维荧光图谱中各峰位置及峰强表Table 3 Location and intensity of the fluorescence peaks in 3DEEMS contour maps of the leachates from purple soil with acid rains

表4 淋溶量为500 mL时各酸度淋出液中主要元素分析(mg·L－1)Table 4 Major element concentrations in the leachates with 500 mL simulated acid rains(mg·L －1)

随着淋溶量的增加，不同酸度淋出液中不同性质的DOM的荧光强度也不尽相同.对类胡敏酸物质，其荧光强度随淋溶量的增加而减弱，且在淋溶初期，荧光强度减弱的幅度较大，表明酸雨作用下紫壤中类胡敏酸被淋出，随着淋溶量的增加淋出液中类胡敏酸含量减少，且大部分类胡敏酸会在淋溶早期发生大量淋失.酸度不同，类胡敏酸的荧光强度减弱的速率也不相同.在pH值为2.5时，HA-Like的荧光强度在淋溶初期(淋溶量为250 mL时)最大，随着淋溶的继续，淋出液荧光强度快速减弱，当淋溶量达到1000 mL时，荧光峰消失，表明此时淋出液中类胡敏酸物质的含量极少甚至没有.pH值为3.5和4.5的淋出液中类胡敏酸的荧光峰在淋溶量为250—2500 mL范围内始终存在，只是随着淋溶量的增加，峰强逐渐减弱，且减弱的速率比pH 2.5时小得多.对类富里酸物质，不同酸度淋出液中均在淋溶量为750 mL时出现峰，荧光峰的强度随淋溶量的增加呈现出先增强后减弱的趋势，且不同酸度淋出液中类富里酸的最大荧光峰出现在不同的淋溶量时.在pH 2.5的淋出液中，淋溶量达到750 mL时出峰，且此时的峰强最强，以后随淋溶的增加，峰强快速减弱.pH 3.5的淋出液中类富里酸的最大峰强出现在淋溶量为1000 mL时，pH 4.5的淋出液中类富里酸的最大峰强出现在淋溶量为1500 mL时，以后随着淋溶的继续，类富里酸的峰强均逐渐减弱，且减弱的速率要比pH 2.5时小.这表明酸雨的酸度对土壤中DOM的释放是有一定影响的，且酸度越大，土壤中有机质的释放速率越快，随着酸雨淋溶量的增加，土壤中有机质的释放量逐渐减少.

从图1还可以看出，在淋溶开始阶段(淋溶量为250 mL)时，类胡敏酸峰在pH 2.5和pH 4.5的荧光强度都比pH 3.5时强，当淋溶量达到750 mL以后，随着淋溶的继续，酸度越小，荧光强度越强，酸度越大，荧光强度越弱，这主要是由于酸度越大，土壤中有机质释放速率就越大，大量有机质在淋溶早期被释放，因此在淋溶后期淋出液中溶解性有机质含量较少，表现为荧光强度减弱;酸度越小，释放速率越慢，淋溶后期淋出液中溶解性有机质含量较高，因此荧光强度也较强.在试验时，将所有淋出液的pH值均调节到7.0，消除了pH值对荧光强度的影响，因此这些峰强的变化应该源自于酸雨pH对紫壤DOM的影响.

2.3 酸雨对紫壤淋溶液中DOC的影响

不同来源的DOM，其有机碳含量不同.习惯上，DOM的浓度通常用溶解性有机碳(DOC)来衡量.不同酸度淋出液DOC随模拟酸雨淋溶量的变化见图2.

图2 不同酸度淋出液DOC值随模拟酸雨淋溶量的变化(A)淋溶量为250—2500 mL;(B)淋溶量为750—2500 mL(局部放大图)Fig.2 Change of DOC in the eluates with leaching volume of simulated acid rain

图2为不同酸度淋出液DOC随模拟酸雨淋溶量变化的关系图，图2(A)表示淋溶量从250 mL到2500 mL时淋出液中DOC的变化趋势，图2(B)表示淋溶量从750 mL到2500 mL时淋出液中DOC的变化趋势(局部放大图).从图2(A)中可以看出，在淋溶初始阶段(淋溶量为250 mL时)，不同酸度的淋出液中DOC含量较高，其值均大于550 mg·L－1，且不同酸度的淋出液中DOC也不相同，pH 2.5酸雨的淋出液中DOC最高，pH 3.5酸雨的淋出液的DOC最低，这与图1淋溶量为250 mL时的淋出液三维荧光的结果相一致，从图1的峰位置可知，此时淋出液中的溶解性有机质主要为类胡敏酸物质.随着淋溶量的增加，不同酸度的淋出液中DOC减小，且淋溶量为500 mL时DOC减小的幅度最大，以后随着淋溶的继续进行，淋出液中DOC减小较为缓慢.由图2(B)可知，当淋溶量达到750 mL以后，随着淋溶的继续进行，不同酸度的淋出液中DOC均有所减小，但在同一淋溶量下，不同酸度的淋出液中DOC不同，模拟酸雨的酸度越小(pH值越大)，淋出液中DOC越大;模拟酸雨的酸度越大(pH值越小)，淋出液中DOC越小，这可能是由于酸雨pH越小，在酸雨作用下土壤中溶解性有机质释放的速率就越快，因此pH小的酸雨在淋溶早期，已将土壤中大部分的溶解性有机质淋失，表现为在淋溶后期淋出液中的DOC较小，而酸雨pH越大，在酸雨作用下土壤中溶解性有机质的释放速率相对较慢，在淋溶后期仍有部分溶解性有机质淋出，表现为淋出液DOC较大，这与淋出液三维荧光结果相吻合，同时也进一步说明应用三维荧光光谱技术来分析淋出液中溶解性有机质的组分和变化是可行的.

3 结论

(1)不同的溶解性有机质具有不同的荧光敏感基团，并且荧光峰的位置和强度也不尽相同，有机质分子越大，荧光强度就越强.

(2)模拟酸雨淋溶紫壤淋出液中溶解性有机质(DOM)荧光峰主要为类胡敏酸和类富里酸，荧光峰的中心位于Ex/Em=305—370 nm/420—450 nm和Ex/Em=260—270 nm/420—440 nm，且类富里酸的出峰时间晚于类胡敏酸.

(3)酸雨的酸度和淋溶量对紫壤中溶解性有机质的释放影响较大，酸度越大，紫壤中有机质的释放速率越快，随着酸雨淋溶量的增加，紫壤中溶解性有机质的释放量逐渐减小，且大部分有机质在淋溶初期发生大量淋失.

(4)酸雨淋出液DOC随淋溶量和酸度的变化趋势与DOM的三维荧光变化趋势相同，因此应用三维荧光光谱技术来分析淋出液中溶解性有机质的组分和变化是可行的.

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THREE-DIMENSIONAL FLUORESCENCE CHARACTERIZATION OF DISSOLVED ORGANIC MATTER IN THE ELUATES LEACHED FROM PURPLE SOIL WITH SIMULATED ACID RAIN

TIAN Wenjie1，2，3HE Xuwen1HUANG Qing4ZHANG Dading5LIU Li2LI Fasheng2

(1.China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing，100083，China;2.Department of Soil Pollution Control，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing，100012，China;3.Department of Environmental Engineering and Chemical，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang，472301，China;4.School of Chemical Engineering and the Environmental，Beijing Institute of Technology，Beijing，100081，China;5.Civil＆ Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijijng，100083，China)

In this paper，three-dimensional fluorescence spectroscopy was applied to characterize the components of dissolved organic matter(DOM)in the eluates leached from purple soil with simulated acid rains.The result showed the leached DOM presented two main peaks in the excitation-emission matrix spectroscopy(EEMS)，one related to humin acid-like(HA-like)material，at Ex/Em=305—370 nm/420—450 nm，and the other related to UV fulvic acid-like(FA-like)at Ex/Em=260—270 nm/420—440 nm.Only HA-like were released from purple soil at the very beginning of leaching，while FA-like appeared when the leaching volume reached 750 mL，meanwhile peak-UV fulvic acid-like presents much weaker fluorescence intensity than peakhumin acid-like in all EEMS contour maps.The fluorescence intensities of the organic compounds in eluates decreased with increasing leaching volume of simulated acid rain and it has been reduced to a great degree in the initial phase of the leaching，the leaching ratio of DOM presents negative correlation with pH values of simulated acid rain，indicating that most DOM in purple soil can be lost in the early phase，and the leaching ratio of DOM increased with the decrease of pH values of simulated acid rain.Variation tendency of dissolved organic carbon in eluates with acidity and leaching volume of simulated acid rain is the same as that of DOM in the excitation-emission matrix spectroscopy，which indicating that it is feasible that three-dimensional excitation-emission matrix spectroscopy is employed to characterized the compositions of DOM in eluates.

acid rain，purple soil，dissolved organic matter(DOM)，three-dimensional fluorescence spectroscopy.

2010年12月28日收稿.

*国家自然科学基金项目(20977088)资助.

＊＊通讯联系人，Tel:010-84915233，E-mail:lifs@craes.org.cn