热带地区3类不同来源水溶性有机质的光谱特征

吴东明 刘景坤 李勤奋 武春媛*

(1 海南大学环境与植物保护学院 海口 570228 2 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所 海口 571101 3 农业部儋州农业环境科学观测实验站 儋州 571737)

水溶性有机质(dissolved organic matters，简称DOM)是指物料以水浸提后通过0.45 μm滤膜的有机混合物。植物凋落物、有机肥等均是土壤DOM的来源[1～3]。DOM进入环境后对土壤理化性状、肥效、微生物生态系统、污染物环境行为有较大影响[3，4]。不同来源的DOM组成、性质、环境效应有所不同[5]。Mapanda F.等研究发现，DOM高分子量组分更易与重金属形成难溶配合物[6]。Chen W.等认为，DOM中蛋白类物质与微生物代谢活动密切相关[7]。任东等研究指出，腐殖质影响17β-雌二醇光解的关键性在于含氧官能团数量和芳香性结构[8]。谢理等也指出含氧官能团是影响有机污染物吸附的关键因子[2]。

热带地区农业地位重要，保障其产地环境安全是热带地区农业健康发展的重要前提。热带地区DOM来源丰富，农业废弃物的秸秆直接粉碎还田和堆肥还田是2种较为可行的还田方式[9]。秸秆直接粉碎还田，省时省力，并具有蓄水、保碳、增肥等功效[9，10]。堆肥还田具有秸秆粉碎还田类似的功效，且提高肥效能力更强[9]。但对于热带地区不同还田方式产生的DOM可能带来的环境风险，目前尚缺乏研究。此外，内源土壤DOM对外源DOM进入土壤和土壤中污染物环境行为也具有重要影响[3，4，11，12]。因此，研究热带地区土壤内源DOM和外源DOM特性，为外源DOM进入土壤带来的环境风险评估提供依据。

以紫外-可见光光谱法、傅里叶红外光谱法、荧光光谱法3种表征技术为手段，研究热带地区土壤DOM(水稻田土壤DOM和香蕉地土壤DOM)、堆肥DOM(木薯杆堆肥DOM和甘蔗叶堆肥DOM)、植物残体DOM(水稻根系DOM和水稻秸秆DOM)的表征特性，初步分析外源DOM进入土壤带来的环境风险，为热带地区农业废弃物利用和污染物原地修复积累基础。

1 材料与方法

1.1 原料采集及预处理

土壤DOM原料：2014年11月于海南省海口市三江镇以梅花形多点采样法分别采集水稻田、香蕉地表层土壤(0～20cm，各含5个子采样点)。土壤类型为玄武岩发育铁铝土，pH为5～6，有机碳、全氮、全磷、全钾含量分别为13.1g/kg、1.5g/kg、2.0g/kg、2.5g/kg。采集后，去除杂物，以多层密封袋封好，存于4℃冰箱备用。

堆肥DOM原料：木薯杆、甘蔗叶原料由海南省儋州市中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所实验基地提供，木薯杆、甘蔗叶分别采集于2014年2月和2013年11月，于2014年3月分别将它们和鸡粪混合，调节C/N=30，翻堆、通风(每7天1次)，覆盖薄膜，木薯杆堆肥40天，甘蔗叶堆肥60天，自然风干，粉碎，过20目筛备用。

植物残体DOM原料：2014年11月于海南省海口市三江镇分别采集收割脱粒后的水稻秸秆和水稻根系样品。水稻品种为“博II优767”，是海南典型晚稻，播种于玄武岩湿润铁铝土的稻田里，经5个月生长至成熟，水稻株高约1.1 m，叶呈黄绿色，叶长约0.4～1 m，叶舌披针形，叶鞘松弛、无毛。样品以纯水洗干净，阳光暴晒下自然风干，粉粹过20目筛备用。

1.2 DOM制备

土壤DOM制备采用新鲜土样，经水分校正后与超纯水1∶5混合，在20 ℃、200 r/min条件下，振荡4 h，取出混合液；在4 ℃、10000 r/min条件下，离心10 min，取上清液过滤(0.45 μm滤膜)，滤液即为土壤DOM。植物残体DOM和堆肥DOM分别以物料比为1∶20、1∶10添加超纯水进行提取，条件同上。用Multi N/C3100型碳氮测定仪测定DOM浓度(以DOC表示，mg/L)。将香蕉地土壤DOM、水稻田土壤DOM、水稻根系DOM、水稻秸秆DOM、甘蔗叶堆肥DOM、木薯杆堆肥DOM分别命名为DOM1、DOM2、DOM3、DOM4、DOM5、DOM6。

1.3 DOM表征方法

1.3.1 紫外-可见光光谱测定

用超纯水将DOM样品稀释成10 mg/L，于SHIMADZU UV2600紫外-可见分光光度计(日本产)上对处理后的DOM样品进行紫外-可见光扫描，扫描波长范围为200～700 nm。

1.3.2 傅里叶红外光谱测定

将DOM样品真空冷冻干燥后，称取1～2 mg DOM粉末，于FTIR TENSOR27红外光谱仪上进行扫描，扫描波数范围为400～4000 cm-1。

1.3.3 三维荧光光谱测定

采用Perkin Elmer LS-55荧光光谱仪对DOM样品进行扫描。激光光源为150 W氙弧灯，光电倍增管(PMT)电压为700 V，激发波长(λEx)为200～550 nm，发射波长(λEm)为250～600 nm，扫描速率为1500 nm/min，响应时间设为“自动”，扫描光谱进行仪器自动校正。

2 结果与分析

2.1 紫外-可见光光谱表征

DOM的紫外吸收与其不饱和键及芳香性结构有关。在紫外表征中常用DOM的光谱特征值研究其基础特性，如SUVA254、SUVA280、A260/TOC、A250/A365、A465/A656等。

SUVA254和SUVA280是最常用的2个表征指标。大量文献指出，SUVA254与有机质的芳香度成正相关，SUVA280可间接反映DOM的相对分子量大小[13，14]。如图1a、图1b，对于SUVA254和SUVA280，DOM6＞DOM5＞DOM2＞DOM1＞DOM3＞DOM4，这说明DOM的芳香性高低、分子量大小顺序均为堆肥DOM(DOM6和DOM5)＞土壤DOM(DOM2和DOM1)＞植物残体DOM(DOM3和DOM4)。其中，堆肥DOM中以DOM6芳香性较高；土壤DOM中DOM2芳香性较高，这可能是由于水稻田长期处于淹水状态，更有利于土壤的腐殖化进程；植物残体DOM中DOM3芳香性高于DOM4。

A260/TOC与有机质的疏水性有关，其值越大，疏水性越强[15]。如图1c，A260/TOC表现出与SUVA254和SUVA280类似的规律，DOM的疏水性强弱顺序为堆肥DOM＞土壤DOM＞植物残体DOM。

谢理等用A250/A365指示DOM的分子量和芳香性[2]。本研究发现A250/A365与、SUVA280未呈负相关关系(表1)，不适宜用作不同来源DOM的芳香性比较，这与闫金龙等研究结果一致[14]。

李鸣晓等研究结果表明，A465/A656可以反映出DOM的苯环碳架聚合度，其值越小，苯环碳架聚合度越高[16]。如图1d，对于A465/A656，DOM3＞DOM4＞DOM1＞DOM2＞DOM5＞DOM6，这说明堆肥DOM的苯环碳架聚合度最高，土壤DOM次之，植物残体DOM最低。

对上述参数进行相关性分析(表1)，A260/TOC与SUVA254、SUVA280三因素互呈极显著正相关，这说明DOM的疏水性与物质的芳香性结构、分子量密切相关，即芳香性结构存在于疏水性、大分子组分中；而A465/A656与SUVA254、SUVA280、A260/TOC呈极显著负相关，说明大分子、疏水性、芳香性结构有利于有机质的缩合，使DOM苯环碳架聚合度更高。

图1 不同来源DOM紫外-可见光光谱表征参数结果Fig.1 Characteristic values of UV-Vis spectra from the different DOMs

表1 表征参数相关性分析Tab.1 Correlations between SUVA254, SUVA280, A260/TOC, A250/A365, A465/A656

2.2 红外光谱表征

红外光谱吸收是由分子振动能级之间的跃迁引起的，是分析有机化合物结构、官能团含量的重要手段，具有样品用量少、分辨能力强、光谱范围大等特点。由图2可知，不同来源DOM的吸收峰位置和强度具有较大差异。

在3400 c m-1附近的吸收峰，D O M4＞DOM6≈DOM5＞DOM3＞DOM2＞DOM1；整体上植物残体DOM(DOM3和DOM4)在此处的吸收强度略高于堆肥DOM(DOM5和DOM6)，远大于土壤DOM(DOM1和DOM2)，这说明植物残体DOM和堆肥DOM含更多的羟基，土壤DOM最少[2]。

2954 cm-1附近的吸收峰由脂肪族的甲基、亚甲基、次甲基伸缩振动形成，DOM4和DOM3在此处有显著吸收峰，说明植物残体DOM含更多脂肪物质，这与多数研究结果相似。倪文海等指出，水稻秸秆具有较多脂肪烷烃物质[17]。谢理等研究发现大部分植物的茎、叶含有脂肪烷烃物质[2]。本研究中堆肥DOM、土壤DOM在此处没有吸收峰，这可能是在堆肥或土壤自然发育过程中，脂肪物质被分解。吴景贵等指出，玉米秸秆随着腐解的进行，脂肪族烷烃逐渐减少，脂族性降低[18]。

周江敏等认为3400 cm-1/2930 cm-1吸收峰强度比可用于比较酚羟基物质的相对含量[19]。本研究得出，3400 cm-1/2954 cm-1吸收峰强度比由大到小依次为DOM5(1.40)＞DOM6(1.25)＞DOM1(1.15)＞DOM2(0.98)＞DOM4(0.93)＞DOM3(0.85)，说明堆肥DOM含更多酚羟类物质。

2133 cm-1附近的吸收峰由脂肪族腈或氨基酸的NH4

+伸缩振动形成，在此处，土壤DOM＞植物残体DOM＞堆肥DOM，说明土壤DOM含更多的脂肪族腈物质或NH4+，植物残体DOM次之，堆肥DOM最少。

1622 cm-1附近的吸收峰为醛、酮中的C=O伸缩振动或芳香基上的C=C伸缩振动，堆肥DOM(DOM6、DOM5)在此处有明显吸收峰，土壤DOM、植物残体DOM则没有明显吸收峰，这说明堆肥DOM含更多的C=O、C=C官能团，芳香性最高，其中以DOM6较大。

1571 cm-1附近的吸收峰由酰胺结构中N-H弯曲振动形成，DOM3、DOM4在此处有明显吸收峰，说明植物残体DOM中含有蛋白质，这与谢理等报道的芦苇茎、玉米茎等植物残体中含有较多蛋白质结果一致[2]。

1425 cm-1附近的吸收峰由脂肪族CH3-CH2中C-H的振动以及羧基上的不对称伸缩振动或C-OH的变形振动形成，DOM4和DOM3在此处有明显吸收峰，结合它们在2954 cm-1附近的吸收峰情况，再次证明了植物残体DOM较土壤DOM、堆肥DOM含更多脂肪类物质，同时也可能含有较多的COOH。

1386 cm-1附近的吸收峰由硝酸根的N-O伸缩振动形成[20]，在此处堆肥DOM＞土壤DOM＞植物DOM。由此可看出堆肥类DOM含更多的N-O基团，土壤DOM次之、植物残体DOM中N-O基团含量最少。

1045 cm-1附近的吸收峰由官能团C-O的伸缩振动形成，不同研究者对此官能团为何种物质产生的解释差异较大。倪文海等在研究水稻秸秆DOM时认为是碳水化合物或多糖结构产生C-O[17]。谢理等在表征滇池植物DOM时将其解释为伯醇、芳香醚或芳香脂结构中的C-O[2]。大多数研究认为堆肥过程中，亲水性物质被分解，非腐殖质物质转化为高芳香的腐殖质物质[14，15]。结合不同来源的DOM紫外-可见光光谱表征结果，SUVA254、SUVA280、A260/TOC的大小说明堆肥DOM芳香性最高、植物残体DOM芳香性最低。

825 cm-1附近的吸收峰是由苯环上的C-H面外弯曲振动引起的，因只有堆肥在此处有明显吸收峰，说明堆肥DOM的芳香性更高。

图2 不同来源DOM的红外光谱Fig.2 FTIR spectra of different DOMs

由以上综合分析可认为，堆肥DOM(DOM6和DOM5)、土壤DOM(DOM2和DOM1)在此处产生的红外吸收峰为其芳香结构中C-O引起的；植物残体DOM(DOM3和DOM4)则是由碳水化合物中C-O伸缩振动引起。

2.3 三维荧光光谱表征

三维荧光光谱技术是DOM表征中较为简便的技术，克服了传统荧光光谱技术特征不显著和同步荧光光谱易受拉曼散射影响等缺点，可作为一种指纹技术对DOM进行表征。不同来源DOM具有一定差异性，其三维荧光光谱表征见图3。

图3 不同来源DOM的三维荧光光谱Fig.3 3D-EEM spectra of different DOMs

根据谢理等研究结果[2]，DOM三维荧光峰一般分为可见光区类黄腐酸荧光峰(A，λEx/λEm=310～360 nm/370～450 nm)、紫外区类黄腐酸荧光峰(B，λEx/λEm=240～270 nm/370～440 nm)、可见光区类腐植酸荧光峰(C，λEx/λEm=350～440 nm/430～510 nm)、紫外区类腐植酸荧光峰(D，λEx/λEm=280～288 nm/420～455 nm)、类色氨酸荧光峰(E，λEx/λEm=270～290 nm/300～350 nm)、类络氨酸的荧光峰(F，λEx/λEm=270～290 nm/300～320 nm)。研究指出，A峰、B峰、C峰、D峰与腐殖质结构中的羧基和羰基有关；E峰、F峰主要由色氨酸、酪氨酸的芳环氨基酸结构、芳香性蛋白类结构引起[21]。在土壤DOM中，不同植被条件下的DOM荧光组分具有较大差异。因仪器检出限的限制，DOM1荧光峰只有不明显的D峰，但也可以看出D峰最大响应值在激发波长200 nm以下，这说明DOM1所含为类腐植酸物质，其浓度、分子量、芳香性相对较低；DOM2含有C峰，此为可见光区类腐植酸荧光峰，说明DOM2中主要荧光物质为类腐植酸物质。在植物残体DOM中，DOM3含有A峰、E峰、F峰3类荧光峰，这说明DOM3含有类黄腐酸、类色氨酸、类络氨酸等物质，这与红外光谱表征结果一致，说明植物残体中含有一定量的类蛋白物质。DOM4含有A峰和B峰，且强度比值r(A，B)＜1，这说明DOM4含有2种类黄腐酸物质，且以芳香性、分子量较小的紫外区类黄腐酸为主。谢理等发现滇池陆生植物的茎主要含类黄腐酸物质、叶中DOM含类腐植酸物质；水生植物茎、叶中均含类黄腐酸物质，某些植物中还含有类蛋白物质[2]。堆肥DOM中，DOM5、DOM6只含C峰，且DOM6的C峰强度大于DOM5，这说明DOM5、DOM6具有芳香性较高的类腐植酸物质，且DOM6的类腐植酸物质较多。荧光峰位置也是表征有机质的重要指标。前人研究表明，对于同一种荧光峰，其对应激发波长越大(红移)，所含芳香性越强，分子量越大，聚合度越高[7，22]。由表2可知，对于C峰的激发波长，DOM6＞DOM5＞DOM2，说明DOM6的类腐植酸物质芳香性、分子量、聚合度大于DOM5和DOM2，与上述紫外-可见光光谱表征、红外光谱表征研究结果一致。

表2 不同来源DOM的三维荧光性质Tab.2 Characteristic values of 3D-EEM spectra from different DOMs

3 结论和讨论

3.1 结论

对热带地区土壤DOM(水稻田土壤DOM和香蕉地土壤DOM)、堆肥DOM(木薯杆堆肥DOM和甘蔗叶堆肥DOM)、植物残体DOM(水稻根系DOM和水稻秸秆DOM)的紫外-可见光光谱、红外光谱、荧光光谱表征结果如下：

(1) 紫外-可见光光谱表征结果表明：堆肥DOM的芳香性最高、分子量最大、疏水性最强；土壤DOM次之；最后是植物残体DOM。

(2) 红外光谱表征结果表明：植物残体DOM具有一定的脂肪烷烃物质、蛋白质物质，亲水性较强，含更多的-OH、-CH2、-CH、N-H、C-O基团；堆肥DOM富含酚羟类物质，具有更多的C=O、C=C、N-O、C-O、-NH2等活性官能团；土壤DOM特征不明显，含较多的脂肪族腈、NH4

+和一定量的-OH、-COOH、C-O基团。

(3) 三维荧光光谱表征结果表明：植物残体DOM含大量的类黄腐酸物质，并具有一定的类蛋白物质；土壤DOM含一定量的分子量相对较小、芳香性相对较低的类腐植酸物质；堆肥DOM主要含芳香性高的类腐植酸物质。

3.2 讨论

DOM具有高度的生物有效性和理化活性，参与土壤中络合-解离、沉淀-溶解、氧化-还原等生物地球化学过程，对土壤功能的发挥、污染物环境行为具有重要影响。本研究中，热带地区水稻田、香蕉地土壤本底DOM芳香性、疏水性处于中等水平，主要含类腐植酸物质，这可能与热带地区特定的环境条件有关。热带地区淋溶作用强烈，微生物生长旺盛，分子量较小、疏水性较弱、芳香性较低的类蛋白物质和黄腐酸，或被微生物分解，或被淋溶出土壤。腐植酸与污染物强有力的结合将有利于热带地区水稻田土壤、香蕉地土壤中污染物固定。农业废弃物堆肥还田和粉碎还田2种方式进入土壤的DOM因其组分不同，环境效应有较大差异。堆肥DOM疏水性强，分子量大，芳香性高，腐殖质含量多，富含酚羟类物质和强络合能力活性官能团，有利于污染物在土壤中吸附固定，且固定后难再次解吸；此外，堆肥带入的腐殖质可极大提高肥效，有利于农作物的增产。植物残体DOM自身具有较强亲水性，其带有的-OH、C-O、N-H等对重金属离子、有机污染物有一定的络合能力，可与污染物竞争吸附位点，减少土壤对污染物的吸附，提高污染物的表观溶解度，增强污染物迁移性，对地下水、地表径流具有潜在环境风险；且植物残体粉碎还田改良土壤见效慢。综合考虑2种还田方式带来的肥效和环境修复效果，以农业废弃物堆肥还田更适合在热带地区运用。

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