消落带夏冬季土壤溶解有机质的组成特征及来源

2019-07-19郝蓉徐召玉沈祠福伍玉鹏宋艳暾张金良

生态环境学报 2019年6期

郝蓉，徐召玉，沈祠福，伍玉鹏，宋艳暾，张金良

1. 农业部产地环境污染防控重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，天津 300191；

2. 华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北武汉 430070；3. 天津市农业科学院，天津 300191

溶解性有机质（DOM）广泛存在于陆地和水生生态系统中，是一类由腐殖酸、蛋白质、氨基酸及多糖等物质组成，化学结构复杂的有机物混合体。由于其活跃的化学组分，在碳的物质循环、污染物的迁移转化、生物降解等方面发挥重要作用，是环境科学与地球科学研究的热点和难点（何伟等，2016；Aiken et al.，2011）。目前国内外对DOM的组成、分布特征及来源等做了很多研究，但主要集中在水体中，相比之下，有关土壤/沉积物DOM的结构组成和来源相对较少（Chen et al.，2015）。

消落带作为水库水质安全的最后一道保障，在改善水体质量方面有重要作用。消落带土壤 DOM可经地表径流、淋溶及淹水释放等途径进入水体，进而影响水环境中DOM的性质及其与其他污染物的环境行为。已有研究表明，温度、湿度、微生物等均可对DOM的组成性质等产生影响（Ewa，2018；吕伟伟等，2018；Wang et al.，2014）。消落带的“干湿交替”使得土壤的温度、湿度、微生物等变化有明显的季节特征，尽管目前已有一些关于消落带土壤DOM的研究报道（梁俭等，2016；高洁等，2015；李璐璐等，2014），但不同季节消落带土壤DOM的性质组成及来源差异还未见报道。

近年来，光谱技术在分析DOM的组成信息方面具有灵敏度高、信息量大、识别精准、且不破坏样品原有结构的优点被广泛应用。基于此，本研究选择南水北调中线工程-丹江口水库库区消落带的表层土壤，通过紫外-可见光谱和三维荧光光谱法-平行因子分析法（EEMS-PARAFAC）相结合的技术方法，探讨不同季节消落带土壤DOM的组成结构和来源，以期为该区重金属和有机污染物迁移转化和土壤及水体修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

丹江口水库位于丹江口市汉江干流与其支流丹江口交汇处（ 32°36′-33°48′N ， 110°59′-111°49′E），集水面积 9.52×104 km2，总库容量达408.5×108 t。该区属我国北亚热带季风气候，年平均气温15-16 ℃，无霜期230-250 d，年均降水量800-1000 mm。土壤以黄棕壤为主。地带性森林植被为亚热带常绿阔叶林。由于周期性淹水，消落带内的原生植被已破坏殆尽，现有植被以灌丛和草被为主。自通水以来，截止2018年3月已累计向北方供水120亿m3，直接受益人口超过5310万。

1.2 样品采集与预处理

根据研究目的和地形特征，本研究于2017年8月和2018年1月，在大坝上游核心区两岸的消落带进行采样，其中样点1-8在为夏季样品，9-11为冬季样品。每个样点在采样区内按蛇形采样法随机采取多个表层土（0-10 cm）混匀，取土后迅速将土样装入密封带带回实验室，风干、过筛后备用。

DOM 样本提取采用水土振荡提取法。准确称取4 g风干土于离心管中，按水土比10∶1加入一定量超纯水，25 ℃下振荡提取，4000 r·min-1离心后，上清液过 0.45 µm 醋酸纤维滤膜，所得滤液即DOM，4 ℃保存棕色瓶备用。

1.3 光谱测定与分析

溶解性有机碳（DOC）采用总有机碳分析仪（岛津 TOC-VCPH型）测定，单位 mg·L-1。吸收光谱使用光度计（岛津UV-3600）进行测定，方法如下：以Millipore超纯水（18.2 MΩ·cm）作空白，用10 mm石英比色皿在230-800 nm范围内扫描，间隔1 nm。三维荧光光谱采用荧光分光光度计日立 F-4600测定，方法为：以Millipore超纯水（18.2 MΩ·cm）作空白，激发波长（Ex）范围为200-450 nm，增量5 nm，发射波长（Em）范围为250-600 nm，扫描速率为2400 nm·min-1，光电倍增管电压设定为800 V，光源为150 W无臭氧氙弧灯，系统自动校正瑞利和拉曼散射。本研究采用的相关光谱参数如表 1所示。

1.4 数据处理与分析

1.4.1 平行因子算法

平行因子算法（PARAFAC）是基于三线性分解理论采用最小二乘算法原理的一种数学模型。将一个三维i×j×k数据阵X分解为3个矩阵：A、B和C（Olivieri，2005）。其分解模型可表示为：

式中，N为对体系有实际贡献的独立荧光成分数，K为样本数，I为激发波长数，J为发射波长数，所有样本的 EEMs构成三维数阵 X(I×J×K)。Xijk是三维响应数阵X中的元素，它表示第k个样本在激发波长为 i、发射波长为 j时的荧光强度。ain、bjn及ckn分别为负载矩阵A、B及C中的元素。

1.4.2 统计分析

运用SPSS 18.0进行数据统计分析，P＞0.05表示未达到显著检验水平；0.01＜P＜0.05为显著水平，P＜0.01为极显著水平。

表1 本研究中紫外-可见光谱和荧光光谱参数描述Table 1 Description of ultraviolet-visible absorption and fluorescence spectrum parameters

2 结果与讨论

2.1 不同季节土壤CDOM与FDOM

有色溶解性有机物（Chromophoric dissolved organic matter，CDOM）作为DOM的重要组成部分，一般用吸收系数a(355)表征CDOM浓度。从图1可知，研究区域消落带土壤不同样点的 a(355)存在一定差异，变化范围为4.38-33.89 m-1，这可能与不同样点土壤的理化性质及土地利用方式有关；不同样点在不同季节的 CDOM 有一定差异，冬季土壤CDOM普遍要高于夏季土壤CDOM，这与消落带的冬季淹水使植被发生了腐烂分解密切相关（刘新等，2017）。与三峡库区消落带相比（高洁等，2015），该区土壤 CDOM 要远低于三峡库区消落带。与国内大多数水体相比（王福利等，2010；闫丽红等，2013；刘明亮等，2009；Chen et al.，2005；Chen et al.，2004），该区土壤CDOM浓度较高，说明土壤较水体而言是有机碳的主要碳库（Schmidt et al.，2011），这部分 CDOM 可经地表径流、淋溶和淹水释放等途径可进入水体，是水体CDOM的重要来源之一。由于CDOM可决定水体光学性质，保护生物免受伤害；同时可影响该区 C、N、P等元素的生物地球化学循环（Winterdahl et al.，2014），因此，冬季淹水期的 CDOM 对水体的影响将是未来研究重点。

荧光溶解性有机物（Fluorescent dissolved organic matter，FDOM）为DOM中具有荧光特性的组分，一般以 Fn(355)代表荧光物质相对浓度。图1表明该研究区域土壤DOM荧光强度Fn(355)变化范围为18.11-56.63 a.u.，冬季和夏季Fn(355)的差异并不显著。尽管FDOM是CDOM吸光后发出荧光的部分，但本研究中，不同季节FDOM差异并不显著。这可能是由于并非所有 CDOM 吸光后都会发出荧光，同时 CDOM 可通过光化学过程被降解，转变成非吸光组分（Vodacek et al.，1997）；微生物也可以吸收非吸光组分，产生吸光组分（Nelson et al.，2004）。

图1 不同样点CDOM和FDOM的浓度Fig. 1 Concentration of CDOM and FDOM at different sampling sites

2.2 不同季节土壤DOM的组成及结构特征

SUVA254可以表征 DOM 的腐殖化程度，SUVA254越大，DOM 的腐殖化程度越高。如表2所示，该区消落带土壤DOM的SUVA254范围为1.16-4.18 L·mg-1·m-1，相比之下，冬季土壤 DOM 的腐殖化程度要高于夏季土壤。SUVA260通常可以反映DOM疏水性组分的含量，SUVA260值越大，DOM所含的疏水性组分越多。该区土壤DOM的SUVA260范围为 1.09-4.05 L·mg-1·m-1；相比之下，冬季土壤DOM的SUVA260高于夏季。由于DOM疏水性和其环境反应活性密切相关，所含疏水性组分越多，其参与污染物迁移转化的活性可能就越高（Del Castillo et al.，1999），可见，淹水期间土壤DOM参与污染物环境过程的可能性要高。SUVA280可以表征DOM的芳香性，值越大，芳香性越高。该区土壤 DOM的SUVA280范围为0.85-3.31L·mg-1·m-1，同样，冬季土壤 DOM 的 SUVA280高于夏季。这与该区冬季淹水特征有关，研究已表明淹水可使水中植物发生腐烂分解，这一过程会产生大量芳香性化合物（He et al.，2008）。由此可以推断，消落带冬季淹水期间产生的DOM对污染物环境行为的影响较夏季落干期要大。

表2 不同样点DOM紫外-可见光光谱表征参数Table 2 Characteristic values of ultraviolet-visible spectra of DOMs at different sampling sites

E2/E3可用于表征有机质腐殖化程度。当E2/E3＜3.5时，有机质中胡敏酸的含量大于富里酸；当E2/E3＞3.5时，有机物中富里酸的含量大于胡敏酸（Minero et al.，2007）。本研究中，E2/E3的变化范围为 3.20-6.15，说明该区消落带绝大多数土壤中DOM的富里酸含量比胡敏酸的含量大；同时，E2/E3与DOM的芳香性和分子量呈反比，相比之下，冬季土壤DOM 的芳香性要高于夏季土壤。由于芳香性会影响有机污染物的迁移与转化，芳香性越大的DOM，与有机污染物的亲和力越强，可见，冬季淹水时土壤DOM对污染物迁移转化的影响程度要大于夏季。E2/E4表征有机物分子缩合度，缩合度随着E2/E4值的减小而增高（Strobel et al.，2001）。表2表明，冬季土壤DOM的缩合度明显高于夏季土壤DOM。E4/E6表征苯环C骨架的聚合程度（Chin et al.，1994），E4/E6值越小，有机质聚合程度越大。由上表可知，该区土壤冬季和夏季土壤DOM的聚合程度没有显著差别。

光谱斜率比值SR是对光谱斜率S的改进，通常用来反映DOM的组成特征变化，包括HA/FA比、分子量大小、自生源与陆源特征以及光化学反应活性（例如光漂白）等（Helms et al.，2008）。SR值越大，DOM 分子量越小，参与光漂白活性可能越低。由表2可知，该区土壤SR范围为0.93-1.56，冬季土壤的 SR要高于夏季土壤，可见冬季土壤DOM 的分子量要小，参与光漂白的活性也低，这与消落带冬季淹水使土壤长期浸泡的特征相符。研究认为，SR＜1时，DOM 主要为外源；SR＞1时，DOM主要为生物源（Helms et al.，2008）。由表可知，该区土壤DOM的外源特征并不明显，冬季主要表现为生物源，夏季SR也总体上更接近于1，表现出相对明显的生物源的特征。

2.3 不同季节土壤DOM的来源

通常认为，土壤环境中的DOM有内源和外源两部分，其中内源与生物活动密切相关，主要来自于土壤中动植物的残体、植物根系的分泌物以及有机质中的腐殖质，而外源主要来自于有机肥料以及工农业废水和生活污水。

荧光指数 FI反映了芳香氨基酸与非芳香物对DOM荧光强度的相对贡献率，可作为DOM来源及降解程度的评价指标。当FI＞1.9，表示DOM主要源于微生物活动，以内源输入为主（自生源特征较为明显）；FI＜1.9则以陆源输入为主，微生物活动等贡献相对较低（Huguet et al.，2009）。由表3可知：该区土壤DOM的FI值以内源为主，即自生源特征较明显；且不同季节FI并未表现出很大差异。该研究区域属于南水北调工程的中线工程，从2013年开始依据该区的水质状况，设立了保护区对水库及其周边的一些污染源进行了有效控制，制止了外部有机物的输入。外源有机物除了大气降水可能会携带少量周围土壤中的一些有机质外，基本得到了有效的控制，从而导致该库区DOM外源输入的特征不明显。研究结果与这一现状相吻合，与本研究前文中的光谱斜率比值SR一致。可见，该区在对库区冬季水体水质改善的过程当中应注意加强对内源物质的管控。

表3 不同样点DOM的荧光光谱表征参数Table 3 Characteristic values of fluorescence spectra of DOMs at different sampling sites

BIX可反映自生源DOM的生物可利用性高低。高的BIX代表着的DOM的生物利用性高和有新鲜DOM的输入（Huguet et al.，2009）。由表可知，该区土壤 DOM 的生物可利用性不高，这与前文CDOM 浓度相对较低以及三维荧光光谱中类蛋白峰不明显一致。同时，不同季节土壤DOM的生物可利用性变化不大。

腐殖化指数HIX用来表征DOM的腐殖化程度（Huguet et al.，2009），HIX＞0.8时，DOM具有显著腐殖质特征。从表2可看出，该区土壤DOM没有显著的腐殖化特征，不同季节的HIX，并未表现出显著差异，即腐殖化程度不高，这与前文 E2/E3的研究结果一致。Huguet et al.（2009）指出，当HIX小于4时，DOM腐殖化程度较弱，主要由微生物活动产生。由此可以推断微生物活动导致的DOM 变化是该区消落带土壤 DOM 地化特征改变的主要驱动力。

与三峡消落带土壤DOM相比（高洁等，2015），两者都呈现出腐殖化程度不高的特点；与环滇池流域的松华坝水库、双龙水库、柴河水库和大河水库相比（李帅东等，2017），土壤中DOM的生物可利用性都不高，都不利于土壤中微生物的活动；与胶州湾滨海湿地土壤DOM相比（訾园园等，2016），都有较强的内源特征，腐殖化程度都不高的。可见，不同区域土壤DOM的性质组成及来源存在一定的差异性。

2.4 土壤DOM的荧光光谱特征

由于该区土壤DOM的自生源特征较明显，且不同季节FI、HIX及BIX并未表现出很大差异，进一步的荧光组分辨识并未划分不同季节。结果表明该区土壤消落带DOM中有2个荧光组分（图2），分别为C1（300-350/400-450 nm）和C2（310-390/425-525 nm）。其中C1属于类富里酸物质，富里酸是一种含有大量羧基、碳水化合物和少量芳香基和烷烃的物质。C2属于类腐殖酸物质，腐殖酸是一类含有大量长链烷烃和少量芳香基和碳水化合物的物质（吴丰昌等，2008）。这两种物质与腐殖质结构中的羰基和羧基等有关，由分子结构复杂的腐殖质类产生（傅平青等，2005），一般来源于植物残体的腐烂、降解产物等（吴东明等，2015）。该区消落带在非淹水期有大量植被凋落物、在淹水期大量植被及浮游植物，这些有机质在微生物作用下可腐解为腐殖质类荧光物质。

本研究与环滇池的松华坝水库、双龙水库、柴河水库和大河水库土壤的荧光光谱相似（李帅东等，2017），都以类富里酸峰和类腐殖酸峰为主。与同是消落带的三峡消落带土壤DOM的荧光组分相比，两者并不相同（高洁等，2015）。三峡消落带土壤DOM中类蛋白组分特征较明显。这与三峡库区消落带库区退水后人类农业生产活动产生的生活污水、工业废水的大量输入、农业施肥有关。由此可见，人为活动可影响土壤DOM的性质组成，该区在改善水质的过程中，需加强对内源污染物的控制。