不同条件对湿地土壤溶解性有机质提取的影响*

2020-01-15申钊颖弓晓峰章绍康易佳璐袁少芬

环境污染与防治 2020年1期

申钊颖弓晓峰江良章绍康易佳璐袁少芬

(南昌大学资源环境与化工学院，鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西南昌 330031)

溶解性有机质(DOM)组成复杂，目前多以溶解性有机碳(DOC)浓度表征DOM浓度。有色可溶性有机质(CDOM)是DOM的重要组分，可基于光谱进行测定，其相对浓度可用波长355 nm处的吸光系数(ag(355))来表征[1],[2]416,[3-4],[5]65，有研究表明CDOM的ag(355)与DOC浓度呈显著正相关[6]3414,[7-8]。对于不同来源的DOM，吸收光谱曲线不同，特征参数及光谱斜率也不同。在研究DOM的光学特性[9]、来源[5]64和时空分布特征方面[2]417，紫外/可见光谱分析作为一种利用CDOM的ag(355)来估算DOM浓度的方法，具有快速简便的优点，目前已得到越来越多的重视和研究[10],[11]366。

目前土壤DOM的提取方法没有得到统一，不同研究者对DOM的提取在具体操作上存在一定的差异[12]。提取DOM时其含量受到提取剂的种类、提取方法、土壤类型、提取的物料比或土水质量比等条件的影响。同时提取的样品也会受到温度、pH、提取时间、提取离子浓度等因素的影响[13]。鄱阳湖消落带是典型的干湿交替水陆衔接带，具有独特的干湿交替特征，了解鄱阳湖消落带土壤和沉积物DOM特征有助于了解重金属在环境中的迁移转化规律。本研究基于CDOM紫外/可见光谱，探讨了提取剂种类、土水质量比、振荡时间、离心速率及时间、微孔滤膜种类等不同影响因素对鄱阳湖典型消落带南矶山湿地土壤及沉积物中DOM提取的影响。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

于2017年12月枯水期在鄱阳湖典型消落带南矶山区域布设1#至4#共4个采样点，其中：1#为南矶山入湖口左(湖心滩)，坐标为28°57′59.86″N，116°19′55.39″E；2#为南矶山入湖口右(水陆交错带)，坐标为28°57′58.26″N，116°20′38.7″E；3#为托山，坐标为28°57′44.82″N，116°21′41.63″E；4#为南矶大桥，坐标为28°54′24.53″N，116°15′29.12″E。选择的采样点未受人类活动干扰，采样时去掉土壤表层石头和草根，用铁锹采集0～10 cm表层土壤，以S标记土壤样品；沉积物采用金属抓斗式采样器采集，以D标记沉积物样品，分别装袋运回实验室，风干后过100目筛避光保存。供试样品理化性质见表1。

1.2 实验方法

1.2.1 DOM提取方法

取供试土壤和沉积物，按一定的土水质量比进行振荡提取，离心，取上清液过0.45 μm玻璃纤维滤膜(500 ℃下煅烧5 h)，所得滤液即为DOM提取液，采用TOC测定仪(德国耶拿multi N/C 2100)测定DOC浓度。

1.2.2 ag(355)表征的CDOM光谱扫描

取DOM提取液，在波长190～600 nm下进行紫外/可见光谱扫描(TU-1901紫外/可见分光光度计)，计算ag(355)并对ag(355)与DOC浓度进行线性回归拟合。

1.2.3 单因素实验

在固定其他条件不变时，基于ag(355)，分别考察提取剂种类、滤膜孔径、振荡时间对土壤DOM提取的影响。

1.2.4 正交实验

以CDOM含量为优化指标，采用4因素3水平正交实验，以水为提取剂，探究不同提取条件对DOM提取的影响，实验重复3次。各因素水平如表2所示。正交实验所得DOM样品经适当稀释后进行紫外/可见光谱测定。DOM样品在土水质量比为1∶2时稀释10倍、1∶5时稀释4倍、1∶10时稀释2倍，以使得提取出来的DOM理论浓度值相同。

1.3 数据处理与统计分析

参照文献[14]计算吸光系数，实验数据采用Excel、Origin、Spss等软件进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 CDOM与DOC的关系

ag(355)与DOC浓度进行线性回归拟合，得到CDOM与DOC浓度的关系，结果如表3所示。

表1 供试土壤、沉积物的理化性质

表2 因素及水平

表3 CDOM与DOC的关系

5种供试样品的ag(355)与DOC浓度的相关系数均在0.99以上，表明土壤、沉积物的CDOM与其DOC浓度呈线性正相关，与其他研究结果一致[15]。本研究所得到的相关系数高于刘丽贞等[16]对鄱阳湖水体研究得出的 CDOM与DOC浓度之间的相关系数(0.88，P<0.01)，这说明土壤、沉积物样品中的DOM含量可以用ag(355)表示的CDOM浓度来进行估算。

综合考虑DOC浓度、ag(355)、相关系数、标准偏差和残差平方和等，选择1#-S作为DOM提取条件实验的供试土壤样品。

2.2 提取剂对DOM提取的影响

分别以水、KCl溶液(0.5 mol/L)和CaCl2溶液(0.5 mol/L)为提取剂，按1.2.1节的方法进行提取(其中土水质量比为1∶10，振荡时间为16 h，离心速率4 000 r/min，离心时间15 min,过0.45 μm玻璃纤维滤膜)，对所得提取液进行紫外/可见光谱扫描，不同提取液在355 nm处的吸光度及ag(355)如表4所示。

表4 不同提取液的ag(355)比较

CaCl2溶液和KCl溶液在紫外区均有吸收，用CaCl2溶液提取的DOM紫外吸收曲线与用水提取的峰形有些相似，均在200 nm处有一吸收峰，在250～300 nm有一较小的吸收平台，但是前者吸光度明显低于用水提取的吸光度。用0.5 mol/L KCl溶液提取时，出现了负的吸收峰，表明以CaCl2和KCl溶液提取湿地土壤DOM的吸光度规律不明显，可能与土壤黏料含量、离子强度增大有关。

由于DOM通常被认为是带有负电荷的一系列复杂化合物(如低分子量的游离氨基酸、碳水化合物、有机酸等和高分子量的酶、多糖、酚和腐殖质等)组成的连续体或混合体[17-18]，因此，K+、Na+、Ca2+、H+等阳离子会竞争与土壤固相及土壤溶液中各种有机、无机配体结合。另外，离子强度的增大，也可导致DOM分子之间的负电荷被隔离而使DOM分子与矿质表面之间以及DOM分子之间的静电排斥力减小[19]。这两方面的因素都将导致土壤对DOM的吸附量增大，使得提取液中DOM浓度降低[20]，从而影响吸光度的变化。阮长林等[21]利用冷水、热水、0.01 mol/L CaCl2、2 mol/L KCl和0.5 mol/L K2SO4溶液提取0～5 cm耕地土壤(土液质量比为1∶5)时，CaCl2提取的DOC含量最少。刘凯等[22]1381和MAVI等[23]的研究均表明高盐度NaCl和CaCl2处理促进了土壤对DOC的吸附, 原因可能在于NaCl和CaCl2中的阳离子是吸附过程中的潜在影响因素[24]，阳离子可通过库仑力与带负电荷的DOM官能团结合[25]。

从水中提纯DOM是其特性、表生行为与环境效应研究的前提[11]368。从表4的数据也可看到，用水提取时，其ag(355)远高于其他提取液，故本研究选择以水来提取土壤DOM。

2.3 滤膜孔径和振荡时间对DOM提取的影响

为确定滤膜的孔径大小对提取DOM的影响，比较了在不同振荡时间下过0.22、0.45 μm玻璃纤维滤膜溶液的ag(355)，结果如图1所示。控制土水质量比为1∶10、离心速率4 000 r/min，离心时间为30 min。

图1 滤膜孔径对DOM提取的影响Fig.1 Effect of membrane pore size on extraction of DOM

从图1可以看出，采用0.45 μm滤膜所得到的提取液，其ag(355)是过0.22 μm滤膜的数倍，但随振荡时间的增加两者趋势相同，均在16 h达到最高值后趋于平稳。NOVAK等[26]用13C核磁共振(NMR)比较了过0.40、1.20 μm滤膜后DOC的结构，表明两种情况下DOC功能团的分配很相似，说明DOC的总体结构受滤膜孔径大小的影响较小。

从文献上看，对水中的CDOM研究时，多采用孔径为0.70、0.45、0.22 μm的滤膜。NIMPTSCH等[27]对3种不同孔径(0.70、0.45、0.22 μm)的不同滤膜(玻璃纤维滤膜和针头过滤器)进行比较，探讨了滤膜孔径对水中DOM和CDOM的影响，其中0.70 μm孔径的滤膜常用于普通过滤，0.45、0.22 μm孔径的滤膜常用于DOM组分的研究，结果表明所选择的滤膜种类对结果没有影响，对测定DOM组分时不同孔径的滤膜只产生微小的过滤效应。CHANTIGNY等[28]对土壤中DOM的提取采用了1.5 μm的玻璃纤维滤膜，对土壤DOM紫外/可见光谱扫描和三维荧光测定目前大多采用0.45 μm滤膜[6]3409,[22]1380。

本研究中，过不同孔径滤膜的提取液ag(355)有一定的差别，但两者的规律性变化相同，均与DOC呈现很好的线性相关关系，且过0.45 μm滤膜的提取液具有更高的相关系数。考虑本研究仅以光谱测定的ag(355)来简便地间接指示不同提取条件下DOC的浓度，且过0.45 μm滤膜的提取液具有较高的测定值及相关性，更便于比较，因此，后面的实验均选择0.45 μm孔径的滤膜。

随着振荡时间的增加，DOM的含量先迅速增加，16 h后基本处于平稳状态，故选16 h作为振荡时间。土壤成分复杂，DOM包含不同成分，每种成分溶解能力不同。振荡提取的初期，湿地表层土壤具有较多的DOM，很快被解析出来，最后趋于平衡。

2.4 水提取DOM时的最适提取条件

文献[7]研究发现，pH在2.0～8.6时基本不影响DOM的紫外吸光度的测定结果。本研究各样品的pH均在此范围内, 故不考虑pH的影响。

利用正交实验，探究提取剂为水时，土水质量比、离心速率、滤膜种类、离心时间对土壤DOM提取的影响，结果如表5所示。

表5 正交实验结果

根据正交实验结果分析可知，最佳提取条件为：土水质量比1∶10，离心速率4 000 r/min，0.45 μm玻璃纤维滤膜，离心时间30 min，此时所提取到的土壤DOM浓度最高。在该最佳提取条件下对供试样品进行提取，所得ag(355)达132.653 m-1。根据极差，土水质量比的影响最大，滤膜种类次之，离心速率再次之，离心时间影响最小。从优化指标CDOM含量变化的趋势来看，增大土水质量比、增加离心时间，CDOM的量会明显提高。

3种滤膜的成分不同。玻璃纤维滤膜呈化学惰性，不含黏合剂，采用100%(质量分数)硼硅酸玻璃纤维制造而成，可以过滤细小的颗粒。它具有极细的纤维，具有高过滤性，有较好的疏水性和生物惰性。与混合纤维素酯微孔滤膜、尼龙膜、聚偏二氟乙烯膜相比，醋酸纤维素滤膜是对过滤物质吸附量最低的过滤膜，但它在过滤过程中会引入较多的硝酸盐氮和氨氮，因而使用前需要酸处理[29]。有机溶剂微孔滤膜为一种耐各种有机溶剂的筛网型精密滤材，它基本不与水溶液中的各种有机物发生反应，在DOM提取的效果上相比玻璃纤维滤膜有较大的差距，但略好于醋酸纤维滤膜。