土壤溶解性有机物的动态变化对水溶态铜的影响

2021-12-08石含之刘帆黄永东吴志超李富荣徐守俊邓腾灏博文典王旭王富华江棋杜瑞英

生态环境学报 2021年9期

石含之，刘帆*，黄永东，吴志超，李富荣，徐守俊，邓腾灏博，文典，王旭，王富华，江棋，杜瑞英**

1. 广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所，广东广州 510640；2. 农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东广州 510640；3. 农业农村部农产品质量安全检测与评价重点实验室（广州），广东广州 510640；4. 广东省农业环境与耕地质量保护中心（广东省农业农村投资项目中心），广东广州 510640

城市和工业化进程导致中国土壤污染问题日益严重（Yang et al.，2021）。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示：中国土壤污染总的点位超标率为 16.1%，其中耕地土壤铜的点位超标率高达2.1%（环境保护部国土资源部，2014）。铜是植物生长所必需的微量元素，但土壤中过量的铜会对植物生长产生危害。土壤中铜的毒性及生物有效性不是由总量决定，而是由其形态决定。水溶态铜活性最高可被植物直接吸收利用，从而受到广泛的关注（丛源等，2009；杨新明等，2019）。

土壤溶解性有机物（DOM）在操作上的定义是：用超纯水提取，并可通过0.45 μm滤膜的有机分子（Zsolnay，2003；Strobel et al.，2005）。土壤DOM的含量常用溶解性有机碳（DOC）含量来表示（Christiansen et al.，2015；Venegas et al.，2016）。通常土壤 DOM 中低分子量有机酸的含量小于10%，包括脂肪类、芳香类等有机一元、二元及三元酸（Strobeli，2001；Antoniadis et al.，2017；Borggaad et al.，2019），且大部分的土壤DOM由富啡酸组成。虽然溶解性有机质占土壤总有机质的比例很低，在土壤溶液中DOM含量的范围一般在0—80 mg·L−1（陈同斌等，2002）。但其中溶解性有机碳、氮活性最高、周转最快，同时可与土壤中的重金属发生化学反应，影响重金属的迁移、转化及生物有效性，从而改变其生态风险（Chen et al.，2012；祝亮等，2008；常单娜等，2017）。因此研究土壤溶解性有机质的动态变化对水溶态铜的影响，对于了解铜在土壤中的迁移、转化规律具有重要意义（王育来等，2013）。紫外-可见光谱技术具有快速、灵敏度高、成本低、样品不被破坏且无需分离等优点被广泛应用于土壤DOM性质的研究。特征性紫外光谱吸收值、紫外光谱吸收比等参数可以用来估测DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度及分子量大小等，这些参数可以很好地反应 DOM的性质变化（Dilling et al.，2002；He et al.，2011；常单娜等，2017）。

土壤中铜污染修复的方法有很多，其中原位的化学钝化方法是最普遍、效果最显著的方法之一。过去有研究报道，有机质对铜有较强的吸附能力（Alcacio et al.，2011；Shaheen et al.，2014；Shaheen et al.，2018）。秸秆作为一种常见的农业废弃物，还田后可减少焚烧带来的环境污染，同时可以提高土壤肥力、钝化土壤中铜离子。进入到土壤中的秸秆在分解过程中产生溶解性有机物，进而对土壤中铜的化学行为产生影响。以往研究大多关注几小时到几十天范围内，外源铜与土壤组分的相互作用（Meers et al.，2005；祝亮等，2008），但长时期秸秆分解过程中产生的溶解性有机物的动态变化对水溶性铜的影响研究较少。基于此，本研究选取中国由南向北分布的3种理化性质差异较大的地带性土壤，分别为红壤、褐土及黑土，设计向土壤中添加秸秆、铜的土壤培养实验。期望得到秸秆分解过程中，各类型土壤中溶解性有机物含量及紫外光谱特性的动态变化对水溶态铜含量的影响。本研究可为不同类型土壤中外源铜污染风险评估及修复提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 土壤培养实验

供试土壤为湖南长沙红壤、河南郑州褐土及黑龙江海伦黑土。3种土壤均为旱地。红壤的成土母质为第四纪红色黏土；褐土的成土母质为黄土母质；黑土的成土母质为第四纪黄土母质。供试秸秆为无重金属污染的水稻秸秆，其有机碳含量为796.7 g·kg−1，Cu 含量为 6.13 mg·kg−1。将风干土壤过 2.54 mm（10目）筛后置于陶瓷盆钵中，每个盆钵装土量为1 kg。实验分为两个处理：对照处理和秸秆处理，每个处理设置3个平行。其中，对照处理只添加 200 mg·kg−1的 Cu(NO3)2溶液，铜离子的添加量为200 mg；秸秆处理是在土壤中添加质量分数5%水稻秸秆（小于2 mm的粉末）后添加200 mg·kg−1的Cu(NO3)2溶液。土壤在温室条件下培养，温度保持在 (25±2) ℃，定期补充水分，控制土壤含水量保持在田间持水量的60%。土壤培养时间为12个月，每4个月取样一次。每次取样前，将盆钵中的土壤混合均匀，然后取出100克土壤。供试土壤性质见表1。

表1 土壤的物理化学性质Table 1 Soil physiochemical properties

1.2 可溶性有机物的提取及测定

称取土样 2 g，加入去离子水 10 mL，200 r·min−1，25 ℃条件下振荡 24 h 后离心（4000 r·min−1）并通过 0.45 μm 滤膜收集滤液，整个过程注意避光。利用总碳-总氮分析仪测定滤液中有机碳、氮的含量。

溶解性有机物的紫外光谱特性：将DOM浸提液置于比色皿中，用超纯水调零。设置紫外分光光度计在200—800 nm区域内读取DOM的吸光度，读数间隔为1 nm。得到不同波长下DOM的吸光值后，计算 A253/A203，A240/A420，A250/A365，A300/A400，用来表征DOM不同的特性（Gao et al.，2018；常单娜等，2017）。

1.3 水溶态铜的提取及测定

称取1.00 g土壤样品于离心管中，加入10 mL超纯水，在25 ℃及200 r·min−1条件下在摇床上振荡 2 h 后取出。于 4000 r·min−1下离心 15 min 后，将上清液过0.45 μm的滤膜，用原子吸收光谱（安捷伦，AA240Duo）测定滤液中铜含量。

1.4 数据处理

采用双尾检验进行处理间差异显著性分析，LSD法检验。将土壤中溶解性有机物的紫外光谱特性、DOC和DON含量与水溶态铜含量进行多元线性逐步回归分析。数据处理软件为SPSS 17.0。

2 结果与分析

2.1 土壤DOC、DON含量

土壤中可溶性有机碳（DOC）含量如图1所示。培养4个月后，黑土中DOC含量最高，红壤中的最低，且黑土中的含量是红壤中 DOC含量的 1.7倍。培养的第8—12个月，褐土中的DOC含量在3种土壤中最高。加入秸秆后土壤中 DOC含量较对照处理显著增加，在红壤、褐土及黑土中增加的幅度分别为 292%—567%，107%—202%和 114%—141%。3种土壤的对照处理中，DOC含量随时间变化不大，但秸秆处理中DOC含量随时间逐渐下降。

图1 土壤中水溶性有机碳（DOC）含量Fig. 1 Concentration of dissolved organic carbon (DOC)in soils

土壤中DON含量图2所示。培养4个月后褐土中水溶性氮（DON）的含量最高，黑土中含量最低，且褐土中DON含量是黑土中的2倍。在培养的后8个月，红壤中DON含量最高，约是褐土中DON的1.2倍，黑土的1.4倍。加入秸秆后，前8个月内3种土壤中DON含量较对照均有显著下降。其中，DON在红壤中下降了88%—90%，褐土在培养后的第4个月下降的幅度较大，幅度为93%，培养8个月DON下降幅度降低为47%。黑土中DON受秸秆的影响与褐土中DON的变化相似，培养后4个月DON下降的幅度为88%，8个月下降幅度为62%。秸秆处理中，红壤和褐土的 DON在培养后的第 12个月较对照显著增加，在两种土壤中增加的幅度分别为28%和22%。黑土中秸秆处理在培养12个月后与对照没有显著差异。

图2 土壤中水溶性有机氮（DON）含量Fig. 2 Concentration of dissolved organic nitrogen (DON) in soils

在对照中，黑土的DON含量随时间逐渐增加。红壤和褐土对照中，DON含量在 8个月内保持稳定，第8—12个月下降。加入秸秆后，3种土壤中DON含量随时间逐渐增加。红壤、褐土及黑土中，培养12个月后DON含量较4个月时增加的幅度分别为8.5、16.7、15.2倍。

2.2 土壤DOM的紫外光谱特性

土壤的紫外光谱特性结果如表2所示。A253/A203反映分子结构和取代基情况，与取代基的复杂程度呈正相关。A253/A203在红壤中最低，褐土中最高。加入秸秆A253/A203在3种土壤中均增大，其中在红壤中增加的幅度最大，其值与褐土中结果接近。3种土壤不同处理中A253/A203值在培养后的12个月内保持稳定。

表2 土壤DOM紫外光谱特性Table 2 The UV-VIS characteristics of DOM in soils

A240/A420与A300/A400均与有机质的分子量与团聚化程度均呈负相关。这两个比值在红壤中最高，褐土中最低。秸秆显著降低了 3种土壤中A240/A420值和A300/A400。在红壤和褐土的对照处理中，A240/A420值在培养后4—8月内增加，随后逐渐下降。黑土对照处理中A240/A420值随时间逐渐增加。3种土壤的秸秆处理中，A240/A420随时间逐渐增加。3种土壤不同处理中，A300/A400值在培养的0—12个月保持稳定。

A250/A365与有机质的芳香性及分子量大小呈负相关。A250/A365在红壤中最高，褐土中最低。秸秆使3种土壤中A250/A365值较对照显著下降。3种土壤不同处理中，A250/A365值随时间逐渐增加，但对照处理中该值的增加幅度要高于秸秆处理。

2.3 土壤水溶性Cu含量

图3所示为不同培养时期土壤中水溶态铜含量。水溶态铜含量在褐土中含量最高，红壤中含量最低。在整个培养时期，水溶态铜在3种土壤的对照中变化均不显著。与对照相比，红壤、褐土和黑土的秸秆处理中的水溶态铜含量分别显著增加 4.4—12.8、1.9—4.0和 0.5—2.4倍。老化时间对3种土壤中水溶态铜含量有相似的影响，即从第 4—12个月，水溶态铜含量急速下降。

图3 土壤中水溶态铜含量Fig. 3 Concentration of water-soluble Cu in soils

土壤中水溶态铜的影响因素如表3所示。经过多元线性逐步回归分析，我们发现3种土壤中溶解性有机碳含量与水溶态铜含量呈极显著正相关，在红壤、褐土和黑土中R2分别为0.962，0.898和0.810，P值均小于0.05。

表3 土壤水溶态铜的影响因素Table 3 The factors controlling water-soluble Cu in soils

3 讨论

在对照中，水溶态铜含量在褐土中含量最高，红壤中含量最低。可能原因是，红壤中粘粒含量较褐土高，粘粒组分因比表面积大，且其上含有羟基、羧基等官能团可固定铜离子（Li et al.，2020）。同时溶解性有机碳含量较褐土低，多元线性逐步回归分析显示，水溶态铜的含量与溶解性有机碳含量呈显著正相关。黑土中水溶态铜含量较褐土低，原因可能是黑土中固态有机碳含量较高，同时阳离子交换量和粘粒含量较褐土高，对铜离子的吸附及固定起积极作用。加入秸秆后，3种土壤中溶解性有机碳的含量较对照显著增加，一方面秸秆进入到土壤中后分解产生溶解性有机物；另一方面，由于“激发效应”，秸秆的分解也促进了土壤中原有有机质的分解（Kuzyakov，2010；Gao et al.，2018）。培养后的8个月内，3种土壤中溶解性有机氮的含量较对照显著降低，这是激发效应会使土壤中微生物活性增强，大量消耗溶解性有机氮。上述结果显示在激发效应过程中，微生物优先利用溶解性有机氮，前人也有研究结果与我们一致（汤宏等，2013）。在外源铜老化的12月内，3种土壤的对照处理中，水溶态铜含量的变化幅度不大。但秸秆处理中，3种土壤中水溶态Cu含量均随时间逐渐下降，在红壤、褐土和黑土中，下降的幅度分别为51.8%，53.2%和 59.6%。多元线性逐步回归分析的结果也显示，土壤中水溶态铜的含量仅与 DOC含量呈正相关。可能原因是，土壤中 DOC含量随时间逐渐减小，与土壤溶液中铜离子络合的量降低（Cui et al.，2008；祝亮等，2008）。

秸秆使溶解性有机物的A253/A203值较对照显著增加，说明芳香环取代基中羰基、羧基及脂类的数量增加；随时间推移该比值逐渐下降，反映出溶解性有机物中取代基的脂肪链数量增多，复杂程度增加。A240/A420较对照下降，表明溶解性有机物的团聚化程度增强，但团聚化程度随时间的推移而逐渐减弱。3种土壤中溶解性有机物的A250/A365值较对照显著下降，但随时间逐渐增加，说明溶解性有物的芳香性增强，分子量增加，但随时间推移，这两项指标逐渐降低。A300/A400同样反映溶解性有机物的分子量和团聚化程度（Dorado et al.，2003）。该结果与A250/A365反映的情况一致。以往有研究发现，向土壤中加入绿肥后土壤中 DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度及分子量增加，即有机碳的稳定性增强（常单娜等，2017），这与我们的研究结果一致；但随时间推移，本发现 DOM的分子量及稳定程度降低。这可能是由于秸秆分解过程中，溶解性有机物成分中活性较高、分子量较小的有机物被微生物利用，如单糖、氨基酸、小分子有机酸、碳水化合物等，而溶解性有机物成分中难降解的、分子量大的木质素、纤维素、半纤维素、腐殖质及芳香类化合物的比例升高。随后，微生物利用溶解性有机物中难降解、分子量大的有机物，使得溶解性有机物的分子量降低。

溶解性有机物中含有羧基、羟基、酚基等可与重金属作用的官能团，因此可对重金属的行为产生影响（Borggaard et al.，2019；祝亮等，2008）。秸秆处理使水溶态铜含量较对照显著增加。在秸秆分解初期，产生较多的亲水性小分子物质，并与Cu2+络合形成DOM-Cu络合物，从而增加Cu在溶液中的含量（Cui et al.，2008）。随时间推移，3种土壤的不同处理中，水溶态 Cu含量逐渐减少，与之前的研究结果一致，即在“老化”过程中其可浸提性、迁移性及生物有效性等会随时间的推移而逐渐降低（Li et al.，2018；Shi et al.，2018；石含之等，2019）。溶解性有机物的 A250/A365，A300/A400的结果显示，3种土壤不同处理的溶解性有机质的腐殖化程度及分子量随时间逐渐降低。之前的研究表明溶解性有机物中低分子量及亲水性组分对重金属的络合能力较强，从而抑制土壤对重金属的吸附，使土壤溶液中水溶态重金属含量增加；而高分子量组分则与重金属形成难溶性络合物从而使土壤固相组分对它的吸附增加（Gu et al.，1995；Kaiser et al.，1997；白瑛，1986）。本研究多元线性逐步回归分析的结果显示：土壤中水溶性铜的含量与溶解性有机碳的含量呈极显著正相关。因此，3种土壤的秸秆处理中水溶态铜含量随时间逐渐下降原因，一方面是DOM的分子量和芳香性降低，另一方面是 DOC含量下降。但多元线性逐步回归分析的结果显示：在几个考察的因素中，DOC含量是影响水溶态铜含量的唯一因素。上述结果说明与溶解性有机质的性质相比，其含量对水溶态铜的含量影响更大。本研究也给实际生产应用带来启示：由于水溶态铜含量受溶解性有机物的含量影响最大，在对铜污染农田安全利用时，需要考虑有机物在土壤中的分解特性，防止土壤中水溶态铜含量增加过多，致使农产品铜含量超标。