毛白杨落叶与不同深度土中DOM的紫外与荧光特性对比研究

赵丽，孙超，黄兴宇，罗绍河，都聪聪，董大庄，康晴晴

（1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 河南省煤炭绿色转化重点实验室，河南 焦作 454000；3.中原经济区煤层（页岩）气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；4.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

0 引 言

溶解性有机质（dissolved organic matter，DOM）是有机体在物理、化学和微生物降解过程中形成的［1-2］，普遍存在于水体、土壤和沉积物中，对生态系统有着重要作用［3］。地表植被残体对土壤有机质的输入十分普遍，对土壤理化性质有一定影响［4］。土壤有机质作为污染物在环境中迁移转化的重要载体，还会通过径流、淋溶等成为水体的一部分［3］，直接影响水体环境中污染物的生物化学行为，尤其对地下水环境的影响不容忽视。已有很多学者研究了不同类型浅层土壤中有机质的组成分布［5］，而对深层土壤及土壤中有机质的垂向分布研究较少。王丽梅［6］对人工植被恢复的荒漠区深层土壤进行有机质分布特征研究，结果证明不同植被对土壤有机质影响不同，在表层土壤中影响最为明显，在1～5 m土壤中有机质含量差异不明显；何小松等［7］对浅层土不同埋深地下水中DOM进行研究，证明DOM对中深层地下水有很大影响。以上研究探索了土壤及地下水中DOM的垂向分布特征及成因。而地表植被作为地表土壤DOM的直接输入，开展植被残体和不同深度土层DOM的对比研究，可为进一步开展土壤和地下水中DOM的分布特征以及植被残体在土中的分布和演化规律奠定基础。

毛白杨生长速度快、寿命长，具有较强的抗烟和抗污染能力，是主要的农田防护林和绿化树种，在我国华北地区广泛种植［8］。为了探讨植物落叶和土中有机物来源、组成及垂向分布特征间的作用关系，以河南省郑州市新密县毛白杨（Populus tomentosa）落叶及其种植地不同深度的土样为研究对象，采用紫外-可见光谱和三维荧光光谱等扫描技术对毛白杨落叶和土样的理化性质进行相关性分析。该研究对探索天然有机质在土壤和地下水中的分布及迁移转化规律具有重要意义。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

土样采自河南省新密王沟村某耕地（东经113°34′25″，北纬34°30′20″），距地表0.1，1，50 m深度土壤层，采用多点位等间距取样混合，得到相应深度的土壤样品，同时收集土样所在地广泛种植的防护林毛白杨落叶。土样自然风干后过2 mm筛保存备用，毛白杨落叶洗净风干，破碎后过1 mm尼龙筛，装入样品袋中保存备用。

1.2 试验方法

试验采用水平震荡法，用去离子水对样品中的DOM进行震荡提取。取5 g毛白杨落叶粉末置于250 mL锥形瓶中，加200 mL去离子水，在4℃下震荡24 h（转速120 r/min）［9］，用0.45μm滤膜进行抽滤，得到DOM提取液，编号为S1。取40 g 3种不同的土样和200 mL去离子水置于250 mL锥形瓶中，并按照土壤深度依次编号为S2，S3，S4。在4℃下震荡1 h（转速120 r/min），用0.45μm滤膜进行抽滤，得到DOM提取液。

1.3 试验仪器与测试

1.3.1 紫外-可见光扫描光谱

对土样DOM提取液和稀释50倍的毛白杨落叶DOM提取液采用岛津UV1800紫外-可见分光光度计测定紫外-可见光谱，扫描波长为200～600 nm，扫描间距1 nm。

1.3.2 三维荧光扫描光谱

对土样DOM提取液和稀释50倍的毛白杨落叶DOM提取液采用HitachiF-7000荧光光度计扫描三维荧光光谱，参数设定：激发和发射狭缝均为10 nm，激发波长（Ex）为200～400 nm，发射波长（Em）为240～550 nm，扫描间距5 nm，扫描速度12 000 nm/min。

1.3.3 其他指标

采用美国赛默飞世尔公司的Flash2000 autoanalyzer元素分析仪进行测试；溶解性有机碳（DOC）和总氮含量采用岛津Multi N/C 2100 TOC-LCSH总有机碳分析仪测试；pH采用瑞士梅特勒公司FG2-FK型pH计测试。

2 结果与分析

2.1 样品基本理化特征

依据比重法测定土壤粒径［10］，确定0.1，1 m深处为砂质壤土，50 m深处为砂土［11］。毛白杨落叶DOM提取液pH为7.07，毛白杨落叶C，N，H元素质量分数分别为40.17%，1.43%和6.02%。依据国家农业行业标准（NY/T 1121.2-2006）完成土样p H测定，由表1可知，不同深度土样的pH均大于7.0，属于偏碱性土，其中1 m深处土壤的pH略小于表层和深层土壤的，而N含量明显高于表层和深层土壤的，这可能是因为距地表1 m深处为该研究区浅层土壤中化学反应的活跃层［12］。随着土样深度增加，碳含量逐渐减少。

表1 土样的pH、氮和碳含量Tab.1 pH，nitrogen and carbon content of soil samples

2.2 紫外-可见光谱

图1为4种样品的DOM紫外-可见光谱，由图1可知，S1，S2，S3和S4样品在200～600 nm的吸光度均随着波长增加而减小。S1样品在250～300 nm有肩峰，说明毛白杨落叶DOM中存在苯环类芳香族化合物，而3个土样样品的DOM紫外-可见光谱中均无明显的特征吸收峰。光谱中波长大于230 nm的区域为不受氯化物等无机物干扰的有机物吸收区域［13］，毛白杨落叶DOM在该区域的吸光度明显高于其他样品的，并且3个土样在230～400 nm的吸光度均明显低于S1的，由此反映出土样样品的有机质含量明显低于毛白杨落叶的，这与2.1部分测试结果一致。

图1 毛白杨落叶和土样DOM的紫外-可见光谱Fig.1 UV-visible spectrogram of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

SUVA254为样品在254 nm处的吸光度与DOC的比值，可反映DOM的腐殖化程度［9，14］，该值越大，腐殖化程度越高。S2样品的腐殖化程度高于S1样品的，这与S1所在地表土中有机质含量受多年植物落叶的腐解影响有关，而深度较大的S3，S4样品的DOM腐殖化程度较低，受“外源”影响明显小于S2对应的表层土壤。

A250/A365为样品扫描光谱中250 nm和365 nm处吸光度的比值，该值越大，表明DOM的分子量和芳香性越小［15］；A253/A203为水样扫描光谱中253 nm和203 nm处吸光度的比值，可以反映芳香环的取代程度和取代基种类，该值越大，芳香环的取代程度越大［9］。由表2可知，距地表0.1～1 m，随着深度增加，A250/A365和A253/A203分别表现为增大和减小，表明深1 m的土中有机质分子量、芳香性及芳香环的取代程度均小于地表土的，说明研究用天然有机质在随降雨、地表径流下渗过程中，发生降解生成了小分子有机质，从而使S3中含有更多的小分子量芳香有机质，并且其有机质含量也明显低于地表土的。1～50 m深样品A253/A203和A250/A365的变化与上述现象相反，有机质分子量、芳香性及芳香环的取代程度均有所增加，可能是由于土壤深度增大，滋生的微生物及其腐解残体种类变复杂导致的。

表2 毛白杨落叶和土样DOM的紫外-可见光谱参数Tab.2 UV-visible spectrum parameters of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

SUVA260为A260与DOC的比值，表征疏水组分的相对含量，DOM中疏水组分越多，其参与污染物迁移转化的活性越高［3］。由表2可知，1～50 m深土壤中有机质的迁移活性明显低于地表土的；在50 m深土壤中有机质的迁移活性略高于1 m浅层土壤的，可能由于S4样品为浅层和中深层孔隙地下水的交界区域，含水量相对丰富，有机质发生降解，从而使得总有机质含量降低，疏水性有机质含量增加。

样品SUVA254和SUVA260的拟合线性方程为

判定系数为0.998，表明研究区有机质的腐殖化程度和疏水组分的相对含量呈现较好的正相关关系，说明有机质的腐化降解会使一些含芳香基、羧基、羰基等官能团的疏水性有机质含量增加。

2.3 三维荧光光谱

图2为4个样品的三维荧光光谱，图中A，B，C，T分别为富里酸峰（A峰）、微生物代谢产物峰（B峰）、腐殖酸峰（C峰）和芳香族蛋白峰（T峰）。由图2可知，毛白杨落叶DOM荧光峰以富里酸峰为主，微生物代谢产物峰和芳香族蛋白峰次之，腐殖酸峰峰强最弱，这与已有研究结果一致［9］。除了S2样品中存在较弱的B峰和T峰外，随着深度增加，S3，S4样品中B峰和T峰消失，且A峰峰强逐渐减弱。说明微生物代谢产物和芳香族蛋白等大分子有机化合物在土壤迁移过程中发生了降解或吸附，导致在深度较大的S3，S4样品DOM中未检出，而分子量较小的富里酸类有机质与研究用土的降解、吸附作用较弱，从而导致S3，S4样品DOM中仍出现有该峰，但峰强明显下降，进一步证实了研究用土中荧光类有机质的种类与当地植物落叶种类密切相关。

图2 毛白杨落叶和土样DOM的三维荧光光谱Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectrums of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

2.4 三维荧光光谱特征

DOM的来源采用荧光指数（FI，f370/450/f370/500）和生物源指数（BIX）表征。FI为激发光波长370 nm，发射波长450，500 nm时的荧光强度之比，用于评估腐殖质（尤其是富里酸）的来源［16］，J.Battin［17］和D.M.Mcknight等［180］利用FI对DOM中具有复杂发色基团的腐殖质进行溯源，陆源和生物来源DOM的两个端源FI值分别为1.4，1.9，且受pH影响不大。FI＞1.9时，DOM主要源于样品自身微生物的活动，自生源特征明显；FI＜1.4时，DOM以外源输入为主［7］。S1样品DOM的FI值在两个端值之间，存在微生物源特征，证明毛白杨落叶在环境中存在微生物降解作用；S2样品的FI值略低于端值，自生源特征比较明显，其成分和性质受植物落叶有机质影响较大；S3样品的FI值大于1.9，说明地下1 m深土壤的DOM主要为微生物活动产生，有明显的自生源特征。从土壤深0.1 m增加到1 m，土壤中微生物作用逐渐增强；S4样品DOM的FI值略低于S3的，可能与砂土中有机质含量低有关。

BIX为激发波长310 nm，发射波长为380，430 nm时荧光强度的比值，用于评估样本DOM中微生物源的相对贡献率［16］，BIX值随着β荧光团含量的增加而增加，而β荧光团与新近产生的有机质有关［19］。BIX＜0.6时，表明DOM中含有较少微生物源的DOM，随着BIX值增加，自生源特征逐渐增强，自生组分增多，BIX＞1.0时，DOM为生物或细菌活动产生，自生源特征明显［16］。表3数据显示，S1样品中有较少的微生物源有机质，与FI值结果一致。当土壤深度从0.1 m增加到1 m时，样品的自生源特征明显增强，并且数值明显高于S1的，因此在该深度范围内土壤微生物活性增加。S3样品的BIX值也明显高于S2和S4的，说明土壤深度1 m处自生源特征最明显，DOM中微生物贡献量最大。尽管深层土壤中自生源特征略弱于S3的，但依然强于表层土壤的，这与FI值变化特征一致。

表3 植被落叶和土样DOM的三维荧光光谱参数Tab.3 Three-dimensional fluorescence spectral parameters of DOM from defoliation and soil samples

综上，研究区植物落叶DOM中荧光类有机质在不同深度土层中均有所体现，对浅层土壤尤其是表层土壤的影响明显大于约50 m深土壤的，且不同深度土层中DOM的含量和物质组成也有区别。植物落叶DOM的直接输入和微生物降解作用使浅层土壤的pH略小于深层土壤的，有机质含量高于深层土壤的，可以看出，植物落叶对所在地区土壤理化性质的影响随着深度增加而减弱，微生物环境变化会导致深层土壤的理化性质与浅层的有明显差别。

3 结 论

（1）研究所用毛白杨落叶中C，N，H元素质量分数分别为40.17%，1.43%，6.02%，取得的DOM样品pH为7.07。研究区土样的pH均大于8.3，属于偏碱性土，随着研究区土壤深度增加，碳含量逐渐减少，而距地表1 m深处N含量较高，表明该深度处可能为研究区浅层土壤中化学反应的活跃层。样品的紫外-可见光谱测试结果表明，毛白杨落叶DOM样品中含有苯环类芳香族化合物，而土样DOM的紫外-可见光谱中均无明显的特征吸收峰。

（2）土样DOM的SUVA254及SUVA260测试结果表明，1 m及50 m深处土壤的DOM腐殖化程度较低，受“外源”影响明显小于0.1 m表层土壤的。从距离地表0.1 m到1 m，A250/A365和A253/A203分别表现为增大和减小，表明1 m深土壤中有机质分子量、芳香性及芳香环的取代程度都小于地表土的，说明研究用天然有机质在下渗过程中发生了降解并生成小分子量的有机化合物，而1～50 m深样品A253/A203和A250/A365变化却相反，这可能与滋生的微生物及其腐解残体有关。植物落叶和土壤的DOM样品腐殖化程度和疏水组分含量呈现显著的线性正相关关系（R2=0.998）。

（3）DOM样品的三维荧光光谱测试结果说明，毛白杨落叶DOM中有富里酸峰、微生物代谢产物峰、腐殖酸峰和芳香族蛋白峰，其中富里酸峰峰强最大。土样DOM中没有明显的腐殖酸峰，随着深度增加，微生物代谢产物峰和芳香族蛋白峰的峰强逐渐减弱，直至在50 m深土样中只出现了较弱的富里酸峰。FI和BIX计算结果表明，不同深度土样中DOM的“微生物源”特征均强于毛白杨落叶的，且深度为1 m的土壤“自生源”特征最为明显，微生物活动显著高于其他土层的。