再生水灌溉后农田土壤淋溶液DOM光谱学特征

范春辉， 辛意贝， 袁文静

1. 沈阳师范大学生命科学学院， 辽宁 沈阳 110034

2. Department of Soil and Crop Sciences, Colorado State University, Fort Collins, CO, 80523-1170, USA

引 言

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是一类具有复杂组成和功能结构的活跃载体[1]； 作为连接碳基生命和无机碳的关键纽带， DOM常常参与各种生物地球化学循环， 进而调控界面组分的环境行为和生物有效性。 一直以来， DOM关键信息的识别鉴定都是领域内的讨论热点， 但其来源多样性、 性质多变性和体系多维性也增加了相关研究难度[2]。

再生水灌溉农田是实现再生水资源化利用的重要途径[3]， 在美国、 澳大利亚、 以色列、 突尼斯等国得到了大力推广和成功应用， 我国的天津、 北京等城市早在十几年前也完成了再生水回灌农田的工程化示范。 再生水灌溉农业有其天然优势， 但灌溉过程对土壤DOM的淋溶效应不可忽视， 有可能一定程度上干扰土壤微生态系统平衡。 Gu等[4]认为： DOM可以被水流冲刷出土壤， 造成土壤性质和肥力改变。 Liu等[5]发现： 天然降雨(再生水的一类)能够影响土壤DOM含量， 但DOM的输出过程较为复杂。 现阶段， 研究者对污水源再生水作用下土壤DOM动态归趋关注较少， 而对于再生水灌溉过程农业土壤淋溶液DOM的性质识别， 更是几乎查不到系统性的参考资料。

对于再生水灌溉农业， 要全面关注灌溉前(成本核算、 策略优化等)、 灌溉中(效能识别、 异常现象等)和灌溉后(风险评估、 长期监控等)三个阶段可能出现的生态效应， 尤其对于“灌溉后”相关问题的跟踪剖析恰恰是目前亟待弥补的研究短板。 基于前期研究[6]， 以污水源再生水和河水源地表水为研究样本， 通过一维原状土柱体系模拟灌溉过程， 对土壤表面形貌、 淋溶液DOM的紫外可见光谱和三维荧光光谱进行比对， 初步掌握“灌溉后”土壤淋溶液DOM的内在差异， 以期为DOM水土界面的运移转化、 灌溉过程的效能评估和再生水灌溉农业的可持续发展提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

总有机碳分析仪(TOC-500, SHIMADZU)， 原子吸收分光光度计(Z-2000, HITACHI)， 扫描电子显微镜(TM3030, HITACHI)， 紫外可见光谱仪(TU-1901, 北京普析通用)， 荧光光谱仪(F-7000, HITACHI)。 除再生水和地表水外， 其余用水为超纯水， 化学试剂为优级纯。

1.2 样品采集

再生水取自沈阳市某污水处理厂出水口， 采样时间为2021年4月， 当天天气多云、 空气质量良、 无降雨； 该污水处理厂污水接纳范围为工业废水和生活污水， 具有区域代表性。 地表水采自浑河流域沈抚段， 以闸坝为水体采样分界点， 具体位于沈阳新立堡立交桥至东陵大桥区间河段； 采样时间为2021年5月(平水期)， 当天天气晴好、 空气质量良、 无降雨。 将水样装入棕色广口瓶后带回实验室， 放入4 ℃冰箱中保存。 实验土壤为原状取土钻(304不锈钢材质)获取的原状土柱， 采集地点为沈抚新区核心区农田地块(沈阳东陵公园和沈阳鸟岛南部)， 7日内完成全部分析测试。 再生水、 地表水和农业土壤基本理化性质见表1(数据仅适用于本文实验样品， 不具有其他代表意义)。

表1 再生水、 地表水和农业土壤基本理化性质

1.3 实验装置

采用一维柱系统分析灌溉过程的淋溶行为， 其中一维柱为有机玻璃材质圆形柱， 总柱高50 cm(满足大部分农田作物主要根系的土壤下扎和分布深度)， 柱内径5 cm。 基于前期研究， (蠕动泵)调控灌溉速率(3 mL·min-1)和灌溉时间(12 h)； 土柱表面用锡箔纸包裹(避光)， 布水板保障水体与土柱均匀接触； 柱底用尼龙筛网固定， 相关部位用胶垫密封， 确保柱中土壤不流失。 实验时， 将采集的原状土直接装柱进行后续操作。

1.4 分析方法

参考《水和废水监测分析方法》[7]和《土壤农业化学分析方法》[8]测定样品基本理化性质。 为了反映灌溉过程的整体效果， 收集12 h内的全部土壤淋溶液进行分析测试。 借助水提法(水土比5∶1)获取土壤DOM溶液， 将淋溶液过0.45 μm滤膜即得土壤淋溶液DOM样品， 总有机碳分析仪测定样品DOM含量(以DOC计)。 将灌溉前后的土壤自然风干， 导电胶固定后喷金0.5 min， 放入检测室观察表面形貌； 扫描电镜加速电压5 kV， 放大倍数1 000倍。 紫外可见光谱扫描波长200～700 nm， 扫描间隔1 nm， 狭缝宽1.5 nm， 扫描速度400 nm·min-1。 荧光光谱光源为150 W氙灯， 激发波长200～500 nm， 发射波长200～700 nm， 光电倍增管(PMT)电压550 V， 扫描速度1 200 nm·min-1。

1.5 质量控制

实验器皿使用前经浓度为10%的HNO3浸泡24 h， 超纯水反复洗净后备用。 所用仪器均已充分预热， 以获取稳定的工作状态。 为避免二次瑞利散射的干扰， 出射光加290 nm截止滤光片； 以超纯水为空白， 样品荧光光谱数据都同时扣除空白值。 每个实验样品平行测定三次， 以均值为最终结果。 利用Origin软件处理数据并绘图。

2 结果与讨论

2.1 土壤扫描电镜结果分析

对灌溉前后的土壤表面形貌进行分析， 结果见图1。 总体上看， 灌溉前的土壤骨骼颗粒呈现不规则团聚形态， 轮廓清晰， 棱角分明， 颗粒边缘具有一定磨圆度[图1(a)]； 团聚体中包含块状、 条状、 棒状、 片状、 粒状等多形态微粒， 或紧密重叠， 或交替排列， 结构性和完整性较好。 经再生水和地表水灌溉后， 土壤团聚体结构松散， 表面均一度变差， 细粒组分趋于定向聚集和重新粘结， 呈现更加粗糙的表观特性[图1(b,c)]， 这主要源于灌溉过程的水力分散作用、 土壤颗粒的再聚集和再压实效应； 再生水灌溉和地表水灌溉对土壤形貌的影响相差不大。

2.2 灌溉过程对土壤和淋溶液的影响

灌溉前后土壤和淋溶液的有机质及DOM含量见表2。 可以看出： 农业土壤有机质的剖面分布具有一定规律， 即有机质含量随土壤深度增加逐渐降低， 体现出土壤有机质的表聚性， 同时也暗示了土壤发生学和生态气候学信息。 土壤DOM在10～20 cm剖面分布最多； 经再生水和地表水灌溉后， 0～30 cm土壤有机质和0～20 cm土壤DOM含量增幅明显， 再生水的贡献较地表水更突出， 这源于表层土壤对水中有机物的截留和累积效应[9]。 土壤其他剖面相关参数变化不大， 甚至较灌溉前有所降低； 原因在于水中大部分有机物被表层土壤吸附阻滞， 此时水体对深层土壤的冲刷和淋溶过程占据优势。 为了便于表述， 将再生水和地表水灌溉产生的土壤淋溶液分别记为A水样和B水样(下同)。 由表2可知： A水样和B水样DOM浓度分别为1.68和2.01 mg·L-1， 低于相应原始值(2.92和4.36 mg·L-1)， 进一步证实了土壤对灌溉水DOM的留存作用。

图1 灌溉前后的土壤表面形貌

表2 灌溉前后土壤和淋溶液的有机质及DOM含量

2.3 土壤淋溶液DOM紫外可见光谱分析

灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可见吸收光谱见图2。 A水样和B水样DOM的UV-Vis曲线非常接近， 其中： 217 nm(A水样)和221 nm(B水样)为无机离子(硝酸盐、 溴化物等)吸收峰； 240～270 nm区间吸收平台与DOM不饱和双键共轭结构有关； 280 nm附近出现π→π*跃迁弱吸收平台， 代表DOM木质素磺酸及衍生物等相关组分； 除此之外， 并没有检测到其他特征峰。 此结果与笔者之前证实的地表水和表层沉积物DOM图谱有相似之处[7]， 暗示了异源DOM光谱表征方法的通用性和可借鉴性。

图2 灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可见吸收光谱

对土壤淋溶液DOM紫外可见光谱特征参数进行分析， 结果见表3。 A水样DOM的SUVA254， SUVA260和SUVA280数值都小于B水样， 分别对应A水样DOM芳香化程度更低、 疏水性有机组分含量更低和芳香化合物含量更低(结构更简单)的特性。 B水样DOM的E253/E203值大于A水样， 说明B水样DOM芳香环取代基中脂肪链所占比例较低， 芳香环上羧基、 羟基和羰基等取代基比例较高。 A水样DOM的E2/E3值略小于B水样， 表明A水样DOM相对分子质量更大；E2/E3值都大于3.5， 表明两种水样DOM中富里酸含量高于胡敏酸。 B水样DOM的E2/E4值高于A水样， 暗示B水样DOM分子缩合度更低， 而较高的E4/E6值则可能意味着B水样DOM苯环C骨架聚合程度较小[10]。

2.4 土壤淋溶液DOM三维荧光光谱分析

灌溉后土壤淋溶液DOM三维荧光光谱见图3。 研究发现： 图谱中只出现一处较明显荧光峰， 位于Ex/Em=260/420 nm[A水样见图3(a)]和Ex/Em=270/430 nm[B水样见图3(b)]附近， 对应的荧光强度(无量纲)分别为1 018和1 276； 该特征峰可表征类腐殖质， 多来源于土壤或与土壤有关的有机物[11]。 两种水样DOM均未检测到类蛋白、 类氨基酸或其他组分特征峰。 笔者之前分析过污水源再生水DOM的三维荧光光谱， 谱图中发现类酪氨酸、 类色氨酸和类腐殖质特征峰； 经与本文结果比对， 推测再生水氨基酸类物质可能被(灌溉过程)截留于土壤体系。 上述结果同时表明： 自生源(内源) 可能对土壤淋溶液DOM贡献更大， 而灌溉水输入(外源)对淋溶液DOM的影响有限。

表3 灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可见特征参数

图3 灌溉后土壤淋溶液DOM三维荧光光谱

通过荧光指数(FI)、 腐殖化指数(HIX)、 生物源指数(BIX)和荧光效率(Feff)揭示土壤淋溶液DOM的来源特征[13]， 结果如表4所示。 FI值分别为1.69(A水样)和1.84(B水样)， 依据自生源临界值(FI>1.9)和陆源临界值(FI<1.4)进行判别， 证实土壤淋溶液DOM为混合来源， 即存在微生物代谢和人类活动的共同影响。 A水样DOM的HIX值小于4， 说明其自生源作用明显， 腐殖化特征较弱， 这与表3的SUVA254结论相符； B水样DOM的HIX值介于4～6之间， 代表DOM归属为较强生物内源和较弱陆地外源。 A水样和B水样DOM的BIX值小于1， 表明DOM具有较强自生源特征。 B水样DOM的Feff值相对更高， 推测其中含有更多活性官能团， 可能与微生物降解活动有关。

农业灌溉后土壤淋溶液DOM的指纹信息具有指示作用， 对于判断DOM微观生态位、 土壤组分水力弥散和异质圈层生态响应较为有效。 在本研究条件下， 再生水和地表水灌溉能够增加表层土壤有机质和DOM含量， 这与同类研究结果基本吻合[13]。 值得注意的是， 尽管灌溉水源(再生水和地表水)理化性质不同， 但灌溉后土壤淋溶液DOM的UV-Vis和3D-EEMs图谱比较相似。 广义的水体DOM包括类腐殖质、 类氨基酸、 糖类、 类蛋白、 木质素等组分； 其中的糖类和类蛋白易被分解， 木质素多源于特定行业(造纸、 印染等)废水和新鲜植物碎屑。 实际上， 本研究使用的两种灌溉水源DOM以类腐殖质和类氨基酸为主， 这一点已被以往研究。 类氨基酸具有丰富的功能基团和较高生物活性， 常常扮演土壤组分合成的媒介或前体， 这种特性也决定了其与土壤体系的优良结合潜力[14]。 鉴于此， 本研究土壤淋溶液DOM仅出现类腐殖质荧光峰， 以及紫外和荧光谱图的高度类似也不难理解。 相应特征参数还是暗示了DOM的微观差异， 比如芳香度、 相对分子质量、 分子缩合度和来源特征等， 说明谱学识别与化学分析结合使用才能取得全面的科学论据。

表4 灌溉后土壤淋溶液DOM荧光参数

本研究结果具有一定学术价值， 但也同步衍生出如下理论问题。 第一， 灌溉过程(外源和内源)DOM在不同土层间的动态演替和截留分配， 体现了DOM的时空变异特质； 第二， 土壤和淋溶液DOM精细组分的分离和提纯， 有助于深度认知DOM的分子结构和表生行为； 第三， 淋溶液DOM光谱参数与土壤性质的相关性检验， 能够为灌溉淋溶的关键过程和驱动机制提供参考。 后续将以此为切入点， 剖析DOM的“水(源)—土(介质)—水(汇)”循环路径， 为生态系统碳库格局、 碳流迁移等关键生物地球化学过程提供证据支持。

3 结 论

经污水源再生水和河水源地表水灌溉后， 农业土壤团聚体结构松散、 表面粗糙， 细粒组分趋于聚集和粘结。 灌溉过程可以增加土壤有机质(0～30 cm)和DOM(0～20 cm)含量， 推测表层土壤能够截留灌溉水中有机物。 UV-Vis谱图的240～270 nm区间出现吸收平台， 表明DOM不饱和双键共轭结构； 再生水源土壤淋溶液DOM芳香化程度低、 结构简单， 两种淋溶液DOM中富里酸含量高于胡敏酸。 3D-EEMs图谱的荧光峰为类腐殖质特征峰， 荧光参数说明土壤淋溶液中DOM内源性突出； 地表水源土壤淋溶液DOM中的Feff值略高， 暗示其中含有更多活性基团。 相关结果可以为灌溉过程土壤碳素的流转归趋和生态效应提供参考。