消落帶夏冬季土壤溶解有機(jī)質(zhì)的組成特征及來源

郝蓉 ，徐召玉，沈祠福，伍玉鵬，宋艷暾，張金良

1. 農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；

2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3. 天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300191

溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）廣泛存在于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中，是一類由腐殖酸、蛋白質(zhì)、氨基酸及多糖等物質(zhì)組成，化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物混合體。由于其活躍的化學(xué)組分，在碳的物質(zhì)循環(huán)、污染物的遷移轉(zhuǎn)化、生物降解等方面發(fā)揮重要作用，是環(huán)境科學(xué)與地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)（何偉等，2016；Aiken et al.，2011）。目前國內(nèi)外對(duì)DOM的組成、分布特征及來源等做了很多研究，但主要集中在水體中，相比之下，有關(guān)土壤/沉積物DOM的結(jié)構(gòu)組成和來源相對(duì)較少（Chen et al.，2015）。

消落帶作為水庫水質(zhì)安全的最后一道保障，在改善水體質(zhì)量方面有重要作用。消落帶土壤 DOM可經(jīng)地表徑流、淋溶及淹水釋放等途徑進(jìn)入水體，進(jìn)而影響水環(huán)境中DOM的性質(zhì)及其與其他污染物的環(huán)境行為。已有研究表明，溫度、濕度、微生物等均可對(duì)DOM的組成性質(zhì)等產(chǎn)生影響（Ewa，2018；呂偉偉等，2018；Wang et al.，2014）。消落帶的“干濕交替”使得土壤的溫度、濕度、微生物等變化有明顯的季節(jié)特征，盡管目前已有一些關(guān)于消落帶土壤DOM的研究報(bào)道（梁儉等，2016；高潔等，2015；李璐璐等，2014），但不同季節(jié)消落帶土壤DOM的性質(zhì)組成及來源差異還未見報(bào)道。

近年來，光譜技術(shù)在分析DOM的組成信息方面具有靈敏度高、信息量大、識(shí)別精準(zhǔn)、且不破壞樣品原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。基于此，本研究選擇南水北調(diào)中線工程-丹江口水庫庫區(qū)消落帶的表層土壤，通過紫外-可見光譜和三維熒光光譜法-平行因子分析法（EEMS-PARAFAC）相結(jié)合的技術(shù)方法，探討不同季節(jié)消落帶土壤DOM的組成結(jié)構(gòu)和來源，以期為該區(qū)重金屬和有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化和土壤及水體修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

丹江口水庫位于丹江口市漢江干流與其支流丹 江 口 交 匯 處 （ 32°36′-33°48′N ， 110°59′-111°49′E），集水面積 9.52×104 km2，總庫容量達(dá)408.5×108 t。該區(qū)屬我國北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15-16 ℃，無霜期230-250 d，年均降水量800-1000 mm。土壤以黃棕壤為主。地帶性森林植被為亞熱帶常綠闊葉林。由于周期性淹水，消落帶內(nèi)的原生植被已破壞殆盡，現(xiàn)有植被以灌叢和草被為主。自通水以來，截止2018年3月已累計(jì)向北方供水120億m3，直接受益人口超過5310萬。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

根據(jù)研究目的和地形特征，本研究于2017年8月和2018年1月，在大壩上游核心區(qū)兩岸的消落帶進(jìn)行采樣，其中樣點(diǎn)1-8在為夏季樣品，9-11為冬季樣品。每個(gè)樣點(diǎn)在采樣區(qū)內(nèi)按蛇形采樣法隨機(jī)采取多個(gè)表層土（0-10 cm）混勻，取土后迅速將土樣裝入密封帶帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、過篩后備用。

DOM 樣本提取采用水土振蕩提取法。準(zhǔn)確稱取4 g風(fēng)干土于離心管中，按水土比10∶1加入一定量超純水，25 ℃下振蕩提取，4000 r·min-1離心后，上清液過 0.45 μm 醋酸纖維濾膜，所得濾液即DOM，4 ℃保存棕色瓶備用。

1.3 光譜測(cè)定與分析

溶解性有機(jī)碳（DOC）采用總有機(jī)碳分析儀（島津 TOC-VCPH型）測(cè)定，單位 mg·L-1。吸收光譜使用光度計(jì)（島津UV-3600）進(jìn)行測(cè)定，方法如下：以Millipore超純水（18.2 MΩ·cm）作空白，用10 mm石英比色皿在230-800 nm范圍內(nèi)掃描，間隔1 nm。三維熒光光譜采用熒光分光光度計(jì)日立 F-4600測(cè)定，方法為：以Millipore超純水（18.2 MΩ·cm）作空白，激發(fā)波長(zhǎng)（Ex）范圍為200-450 nm，增量5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)（Em）范圍為250-600 nm，掃描速率為2400 nm·min-1，光電倍增管電壓設(shè)定為800 V，光源為150 W無臭氧氙弧燈，系統(tǒng)自動(dòng)校正瑞利和拉曼散射。本研究采用的相關(guān)光譜參數(shù)如表 1所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 平行因子算法

平行因子算法（PARAFAC）是基于三線性分解理論采用最小二乘算法原理的一種數(shù)學(xué)模型。將一個(gè)三維i×j×k數(shù)據(jù)陣X分解為3個(gè)矩陣：A、B和C（Olivieri，2005）。其分解模型可表示為：

式中，N為對(duì)體系有實(shí)際貢獻(xiàn)的獨(dú)立熒光成分?jǐn)?shù)，K為樣本數(shù)，I為激發(fā)波長(zhǎng)數(shù)，J為發(fā)射波長(zhǎng)數(shù)，所有樣本的 EEMs構(gòu)成三維數(shù)陣 X(I×J×K)。Xijk是三維響應(yīng)數(shù)陣X中的元素，它表示第k個(gè)樣本在激發(fā)波長(zhǎng)為 i、發(fā)射波長(zhǎng)為 j時(shí)的熒光強(qiáng)度。ain、bjn及ckn分別為負(fù)載矩陣A、B及C中的元素。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P＞0.05表示未達(dá)到顯著檢驗(yàn)水平；0.01＜P＜0.05為顯著水平，P＜0.01為極顯著水平。

表1 本研究中紫外-可見光譜和熒光光譜參數(shù)描述Table 1 Description of ultraviolet-visible absorption and fluorescence spectrum parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 不同季節(jié)土壤CDOM與FDOM

有色溶解性有機(jī)物（Chromophoric dissolved organic matter，CDOM）作為DOM的重要組成部分，一般用吸收系數(shù)a(355)表征CDOM濃度。從圖1可知，研究區(qū)域消落帶土壤不同樣點(diǎn)的 a(355)存在一定差異，變化范圍為4.38-33.89 m-1，這可能與不同樣點(diǎn)土壤的理化性質(zhì)及土地利用方式有關(guān)；不同樣點(diǎn)在不同季節(jié)的 CDOM 有一定差異，冬季土壤CDOM普遍要高于夏季土壤CDOM，這與消落帶的冬季淹水使植被發(fā)生了腐爛分解密切相關(guān)（劉新等，2017）。與三峽庫區(qū)消落帶相比（高潔等，2015），該區(qū)土壤 CDOM 要遠(yuǎn)低于三峽庫區(qū)消落帶。與國內(nèi)大多數(shù)水體相比（王福利等，2010；閆麗紅等，2013；劉明亮等，2009；Chen et al.，2005；Chen et al.，2004），該區(qū)土壤CDOM濃度較高，說明土壤較水體而言是有機(jī)碳的主要碳庫（Schmidt et al.，2011），這部分 CDOM 可經(jīng)地表徑流、淋溶和淹水釋放等途徑可進(jìn)入水體，是水體CDOM的重要來源之一。由于CDOM可決定水體光學(xué)性質(zhì)，保護(hù)生物免受傷害；同時(shí)可影響該區(qū) C、N、P等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)（Winterdahl et al.，2014），因此，冬季淹水期的 CDOM 對(duì)水體的影響將是未來研究重點(diǎn)。

熒光溶解性有機(jī)物（Fluorescent dissolved organic matter，F(xiàn)DOM）為DOM中具有熒光特性的組分，一般以 Fn(355)代表熒光物質(zhì)相對(duì)濃度。圖1表明該研究區(qū)域土壤DOM熒光強(qiáng)度Fn(355)變化范圍為18.11-56.63 a.u.，冬季和夏季Fn(355)的差異并不顯著。盡管FDOM是CDOM吸光后發(fā)出熒光的部分，但本研究中，不同季節(jié)FDOM差異并不顯著。這可能是由于并非所有 CDOM 吸光后都會(huì)發(fā)出熒光，同時(shí) CDOM 可通過光化學(xué)過程被降解，轉(zhuǎn)變成非吸光組分（Vodacek et al.，1997）；微生物也可以吸收非吸光組分，產(chǎn)生吸光組分（Nelson et al.，2004）。

圖1 不同樣點(diǎn)CDOM和FDOM的濃度Fig. 1 Concentration of CDOM and FDOM at different sampling sites

2.2 不同季節(jié)土壤DOM的組成及結(jié)構(gòu)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，該區(qū)消落帶土壤DOM的SUVA254范圍為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疏水性組分的含量，SUVA260值越大，DOM所含的疏水性組分越多。該區(qū)土壤DOM的SUVA260范圍為 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疏水性和其環(huán)境反應(yīng)活性密切相關(guān)，所含疏水性組分越多，其參與污染物遷移轉(zhuǎn)化的活性可能就越高（Del Castillo et al.，1999），可見，淹水期間土壤DOM參與污染物環(huán)境過程的可能性要高。SUVA280可以表征DOM的芳香性，值越大，芳香性越高。該區(qū)土壤 DOM的SUVA280范圍為0.85-3.31L·mg-1·m-1，同樣，冬季土壤 DOM 的 SUVA280高于夏季。這與該區(qū)冬季淹水特征有關(guān)，研究已表明淹水可使水中植物發(fā)生腐爛分解，這一過程會(huì)產(chǎn)生大量芳香性化合物（He et al.，2008）。由此可以推斷，消落帶冬季淹水期間產(chǎn)生的DOM對(duì)污染物環(huán)境行為的影響較夏季落干期要大。

表2 不同樣點(diǎn)DOM紫外-可見光光譜表征參數(shù)Table 2 Characteristic values of ultraviolet-visible spectra of DOMs at different sampling sites

E2/E3可用于表征有機(jī)質(zhì)腐殖化程度。當(dāng)E2/E3＜3.5時(shí)，有機(jī)質(zhì)中胡敏酸的含量大于富里酸；當(dāng)E2/E3＞3.5時(shí)，有機(jī)物中富里酸的含量大于胡敏酸（Minero et al.，2007）。本研究中，E2/E3的變化范圍為 3.20-6.15，說明該區(qū)消落帶絕大多數(shù)土壤中DOM的富里酸含量比胡敏酸的含量大；同時(shí)，E2/E3與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。由于芳香性會(huì)影響有機(jī)污染物的遷移與轉(zhuǎn)化，芳香性越大的DOM，與有機(jī)污染物的親和力越強(qiáng)，可見，冬季淹水時(shí)土壤DOM對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響程度要大于夏季。E2/E4表征有機(jī)物分子縮合度，縮合度隨著E2/E4值的減小而增高（Strobel et al.，2001）。表2表明，冬季土壤DOM的縮合度明顯高于夏季土壤DOM。E4/E6表征苯環(huán)C骨架的聚合程度（Chin et al.，1994），E4/E6值越小，有機(jī)質(zhì)聚合程度越大。由上表可知，該區(qū)土壤冬季和夏季土壤DOM的聚合程度沒有顯著差別。

光譜斜率比值SR是對(duì)光譜斜率S的改進(jìn)，通常用來反映DOM的組成特征變化，包括HA/FA比、分子量大小、自生源與陸源特征以及光化學(xué)反應(yīng)活性（例如光漂白）等（Helms et al.，2008）。SR值越大，DOM 分子量越小，參與光漂白活性可能越低。由表2可知，該區(qū)土壤SR范圍為0.93-1.56，冬季土壤的 SR要高于夏季土壤，可見冬季土壤DOM 的分子量要小，參與光漂白的活性也低，這與消落帶冬季淹水使土壤長(zhǎng)期浸泡的特征相符。研究認(rèn)為，SR＜1時(shí)，DOM 主要為外源；SR＞1時(shí)，DOM主要為生物源（Helms et al.，2008）。由表可知，該區(qū)土壤DOM的外源特征并不明顯，冬季主要表現(xiàn)為生物源，夏季SR也總體上更接近于1，表現(xiàn)出相對(duì)明顯的生物源的特征。

2.3 不同季節(jié)土壤DOM的來源

通常認(rèn)為，土壤環(huán)境中的DOM有內(nèi)源和外源兩部分，其中內(nèi)源與生物活動(dòng)密切相關(guān)，主要來自于土壤中動(dòng)植物的殘?bào)w、植物根系的分泌物以及有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)，而外源主要來自于有機(jī)肥料以及工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水。

熒光指數(shù) FI反映了芳香氨基酸與非芳香物對(duì)DOM熒光強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)率，可作為DOM來源及降解程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)FI＞1.9，表示DOM主要源于微生物活動(dòng)，以內(nèi)源輸入為主（自生源特征較為明顯）；FI＜1.9則以陸源輸入為主，微生物活動(dòng)等貢獻(xiàn)相對(duì)較低（Huguet et al.，2009）。由表3可知：該區(qū)土壤DOM的FI值以內(nèi)源為主，即自生源特征較明顯；且不同季節(jié)FI并未表現(xiàn)出很大差異。該研究區(qū)域?qū)儆谀纤闭{(diào)工程的中線工程，從2013年開始依據(jù)該區(qū)的水質(zhì)狀況，設(shè)立了保護(hù)區(qū)對(duì)水庫及其周邊的一些污染源進(jìn)行了有效控制，制止了外部有機(jī)物的輸入。外源有機(jī)物除了大氣降水可能會(huì)攜帶少量周圍土壤中的一些有機(jī)質(zhì)外，基本得到了有效的控制，從而導(dǎo)致該庫區(qū)DOM外源輸入的特征不明顯。研究結(jié)果與這一現(xiàn)狀相吻合，與本研究前文中的光譜斜率比值SR一致。可見，該區(qū)在對(duì)庫區(qū)冬季水體水質(zhì)改善的過程當(dāng)中應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)內(nèi)源物質(zhì)的管控。

表3 不同樣點(diǎn)DOM的熒光光譜表征參數(shù)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代表著的DOM的生物利用性高和有新鮮DOM的輸入（Huguet et al.，2009）。由表可知，該區(qū)土壤 DOM 的生物可利用性不高，這與前文CDOM 濃度相對(duì)較低以及三維熒光光譜中類蛋白峰不明顯一致。同時(shí)，不同季節(jié)土壤DOM的生物可利用性變化不大。

腐殖化指數(shù)HIX用來表征DOM的腐殖化程度（Huguet et al.，2009），HIX＞0.8時(shí)，DOM具有顯著腐殖質(zhì)特征。從表2可看出，該區(qū)土壤DOM沒有顯著的腐殖化特征，不同季節(jié)的HIX，并未表現(xiàn)出顯著差異，即腐殖化程度不高，這與前文 E2/E3的研究結(jié)果一致。Huguet et al.（2009）指出，當(dāng)HIX小于4時(shí)，DOM腐殖化程度較弱，主要由微生物活動(dòng)產(chǎn)生。由此可以推斷微生物活動(dòng)導(dǎo)致的DOM 變化是該區(qū)消落帶土壤 DOM 地化特征改變的主要驅(qū)動(dòng)力。

與三峽消落帶土壤DOM相比（高潔等，2015），兩者都呈現(xiàn)出腐殖化程度不高的特點(diǎn)；與環(huán)滇池流域的松華壩水庫、雙龍水庫、柴河水庫和大河水庫相比（李帥東等，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動(dòng)；與膠州灣濱海濕地土壤DOM相比（訾園園等，2016），都有較強(qiáng)的內(nèi)源特征，腐殖化程度都不高的。可見，不同區(qū)域土壤DOM的性質(zhì)組成及來源存在一定的差異性。

2.4 土壤DOM的熒光光譜特征

由于該區(qū)土壤DOM的自生源特征較明顯，且不同季節(jié)FI、HIX及BIX并未表現(xiàn)出很大差異，進(jìn)一步的熒光組分辨識(shí)并未劃分不同季節(jié)。結(jié)果表明該區(qū)土壤消落帶DOM中有2個(gè)熒光組分（圖2），分別為C1（300-350/400-450 nm）和C2（310-390/425-525 nm）。其中C1屬于類富里酸物質(zhì)，富里酸是一種含有大量羧基、碳水化合物和少量芳香基和烷烴的物質(zhì)。C2屬于類腐殖酸物質(zhì)，腐殖酸是一類含有大量長(zhǎng)鏈烷烴和少量芳香基和碳水化合物的物質(zhì)（吳豐昌等，2008）。這兩種物質(zhì)與腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羰基和羧基等有關(guān)，由分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖質(zhì)類產(chǎn)生（傅平青等，2005），一般來源于植物殘?bào)w的腐爛、降解產(chǎn)物等（吳東明等，2015）。該區(qū)消落帶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，這些有機(jī)質(zhì)在微生物作用下可腐解為腐殖質(zhì)類熒光物質(zhì)。

本研究與環(huán)滇池的松華壩水庫、雙龍水庫、柴河水庫和大河水庫土壤的熒光光譜相似（李帥東等，2017），都以類富里酸峰和類腐殖酸峰為主。與同是消落帶的三峽消落帶土壤DOM的熒光組分相比，兩者并不相同（高潔等，2015）。三峽消落帶土壤DOM中類蛋白組分特征較明顯。這與三峽庫區(qū)消落帶庫區(qū)退水后人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的生活污水、工業(yè)廢水的大量輸入、農(nóng)業(yè)施肥有關(guān)。由此可見，人為活動(dòng)可影響土壤DOM的性質(zhì)組成，該區(qū)在改善水質(zhì)的過程中，需加強(qiáng)對(duì)內(nèi)源污染物的控制。

3 結(jié)論

（1）該區(qū)消落帶冬季土壤DOM的芳香性、縮合度、腐殖化程度、所含疏水性組分都高于夏季土壤，但參與光漂白的活性要低于夏季土壤。基于此，消落帶淹水期間土壤產(chǎn)生的DOM以及其生物降解對(duì)污染物環(huán)境行為的影響是今后研究重點(diǎn)。

圖2 研究區(qū)域土壤DOM的熒光組分三維熒光圖及對(duì)半檢驗(yàn)Fig. 2 EEM contours of the two fluorescent components identified by PARAFAC

（2）該區(qū)消落帶土壤DOM的自生源特征較明顯，腐殖化程度不高，生物可利用性不高，不同季節(jié)之間并未變現(xiàn)顯著差異。

（3）該地區(qū)土壤DOM存在兩個(gè)主要的熒光峰：紫外光區(qū)類富里酸峰、可見光區(qū)類富里酸峰和類腐殖酸峰，而類蛋白峰不明顯。