同步熒光結(jié)合主成分與二維相關(guān)研究鹽堿性土溶解性有機(jī)質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征

陳營(yíng)營(yíng)， 鄭昭佩， 楊 芳， 白 楊， 于會(huì)彬

1. 山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250014 2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心， 北京 100012

引 言

土壤溶解性有機(jī)質(zhì)(soil dissolved organic matter, SDOM)是一種復(fù)雜混合物， 具有多種生態(tài)功能和地球化學(xué)特征， 是地球多個(gè)圈層間的聯(lián)系樞紐[1]。 SDOM對(duì)營(yíng)養(yǎng)物與污染物的遷移轉(zhuǎn)化及碳循環(huán)有重要影響， SDOM含量與質(zhì)量深受物理、 化學(xué)和生物、 過(guò)程的控制[2-4]。 因此， SDOM被視為評(píng)估生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。

C13核磁共振、 高效液相色譜、 紅外光譜、 紫外可見(jiàn)光譜與熒光光譜等被用來(lái)研究SDOM組成與結(jié)構(gòu)特征[5-8]。 熒光光譜具有檢測(cè)速度快、 不改變樣品性狀、 成本低與信息量大等優(yōu)點(diǎn)[7-8]， 廣泛應(yīng)用于表征SDOM中的芳香族氨基酸、 腐殖質(zhì)等熒光類(lèi)物質(zhì)[9]。 通過(guò)傳統(tǒng)的尋峰法， SDOM表征類(lèi)蛋白、 微生物代謝產(chǎn)物及腐殖酸類(lèi)物質(zhì)[10]。 由于熒光峰的疊加而降低了光譜的分辨率， 在SDOM的分析應(yīng)用中存在著一定的局限性。 應(yīng)用二維相關(guān)方法來(lái)分析同步熒光光譜(synchronous fluorescence spectroscopy， SFS)， 不僅通過(guò)放大波段信號(hào)而分解重疊峰， 而且能夠區(qū)分外部擾動(dòng)而引起的細(xì)微光譜變化順序[10-11]。 此外， PCA已被廣泛應(yīng)用到SFS中， 將復(fù)雜的光譜信號(hào)分解成線性獨(dú)立分量， 而且表征樣本的相似性和差異性特征。

本研究利用SFS結(jié)合PCA與二維相關(guān)光譜， 分析鹽堿土DOM組成與結(jié)構(gòu)特征， 揭示熒光組分的空間分異規(guī)律， 闡釋熒光組分響應(yīng)關(guān)系及遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市境內(nèi)， 灌區(qū)東西長(zhǎng)250 km， 南北寬50 km， 總灌溉面積5 740 km2。 灌區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候， 夏季高溫干旱， 冬季嚴(yán)寒少雪。 多年平均氣溫在3.7～7.6 ℃。 降雨多集中在7、 8月份， 多為暴雨。 年均降水量為130～285 mm， 年均蒸發(fā)量為2 030～3 180 mm。 受地質(zhì)構(gòu)造、 灌溉、 排水與氣候等因素影響， 灌區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化現(xiàn)象普遍存在。

1.2 樣本采集

在灌區(qū)采集蘆葦(LW)、 白楊(LD)、 玉米(YM)和籽瓜(GD)四種植被下覆蓋的土壤為研究對(duì)象， 按0～20, 20～40, 40～60, 60～80 cm等四層采集樣品共計(jì)16個(gè)。 土壤樣品自然風(fēng)干后研磨過(guò)100目篩。 將20 g土壤樣品與100 mL超純水(Milli-Q， 電阻率為18.2 MΩ·cm)混合， 恒溫避光連續(xù)震蕩24 h， 用離心機(jī)7 000 r·min-1離心10 min， 將上清液過(guò)0.45 μm醋酸纖維膜， 得到SDOM溶液。

1.3 同步熒光測(cè)定

采用熒光分光光度計(jì)(HitachiF-7000, Japan)進(jìn)行同步熒光光譜測(cè)定， 激發(fā)光源為150 W氙弧燈, 光電倍增管電壓為700 V。 SFS激發(fā)波長(zhǎng)范圍為260～545 nm， 狹縫5 nm， 響應(yīng)時(shí)間為0.5 s， 波長(zhǎng)差常數(shù)Δλ=λem-λex=55 nm， 掃描速度240 nm·min-1。

1.4 二維相關(guān)光譜

運(yùn)用Kwansei-Gakuin大學(xué)發(fā)布的2D shige軟件， 對(duì)SFS數(shù)據(jù)進(jìn)行二維相關(guān)光譜分析， 采樣點(diǎn)土壤剖面深度為外部擾動(dòng)因素。 二維相關(guān)的讀譜規(guī)則參閱相關(guān)文獻(xiàn)[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 同步熒光光譜

SFS顯示出4個(gè)不同強(qiáng)度的峰(圖1)， 第一個(gè)峰在激發(fā)波長(zhǎng)260～310 nm之間與類(lèi)蛋白物質(zhì)有關(guān), 而類(lèi)蛋白物質(zhì)與酪氨酸和色氨酸的存在密切相關(guān)； 第二個(gè)峰表示微生物代謝產(chǎn)物， 其波長(zhǎng)在315～340 nm之間； 第三個(gè)峰與富里酸有關(guān)， 波長(zhǎng)340～400 nm； 第四個(gè)峰波長(zhǎng)在410～450 nm之間， 與胡敏酸對(duì)應(yīng)[11]。 蘆葦與林地SDOM熒光強(qiáng)度明顯小于玉米與瓜地SDOM熒光強(qiáng)度， 表明SDOM深受人類(lèi)活動(dòng)的影響。 玉米SDOM熒光強(qiáng)度明顯高于瓜地SDOM， 與玉米秸稈含有較高的木質(zhì)纖維素具有一定相關(guān)性[13]。 蘆葦、 玉米與林地的SDOM熒光強(qiáng)度隨著土層深度的增大而減小， 而瓜地SDOM熒光強(qiáng)度隨著土層深度的增加而增加， 表明瓜地水澆過(guò)程中土層以淋溶作用為主， 而其他土層以滲濾作用為主[14]。

圖1 4種土壤中提取的16個(gè)DOM樣品的SFS

2.2 主成分分析

應(yīng)用PCA分析 SFS數(shù)據(jù)得到因子得分與因子載荷， 因子得分與波長(zhǎng)的關(guān)系圖提供了每個(gè)PC的光譜波形的變化跡象， 從而識(shí)別出導(dǎo)致光譜信號(hào)差異的熒光團(tuán)， 而載荷量可以表征樣本空間分布的差異[10-11]。 在PCA中Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)決定抽樣充分性， 對(duì)于可接受的PCA， 抽樣充分性應(yīng)大于0.5， Bartlett的球度檢驗(yàn)(P)是檢驗(yàn)種群相關(guān)矩陣中變量不相關(guān)的零假設(shè)的另一個(gè)指標(biāo)， 觀測(cè)到的顯著性水平應(yīng)p<0.001[10-11]。 在本研究中， KMO數(shù)值是0.927， 并且p<0.001， 表明PCA處理數(shù)據(jù)可行。

PCA得到兩個(gè)主成分(PCs)， 占總方差的99.31%(圖2)。 PC1(55.43%)識(shí)別出3個(gè)熒光峰， 即在波長(zhǎng)273， 301和324 nm處， 分別與酪氨酸、 色氨酸和微生物代謝產(chǎn)物對(duì)應(yīng)[11]。 PC2(43.88%)顯示了2個(gè)尖峰和1個(gè)肩峰。 第一個(gè)尖峰(277 nm)代表酪氨酸， 與PC1相比發(fā)生了4 nm的紅移， 表明瓜地土壤中的酪氨酸熒光強(qiáng)度明顯高于其他三種植被土壤的酪氨酸熒光強(qiáng)度(圖1)； 第二個(gè)尖峰(366 nm)與富里酸組分對(duì)應(yīng)； 421nm處的肩峰代表胡敏酸[11]。 每個(gè)PC上光譜的負(fù)載表明每個(gè)PC與單個(gè)SFS相關(guān)(圖1)， 這證明PC捕獲了熒光光譜的特征。

圖2 16個(gè)土壤樣品光譜波長(zhǎng)PC1和PC2的得分圖

圖3為SDOM同步熒光光譜的因子載荷圖， 對(duì)角線將所有樣本分為兩個(gè)部分， 左上方為玉米與瓜地土壤樣本， 右下方為林地與蘆葦?shù)貥颖?除YM03、 YM04)， 說(shuō)明農(nóng)作物與非農(nóng)作物間SDOM熒光特征具有顯著差異。 以得分值0.7為截點(diǎn)， 可將對(duì)角線上方與下方各分為兩個(gè)區(qū)域， 如圖3所示。 區(qū)域Ⅰ包括7個(gè)樣品(LW01-03， LD02-04， YM04)， PC1負(fù)荷>0.8， PC2負(fù)荷<0.6， 說(shuō)明類(lèi)蛋白物質(zhì)(酪氨酸和色氨酸)熒光團(tuán)占優(yōu)勢(shì)； 區(qū)域Ⅱ(YM 03， LW 04和LD 01)的PC1負(fù)荷量相對(duì)較高(>0.75)， 與微生物代謝產(chǎn)物熒光團(tuán)相對(duì)應(yīng)； 區(qū)域Ⅲ(YM01-02和GD01)的PC2負(fù)荷量相比于PC1負(fù)荷量較多， 以富里酸為主。 區(qū)域Ⅳ(GD02-04)的PC2負(fù)荷>0.8， PC1負(fù)荷<0.55， 三個(gè)SDOM樣品中胡敏酸熒光團(tuán)占優(yōu)勢(shì)。

圖3 因子載荷圖

2.3 同步二維相關(guān)光譜

運(yùn)用2D Shige 軟件對(duì)SFS進(jìn)行二維相關(guān)分析， 減少光譜重疊的影響， 分析SDOM組分的空間變化特征。 在同步二維相關(guān)光譜中， 主對(duì)角線上的峰稱(chēng)為自動(dòng)峰， 自動(dòng)峰總為正值。 自動(dòng)峰代表了系統(tǒng)在外擾條件影響下， 隨著光強(qiáng)變化不同區(qū)域相關(guān)光譜變化的敏感性[13]。 位于對(duì)角線兩側(cè)的光譜峰則稱(chēng)作交叉峰， 表示自動(dòng)峰間的同步變化， 白色代表正相關(guān)， 陰影代表負(fù)相關(guān)， 交叉峰的存在意味著自動(dòng)峰間的變化有著共同的起源[11-12]。

以土壤剖面深度為擾動(dòng)因素， 分析出四種植被覆蓋土壤的同步二維相關(guān)光譜圖(圖4)。 LW顯示出兩個(gè)顯著的自動(dòng)峰(303和337 nm)， 且兩者之間變化趨勢(shì)為正相關(guān)， 表明蘆葦土壤中色氨酸與微生物代謝產(chǎn)物呈正相關(guān)； YM顯示出一個(gè)顯著(350 nm)與一個(gè)微弱(420 nm)自動(dòng)峰， 分別與富里酸和胡敏酸對(duì)應(yīng)， 且兩者間呈正相關(guān)； LD表現(xiàn)出三個(gè)自動(dòng)峰位于284， 346和426 nm處， 分別對(duì)應(yīng)酪氨酸、 富里酸與胡敏酸， 且交叉峰為白色。 表明三者之間均呈正相關(guān)， 即富里酸隨著外擾因素土壤剖面深度的增加而減少時(shí)， 酪氨酸與胡敏酸的變化趨勢(shì)與富里酸一致， 這與SFS是對(duì)應(yīng)的(圖1 LD)。 GD與其他三種植被土壤有著顯著差異， 表現(xiàn)出兩個(gè)顯著自動(dòng)峰(275和355 nm)和一個(gè)微弱自動(dòng)峰(410 nm)。 在兩個(gè)顯著自動(dòng)峰間的交叉峰為陰影， 表明酪氨酸與富里酸呈負(fù)相關(guān)， 而富里酸與胡敏酸(410 nm)呈正相關(guān)。

2.4 異步二維相關(guān)光譜

在異步相關(guān)光譜中， 相關(guān)峰是關(guān)于主對(duì)角線反對(duì)稱(chēng)的， 只在對(duì)角線外存在交叉峰， 沒(méi)有自動(dòng)峰的形成。 異步相關(guān)光譜中的交叉鋒特性可以幫助區(qū)分緊密靠近重疊在一起的起源不同的峰， 異步交叉峰的值可正可負(fù)[12-13]。

圖4 以土壤剖面為擾動(dòng)的4種土壤的同步二維相關(guān)光譜圖

圖5表征的是四種植被土壤的異步二維相關(guān)光譜圖， 與同步二維相關(guān)光譜圖相比， 組分?jǐn)?shù)量表現(xiàn)出明顯差異。 在LW中顯示出三個(gè)交叉峰(對(duì)角線上方)， 位于290/337， 321/337和337/370處。 根據(jù)二維相關(guān)圖譜解析規(guī)則， 得到波段變化順序?yàn)?70 nm→337 nm→290 nm， 表明隨著擾動(dòng)因素剖面深度的變化， 熒光組分的變化順序?yàn)楦焕锼帷⑸锎x產(chǎn)物→色氨酸； YM的異步相關(guān)圖顯示出兩個(gè)顯著交叉峰(274/350和350/420)和兩個(gè)微弱交叉峰(318/350和420/470)， 波段變化為318 nm→350 nm→420 nm→274 nm。 證明微生物代謝產(chǎn)物變化最快， 其次是富里酸、 胡敏酸和酪氨酸； LD顯示四個(gè)顯著交叉峰(270/337， 305/325， 337/426， 426/392)， 波段變化為270 nm→392 nm→426 nm→305 nm→337 nm， 所以LD剖面中組分變化順序?yàn)槔野彼帷焕锼帷羲帷彼帷⑸锎x產(chǎn)物。 GD的異步相關(guān)光譜相對(duì)復(fù)雜， 表現(xiàn)出強(qiáng)弱不同交叉峰五個(gè)， 分別位于262/275， 275/309， 275/355， 334/410和402/455， 波段變化順序?yàn)?/p>

410 nm→355 nm→334 nm→309 nm→275 nm， 對(duì)應(yīng)熒光組分變化順序?yàn)楹羲帷焕锼帷⑸锎x產(chǎn)物→色氨酸→酪氨酸。

圖5 以土壤剖面為擾動(dòng)的4種土壤的異步二維相關(guān)光譜圖

3 結(jié) 論

四種植被的SDOM主要含有酪氨酸、 色氨酸、 微生物代謝產(chǎn)物、 富里酸和胡敏酸等5種熒光組分。 瓜地和玉米地SDOM熒光強(qiáng)度大于林地和蘆葦SDOM的熒光強(qiáng)度， 瓜地SDOM熒光強(qiáng)度隨著土層深度的增大而增大， 而其他三種植被SDOM的熒光強(qiáng)度隨著土壤深度的增大而減小， 表明瓜地水澆過(guò)程中土層以淋溶作用為主， 而其他土層以滲濾作用為主。 蘆葦SDOM中的色氨酸與微生物代謝產(chǎn)物呈正相關(guān)， 且熒光組分的變化速度順序?yàn)楦焕锼帷⑸锎x產(chǎn)物→色氨酸； 玉米SDOM中富里酸與胡敏酸呈正相關(guān)， 且微生物代謝產(chǎn)物變化最快， 其次是富里酸、 胡敏酸和酪氨酸； 林地SDOM中的酪氨酸、 富里酸和胡敏酸呈正相關(guān)， 且組分變化順序?yàn)槔野彼帷焕锼帷羲帷彼帷⑸锎x產(chǎn)物； 瓜地SDOM中的富里酸與胡敏酸呈正相關(guān)， 而與酪氨酸呈負(fù)相關(guān)， 胡敏酸變化最快， 其次是富里酸、 微生物代謝產(chǎn)物、 色氨酸與酪氨酸。