新疆匹里青河小流域DOM熒光特征及與汞的相互作用

孟永霞，程 艷，李 琳，王 悅，別爾德別克·庫布加沙，孫 翌

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830012；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052；4.奎屯市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,新疆 奎屯 833200)

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、化學(xué)組分活躍的有機(jī)混合物，普遍存在于河流、海洋、土壤及沉積物中，是全球碳循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)能量輸入的重要紐帶[1]。土壤DOM組分由腐殖酸、各種親水性有機(jī)酸及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的富里酸和胡敏酸組成[2]，其來源除了植物枯枝落葉、根系分泌物、土壤腐殖質(zhì)外，還有一部分來源于人類活動(dòng)產(chǎn)生的生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水[3]。DOM中包含游離氨基酸、碳水化合物、有機(jī)酸、氨基糖、多酚、腐殖物質(zhì)等不同結(jié)構(gòu)和分子量的有機(jī)物質(zhì)，可以影響營養(yǎng)元素(C、N、S、P)的生物利用度及污染物(重金屬、多環(huán)芳烴)的可轉(zhuǎn)移性[4]。土壤DOM表面含有苯環(huán)、羧基、酚羥基等熒光基能團(tuán)，可與重金屬發(fā)生離子交換、絡(luò)合反應(yīng)[5]，因此對(duì)土壤環(huán)境污染物遷移轉(zhuǎn)化起著重要影響。

三維熒光光譜技術(shù)(three dimensional excitation-emission matrix spectra，3DEEMs)具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)便及不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)，可以測(cè)定DOM中各類天然有機(jī)質(zhì)的熒光特征，識(shí)別DOM中熒光峰類型，從而探明其來源組成。利用3DEEMs和熒光猝滅滴定方法可研究DOM與Hg2+配位作用[6]，并使用修正的Stern-Volmer方程擬合條件穩(wěn)定常數(shù)、配位比例等重要參數(shù)，能以很高的精度描述實(shí)驗(yàn)性熒光滴定數(shù)據(jù)集[7]。

土地利用類型是陸地碳庫主要驅(qū)動(dòng)因子之一[3]，已有研究多集中于不同土地利用類型下臨近水體的土壤DOM特征上[8-9]，而利用熒光光譜來定性討論不同土地利用類型土壤DOM變化的較少[3,10]。新疆地處我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)最西部，由于地域水文環(huán)境影響導(dǎo)致地理化學(xué)特征鮮明。作為我國干旱半干旱區(qū)典型的生態(tài)系統(tǒng)，匹里青河流域內(nèi)氣候、水文、土壤、土地利用等具有較明顯的垂直地帶性，流域內(nèi)的土壤DOM可作為污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化，對(duì)小流域內(nèi)的環(huán)境有著重要的影響?；诖耍P者選取匹里青河作為研究對(duì)象，通過三維熒光光譜技術(shù)分析匹里青河小流域不同土地利用類型土壤中DOM的熒光光譜類型及來源特征，采用熒光猝滅實(shí)驗(yàn)比較和討論DOM與Hg2+配合物的絡(luò)合容量和穩(wěn)定性，以期為進(jìn)一步了解DOM在西北小流域生態(tài)系統(tǒng)中所起的環(huán)境作用提供一定的科學(xué)依據(jù)和研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

匹里青河流域位于新疆伊犁地區(qū)北部，流域范圍在北緯 43°56′～44°26′，東經(jīng) 80°10′～81°44′之間，發(fā)源于天山北脈的科古爾琴山，流域形狀大致呈扇形，較大的支流有5條，地形北高南低，流向?yàn)樽员毕蚰?。河源高程? 550 m，流域面積為1 285 km2，河長(zhǎng)89 km，流經(jīng)伊犁地區(qū)伊寧縣、伊寧市及巴彥岱鎮(zhèn)。匹里青河流域地處中緯度地帶，屬半濕潤大陸性溫帶氣候，土壤類型垂直帶分布十分明顯，其主要農(nóng)作物為玉米和小麥。

1.2 樣品采集及處理

2018年7月，根據(jù)土地的利用類型及空間分布的合理性，采集流域內(nèi)具有代表性的林地、草地、農(nóng)田3種不同土地利用類型的土壤樣品(圖1)，樣品數(shù)量共計(jì)48個(gè)，其中樣點(diǎn)L1～L15為林地，樣點(diǎn)C1～C23為草地，樣點(diǎn)N1～N10為農(nóng)田。土壤有機(jī)質(zhì)(DOM)的提取使用水土振蕩提取法，m(水)∶V(土)=10∶1，稱取過25.4 mm孔徑篩的自然風(fēng)干土壤樣品5 g于聚乙烯瓶中，加入50 mL高純(UP)水(電阻率為18.2 MΩ·cm)，避光振蕩16 h，振蕩速度設(shè)置為200 r·min-1。振蕩完成后將混合樣品裝入離心管中，4 000 r·min-1離心30 min(離心半徑為20 cm)。經(jīng)0.45 μm孔徑醋酸纖維濾膜過濾后保存于棕色瓶中，置入4 ℃冷藏柜中待測(cè)。

1.3 Hg2+與土壤DOM的絡(luò)合實(shí)驗(yàn)

配制0.02 mol·L-1Hg(NO3)2溶液，選取林地、農(nóng)田、草地3類土壤DOM樣品各1個(gè)，每類DOM樣品分別準(zhǔn)備5個(gè)聚乙烯瓶，共15個(gè)，依次往DOM樣品中滴加0.02 mol·L-1Hg(NO3)2溶液0、20、30、40和50 μL，使得溶液中Hg2+濃度依次為0、20、30、40和50 μmol·L-1。使用0.1 mol·L-1HClO4和1 mol·L-1NaoH將溶液pH值調(diào)整到8.0±0.05，避光振蕩24 h，振蕩速度為200 r·min-1。

1.4 平行因子模型

采用Aqualog軟件自帶的平行因子(PARAFAC)Solo模型對(duì)所測(cè)的48個(gè)土樣三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過折半分析和核一致函數(shù)驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

1.5 修正型Stern-Volmer方程

由于溶解性有機(jī)物的有機(jī)配體可與汞離子反應(yīng)，直接影響其形態(tài)、分布、生物毒性、遷移和轉(zhuǎn)化[11]，為了定量描述DOM與Hg2+配位作用，假設(shè)DOM與Hg2+形成1∶1配合物，采用修正型Stern-Volmer方程來計(jì)算配位穩(wěn)定常數(shù)及有機(jī)配體的比例[12]，計(jì)算公式為

F0/(F0-F)=1/(f×K×CHg)+1/f。

(1)

式(1)中，F(xiàn)0為未滴加Hg2+時(shí)的熒光強(qiáng)度；F為滴加Hg2+后的熒光強(qiáng)度[13]；f為DOM中有機(jī)配體的比例，%，可以與游離金屬離子相互作用；K為條件穩(wěn)定常數(shù)；CHg為Hg2+濃度，mol·L-1;如果F0/(F0-F)與1/CHg的曲線是線性的，則K和f的值可以根據(jù)斜率〔1/(fK)〕和截距(1/f)來計(jì)算[12]，對(duì)條件穩(wěn)定常數(shù)K取對(duì)數(shù)得到絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)lgK。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意

1.6 光譜掃描分析

土壤DOM含量以溶解性有機(jī)碳(DOC)含量表示，采用Aurora 1030總有機(jī)碳分析儀測(cè)定，DOM樣品的光譜參數(shù)使用HORIBA公司的Aqualog熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定，三維熒光光譜掃描時(shí)激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)和發(fā)射波長(zhǎng)(EM)設(shè)置為240～800 nm，積分時(shí)間為0.1 s，狹縫寬度為1 nm。使用UP水(電阻率為18.2 MΩ·cm)作為空白樣。利用Aqualog系統(tǒng)校正和扣除水樣內(nèi)濾及瑞利散射，以獲得內(nèi)濾校正后的數(shù)據(jù)。Aqualog系統(tǒng)可以同步測(cè)定三維熒光光譜以及紫外-可見光譜，該研究中相關(guān)熒光光譜參數(shù)如表1所示。

表1 溶解性有機(jī)質(zhì)的特征參數(shù)

Table 1 Characteristic parameters of dissolved organic matter

熒光光譜參數(shù)計(jì)算公式公式參數(shù)意義描述熒光指數(shù)(FI)Ex=370 nm, Em為450 nm與500 nm的熒光強(qiáng)度比值表征DOM中有機(jī)質(zhì)的來源,FI<1.4代表陸源輸入為主,FI>1.9代表微生物活動(dòng)等引起自生來源為主[14]腐殖化指數(shù)(HIX)Ex=254 nm,Em為435～480 nm與300～345 nm的熒光強(qiáng)度平均值的比值反映DOM腐殖化程度,值越高表征DOM腐殖化程度較高,結(jié)構(gòu)越為復(fù)雜[15]自生源指數(shù)(BIX)Ex=370 nm,Em為380 nm與430 nm的熒光強(qiáng)度比值評(píng)估DOM自生源特征強(qiáng)弱指標(biāo)[9]a355a355=2.303×A355/L式中A355為波長(zhǎng)355 nm處的吸光度;L為光程路徑,m[3]Fn355Ex=355 nm,Em=440～470 nm間熒光強(qiáng)度最大值表示熒光溶解性有機(jī)質(zhì)濃度,值越大說明類腐殖質(zhì)含量越高[16]ASUV,254ASUV,254=a254/ CDOC表明DOM的芳香性,值越大說明組分中苯環(huán)化合物含量越多[17]ASUV,260ASUV,254=a260/ CDOC表示DOM中疏水組分的含量,其值越大表明DOM疏水組分比例含量越高[3]

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤DOM濃度及紫外可見光譜特征

DOC含量大小影響微生物活性，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的礦化程度[18]。如表2所示，不同土地利用類型土壤DOC含量分布差異較大，該流域w(DOC)分布范圍為0.05～0.67 mg·g-1，變異系數(shù)為70.71%。有色溶解性有機(jī)質(zhì)(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)和熒光溶解性有機(jī)質(zhì)(fluorescent dissolved organic matter, FDOM)是DOM的重要組成部分，由于CDOM的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，目前難以確定其準(zhǔn)確的分子式，因此不能像常規(guī)分析那樣通過配置標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的工作曲線來定量分析，故其含量無法測(cè)定，通常由某一選定波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)來表征，一般選擇355 nm波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)a355來表征水體CDOM相對(duì)含量大小[16,19]?；陬愃频脑?，一般用Ex=355 nm，Em=440～470 nm間最大值熒光強(qiáng)度(Fn355值)表示FDOM濃度，一般用Fn355值表示FDOM含量[3]。該區(qū)域CDOM變化范圍為7.85～168.95 m-1，變異系數(shù)為83.69%，而FDOM變異系數(shù)為58.08%，表明CDOM在流域分布具有較大的差異性。

對(duì)比不同土地類型土壤DOM含量發(fā)現(xiàn)，DOC含量大小順序?yàn)椴莸?林地>農(nóng)田。這主要由于林草地土壤表面擁有很厚的覆蓋層，植物枯枝落葉、動(dòng)物殘?bào)w能較完整地保存在土壤中。雖然農(nóng)田為高強(qiáng)度耕種，施肥力度比林地、草地高，但人類的利用方式，如清潔土壤、移走農(nóng)作物及枯枝落葉等，使土壤表面有機(jī)質(zhì)殘留較少。CDOM含量則表現(xiàn)為草地>農(nóng)田>林地，說明草地土壤DOM中生色基團(tuán)含量較高，含共軛結(jié)構(gòu)(π—π*雙鍵)組分較高。

表2 不同小流域土壤DOM含量描述統(tǒng)計(jì)

Table 2 Descriptive statistics of soil DOM concentration in different small watershed

土地利用類型a355/m-1變異系數(shù)/%Fn355變異系數(shù)/%w(DOC)/(mg·g-1)變異系數(shù)/%林地30.0839.441 338.3138.640.1573.94草地48.6947.321 759.0851.020.2760.11農(nóng)田33.2175.481 345.3526.950.1328.60流域32.8483.691 535.9858.080.2170.71

a355為355 nm波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)，表征CDOM相對(duì)濃度；Fn355為Ex=355 nm，Em=440～470 nm間熒光強(qiáng)度最大值，表征FDOM相對(duì)濃度；w(DOC)為土壤溶解性有機(jī)碳含量，表征土壤中溶解性有機(jī)物質(zhì)濃度。

2.2 DOM三維熒光光譜特性

2.2.1熒光峰解析

對(duì)比分析匹里青河小流域3種不同土地利用方式下土壤的DOM熒光光譜特征(圖2)發(fā)現(xiàn)，所有樣品均存在3種類型熒光峰，包括紫外類腐殖質(zhì)熒光峰A(Ex/Em=243/437)、可見類富里酸熒光峰C(Ex/Em=349/445)及海洋或陸源類腐殖質(zhì)峰M(Ex/Em=291/446)，且類腐殖質(zhì)熒光峰強(qiáng)度大小順序表現(xiàn)為草地>林地>農(nóng)田。由于草地及林地人為干擾小，具有良好的保土蓄水功能，枯枝落葉殘根降解后可完整地保存在土壤表面，故腐殖質(zhì)含量較高。這與王育來等[15]研究結(jié)果一致，喬木產(chǎn)生的芳香性物質(zhì)可與土壤發(fā)生化學(xué)作用后穩(wěn)定地保留在土壤中。一般認(rèn)為，外源輸入的腐殖酸和富里酸易形成熒光峰A峰及C峰，且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[14]。

2.2.2DOM熒光組分解析

利用PARAFAC技術(shù)解析匹里青河小流域3種不同土地利用方式下土壤的DOM熒光組分(圖3)，發(fā)現(xiàn)所有樣品均存在2種組分，表明區(qū)域內(nèi)DOM組分相對(duì)單一。C1具有2個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)(252、232 nm)和1個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)(463 nm)，為傳統(tǒng)的陸源類腐殖質(zhì)，該類物質(zhì)在濕地和森林環(huán)境最高[20]，C1組分可判斷為類胡敏酸物質(zhì)[21]，而C2組分在Ex=288，Em=490 nm處出現(xiàn)單一峰，反映長(zhǎng)波激發(fā)類腐殖質(zhì)的熒光特性，被認(rèn)為主要是分子量較高的芳香氨基酸，其熒光特征與富里酸類似，一般來自陸生植物或土壤有機(jī)物[22]。

2.2.3熒光光譜特征參數(shù)

采用腐殖化指數(shù)(HIX)表征土壤DOM腐殖化程度[15]，通過差異性分析發(fā)現(xiàn)，3種土地利用類型DOM含量無顯著差異(P>0.05)。如圖4所示，熒光指數(shù)(FI)值變化范圍在1.43～1.76之間，均值為1.52，變異系數(shù)為4.28%，表明DOM來源既有人類活動(dòng)參與，又有內(nèi)部微生物活動(dòng)共同作用。自生源指數(shù)(BIX)值變化范圍為0.52～0.78，均值為0.59，變異系數(shù)為8.41%。

圖2 不同土地利用類型熒光光譜圖

C1—類胡敏酸物質(zhì)，C2—類富里酸物質(zhì)。

圖4 熒光指數(shù)(FI)-自生源指數(shù)(BIX)分布

整體而言，草地DOM的FI值接近1.9，內(nèi)源特征較明顯，BIX值也表現(xiàn)出較強(qiáng)的自生源特征，而農(nóng)田FI值更靠近1.4，BIX介于0.55～0.64之間，反映出受陸地源輸入或人類影響較大，由此可證明草地DOM腐殖化程度較農(nóng)田高。

ASUV，254可作為評(píng)價(jià)DOM芳香性的參數(shù)指標(biāo)，值越大表明DOM芳香性越高[3]。ASUV，260則表征DOM疏水組分所占比例的多少[17]。不同土地利用ASUV，254和ASUV，260大小順序?yàn)榱值?草地>農(nóng)田，表明林地和草地DOM的芳香性及疏水組分所占比例較大，腐殖化程度較高，由于該流域主要以新疆楊及榆樹為主，且土壤人為擾動(dòng)小，自然發(fā)育良好，故土壤腐殖化程度高。對(duì)于農(nóng)田而言，在大量的耕作擾動(dòng)、灌溉施肥下，蛋白質(zhì)、糖類等外源輸入明顯，但對(duì)芳香性組分的貢獻(xiàn)不大。對(duì)整個(gè)流域的ASUV，254、ASUV，260與DOC相關(guān)性分析研究(圖5)發(fā)現(xiàn)，DOC與ASUV，254、ASUV，260均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，表明隨DOC濃度降低，DOM的芳香性及疏水組分占比升高。

ASUV,254和ASUV,260分別為254和260 nm處吸光度和 溶解性有機(jī)碳含量的比值，DOC為溶解性有機(jī)碳。

2.3 土壤DOM與Hg2+ 的配位分析

2.3.1Hg2+對(duì)不同來源DOM組分熒光強(qiáng)度的影響

如圖6所示，3種不同土地利用類型中DOM組分熒光強(qiáng)度均隨Hg2+濃度的增強(qiáng)出現(xiàn)不同程度的下降，其中草地和農(nóng)田土壤DOM組分C1、C2熒光強(qiáng)度下降幅度最為明顯，在50 μmol·L-1Hg2+存在下，草地土壤C1、C2組分分別減少54.95%、56.54%，農(nóng)田土壤C1、C2組分分別減少67.28%、65.42%，說明Hg2+對(duì)草地及農(nóng)田土壤中DOM組分熒光淬滅具有一致性。

F0—未滴加Hg2+時(shí)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)—滴加Hg2+后的熒光強(qiáng)度。C1—類胡敏酸物質(zhì)，C2—類富里酸物質(zhì)。

而在林地土壤中，DOM組分對(duì)Hg2+絡(luò)合能力有所差異，隨Hg2+濃度增大,C1組分熒光強(qiáng)度下降趨勢(shì)表現(xiàn)為由急到緩；當(dāng)Hg2+濃度增加到50 μmol·L-1時(shí)，C1組分濃度變化不明顯，說明C1組分的金屬結(jié)合點(diǎn)位接近或已達(dá)到飽和。

2.3.2土壤DOM組分與Hg2+的配位條件穩(wěn)定數(shù)

表3為不同土地利用下DOM中各類熒光組分與Hg2+作用的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)lgK以及DOM中能配合的熒光基團(tuán)的比例。f值均大于50%，說明土壤DOM組分與Hg2+配位的熒光基團(tuán)比例較多。而不同組分與Hg2+之間的穩(wěn)定常數(shù)存在差異，即C1組分與Hg2+lgK變化范圍在4.21～4.63之間，C2組分與Hg2+lgK變化范圍在4.35～4.65之間，lgK值變化同LU等[7]報(bào)道的結(jié)果相似(3.92～6.76)，說明不同來源DOM參與反應(yīng)的官能團(tuán)種類及數(shù)量的大小影響其與Hg2+的絡(luò)合能力，導(dǎo)致絡(luò)合常數(shù)不同。

表3 三維熒光光譜中各組分配位的修正型 Stern-Volmer 參數(shù)

Table 3 Modified Stern-Volmer parameter of distribution bits of each component in three-dimensional fluorescence spectrum

土地利用類型熒光組分類型R2f/%lg K林地C10.9868.714.63C20.9950.314.65草地C10.9368.674.65C20.9659.664.60農(nóng)田C10.9274.964.21C20.9070.204.35

f為DOM中有機(jī)配體的比例，lgK為絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)。

3 結(jié)論

(1)在匹里青河典型小流域中，不同土地利用類型對(duì)土壤DOM性質(zhì)特征明顯，DOM空間分布具有差異性，土壤DOM含量大小順序?yàn)椴莸?林地>農(nóng)田，而CDOM含量則表現(xiàn)為草地>農(nóng)田>林地。

(2)不同土地利用下土壤DOM均包含3種熒光峰，紫外區(qū)類腐殖熒光峰A、可見區(qū)類富里酸熒光峰C及海洋或陸源類腐殖質(zhì)熒光峰M，且類腐殖質(zhì)熒光峰強(qiáng)度大小順序表現(xiàn)為草地>林地>農(nóng)田。PARAFAC方法識(shí)別出2種熒光組分，C1為胡敏酸物質(zhì)，C2為富里酸物質(zhì)。熒光光譜參數(shù)顯示，草地土壤DOM內(nèi)源特征明顯，農(nóng)田土壤DOM反映出受陸地源輸入或人類影響較大。

(3)利用PARAFAC 和熒光猝滅滴定方法研究DOM與Hg2+配位作用，發(fā)現(xiàn)不同土地利用下土壤DOM組分隨Hg2+濃度的增強(qiáng)出現(xiàn)不同程度的淬滅現(xiàn)象，DOM中各類熒光組分與Hg2+絡(luò)合常數(shù)存在實(shí)質(zhì)性差異，說明由于不同土地利用污染源不同，DOM參與反應(yīng)的官能團(tuán)種類及數(shù)量的大小影響其與Hg2+的絡(luò)合能力，導(dǎo)致絡(luò)合常數(shù)不同。