基于光譜學(xué)方法研究土壤對堆肥中可溶性有機(jī)物的吸附行為

繆闖和，呂貽忠*, 于 越，趙 康

1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193 2. 農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點(diǎn)開放實驗室，北京 100193

引 言

可溶性有機(jī)物(dissolved organic matter，DOM)是指粒徑小于0.45 μm的可溶性有機(jī)物的總稱，包括不同分子量的有機(jī)物，如游離氨基酸、碳水化合物、有機(jī)酸以及多糖和腐殖質(zhì)等[1]。 可溶性有機(jī)物可以影響土壤中多種營養(yǎng)元素的生物有效性、污染物(如重金屬、持久性有機(jī)物、農(nóng)藥等)的遷移、成土過程、微生物代謝、土壤有機(jī)質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化等過程[2]。 農(nóng)田土壤施用堆肥可以提高土壤DOM的含量。 因此，研究不同土壤對DOM的吸附行為對堆肥的合理施用具有重要的實踐意義。

近年來，DOM的環(huán)境化學(xué)行為逐漸成為土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 有研究結(jié)果表明，DOM具有比固相有機(jī)物更多的活性吸附位點(diǎn)[3]，可參與土壤中的多種反應(yīng)過程，是土壤有機(jī)質(zhì)庫中最活躍的、最重要的組分[4]。 DOM 進(jìn)入土壤后，可以通過多種作用方式與土壤膠體結(jié)合[5]，從而被土壤吸附和固定、且在一定的條件下又會釋放進(jìn)入土壤溶液。 目前，相關(guān)研究雖已開展不少，但大多是通過測定DOC含量來評估土壤對DOM的吸附行為[6-7]，很少深入研究DOM組分和結(jié)構(gòu)特征與吸附行為的關(guān)系。 紫外-可見光譜以及三維熒光光譜結(jié)合平行因子分析方法因其靈敏高效的特征，被廣泛用于表征DOM 的組成和結(jié)構(gòu)[8]。 本研究選擇了2種土壤(黑土和潮土)和石英砂，通過對不同吸附時間下DOM吸附行為的比較，探討DOM結(jié)構(gòu)特征對其在土壤中吸附行為的影響。 以期明確土壤對 DOM吸附與DOM結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系，為未來研究DOM的環(huán)境化學(xué)行為提供理論基礎(chǔ)，為指導(dǎo)堆肥在不同類型土壤上的合理施用提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料

試驗選擇黑土、潮土兩種土壤和石英砂(分析純)作為吸附介質(zhì)。 黑土采自吉林省梨樹縣，潮土采自河北曲周縣。 兩種土樣自然風(fēng)干后過1 mm篩備用。 供試土壤基本性質(zhì)如表1所示。

本試驗所用DOM溶液提取自蘑菇渣雞糞混合的二次發(fā)酵堆肥，該堆肥發(fā)酵時間為60 d。 DOM浸提方法為： 按固液比(W/V) 1∶10混合，在水平恒溫振蕩器中振蕩2 h(25 ℃，200 r·min-1)后，以4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心10 min，上清液過0.45 μm微孔濾膜，濾液即為DOM溶液。

1.2 試驗設(shè)計

土樣前處理： 分別取4 g黑土、潮土、石英砂于100 mL于離心管中，分別加入去離子水80 mL，放置過夜。 在水平恒溫振蕩器上振蕩2 h(200 r·min-1)后，以4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心10 min，上清液棄去，如此重復(fù)操作三次，以減少土壤殘留的DOM對試驗產(chǎn)生影響。

土樣前處理完成后，分別加入DOM溶液80 mL，另滴入一滴0.1 g·L-1疊氮化鈉以抑制微生物活動。 在室溫下200 r·min-1的水平恒溫振蕩器上分別振蕩0，5，10，20和260 min，在4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速條件下，離心10 min，上清液過0.45 μm微孔濾膜后，進(jìn)行溶解性有機(jī)物(DOC)含量測定、紫外-可見光譜和熒光光譜分析。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basical physical and chemical properties of the tested soils

1.3 測定方法

采用Eelementar Vario TOC總有機(jī)碳分析儀測定可溶性有機(jī)碳(DOC)的含量。

使用JINGHUA UV-1800PC紫外可見分光光度計掃描樣品紫外可見光吸收光譜，以超純水為空白，掃描間隔1 nm，掃描波長范圍200～700 nm，根據(jù)光譜數(shù)據(jù)計算光譜特征參數(shù)。 SUVA254計算公式為

SUVA254=(A254/DOC)×100

式中：A254表征芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)的含量、SUVA254表征芳香性構(gòu)化程度[8]；E2/E3是250和365 nm處的紫外吸光度值之比，此值與DOM相對分子質(zhì)量大小成反比[8]，一般腐殖酸的相對分子質(zhì)量較大，富里酸的分子量則較小，可以通過E2/E3值表征DOM的腐殖化程度。E3/E4是300和400 nm處的紫外吸光度值之比,E3/E4<3.5時，以腐殖酸為主，E3/E4>3.5時，以富里酸為主[8]。

采用日立F-7000熒光光度計進(jìn)行三維熒光光譜掃描，參數(shù)設(shè)置為： 激發(fā)波長(excitation wavelength)范圍為220～500 nm，發(fā)射波長(emission wavelength)范圍為220～550 nm，激發(fā)和發(fā)射的狹縫均為5 nm，掃描速度2 400 nm·min-1, 增量為5 nm，PMT電壓700 V, 響應(yīng)時間0.1 s。 測定超純水的三維熒光光譜，采用MATLAB 2016b 軟件對三維熒光光譜進(jìn)行修正和扣除拉曼峰和瑞利散射峰[10]，采用DOMFluor工具箱進(jìn)行PARAFAC分析，核心一致性分析確定熒光組分?jǐn)?shù)，折半分析驗證結(jié)果的可靠性[9-12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2019和Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作。 采用SPSS 21 軟件中ANOVA統(tǒng)計分析方法進(jìn)行吸附時間和介質(zhì)類型兩個因子的多因素方差分析，采用最小顯著差(least significant difference, LSD)多重比較對不同吸附時間和介質(zhì)類型進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同介質(zhì)對DOM的吸附量和含量隨吸附時間的變化

如圖1所示，為不同介質(zhì)對DOM的吸附量(a)和溶液DOC含量(b)隨吸附時間的變化情況。 三種介質(zhì)對DOM的吸附量隨吸附時間的增加逐漸延長。 在吸附反應(yīng)的前20 min內(nèi)的吸附量增量高于20～260 min時段。 在吸附反應(yīng)進(jìn)行至260 min時，黑土對DOM的吸附量最大，為9.30 mg·g-1。 吸附過程中吸附反應(yīng)溶液的DOC含量隨吸附時間增加而降低。 在10～20 min時段內(nèi)，吸附反應(yīng)溶液中DOC含量出現(xiàn)反常升高，可能是黑土吸附的DOM解吸引起的。 方差分析結(jié)果顯示，吸附時間和介質(zhì)類型二者存在顯著的交互作用，表明吸附時間和介質(zhì)類型對DOM吸附量和DOC含量均有顯著影響。

2.2 吸附反應(yīng)溶液中DOM的紫外-可見光譜特征

紫外-可見光譜所需樣品量較少，且具有靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)，因此常采用紫外-可見光譜來解析土壤DOM的組成結(jié)構(gòu)和來源。 本研究對不同吸附時間下吸附反應(yīng)溶液取樣并進(jìn)行紫外-可見光譜掃描，結(jié)果如圖2所示，隨著吸附時間的延長，在200～600 nm波長范圍內(nèi)吸附溶液中DOM的吸光度值均有下降，其中以200～400 nm波長范圍內(nèi)下降幅度最大。 在254和270～280 nm波長處出現(xiàn)明顯的吸光度值降低，表明DOM中具有共軛體系的芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)被大量吸附[8]。

圖1 DOM的吸附量(a)和DOC含量(b)隨吸附時間的變化 MT: 黑土； CT: 潮土； QS: 石英砂Fig.1 The adsorbed amount of DOM (a) and DOC (b) concentration with adsorption time MT： Black soil； CT： Fluvo-aquic soil； QS： Quartz sand

吸附反應(yīng)溶液的SUVA254值隨吸附時間的變化情況如圖3所示。 DOM原溶液的SUVA254值為0.444 L·(mg·m)-1，A254值為1.192。 在吸附反應(yīng)初始階段，吸附反應(yīng)溶液的SUVA254值均高于DOM原溶液，后隨吸附時間的延長逐漸降低，吸附時間達(dá)260 min時，吸附反應(yīng)溶液的SUVA254值較DOM原溶液低，而A254值隨吸附平衡時間的延長逐漸降低。 這說明吸附反應(yīng)剛開始時，三種介質(zhì)對DOM中芳香性構(gòu)化程度高的物質(zhì)吸附比例較弱，但隨著吸附時間的延長，對芳香性構(gòu)化程度高的物質(zhì)的吸附量逐漸增加。 在吸附時間達(dá)260 min時，石英砂對DOM溶液中芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)的吸附量最大，其次為黑土和潮土。

2.3 吸附反應(yīng)溶液中DOM的三維熒光光譜分析

三維熒光光譜分析技術(shù)具有靈敏度高、所需樣品量少、不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，而且其通過同時掃描激發(fā)光和發(fā)射光而形成的三維熒光激發(fā)-發(fā)射光譜矩陣(3D-EEMs)，可以獲得更全面的DOM組分信息[8]。 對不同吸附時間下吸附反應(yīng)溶液取樣并進(jìn)行三維熒光光譜測定和平行因子法分析。 結(jié)果表明： 吸附反應(yīng)溶液的DOM中存在3個有機(jī)熒光組分(C1—C3, 如圖4所示)。 其中，C1組分(325/410 nm)鑒定為UV類腐殖酸[13]，C2組分(主峰為265/440 nm、次峰360/440 nm)鑒定為陸地植物源的類腐殖酸，芳香化程度較高[8, 14]，C3組分(主峰為370/485 nm、次峰290/485 nm)為典型的類腐殖酸組分，大型植物源特征較弱[15]。 C2組分相對分子量相對較小，在水體環(huán)境中較為普遍，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中也有發(fā)現(xiàn)，其主要來源為陸生性和微生物源有機(jī)物。 C3組分的發(fā)射波長(485 nm)高于C1和C2組分，說明C3組分的分子結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，相對分子量更高[16-17]。

圖2 吸附反應(yīng)溶液中DOM的紫外-可見光譜特征 MT： 黑土； CT： 潮土； QS： 石英砂Fig.2 UV-Visible spectral characteristics of DOMin equilibrium solution after adsorption MT： Black soil; CT: Fluvo-aquic soil; QS: Quartz sand

圖3 吸附反應(yīng)溶液中DOM的參數(shù)(a)SUVA254，(b)A254值Fig.3 SUVA254 (a) and A254 (b) values of DOCin solution after adsorption

圖4 DOM中(C1，C2，C3)3個PARAFAC模型熒光組分圖Fig.4 Fluorescentce components (C1，C2，C3) ofDOM identified by the PARAFAC model

圖5 DOM中3個PARAFAC模型熒光組分(C1，C2，C3)的載荷圖

PARAFAC分析能夠?qū)OM中主要的熒光組分識別出來，并對識別出的各熒光組分進(jìn)行定量。 在本研究中，以DOM中各組分的熒光強(qiáng)度(R.U)來指示其含量，以DOM中各組分熒光強(qiáng)度的減少值表示介質(zhì)對DOM的吸附量。 如圖6所示，不同土壤對DOM中不同熒光組分的吸附能力存在差異。 從吸附比例看，在吸附時間為260 min時，黑土對C1組分的吸附比例為54.97%，低于潮土(57.47%)和石英砂(56.55%)，黑土對C2組分的吸附比例為48.87%，比潮土(56.07%)和石英砂(57.45%)低，黑土對C3組分的吸附比例為68.51%，高于潮土(63.73%)和石英砂(63.84%)。 但從吸附量看，三種介質(zhì)對C1組分的吸附量(0.014 8～0.015 2 R.U)最大，對C3組分的吸附量(0.008 5～0.009 1 R.U)卻最小，這可能是因為DOM原溶液中C1組分含量較高，C3組分含量較低。 綜合吸附量與吸附比例來看，黑土對C1和C2組分的吸附能力低于潮土和石英砂，但對C3組分的吸附能力卻高于潮土和石英砂，潮土對C1組分的吸附能力最強(qiáng)，石英砂對C2組分的吸附能力最強(qiáng)。 即黑土對相對分子量較大的DOM組分的吸附能力比潮土和石英砂強(qiáng)。

圖6 DOM中3個PARAFAC模型熒光組分(C1，C2，C3)的熒光強(qiáng)度隨吸附時間的變化情況Fig.6 The fluorescent intensity of the fluorescent components (C1，C2，C3) of three PARAFAC models in DOM with adsorption time

2.4 DOM數(shù)量與其光譜參數(shù)之間的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，三種吸附反應(yīng)溶液中DOM的DOC，A254，A260，A280，SUVA254與C1，C2和C3存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，這表明C1，C2，C3三個組分均含有芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)。 C1，C2和C3組分相互之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，表明三個熒光組分可能具有相似的物質(zhì)來源或變化趨勢，而且可能存在一種作用機(jī)制，有機(jī)物經(jīng)微生物的分解作用后，促進(jìn)分子量較大的腐殖酸類物質(zhì)的合成。 C2與A254的相關(guān)系數(shù)大于C3與A254的相關(guān)系數(shù)，但C2與SUVA254的相關(guān)系數(shù)大于C3與SUVA254的相關(guān)系數(shù), 說明C3組分芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量較高，但芳香性構(gòu)化程度較C2組分低，這與PARAFAC分析結(jié)果一致。

表2 DOM的數(shù)量與光譜學(xué)參數(shù)之間的pearson相關(guān)性Table 2 Pearson correlation coefficients between quantity，spectroscopic characteristics of DOM and fluorescence component

3 結(jié) 論

通過測定DOC含量，采用紫外-可見光譜、三維熒光光譜結(jié)合平行因子法分析不同吸附時間下吸附反應(yīng)溶液中DOM的數(shù)量和光譜結(jié)構(gòu)特征，得到以下結(jié)論：

(1)隨吸附時間的延長，土壤對DOM的吸附量逐漸增加，最初20 min內(nèi)DOM吸附量大于20～260 min時段內(nèi)的吸附量。 吸附時間為260 min時，黑土對DOM的吸附量為9.30 mg·g-1，潮土對DOM的吸附量為9.18 mg·g-1，石英砂對DOM的吸附量為8.90 mg·g-1。

(2)吸附反應(yīng)溶液的DOM中含有3個PARAFAC熒光組分： C1組分為UV類腐殖酸，C2組分為陸地植物源類腐殖酸組分，芳香性構(gòu)化程度較高，C3組分為類腐殖質(zhì)組分，大型植物源特征較弱，相對分子質(zhì)量較C1和C2組分大。 黑土對C1和C2組分的吸附能力低于潮土和石英砂，但對C3組分的吸附能力卻高于潮土和石英砂，潮土對C1組分的吸附能力最強(qiáng)，石英砂對C2組分的吸附能力最強(qiáng)。

(3)土壤性質(zhì)和DOM結(jié)構(gòu)特征都會影響DOM的吸附行為。 本研究中，黑土對堆肥DOM的吸附量比潮土和石英砂對堆肥DOM的吸附量大。 三種土壤對DOM中芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)的吸附較為明顯，但在吸附反應(yīng)初始階段，三種土壤更易吸附DOM中芳香性構(gòu)化程度低的組分。