不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面溶解性有機(jī)質(zhì)熒光和吸光特征

張 莉, 劉 涵, 趙海超, 孫清軒, 曹志國(guó)

1.北京工業(yè)大學(xué)， 城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124 2.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102211 3.河北北方學(xué)院， 河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 張家口 075000

溶解性有機(jī)物(dissolved organic matter, DOM)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的有機(jī)組分，是影響土壤形成、礦物風(fēng)化和物質(zhì)遷移的重要因素之一，在土壤營(yíng)養(yǎng)元素的地球生物化學(xué)過(guò)程、成土過(guò)程、土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中具有重要作用[1]. 土壤DOM相對(duì)分子質(zhì)量介于幾百到幾萬(wàn)道爾頓之間[2]，主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w、植物根系分泌物及微生物生命活動(dòng)，同時(shí)地表徑流、地下淋溶等也對(duì)其具有一定貢獻(xiàn)[3]. DOM雖體積較小，但其流動(dòng)性及反應(yīng)活性較高[4]，比總有機(jī)質(zhì)能夠更加敏感地反映植被變化、人類(lèi)擾動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響. 近年來(lái)學(xué)者利用三維熒光光譜(three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy, 3D-EEM)、紫外-可見(jiàn)光譜(ultraviolet-visible spectroscopy, UV-vis)、紅外光譜等[5-7]多種光譜技術(shù)對(duì)土壤DOM組成和來(lái)源進(jìn)行分析. 但由于DOM在3D-EEM掃描中易發(fā)生熒光重疊和干擾[8]，導(dǎo)致弱小熒光峰很難被識(shí)別. 目前，平行因子分析(parallel factor analysis，PARAFAC)可對(duì)多組分體系中DOM熒光重疊對(duì)象進(jìn)一步識(shí)別，從而半定量表征DOM結(jié)構(gòu)及異質(zhì)性[9-10]. 因此利用PARAFAC識(shí)別DOM熒光特征能夠更好地揭示其組分結(jié)構(gòu)特征及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，有助于進(jìn)一步理解土壤DOM對(duì)植被變化和人類(lèi)擾動(dòng)的影響機(jī)制. UV-vis亦可反映DOM芳香性、分子量水平等結(jié)構(gòu)特征[11]. 3D-EEM 與UV-vis聯(lián)合分析因其靈敏高效的特性，已被廣泛用于表征DOM組分結(jié)構(gòu)及來(lái)源特征[12]，對(duì)深度剖析土壤剖面各土層DOM組分結(jié)構(gòu)特征具有重要意義.

煤炭是我國(guó)目前最主要能源之一，在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，但煤炭開(kāi)采在帶來(lái)能源的同時(shí)造成巨大生態(tài)環(huán)境破壞，對(duì)土壤影響尤為突出. 露天煤礦開(kāi)采需剝離地表植被和上層巖土，土壤剝離后形成排土場(chǎng)并演變?yōu)榇紊愕?，?yán)重破壞土壤生態(tài)平衡，造成巨大生態(tài)威脅[13]. 伴隨人工整理、改良以及自然風(fēng)化、熟化等過(guò)程[14]，排土場(chǎng)地表植被也逐步進(jìn)行相應(yīng)演替. DOM作為土壤活性有機(jī)組分，可較好地指示土壤熟化過(guò)程，對(duì)地表植被演替做出響應(yīng). 3D-EEM與UV-vis大量用于土壤有機(jī)碳組分分析[15-16]，揭示土壤DOM來(lái)源、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)、生物降解過(guò)程等演變規(guī)律[17]. 西部地區(qū)(晉陜蒙甘寧)是我國(guó)的煤炭主產(chǎn)區(qū)，且該地區(qū)降雨量少，土壤沙化嚴(yán)重. 隨著我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略西移，煤炭資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境的矛盾更為突出，亟需開(kāi)展煤礦開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境的影響機(jī)制.

因此，該研究聯(lián)合應(yīng)用3D-EEM與UV-vis對(duì)錫林浩特露天煤礦1～7年排土場(chǎng)土壤剖面(0～100 cm)DOM熒光和吸光特征深入分析，旨在解析排土場(chǎng)土壤剖面DOM組分及來(lái)源時(shí)空變化，揭示煤炭開(kāi)采及排土場(chǎng)生態(tài)演替過(guò)程對(duì)土壤剖面DOM組分含量垂向分布影響及其生態(tài)效應(yīng)，為排土場(chǎng)環(huán)境治理與生態(tài)恢復(fù)工程提供相應(yīng)理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與采樣

該研究于2019年7月在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北4 km處一露天煤礦利用土壤分層采樣器對(duì)1、3、5、7年露天煤礦排土場(chǎng)及原草地0～100 cm土壤進(jìn)行采集(7年排土場(chǎng)由于下層堅(jiān)硬只采集0～60 cm土壤)，并按20 cm為單位進(jìn)行分層. 各采樣點(diǎn)(見(jiàn)表1)均采集3根土壤柱狀樣，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)去除根茬等植物殘?bào)w及大型礫石后裝入塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，預(yù)處理后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，不同年限排土場(chǎng)土壤理化性狀如表2所示.

表1 露天煤礦排土場(chǎng)采樣點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)植被類(lèi)型

表2 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面各土層基本理化指標(biāo)

1.2 樣品分析

取一定量土壤，按照土水1∶10的質(zhì)量與體積比用1 mol/L的KCl溶液振蕩提取(20 ℃、200 r/min、24 h)，離心(5 000 r/min、15 min)并過(guò)0.45 μm玻璃纖維濾膜后，得到DOM溶液，并將DOM溶液稀釋到10倍，以降低內(nèi)部濾波器效應(yīng)[18]. 土壤溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)含量采用TOC-5000A(日本島津)測(cè)定，其余基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析法測(cè)定. 土壤DOM的3D-EEM分析采用Hitachi F-7000型熒光光譜分析儀測(cè)定，激發(fā)波長(zhǎng)(λEx)為200～440 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(λEm)為250～600 nm，以Milli-Q超純水做CK[19]. 熒光分光光度計(jì)光源為150 W氙燈，PMT電壓為700 V，帶通(Bandpass)λEx為5 nm、λEm為5 nm，掃描速率為 2 400 nm/min. 熒光分光光度計(jì)根據(jù)拉曼信號(hào)自動(dòng)校準(zhǔn)，并以奎寧硫酸鹽單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)扣除空白水樣、手動(dòng)置零等方法消除拉曼散射和瑞利散射[20-21]. 所得熒光光譜圖結(jié)合PARAFAC分析DOM樣品. UV-vis分析采用UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本島津)進(jìn)行吸收光譜掃描，掃描波長(zhǎng)范圍為190～1 002 nm，掃描波長(zhǎng)間隔為2 nm. 土壤理化性狀采用土壤農(nóng)化分析方法[22]測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)處理

該研究采用Excel 2007軟件進(jìn)行光譜參數(shù)分析; 采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析; 3D-EEM數(shù)據(jù)采用MATLAB 2017b軟件處理以分析DOM組分[23-24]，其中PARAFAC特征峰鑒定方法參考文獻(xiàn)[25]，熒光區(qū)域體積積分(fluorescence regional integration, FRI)組分P1～P5的識(shí)別參考文獻(xiàn)[23].

2 結(jié)果與分析

2.1 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM含量時(shí)空變化

DOC含量可以表征DOM的含量，不同年限排土場(chǎng)土壤DOC含量時(shí)空變化如圖1所示. 由圖1可見(jiàn)，不同年限排土場(chǎng)土壤剖面各土層DOC含量在102.70～475.80 mg/kg之間，隨著深度的增加總體呈先降后升的趨勢(shì)，20～40 cm土層出現(xiàn)最低值，但0～20 cm到20～40 cm土層DOC含量降幅隨著排土場(chǎng)年限的增加呈增加趨勢(shì). 0～40 cm土層是植物根系及土壤生物的主要活動(dòng)層，土壤DOC含量大小表現(xiàn)為原草地>1年排土場(chǎng)>3年排土場(chǎng)>7年排土場(chǎng)>5年排土場(chǎng). 隨著深度增加，原草地土壤DOC含量總體呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在80～100 cm土層. 可見(jiàn)，露天煤礦開(kāi)采新剝離的土壤中含有較高的DOC，隨著排土場(chǎng)年限的增加，DOC含量降低，對(duì)深層土壤的影響加劇.

圖1 不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面的DOC含量Fig.1 The DOC content of soil profile of open-pit coal mine dump in different years

2.2 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM三維熒光光譜特征

采用PARAFAC可識(shí)別出土壤剖面DOM中4種主要熒光組分(見(jiàn)圖2)，組分C1為蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)，組分C2、C3為類(lèi)腐殖酸物質(zhì)，組分C4為類(lèi)富里酸物質(zhì)(見(jiàn)表3)，并經(jīng)裂半及殘差分析證明有效. 不同組分占比的時(shí)空變化如圖3所示. 由圖3可見(jiàn)，DOM熒光組分中蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比最高，在29.97%～60.39%之間，其次為類(lèi)腐殖酸組分，在16.09%～44.27%之間. 1年排土場(chǎng)土壤DOM熒光組分占比隨深度增加，蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比呈先升后降趨勢(shì)，在40～60 cm呈現(xiàn)峰值，類(lèi)腐殖酸組分占比波動(dòng)式下降，在20～40 cm出現(xiàn)最低值，類(lèi)富里酸組分占比呈先升后降趨勢(shì)，20～40 cm出現(xiàn)峰值. 3年排土場(chǎng)土壤DOM熒光組分占比隨深度增加，蛋白類(lèi)組分占比呈上升趨勢(shì)，類(lèi)腐殖酸組分占比呈先升后降趨勢(shì)，40～60 cm出現(xiàn)峰值，類(lèi)富里酸組分占比呈先降后升趨勢(shì)，40～60 cm出現(xiàn)波谷. 5年排土場(chǎng)土壤DOM熒光組分占比隨深度增加，蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比呈先升后降趨勢(shì)，在20～40 cm呈現(xiàn)峰值，類(lèi)腐殖酸組分占比波動(dòng)式上升，類(lèi)富里酸組分占比呈先降后升趨勢(shì)，20～40 cm出現(xiàn)波谷. 7年排土場(chǎng)DOM熒光組分占比隨深度增加，蛋白類(lèi)組分占比呈先降后升趨勢(shì)，類(lèi)腐殖酸組分占比呈先升后降趨勢(shì)，類(lèi)富里酸組分占比呈先降后升趨勢(shì)，均在20～40 cm出現(xiàn)拐點(diǎn). 原草地土壤DOM熒光組分占比隨深度增加，蛋白類(lèi)組分占比呈先升后降趨勢(shì)，類(lèi)腐殖酸組分呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，類(lèi)富里酸組分占比呈先降后升趨勢(shì)，在20～40 cm出現(xiàn)拐點(diǎn). 總體來(lái)看，排土場(chǎng)土壤DOM以小分子DOM為主，隨排土場(chǎng)年限增加，土壤DOM熒光組分中類(lèi)蛋白組分占比增加，類(lèi)腐殖酸和類(lèi)富里酸組分占比降低，隨土壤深度增加其變幅降低，波動(dòng)主要發(fā)生在20～40 cm土層，且隨排土場(chǎng)年限增加，土壤DOM組分垂向變化波動(dòng)性變小，趨于穩(wěn)定.

圖2 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM的4種主要熒光組分Fig.2 Four main fluorescence components of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump

DOM熒光指數(shù)(fluorescence index, FI)可用來(lái)區(qū)別有機(jī)質(zhì)的來(lái)源[26]，根據(jù)Mcknight等[27]的分類(lèi)，將FI分為1.4和1.9，F(xiàn)I<1.4表明來(lái)源于外來(lái)輸入，F(xiàn)I>1.9表明來(lái)源于土壤中微生物代謝產(chǎn)物. 一般FI值越高，溶解性有機(jī)質(zhì)的芳香性越低. 隨著深度的增加，不同年限排土場(chǎng)土壤DOM的FI變化趨勢(shì)如圖4(a)所示. 由圖4(a)可見(jiàn)：1年排土場(chǎng)FI呈波動(dòng)式變化，40～60 cm土層最高；3年排土場(chǎng)FI呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，40～60 cm土層最低；5年排土場(chǎng)FI呈波動(dòng)式上升，表層最低；7年排土場(chǎng)FI呈上升趨勢(shì)；原草地FI呈波動(dòng)式下降，40～60 cm土層最低. 可見(jiàn),排土場(chǎng)土壤DOM主要來(lái)源于微生物代謝產(chǎn)物，隨著排土場(chǎng)年限的增加，表層土壤受外源影響加劇，且逐步影響深層土壤，特別是40～60 cm土層. DOM腐殖化指數(shù)(humification index, HIX)表征土壤DOM的腐殖化程度，當(dāng)HIX小于4時(shí)，DOM腐殖化程度較弱，DOM主要來(lái)源于自生源[28]. 不同年限排土場(chǎng)土壤DOM的HIX隨著深度增加的變化趨勢(shì)如圖4(b)所示. 由圖4(b)可見(jiàn)，排土場(chǎng)土壤DOM腐殖化程度較弱，主要是自生源，且隨著年限的增加，腐殖化程度先減弱后增強(qiáng). 1年排土場(chǎng)HIX呈先升后降趨勢(shì)，20～40 cm土層最高；3年排土場(chǎng)HIX呈先升后降趨勢(shì)，40～60 cm土層最高；5年排土場(chǎng)HIX呈波動(dòng)式上升；7年排土場(chǎng)HIX呈下降趨勢(shì)；原草地HIX呈波動(dòng)式下降，20～40 cm土層最高. 可見(jiàn),排土場(chǎng)深層土壤DOM腐殖化程度逐年增加. Huguet等[29]研究表明，DOM自生源指數(shù)(biological index，BIX)大于1時(shí)，表明微生物活性強(qiáng)，自生源特征強(qiáng). 不同年限排土場(chǎng)土壤DOM的BIX隨著深度的增加變化趨勢(shì)如圖4(c)所示. 由圖4(c)可見(jiàn)：1年排土場(chǎng)BIX呈下降趨勢(shì)；3年排土場(chǎng)BIX呈先升后降趨勢(shì)，60～80 cm土層最高；5年排土場(chǎng)BIX呈波動(dòng)式下降，0～20 cm土層最高；7年排土場(chǎng)BIX呈上升趨勢(shì)；原草地BIX呈先升后降，0～20 cm土層最低. 可見(jiàn),隨著年限的增加，排土場(chǎng)深層土壤DOM自生源特征及微生物活性逐漸減弱.

組分λEx∕nmλEm∕nm類(lèi)型C1200～350280～380由微生物和細(xì)菌降解代謝產(chǎn)生的與大分子蛋白質(zhì)結(jié)合小分子類(lèi)色氨酸組分[25]C2220～300400～450相對(duì)分子質(zhì)量較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,相對(duì)穩(wěn)定的類(lèi)腐殖酸組分[25]C3260～360350～460相對(duì)分子質(zhì)量較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,相對(duì)穩(wěn)定的類(lèi)腐殖酸組分[25]C4220～250350～450含羰基、羥基等活性官能團(tuán)的相對(duì)分子質(zhì)量小,且腐殖化、芳香性、分子縮合度較低的類(lèi)富里酸組分[25]

注： 小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05).圖3 不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM各熒光組分占比Fig.3 Proportion of DOM fluorescence components in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

圖4 不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM三維熒光光譜參數(shù)的變化Fig.4 3D-EEM parameters′ variations of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

2.3 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM紫外-可見(jiàn)光譜特征

圖5 不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM紫外-可見(jiàn)光譜參數(shù)的變化Fig.5 UV-vis parameters′ variations of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

3 討論

3.1 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM光譜特征時(shí)空變化

3D-EEM與UV-vis結(jié)果均較好地反映了露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM熒光和吸光組分變化特征. 該研究表明，排土場(chǎng)土壤剖面DOC含量均低于原草地，1～7年排土場(chǎng)土壤剖面DOM熒光組分中蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比更高，且自生源顯著，表明采礦剝離土壤DOM熒光組分以蛋白質(zhì)類(lèi)等小分子物質(zhì)為主，且生物源為主導(dǎo). 這與于妍等[36]對(duì)煤礦地下水庫(kù)水DOM研究結(jié)果相同. 這主要是煤層上層土壤受煤炭演化[37]和沉積環(huán)境[38]的影響. 由于煤炭中脂肪族芳香化合物可通過(guò)脫氧作用形成鏈狀烴類(lèi)物質(zhì)，降低脂肪鏈在芳香取代基中的占比[37]，因此，隨排土場(chǎng)年限增加，各土層DOM吸光組分芳香環(huán)中羰基、羧基、羥基、酯類(lèi)含量增加. 隨著排土場(chǎng)年限的增加，土壤主要活躍層(0～40 cm)蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比增加，類(lèi)腐殖酸組分占比降低，排土場(chǎng)土壤由厭氧向好氧轉(zhuǎn)化，微生物活性增強(qiáng)，DOM被氧化分解，但隨著地表植被生物量的增加，7年排土場(chǎng)類(lèi)腐殖酸組分占比增加，排土場(chǎng)土壤中DOM由小分子向大分子轉(zhuǎn)變，腐熟程度增強(qiáng)，由生物源向陸源轉(zhuǎn)變. 從排土場(chǎng)土壤DOM垂向變化可見(jiàn)，隨著排土場(chǎng)年限的增加，深層土壤DOM熒光組分中蛋白質(zhì)類(lèi)呈上升趨勢(shì)，類(lèi)富里酸組分垂向變化規(guī)律一致，類(lèi)腐殖酸組分呈下降趨勢(shì)，且隨著年限的增加，DOM組分波動(dòng)性變小，外源對(duì)土壤深層影響逐步增強(qiáng)，但20～40 cm土層成為拐點(diǎn)，下層受壓實(shí)作用的影響(7年排土場(chǎng)60 cm以下土壤堅(jiān)硬，普通采土器無(wú)法采集)，受外源及植物生長(zhǎng)影響較小，DOM特征變化較小.

3.2 露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面DOM特征生態(tài)指示意義

露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面各土層基本理化指標(biāo)與DOM光譜學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析(見(jiàn)圖6)顯示，pH與蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.708，P<0.01)，與類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖酸組分占比均呈顯著正相關(guān)(R2分別為0.587、0.615，P均小于0.01)，表明排土場(chǎng)土壤剖面高pH土層DOM熒光組分中腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)占比更高. 腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)含更多官能團(tuán)，且?guī)ж?fù)電荷較多，對(duì)重金屬陽(yáng)離子吸附量更高[39]，促進(jìn)OH-產(chǎn)生以提高土壤堿度，因此土壤剖面DOM熒光組分中腐殖質(zhì)類(lèi)組分占比會(huì)間接影響pH. 由此可見(jiàn)，排土場(chǎng)土壤剖面pH可作為評(píng)估DOM腐殖化程度的良好指標(biāo). 排土場(chǎng)土壤剖面各土層DOM的SR與TN含量呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.547，P<0.01)，表明排土場(chǎng)土壤TN含量越高，DOM分子量越大. 這是由于氮作為重要生命組成元素促進(jìn)植被繁殖代謝，而植物殘?bào)w向土壤輸送大量大分子腐殖質(zhì)物質(zhì). 不同分子量水平DOM在土壤中遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程差異明顯[40]，排土場(chǎng)土壤剖面中TN含量可作為指示土壤DOM分子量重要指標(biāo)，反映土壤DOM結(jié)構(gòu)組分特征. 此外，該研究發(fā)現(xiàn)，1～7年排土場(chǎng)土壤次表層(20～40 cm土層)DOM含量均呈現(xiàn)最低值，且分子量水平較高，芳香性、腐殖化程度隨年限變化明顯，并均表現(xiàn)為極值，可見(jiàn)不同年限排土場(chǎng)土壤次表層DOM組分含量特征時(shí)空差異極為顯著. 因此，排土場(chǎng)土壤次表層DOM組分含量特征對(duì)區(qū)域生態(tài)效應(yīng)評(píng)估具有一定指示意義，表現(xiàn)出良好的生態(tài)環(huán)境價(jià)值，值得進(jìn)一步關(guān)注.

注：*表示在P<0.05水平上顯著相關(guān)； ** 表示在P<0.01水平上顯著相關(guān)； *** 表示在P<0.001水平上顯著相關(guān).圖6 不同年限露天煤礦排土場(chǎng)土壤剖面參數(shù)間相關(guān)性分析Fig.6 Correlation Analysis of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

3.3 露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)演替過(guò)程對(duì)DOM光譜特征影響機(jī)制

采礦活動(dòng)是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要方式之一，不僅露天煤礦開(kāi)采直接損害地表環(huán)境，剝離礦渣堆放也對(duì)當(dāng)?shù)赝寥兰吧鷳B(tài)環(huán)境具有重要影響. 排土場(chǎng)土壤容易受降雨等影響造成土壤侵蝕[41]，而DOM作為土壤中重要活性組分，對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化具有重要的影響[1,42]，但露天煤礦排土場(chǎng)土壤DOM組分時(shí)空分布規(guī)律受內(nèi)因和外因共同影響. 露天煤礦剝離的深層礦渣暴露于空氣中逐步發(fā)生生態(tài)演替，土壤經(jīng)過(guò)熟化過(guò)程，地表植被群落逐步發(fā)生演替，這一過(guò)程中作為土壤活性有機(jī)質(zhì)的DOM在組分和來(lái)源上將有相應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制. 試驗(yàn)采集的1～7年排土場(chǎng)地表植被由無(wú)到有，由偶見(jiàn)的類(lèi)短命植物到以多年生草本植物為優(yōu)勢(shì)種的叢生植物群落. 從土壤DOM含量來(lái)看，隨著植物演替，DOM含量呈先降后升的趨勢(shì)，即土壤中DOM逐步降解釋放養(yǎng)分供生物生長(zhǎng)所需，當(dāng)植物生物量逐步增加進(jìn)而向土壤輸入DOM，從土壤DOM組分和來(lái)源可見(jiàn)，在演替前期土壤中小分子DOM迅速降解釋放養(yǎng)分，DOM自生源特征較強(qiáng)，腐殖化程度較低，在演替后期植物殘?bào)w及人類(lèi)活動(dòng)等向土壤中輸入有機(jī)物，DOM含量增加，類(lèi)腐殖酸等大分子有機(jī)物在微生物作用下形成類(lèi)富里酸及類(lèi)蛋白質(zhì)組分，進(jìn)而達(dá)到養(yǎng)分的平衡，DOM自生源特征變?nèi)酰郴潭仍鰪?qiáng). 從土壤深度變化來(lái)看，土壤熟化和生態(tài)演替主要影響的是0～40 cm土層，20～40 cm土層DOM含量出現(xiàn)明顯的波谷，且該層土壤DOM組分和來(lái)源與下層(40～60 cm土層)和表層(0～20 cm土層)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，因?yàn)楸韺油寥朗苤参餁報(bào)w降雨等影響較大，隨著演替變化DOM陸源性、腐殖化程度較高，下層(40～60 cm土層)微生物活動(dòng)變?nèi)?，隨著演替變化DOM自生源特征較強(qiáng)，腐殖化程度較低. 可見(jiàn)，0～40 cm土層DOM類(lèi)腐殖酸組分增加利于地表植被恢復(fù)，土壤DOM演變規(guī)律對(duì)土壤及地表植被演替具有指示意義.

4 結(jié)論

a) 采礦剝離土壤DOM熒光組分以蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)等小分子物質(zhì)為主，以生物源為主導(dǎo)，且隨排土場(chǎng)年限增加，各土層DOM吸光組分芳香環(huán)中羰基、羧基、羥基、酯類(lèi)含量增加.

b) 隨排土場(chǎng)土壤深度增加，DOM含量上升，自生源特征及土壤微生物活性減弱，次表層(20～40 cm土層)出現(xiàn)明顯波峰. 隨排土場(chǎng)年限增加，深層(80～100 cm土層)土壤DOM熒光組分中蛋白質(zhì)類(lèi)組分占比呈下降趨勢(shì)，類(lèi)富里酸組分占比垂向變化較小，類(lèi)腐殖酸組分占比呈增加趨勢(shì).

c) 開(kāi)采排土場(chǎng)后初期，土壤剖面DOM自生源特征較強(qiáng)，腐殖化程度較低. 隨地表植被由無(wú)到有，排土場(chǎng)土壤剖面DOM含量增加，類(lèi)富里酸和類(lèi)蛋白質(zhì)組分占比增加，自生源特征變?nèi)?，腐殖化程度增?qiáng).

d) 排土場(chǎng)土壤pH可作為評(píng)估DOM腐殖化程度的良好指標(biāo)，TN含量可作為指示DOM分子量重要指標(biāo)，對(duì)排土場(chǎng)生態(tài)監(jiān)測(cè)及維護(hù)具有重要意義.