土壤溶解性有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化對(duì)水溶態(tài)銅的影響

石含之，劉帆*，黃永東，吳志超，李富榮，徐守俊，鄧騰灝博，文典，王旭，王富華，江棋，杜瑞英**

1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究所，廣東 廣州 510640；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 510640；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 510640；4. 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地質(zhì)量保護(hù)中心（廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村投資項(xiàng)目中心），廣東 廣州 510640

城市和工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致中國(guó)土壤污染問(wèn)題日益嚴(yán)重（Yang et al.，2021）。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示：中國(guó)土壤污染總的點(diǎn)位超標(biāo)率為 16.1%，其中耕地土壤銅的點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)2.1%（環(huán)境保護(hù)部國(guó)土資源部，2014）。銅是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，但土壤中過(guò)量的銅會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害。土壤中銅的毒性及生物有效性不是由總量決定，而是由其形態(tài)決定。水溶態(tài)銅活性最高可被植物直接吸收利用，從而受到廣泛的關(guān)注（叢源等，2009；楊新明等，2019）。

土壤溶解性有機(jī)物（DOM）在操作上的定義是：用超純水提取，并可通過(guò)0.45 μm濾膜的有機(jī)分子（Zsolnay，2003；Strobel et al.，2005）。土壤DOM的含量常用溶解性有機(jī)碳（DOC）含量來(lái)表示（Christiansen et al.，2015；Venegas et al.，2016）。通常土壤 DOM 中低分子量有機(jī)酸的含量小于10%，包括脂肪類(lèi)、芳香類(lèi)等有機(jī)一元、二元及三元酸（Strobeli，2001；Antoniadis et al.，2017；Borggaad et al.，2019），且大部分的土壤DOM由富啡酸組成。雖然溶解性有機(jī)質(zhì)占土壤總有機(jī)質(zhì)的比例很低，在土壤溶液中DOM含量的范圍一般在0—80 mg·L?1（陳同斌等，2002）。但其中溶解性有機(jī)碳、氮活性最高、周轉(zhuǎn)最快，同時(shí)可與土壤中的重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化及生物有效性，從而改變其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（Chen et al.，2012；祝亮等，2008；常單娜等，2017）。因此研究土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)水溶態(tài)銅的影響，對(duì)于了解銅在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要意義（王育來(lái)等，2013）。紫外-可見(jiàn)光譜技術(shù)具有快速、靈敏度高、成本低、樣品不被破壞且無(wú)需分離等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于土壤DOM性質(zhì)的研究。特征性紫外光譜吸收值、紫外光譜吸收比等參數(shù)可以用來(lái)估測(cè)DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度及分子量大小等，這些參數(shù)可以很好地反應(yīng) DOM的性質(zhì)變化（Dilling et al.，2002；He et al.，2011；常單娜等，2017）。

土壤中銅污染修復(fù)的方法有很多，其中原位的化學(xué)鈍化方法是最普遍、效果最顯著的方法之一。過(guò)去有研究報(bào)道，有機(jī)質(zhì)對(duì)銅有較強(qiáng)的吸附能力（Alcacio et al.，2011；Shaheen et al.，2014；Shaheen et al.，2018）。秸稈作為一種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物，還田后可減少焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染，同時(shí)可以提高土壤肥力、鈍化土壤中銅離子。進(jìn)入到土壤中的秸稈在分解過(guò)程中產(chǎn)生溶解性有機(jī)物，進(jìn)而對(duì)土壤中銅的化學(xué)行為產(chǎn)生影響。以往研究大多關(guān)注幾小時(shí)到幾十天范圍內(nèi)，外源銅與土壤組分的相互作用（Meers et al.，2005；祝亮等，2008），但長(zhǎng)時(shí)期秸稈分解過(guò)程中產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化對(duì)水溶性銅的影響研究較少?；诖?，本研究選取中國(guó)由南向北分布的3種理化性質(zhì)差異較大的地帶性土壤，分別為紅壤、褐土及黑土，設(shè)計(jì)向土壤中添加秸稈、銅的土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。期望得到秸稈分解過(guò)程中，各類(lèi)型土壤中溶解性有機(jī)物含量及紫外光譜特性的動(dòng)態(tài)變化對(duì)水溶態(tài)銅含量的影響。本研究可為不同類(lèi)型土壤中外源銅污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及修復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

供試土壤為湖南長(zhǎng)沙紅壤、河南鄭州褐土及黑龍江海倫黑土。3種土壤均為旱地。紅壤的成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土；褐土的成土母質(zhì)為黃土母質(zhì)；黑土的成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土母質(zhì)。供試秸稈為無(wú)重金屬污染的水稻秸稈，其有機(jī)碳含量為796.7 g·kg?1，Cu 含量為 6.13 mg·kg?1。將風(fēng)干土壤過(guò) 2.54 mm（10目）篩后置于陶瓷盆缽中，每個(gè)盆缽裝土量為1 kg。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)處理：對(duì)照處理和秸稈處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。其中，對(duì)照處理只添加 200 mg·kg?1的 Cu(NO3)2溶液，銅離子的添加量為200 mg；秸稈處理是在土壤中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%水稻秸稈（小于2 mm的粉末）后添加200 mg·kg?1的Cu(NO3)2溶液。土壤在溫室條件下培養(yǎng)，溫度保持在 (25±2) ℃，定期補(bǔ)充水分，控制土壤含水量保持在田間持水量的60%。土壤培養(yǎng)時(shí)間為12個(gè)月，每4個(gè)月取樣一次。每次取樣前，將盆缽中的土壤混合均勻，然后取出100克土壤。供試土壤性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤的物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Soil physiochemical properties

1.2 可溶性有機(jī)物的提取及測(cè)定

稱(chēng)取土樣 2 g，加入去離子水 10 mL，200 r·min?1，25 ℃條件下振蕩 24 h 后離心（4000 r·min?1）并通過(guò) 0.45 μm 濾膜收集濾液，整個(gè)過(guò)程注意避光。利用總碳-總氮分析儀測(cè)定濾液中有機(jī)碳、氮的含量。

溶解性有機(jī)物的紫外光譜特性：將DOM浸提液置于比色皿中，用超純水調(diào)零。設(shè)置紫外分光光度計(jì)在200—800 nm區(qū)域內(nèi)讀取DOM的吸光度，讀數(shù)間隔為1 nm。得到不同波長(zhǎng)下DOM的吸光值后，計(jì)算 A253/A203，A240/A420，A250/A365，A300/A400，用來(lái)表征DOM不同的特性（Gao et al.，2018；常單娜等，2017）。

1.3 水溶態(tài)銅的提取及測(cè)定

稱(chēng)取1.00 g土壤樣品于離心管中，加入10 mL超純水，在25 ℃及200 r·min?1條件下在搖床上振蕩 2 h 后取出。于 4000 r·min?1下離心 15 min 后，將上清液過(guò)0.45 μm的濾膜，用原子吸收光譜（安捷倫，AA240Duo）測(cè)定濾液中銅含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用雙尾檢驗(yàn)進(jìn)行處理間差異顯著性分析，LSD法檢驗(yàn)。將土壤中溶解性有機(jī)物的紫外光譜特性、DOC和DON含量與水溶態(tài)銅含量進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。數(shù)據(jù)處理軟件為SPSS 17.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤DOC、DON含量

土壤中可溶性有機(jī)碳（DOC）含量如圖1所示。培養(yǎng)4個(gè)月后，黑土中DOC含量最高，紅壤中的最低，且黑土中的含量是紅壤中 DOC含量的 1.7倍。培養(yǎng)的第8—12個(gè)月，褐土中的DOC含量在3種土壤中最高。加入秸稈后土壤中 DOC含量較對(duì)照處理顯著增加，在紅壤、褐土及黑土中增加的幅度分別為 292%—567%，107%—202%和 114%—141%。3種土壤的對(duì)照處理中，DOC含量隨時(shí)間變化不大，但秸稈處理中DOC含量隨時(shí)間逐漸下降。

圖1 土壤中水溶性有機(jī)碳（DOC）含量Fig. 1 Concentration of dissolved organic carbon (DOC)in soils

土壤中DON含量圖2所示。培養(yǎng)4個(gè)月后褐土中水溶性氮（DON）的含量最高，黑土中含量最低，且褐土中DON含量是黑土中的2倍。在培養(yǎng)的后8個(gè)月，紅壤中DON含量最高，約是褐土中DON的1.2倍，黑土的1.4倍。加入秸稈后，前8個(gè)月內(nèi)3種土壤中DON含量較對(duì)照均有顯著下降。其中，DON在紅壤中下降了88%—90%，褐土在培養(yǎng)后的第4個(gè)月下降的幅度較大，幅度為93%，培養(yǎng)8個(gè)月DON下降幅度降低為47%。黑土中DON受秸稈的影響與褐土中DON的變化相似，培養(yǎng)后4個(gè)月DON下降的幅度為88%，8個(gè)月下降幅度為62%。秸稈處理中，紅壤和褐土的 DON在培養(yǎng)后的第 12個(gè)月較對(duì)照顯著增加，在兩種土壤中增加的幅度分別為28%和22%。黑土中秸稈處理在培養(yǎng)12個(gè)月后與對(duì)照沒(méi)有顯著差異。

圖2 土壤中水溶性有機(jī)氮（DON）含量Fig. 2 Concentration of dissolved organic nitrogen (DON) in soils

在對(duì)照中，黑土的DON含量隨時(shí)間逐漸增加。紅壤和褐土對(duì)照中，DON含量在 8個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定，第8—12個(gè)月下降。加入秸稈后，3種土壤中DON含量隨時(shí)間逐漸增加。紅壤、褐土及黑土中，培養(yǎng)12個(gè)月后DON含量較4個(gè)月時(shí)增加的幅度分別為8.5、16.7、15.2倍。

2.2 土壤DOM的紫外光譜特性

土壤的紫外光譜特性結(jié)果如表2所示。A253/A203反映分子結(jié)構(gòu)和取代基情況，與取代基的復(fù)雜程度呈正相關(guān)。A253/A203在紅壤中最低，褐土中最高。加入秸稈A253/A203在3種土壤中均增大，其中在紅壤中增加的幅度最大，其值與褐土中結(jié)果接近。3種土壤不同處理中A253/A203值在培養(yǎng)后的12個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定。

表2 土壤DOM紫外光譜特性Table 2 The UV-VIS characteristics of DOM in soils

A240/A420與A300/A400均與有機(jī)質(zhì)的分子量與團(tuán)聚化程度均呈負(fù)相關(guān)。這兩個(gè)比值在紅壤中最高，褐土中最低。秸稈顯著降低了 3種土壤中A240/A420值和A300/A400。在紅壤和褐土的對(duì)照處理中，A240/A420值在培養(yǎng)后4—8月內(nèi)增加，隨后逐漸下降。黑土對(duì)照處理中A240/A420值隨時(shí)間逐漸增加。3種土壤的秸稈處理中，A240/A420隨時(shí)間逐漸增加。3種土壤不同處理中，A300/A400值在培養(yǎng)的0—12個(gè)月保持穩(wěn)定。

A250/A365與有機(jī)質(zhì)的芳香性及分子量大小呈負(fù)相關(guān)。A250/A365在紅壤中最高，褐土中最低。秸稈使3種土壤中A250/A365值較對(duì)照顯著下降。3種土壤不同處理中，A250/A365值隨時(shí)間逐漸增加，但對(duì)照處理中該值的增加幅度要高于秸稈處理。

2.3 土壤水溶性Cu含量

圖3所示為不同培養(yǎng)時(shí)期土壤中水溶態(tài)銅含量。水溶態(tài)銅含量在褐土中含量最高，紅壤中含量最低。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期，水溶態(tài)銅在3種土壤的對(duì)照中變化均不顯著。與對(duì)照相比，紅壤、褐土和黑土的秸稈處理中的水溶態(tài)銅含量分別顯著增加 4.4—12.8、1.9—4.0和 0.5—2.4倍。老化時(shí)間對(duì)3種土壤中水溶態(tài)銅含量有相似的影響，即從第 4—12個(gè)月，水溶態(tài)銅含量急速下降。

圖3 土壤中水溶態(tài)銅含量Fig. 3 Concentration of water-soluble Cu in soils

土壤中水溶態(tài)銅的影響因素如表3所示。經(jīng)過(guò)多元線性逐步回歸分析，我們發(fā)現(xiàn)3種土壤中溶解性有機(jī)碳含量與水溶態(tài)銅含量呈極顯著正相關(guān)，在紅壤、褐土和黑土中R2分別為0.962，0.898和0.810，P值均小于0.05。

表3 土壤水溶態(tài)銅的影響因素Table 3 The factors controlling water-soluble Cu in soils

3 討論

在對(duì)照中，水溶態(tài)銅含量在褐土中含量最高，紅壤中含量最低?？赡茉蚴?，紅壤中粘粒含量較褐土高，粘粒組分因比表面積大，且其上含有羥基、羧基等官能團(tuán)可固定銅離子（Li et al.，2020）。同時(shí)溶解性有機(jī)碳含量較褐土低，多元線性逐步回歸分析顯示，水溶態(tài)銅的含量與溶解性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。黑土中水溶態(tài)銅含量較褐土低，原因可能是黑土中固態(tài)有機(jī)碳含量較高，同時(shí)陽(yáng)離子交換量和粘粒含量較褐土高，對(duì)銅離子的吸附及固定起積極作用。加入秸稈后，3種土壤中溶解性有機(jī)碳的含量較對(duì)照顯著增加，一方面秸稈進(jìn)入到土壤中后分解產(chǎn)生溶解性有機(jī)物；另一方面，由于“激發(fā)效應(yīng)”，秸稈的分解也促進(jìn)了土壤中原有有機(jī)質(zhì)的分解（Kuzyakov，2010；Gao et al.，2018）。培養(yǎng)后的8個(gè)月內(nèi)，3種土壤中溶解性有機(jī)氮的含量較對(duì)照顯著降低，這是激發(fā)效應(yīng)會(huì)使土壤中微生物活性增強(qiáng)，大量消耗溶解性有機(jī)氮。上述結(jié)果顯示在激發(fā)效應(yīng)過(guò)程中，微生物優(yōu)先利用溶解性有機(jī)氮，前人也有研究結(jié)果與我們一致（湯宏等，2013）。在外源銅老化的12月內(nèi)，3種土壤的對(duì)照處理中，水溶態(tài)銅含量的變化幅度不大。但秸稈處理中，3種土壤中水溶態(tài)Cu含量均隨時(shí)間逐漸下降，在紅壤、褐土和黑土中，下降的幅度分別為51.8%，53.2%和 59.6%。多元線性逐步回歸分析的結(jié)果也顯示，土壤中水溶態(tài)銅的含量?jī)H與 DOC含量呈正相關(guān)?？赡茉蚴?，土壤中 DOC含量隨時(shí)間逐漸減小，與土壤溶液中銅離子絡(luò)合的量降低（Cui et al.，2008；祝亮等，2008）。

秸稈使溶解性有機(jī)物的A253/A203值較對(duì)照顯著增加，說(shuō)明芳香環(huán)取代基中羰基、羧基及脂類(lèi)的數(shù)量增加；隨時(shí)間推移該比值逐漸下降，反映出溶解性有機(jī)物中取代基的脂肪鏈數(shù)量增多，復(fù)雜程度增加。A240/A420較對(duì)照下降，表明溶解性有機(jī)物的團(tuán)聚化程度增強(qiáng)，但團(tuán)聚化程度隨時(shí)間的推移而逐漸減弱。3種土壤中溶解性有機(jī)物的A250/A365值較對(duì)照顯著下降，但隨時(shí)間逐漸增加，說(shuō)明溶解性有物的芳香性增強(qiáng)，分子量增加，但隨時(shí)間推移，這兩項(xiàng)指標(biāo)逐漸降低。A300/A400同樣反映溶解性有機(jī)物的分子量和團(tuán)聚化程度（Dorado et al.，2003）。該結(jié)果與A250/A365反映的情況一致。以往有研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中加入綠肥后土壤中 DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度及分子量增加，即有機(jī)碳的穩(wěn)定性增強(qiáng)（常單娜等，2017），這與我們的研究結(jié)果一致；但隨時(shí)間推移，本發(fā)現(xiàn) DOM的分子量及穩(wěn)定程度降低。這可能是由于秸稈分解過(guò)程中，溶解性有機(jī)物成分中活性較高、分子量較小的有機(jī)物被微生物利用，如單糖、氨基酸、小分子有機(jī)酸、碳水化合物等，而溶解性有機(jī)物成分中難降解的、分子量大的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、腐殖質(zhì)及芳香類(lèi)化合物的比例升高。隨后，微生物利用溶解性有機(jī)物中難降解、分子量大的有機(jī)物，使得溶解性有機(jī)物的分子量降低。

溶解性有機(jī)物中含有羧基、羥基、酚基等可與重金屬作用的官能團(tuán)，因此可對(duì)重金屬的行為產(chǎn)生影響（Borggaard et al.，2019；祝亮等，2008）。秸稈處理使水溶態(tài)銅含量較對(duì)照顯著增加。在秸稈分解初期，產(chǎn)生較多的親水性小分子物質(zhì)，并與Cu2+絡(luò)合形成DOM-Cu絡(luò)合物，從而增加Cu在溶液中的含量（Cui et al.，2008）。隨時(shí)間推移，3種土壤的不同處理中，水溶態(tài) Cu含量逐漸減少，與之前的研究結(jié)果一致，即在“老化”過(guò)程中其可浸提性、遷移性及生物有效性等會(huì)隨時(shí)間的推移而逐漸降低（Li et al.，2018；Shi et al.，2018；石含之等，2019）。溶解性有機(jī)物的 A250/A365，A300/A400的結(jié)果顯示，3種土壤不同處理的溶解性有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度及分子量隨時(shí)間逐漸降低。之前的研究表明溶解性有機(jī)物中低分子量及親水性組分對(duì)重金屬的絡(luò)合能力較強(qiáng)，從而抑制土壤對(duì)重金屬的吸附，使土壤溶液中水溶態(tài)重金屬含量增加；而高分子量組分則與重金屬形成難溶性絡(luò)合物從而使土壤固相組分對(duì)它的吸附增加（Gu et al.，1995；Kaiser et al.，1997；白瑛，1986）。本研究多元線性逐步回歸分析的結(jié)果顯示：土壤中水溶性銅的含量與溶解性有機(jī)碳的含量呈極顯著正相關(guān)。因此，3種土壤的秸稈處理中水溶態(tài)銅含量隨時(shí)間逐漸下降原因，一方面是DOM的分子量和芳香性降低，另一方面是 DOC含量下降。但多元線性逐步回歸分析的結(jié)果顯示：在幾個(gè)考察的因素中，DOC含量是影響水溶態(tài)銅含量的唯一因素。上述結(jié)果說(shuō)明與溶解性有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)相比，其含量對(duì)水溶態(tài)銅的含量影響更大。本研究也給實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)啟示：由于水溶態(tài)銅含量受溶解性有機(jī)物的含量影響最大，在對(duì)銅污染農(nóng)田安全利用時(shí)，需要考慮有機(jī)物在土壤中的分解特性，防止土壤中水溶態(tài)銅含量增加過(guò)多，致使農(nóng)產(chǎn)品銅含量超標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）秸稈使3種土壤中溶解性有機(jī)碳含量增加；培養(yǎng)后8個(gè)月溶解性有機(jī)氮含量較對(duì)照顯著降低，培養(yǎng) 12個(gè)月又有增加現(xiàn)象，說(shuō)明微生物在激發(fā)效應(yīng)過(guò)程中優(yōu)先利用溶解性有機(jī)氮；

（2）秸稈使溶解性有機(jī)物芳香環(huán)上取代基種類(lèi)增加，芳香性增強(qiáng)，分子量增加；隨時(shí)間推移，3種土壤中溶解性有機(jī)物的芳香性及分子量隨時(shí)間逐漸下降；

（3）由于溶解性有機(jī)物對(duì)銅離子的絡(luò)合作用，有機(jī)物加入后 3種土壤中水溶態(tài)銅含量較對(duì)照增加；相比于溶解性有機(jī)物的性質(zhì)，溶解性有機(jī)物的含量對(duì)水溶態(tài)銅含量的影響更大。