毛白楊落葉與不同深度土中DOM的紫外與熒光特性對(duì)比研究

趙麗，孫超，黃興宇，羅紹河，都聰聰，董大莊，康晴晴

（1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 河南省煤炭綠色轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；4.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

0 引 言

溶解性有機(jī)質(zhì)（dissolved organic matter，DOM）是有機(jī)體在物理、化學(xué)和微生物降解過程中形成的［1-2］，普遍存在于水體、土壤和沉積物中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有著重要作用［3］。地表植被殘?bào)w對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的輸入十分普遍，對(duì)土壤理化性質(zhì)有一定影響［4］。土壤有機(jī)質(zhì)作為污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的重要載體，還會(huì)通過徑流、淋溶等成為水體的一部分［3］，直接影響水體環(huán)境中污染物的生物化學(xué)行為，尤其對(duì)地下水環(huán)境的影響不容忽視。已有很多學(xué)者研究了不同類型淺層土壤中有機(jī)質(zhì)的組成分布［5］，而對(duì)深層土壤及土壤中有機(jī)質(zhì)的垂向分布研究較少。王麗梅［6］對(duì)人工植被恢復(fù)的荒漠區(qū)深層土壤進(jìn)行有機(jī)質(zhì)分布特征研究，結(jié)果證明不同植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響不同，在表層土壤中影響最為明顯，在1～5 m土壤中有機(jī)質(zhì)含量差異不明顯；何小松等［7］對(duì)淺層土不同埋深地下水中DOM進(jìn)行研究，證明DOM對(duì)中深層地下水有很大影響。以上研究探索了土壤及地下水中DOM的垂向分布特征及成因。而地表植被作為地表土壤DOM的直接輸入，開展植被殘?bào)w和不同深度土層DOM的對(duì)比研究，可為進(jìn)一步開展土壤和地下水中DOM的分布特征以及植被殘?bào)w在土中的分布和演化規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

毛白楊生長(zhǎng)速度快、壽命長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的抗煙和抗污染能力，是主要的農(nóng)田防護(hù)林和綠化樹種，在我國(guó)華北地區(qū)廣泛種植［8］。為了探討植物落葉和土中有機(jī)物來源、組成及垂向分布特征間的作用關(guān)系，以河南省鄭州市新密縣毛白楊（Populus tomentosa）落葉及其種植地不同深度的土樣為研究對(duì)象，采用紫外-可見光譜和三維熒光光譜等掃描技術(shù)對(duì)毛白楊落葉和土樣的理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析。該研究對(duì)探索天然有機(jī)質(zhì)在土壤和地下水中的分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

土樣采自河南省新密王溝村某耕地（東經(jīng)113°34′25″，北緯34°30′20″），距地表0.1，1，50 m深度土壤層，采用多點(diǎn)位等間距取樣混合，得到相應(yīng)深度的土壤樣品，同時(shí)收集土樣所在地廣泛種植的防護(hù)林毛白楊落葉。土樣自然風(fēng)干后過2 mm篩保存?zhèn)溆?，毛白楊落葉洗凈風(fēng)干，破碎后過1 mm尼龍篩，裝入樣品袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用水平震蕩法，用去離子水對(duì)樣品中的DOM進(jìn)行震蕩提取。取5 g毛白楊落葉粉末置于250 mL錐形瓶中，加200 mL去離子水，在4℃下震蕩24 h（轉(zhuǎn)速120 r/min）［9］，用0.45μm濾膜進(jìn)行抽濾，得到DOM提取液，編號(hào)為S1。取40 g 3種不同的土樣和200 mL去離子水置于250 mL錐形瓶中，并按照土壤深度依次編號(hào)為S2，S3，S4。在4℃下震蕩1 h（轉(zhuǎn)速120 r/min），用0.45μm濾膜進(jìn)行抽濾，得到DOM提取液。

1.3 試驗(yàn)儀器與測(cè)試

1.3.1 紫外-可見光掃描光譜

對(duì)土樣DOM提取液和稀釋50倍的毛白楊落葉DOM提取液采用島津UV1800紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定紫外-可見光譜，掃描波長(zhǎng)為200～600 nm，掃描間距1 nm。

1.3.2 三維熒光掃描光譜

對(duì)土樣DOM提取液和稀釋50倍的毛白楊落葉DOM提取液采用HitachiF-7000熒光光度計(jì)掃描三維熒光光譜，參數(shù)設(shè)定：激發(fā)和發(fā)射狹縫均為10 nm，激發(fā)波長(zhǎng)（Ex）為200～400 nm，發(fā)射波長(zhǎng)（Em）為240～550 nm，掃描間距5 nm，掃描速度12 000 nm/min。

1.3.3 其他指標(biāo)

采用美國(guó)賽默飛世爾公司的Flash2000 autoanalyzer元素分析儀進(jìn)行測(cè)試；溶解性有機(jī)碳（DOC）和總氮含量采用島津Multi N/C 2100 TOC-LCSH總有機(jī)碳分析儀測(cè)試；pH采用瑞士梅特勒公司FG2-FK型pH計(jì)測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品基本理化特征

依據(jù)比重法測(cè)定土壤粒徑［10］，確定0.1，1 m深處為砂質(zhì)壤土，50 m深處為砂土［11］。毛白楊落葉DOM提取液pH為7.07，毛白楊落葉C，N，H元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.17%，1.43%和6.02%。依據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1121.2-2006）完成土樣p H測(cè)定，由表1可知，不同深度土樣的pH均大于7.0，屬于偏堿性土，其中1 m深處土壤的pH略小于表層和深層土壤的，而N含量明顯高于表層和深層土壤的，這可能是因?yàn)榫嗟乇? m深處為該研究區(qū)淺層土壤中化學(xué)反應(yīng)的活躍層［12］。隨著土樣深度增加，碳含量逐漸減少。

表1 土樣的pH、氮和碳含量Tab.1 pH，nitrogen and carbon content of soil samples

2.2 紫外-可見光譜

圖1為4種樣品的DOM紫外-可見光譜，由圖1可知，S1，S2，S3和S4樣品在200～600 nm的吸光度均隨著波長(zhǎng)增加而減小。S1樣品在250～300 nm有肩峰，說明毛白楊落葉DOM中存在苯環(huán)類芳香族化合物，而3個(gè)土樣樣品的DOM紫外-可見光譜中均無明顯的特征吸收峰。光譜中波長(zhǎng)大于230 nm的區(qū)域?yàn)椴皇苈然锏葻o機(jī)物干擾的有機(jī)物吸收區(qū)域［13］，毛白楊落葉DOM在該區(qū)域的吸光度明顯高于其他樣品的，并且3個(gè)土樣在230～400 nm的吸光度均明顯低于S1的，由此反映出土樣樣品的有機(jī)質(zhì)含量明顯低于毛白楊落葉的，這與2.1部分測(cè)試結(jié)果一致。

圖1 毛白楊落葉和土樣DOM的紫外-可見光譜Fig.1 UV-visible spectrogram of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

SUVA254為樣品在254 nm處的吸光度與DOC的比值，可反映DOM的腐殖化程度［9，14］，該值越大，腐殖化程度越高。S2樣品的腐殖化程度高于S1樣品的，這與S1所在地表土中有機(jī)質(zhì)含量受多年植物落葉的腐解影響有關(guān)，而深度較大的S3，S4樣品的DOM腐殖化程度較低，受“外源”影響明顯小于S2對(duì)應(yīng)的表層土壤。

A250/A365為樣品掃描光譜中250 nm和365 nm處吸光度的比值，該值越大，表明DOM的分子量和芳香性越?。?5］；A253/A203為水樣掃描光譜中253 nm和203 nm處吸光度的比值，可以反映芳香環(huán)的取代程度和取代基種類，該值越大，芳香環(huán)的取代程度越大［9］。由表2可知，距地表0.1～1 m，隨著深度增加，A250/A365和A253/A203分別表現(xiàn)為增大和減小，表明深1 m的土中有機(jī)質(zhì)分子量、芳香性及芳香環(huán)的取代程度均小于地表土的，說明研究用天然有機(jī)質(zhì)在隨降雨、地表徑流下滲過程中，發(fā)生降解生成了小分子有機(jī)質(zhì)，從而使S3中含有更多的小分子量芳香有機(jī)質(zhì)，并且其有機(jī)質(zhì)含量也明顯低于地表土的。1～50 m深樣品A253/A203和A250/A365的變化與上述現(xiàn)象相反，有機(jī)質(zhì)分子量、芳香性及芳香環(huán)的取代程度均有所增加，可能是由于土壤深度增大，滋生的微生物及其腐解殘?bào)w種類變復(fù)雜導(dǎo)致的。

表2 毛白楊落葉和土樣DOM的紫外-可見光譜參數(shù)Tab.2 UV-visible spectrum parameters of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

SUVA260為A260與DOC的比值，表征疏水組分的相對(duì)含量，DOM中疏水組分越多，其參與污染物遷移轉(zhuǎn)化的活性越高［3］。由表2可知，1～50 m深土壤中有機(jī)質(zhì)的遷移活性明顯低于地表土的；在50 m深土壤中有機(jī)質(zhì)的遷移活性略高于1 m淺層土壤的，可能由于S4樣品為淺層和中深層孔隙地下水的交界區(qū)域，含水量相對(duì)豐富，有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解，從而使得總有機(jī)質(zhì)含量降低，疏水性有機(jī)質(zhì)含量增加。

樣品SUVA254和SUVA260的擬合線性方程為

判定系數(shù)為0.998，表明研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度和疏水組分的相對(duì)含量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，說明有機(jī)質(zhì)的腐化降解會(huì)使一些含芳香基、羧基、羰基等官能團(tuán)的疏水性有機(jī)質(zhì)含量增加。

2.3 三維熒光光譜

圖2為4個(gè)樣品的三維熒光光譜，圖中A，B，C，T分別為富里酸峰（A峰）、微生物代謝產(chǎn)物峰（B峰）、腐殖酸峰（C峰）和芳香族蛋白峰（T峰）。由圖2可知，毛白楊落葉DOM熒光峰以富里酸峰為主，微生物代謝產(chǎn)物峰和芳香族蛋白峰次之，腐殖酸峰峰強(qiáng)最弱，這與已有研究結(jié)果一致［9］。除了S2樣品中存在較弱的B峰和T峰外，隨著深度增加，S3，S4樣品中B峰和T峰消失，且A峰峰強(qiáng)逐漸減弱。說明微生物代謝產(chǎn)物和芳香族蛋白等大分子有機(jī)化合物在土壤遷移過程中發(fā)生了降解或吸附，導(dǎo)致在深度較大的S3，S4樣品DOM中未檢出，而分子量較小的富里酸類有機(jī)質(zhì)與研究用土的降解、吸附作用較弱，從而導(dǎo)致S3，S4樣品DOM中仍出現(xiàn)有該峰，但峰強(qiáng)明顯下降，進(jìn)一步證實(shí)了研究用土中熒光類有機(jī)質(zhì)的種類與當(dāng)?shù)刂参锫淙~種類密切相關(guān)。

圖2 毛白楊落葉和土樣DOM的三維熒光光譜Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectrums of DOM from Populus tomentosa leaf litter and soil samples

2.4 三維熒光光譜特征

DOM的來源采用熒光指數(shù)（FI，f370/450/f370/500）和生物源指數(shù)（BIX）表征。FI為激發(fā)光波長(zhǎng)370 nm，發(fā)射波長(zhǎng)450，500 nm時(shí)的熒光強(qiáng)度之比，用于評(píng)估腐殖質(zhì)（尤其是富里酸）的來源［16］，J.Battin［17］和D.M.Mcknight等［180］利用FI對(duì)DOM中具有復(fù)雜發(fā)色基團(tuán)的腐殖質(zhì)進(jìn)行溯源，陸源和生物來源DOM的兩個(gè)端源FI值分別為1.4，1.9，且受pH影響不大。FI＞1.9時(shí)，DOM主要源于樣品自身微生物的活動(dòng)，自生源特征明顯；FI＜1.4時(shí)，DOM以外源輸入為主［7］。S1樣品DOM的FI值在兩個(gè)端值之間，存在微生物源特征，證明毛白楊落葉在環(huán)境中存在微生物降解作用；S2樣品的FI值略低于端值，自生源特征比較明顯，其成分和性質(zhì)受植物落葉有機(jī)質(zhì)影響較大；S3樣品的FI值大于1.9，說明地下1 m深土壤的DOM主要為微生物活動(dòng)產(chǎn)生，有明顯的自生源特征。從土壤深0.1 m增加到1 m，土壤中微生物作用逐漸增強(qiáng)；S4樣品DOM的FI值略低于S3的，可能與砂土中有機(jī)質(zhì)含量低有關(guān)。

BIX為激發(fā)波長(zhǎng)310 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為380，430 nm時(shí)熒光強(qiáng)度的比值，用于評(píng)估樣本DOM中微生物源的相對(duì)貢獻(xiàn)率［16］，BIX值隨著β熒光團(tuán)含量的增加而增加，而β熒光團(tuán)與新近產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)有關(guān)［19］。BIX＜0.6時(shí)，表明DOM中含有較少微生物源的DOM，隨著BIX值增加，自生源特征逐漸增強(qiáng)，自生組分增多，BIX＞1.0時(shí)，DOM為生物或細(xì)菌活動(dòng)產(chǎn)生，自生源特征明顯［16］。表3數(shù)據(jù)顯示，S1樣品中有較少的微生物源有機(jī)質(zhì)，與FI值結(jié)果一致。當(dāng)土壤深度從0.1 m增加到1 m時(shí)，樣品的自生源特征明顯增強(qiáng)，并且數(shù)值明顯高于S1的，因此在該深度范圍內(nèi)土壤微生物活性增加。S3樣品的BIX值也明顯高于S2和S4的，說明土壤深度1 m處自生源特征最明顯，DOM中微生物貢獻(xiàn)量最大。盡管深層土壤中自生源特征略弱于S3的，但依然強(qiáng)于表層土壤的，這與FI值變化特征一致。

表3 植被落葉和土樣DOM的三維熒光光譜參數(shù)Tab.3 Three-dimensional fluorescence spectral parameters of DOM from defoliation and soil samples

綜上，研究區(qū)植物落葉DOM中熒光類有機(jī)質(zhì)在不同深度土層中均有所體現(xiàn)，對(duì)淺層土壤尤其是表層土壤的影響明顯大于約50 m深土壤的，且不同深度土層中DOM的含量和物質(zhì)組成也有區(qū)別。植物落葉DOM的直接輸入和微生物降解作用使淺層土壤的pH略小于深層土壤的，有機(jī)質(zhì)含量高于深層土壤的，可以看出，植物落葉對(duì)所在地區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響隨著深度增加而減弱，微生物環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致深層土壤的理化性質(zhì)與淺層的有明顯差別。

3 結(jié) 論

（1）研究所用毛白楊落葉中C，N，H元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.17%，1.43%，6.02%，取得的DOM樣品pH為7.07。研究區(qū)土樣的pH均大于8.3，屬于偏堿性土，隨著研究區(qū)土壤深度增加，碳含量逐漸減少，而距地表1 m深處N含量較高，表明該深度處可能為研究區(qū)淺層土壤中化學(xué)反應(yīng)的活躍層。樣品的紫外-可見光譜測(cè)試結(jié)果表明，毛白楊落葉DOM樣品中含有苯環(huán)類芳香族化合物，而土樣DOM的紫外-可見光譜中均無明顯的特征吸收峰。

（2）土樣DOM的SUVA254及SUVA260測(cè)試結(jié)果表明，1 m及50 m深處土壤的DOM腐殖化程度較低，受“外源”影響明顯小于0.1 m表層土壤的。從距離地表0.1 m到1 m，A250/A365和A253/A203分別表現(xiàn)為增大和減小，表明1 m深土壤中有機(jī)質(zhì)分子量、芳香性及芳香環(huán)的取代程度都小于地表土的，說明研究用天然有機(jī)質(zhì)在下滲過程中發(fā)生了降解并生成小分子量的有機(jī)化合物，而1～50 m深樣品A253/A203和A250/A365變化卻相反，這可能與滋生的微生物及其腐解殘?bào)w有關(guān)。植物落葉和土壤的DOM樣品腐殖化程度和疏水組分含量呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.998）。

（3）DOM樣品的三維熒光光譜測(cè)試結(jié)果說明，毛白楊落葉DOM中有富里酸峰、微生物代謝產(chǎn)物峰、腐殖酸峰和芳香族蛋白峰，其中富里酸峰峰強(qiáng)最大。土樣DOM中沒有明顯的腐殖酸峰，隨著深度增加，微生物代謝產(chǎn)物峰和芳香族蛋白峰的峰強(qiáng)逐漸減弱，直至在50 m深土樣中只出現(xiàn)了較弱的富里酸峰。FI和BIX計(jì)算結(jié)果表明，不同深度土樣中DOM的“微生物源”特征均強(qiáng)于毛白楊落葉的，且深度為1 m的土壤“自生源”特征最為明顯，微生物活動(dòng)顯著高于其他土層的。