吳東明 劉景坤 李勤奮 武春媛*

(1 海南大學(xué)環(huán)境與植物保護學(xué)院 ?？?570228 2 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護研究所 ?？?571101 3 農(nóng)業(yè)部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站 儋州 571737)

水溶性有機質(zhì)(dissolved organic matters，簡稱DOM)是指物料以水浸提后通過0.45 μm濾膜的有機混合物。植物凋落物、有機肥等均是土壤DOM的來源[1～3]。DOM進入環(huán)境后對土壤理化性狀、肥效、微生物生態(tài)系統(tǒng)、污染物環(huán)境行為有較大影響[3，4]。不同來源的DOM組成、性質(zhì)、環(huán)境效應(yīng)有所不同[5]。Mapanda F.等研究發(fā)現(xiàn)，DOM高分子量組分更易與重金屬形成難溶配合物[6]。Chen W.等認(rèn)為，DOM中蛋白類物質(zhì)與微生物代謝活動密切相關(guān)[7]。任東等研究指出，腐殖質(zhì)影響17β-雌二醇光解的關(guān)鍵性在于含氧官能團數(shù)量和芳香性結(jié)構(gòu)[8]。謝理等也指出含氧官能團是影響有機污染物吸附的關(guān)鍵因子[2]。

熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)地位重要，保障其產(chǎn)地環(huán)境安全是熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要前提。熱帶地區(qū)DOM來源豐富，農(nóng)業(yè)廢棄物的秸稈直接粉碎還田和堆肥還田是2種較為可行的還田方式[9]。秸稈直接粉碎還田，省時省力，并具有蓄水、保碳、增肥等功效[9，10]。堆肥還田具有秸稈粉碎還田類似的功效，且提高肥效能力更強[9]。但對于熱帶地區(qū)不同還田方式產(chǎn)生的DOM可能帶來的環(huán)境風(fēng)險，目前尚缺乏研究。此外，內(nèi)源土壤DOM對外源DOM進入土壤和土壤中污染物環(huán)境行為也具有重要影響[3，4，11，12]。因此，研究熱帶地區(qū)土壤內(nèi)源DOM和外源DOM特性，為外源DOM進入土壤帶來的環(huán)境風(fēng)險評估提供依據(jù)。

以紫外-可見光光譜法、傅里葉紅外光譜法、熒光光譜法3種表征技術(shù)為手段，研究熱帶地區(qū)土壤DOM(水稻田土壤DOM和香蕉地土壤DOM)、堆肥DOM(木薯桿堆肥DOM和甘蔗葉堆肥DOM)、植物殘體DOM(水稻根系DOM和水稻秸稈DOM)的表征特性，初步分析外源DOM進入土壤帶來的環(huán)境風(fēng)險，為熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物利用和污染物原地修復(fù)積累基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 原料采集及預(yù)處理

土壤DOM原料：2014年11月于海南省?？谑腥?zhèn)以梅花形多點采樣法分別采集水稻田、香蕉地表層土壤(0～20cm，各含5個子采樣點)。土壤類型為玄武巖發(fā)育鐵鋁土，pH為5～6，有機碳、全氮、全磷、全鉀含量分別為13.1g/kg、1.5g/kg、2.0g/kg、2.5g/kg。采集后，去除雜物，以多層密封袋封好，存于4℃冰箱備用。

堆肥DOM原料：木薯桿、甘蔗葉原料由海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所實驗基地提供，木薯桿、甘蔗葉分別采集于2014年2月和2013年11月，于2014年3月分別將它們和雞糞混合，調(diào)節(jié)C/N=30，翻堆、通風(fēng)(每7天1次)，覆蓋薄膜，木薯桿堆肥40天，甘蔗葉堆肥60天，自然風(fēng)干，粉碎，過20目篩備用。

植物殘體DOM原料：2014年11月于海南省海口市三江鎮(zhèn)分別采集收割脫粒后的水稻秸稈和水稻根系樣品。水稻品種為“博II優(yōu)767”，是海南典型晚稻，播種于玄武巖濕潤鐵鋁土的稻田里，經(jīng)5個月生長至成熟，水稻株高約1.1 m，葉呈黃綠色，葉長約0.4～1 m，葉舌披針形，葉鞘松弛、無毛。樣品以純水洗干凈，陽光暴曬下自然風(fēng)干，粉粹過20目篩備用。

1.2 DOM制備

土壤DOM制備采用新鮮土樣，經(jīng)水分校正后與超純水1∶5混合，在20 ℃、200 r/min條件下，振蕩4 h，取出混合液；在4 ℃、10000 r/min條件下，離心10 min，取上清液過濾(0.45 μm濾膜)，濾液即為土壤DOM。植物殘體DOM和堆肥DOM分別以物料比為1∶20、1∶10添加超純水進行提取，條件同上。用Multi N/C3100型碳氮測定儀測定DOM濃度(以DOC表示，mg/L)。將香蕉地土壤DOM、水稻田土壤DOM、水稻根系DOM、水稻秸稈DOM、甘蔗葉堆肥DOM、木薯桿堆肥DOM分別命名為DOM1、DOM2、DOM3、DOM4、DOM5、DOM6。

1.3 DOM表征方法

1.3.1 紫外-可見光光譜測定

用超純水將DOM樣品稀釋成10 mg/L，于SHIMADZU UV2600紫外-可見分光光度計(日本產(chǎn))上對處理后的DOM樣品進行紫外-可見光掃描，掃描波長范圍為200～700 nm。

1.3.2 傅里葉紅外光譜測定

將DOM樣品真空冷凍干燥后，稱取1～2 mg DOM粉末，于FTIR TENSOR27紅外光譜儀上進行掃描，掃描波數(shù)范圍為400～4000 cm-1。

1.3.3 三維熒光光譜測定

采用Perkin Elmer LS-55熒光光譜儀對DOM樣品進行掃描。激光光源為150 W氙弧燈，光電倍增管(PMT)電壓為700 V，激發(fā)波長(λEx)為200～550 nm，發(fā)射波長(λEm)為250～600 nm，掃描速率為1500 nm/min，響應(yīng)時間設(shè)為“自動”，掃描光譜進行儀器自動校正。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外-可見光光譜表征

DOM的紫外吸收與其不飽和鍵及芳香性結(jié)構(gòu)有關(guān)。在紫外表征中常用DOM的光譜特征值研究其基礎(chǔ)特性，如SUVA254、SUVA280、A260/TOC、A250/A365、A465/A656等。

SUVA254和SUVA280是最常用的2個表征指標(biāo)。大量文獻指出，SUVA254與有機質(zhì)的芳香度成正相關(guān)，SUVA280可間接反映DOM的相對分子量大小[13，14]。如圖1a、圖1b，對于SUVA254和SUVA280，DOM6＞DOM5＞DOM2＞DOM1＞DOM3＞DOM4，這說明DOM的芳香性高低、分子量大小順序均為堆肥DOM(DOM6和DOM5)＞土壤DOM(DOM2和DOM1)＞植物殘體DOM(DOM3和DOM4)。其中，堆肥DOM中以DOM6芳香性較高；土壤DOM中DOM2芳香性較高，這可能是由于水稻田長期處于淹水狀態(tài)，更有利于土壤的腐殖化進程；植物殘體DOM中DOM3芳香性高于DOM4。

A260/TOC與有機質(zhì)的疏水性有關(guān)，其值越大，疏水性越強[15]。如圖1c，A260/TOC表現(xiàn)出與SUVA254和SUVA280類似的規(guī)律，DOM的疏水性強弱順序為堆肥DOM＞土壤DOM＞植物殘體DOM。

謝理等用A250/A365指示DOM的分子量和芳香性[2]。本研究發(fā)現(xiàn)A250/A365與、SUVA280未呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1)，不適宜用作不同來源DOM的芳香性比較，這與閆金龍等研究結(jié)果一致[14]。

李鳴曉等研究結(jié)果表明，A465/A656可以反映出DOM的苯環(huán)碳架聚合度，其值越小，苯環(huán)碳架聚合度越高[16]。如圖1d，對于A465/A656，DOM3＞DOM4＞DOM1＞DOM2＞DOM5＞DOM6，這說明堆肥DOM的苯環(huán)碳架聚合度最高，土壤DOM次之，植物殘體DOM最低。

對上述參數(shù)進行相關(guān)性分析(表1)，A260/TOC與SUVA254、SUVA280三因素互呈極顯著正相關(guān)，這說明DOM的疏水性與物質(zhì)的芳香性結(jié)構(gòu)、分子量密切相關(guān)，即芳香性結(jié)構(gòu)存在于疏水性、大分子組分中；而A465/A656與SUVA254、SUVA280、A260/TOC呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明大分子、疏水性、芳香性結(jié)構(gòu)有利于有機質(zhì)的縮合，使DOM苯環(huán)碳架聚合度更高。

圖1 不同來源DOM紫外-可見光光譜表征參數(shù)結(jié)果Fig.1 Characteristic values of UV-Vis spectra from the different DOMs

表1 表征參數(shù)相關(guān)性分析Tab.1 Correlations between SUVA254, SUVA280, A260/TOC, A250/A365, A465/A656

2.2 紅外光譜表征

紅外光譜吸收是由分子振動能級之間的躍遷引起的，是分析有機化合物結(jié)構(gòu)、官能團含量的重要手段，具有樣品用量少、分辨能力強、光譜范圍大等特點。由圖2可知，不同來源DOM的吸收峰位置和強度具有較大差異。

在3400 c m-1附近的吸收峰，D O M4＞DOM6≈DOM5＞DOM3＞DOM2＞DOM1；整體上植物殘體DOM(DOM3和DOM4)在此處的吸收強度略高于堆肥DOM(DOM5和DOM6)，遠(yuǎn)大于土壤DOM(DOM1和DOM2)，這說明植物殘體DOM和堆肥DOM含更多的羥基，土壤DOM最少[2]。

2954 cm-1附近的吸收峰由脂肪族的甲基、亞甲基、次甲基伸縮振動形成，DOM4和DOM3在此處有顯著吸收峰，說明植物殘體DOM含更多脂肪物質(zhì)，這與多數(shù)研究結(jié)果相似。倪文海等指出，水稻秸稈具有較多脂肪烷烴物質(zhì)[17]。謝理等研究發(fā)現(xiàn)大部分植物的莖、葉含有脂肪烷烴物質(zhì)[2]。本研究中堆肥DOM、土壤DOM在此處沒有吸收峰，這可能是在堆肥或土壤自然發(fā)育過程中，脂肪物質(zhì)被分解。吳景貴等指出，玉米秸稈隨著腐解的進行，脂肪族烷烴逐漸減少，脂族性降低[18]。

周江敏等認(rèn)為3400 cm-1/2930 cm-1吸收峰強度比可用于比較酚羥基物質(zhì)的相對含量[19]。本研究得出，3400 cm-1/2954 cm-1吸收峰強度比由大到小依次為DOM5(1.40)＞DOM6(1.25)＞DOM1(1.15)＞DOM2(0.98)＞DOM4(0.93)＞DOM3(0.85)，說明堆肥DOM含更多酚羥類物質(zhì)。

2133 cm-1附近的吸收峰由脂肪族腈或氨基酸的NH4

+伸縮振動形成，在此處，土壤DOM＞植物殘體DOM＞堆肥DOM，說明土壤DOM含更多的脂肪族腈物質(zhì)或NH4+，植物殘體DOM次之，堆肥DOM最少。

1622 cm-1附近的吸收峰為醛、酮中的C=O伸縮振動或芳香基上的C=C伸縮振動，堆肥DOM(DOM6、DOM5)在此處有明顯吸收峰，土壤DOM、植物殘體DOM則沒有明顯吸收峰，這說明堆肥DOM含更多的C=O、C=C官能團，芳香性最高，其中以DOM6較大。

1571 cm-1附近的吸收峰由酰胺結(jié)構(gòu)中N-H彎曲振動形成，DOM3、DOM4在此處有明顯吸收峰，說明植物殘體DOM中含有蛋白質(zhì)，這與謝理等報道的蘆葦莖、玉米莖等植物殘體中含有較多蛋白質(zhì)結(jié)果一致[2]。

1425 cm-1附近的吸收峰由脂肪族CH3-CH2中C-H的振動以及羧基上的不對稱伸縮振動或C-OH的變形振動形成，DOM4和DOM3在此處有明顯吸收峰，結(jié)合它們在2954 cm-1附近的吸收峰情況，再次證明了植物殘體DOM較土壤DOM、堆肥DOM含更多脂肪類物質(zhì)，同時也可能含有較多的COOH。

1386 cm-1附近的吸收峰由硝酸根的N-O伸縮振動形成[20]，在此處堆肥DOM＞土壤DOM＞植物DOM。由此可看出堆肥類DOM含更多的N-O基團，土壤DOM次之、植物殘體DOM中N-O基團含量最少。

1045 cm-1附近的吸收峰由官能團C-O的伸縮振動形成，不同研究者對此官能團為何種物質(zhì)產(chǎn)生的解釋差異較大。倪文海等在研究水稻秸稈DOM時認(rèn)為是碳水化合物或多糖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生C-O[17]。謝理等在表征滇池植物DOM時將其解釋為伯醇、芳香醚或芳香脂結(jié)構(gòu)中的C-O[2]。大多數(shù)研究認(rèn)為堆肥過程中，親水性物質(zhì)被分解，非腐殖質(zhì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高芳香的腐殖質(zhì)物質(zhì)[14，15]。結(jié)合不同來源的DOM紫外-可見光光譜表征結(jié)果，SUVA254、SUVA280、A260/TOC的大小說明堆肥DOM芳香性最高、植物殘體DOM芳香性最低。

825 cm-1附近的吸收峰是由苯環(huán)上的C-H面外彎曲振動引起的，因只有堆肥在此處有明顯吸收峰，說明堆肥DOM的芳香性更高。

圖2 不同來源DOM的紅外光譜Fig.2 FTIR spectra of different DOMs

由以上綜合分析可認(rèn)為，堆肥DOM(DOM6和DOM5)、土壤DOM(DOM2和DOM1)在此處產(chǎn)生的紅外吸收峰為其芳香結(jié)構(gòu)中C-O引起的；植物殘體DOM(DOM3和DOM4)則是由碳水化合物中C-O伸縮振動引起。

2.3 三維熒光光譜表征

三維熒光光譜技術(shù)是DOM表征中較為簡便的技術(shù)，克服了傳統(tǒng)熒光光譜技術(shù)特征不顯著和同步熒光光譜易受拉曼散射影響等缺點，可作為一種指紋技術(shù)對DOM進行表征。不同來源DOM具有一定差異性，其三維熒光光譜表征見圖3。

圖3 不同來源DOM的三維熒光光譜Fig.3 3D-EEM spectra of different DOMs

根據(jù)謝理等研究結(jié)果[2]，DOM三維熒光峰一般分為可見光區(qū)類黃腐酸熒光峰(A，λEx/λEm=310～360 nm/370～450 nm)、紫外區(qū)類黃腐酸熒光峰(B，λEx/λEm=240～270 nm/370～440 nm)、可見光區(qū)類腐植酸熒光峰(C，λEx/λEm=350～440 nm/430～510 nm)、紫外區(qū)類腐植酸熒光峰(D，λEx/λEm=280～288 nm/420～455 nm)、類色氨酸熒光峰(E，λEx/λEm=270～290 nm/300～350 nm)、類絡(luò)氨酸的熒光峰(F，λEx/λEm=270～290 nm/300～320 nm)。研究指出，A峰、B峰、C峰、D峰與腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羧基和羰基有關(guān)；E峰、F峰主要由色氨酸、酪氨酸的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)、芳香性蛋白類結(jié)構(gòu)引起[21]。在土壤DOM中，不同植被條件下的DOM熒光組分具有較大差異。因儀器檢出限的限制，DOM1熒光峰只有不明顯的D峰，但也可以看出D峰最大響應(yīng)值在激發(fā)波長200 nm以下，這說明DOM1所含為類腐植酸物質(zhì)，其濃度、分子量、芳香性相對較低；DOM2含有C峰，此為可見光區(qū)類腐植酸熒光峰，說明DOM2中主要熒光物質(zhì)為類腐植酸物質(zhì)。在植物殘體DOM中，DOM3含有A峰、E峰、F峰3類熒光峰，這說明DOM3含有類黃腐酸、類色氨酸、類絡(luò)氨酸等物質(zhì)，這與紅外光譜表征結(jié)果一致，說明植物殘體中含有一定量的類蛋白物質(zhì)。DOM4含有A峰和B峰，且強度比值r(A，B)＜1，這說明DOM4含有2種類黃腐酸物質(zhì)，且以芳香性、分子量較小的紫外區(qū)類黃腐酸為主。謝理等發(fā)現(xiàn)滇池陸生植物的莖主要含類黃腐酸物質(zhì)、葉中DOM含類腐植酸物質(zhì)；水生植物莖、葉中均含類黃腐酸物質(zhì)，某些植物中還含有類蛋白物質(zhì)[2]。堆肥DOM中，DOM5、DOM6只含C峰，且DOM6的C峰強度大于DOM5，這說明DOM5、DOM6具有芳香性較高的類腐植酸物質(zhì)，且DOM6的類腐植酸物質(zhì)較多。熒光峰位置也是表征有機質(zhì)的重要指標(biāo)。前人研究表明，對于同一種熒光峰，其對應(yīng)激發(fā)波長越大(紅移)，所含芳香性越強，分子量越大，聚合度越高[7，22]。由表2可知，對于C峰的激發(fā)波長，DOM6＞DOM5＞DOM2，說明DOM6的類腐植酸物質(zhì)芳香性、分子量、聚合度大于DOM5和DOM2，與上述紫外-可見光光譜表征、紅外光譜表征研究結(jié)果一致。

表2 不同來源DOM的三維熒光性質(zhì)Tab.2 Characteristic values of 3D-EEM spectra from different DOMs

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

對熱帶地區(qū)土壤DOM(水稻田土壤DOM和香蕉地土壤DOM)、堆肥DOM(木薯桿堆肥DOM和甘蔗葉堆肥DOM)、植物殘體DOM(水稻根系DOM和水稻秸稈DOM)的紫外-可見光光譜、紅外光譜、熒光光譜表征結(jié)果如下：

(1) 紫外-可見光光譜表征結(jié)果表明：堆肥DOM的芳香性最高、分子量最大、疏水性最強；土壤DOM次之；最后是植物殘體DOM。

(2) 紅外光譜表征結(jié)果表明：植物殘體DOM具有一定的脂肪烷烴物質(zhì)、蛋白質(zhì)物質(zhì)，親水性較強，含更多的-OH、-CH2、-CH、N-H、C-O基團；堆肥DOM富含酚羥類物質(zhì)，具有更多的C=O、C=C、N-O、C-O、-NH2等活性官能團；土壤DOM特征不明顯，含較多的脂肪族腈、NH4

+和一定量的-OH、-COOH、C-O基團。

(3) 三維熒光光譜表征結(jié)果表明：植物殘體DOM含大量的類黃腐酸物質(zhì)，并具有一定的類蛋白物質(zhì)；土壤DOM含一定量的分子量相對較小、芳香性相對較低的類腐植酸物質(zhì)；堆肥DOM主要含芳香性高的類腐植酸物質(zhì)。

3.2 討論

DOM具有高度的生物有效性和理化活性，參與土壤中絡(luò)合-解離、沉淀-溶解、氧化-還原等生物地球化學(xué)過程，對土壤功能的發(fā)揮、污染物環(huán)境行為具有重要影響。本研究中，熱帶地區(qū)水稻田、香蕉地土壤本底DOM芳香性、疏水性處于中等水平，主要含類腐植酸物質(zhì)，這可能與熱帶地區(qū)特定的環(huán)境條件有關(guān)。熱帶地區(qū)淋溶作用強烈，微生物生長旺盛，分子量較小、疏水性較弱、芳香性較低的類蛋白物質(zhì)和黃腐酸，或被微生物分解，或被淋溶出土壤。腐植酸與污染物強有力的結(jié)合將有利于熱帶地區(qū)水稻田土壤、香蕉地土壤中污染物固定。農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥還田和粉碎還田2種方式進入土壤的DOM因其組分不同，環(huán)境效應(yīng)有較大差異。堆肥DOM疏水性強，分子量大，芳香性高，腐殖質(zhì)含量多，富含酚羥類物質(zhì)和強絡(luò)合能力活性官能團，有利于污染物在土壤中吸附固定，且固定后難再次解吸；此外，堆肥帶入的腐殖質(zhì)可極大提高肥效，有利于農(nóng)作物的增產(chǎn)。植物殘體DOM自身具有較強親水性，其帶有的-OH、C-O、N-H等對重金屬離子、有機污染物有一定的絡(luò)合能力，可與污染物競爭吸附位點，減少土壤對污染物的吸附，提高污染物的表觀溶解度，增強污染物遷移性，對地下水、地表徑流具有潛在環(huán)境風(fēng)險；且植物殘體粉碎還田改良土壤見效慢。綜合考慮2種還田方式帶來的肥效和環(huán)境修復(fù)效果，以農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥還田更適合在熱帶地區(qū)運用。

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