孟永霞，程 艳，李 琳，王 悦，别尔德别克·库布加沙，孙 翌

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆环境保护科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830012；3.新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052；4.奎屯市环境监测站,新疆 奎屯 833200)

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是一类结构复杂、化学组分活跃的有机混合物，普遍存在于河流、海洋、土壤及沉积物中，是全球碳循环、生态系统能量输入的重要纽带[1]。土壤DOM组分由腐殖酸、各种亲水性有机酸及结构复杂的富里酸和胡敏酸组成[2]，其来源除了植物枯枝落叶、根系分泌物、土壤腐殖质外，还有一部分来源于人类活动产生的生活污水及工农业废水[3]。DOM中包含游离氨基酸、碳水化合物、有机酸、氨基糖、多酚、腐殖物质等不同结构和分子量的有机物质，可以影响营养元素(C、N、S、P)的生物利用度及污染物(重金属、多环芳烃)的可转移性[4]。土壤DOM表面含有苯环、羧基、酚羟基等荧光基能团，可与重金属发生离子交换、络合反应[5]，因此对土壤环境污染物迁移转化起着重要影响。

三维荧光光谱技术(three dimensional excitation-emission matrix spectra，3DEEMs)具有灵敏度高、操作简便及不破坏样品等优点，可以测定DOM中各类天然有机质的荧光特征，识别DOM中荧光峰类型，从而探明其来源组成。利用3DEEMs和荧光猝灭滴定方法可研究DOM与Hg2+配位作用[6]，并使用修正的Stern-Volmer方程拟合条件稳定常数、配位比例等重要参数，能以很高的精度描述实验性荧光滴定数据集[7]。

土地利用类型是陆地碳库主要驱动因子之一[3]，已有研究多集中于不同土地利用类型下临近水体的土壤DOM特征上[8-9]，而利用荧光光谱来定性讨论不同土地利用类型土壤DOM变化的较少[3,10]。新疆地处我国西北内陆干旱区最西部，由于地域水文环境影响导致地理化学特征鲜明。作为我国干旱半干旱区典型的生态系统，匹里青河流域内气候、水文、土壤、土地利用等具有较明显的垂直地带性，流域内的土壤DOM可作为污染物在环境中迁移转化，对小流域内的环境有着重要的影响。基于此，笔者选取匹里青河作为研究对象，通过三维荧光光谱技术分析匹里青河小流域不同土地利用类型土壤中DOM的荧光光谱类型及来源特征，采用荧光猝灭实验比较和讨论DOM与Hg2+配合物的络合容量和稳定性，以期为进一步了解DOM在西北小流域生态系统中所起的环境作用提供一定的科学依据和研究基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

匹里青河流域位于新疆伊犁地区北部，流域范围在北纬 43°56′～44°26′，东经 80°10′～81°44′之间，发源于天山北脉的科古尔琴山，流域形状大致呈扇形，较大的支流有5条，地形北高南低，流向为自北向南。河源高程为2 550 m，流域面积为1 285 km2，河长89 km，流经伊犁地区伊宁县、伊宁市及巴彦岱镇。匹里青河流域地处中纬度地带，属半湿润大陆性温带气候，土壤类型垂直带分布十分明显，其主要农作物为玉米和小麦。

1.2 样品采集及处理

2018年7月，根据土地的利用类型及空间分布的合理性，采集流域内具有代表性的林地、草地、农田3种不同土地利用类型的土壤样品(图1)，样品数量共计48个，其中样点L1～L15为林地，样点C1～C23为草地，样点N1～N10为农田。土壤有机质(DOM)的提取使用水土振荡提取法，m(水)∶V(土)=10∶1，称取过25.4 mm孔径筛的自然风干土壤样品5 g于聚乙烯瓶中，加入50 mL高纯(UP)水(电阻率为18.2 MΩ·cm)，避光振荡16 h，振荡速度设置为200 r·min-1。振荡完成后将混合样品装入离心管中，4 000 r·min-1离心30 min(离心半径为20 cm)。经0.45 μm孔径醋酸纤维滤膜过滤后保存于棕色瓶中，置入4 ℃冷藏柜中待测。

1.3 Hg2+与土壤DOM的络合实验

配制0.02 mol·L-1Hg(NO3)2溶液，选取林地、农田、草地3类土壤DOM样品各1个，每类DOM样品分别准备5个聚乙烯瓶，共15个，依次往DOM样品中滴加0.02 mol·L-1Hg(NO3)2溶液0、20、30、40和50 μL，使得溶液中Hg2+浓度依次为0、20、30、40和50 μmol·L-1。使用0.1 mol·L-1HClO4和1 mol·L-1NaoH将溶液pH值调整到8.0±0.05，避光振荡24 h，振荡速度为200 r·min-1。

1.4 平行因子模型

采用Aqualog软件自带的平行因子(PARAFAC)Solo模型对所测的48个土样三维荧光数据进行分析，并通过折半分析和核一致函数验证结果的可靠性。

1.5 修正型Stern-Volmer方程

由于溶解性有机物的有机配体可与汞离子反应，直接影响其形态、分布、生物毒性、迁移和转化[11]，为了定量描述DOM与Hg2+配位作用，假设DOM与Hg2+形成1∶1配合物，采用修正型Stern-Volmer方程来计算配位稳定常数及有机配体的比例[12]，计算公式为

F0/(F0-F)=1/(f×K×CHg)+1/f。

(1)

式(1)中，F0为未滴加Hg2+时的荧光强度；F为滴加Hg2+后的荧光强度[13]；f为DOM中有机配体的比例，%，可以与游离金属离子相互作用；K为条件稳定常数；CHg为Hg2+浓度，mol·L-1;如果F0/(F0-F)与1/CHg的曲线是线性的，则K和f的值可以根据斜率〔1/(fK)〕和截距(1/f)来计算[12]，对条件稳定常数K取对数得到络合稳定常数lgK。

图1 采样点分布示意

1.6 光谱扫描分析

土壤DOM含量以溶解性有机碳(DOC)含量表示，采用Aurora 1030总有机碳分析仪测定，DOM样品的光谱参数使用HORIBA公司的Aqualog荧光光谱仪进行测定，三维荧光光谱扫描时激发波长(Ex)和发射波长(EM)设置为240～800 nm，积分时间为0.1 s，狭缝宽度为1 nm。使用UP水(电阻率为18.2 MΩ·cm)作为空白样。利用Aqualog系统校正和扣除水样内滤及瑞利散射，以获得内滤校正后的数据。Aqualog系统可以同步测定三维荧光光谱以及紫外-可见光谱，该研究中相关荧光光谱参数如表1所示。

表1 溶解性有机质的特征参数

Table 1 Characteristic parameters of dissolved organic matter

荧光光谱参数计算公式公式参数意义描述荧光指数(FI)Ex=370 nm, Em为450 nm与500 nm的荧光强度比值表征DOM中有机质的来源,FI<1.4代表陆源输入为主,FI>1.9代表微生物活动等引起自生来源为主[14]腐殖化指数(HIX)Ex=254 nm,Em为435～480 nm与300～345 nm的荧光强度平均值的比值反映DOM腐殖化程度,值越高表征DOM腐殖化程度较高,结构越为复杂[15]自生源指数(BIX)Ex=370 nm,Em为380 nm与430 nm的荧光强度比值评估DOM自生源特征强弱指标[9]a355a355=2.303×A355/L式中A355为波长355 nm处的吸光度;L为光程路径,m[3]Fn355Ex=355 nm,Em=440～470 nm间荧光强度最大值表示荧光溶解性有机质浓度,值越大说明类腐殖质含量越高[16]ASUV,254ASUV,254=a254/ CDOC表明DOM的芳香性,值越大说明组分中苯环化合物含量越多[17]ASUV,260ASUV,254=a260/ CDOC表示DOM中疏水组分的含量,其值越大表明DOM疏水组分比例含量越高[3]

2 结果与讨论

2.1 土壤DOM浓度及紫外可见光谱特征

DOC含量大小影响微生物活性，进而影响土壤有机碳的矿化程度[18]。如表2所示，不同土地利用类型土壤DOC含量分布差异较大，该流域w(DOC)分布范围为0.05～0.67 mg·g-1，变异系数为70.71%。有色溶解性有机质(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)和荧光溶解性有机质(fluorescent dissolved organic matter, FDOM)是DOM的重要组成部分，由于CDOM的组成和结构复杂多变，目前难以确定其准确的分子式，因此不能像常规分析那样通过配置标准物质的工作曲线来定量分析，故其含量无法测定，通常由某一选定波长处的吸收系数来表征，一般选择355 nm波长下的吸收系数a355来表征水体CDOM相对含量大小[16,19]。基于类似的原因，一般用Ex=355 nm，Em=440～470 nm间最大值荧光强度(Fn355值)表示FDOM浓度，一般用Fn355值表示FDOM含量[3]。该区域CDOM变化范围为7.85～168.95 m-1，变异系数为83.69%，而FDOM变异系数为58.08%，表明CDOM在流域分布具有较大的差异性。

对比不同土地类型土壤DOM含量发现，DOC含量大小顺序为草地>林地>农田。这主要由于林草地土壤表面拥有很厚的覆盖层，植物枯枝落叶、动物残体能较完整地保存在土壤中。虽然农田为高强度耕种，施肥力度比林地、草地高，但人类的利用方式，如清洁土壤、移走农作物及枯枝落叶等，使土壤表面有机质残留较少。CDOM含量则表现为草地>农田>林地，说明草地土壤DOM中生色基团含量较高，含共轭结构(π—π*双键)组分较高。

表2 不同小流域土壤DOM含量描述统计

Table 2 Descriptive statistics of soil DOM concentration in different small watershed

土地利用类型a355/m-1变异系数/%Fn355变异系数/%w(DOC)/(mg·g-1)变异系数/%林地30.0839.441 338.3138.640.1573.94草地48.6947.321 759.0851.020.2760.11农田33.2175.481 345.3526.950.1328.60流域32.8483.691 535.9858.080.2170.71

a355为355 nm波长下的吸收系数，表征CDOM相对浓度；Fn355为Ex=355 nm，Em=440～470 nm间荧光强度最大值，表征FDOM相对浓度；w(DOC)为土壤溶解性有机碳含量，表征土壤中溶解性有机物质浓度。

2.2 DOM三维荧光光谱特性

2.2.1荧光峰解析

对比分析匹里青河小流域3种不同土地利用方式下土壤的DOM荧光光谱特征(图2)发现，所有样品均存在3种类型荧光峰，包括紫外类腐殖质荧光峰A(Ex/Em=243/437)、可见类富里酸荧光峰C(Ex/Em=349/445)及海洋或陆源类腐殖质峰M(Ex/Em=291/446)，且类腐殖质荧光峰强度大小顺序表现为草地>林地>农田。由于草地及林地人为干扰小，具有良好的保土蓄水功能，枯枝落叶残根降解后可完整地保存在土壤表面，故腐殖质含量较高。这与王育来等[15]研究结果一致，乔木产生的芳香性物质可与土壤发生化学作用后稳定地保留在土壤中。一般认为，外源输入的腐殖酸和富里酸易形成荧光峰A峰及C峰，且结构较为稳定[14]。

2.2.2DOM荧光组分解析

利用PARAFAC技术解析匹里青河小流域3种不同土地利用方式下土壤的DOM荧光组分(图3)，发现所有样品均存在2种组分，表明区域内DOM组分相对单一。C1具有2个激发波长(252、232 nm)和1个发射波长(463 nm)，为传统的陆源类腐殖质，该类物质在湿地和森林环境最高[20]，C1组分可判断为类胡敏酸物质[21]，而C2组分在Ex=288，Em=490 nm处出现单一峰，反映长波激发类腐殖质的荧光特性，被认为主要是分子量较高的芳香氨基酸，其荧光特征与富里酸类似，一般来自陆生植物或土壤有机物[22]。

2.2.3荧光光谱特征参数

采用腐殖化指数(HIX)表征土壤DOM腐殖化程度[15]，通过差异性分析发现，3种土地利用类型DOM含量无显著差异(P>0.05)。如图4所示，荧光指数(FI)值变化范围在1.43～1.76之间，均值为1.52，变异系数为4.28%，表明DOM来源既有人类活动参与，又有内部微生物活动共同作用。自生源指数(BIX)值变化范围为0.52～0.78，均值为0.59，变异系数为8.41%。

图2 不同土地利用类型荧光光谱图

C1—类胡敏酸物质，C2—类富里酸物质。

图4 荧光指数(FI)-自生源指数(BIX)分布

整体而言，草地DOM的FI值接近1.9，内源特征较明显，BIX值也表现出较强的自生源特征，而农田FI值更靠近1.4，BIX介于0.55～0.64之间，反映出受陆地源输入或人类影响较大，由此可证明草地DOM腐殖化程度较农田高。

ASUV，254可作为评价DOM芳香性的参数指标，值越大表明DOM芳香性越高[3]。ASUV，260则表征DOM疏水组分所占比例的多少[17]。不同土地利用ASUV，254和ASUV，260大小顺序为林地>草地>农田，表明林地和草地DOM的芳香性及疏水组分所占比例较大，腐殖化程度较高，由于该流域主要以新疆杨及榆树为主，且土壤人为扰动小，自然发育良好，故土壤腐殖化程度高。对于农田而言，在大量的耕作扰动、灌溉施肥下，蛋白质、糖类等外源输入明显，但对芳香性组分的贡献不大。对整个流域的ASUV，254、ASUV，260与DOC相关性分析研究(图5)发现，DOC与ASUV，254、ASUV，260均呈显著负相关(P<0.05)，表明随DOC浓度降低，DOM的芳香性及疏水组分占比升高。

ASUV,254和ASUV,260分别为254和260 nm处吸光度和 溶解性有机碳含量的比值，DOC为溶解性有机碳。

2.3 土壤DOM与Hg2+ 的配位分析

2.3.1Hg2+对不同来源DOM组分荧光强度的影响

如图6所示，3种不同土地利用类型中DOM组分荧光强度均随Hg2+浓度的增强出现不同程度的下降，其中草地和农田土壤DOM组分C1、C2荧光强度下降幅度最为明显，在50 μmol·L-1Hg2+存在下，草地土壤C1、C2组分分别减少54.95%、56.54%，农田土壤C1、C2组分分别减少67.28%、65.42%，说明Hg2+对草地及农田土壤中DOM组分荧光淬灭具有一致性。

F0—未滴加Hg2+时的荧光强度，F—滴加Hg2+后的荧光强度。C1—类胡敏酸物质，C2—类富里酸物质。

而在林地土壤中，DOM组分对Hg2+络合能力有所差异，随Hg2+浓度增大,C1组分荧光强度下降趋势表现为由急到缓；当Hg2+浓度增加到50 μmol·L-1时，C1组分浓度变化不明显，说明C1组分的金属结合点位接近或已达到饱和。

2.3.2土壤DOM组分与Hg2+的配位条件稳定数

表3为不同土地利用下DOM中各类荧光组分与Hg2+作用的络合稳定常数lgK以及DOM中能配合的荧光基团的比例。f值均大于50%，说明土壤DOM组分与Hg2+配位的荧光基团比例较多。而不同组分与Hg2+之间的稳定常数存在差异，即C1组分与Hg2+lgK变化范围在4.21～4.63之间，C2组分与Hg2+lgK变化范围在4.35～4.65之间，lgK值变化同LU等[7]报道的结果相似(3.92～6.76)，说明不同来源DOM参与反应的官能团种类及数量的大小影响其与Hg2+的络合能力，导致络合常数不同。

表3 三维荧光光谱中各组分配位的修正型 Stern-Volmer 参数

Table 3 Modified Stern-Volmer parameter of distribution bits of each component in three-dimensional fluorescence spectrum

土地利用类型荧光组分类型R2f/%lg K林地C10.9868.714.63C20.9950.314.65草地C10.9368.674.65C20.9659.664.60农田C10.9274.964.21C20.9070.204.35

f为DOM中有机配体的比例，lgK为络合稳定常数。

3 结论

(1)在匹里青河典型小流域中，不同土地利用类型对土壤DOM性质特征明显，DOM空间分布具有差异性，土壤DOM含量大小顺序为草地>林地>农田，而CDOM含量则表现为草地>农田>林地。

(2)不同土地利用下土壤DOM均包含3种荧光峰，紫外区类腐殖荧光峰A、可见区类富里酸荧光峰C及海洋或陆源类腐殖质荧光峰M，且类腐殖质荧光峰强度大小顺序表现为草地>林地>农田。PARAFAC方法识别出2种荧光组分，C1为胡敏酸物质，C2为富里酸物质。荧光光谱参数显示，草地土壤DOM内源特征明显，农田土壤DOM反映出受陆地源输入或人类影响较大。

(3)利用PARAFAC 和荧光猝灭滴定方法研究DOM与Hg2+配位作用，发现不同土地利用下土壤DOM组分随Hg2+浓度的增强出现不同程度的淬灭现象，DOM中各类荧光组分与Hg2+络合常数存在实质性差异，说明由于不同土地利用污染源不同，DOM参与反应的官能团种类及数量的大小影响其与Hg2+的络合能力，导致络合常数不同。