不同條件對濕地土壤溶解性有機質提取的影響*

申釗穎 弓曉峰 江 良 章紹康 易佳璐 袁少芬

(南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，江西 南昌 330031)

溶解性有機質(DOM)組成復雜，目前多以溶解性有機碳(DOC)濃度表征DOM濃度。有色可溶性有機質(CDOM)是DOM的重要組分，可基于光譜進行測定，其相對濃度可用波長355 nm處的吸光系數(ag(355))來表征[1],[2]416,[3-4],[5]65，有研究表明CDOM的ag(355)與DOC濃度呈顯著正相關[6]3414,[7-8]。對于不同來源的DOM，吸收光譜曲線不同，特征參數及光譜斜率也不同。在研究DOM的光學特性[9]、來源[5]64和時空分布特征方面[2]417，紫外/可見光譜分析作為一種利用CDOM的ag(355)來估算DOM濃度的方法，具有快速簡便的優點，目前已得到越來越多的重視和研究[10],[11]366。

目前土壤DOM的提取方法沒有得到統一，不同研究者對DOM的提取在具體操作上存在一定的差異[12]。提取DOM時其含量受到提取劑的種類、提取方法、土壤類型、提取的物料比或土水質量比等條件的影響。同時提取的樣品也會受到溫度、pH、提取時間、提取離子濃度等因素的影響[13]。鄱陽湖消落帶是典型的干濕交替水陸銜接帶，具有獨特的干濕交替特征，了解鄱陽湖消落帶土壤和沉積物DOM特征有助于了解重金屬在環境中的遷移轉化規律。本研究基于CDOM紫外/可見光譜，探討了提取劑種類、土水質量比、振蕩時間、離心速率及時間、微孔濾膜種類等不同影響因素對鄱陽湖典型消落帶南磯山濕地土壤及沉積物中DOM提取的影響。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

于2017年12月枯水期在鄱陽湖典型消落帶南磯山區域布設1#至4#共4個采樣點，其中：1#為南磯山入湖口左(湖心灘)，坐標為28°57′59.86″N，116°19′55.39″E；2#為南磯山入湖口右(水陸交錯帶)，坐標為28°57′58.26″N，116°20′38.7″E；3#為托山，坐標為28°57′44.82″N，116°21′41.63″E；4#為南磯大橋，坐標為28°54′24.53″N，116°15′29.12″E。選擇的采樣點未受人類活動干擾，采樣時去掉土壤表層石頭和草根，用鐵鍬采集0～10 cm表層土壤，以S標記土壤樣品；沉積物采用金屬抓斗式采樣器采集，以D標記沉積物樣品，分別裝袋運回實驗室，風干后過100目篩避光保存。供試樣品理化性質見表1。

1.2 實驗方法

1.2.1 DOM提取方法

取供試土壤和沉積物，按一定的土水質量比進行振蕩提取，離心，取上清液過0.45 μm玻璃纖維濾膜(500 ℃下煅燒5 h)，所得濾液即為DOM提取液，采用TOC測定儀(德國耶拿multi N/C 2100)測定DOC濃度。

1.2.2 ag(355)表征的CDOM光譜掃描

取DOM提取液，在波長190～600 nm下進行紫外/可見光譜掃描(TU-1901紫外/可見分光光度計)，計算ag(355)并對ag(355)與DOC濃度進行線性回歸擬合。

1.2.3 單因素實驗

在固定其他條件不變時，基于ag(355)，分別考察提取劑種類、濾膜孔徑、振蕩時間對土壤DOM提取的影響。

1.2.4 正交實驗

以CDOM含量為優化指標，采用4因素3水平正交實驗，以水為提取劑，探究不同提取條件對DOM提取的影響，實驗重復3次。各因素水平如表2所示。正交實驗所得DOM樣品經適當稀釋后進行紫外/可見光譜測定。DOM樣品在土水質量比為1∶2時稀釋10倍、1∶5時稀釋4倍、1∶10時稀釋2倍，以使得提取出來的DOM理論濃度值相同。

1.3 數據處理與統計分析

參照文獻[14]計算吸光系數，實驗數據采用Excel、Origin、Spss等軟件進行分析處理。

2 結果與討論

2.1 CDOM與DOC的關系

ag(355)與DOC濃度進行線性回歸擬合，得到CDOM與DOC濃度的關系，結果如表3所示。

表1 供試土壤、沉積物的理化性質

表2 因素及水平

表3 CDOM與DOC的關系

5種供試樣品的ag(355)與DOC濃度的相關系數均在0.99以上，表明土壤、沉積物的CDOM與其DOC濃度呈線性正相關，與其他研究結果一致[15]。本研究所得到的相關系數高于劉麗貞等[16]對鄱陽湖水體研究得出的 CDOM與DOC濃度之間的相關系數(0.88，P<0.01)，這說明土壤、沉積物樣品中的DOM含量可以用ag(355)表示的CDOM濃度來進行估算。

綜合考慮DOC濃度、ag(355)、相關系數、標準偏差和殘差平方和等，選擇1#-S作為DOM提取條件實驗的供試土壤樣品。

2.2 提取劑對DOM提取的影響

分別以水、KCl溶液(0.5 mol/L)和CaCl2溶液(0.5 mol/L)為提取劑，按1.2.1節的方法進行提取(其中土水質量比為1∶10，振蕩時間為16 h，離心速率4 000 r/min，離心時間15 min,過0.45 μm玻璃纖維濾膜)，對所得提取液進行紫外/可見光譜掃描，不同提取液在355 nm處的吸光度及ag(355)如表4所示。

表4 不同提取液的ag(355)比較

CaCl2溶液和KCl溶液在紫外區均有吸收，用CaCl2溶液提取的DOM紫外吸收曲線與用水提取的峰形有些相似，均在200 nm處有一吸收峰，在250～300 nm有一較小的吸收平臺，但是前者吸光度明顯低于用水提取的吸光度。用0.5 mol/L KCl溶液提取時，出現了負的吸收峰，表明以CaCl2和KCl溶液提取濕地土壤DOM的吸光度規律不明顯，可能與土壤黏料含量、離子強度增大有關。

由于DOM通常被認為是帶有負電荷的一系列復雜化合物(如低分子量的游離氨基酸、碳水化合物、有機酸等和高分子量的酶、多糖、酚和腐殖質等)組成的連續體或混合體[17-18]，因此，K+、Na+、Ca2+、H+等陽離子會競爭與土壤固相及土壤溶液中各種有機、無機配體結合。另外，離子強度的增大，也可導致DOM分子之間的負電荷被隔離而使DOM分子與礦質表面之間以及DOM分子之間的靜電排斥力減小[19]。這兩方面的因素都將導致土壤對DOM的吸附量增大，使得提取液中DOM濃度降低[20]，從而影響吸光度的變化。阮長林等[21]利用冷水、熱水、0.01 mol/L CaCl2、2 mol/L KCl和0.5 mol/L K2SO4溶液提取0～5 cm耕地土壤(土液質量比為1∶5)時，CaCl2提取的DOC含量最少。劉凱等[22]1381和MAVI等[23]的研究均表明高鹽度NaCl和CaCl2處理促進了土壤對DOC的吸附, 原因可能在于NaCl和CaCl2中的陽離子是吸附過程中的潛在影響因素[24]，陽離子可通過庫侖力與帶負電荷的DOM官能團結合[25]。

從水中提純DOM是其特性、表生行為與環境效應研究的前提[11]368。從表4的數據也可看到，用水提取時，其ag(355)遠高于其他提取液，故本研究選擇以水來提取土壤DOM。

2.3 濾膜孔徑和振蕩時間對DOM提取的影響

為確定濾膜的孔徑大小對提取DOM的影響，比較了在不同振蕩時間下過0.22、0.45 μm玻璃纖維濾膜溶液的ag(355)，結果如圖1所示。控制土水質量比為1∶10、離心速率4 000 r/min，離心時間為30 min。

圖1 濾膜孔徑對DOM提取的影響Fig.1 Effect of membrane pore size on extraction of DOM

從圖1可以看出，采用0.45 μm濾膜所得到的提取液，其ag(355)是過0.22 μm濾膜的數倍，但隨振蕩時間的增加兩者趨勢相同，均在16 h達到最高值后趨于平穩。NOVAK等[26]用13C核磁共振(NMR)比較了過0.40、1.20 μm濾膜后DOC的結構，表明兩種情況下DOC功能團的分配很相似，說明DOC的總體結構受濾膜孔徑大小的影響較小。

從文獻上看，對水中的CDOM研究時，多采用孔徑為0.70、0.45、0.22 μm的濾膜。NIMPTSCH等[27]對3種不同孔徑(0.70、0.45、0.22 μm)的不同濾膜(玻璃纖維濾膜和針頭過濾器)進行比較，探討了濾膜孔徑對水中DOM和CDOM的影響，其中0.70 μm孔徑的濾膜常用于普通過濾，0.45、0.22 μm孔徑的濾膜常用于DOM組分的研究，結果表明所選擇的濾膜種類對結果沒有影響，對測定DOM組分時不同孔徑的濾膜只產生微小的過濾效應。CHANTIGNY等[28]對土壤中DOM的提取采用了1.5 μm的玻璃纖維濾膜，對土壤DOM紫外/可見光譜掃描和三維熒光測定目前大多采用0.45 μm濾膜[6]3409,[22]1380。

本研究中，過不同孔徑濾膜的提取液ag(355)有一定的差別，但兩者的規律性變化相同，均與DOC呈現很好的線性相關關系，且過0.45 μm濾膜的提取液具有更高的相關系數。考慮本研究僅以光譜測定的ag(355)來簡便地間接指示不同提取條件下DOC的濃度，且過0.45 μm濾膜的提取液具有較高的測定值及相關性，更便于比較，因此，后面的實驗均選擇0.45 μm孔徑的濾膜。

隨著振蕩時間的增加，DOM的含量先迅速增加，16 h后基本處于平穩狀態，故選16 h作為振蕩時間。土壤成分復雜，DOM包含不同成分，每種成分溶解能力不同。振蕩提取的初期，濕地表層土壤具有較多的DOM，很快被解析出來，最后趨于平衡。

2.4 水提取DOM時的最適提取條件

文獻[7]研究發現，pH在2.0～8.6時基本不影響DOM的紫外吸光度的測定結果。本研究各樣品的pH均在此范圍內, 故不考慮pH的影響。

利用正交實驗，探究提取劑為水時，土水質量比、離心速率、濾膜種類、離心時間對土壤DOM提取的影響，結果如表5所示。

表5 正交實驗結果

根據正交實驗結果分析可知，最佳提取條件為：土水質量比1∶10，離心速率4 000 r/min，0.45 μm玻璃纖維濾膜，離心時間30 min，此時所提取到的土壤DOM濃度最高。在該最佳提取條件下對供試樣品進行提取，所得ag(355)達132.653 m-1。根據極差，土水質量比的影響最大，濾膜種類次之，離心速率再次之，離心時間影響最小。從優化指標CDOM含量變化的趨勢來看，增大土水質量比、增加離心時間，CDOM的量會明顯提高。

3種濾膜的成分不同。玻璃纖維濾膜呈化學惰性，不含黏合劑，采用100%(質量分數)硼硅酸玻璃纖維制造而成，可以過濾細小的顆粒。它具有極細的纖維，具有高過濾性，有較好的疏水性和生物惰性。與混合纖維素酯微孔濾膜、尼龍膜、聚偏二氟乙烯膜相比，醋酸纖維素濾膜是對過濾物質吸附量最低的過濾膜，但它在過濾過程中會引入較多的硝酸鹽氮和氨氮，因而使用前需要酸處理[29]。有機溶劑微孔濾膜為一種耐各種有機溶劑的篩網型精密濾材，它基本不與水溶液中的各種有機物發生反應，在DOM提取的效果上相比玻璃纖維濾膜有較大的差距，但略好于醋酸纖維濾膜。

3 結論與展望

(1) CDOM與DOC濃度有較高的線性相關性，相關系數可達0.99以上，這表明ag(355)可以表征DOC的含量。ag(355)越大，CDOM越大，DOC濃度越大。

(2) 提取的DOM隨著振蕩時間的增加開始迅速增加，后期增加變緩，最后趨于平穩。

(3) 用水、KCl溶液、CaCl2溶液3種提取劑提取土壤DOM，以水提取的ag(355)最大，土壤DOM提取可獲得較好的效果。

(4) 以水作為提取劑時，土水質量比1∶10，離心速率4 000 r/min，0.45 μm玻璃纖維濾膜及離心時間30 min為最優條件。極差分析表明土水質量比的影響最大，濾膜種類和離心速率次之，離心時間影響最小。

(5) 以ag(355)間接估算提取液中DOM濃度，可方便地獲得提取條件對DOM的影響規律。過0.45 μm濾膜和過0.22 μm濾膜的提取液其ag(355)有一定差別，對DOM的定量分析及對土壤DOM濃度影響將在后續研究中作更進一步探討。