土壤溶解性有機物的動態變化對水溶態銅的影響

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. 廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所，廣東 廣州 510640；2. 農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室（廣州），廣東 廣州 510640；3. 農業農村部農產品質量安全檢測與評價重點實驗室（廣州），廣東 廣州 510640；4. 廣東省農業環境與耕地質量保護中心（廣東省農業農村投資項目中心），廣東 廣州 510640

城市和工業化進程導致中國土壤污染問題日益嚴重（Yang et al.，2021）。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示：中國土壤污染總的點位超標率為 16.1%，其中耕地土壤銅的點位超標率高達2.1%（環境保護部國土資源部，2014）。銅是植物生長所必需的微量元素，但土壤中過量的銅會對植物生長產生危害。土壤中銅的毒性及生物有效性不是由總量決定，而是由其形態決定。水溶態銅活性最高可被植物直接吸收利用，從而受到廣泛的關注（叢源等，2009；楊新明等，2019）。

土壤溶解性有機物（DOM）在操作上的定義是：用超純水提取，并可通過0.45 μm濾膜的有機分子（Zsolnay，2003；Strobel et al.，2005）。土壤DOM的含量常用溶解性有機碳（DOC）含量來表示（Christiansen et al.，2015；Venegas et al.，2016）。通常土壤 DOM 中低分子量有機酸的含量小于10%，包括脂肪類、芳香類等有機一元、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。雖然溶解性有機質占土壤總有機質的比例很低，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）。但其中溶解性有機碳、氮活性最高、周轉最快，同時可與土壤中的重金屬發生化學反應，影響重金屬的遷移、轉化及生物有效性，從而改變其生態風險（Chen et al.，2012；祝亮等，2008；常單娜等，2017）。因此研究土壤溶解性有機質的動態變化對水溶態銅的影響，對于了解銅在土壤中的遷移、轉化規律具有重要意義（王育來等，2013）。紫外-可見光譜技術具有快速、靈敏度高、成本低、樣品不被破壞且無需分離等優點被廣泛應用于土壤DOM性質的研究。特征性紫外光譜吸收值、紫外光譜吸收比等參數可以用來估測DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度及分子量大小等，這些參數可以很好地反應 DOM的性質變化（Dilling et al.，2002；He et al.，2011；常單娜等，2017）。

土壤中銅污染修復的方法有很多，其中原位的化學鈍化方法是最普遍、效果最顯著的方法之一。過去有研究報道，有機質對銅有較強的吸附能力（Alcacio et al.，2011；Shaheen et al.，2014；Shaheen et al.，2018）。秸稈作為一種常見的農業廢棄物，還田后可減少焚燒帶來的環境污染，同時可以提高土壤肥力、鈍化土壤中銅離子。進入到土壤中的秸稈在分解過程中產生溶解性有機物，進而對土壤中銅的化學行為產生影響。以往研究大多關注幾小時到幾十天范圍內，外源銅與土壤組分的相互作用（Meers et al.，2005；祝亮等，2008），但長時期秸稈分解過程中產生的溶解性有機物的動態變化對水溶性銅的影響研究較少。基于此，本研究選取中國由南向北分布的3種理化性質差異較大的地帶性土壤，分別為紅壤、褐土及黑土，設計向土壤中添加秸稈、銅的土壤培養實驗。期望得到秸稈分解過程中，各類型土壤中溶解性有機物含量及紫外光譜特性的動態變化對水溶態銅含量的影響。本研究可為不同類型土壤中外源銅污染風險評估及修復提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 土壤培養實驗

供試土壤為湖南長沙紅壤、河南鄭州褐土及黑龍江海倫黑土。3種土壤均為旱地。紅壤的成土母質為第四紀紅色黏土；褐土的成土母質為黃土母質；黑土的成土母質為第四紀黃土母質。供試秸稈為無重金屬污染的水稻秸稈，其有機碳含量為796.7 g·kg?1，Cu 含量為 6.13 mg·kg?1。將風干土壤過 2.54 mm（10目）篩后置于陶瓷盆缽中，每個盆缽裝土量為1 kg。實驗分為兩個處理：對照處理和秸稈處理，每個處理設置3個平行。其中，對照處理只添加 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量分數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，溫度保持在 (25±2) ℃，定期補充水分，控制土壤含水量保持在田間持水量的60%。土壤培養時間為12個月，每4個月取樣一次。每次取樣前，將盆缽中的土壤混合均勻，然后取出100克土壤。供試土壤性質見表1。

表1 土壤的物理化學性質Table 1 Soil physiochemical properties

1.2 可溶性有機物的提取及測定

稱取土樣 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 0.45 μm 濾膜收集濾液，整個過程注意避光。利用總碳-總氮分析儀測定濾液中有機碳、氮的含量。

溶解性有機物的紫外光譜特性：將DOM浸提液置于比色皿中，用超純水調零。設置紫外分光光度計在200—800 nm區域內讀取DOM的吸光度，讀數間隔為1 nm。得到不同波長下DOM的吸光值后，計算 A253/A203，A240/A420，A250/A365，A300/A400，用來表征DOM不同的特性（Gao et al.，2018；常單娜等，2017）。

1.3 水溶態銅的提取及測定

稱取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0.45 μm的濾膜，用原子吸收光譜（安捷倫，AA240Duo）測定濾液中銅含量。

1.4 數據處理

采用雙尾檢驗進行處理間差異顯著性分析，LSD法檢驗。將土壤中溶解性有機物的紫外光譜特性、DOC和DON含量與水溶態銅含量進行多元線性逐步回歸分析。數據處理軟件為SPSS 17.0。

2 結果與分析

2.1 土壤DOC、DON含量

土壤中可溶性有機碳（DOC）含量如圖1所示。培養4個月后，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。培養的第8—12個月，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種土壤的對照處理中，DOC含量隨時間變化不大，但秸稈處理中DOC含量隨時間逐漸下降。

圖1 土壤中水溶性有機碳（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4個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。在培養的后8個月，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個月內3種土壤中DON含量較對照均有顯著下降。其中，DON在紅壤中下降了88%—90%，褐土在培養后的第4個月下降的幅度較大，幅度為93%，培養8個月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，培養后4個月DON下降的幅度為88%，8個月下降幅度為62%。秸稈處理中，紅壤和褐土的 DON在培養后的第 12個月較對照顯著增加，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12個月后與對照沒有顯著差異。

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

在對照中，黑土的DON含量隨時間逐漸增加。紅壤和褐土對照中，DON含量在 8個月內保持穩定，第8—12個月下降。加入秸稈后，3種土壤中DON含量隨時間逐漸增加。紅壤、褐土及黑土中，培養12個月后DON含量較4個月時增加的幅度分別為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果如表2所示。A253/A203反映分子結構和取代基情況，與取代基的復雜程度呈正相關。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，其值與褐土中結果接近。3種土壤不同處理中A253/A203值在培養后的12個月內保持穩定。

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均與有機質的分子量與團聚化程度均呈負相關。這兩個比值在紅壤中最高，褐土中最低。秸稈顯著降低了 3種土壤中A240/A420值和A300/A400。在紅壤和褐土的對照處理中，A240/A420值在培養后4—8月內增加，隨后逐漸下降。黑土對照處理中A240/A420值隨時間逐漸增加。3種土壤的秸稈處理中，A240/A420隨時間逐漸增加。3種土壤不同處理中，A300/A400值在培養的0—12個月保持穩定。

A250/A365與有機質的芳香性及分子量大小呈負相關。A250/A365在紅壤中最高，褐土中最低。秸稈使3種土壤中A250/A365值較對照顯著下降。3種土壤不同處理中，A250/A365值隨時間逐漸增加，但對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所示為不同培養時期土壤中水溶態銅含量。水溶態銅含量在褐土中含量最高，紅壤中含量最低。在整個培養時期，水溶態銅在3種土壤的對照中變化均不顯著。與對照相比，紅壤、褐土和黑土的秸稈處理中的水溶態銅含量分別顯著增加 4.4—12.8、1.9—4.0和 0.5—2.4倍。老化時間對3種土壤中水溶態銅含量有相似的影響，即從第 4—12個月，水溶態銅含量急速下降。

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

土壤中水溶態銅的影響因素如表3所示。經過多元線性逐步回歸分析，我們發現3種土壤中溶解性有機碳含量與水溶態銅含量呈極顯著正相關，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 土壤水溶態銅的影響因素Table 3 The factors controlling water-soluble Cu in soils

3 討論

在對照中，水溶態銅含量在褐土中含量最高，紅壤中含量最低。可能原因是，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、羧基等官能團可固定銅離子（Li et al.，2020）。同時溶解性有機碳含量較褐土低，多元線性逐步回歸分析顯示，水溶態銅的含量與溶解性有機碳含量呈顯著正相關。黑土中水溶態銅含量較褐土低，原因可能是黑土中固態有機碳含量較高，同時陽離子交換量和粘粒含量較褐土高，對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碳的含量較對照顯著增加，一方面秸稈進入到土壤中后分解產生溶解性有機物；另一方面，由于“激發效應”，秸稈的分解也促進了土壤中原有有機質的分解（Kuzyakov，2010；Gao et al.，2018）。培養后的8個月內，3種土壤中溶解性有機氮的含量較對照顯著降低，這是激發效應會使土壤中微生物活性增強，大量消耗溶解性有機氮。上述結果顯示在激發效應過程中，微生物優先利用溶解性有機氮，前人也有研究結果與我們一致（湯宏等，2013）。在外源銅老化的12月內，3種土壤的對照處理中，水溶態銅含量的變化幅度不大。但秸稈處理中，3種土壤中水溶態Cu含量均隨時間逐漸下降，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果也顯示，土壤中水溶態銅的含量僅與 DOC含量呈正相關。可能原因是，土壤中 DOC含量隨時間逐漸減小，與土壤溶液中銅離子絡合的量降低（Cui et al.，2008；祝亮等，2008）。

秸稈使溶解性有機物的A253/A203值較對照顯著增加，說明芳香環取代基中羰基、羧基及脂類的數量增加；隨時間推移該比值逐漸下降，反映出溶解性有機物中取代基的脂肪鏈數量增多，復雜程度增加。A240/A420較對照下降，表明溶解性有機物的團聚化程度增強，但團聚化程度隨時間的推移而逐漸減弱。3種土壤中溶解性有機物的A250/A365值較對照顯著下降，但隨時間逐漸增加，說明溶解性有物的芳香性增強，分子量增加，但隨時間推移，這兩項指標逐漸降低。A300/A400同樣反映溶解性有機物的分子量和團聚化程度（Dorado et al.，2003）。該結果與A250/A365反映的情況一致。以往有研究發現，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，即有機碳的穩定性增強（常單娜等，2017），這與我們的研究結果一致；但隨時間推移，本發現 DOM的分子量及穩定程度降低。這可能是由于秸稈分解過程中，溶解性有機物成分中活性較高、分子量較小的有機物被微生物利用，如單糖、氨基酸、小分子有機酸、碳水化合物等，而溶解性有機物成分中難降解的、分子量大的木質素、纖維素、半纖維素、腐殖質及芳香類化合物的比例升高。隨后，微生物利用溶解性有機物中難降解、分子量大的有機物，使得溶解性有機物的分子量降低。

溶解性有機物中含有羧基、羥基、酚基等可與重金屬作用的官能團，因此可對重金屬的行為產生影響（Borggaard et al.，2019；祝亮等，2008）。秸稈處理使水溶態銅含量較對照顯著增加。在秸稈分解初期，產生較多的親水性小分子物質，并與Cu2+絡合形成DOM-Cu絡合物，從而增加Cu在溶液中的含量（Cui et al.，2008）。隨時間推移，3種土壤的不同處理中，水溶態 Cu含量逐漸減少，與之前的研究結果一致，即在“老化”過程中其可浸提性、遷移性及生物有效性等會隨時間的推移而逐漸降低（Li et al.，2018；Shi et al.，2018；石含之等，2019）。溶解性有機物的 A250/A365，A300/A400的結果顯示，3種土壤不同處理的溶解性有機質的腐殖化程度及分子量隨時間逐漸降低。之前的研究表明溶解性有機物中低分子量及親水性組分對重金屬的絡合能力較強，從而抑制土壤對重金屬的吸附，使土壤溶液中水溶態重金屬含量增加；而高分子量組分則與重金屬形成難溶性絡合物從而使土壤固相組分對它的吸附增加（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果顯示：土壤中水溶性銅的含量與溶解性有機碳的含量呈極顯著正相關。因此，3種土壤的秸稈處理中水溶態銅含量隨時間逐漸下降原因，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果顯示：在幾個考察的因素中，DOC含量是影響水溶態銅含量的唯一因素。上述結果說明與溶解性有機質的性質相比，其含量對水溶態銅的含量影響更大。本研究也給實際生產應用帶來啟示：由于水溶態銅含量受溶解性有機物的含量影響最大，在對銅污染農田安全利用時，需要考慮有機物在土壤中的分解特性，防止土壤中水溶態銅含量增加過多，致使農產品銅含量超標。

4 結論

（1）秸稈使3種土壤中溶解性有機碳含量增加；培養后8個月溶解性有機氮含量較對照顯著降低，培養 12個月又有增加現象，說明微生物在激發效應過程中優先利用溶解性有機氮；

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

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