再生水灌溉后農(nóng)田土壤淋溶液DOM光譜學(xué)特征

范春輝， 辛意貝， 袁文靜

1. 沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110034

2. Department of Soil and Crop Sciences, Colorado State University, Fort Collins, CO, 80523-1170, USA

引 言

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)是一類具有復(fù)雜組成和功能結(jié)構(gòu)的活躍載體[1]； 作為連接碳基生命和無機(jī)碳的關(guān)鍵紐帶， DOM常常參與各種生物地球化學(xué)循環(huán)， 進(jìn)而調(diào)控界面組分的環(huán)境行為和生物有效性。 一直以來， DOM關(guān)鍵信息的識(shí)別鑒定都是領(lǐng)域內(nèi)的討論熱點(diǎn)， 但其來源多樣性、 性質(zhì)多變性和體系多維性也增加了相關(guān)研究難度[2]。

再生水灌溉農(nóng)田是實(shí)現(xiàn)再生水資源化利用的重要途徑[3]， 在美國、 澳大利亞、 以色列、 突尼斯等國得到了大力推廣和成功應(yīng)用， 我國的天津、 北京等城市早在十幾年前也完成了再生水回灌農(nóng)田的工程化示范。 再生水灌溉農(nóng)業(yè)有其天然優(yōu)勢， 但灌溉過程對土壤DOM的淋溶效應(yīng)不可忽視， 有可能一定程度上干擾土壤微生態(tài)系統(tǒng)平衡。 Gu等[4]認(rèn)為： DOM可以被水流沖刷出土壤， 造成土壤性質(zhì)和肥力改變。 Liu等[5]發(fā)現(xiàn)： 天然降雨(再生水的一類)能夠影響土壤DOM含量， 但DOM的輸出過程較為復(fù)雜。 現(xiàn)階段， 研究者對污水源再生水作用下土壤DOM動(dòng)態(tài)歸趨關(guān)注較少， 而對于再生水灌溉過程農(nóng)業(yè)土壤淋溶液DOM的性質(zhì)識(shí)別， 更是幾乎查不到系統(tǒng)性的參考資料。

對于再生水灌溉農(nóng)業(yè)， 要全面關(guān)注灌溉前(成本核算、 策略優(yōu)化等)、 灌溉中(效能識(shí)別、 異?，F(xiàn)象等)和灌溉后(風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、 長期監(jiān)控等)三個(gè)階段可能出現(xiàn)的生態(tài)效應(yīng)， 尤其對于“灌溉后”相關(guān)問題的跟蹤剖析恰恰是目前亟待彌補(bǔ)的研究短板。 基于前期研究[6]， 以污水源再生水和河水源地表水為研究樣本， 通過一維原狀土柱體系模擬灌溉過程， 對土壤表面形貌、 淋溶液DOM的紫外可見光譜和三維熒光光譜進(jìn)行比對， 初步掌握“灌溉后”土壤淋溶液DOM的內(nèi)在差異， 以期為DOM水土界面的運(yùn)移轉(zhuǎn)化、 灌溉過程的效能評(píng)估和再生水灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

總有機(jī)碳分析儀(TOC-500, SHIMADZU)， 原子吸收分光光度計(jì)(Z-2000, HITACHI)， 掃描電子顯微鏡(TM3030, HITACHI)， 紫外可見光譜儀(TU-1901, 北京普析通用)， 熒光光譜儀(F-7000, HITACHI)。 除再生水和地表水外， 其余用水為超純水， 化學(xué)試劑為優(yōu)級(jí)純。

1.2 樣品采集

再生水取自沈陽市某污水處理廠出水口， 采樣時(shí)間為2021年4月， 當(dāng)天天氣多云、 空氣質(zhì)量良、 無降雨； 該污水處理廠污水接納范圍為工業(yè)廢水和生活污水， 具有區(qū)域代表性。 地表水采自渾河流域沈撫段， 以閘壩為水體采樣分界點(diǎn)， 具體位于沈陽新立堡立交橋至東陵大橋區(qū)間河段； 采樣時(shí)間為2021年5月(平水期)， 當(dāng)天天氣晴好、 空氣質(zhì)量良、 無降雨。 將水樣裝入棕色廣口瓶后帶回實(shí)驗(yàn)室， 放入4 ℃冰箱中保存。 實(shí)驗(yàn)土壤為原狀取土鉆(304不銹鋼材質(zhì))獲取的原狀土柱， 采集地點(diǎn)為沈撫新區(qū)核心區(qū)農(nóng)田地塊(沈陽東陵公園和沈陽鳥島南部)， 7日內(nèi)完成全部分析測試。 再生水、 地表水和農(nóng)業(yè)土壤基本理化性質(zhì)見表1(數(shù)據(jù)僅適用于本文實(shí)驗(yàn)樣品， 不具有其他代表意義)。

表1 再生水、 地表水和農(nóng)業(yè)土壤基本理化性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

采用一維柱系統(tǒng)分析灌溉過程的淋溶行為， 其中一維柱為有機(jī)玻璃材質(zhì)圓形柱， 總柱高50 cm(滿足大部分農(nóng)田作物主要根系的土壤下扎和分布深度)， 柱內(nèi)徑5 cm。 基于前期研究， (蠕動(dòng)泵)調(diào)控灌溉速率(3 mL·min-1)和灌溉時(shí)間(12 h)； 土柱表面用錫箔紙包裹(避光)， 布水板保障水體與土柱均勻接觸； 柱底用尼龍篩網(wǎng)固定， 相關(guān)部位用膠墊密封， 確保柱中土壤不流失。 實(shí)驗(yàn)時(shí)， 將采集的原狀土直接裝柱進(jìn)行后續(xù)操作。

1.4 分析方法

參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[7]和《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]測定樣品基本理化性質(zhì)。 為了反映灌溉過程的整體效果， 收集12 h內(nèi)的全部土壤淋溶液進(jìn)行分析測試。 借助水提法(水土比5∶1)獲取土壤DOM溶液， 將淋溶液過0.45 μm濾膜即得土壤淋溶液DOM樣品， 總有機(jī)碳分析儀測定樣品DOM含量(以DOC計(jì))。 將灌溉前后的土壤自然風(fēng)干， 導(dǎo)電膠固定后噴金0.5 min， 放入檢測室觀察表面形貌； 掃描電鏡加速電壓5 kV， 放大倍數(shù)1 000倍。 紫外可見光譜掃描波長200～700 nm， 掃描間隔1 nm， 狹縫寬1.5 nm， 掃描速度400 nm·min-1。 熒光光譜光源為150 W氙燈， 激發(fā)波長200～500 nm， 發(fā)射波長200～700 nm， 光電倍增管(PMT)電壓550 V， 掃描速度1 200 nm·min-1。

1.5 質(zhì)量控制

實(shí)驗(yàn)器皿使用前經(jīng)濃度為10%的HNO3浸泡24 h， 超純水反復(fù)洗凈后備用。 所用儀器均已充分預(yù)熱， 以獲取穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 為避免二次瑞利散射的干擾， 出射光加290 nm截止濾光片； 以超純水為空白， 樣品熒光光譜數(shù)據(jù)都同時(shí)扣除空白值。 每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品平行測定三次， 以均值為最終結(jié)果。 利用Origin軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤掃描電鏡結(jié)果分析

對灌溉前后的土壤表面形貌進(jìn)行分析， 結(jié)果見圖1。 總體上看， 灌溉前的土壤骨骼顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則團(tuán)聚形態(tài)， 輪廓清晰， 棱角分明， 顆粒邊緣具有一定磨圓度[圖1(a)]； 團(tuán)聚體中包含塊狀、 條狀、 棒狀、 片狀、 粒狀等多形態(tài)微粒， 或緊密重疊， 或交替排列， 結(jié)構(gòu)性和完整性較好。 經(jīng)再生水和地表水灌溉后， 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)松散， 表面均一度變差， 細(xì)粒組分趨于定向聚集和重新粘結(jié)， 呈現(xiàn)更加粗糙的表觀特性[圖1(b,c)]， 這主要源于灌溉過程的水力分散作用、 土壤顆粒的再聚集和再壓實(shí)效應(yīng)； 再生水灌溉和地表水灌溉對土壤形貌的影響相差不大。

2.2 灌溉過程對土壤和淋溶液的影響

灌溉前后土壤和淋溶液的有機(jī)質(zhì)及DOM含量見表2。 可以看出： 農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)質(zhì)的剖面分布具有一定規(guī)律， 即有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度增加逐漸降低， 體現(xiàn)出土壤有機(jī)質(zhì)的表聚性， 同時(shí)也暗示了土壤發(fā)生學(xué)和生態(tài)氣候?qū)W信息。 土壤DOM在10～20 cm剖面分布最多； 經(jīng)再生水和地表水灌溉后， 0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)和0～20 cm土壤DOM含量增幅明顯， 再生水的貢獻(xiàn)較地表水更突出， 這源于表層土壤對水中有機(jī)物的截留和累積效應(yīng)[9]。 土壤其他剖面相關(guān)參數(shù)變化不大， 甚至較灌溉前有所降低； 原因在于水中大部分有機(jī)物被表層土壤吸附阻滯， 此時(shí)水體對深層土壤的沖刷和淋溶過程占據(jù)優(yōu)勢。 為了便于表述， 將再生水和地表水灌溉產(chǎn)生的土壤淋溶液分別記為A水樣和B水樣(下同)。 由表2可知： A水樣和B水樣DOM濃度分別為1.68和2.01 mg·L-1， 低于相應(yīng)原始值(2.92和4.36 mg·L-1)， 進(jìn)一步證實(shí)了土壤對灌溉水DOM的留存作用。

圖1 灌溉前后的土壤表面形貌

表2 灌溉前后土壤和淋溶液的有機(jī)質(zhì)及DOM含量

2.3 土壤淋溶液DOM紫外可見光譜分析

灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可見吸收光譜見圖2。 A水樣和B水樣DOM的UV-Vis曲線非常接近， 其中： 217 nm(A水樣)和221 nm(B水樣)為無機(jī)離子(硝酸鹽、 溴化物等)吸收峰； 240～270 nm區(qū)間吸收平臺(tái)與DOM不飽和雙鍵共軛結(jié)構(gòu)有關(guān)； 280 nm附近出現(xiàn)π→π*躍遷弱吸收平臺(tái)， 代表DOM木質(zhì)素磺酸及衍生物等相關(guān)組分； 除此之外， 并沒有檢測到其他特征峰。 此結(jié)果與筆者之前證實(shí)的地表水和表層沉積物DOM圖譜有相似之處[7]， 暗示了異源DOM光譜表征方法的通用性和可借鑒性。

圖2 灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可見吸收光譜

對土壤淋溶液DOM紫外可見光譜特征參數(shù)進(jìn)行分析， 結(jié)果見表3。 A水樣DOM的SUVA254， SUVA260和SUVA280數(shù)值都小于B水樣， 分別對應(yīng)A水樣DOM芳香化程度更低、 疏水性有機(jī)組分含量更低和芳香化合物含量更低(結(jié)構(gòu)更簡單)的特性。 B水樣DOM的E253/E203值大于A水樣， 說明B水樣DOM芳香環(huán)取代基中脂肪鏈所占比例較低， 芳香環(huán)上羧基、 羥基和羰基等取代基比例較高。 A水樣DOM的E2/E3值略小于B水樣， 表明A水樣DOM相對分子質(zhì)量更大；E2/E3值都大于3.5， 表明兩種水樣DOM中富里酸含量高于胡敏酸。 B水樣DOM的E2/E4值高于A水樣， 暗示B水樣DOM分子縮合度更低， 而較高的E4/E6值則可能意味著B水樣DOM苯環(huán)C骨架聚合程度較小[10]。

2.4 土壤淋溶液DOM三維熒光光譜分析

灌溉后土壤淋溶液DOM三維熒光光譜見圖3。 研究發(fā)現(xiàn)： 圖譜中只出現(xiàn)一處較明顯熒光峰， 位于Ex/Em=260/420 nm[A水樣見圖3(a)]和Ex/Em=270/430 nm[B水樣見圖3(b)]附近， 對應(yīng)的熒光強(qiáng)度(無量綱)分別為1 018和1 276； 該特征峰可表征類腐殖質(zhì)， 多來源于土壤或與土壤有關(guān)的有機(jī)物[11]。 兩種水樣DOM均未檢測到類蛋白、 類氨基酸或其他組分特征峰。 筆者之前分析過污水源再生水DOM的三維熒光光譜， 譜圖中發(fā)現(xiàn)類酪氨酸、 類色氨酸和類腐殖質(zhì)特征峰； 經(jīng)與本文結(jié)果比對， 推測再生水氨基酸類物質(zhì)可能被(灌溉過程)截留于土壤體系。 上述結(jié)果同時(shí)表明： 自生源(內(nèi)源) 可能對土壤淋溶液DOM貢獻(xiàn)更大， 而灌溉水輸入(外源)對淋溶液DOM的影響有限。

表3 灌溉后土壤淋溶液DOM紫外可見特征參數(shù)

圖3 灌溉后土壤淋溶液DOM三維熒光光譜

通過熒光指數(shù)(FI)、 腐殖化指數(shù)(HIX)、 生物源指數(shù)(BIX)和熒光效率(Feff)揭示土壤淋溶液DOM的來源特征[13]， 結(jié)果如表4所示。 FI值分別為1.69(A水樣)和1.84(B水樣)， 依據(jù)自生源臨界值(FI>1.9)和陸源臨界值(FI<1.4)進(jìn)行判別， 證實(shí)土壤淋溶液DOM為混合來源， 即存在微生物代謝和人類活動(dòng)的共同影響。 A水樣DOM的HIX值小于4， 說明其自生源作用明顯， 腐殖化特征較弱， 這與表3的SUVA254結(jié)論相符； B水樣DOM的HIX值介于4～6之間， 代表DOM歸屬為較強(qiáng)生物內(nèi)源和較弱陸地外源。 A水樣和B水樣DOM的BIX值小于1， 表明DOM具有較強(qiáng)自生源特征。 B水樣DOM的Feff值相對更高， 推測其中含有更多活性官能團(tuán)， 可能與微生物降解活動(dòng)有關(guān)。

農(nóng)業(yè)灌溉后土壤淋溶液DOM的指紋信息具有指示作用， 對于判斷DOM微觀生態(tài)位、 土壤組分水力彌散和異質(zhì)圈層生態(tài)響應(yīng)較為有效。 在本研究條件下， 再生水和地表水灌溉能夠增加表層土壤有機(jī)質(zhì)和DOM含量， 這與同類研究結(jié)果基本吻合[13]。 值得注意的是， 盡管灌溉水源(再生水和地表水)理化性質(zhì)不同， 但灌溉后土壤淋溶液DOM的UV-Vis和3D-EEMs圖譜比較相似。 廣義的水體DOM包括類腐殖質(zhì)、 類氨基酸、 糖類、 類蛋白、 木質(zhì)素等組分； 其中的糖類和類蛋白易被分解， 木質(zhì)素多源于特定行業(yè)(造紙、 印染等)廢水和新鮮植物碎屑。 實(shí)際上， 本研究使用的兩種灌溉水源DOM以類腐殖質(zhì)和類氨基酸為主， 這一點(diǎn)已被以往研究。 類氨基酸具有豐富的功能基團(tuán)和較高生物活性， 常常扮演土壤組分合成的媒介或前體， 這種特性也決定了其與土壤體系的優(yōu)良結(jié)合潛力[14]。 鑒于此， 本研究土壤淋溶液DOM僅出現(xiàn)類腐殖質(zhì)熒光峰， 以及紫外和熒光譜圖的高度類似也不難理解。 相應(yīng)特征參數(shù)還是暗示了DOM的微觀差異， 比如芳香度、 相對分子質(zhì)量、 分子縮合度和來源特征等， 說明譜學(xué)識(shí)別與化學(xué)分析結(jié)合使用才能取得全面的科學(xué)論據(jù)。

表4 灌溉后土壤淋溶液DOM熒光參數(shù)

本研究結(jié)果具有一定學(xué)術(shù)價(jià)值， 但也同步衍生出如下理論問題。 第一， 灌溉過程(外源和內(nèi)源)DOM在不同土層間的動(dòng)態(tài)演替和截留分配， 體現(xiàn)了DOM的時(shí)空變異特質(zhì)； 第二， 土壤和淋溶液DOM精細(xì)組分的分離和提純， 有助于深度認(rèn)知DOM的分子結(jié)構(gòu)和表生行為； 第三， 淋溶液DOM光譜參數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性檢驗(yàn)， 能夠?yàn)楣喔攘苋艿年P(guān)鍵過程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供參考。 后續(xù)將以此為切入點(diǎn)， 剖析DOM的“水(源)—土(介質(zhì))—水(匯)”循環(huán)路徑， 為生態(tài)系統(tǒng)碳庫格局、 碳流遷移等關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程提供證據(jù)支持。

3 結(jié) 論

經(jīng)污水源再生水和河水源地表水灌溉后， 農(nóng)業(yè)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)松散、 表面粗糙， 細(xì)粒組分趨于聚集和粘結(jié)。 灌溉過程可以增加土壤有機(jī)質(zhì)(0～30 cm)和DOM(0～20 cm)含量， 推測表層土壤能夠截留灌溉水中有機(jī)物。 UV-Vis譜圖的240～270 nm區(qū)間出現(xiàn)吸收平臺(tái)， 表明DOM不飽和雙鍵共軛結(jié)構(gòu)； 再生水源土壤淋溶液DOM芳香化程度低、 結(jié)構(gòu)簡單， 兩種淋溶液DOM中富里酸含量高于胡敏酸。 3D-EEMs圖譜的熒光峰為類腐殖質(zhì)特征峰， 熒光參數(shù)說明土壤淋溶液中DOM內(nèi)源性突出； 地表水源土壤淋溶液DOM中的Feff值略高， 暗示其中含有更多活性基團(tuán)。 相關(guān)結(jié)果可以為灌溉過程土壤碳素的流轉(zhuǎn)歸趨和生態(tài)效應(yīng)提供參考。