东北玉米产区黑土剖面溶解性有机物的三维荧光光谱研究.docx

1、2014年12月灌溉排水学报JournalofIrrigationandDrainage文章编号:1672-3317（2014）06-0071-05东北玉米产区黑土剖面溶解性有机物的三维荧光光谱研究李明堂，赵兴敏，焉莉，赵兰坡，王继红（吉林农业大学资源与环境学院，长春130118）摘要：利用三维荧光光谱技术.研究了东北玉米产区黑土制面（Apl、Ap2、AB、B）中漆解柱有机物的金直分布.姑果袅明，黑土剖面中土壤有机碳（SOC）、溶解性有机或（WEOC）和WEOM的芳香度沿上堵割而自上而下逐渐下降.但WEOC占SOC的比例逐渐增加。Apl和Ap2层上埃WEOM各组分荧光区域积分值的大小顺序为类色

2、氨酸蛋白质类富里酸类腐殖鼠类溶解性微生物代谢产物奏酪象酸蛋白质.AB和B屈的大小顺序为类色象败蛋白质类酪氨酸蛋白质奥溶解性微生物代谢产物类富里酸类腐殖酸。类酪氨战蛋白质和奥色象酸蛋白质所占比例沿上坟剖而逐渐增加.但类宙里酸和类腐瑾酸物质所占比例明乳下降。关键词：黑土；溶解性有机物；三飨炎光光谱；荧光区域积分中图分类号：S123；X53文献标志码：Adoi：10.13522/ki.ggps.2014.06.016李明堂，赵兴敏，焉莉，等.东北玉米产区黑土剖面溶解性有机物的三维荧光光谱研究口.湛溉排水学报，2014,33（6）:71-75.我国东北玉米主产区黑土水土流失严重，严重威胁农田生态系统、

3、地表水和地下水环境安全。溶解性有机物是土壤有机物中高活性、易流失的成分，同时又通过离子交换、吸附、络合、螯合、絮凝等过程对土壤中的营养物质、重金属及农药的环境和生态行为产生影响。三维荧光光谱分析技术可在不破坏样品结构的情况下快速、高效和精确测定水溶解性有机物中荧光性质不同的组分及表征其结构，同时还可通过数据处理获得各种综合反映各种土壤过程的荧光指数口勺。因此，尝试用三维荧光光谱分析技术研究黑土中溶解性有机物的剖面变化，以期为黑土区土壤污染控制与修复、土壤碳固定技术研究提供理论依据。1材料与方法样品采集于吉林省长春市榆树县，该县属于典型的大陆性季风气候，年降水量和年平均温度分别为560mm和5.

4、8'C。采样区面积为400n?,无明显坡度。每年4月种植玉米，10月初收获，种植时间20a,磷、钾、氮的施肥量分别为33.63.150kg/hm2,每年5月使用除草剂。根据SoilTaxonomy的方法，将采集的土壤样品分为Apl.Ap2.AB和B层。土壤样品采集后密封运回实验室，避光自然风干，去掉大的根茎等杂物后过2mm筛，保存备用。根据样品测定要求对其余土壤进行相应的处理后按照标准方法进行测定。部分理化性质见表1。以水土比1:4（质量/体积比）的比例将制备的土壤样品和超纯水混合，在120r/min、20C下震荡20min。悬浊液静置5min后在8000Xg（离心力）下低温离心5mi

5、n,上清液过0.45Mm的醋酸纤维滤膜后用于测定。参考标准方法测定土壤有机碳。样品用2MHC1酸化至pH值为2,然后利用总有机碳分析仪（TOC-5000A,Shimadzu,日本）测定溶解性有机碳。收稿日期：2014-04-18,基金项目：国家自然科学基金项目（41071160,51109089人吉林省科技发展计划项目（20126031.20130206031NY）作者简介：李明堂（1976-）,副教授，主要从事水土污染控制方的研究.E-maihiimtdoc2008通讯作者：王继红（1966-）,教授.主要从亨面源污染控制方面的研究.E-mail,wjh489）K1供试上堵的部分物理化学性质

6、土雄剖面pH速效敏，<nigkg1>速效俸/<nigkg-1)速效钾/<nigkg1)AM/(R,kg')(mgkg"*)忌押/(nigkg'1)Apl(011cm)6.0991.717.97118.10.490.2920.62Ap2(ll34cm)7.0845.84.08023.24AJK3462cm)8.3434.02.48923.71BO62cm)8.4523.81.62127.90.050.1624.28样品预处理后，测定254nm处的吸光度，然后利用单位有机碳在254nm处的吸光度(比紫

7、外吸收值)来表示溶解性有机碳的芳香度。采用HATACHlF-7000型三维荧光光谱仪测定荧光光谱,发射光波长范围为220600nm,间隔为1nm,激发光波长范围为200450nm,间隔为5nm,激发光和发射光的狭缝宽度都为5nm.PMT电压为700V。根据文献5,将三维荧光光谐分为5个荧光区域，并对5个荧光区域进行积分。根据文献6中的方法识别5个荧光区域的荧光峰及对应的激发/发射光波长。利用类富里酸和类腐殖酸荧光峰强度的比值表征土壤的老化和腐殖化程度激发光为370nm时，与发射光波长450nm和500nm时对应的荧光强度的比值f*/f和BIX指数，即发射光为430nm,激发光分别为310nm和

8、380nm时的荧光强度的比值来表征溶解性有机物的来源。2结果与分析土壤制面S()C/<R,kg'1)WEOC/(mgkg*1)WEOC/SOC/%SUVn</(LnigrmApl9.2875.320.811.64Ap27.0260.320.861.58AB2.9036.041.241.47B2.5533.280.30】.47412黑土制血上堵有机碳和紫外吸收特征2.1SOC、WEOC质量分数和WEOM芳香度的垂直分布特征表2表明，黑土剖面土壤有机碳和溶解性有机碳沿土壤剖面自上而下逐渐减少，土壤有机碳从Apl层的9.28g/kg下降至B层的2.55g/kg,溶解性有机碳从Ap

9、l层的75.32mg/kg卜降至B层的33.28mg/kg.但溶解性有机物占总有机碳的比例随土壤深度的增加而逐渐堵加，其中AB层比Ap2层增加了44.2%.根据WEOC和SOC质员分数、WEOC占SOC的比例的变化程度，土壤剖面分为2半部分.上半部分为Apl层和Ap2层，下半部分为AB层和B层。各剖面黑土土壤溶解性有机物的比紫外吸收值随土层深度的增加而降低，即土层越深.溶解性有机物的芳香度越小。根据数值的变化程度，可将土层分为2部分，即Apl和Ap2层为上半部分,AB和B层为下半部分。i一类简叙酸笛白质:u类色抵酸蚩白质:m一樊富里酸：IV矣溶解性*生物代ar产物，v类腐映酸oooO38343

10、026"V*»*?««(a)Apl於夷光a/t/Au发射尤波长/皿(c)AB；2<*?««(b)Ap2«找射光波长/皿(d)BW且、«*?¥«£牌尽片偌片g图1黑土制面中溶解性有机物的三维荧光光语2.2黑土剖面WEOM的三维荧光光谱利用Origin软件绘制三维荧光光谱图，黑土不同剖面土层中溶解性有机物的三维荧光光谱图如图1所示。荧光区域I为类酪氨酸蛋白质(220250nm/280330nm),区域II为类色氨酸蛋白质(220250nm/330380nm),区域DI为类富里酸(22

11、0250nm/380480nm),区域W为类溶解性微生物代谢产物(250360nm/280380nm),区域V为类腐殖酸(250420nm/380520nm)。在激发光/发射光波长为230nm/344348nm处的荧光强度较大，且在不同土层中都存在，这一峰对应的是类色氨酸蛋白质有机物。Apl和Ap2剖面土壤溶解性有机物中的类富里酸和类腐殖酸荧光物质的荧光强度明显大于下层AB层和B层。2.3各荧光区域物质在黑土垂直方向上分布的半定量分析利用matlab软件对土壤各剖面土层WE0M中的5种荧光组分的荧光响应值进行了区域积分，并计算单一区域积分值占各区域总积分值的比例，结果如表3所示。表3黑上剖面W

12、EOM各荧光区域的积分勒征荧光区域总积分值(X10?)/(AUnm?Lmg-】)各荧光区域积分值所占比例/%灭兀4实Apl层Ap2层AB®B层Aplf2Ap2层AB层B层区域I14.0014.8011.2013.4012.2412.4617.1918.24区城口38.7040.1029.4036.2033.9233.6744.9849.34区域m25.9026.609.466.0622.6922.3614.4912.35区域IV17.3018.1010.6011.3015.1615.2416.3015.43区域V18.6019.204.633.4416.3116.137.084.68

13、从表3可以看出，表层土壤中(Apl和Ap2)类富里酸、类微生物代谢产物和类腐殖酸物质的荧光区域的平均积分值都高于下层土壤(AB和B)。各剖面层中WEOM的类色氨酸蛋白质荧光物质明显高于其他荧光物质。AB层中类色氨酸蛋白质荧光物质相对较低。类酪氨酸蛋白质荧光物质在土各层的分布无明显差异。API和Ap2层土壤WEOM不同区域的荧光强度积分值的大小顺序为类色氨酸蛋白质类富里酸类腐殖酸类溶解性微生物代谢产物类酪氨酸蛋白质。AB和B层中同区域的荧光强度积分值的大小顺序则为类色氨酸蛋白质类酪氨酸蛋白质类溶解性微生物代谢产物类富里酸类腐殖酸。可见，黑土不同剖面土层中WEOM的结构和组成是有一定差异的，但2种

14、土壤中类色氨酸蛋白物质的荧光强度积分值都最大,这与土壤背景和采样时间的关系需进一步研究。各荧光区域的积分值占总积分值的比例表明，随着土壤深度的增加，类酪氨酸蛋白质和类色氮酸蛋白质所占的比例逐渐增加，但类富里酸和类腐殖酸物质占的比例明显下降，类微生物代谢产物在各层中所占的比例无明显变化。2.4WEOM老化和来源的垂直分布特征溶解性有机物的类富里酸和类腐质酸荧光峰强度比值越大，说明土壤的老化程度越大。从表4可以看出，Apl和Ap2土层类富里酸和类腐质酸荧光峰强度比值分别为1.39和1.40,无明显差异，AB层(2.04)明显大于Ap2层，B层(2.63)明显大于AB层，但随着土层深度的增加，WEO

15、M的类富里酸和类腐质酸荧光峰强度的平均比值总体逐渐增加。可见，与上层土壤相比，下层土壤明显老化，同时Apl和Ap2层土壤的老化程度无明显差异。f心/服和BIX表明，各土壤剖面中WEOM的九值自上而下逐渐增加，从1.60增加至1.94,表明WEOM为植物和微生物的混合源，但随着深度的增加，微生物源占的比例逐渐增加。Apl和Ap2层的BIX小于1,说明这2层土壤溶解性有机物主要来源于土壤非微生物源，AB和B层的BIX大于1,说明这2层土壤溶解性有机物主要来自于微生物活动。Aso/Aoo和BIX趋势一致，可以用来表征土壤溶解性有机物的来源特征。表4黑土WEOM的焚光参数特征土壤剖面IA/IC/450

16、/500BIX土壤削面IA/IC/4W/SOOBIXApl1.391.600.69AB2.041.821.02Ap21.391.670.66B2.631.941.182.5荧光峰位移分析研究表明，某荧光区域的荧光峰对应的激发光波长若变长，即发生红移现象，则表明该区域对应的荧光物质的芳香度和分子量增加，如果对应的是腐殖酸物质，则还说明腐殖酸物质的缩聚度增加。因此，从荧光峰对应的发射光的波长变化可以表征土壤剖面中各溶解性有机物的变化情况，可以用三维荧光光谱技术来分析，为阐述环境污染物或营养物质在土壤中的迁移特征提供理论依据。黑土剖面A、AB、Apl和AP2层土壤溶解性有机物在5个荧光区域内的荧光峰

17、强度和对应的激发/发射光波长如表5所示。表5溶解性有机物荧光峰的激发/发射光波长和荧光强度剖面荧光峰I荧光峰口荧光峰ID荧光峰IV荧光峰V激发/发射光波长/nm荧光强度/AU激发/发射光波长/nm强荧光i度/AU激发/发射光波长/nm荧光强度/AU激发/发射光波长/nm荧光强度/AU激发/发射光波长/nm荧光强度/AUApl220/301537.4230/3471238235/4171593275/305912.7250/4201521Ap2225/3281243230/3441235240/4151659275/305915.6255/4291539AB220/301512230/34811

18、95225/384714.8275/305945250/422493.4B220/298543.2230/3471709230/386726.8280/311926.6250/389369.3从表5可以看出，Ap2层土壤溶解性有机物中的类酪氨酸蛋白质荧光物质的激发光和发射光波长分别为225nm和328run,较其他土层具有明显的红移现象，说明Ap2层土壤溶解性有机物中的类酪氨酸蛋白质荧光物质的结构和组成与其他土层之间存在差异，即该层类酪氨酸蛋白质的分子量和芳香度具有明显的增加趋势。类色氨酸蛋白质荧光物质的荧光峰的位置在各层土壤中无明显变化。沿着土壤剖面自上而下WEOM中类富里酸荧光物质的波长向

19、短波芳香移动，发射光波长从Apl层的417nm蓝移至B层的386nm,且黑土土壤剖面的上层（Apl和Ap2）土壤中的类富里酸荧光物质的激发和发射光波长分别为235、417nm和240.415nm,明显大于下层（AB和B）（225、384nm和230、386nm）,说明上层土壤中类富里酸荧光物质的分子量、缩聚度和芳香度明显大于下层土壤。类溶解性微生物代谢产物的激发和发射光波长在Apl、Ap2和AB层间无变化，但到达B层后，发生明显的红移现象，激发和发射光波长分别为280nm和311nm,说明与其他各层相比，B层中的类溶解性微生物代谢产物的组成和结构发生了变化，即芳香度和分子量明显增加，但其机理有

20、待进一步验证。与其他土层相比，Ap2层的类腐殖酸荧光物质荧光峰对应的激发光波长发生明显红移，荧光峰所对应的激发光和发射光的波长分别为255nm和429nm,即Ap2层的类腐殖酸荧光物质的分子量、缩聚度和芳香度明显大于其他土层；与其他各层相比，B层的类腐殖酸荧光物质荧光峰对应的激发光波长蓝移动，发射光波长为389nm,即B层土壤溶解性有机物中的类腐殖酸荧光物质的分子量、缩聚度和芳香度明显小于其他土层。3结论1）东北玉米主产区黑土剖面（Apl、Ap2、AB、B）中SOC、WEOC质量分数和WEOM芳香度自上而下逐渐下降，但WEOC占SOC的比例沿着土壤剖面则逐渐增加。2>Apl和Ap2层土壤

21、WEOM各组分荧光区域积分值的大小顺序为类色氨酸蛋白质类富里酸>类腐殖酸类溶解性微生物代谢产物类酪氨酸蛋白质，AB和B层的大小顺序为类色氨酸蛋白质类酪氨酸蛋白质类溶解性微生物代谢产物类富里酸类腐殖酸。随着土层深度的增加，类酪氨酸蛋白质和类色氨酸蛋白质对应的荧光区域积分值占总积分值的比例逐渐增加，但类富里酸和类腐殖酸物质所占比例明显下降。3）自上而下沿着土壤剖面，WEOM中老化和腐殖化程度高的组分逐渐增加，WEOM的组成由植物和微生物混合源向以微生物源为主的方向转移。与其他层相比，Ap2层类酪氨酸蛋白质荧光物质发生明显红移类富里酸荧光峰位置沿着土壤剖面自上而下则发生明显的蓝移。从各参数的变

22、化情况看，土壤可以分为明显的2部分，即上半部分（Apl和Ap2）和下半部分（AB和B）。三维荧光光谱技术可以用来分析黑土中WEOM组分的垂直分层特征，为土壤碳固定和化学物质的环境行为特征研究提供理论依据。参考文献：1 李明堂.王继红，赵兰坡.玉米高产水溶性有机物组成和结构特征.东北林业大学学报，2013,41(6),88-92.2 HassounaM,MassianiC.DudalY.ctal.Changesinwaterextractableorganicmatter(WEOM)inacalcareoussoilunderfieldconditionswithtimeandsoildepth

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