東北玉米產(chǎn)區(qū)黑土剖面溶解性有機物的三維熒光光譜研究.docx

1、2014年12月灌溉排水學報JournalofIrrigationandDrainage文章編號:1672-3317（2014）06-0071-05東北玉米產(chǎn)區(qū)黑土剖面溶解性有機物的三維熒光光譜研究李明堂，趙興敏，焉莉，趙蘭坡，王繼紅（吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春130118）摘要：利用三維熒光光譜技術(shù).研究了東北玉米產(chǎn)區(qū)黑土制面（Apl、Ap2、AB、B）中漆解柱有機物的金直分布.姑果裊明，黑土剖面中土壤有機碳（SOC）、溶解性有機或（WEOC）和WEOM的芳香度沿上堵割而自上而下逐漸下降.但WEOC占SOC的比例逐漸增加。Apl和Ap2層上埃WEOM各組分熒光區(qū)域積分值的大小順序為類色

2、氨酸蛋白質(zhì)類富里酸類腐殖鼠類溶解性微生物代謝產(chǎn)物奏酪象酸蛋白質(zhì).AB和B屈的大小順序為類色象敗蛋白質(zhì)類酪氨酸蛋白質(zhì)奧溶解性微生物代謝產(chǎn)物類富里酸類腐殖酸。類酪氨戰(zhàn)蛋白質(zhì)和奧色象酸蛋白質(zhì)所占比例沿上墳剖而逐漸增加.但類宙里酸和類腐瑾酸物質(zhì)所占比例明乳下降。關(guān)鍵詞：黑土；溶解性有機物；三饗炎光光譜；熒光區(qū)域積分中圖分類號：S123；X53文獻標志碼：Adoi：10.13522/ki.ggps.2014.06.016李明堂，趙興敏，焉莉，等.東北玉米產(chǎn)區(qū)黑土剖面溶解性有機物的三維熒光光譜研究口.湛溉排水學報，2014,33（6）:71-75.我國東北玉米主產(chǎn)區(qū)黑土水土流失嚴重，嚴重威脅農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、

3、地表水和地下水環(huán)境安全。溶解性有機物是土壤有機物中高活性、易流失的成分，同時又通過離子交換、吸附、絡(luò)合、螯合、絮凝等過程對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬及農(nóng)藥的環(huán)境和生態(tài)行為產(chǎn)生影響。三維熒光光譜分析技術(shù)可在不破壞樣品結(jié)構(gòu)的情況下快速、高效和精確測定水溶解性有機物中熒光性質(zhì)不同的組分及表征其結(jié)構(gòu)，同時還可通過數(shù)據(jù)處理獲得各種綜合反映各種土壤過程的熒光指數(shù)口勺。因此，嘗試用三維熒光光譜分析技術(shù)研究黑土中溶解性有機物的剖面變化，以期為黑土區(qū)土壤污染控制與修復、土壤碳固定技術(shù)研究提供理論依據(jù)。1材料與方法樣品采集于吉林省長春市榆樹縣，該縣屬于典型的大陸性季風氣候，年降水量和年平均溫度分別為560mm和5.

4、8'C。采樣區(qū)面積為400n?,無明顯坡度。每年4月種植玉米，10月初收獲，種植時間20a,磷、鉀、氮的施肥量分別為33.63.150kg/hm2,每年5月使用除草劑。根據(jù)SoilTaxonomy的方法，將采集的土壤樣品分為Apl.Ap2.AB和B層。土壤樣品采集后密封運回實驗室，避光自然風干，去掉大的根莖等雜物后過2mm篩，保存?zhèn)溆?。根?jù)樣品測定要求對其余土壤進行相應的處理后按照標準方法進行測定。部分理化性質(zhì)見表1。以水土比1:4（質(zhì)量/體積比）的比例將制備的土壤樣品和超純水混合，在120r/min、20C下震蕩20min。懸濁液靜置5min后在8000Xg（離心力）下低溫離心5mi

5、n,上清液過0.45Mm的醋酸纖維濾膜后用于測定。參考標準方法測定土壤有機碳。樣品用2MHC1酸化至pH值為2,然后利用總有機碳分析儀（TOC-5000A,Shimadzu,日本）測定溶解性有機碳。收稿日期：2014-04-18,基金項目：國家自然科學基金項目（41071160,51109089人吉林省科技發(fā)展計劃項目（20126031.20130206031NY）作者簡介：李明堂（1976-）,副教授，主要從事水土污染控制方的研究.E-maihiimtdoc2008通訊作者：王繼紅（1966-）,教授.主要從亨面源污染控制方面的研究.E-mail,wjh489）K1供試上堵的部分物理化學性質(zhì)

6、土雄剖面pH速效敏，<nigkg1>速效俸/<nigkg-1)速效鉀/<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樣品預處理后，測定254nm處的吸光度，然后利用單位有機碳在254nm處的吸光度(比紫

7、外吸收值)來表示溶解性有機碳的芳香度。采用HATACHlF-7000型三維熒光光譜儀測定熒光光譜,發(fā)射光波長范圍為220600nm,間隔為1nm,激發(fā)光波長范圍為200450nm,間隔為5nm,激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫寬度都為5nm.PMT電壓為700V。根據(jù)文獻5,將三維熒光光諧分為5個熒光區(qū)域，并對5個熒光區(qū)域進行積分。根據(jù)文獻6中的方法識別5個熒光區(qū)域的熒光峰及對應的激發(fā)/發(fā)射光波長。利用類富里酸和類腐殖酸熒光峰強度的比值表征土壤的老化和腐殖化程度激發(fā)光為370nm時，與發(fā)射光波長450nm和500nm時對應的熒光強度的比值f*/f和BIX指數(shù)，即發(fā)射光為430nm,激發(fā)光分別為310nm和

8、380nm時的熒光強度的比值來表征溶解性有機物的來源。2結(jié)果與分析土壤制面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黑土制血上堵有機碳和紫外吸收特征2.1SOC、WEOC質(zhì)量分數(shù)和WEOM芳香度的垂直分布特征表2表明，黑土剖面土壤有機碳和溶解性有機碳沿土壤剖面自上而下逐漸減少，土壤有機碳從Apl層的9.28g/kg下降至B層的2.55g/kg,溶解性有機碳從Ap

9、l層的75.32mg/kg卜降至B層的33.28mg/kg.但溶解性有機物占總有機碳的比例隨土壤深度的增加而逐漸堵加，其中AB層比Ap2層增加了44.2%.根據(jù)WEOC和SOC質(zhì)員分數(shù)、WEOC占SOC的比例的變化程度，土壤剖面分為2半部分.上半部分為Apl層和Ap2層，下半部分為AB層和B層。各剖面黑土土壤溶解性有機物的比紫外吸收值隨土層深度的增加而降低，即土層越深.溶解性有機物的芳香度越小。根據(jù)數(shù)值的變化程度，可將土層分為2部分，即Apl和Ap2層為上半部分,AB和B層為下半部分。i一類簡敘酸笛白質(zhì):u類色抵酸蚩白質(zhì):m一樊富里酸：IV矣溶解性*生物代ar產(chǎn)物，v類腐映酸oooO38343

10、026"V*»*?««(a)Apl於夷光a/t/Au發(fā)射尤波長/皿(c)AB；2<*?««(b)Ap2«找射光波長/皿(d)BW且、«*?¥«£牌盡片偌片g圖1黑土制面中溶解性有機物的三維熒光光語2.2黑土剖面WEOM的三維熒光光譜利用Origin軟件繪制三維熒光光譜圖，黑土不同剖面土層中溶解性有機物的三維熒光光譜圖如圖1所示。熒光區(qū)域I為類酪氨酸蛋白質(zhì)(220250nm/280330nm),區(qū)域II為類色氨酸蛋白質(zhì)(220250nm/330380nm),區(qū)域DI為類富里酸(22

11、0250nm/380480nm),區(qū)域W為類溶解性微生物代謝產(chǎn)物(250360nm/280380nm),區(qū)域V為類腐殖酸(250420nm/380520nm)。在激發(fā)光/發(fā)射光波長為230nm/344348nm處的熒光強度較大，且在不同土層中都存在，這一峰對應的是類色氨酸蛋白質(zhì)有機物。Apl和Ap2剖面土壤溶解性有機物中的類富里酸和類腐殖酸熒光物質(zhì)的熒光強度明顯大于下層AB層和B層。2.3各熒光區(qū)域物質(zhì)在黑土垂直方向上分布的半定量分析利用matlab軟件對土壤各剖面土層WE0M中的5種熒光組分的熒光響應值進行了區(qū)域積分，并計算單一區(qū)域積分值占各區(qū)域總積分值的比例，結(jié)果如表3所示。表3黑上剖面W

12、EOM各熒光區(qū)域的積分勒征熒光區(qū)域總積分值(X10?)/(AUnm?Lmg-】)各熒光區(qū)域積分值所占比例/%滅兀4實Apl層Ap2層AB®B層Aplf2Ap2層AB層B層區(qū)域I14.0014.8011.2013.4012.2412.4617.1918.24區(qū)城口38.7040.1029.4036.2033.9233.6744.9849.34區(qū)域m25.9026.609.466.0622.6922.3614.4912.35區(qū)域IV17.3018.1010.6011.3015.1615.2416.3015.43區(qū)域V18.6019.204.633.4416.3116.137.084.68

13、從表3可以看出，表層土壤中(Apl和Ap2)類富里酸、類微生物代謝產(chǎn)物和類腐殖酸物質(zhì)的熒光區(qū)域的平均積分值都高于下層土壤(AB和B)。各剖面層中WEOM的類色氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)明顯高于其他熒光物質(zhì)。AB層中類色氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)相對較低。類酪氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)在土各層的分布無明顯差異。API和Ap2層土壤WEOM不同區(qū)域的熒光強度積分值的大小順序為類色氨酸蛋白質(zhì)類富里酸類腐殖酸類溶解性微生物代謝產(chǎn)物類酪氨酸蛋白質(zhì)。AB和B層中同區(qū)域的熒光強度積分值的大小順序則為類色氨酸蛋白質(zhì)類酪氨酸蛋白質(zhì)類溶解性微生物代謝產(chǎn)物類富里酸類腐殖酸?？梢?，黑土不同剖面土層中WEOM的結(jié)構(gòu)和組成是有一定差異的，但2種

14、土壤中類色氨酸蛋白物質(zhì)的熒光強度積分值都最大,這與土壤背景和采樣時間的關(guān)系需進一步研究。各熒光區(qū)域的積分值占總積分值的比例表明，隨著土壤深度的增加，類酪氨酸蛋白質(zhì)和類色氮酸蛋白質(zhì)所占的比例逐漸增加，但類富里酸和類腐殖酸物質(zhì)占的比例明顯下降，類微生物代謝產(chǎn)物在各層中所占的比例無明顯變化。2.4WEOM老化和來源的垂直分布特征溶解性有機物的類富里酸和類腐質(zhì)酸熒光峰強度比值越大，說明土壤的老化程度越大。從表4可以看出，Apl和Ap2土層類富里酸和類腐質(zhì)酸熒光峰強度比值分別為1.39和1.40,無明顯差異，AB層(2.04)明顯大于Ap2層，B層(2.63)明顯大于AB層，但隨著土層深度的增加，WEO

15、M的類富里酸和類腐質(zhì)酸熒光峰強度的平均比值總體逐漸增加。可見，與上層土壤相比，下層土壤明顯老化，同時Apl和Ap2層土壤的老化程度無明顯差異。f心/服和BIX表明，各土壤剖面中WEOM的九值自上而下逐漸增加，從1.60增加至1.94,表明WEOM為植物和微生物的混合源，但隨著深度的增加，微生物源占的比例逐漸增加。Apl和Ap2層的BIX小于1,說明這2層土壤溶解性有機物主要來源于土壤非微生物源，AB和B層的BIX大于1,說明這2層土壤溶解性有機物主要來自于微生物活動。Aso/Aoo和BIX趨勢一致，可以用來表征土壤溶解性有機物的來源特征。表4黑土WEOM的焚光參數(shù)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熒光峰位移分析研究表明，某熒光區(qū)域的熒光峰對應的激發(fā)光波長若變長，即發(fā)生紅移現(xiàn)象，則表明該區(qū)域?qū)臒晒馕镔|(zhì)的芳香度和分子量增加，如果對應的是腐殖酸物質(zhì)，則還說明腐殖酸物質(zhì)的縮聚度增加。因此，從熒光峰對應的發(fā)射光的波長變化可以表征土壤剖面中各溶解性有機物的變化情況，可以用三維熒光光譜技術(shù)來分析，為闡述環(huán)境污染物或營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的遷移特征提供理論依據(jù)。黑土剖面A、AB、Apl和AP2層土壤溶解性有機物在5個熒光區(qū)域內(nèi)的熒光峰

17、強度和對應的激發(fā)/發(fā)射光波長如表5所示。表5溶解性有機物熒光峰的激發(fā)/發(fā)射光波長和熒光強度剖面熒光峰I熒光峰口熒光峰ID熒光峰IV熒光峰V激發(fā)/發(fā)射光波長/nm熒光強度/AU激發(fā)/發(fā)射光波長/nm強熒光i度/AU激發(fā)/發(fā)射光波長/nm熒光強度/AU激發(fā)/發(fā)射光波長/nm熒光強度/AU激發(fā)/發(fā)射光波長/nm熒光強度/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從表5可以看出，Ap2層土壤溶解性有機物中的類酪氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)的激發(fā)光和發(fā)射光波長分別為225nm和328run,較其他土層具有明顯的紅移現(xiàn)象，說明Ap2層土壤溶解性有機物中的類酪氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成與其他土層之間存在差異，即該層類酪氨酸蛋白質(zhì)的分子量和芳香度具有明顯的增加趨勢。類色氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)的熒光峰的位置在各層土壤中無明顯變化。沿著土壤剖面自上而下WEOM中類富里酸熒光物質(zhì)的波長向

19、短波芳香移動，發(fā)射光波長從Apl層的417nm藍移至B層的386nm,且黑土土壤剖面的上層（Apl和Ap2）土壤中的類富里酸熒光物質(zhì)的激發(fā)和發(fā)射光波長分別為235、417nm和240.415nm,明顯大于下層（AB和B）（225、384nm和230、386nm）,說明上層土壤中類富里酸熒光物質(zhì)的分子量、縮聚度和芳香度明顯大于下層土壤。類溶解性微生物代謝產(chǎn)物的激發(fā)和發(fā)射光波長在Apl、Ap2和AB層間無變化，但到達B層后，發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象，激發(fā)和發(fā)射光波長分別為280nm和311nm,說明與其他各層相比，B層中的類溶解性微生物代謝產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，即芳香度和分子量明顯增加，但其機理有

20、待進一步驗證。與其他土層相比，Ap2層的類腐殖酸熒光物質(zhì)熒光峰對應的激發(fā)光波長發(fā)生明顯紅移，熒光峰所對應的激發(fā)光和發(fā)射光的波長分別為255nm和429nm,即Ap2層的類腐殖酸熒光物質(zhì)的分子量、縮聚度和芳香度明顯大于其他土層；與其他各層相比，B層的類腐殖酸熒光物質(zhì)熒光峰對應的激發(fā)光波長藍移動，發(fā)射光波長為389nm,即B層土壤溶解性有機物中的類腐殖酸熒光物質(zhì)的分子量、縮聚度和芳香度明顯小于其他土層。3結(jié)論1）東北玉米主產(chǎn)區(qū)黑土剖面（Apl、Ap2、AB、B）中SOC、WEOC質(zhì)量分數(shù)和WEOM芳香度自上而下逐漸下降，但WEOC占SOC的比例沿著土壤剖面則逐漸增加。2>Apl和Ap2層土壤

21、WEOM各組分熒光區(qū)域積分值的大小順序為類色氨酸蛋白質(zhì)類富里酸>類腐殖酸類溶解性微生物代謝產(chǎn)物類酪氨酸蛋白質(zhì)，AB和B層的大小順序為類色氨酸蛋白質(zhì)類酪氨酸蛋白質(zhì)類溶解性微生物代謝產(chǎn)物類富里酸類腐殖酸。隨著土層深度的增加，類酪氨酸蛋白質(zhì)和類色氨酸蛋白質(zhì)對應的熒光區(qū)域積分值占總積分值的比例逐漸增加，但類富里酸和類腐殖酸物質(zhì)所占比例明顯下降。3）自上而下沿著土壤剖面，WEOM中老化和腐殖化程度高的組分逐漸增加，WEOM的組成由植物和微生物混合源向以微生物源為主的方向轉(zhuǎn)移。與其他層相比，Ap2層類酪氨酸蛋白質(zhì)熒光物質(zhì)發(fā)生明顯紅移類富里酸熒光峰位置沿著土壤剖面自上而下則發(fā)生明顯的藍移。從各參數(shù)的變

22、化情況看，土壤可以分為明顯的2部分，即上半部分（Apl和Ap2）和下半部分（AB和B）。三維熒光光譜技術(shù)可以用來分析黑土中WEOM組分的垂直分層特征，為土壤碳固定和化學物質(zhì)的環(huán)境行為特征研究提供理論依據(jù)。參考文獻：1 李明堂.王繼紅，趙蘭坡.玉米高產(chǎn)水溶性有機物組成和結(jié)構(gòu)特征.東北林業(yè)大學學報，2013,41(6),88-92.2 HassounaM,MassianiC.DudalY.ctal.Changesinwaterextractableorganicmatter(WEOM)inacalcareoussoilunderfieldconditionswithtimeandsoildepth

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