周浩，林躍勝，方鳳滿，陰俐，葛磊，陳輝，李時銀，姚有如*

（1.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003；2.江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241003；3.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023）

伴隨著工農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，大量污染物的排放使得土壤重金屬污染問題日益突出，越來越受到人們的關(guān)注[1]。銅（Cu）是動植物生長發(fā)育過程中必不可少的微量元素，作為動植物體內(nèi)氧化酶的主要成分，對某些酶類具有活化作用。

然而，攝入過量的Cu2+會對生物體造成危害，研究表明，在農(nóng)業(yè)活動過程中，Cu2+的過量攝入會導(dǎo)致作物細胞質(zhì)膜兩側(cè)產(chǎn)生一定的濃度差并且增強膜脂過氧化作用，細胞質(zhì)膜透性變大，導(dǎo)致生物體內(nèi)所必需的鉀離子流出細胞膜外，從而對細胞質(zhì)膜產(chǎn)生一定的損害，影響作物的產(chǎn)量。并且累積于作物體內(nèi)的Cu2+通過食物鏈過量進入人體會誘發(fā)癌癥，危害人體健康[2]。因此，洞悉農(nóng)田土壤環(huán)境中Cu2+遷移與轉(zhuǎn)化過程具有重要意義。

有機質(zhì)作為土壤中的重要組成部分，對Cu2+的遷移轉(zhuǎn)化有著重要的影響。一方面其所具有的基團可以通過鍵位作用與Cu2+形成絡(luò)合物，同時其表面所帶有的負電荷對于Cu2+起吸附的作用；另一方面，有機質(zhì)進入土壤后，通過生物的分解作用形成大量的游離態(tài)陽離子，這些陽離子會與Cu2+競爭吸附點位，減少土壤膠體對于Cu2+的吸附，從而增加Cu2+的活性[3]。溶解性有機質(zhì)（DOM）是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜且化學(xué)活性較強的有機混合物，普遍存在于環(huán)境介質(zhì)中。土壤中的DOM 組分由腐植酸、富里酸、胡敏酸及各種親水有機酸組成，其所包含的各種游離的氨基酸、有機酸、多酚等物質(zhì)會影響土壤中營養(yǎng)元素N、P、K 的生物可利用度以及相關(guān)污染物的轉(zhuǎn)移能力[4]。研究表明，在不同環(huán)境介質(zhì)中DOM 與重金屬之間均存在不同程度相關(guān)性，研究人員針對不同季節(jié)的湖泊水體，不同類型的土壤以及生物質(zhì)炭，展開DOM 與金屬離子之間的光譜分析，結(jié)果表明DOM 的熒光強度隨著金屬離子濃度的升高發(fā)生了淬滅現(xiàn)象，并且各熒光組分均與金屬離子有不同程度地絡(luò)合[5-7]。

在土壤環(huán)境中，DOM 既可以直接與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用，也可以通過改變土壤自身的理化性質(zhì)從而影響其對重金屬的吸附作用[8]。另外，土壤DOM中所含有的官能團（羧基、羥基和含硫基官能團等）可與重金屬污染物發(fā)生吸附-解析、氧化-還原、離子交換、配位絡(luò)合/螯合等反應(yīng)[9]。因此，在DOM 的參與下，土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程更加復(fù)雜，需要進一步研究探討。并且，對于高Cu2+含量背景農(nóng)田土壤，水稻土中的DOM 與Cu2+之間的結(jié)合機制還不清楚，需要進一步研究。

安徽省廬江縣地處江淮之間，是我國水稻優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶，全縣稻田種植約10 萬hm2，水稻產(chǎn)量位居安徽省首位[10]。同時該縣位于郯廬地震帶，地區(qū)有色金屬礦藏豐富[11]。課題組對廬江縣土壤中的重金屬進行檢測（90 個水稻土壤樣品），發(fā)現(xiàn)土壤中Cu 的平均含量為35.0 mg·kg-1，顯著高于當?shù)氐谋尘爸担?1.65 mg·kg-1）。基于上述原因，開展廬江縣稻田土壤中DOM與Cu2+之間的結(jié)合過程和機制研究，有利于揭示農(nóng)田土壤中Cu2+遷移轉(zhuǎn)化行為。

本研究以廬江縣的水稻土壤作為研究對象，研究水稻土壤中DOM 的組成、來源以及微觀形貌，采用熒光淬滅實驗、二維相關(guān)光譜以及X 射線光電子能譜（XPS）等方法分析DOM 與Cu2+的絡(luò)合過程和機制，為進一步了解DOM 參與下農(nóng)業(yè)土壤中Cu2+的遷移特性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省廬江縣水稻種植歷史悠久，本研究采樣地位于廬江縣白湖鎮(zhèn)（31°13'07″N，117°22'14″E），采樣地水稻種植年限超過20 a，且種植過程中未曾改變土地利用類型。水稻田供肥方式以農(nóng)用復(fù)合肥（磷酸銨、尿素）為主，并少量施用有機肥。另外，該地大部分水稻秸稈被居民回收作為生物燃料，少量用于田間堆肥。

1.2 DOM的提取和分析

供試土壤于2020 年12 月采集，為0~20 cm 表層休耕水稻土壤。經(jīng)測定樣地農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量為（24.60±10.74）mg·kg-1，pH為6.1±1.1。

將風(fēng)干磨碎后的水稻土過0.150 mm 篩，篩后的土壤按照1∶10（m∶V）的固/液比與超純水混合，于25 ℃室溫下振蕩24 h（220 r·min-1），將振蕩完成樣品置于4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心，離心時間為30 min，取上清液，使用0.45 μm 玻璃纖維濾膜過濾，得到的濾液即為DOM 溶液，將其放置于500 mL 棕色玻璃瓶中，避光保存在4 ℃冰箱中，除了冷凍干燥的DOM 樣品，其余上機測定的樣品會在24 h內(nèi)進行測定。使用TOC 分析儀（Multi N/C3100，Analytik Jena，德國）測定溶解性有機碳（DOC）含量，計算樣品的DOM 含量，土壤DOM中Cu2+濃度為（0.011±0.005）mg·L-1。

部分DOM 原液離心，經(jīng)過真空冷凍干燥機（FD-1A-50，長沙巴躍）干燥后，得到一定量粉末，用于后續(xù)掃描電鏡、透射電鏡實驗。

1.3 DOM和Cu2+的絡(luò)合滴定實驗

避免內(nèi)濾作用（當熒光體濃度較大或與其他吸光物質(zhì)共存時，熒光體或其他吸光物質(zhì)對于激發(fā)光或發(fā)射光的吸收，導(dǎo)致熒光減弱的現(xiàn)象），將DOM 溶液進行 稀 釋 使 其 濃 度 為10.0 mg·L-1[12]，滴 加0.1 mol·L-1NaOH 或HCl 溶液調(diào)節(jié)溶液pH 為7.0±0.1，防止產(chǎn)生沉淀。滴加濃度為0.1 mol·L-1CuSO4到25 mL DOM溶液中，生成一系列的滴定樣品，樣品溶液中添加的Cu2+的濃度分別為0、5、10、20、30、50、75、100 μmol·L-1。隨后，將滴定樣品在25 ℃下避光振蕩24 h，使其達到絡(luò)合平衡，對絡(luò)合溶液進行動態(tài)光散射、三維熒光以及同步熒光等方法展開分析。同時，為了進一步研究DOM 對Cu2+絡(luò)合能力，通過離子選擇性電極法分析了DOM 與Cu2+的結(jié)合常數(shù)。游離態(tài)Cu2+測定采用Cu 離子選擇性電極（PCu-1-01，上海雷磁），記錄儀為奧立龍Orion Star?A211。在100 mL 藍色絲口瓶內(nèi)加入2 mL 的電解質(zhì)（5 mol·L-1NaNO3），隨后加入DOM 母液，并定容使稀釋后溶液的TOC 濃度為0.5 mg·L-1。將溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中，調(diào)節(jié)溶液的pH 值為4.0±0.1。在連續(xù)攪拌的條件下，用逐步加入CuSO4溶液進行滴定，記錄滴加過程中游離態(tài)Cu2+的濃度變化。

分別制取200 mL Cu2+濃度為0、100 μmol·L-1的絡(luò)合溶液進行冷凍干燥，以得到足夠的粉末樣品用于后續(xù)的實驗。

1.4 Zeta電位以及粒徑的測定

采用動態(tài)光散射分析儀（Zetasizer Nano ZS，Mal?vern Instruments，英國）測定不同條件下土壤DOM 的粒徑分布和Zeta 電位，測定之前使用超聲分散30 min。

1.5 光譜測定

對絡(luò)合溶液進行紫外-可見光譜分析，以2 nm 為間隔，采用紫外-可見分光光度計掃描200~920 nm 波長范圍內(nèi)的吸收光譜，同時以超純水為空白。

計算SUVA254的值，其可用來表征DOM 的芳香化程度[13]，計算過程見公式（1）：

式中，a254是樣品在波長254 nm 處的吸收系數(shù)，m-1；A254是波長254 nm處的吸光度；lL是比色皿的寬度，m。

EET/EBz為253 nm與220 nm處吸光度的比值，其值的大小可用來表征DOM 芳香環(huán)上取代基的種類以及取代程度[14]。上述實驗均重復(fù)3次。

DOM 樣品的熒光光譜使用熒光光譜儀（F97Pro，上海棱光）進行測定，激發(fā)波長（Ex）波長范圍為200~450 nm（增量為5 nm），發(fā)射（Em）波長范圍為25~550 nm（增量1 nm），掃描速度為2 400 nm·min-1，狹縫均5 nm。同步熒光激發(fā)波長為250~550 nm，恒定偏移量Δλ=60 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為5 nm，掃描速度為240 nm·min-1。以超純水為空白，光源為150 W 無臭氧氙弧燈，系統(tǒng)自動校正瑞利和拉曼散射。

熒光指數(shù)（FI）為當Ex=370 nm，Em 為450 nm 與500 nm 的熒光強度比值，可以指示DOM 中腐殖質(zhì)的來源[15]，腐殖化指標（HIX）為當Ex=254 nm，Em分別為434~480 nm 區(qū)域積分值與300~346 nm 區(qū)域積分值的比值，一般指示DOM腐殖化程度[16]，自生源指標（BIX）為當Ex=310 nm 時，Em 分別為380 nm 和430 nm 處的熒光強度比值，可以指示DOM自生源特征強弱[17]。

1.6 DOM與Cu2+絡(luò)合參數(shù)擬合

采用改進后的Stern-Volmer絡(luò)合模型來確定Cu2+與DOM 中不同熒光組分之間的絡(luò)合能力，為了定量描述絡(luò)合作用，假設(shè)Cu2+與DOM 之間形成1∶1的絡(luò)合物。改進的Stern-Volmer 方程如公式（2）所示[18]：式中，F(xiàn)0和F代表沒有滴加Cu2+以及不同Cu2+濃度CM（mol·L-1）時DOM 組分的熒光強度，KM表示DOM 與Cu2+之間絡(luò)合的條件穩(wěn)定常數(shù)，f代表DOM 參與Cu2+絡(luò)合的熒光團比例，KM和f可從線性擬合中獲得，對KM取對數(shù)得到絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)lgKM。

基于離子選擇性電極法對DOM 與Cu2+絡(luò)合參數(shù)的計算方法如下所示，土壤DOM 與Cu2+以1∶1進行絡(luò)合反應(yīng)。根據(jù)平衡方程（3）計算得到：

式中，M總為加入的Cu2+總量（μmol）；M為游離Cu2+；D總為DOM 中DOC 濃度（mg·L-1）；ML為絡(luò)合物濃度（μmol·L-1）。

1.7 二維（2D-COS）分析

為了研究添加的Cu2+與DOM 結(jié)合的具體情況。對不同Cu2+濃度梯度下所發(fā)生的絡(luò)合反應(yīng)后制得的DOM 樣品的同步熒光光譜進行2D-COS 分析。根據(jù)Noda 理論和Ozaki 所提供的方法[19]，采用“2D Shige 軟件”分析。

1.8 SEM、TEM、XPS表征分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM）（Gemini 300，ZEISS，德國）表征干燥后DOM 以及DOM 與Cu2+絡(luò)合反應(yīng)之后樣品的表面形貌，其中，加速電壓為0.02~30 kV。采用透射電子顯微鏡（TEM）（JEOL 2100F，JEOL 公司，日本）觀察DOM 的形貌和粒徑，加速電壓為200 kV。使用X 射線光電子能譜儀（XPS）（ESCALab250，Thermo Fisher Scientific，美國）對DOM 的表面元素組分及其化學(xué)形態(tài)進行表征。

1.9 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0 軟件進行數(shù)據(jù)的分析和檢驗，圖形繪制采用Origin 2019、XPSPEAK41 軟件。其中，非參數(shù)檢驗（單樣本K-S 檢驗）被用于數(shù)據(jù)間的差異性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻土DOM含量和結(jié)構(gòu)特征

水稻土DOM 的含量為（604.2±79.7）mg·kg-1，由紫外-可見光譜參數(shù)計算得到SUVA254值為（3.25±0.07）L·（mg·m）-1。SUVA254值的大小與芳香族化合物和腐殖質(zhì)中的C C 鍵，CO 鍵 以及 與DOM 分 子量的大小存在一定的相關(guān)性[13]。一般而言，SUVA254的值越大，表明DOM 的分子量越大[20]。此外，SUVA254還與DOM 組分的親疏水性有關(guān)，SUVA254>4 L·（mg·m）-1時，表明此時DOM 中的組分呈現(xiàn)出疏水性特征，且DOM 中含有的芳香物質(zhì)較多[21]。廬江縣水稻土DOM 的SUVA254值低于4 L·（mg·m）-1，表明水稻土DOM 組分主要由親水性物質(zhì)構(gòu)成。土壤腐殖質(zhì)是非晶態(tài)物質(zhì)，它具有高度的親水性，說明廬江縣水稻土中DOM 以親水性腐殖質(zhì)為主。作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定的特殊性質(zhì)的高分子化合物，腐殖質(zhì)的存在直接影響到土壤中的Cu2+的遷移轉(zhuǎn)化過程。同時，EET/EBz的值為0.496±0.005，表明該土壤DOM 的芳香結(jié)構(gòu)中含有一定量的含氧官能團[22]。這些含氧官能團對Cu2+的遷移與轉(zhuǎn)化起著重要作用[14]，研究表明，僅酚羥基與Cu2+的絡(luò)合常數(shù)高達7.95[23]。因此，水稻土DOM表面的官能團會加速其與Cu2+的結(jié)合行為。

另外，DOM 表面所具有的負電荷也會影響其與Cu2+的結(jié)合過程。廬江縣土壤DOM 的平均粒徑為（174.4±1.5）nm，初始的Zeta 電位為（-17.7±0.8）mV，說明DOM 具有典型的土壤膠體特性，土壤的有機膠體與重金屬可以通過靜電吸附、陽離子橋接及氫鍵合等作用聯(lián)結(jié)在一起。并且，DOM 顆粒平均粒徑僅174.4 nm。這種穩(wěn)定的納米顆粒能夠通過表面孔隙吸附和靜電作用與Cu2+進行結(jié)合。

DOM 中類富里酸和類腐植酸的組分也是實現(xiàn)與Cu2+結(jié)合的關(guān)鍵因素。通過分析廬江縣水稻土DOM三維熒光光譜可知（圖1），土壤DOM存在兩個熒光峰值區(qū)，分別為類腐植酸熒光峰C1（λEx/λEm=350 nm/440 nm）及類富里酸熒光峰C2（λEx/λEm=270 nm/530 nm）[17]。說明該類型土壤DOM 組分構(gòu)成以類腐植酸和類富里酸為主，缺乏蛋白質(zhì)類物質(zhì)，這可能與廬江縣水稻種植年限有關(guān)，相關(guān)研究表明隨著水稻種植年限增加，土壤DOM 中類腐殖物質(zhì)不斷增加而蛋白質(zhì)類物質(zhì)累積則會變少，芳香度升高[24]。該結(jié)果與上述SUVA254值低于4 L·（mg·m）-1相符合，說明廬江縣水稻土DOM中以親水性腐殖質(zhì)類物質(zhì)為主，蛋白質(zhì)類物質(zhì)偏少。

圖1 水稻土溶解性有機質(zhì)組分熒光圖譜特征Figure 1 Fluorescence pattern characteristics of dissolved organic matter components of paddy soil

2.2 水稻土DOM的來源分析

目前用來表征DOM 來源的熒光特征參數(shù)主要有FI、BIX。其中FI 可以反映環(huán)境中類腐殖質(zhì)的來源情況[15]，并且FI 值與富里酸的芳香性存在一定的相關(guān)性[25-26]。研究表明，F(xiàn)I 存在兩個端源值，F(xiàn)I 為1.4 時，指示DOM 主要為外源輸入；FI 為1.9 時，指示DOM 為內(nèi)源輸入。本研究中土壤DOM 的FI 為1.49，表明DOM 來源既有陸源輸入，也有內(nèi)部微生物活動作用。BIX 可以指示DOM 的自生源特征，同時也可以反映生物的可利用性。BIX>1 時，DOM 自生來源特征明顯，BIX<1 時，DOM 的自生源特征不顯著[17]。本研究中的土壤BIX 為0.68，表明該區(qū)水稻土DOM 自生源特征較弱，類蛋白成分較少，土壤DOM 中的生物活性較低。土壤微生物的代謝產(chǎn)物會直接影響土壤腐殖質(zhì)化程度及其與重金屬之間的絡(luò)合強度[27]。然而，水稻種植過程中土壤的耕作方式、肥料的組成、殺蟲劑和其他化學(xué)制劑的使用均直接影響了土壤微生物活性[27]。

2.3 水稻土DOM與Cu2+結(jié)合過程

2.3.1 添加不同Cu2+濃度下DOM 的粒徑與Zeta 電位變化

隨著添加Cu2+濃度的升高，DOM 的凝聚現(xiàn)象明顯。添加不同Cu2+濃度下，廬江縣水稻土DOM 中所測的粒徑變化如圖2 所示。由圖2 可知，隨著Cu2+濃度的不斷升高，DOM 粒徑不斷增大。其中，當添加的Cu2+濃度達到75 μmol·L-1和100 μmol·L-1時，DOM 的粒徑顯著高于其他濃度Cu2+添加時DOM 的粒徑。同時，在未添加Cu2+的土壤DOM 中，實驗測得其Zeta 電位為（-17.7±0.8）mV，隨著添加Cu2+濃度增加至100 μmol·L-1，其Zeta電位上升至（-13.4±0.78）mV。結(jié)果表明：Cu2+的添加，使得DOM 的Zeta 電位（絕對值）呈現(xiàn)降低趨勢。這是因為DOM 初始狀態(tài)為負電荷，不斷添加帶有正電荷的Cu2+會與DOM 表面的負電荷進行結(jié)合，從而實現(xiàn)電中和。Cu2+的添加使得DOM表面所帶有的負電荷量減少，因此DOM 的Zeta 電位的絕對值減小。另外Cu2+是以CuSO4的形式進入到土壤DOM 中，CuSO4為酸性溶液，添加會使DOM 的pH 值降低，DOM 的H+增加，也導(dǎo)致了土壤DOM 的負電荷被電中和[28]。而Zeta 電位與DOM 分散的穩(wěn)定性相關(guān)[29]。根據(jù)DLVO 理論[30]，DOM 作為一種典型的膠體物質(zhì)，其表面Zeta 電位（絕對值）隨著Cu2+濃度的增加而減小。說明DOM 膠體的電雙層逐漸被壓縮，其厚度隨著Cu2+濃度的增加而減小，進而降低了Zeta 電位。當DOM 膠體表面的雙電層被壓縮，膠體顆粒斥力勢能降低，導(dǎo)致DOM 膠體更容易呈現(xiàn)出團聚的趨勢。而DOM 與Cu2+傾向于結(jié)合并呈現(xiàn)團聚的趨勢，原因主要來源于兩個方面，一方面是DOM 表面的負電荷與Cu2+所攜帶的正電荷，通過靜電斥力相結(jié)合。另一方面，DOM 顆粒表面具有多孔結(jié)構(gòu)和眾多官能團，這些特性能夠吸附游離的Cu2+，導(dǎo)致DOM 粒徑呈現(xiàn)增大的趨勢（圖2）。在不同Cu2+濃度下，DOM 顆粒的粒徑和表面電荷的變化，會影響與Cu2+的結(jié)合過程和遷移行為。

兩種大米淀粉濕熱處理前后的核磁共振碳譜圖譜出峰位置及其相應(yīng)的螺旋結(jié)構(gòu)含量如表2所示。其中C1所在的化學(xué)位移中102×10-6和103×10-6所對應(yīng)的區(qū)域表示單螺旋的存在，而 101.5×10-6、100.5×10-6和99.4×10-6對應(yīng)的區(qū)域表示有雙螺旋的存在[11]。

圖2 添加不同Cu2+濃度下水稻土溶解性有機質(zhì)粒徑變化特征Figure 2 Particle size variation characteristics of dissolved organic matter in paddy soil under different Cu2+concentrations

2.3.2 添加不同Cu2+濃度下DOM的熒光淬滅過程

在添加Cu2+的條件下，水稻土DOM 熒光峰發(fā)生了明顯的淬滅（圖3），其中，兩組熒光峰的熒光強度隨著Cu2+添加量的不斷增加呈現(xiàn)出下降趨勢。表明Cu2+對土壤的DOM 組分有明顯的淬滅作用。當DOM溶液中添加的Cu2+濃度從0 μmol·L-1上升至100 μmol·L-1時，C1（類腐植酸）和C2（類富里酸）的Fmax分別降低至原來的54.6%和59.2%（圖4）。結(jié)果表明水稻土中DOM 所存在的兩種組分均可與Cu2+進行結(jié)合，導(dǎo)致其熒光強度降低。但是由于不同組分間其所含有的能夠與Cu2+結(jié)合的官能團種類和數(shù)量不同，導(dǎo)致了其淬滅程度呈現(xiàn)出一定的差異[18]。

圖3 添加不同Cu2+濃度下水稻土溶解性有機質(zhì)的熒光淬滅過程Figure 3 Fluorescence quenching process of dissolved organic matter in paddy soil with addition of different Cu2+concentrations

圖4 添加不同濃度Cu2+后溶解性有機質(zhì)不同組分的熒光淬滅曲線Figure 4 Fluorescence quenching curves of different components of dissolved organic matter after dropwise addition of different concentrations of Cu2+

2.3.3 DOM組分與Cu2+的結(jié)合參數(shù)特征

利用改進的Stern-Volmer 方程，分析DOM 中各類熒光組分與Cu2+作用的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)（lgKM），并進一步分析DOM 中與Cu2+結(jié)合的各組分熒光基團比例關(guān)系。結(jié)果如圖5a 中所示，DOM 組分的F0（/F0-F）與CM-1之間均有著良好的線性關(guān)系（R2=0.95，0.98），表明該方程很好地描述了熒光淬滅過程。并且DOM 中C1、C2 與Cu2+的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)lgKM分別為5.07、4.81，表明類腐植酸組分與Cu2+的絡(luò)合力強于類富里酸組分。因為，類腐植酸的腐殖化程度較高，并且所含有的較多芳香性物質(zhì)，致使類腐植酸存在著更多與金屬離子結(jié)合的官能團[12]。從結(jié)合熒光團比例（f值）來看，DOM 中C1 組分與Cu2+配位的熒光基團比例為0.51，明顯高于C2中的0.39，這是因為土壤DOM 組分中類腐植酸與Cu2+相互作用形成了多齒復(fù)合物，或因類富里酸本身具有較少的含氧官能團，難與Cu2+相互結(jié)合[31]。

圖5 溶解性有機質(zhì)與Cu2+的結(jié)合過程擬合Figure 5 Fitting of complexation process between dissolved organic matter and Cu2+

DOM 中不同組分的絡(luò)合位點對Cu2+絡(luò)合能力不完全相同，因此根據(jù)對Cu2+的絡(luò)合能力的不同對曲線進行分段擬合（圖5b）。第一組分體現(xiàn)與Cu2+離子有較強絡(luò)合能力的成分。而第二組分表示對Cu2+絡(luò)合能力較弱的成分。研究結(jié)果表明，兩部分絡(luò)合位的條件穩(wěn)定常數(shù)（lgK）分別5.12 和3.78。該結(jié)果與基于熒光強度值擬合得出的絡(luò)合常數(shù)具有一致性。理論上，配位體的條件穩(wěn)定常數(shù)越大，說明其配位體對金屬離子的配位能力越強。這也證實了DOM 中類腐植酸組分與Cu2+的配位能力強于類富里酸組分。

2.3.4 DOM與Cu2+結(jié)合前后表面形貌變化

DOM 與Cu2+結(jié)合前后表面形貌變化特征如圖6所示。在DOM 與Cu2+結(jié)合之前，其顆粒表面呈現(xiàn)出類蜂窩狀特征，孔隙密布、疏松多孔（圖6a）。在微觀視角下DOM 顆粒呈梭狀特征、表面粗糙不平，具有明顯的介孔和微孔結(jié)構(gòu)（圖6b）。在DOM 與Cu2+結(jié)合之后，DOM 顆粒表面形貌發(fā)生了巨大變化（圖6c 和6d），表面由蜂窩狀的形態(tài)轉(zhuǎn)變成了針狀特征，且表面平滑，多孔結(jié)構(gòu)消失。200 nm 尺度下顯示，DOM 與Cu2+結(jié)合后的孔隙結(jié)構(gòu)基本消失，平滑狀更加明顯（圖6d），這主要由于DOM 通過表面的孔隙吸附了部分Cu2+，導(dǎo)致其表面變得平滑。

圖6 水稻土溶解性有機質(zhì)及其與Cu2+結(jié)合后SEM圖Figure 6 SEM diagram of paddy soil dissolved organic matter and its binding with Cu2+

DOM 與Cu2+結(jié)合前后表面TEM 圖如圖7 所示。在DOM 與Cu2+結(jié)合之前，其呈現(xiàn)出破碎狀態(tài)（圖7a），微觀視角下DOM 的顆粒細小分散且表面粗糙不平（圖7b）。在DOM 與Cu2+結(jié)合之后，DOM 的形態(tài)發(fā)生明顯改變（圖7c 和圖7d）。DOM 從原本的破碎狀態(tài)變成了大塊的結(jié)晶結(jié)合形態(tài)，粒徑能達到4~5 μm 左右。Cu2+的添加，使其彼此之間發(fā)生絡(luò)合，微粒之間凝聚在一起，粒徑增大，并且Cu2+的添加，使得DOM微粒表面平整（圖7d）。

圖7 水稻土溶解性有機質(zhì)及其與Cu2+結(jié)合后TEM圖Figure 7 Paddy soil dissolved organic matter and its TEM diagram after binding with Cu2+

2.4 DOM與Cu2+的結(jié)合機制

DOM 與Cu2+結(jié)合的同步熒光光譜如圖8a 所示。DOM 的同步熒光光譜圖的自發(fā)峰出現(xiàn)在三個位置，主要位于418、520 nm 和348 nm 處，其中，418 nm 和520 nm 自發(fā)峰代表了類腐植酸組分，而348 nm 處自發(fā)峰代表了類富里酸組分[32]。且圖中所出現(xiàn)均為正交叉峰，表明DOM 中這兩組組分的熒光強度與所添加的Cu2+濃度呈負相關(guān)關(guān)系，并且廬江縣水稻土中DOM的各個組分對Cu2+均具有較高的敏感性。

圖8 水稻土溶解性有機質(zhì)與Cu2+絡(luò)合的同步（a）/異步（b）二維相關(guān)光譜圖Figure 8 Synchronous（a）/asynchronous（b）two-dimensional correlation spectra of paddy soil dissolved organic matter and Cu2+complex

異步光譜圖則可用來表示DOM 不同組分其不同位點在添加Cu2+后其熒光強度的變化趨勢，從而揭示DOM 與Cu2+的具體絡(luò)合位點以及順序。如圖8b 所示，DOM 與Cu2+結(jié)合的異步圖其對角線左上方存在435 nm/400（350）nm 2 個負交叉峰以及520 nm/435 nm（375）、400 nm/365 nm處3個正交叉峰。根據(jù)Noda的規(guī)則[19]，DOM 組分與Cu2+的絡(luò)合順序為350 nm→400 nm→435 nm→375 nm→365 nm→520 nm，即短波類腐植酸→長波類腐植酸→短波類富里酸-長波類富里酸。由此可見，稻田土壤DOM 中的類腐植酸組分優(yōu)先與Cu2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，尤其以短波類腐植酸其中的酚基、羥基和酚羥基等基團對Cu2+的添加表現(xiàn)得更為敏感。研究表明，由于腐植酸含有較多的羥基、酚羥基和易降解組分，因此，在環(huán)境中，其反應(yīng)活性更高，可以為Cu2+提供更多的結(jié)合位點[33]。

2.4.2 X射線光電子能譜（XPS）分析

為了明確水稻土DOM 與Cu2+之間的反應(yīng)機理，采用XPS 對干燥后的DOM（添加/未添加Cu2+）進行掃描（圖9a）。從圖9a 中可以看到，未添加Cu2+的DOM的XPS 全譜中，Cu2p 上無響應(yīng)峰，在添加Cu2+后（圖9b）其能譜圖中出現(xiàn)了明顯的峰值區(qū)域，說明DOM 與Cu2+之間發(fā)生了結(jié)合。添加了Cu2+后（圖9c）其有4 個明顯峰值區(qū)域，分別為Cu O（932.7、934.5、954.3 eV）和O Cu O（952.4 eV）[34]。Cu O 和O CuO 的峰面積占總體面積比例分別為80%和20%。表明在水田土壤中所添加的Cu2+主要以CuO 的形式存在，并且Cu2+會與DOM 中的含氧化合物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。另外，XPS 結(jié)果顯示，Cu 除了發(fā)生絡(luò)合作用外，還發(fā)生了氧化還原過程，生成了少量的Cu+。這是因為DOM 中含有的腐植酸具有一定的還原特性。腐植酸中含有醌、酚等氧化還原官能團[35]，有研究證實了在現(xiàn)實環(huán)境條件下，醌、酚等官能團對可變價金屬具有一定的還原能力[35-36]。同時腐植酸還可以與某些金屬離子的氧化還原對緊密結(jié)合，形成配合物從而間接地還原金屬離子[37]。

圖9 土壤溶解性有機質(zhì)添加Cu2+前后XPS光譜圖Figure 9 XPS spectrum before and after Cu2+addition to soil dissolved organic matter

進一步分析，在C1s（圖9d）軌道中存在兩個峰值區(qū)，分別為C H（286.3 eV）和CC（284.8 eV）[38]。在添加了Cu2+后（圖9e），CC由67.9%下降到63.5%，C H 則由32%上升至36.5%，其中CH 的生成表明添加Cu2+后DOM 中的芳香性物質(zhì)增多。而在N1s 軌道中（圖9f），存在的兩個峰值區(qū)域，NO（399.9 eV），N ON（407.10 eV）[39]。其中在添加Cu2+后（圖9g），NO 由76.5%下降至61.6%，N O N 的占比則提高，由23.5%上升至38.4%。在O1s 軌道中存在4 個峰值區(qū)域（圖9h），除了C O（532.9 eV，532.3 eV），還出現(xiàn)了M O（531.6 eV）以及OH（531.1 eV）[40]。其中CO、OH 峰值的面積在添加Cu2+后其面積明顯減小，而MO 的占比則顯著提高（圖9i）。在N1s 軌道中N O鍵數(shù)量減少而ON鍵數(shù)量增加，在O1s軌道中CO 的數(shù)量減少明顯且MO 鍵的數(shù)量增加，表明CuO 的形成與Cu2+和含氮、氧的官能團絡(luò)合形成有關(guān)，如羥基、酚羥基以及氨基等。

3 結(jié)論

（1）廬江縣水稻土土壤溶解性有機質(zhì)（DOM）中SUVA254的值為（3.25±0.07）L·（mg·m）-1，其主要由親水性物質(zhì)組成，芳香性較低且芳香結(jié)構(gòu)中含氧官能團比例較高。DOM 的構(gòu)成以類富里酸和類腐植酸為主，其中陸源輸入所占比重較大，自身組分較少且內(nèi)部生物活性相對較低。

（2）原本疏散多孔的土壤DOM 在加入Cu2+后，Zeta 電位升高，表面形貌發(fā)生了巨大的改變，DOM 的粒徑不斷增大且生成類似塊狀結(jié)晶的絡(luò)合物。同時水稻土DOM 組分隨Cu2+濃度的增加出現(xiàn)了不同程度的淬滅現(xiàn)象，表明DOM 通過表面疏松的介孔結(jié)構(gòu)、負電荷及官能團與土壤中的Cu2+發(fā)生了絡(luò)合，并且Cu2+與類腐植酸組分的絡(luò)合力強于類富里酸，同時優(yōu)先于DOM 中的短波類腐植酸，通過XPS 分析發(fā)現(xiàn)，添加的Cu2+主要以Cu O存在。

（3）DOM 通過表面疏松的介孔結(jié)構(gòu)、負電荷以及羥基、酚羥基以及氨基等官能團對Cu2+吸附起到關(guān)鍵作用。因此可以在土壤中施加農(nóng)家肥等富含腐植酸類肥料，倡導(dǎo)秸稈還田措施，對生物質(zhì)材料進行有效堆肥，并及時補充微生物含量，從而達到提高土壤DOM中類腐植酸的含量，增加土壤及其膠體對Cu2+的吸附能力，從而降低Cu2+對生物的有效性。