關(guān)鍵詞：水鐵礦；溶解性有機質(zhì)；土壤；紫外一可見吸收光譜；平行因子分析

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的自然資源，包含了植物生長所必需的水分、養(yǎng)分和微生物等環(huán)境要素。土壤有機質(zhì)能夠促進農(nóng)作物的生長發(fā)育并改善土壤結(jié)構(gòu)，是土壤健康和優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要保障。同時，土壤是全球生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫之一，約儲存了1.46x1015kg的有機碳，是大氣碳儲量的2倍。土壤有著巨大的固碳潛力，目前全球每年排放的二氧化碳（C02）中約31%被土壤所固持。土壤有機質(zhì)中碳的含量高于全部空氣和植物中碳元素含量的總和，是自然界中碳元素重要的“匯”。因此土壤有機質(zhì)的固持和轉(zhuǎn)化研究對土壤生態(tài)環(huán)境保護和土壤固碳減排目標(biāo)的實現(xiàn)均具有重要的指導(dǎo)意義。

土壤溶解性有機質(zhì)（Dissolved organic matter，DOM）是溶于水（或鹽溶液）且能夠通過0.2～0.7um濾膜的復(fù)雜有機物聚合體，主要由碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、糖、脂肪族聚合物和腐殖物質(zhì)組成。DOM是土壤中最活躍的有機碳庫，它不僅與土壤肥力密切相關(guān)，而且對土壤碳循環(huán)有巨大的影響。土壤DOM的來源分為內(nèi)源和外源：內(nèi)源DOM主要來源于植物根系和微生物的分泌物；外源DOM主要來自堆肥材料或生物固體中釋放的可溶性化合物。土壤DOM來源的復(fù)雜性決定了其物質(zhì)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性。DOM的光譜性質(zhì)及其衍生指數(shù)通常被用來推斷DOM的來源和分子組成特征，具有可操作性強和靈敏度高的特點。其中，紫外一可見吸收光譜常用來分析有色DOM（CDOM）的光吸收性質(zhì)和分子特征；三維熒光光譜耦合平行因子分析技術(shù)（EEM-PARAFAC）是近年來發(fā)展較快的一種研究熒光DOM（FDOM）來源及組分特征的技術(shù)。紫外一可見吸收光譜和熒光光譜技術(shù)的結(jié)合能夠有效識別土壤DOM遷移轉(zhuǎn)化過程中活性組分的變化。

水鐵礦是土壤中分布最為廣泛的土壤礦物，是環(huán)境中品質(zhì)鐵氧化物的前體。通過不同方法合成的新型水鐵礦已逐漸應(yīng)用至各個領(lǐng)域，如崔蒙蒙等運用新型吸附劑合成了一種水鐵礦用于吸附除磷，并取得了很好的效果。馬曉燕等用水熱法合成磁性水鐵礦并驗證了其對有害物質(zhì)二甲基亞胂酸的吸附性能，為污染水體的處理和凈化提供了新的方法。

含鐵礦物對DOM的吸附作用是土壤有機質(zhì)固持的主要方式之一。研究表明，礦物對DOM的吸附是天然有機質(zhì)在土壤和沉積物中穩(wěn)定封存的重要機制。水鐵礦因具有表面活性高、比表面積大等特點，相對針鐵礦等含鐵礦物具有對DOM更強的吸附分餾能力。但是目前有關(guān)水鐵礦對土壤DOM不同活性組分的選擇性吸附作用研究較少。

本實驗通過室內(nèi)合成水鐵礦與土壤DOM溶液混合培養(yǎng)實驗，研究培養(yǎng)過程中土壤DOM的紫外一可見吸收光譜和三維熒光光譜特征指數(shù)隨時間的變化，探究水鐵礦對土壤DOM不同組分的選擇固持作用。結(jié)果可為深入認(rèn)識含鐵礦物參與的土壤碳循環(huán)提供基礎(chǔ)支持。

1材料與方法

1.1土樣采集及預(yù)處理

供試土樣取自山東省青島市黃島區(qū)丁家河水庫岸邊肥沃土壤（35°58' 14\"N，120°12'18\"E），取樣深度為地表下10～15cm。土壤類型為棕壤，自然植被下表層粗有機質(zhì)含量在6%左右，全剖面不含游離碳酸鈣，土壤pH為6.0，是北方較好的農(nóng)業(yè)土壤。實驗土樣去除石塊和植物殘體等雜質(zhì)后放入鼓風(fēng)干燥箱40℃烘干。烘干的土樣用瑪瑙研缽研磨，過80目篩網(wǎng)后置于干燥陰涼處避光儲存。

1.2水浸提法提取土壤DOM

以1：5（固體g：去離子水mL）的比例將土樣和去離子水加入錐形瓶中，在室溫避光條件下水平振蕩24 h（150r·min-1）后，離心20 min（4℃，8000r·min-1），取上清液分別過5um和0.22um的聚碳酸酯PC濾膜（Millipore，美國），濾液即為土壤DOM浸提液，浸提液于4℃避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3水鐵礦的制備

取26.76g的FeC13.6H20固體置于1L燒杯中，加入505mL去離子水溶解，隨后緩慢加入350mL新配制的NaOH（1mol·L-1）溶液，最后邊攪拌邊滴加NaOH至pH=7.5?；旌先芤红o置12h后倒去上清液，室溫條件下離心15min（8000r·min-1）后除去上清液，加入去離子水混勻后離心，棄去上清液。按上述步驟重復(fù)洗滌3次，棄去上清液后于冷凍干燥機（LabconcoFree20ne-710201040，美國）中凍干24h，將凍干的水鐵礦樣品置于干燥陰涼處保存。

1.4吸附實驗

實驗設(shè)置3個水鐵礦濃度處理組（10、20、30g．L-1水鐵礦），每處理組設(shè)置3個平行。于室溫、黑暗條件下振蕩培養(yǎng)（150r·min-1）。分別于培養(yǎng)0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、12、24、36、48h時取樣15mL，通過0.2um醋酸纖維濾膜（賽多利斯Minisart，德國）的針式濾器過濾后，將濾液收集于20mL離心管中，用于紫外一可見吸收光譜和三維熒光光譜的測定。

1.5土壤DOM檢測方法

1.5.1紫外一可見吸收光譜的測定

紫外一可見吸收光譜采用紫外一可見分光光度計（島津UV-1900i，日本）測定。測定參數(shù)設(shè)置為：掃描波長范圍200～700nm．掃描間隔為1nm，使用超純水（電阻率18.3MQ·cm）作為參比溶液，比色皿為光程10mm的石英微量比色皿。吸收系數(shù)計算公式如下：

1.5.2三維熒光光譜的測定

三維熒光光譜（EEM）采用熒光光譜儀（堀場Flu-oroMax-4，日本）測定。所有樣品均在室溫（25℃）下進行分析。測定參數(shù)設(shè)置為：激發(fā)波長（Ex）為220～450nm，掃描間隔5nm；發(fā)射波長（Em）為300～600nm，掃描間隔2nm；激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均設(shè)置為5nm。樣品測試前使用超純水（電阻率18.3MQ·cm）作為空白三維熒光圖譜。

本文采用腐殖化指數(shù)（HIX）和生物源指數(shù)（BIX）表征土壤DOM的腐殖化程度和自生源組分的變化。腐殖化指數(shù)是激發(fā)波長為254nm時，熒光發(fā)射光譜中435～480nm區(qū)域與其和300～345nm區(qū)域發(fā)射強度積分之和的比值。生物源指數(shù)是激發(fā)波長為310nm時，發(fā)射波長在380nm和430nm處熒光強度的比值。

平行因子分析法（PARAFAC）又稱規(guī)范分解法，是雙線性主成分分析法的擴展。PARAFAC基于三線性分析理論將三維熒光光譜進行激發(fā)一發(fā)射一熒光強度3個載荷矩陣分解，通過交替最小二乘法求解熒光組分?jǐn)?shù)。通過EEM-PARAFAC分析能夠表征和識別FDOM中不同來源的熒光組分，是目前研究FDOM使用最廣泛的技術(shù)。

本實驗中PARAFAC建模在EEMs-toolkit GUIl.2軟件中完成，使用EEM-toolkit工具包。EEM數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括空白扣除、內(nèi)濾效應(yīng)校正、波長校正和拉曼歸一化，通過裂半分析檢驗確定熒光組分?jǐn)?shù)。最終熒光組分強度使用歸一化后的拉曼單位（R．U．）表示。

1.5.3掃描電鏡分析

收集培養(yǎng)48h后的水鐵礦進行冷凍干燥然后充分研磨，利用場發(fā)射掃描電鏡（蔡司Sigma300，德國）對合成的初始水鐵礦和培養(yǎng)48h后收集的水鐵礦進行掃描電鏡（SEM）分析，觀察水鐵礦培養(yǎng)前后表面形貌的變化。

1.6統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差（SD）表示。使用SPSS軟件22.0版通過單因素方差分析（ANOVA）分析實驗結(jié)果。利用主成分分析法（PCA）對土壤DOM紫外一可見吸收光譜和三維熒光光譜光學(xué)參數(shù)的相關(guān)性進行分析，PCA統(tǒng)計分析采用FactoMineR、factoextra及ggpubr工具包在Rstudio（version 4.3.0）中進行。

2結(jié)果與討論

2.1水鐵礦表觀形貌的變化

通過培養(yǎng)前后水鐵礦的掃描電鏡圖（圖1a，20g．L-1水鐵礦處理組）分析，可以看出實驗室合成的水鐵礦為無定形的聚合體，且粒徑較小、表面有褶皺，與水鐵礦顆粒小、比表面積大的特點相符合，滿足實驗要求。水鐵礦極大的比表面積有利于它與土壤DOM的結(jié)合，提高土壤DOM的吸附固持效率。與土壤DOM反應(yīng)48h后，水鐵礦表面褶皺減少，吸附的DOM分布密集，呈現(xiàn)聚集狀態(tài)（圖1b）。當(dāng)水鐵礦與土壤DOM混合培養(yǎng)時，水鐵礦對DOM的吸附分餾作用能夠改變DOM的分子多樣性，大量的有機分子通過氫鍵和疏水作用結(jié)合在一起，對礦物表面具有較高親和力的分子被礦物吸附分布于水鐵礦表面，而其他分子繼續(xù)留在溶液中，表現(xiàn)為水鐵礦表面褶皺減少（圖1b）。

2.2不同濃度水鐵礦對土壤DOM紫外一可見吸收光譜的影響

2.2.1水鐵礦對土壤DOM吸收系數(shù)的影響

吸收系數(shù)a254、a410常用來表征紫外光區(qū)和可見光區(qū)的CDOM的相對濃度。圖2為土壤CDOM吸收系數(shù)a254和a410在不同濃度水鐵礦作用下隨時間的變化。在培養(yǎng)時間為2h時，不同濃度水鐵礦處理組CDOM吸收系數(shù)a254由最初的86.06m-1（0h），分別下降到54.60m-1（10g·L-1）、14.81m-1（20g·L-1）、2.90m-1（30g·L-1），下降百分比分別為36.55%、82.79%、96.63%。與吸收系數(shù)a254相比，吸收系數(shù)a410的下降同樣明顯。在培養(yǎng)2h時，各處理組CDOM吸收系數(shù)a410的下降百分比分別達(dá)到了38.32%（10g-L-1）、82.54%（20g·L-1）、96.38%（30g·L-1），且不同濃度水鐵礦之間存在顯著差異（Plt;0.05），表明水鐵礦濃度越高，吸附效果越好。總體來說，CDOM吸收系數(shù)a254、a410均隨著培養(yǎng)時間的增加而降低，且在培養(yǎng)前期下降尤為顯著。

與水鐵礦反應(yīng)后，土壤DOM吸收系數(shù)的下降表明水鐵礦對土壤DOM有顯著的吸附固持作用，且水鐵礦對DOM的吸附速率與其濃度呈正相關(guān)。在培養(yǎng)的前4～12h．CDOM吸收系數(shù)a254、a410出現(xiàn)短暫升高，這可能與DOM在水鐵礦表面聚集達(dá)到飽和有關(guān)。隨著培養(yǎng)時間的增加，在反應(yīng)12h后不同濃度水鐵礦實驗組的吸附效果均達(dá)到相對穩(wěn)定，原因可能是土壤DOM與Fe金屬氧化物之間的相互作用，土壤DOM在含鐵礦物表面的吸附表現(xiàn)為不可逆的過程，此時溶液中大部分的土壤DOM已被吸附固持在水鐵礦表面，這與水鐵礦的掃描電鏡結(jié)果一致。

2.2.2 DOM吸收光譜斜率變化

特定波段的光譜斜率可以反映DOM分子的相對分子量、芳香性以及聚合度等性質(zhì)。其中5275-295主要被用來表征CDOM的相對分子量，也能反映DOM中的芳香性特征，是提供DOM分子組成信息、表征DOM相對分子量大小的重要參數(shù)。S275-295與DOM相對分子量大小成反比。不同濃度水鐵礦處理組的S275-295隨培養(yǎng)時間的變化總體呈現(xiàn)出上升趨勢（圖3）。在培養(yǎng)初期，S275-295逐漸上升且在4h左右達(dá)到較高值，分別為0.019nm-1（10g·L-1）、0.023nm-1（20g．L-1）、0.022nm-1（30g·L-1）。DOM由一系列不同分子量的有機分子組成，當(dāng)土壤溶液中的DOM與水鐵礦表面接觸時，礦物表面對一些分子的外力大于DOM分子間作用力，原有的DOM復(fù)合體就會遭到破壞。由于DOM中不同組分對礦物表面的親和力不同，DOM在礦物一水界面上發(fā)生分子分異，高分子量、芳香環(huán)較多的DOM分子或羧基和酚羥基含量高的DOM分子優(yōu)先被吸附在礦物表面，從而使DOM分子量下降，表現(xiàn)為5275-295的上升。

在培養(yǎng)中期4～12h內(nèi)，S275-295呈現(xiàn)短暫下降，表明DOM的相對分子量增加，這與CDOM吸收系數(shù)a254、a410在相同培養(yǎng)時間的表現(xiàn)基本一致，此時聚集于水鐵礦表面的DOM達(dá)到飽和，DOM相對分子量呈現(xiàn)小幅上升。

培養(yǎng)12 h后，S275-295又表現(xiàn)出明顯上升趨勢，最高值分別達(dá)到了0.023nm-1（10g·L-1）、0.024nm-1（20g．L-1）、0.026nm-1（30g·L-1），此時化學(xué)吸附與分子分餾共同作用于水鐵礦與溶液界面。研究表明，配體交換與靜電吸引是鐵氧化物吸附DOM的主要機制，水鐵礦表面的羥基可以與有機質(zhì)上的羧基之間發(fā)生配體交換作用從而吸附有機質(zhì)。在環(huán)境條件下，大多數(shù)DOM以陰離子形式存在，在水鐵礦與DOM的混合培養(yǎng)中，水鐵礦表面的正電荷與DOM表面的負(fù)電荷相結(jié)合，使DOM的相對分子量下降。

5275-295的上升還表明土壤DOM芳香性的降低。研究表明，水鐵礦優(yōu)先吸附DOM中的芳香族化合物。芳香族化合物雖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易進行加成反應(yīng)和氧化反應(yīng)，但其芳香性在化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為易進行親電取代反應(yīng)。DOM在水鐵礦上的吸附可能導(dǎo)致芳香族化合物和非芳香族化合物的分餾，大量芳香性化合物被水鐵礦吸附，留在水溶液中的單位碳所含的芳香性化合物減少。綜上，DOM中大分子量、芳香性化合物優(yōu)先被水鐵礦吸附固持，水鐵礦濃度越高吸附效果越明顯。

綜合CDOM吸收系數(shù)a254、a410與S275-295數(shù)據(jù)表明，水鐵礦對土壤DOM產(chǎn)生了明顯的吸附固持作用，而且水鐵礦優(yōu)先吸附大分子芳香族化合物，且水鐵礦濃度越高，吸附速率越快。水鐵礦對土壤DOM大分子組分的吸附固持作用可以分餾土壤有機質(zhì)的組成，將相對分子量和芳香性低的DOM分子保留在土壤基質(zhì)中，從而增加土壤DOM的生物可利用度，改善土壤環(huán)境。

2.3不同濃度水鐵礦對土壤DOM三維熒光光譜的影響

2.3.1土壤DOM的PARAFAC熒光組分

對培養(yǎng)實驗獲取的DOM三維熒光光譜數(shù)據(jù)進行PARAFAC分析（圖4），識別出3個FDOM熒光組分，包括一種腐殖質(zhì)組分（C1）和兩種蛋白質(zhì)組分（C2和C3）。其中C1（Ex/Em=240/410）為陸源類腐殖質(zhì)熒光峰A，是具有一定芳香性的高分子聚合物。C2[Ex/Em=290（240）/350]和C3（Ex/Em=270/300）分別與文獻中報道的熒光峰T和B相似，為類色氨酸和類酪氨酸組分，是類蛋白類物質(zhì)。C2組分與完整的蛋白質(zhì)或較少降解的肽物質(zhì)有關(guān)，C3組分更多與肽物質(zhì)降解有關(guān)。

2.3.2不同濃度水鐵礦對土壤DOM的PARAFAC組分熒光強度的影響

通過土壤DOM吸收系數(shù)的變化（圖2）分析可以得出，培養(yǎng)12h后水鐵礦對土壤DOM的吸附基本達(dá)到平衡，因此僅對培養(yǎng)前12h的土壤DOM進行了三維熒光光譜分析（圖5）。不同濃度水鐵礦處理組的總熒光強度FDOM均隨著培養(yǎng)時間的增加而下降，且水鐵礦濃度越高熒光強度下降越快（Plt;0.05）。培養(yǎng)12h時，各濃度水鐵礦處理組總熒光強度的下降百分比分別達(dá)到了92.84%（10g·L-1）、95.92%（20g·L-1）、91.51%（30g·L-1）。

不同濃度水鐵礦處理組PARAFAC組分熒光強度隨時間變化如圖6（左列）所示，C1、C2、C3的下降趨勢與總熒光強度FDOM相似，各組分熒光強度隨著培養(yǎng)時間的增加而下降。在12h時，C1、C2、C3的平均去除率（以不同濃度水鐵礦平均值計算）分別為95.92%、92.45%、91.29%。培養(yǎng)12h時，不同濃度水鐵礦培養(yǎng)組C1的熒光組分占比（圖6右列）由最初的37.91%分別下降到16.76%（10g·L-1）、30.40% （20g．L-1）和25.94%（30g·L-1），而蛋白質(zhì)組分（C2+C3）的占比由最初的62.09%分別上升到83.24%（10g·L-1）、69.60%（20g·L-1）、74.06%（30g·L-1），無論是從去除率還是熒光組分占比上分析，類腐殖質(zhì)的下降速率都要高于類蛋白質(zhì)，這表明水鐵礦更傾向于對土壤DOM中類腐殖質(zhì)的吸附固持。腐殖質(zhì)在土壤中扮演著重要的角色，對土壤的結(jié)構(gòu)、肥力和生物活性都有著顯著的影響。研究表明類腐殖質(zhì)組分與縮聚的酚類、芳香化合物有關(guān)，而高分子質(zhì)量和具有芳香性的有機質(zhì)組分易被水鐵礦優(yōu)先吸附。本實驗發(fā)現(xiàn)相較于類蛋白質(zhì)組分（C2和C3），C1在同一時間段的熒光強度下降更快，表現(xiàn)出水鐵礦對其優(yōu)先吸附的特性，這與CDOM中5275-295的研究結(jié)果一致。在培養(yǎng)5h以后，3種組分的熒光強度趨于平穩(wěn)又存在小幅上升，這可能是因為水鐵礦表面腐殖質(zhì)和蛋白質(zhì)組分又被少量釋放到溶液中。綜上表明，水鐵礦對樣品中的FDOM具有很強的吸附去除作用，水鐵礦濃度越大，吸附能力越強，腐殖質(zhì)類芳香性強的組分被水鐵礦優(yōu)先吸附。

2.3.3土壤DOM的熒光指數(shù)分析

HIX可用于表征DOM腐殖化的程度。HIX與DOM的元素氫碳比值（H/C）相關(guān)，HIX值越高，氫與碳的比例越低，腐殖化程度越強，共軛雙鍵結(jié)構(gòu)越多，DOM越穩(wěn)定。如圖7a所示，土壤DOM的HIX隨著培養(yǎng)時間的增加而降低，在培養(yǎng)12h時3種濃度水鐵礦下降處理組的HIX百分比均在50%以上，表明水鐵礦的吸附固持使溶液中土壤DOM的腐殖化程度降低，這與之前的結(jié)果相一致，難降解的腐殖質(zhì)分子的減少增加了土壤DOM的生物可利用度，對改善土壤環(huán)境起到了一定的積極作用。

BIX用于表征DOM自生源貢獻率和DOM的生物可利用性。不同濃度水鐵礦處理組的BIX隨培養(yǎng)時間變化如圖7b所示，土壤DOM初始BIXlt;1．說明混合培養(yǎng)前DOM的自生源占比較少，主要為陸源DOM組成。隨著培養(yǎng)時間的增加，BIX值逐漸升高，表明較多的陸源DOM逐漸被水鐵礦吸附，導(dǎo)致溶液DOM自生源指數(shù)升高。

2.4土壤DOM光譜參數(shù)的主成分分析

利用主成分分析法對土壤DOM的光譜參數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。主成分PC1和主成分PC2共同解釋了90.1%的數(shù)據(jù)集的總方差。PC1解釋了總方差的70.1%，對吸收系數(shù)a254、類腐殖質(zhì)組分C1、類蛋白質(zhì)組分（C2+C3）等相關(guān)的參數(shù)表現(xiàn)出強烈的正加載。PC2解釋了總方差的20.0%，對S275-295、HIX顯示出強烈的正加載。吸收系數(shù)a254、類腐殖質(zhì)組分C1、類蛋白質(zhì)組分（C2+C3）的聚集表明土壤CDOM與FDOM呈強烈的正相關(guān)。土壤DOM的HIX與BIX呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著培養(yǎng)時間的增加，樣品腐殖化程度逐漸減弱，較多的陸源DOM逐漸被水鐵礦吸附，導(dǎo)致溶液DOM自生源指數(shù)升高。

3結(jié)論

（1）土壤DOM的紫外一可見吸收光譜結(jié)果表明，水鐵礦能夠?qū)ν寥繢OM產(chǎn)生明顯的吸附固持作用。水鐵礦優(yōu)先吸附相對分子量大、芳香性高的土壤DOM分子。

（2）EEM-PARAFAC模型解析出1種陸源類腐殖質(zhì)組分C1和2種類蛋白組分（類色氨酸C2及類酪氨酸C3），水鐵礦對土壤DOM中類腐殖質(zhì)組分（C1）的吸附固持作用明顯強于類蛋白組分（C2+C3）。水鐵礦的吸附固持作用使土壤DOM的腐殖化程度降低。

（3）與水鐵礦反應(yīng)后，土壤溶液中DOM分子的相對分子量降低，難降解的腐殖質(zhì)分子減少，從而增加了土壤DOM的生物可利用度，提升了土壤的固碳能力。這有助于提高土壤質(zhì)量、促進植物生長和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。