持续淋滤条件下农田土壤溶解性有机质组分动态变化研究

“编者在【19年7月17日】NOM文献简报关注到中国地质科学院水文地质环境地质研究所黄爽兵副研究员团队关于持续淋滤条件下农田土壤溶解性有机质组分动态变化的研究，特邀黄老师团队为本公众号撰写了该研究的亮点部分，一方面，丰富天然有机质的研究领域，尤其是土壤有机质环境行为的研究领域；另一方面，希望该团队的研究成果能给关注者启发，从中获得灵感，促进天然有机质研究工作的开展。”

导读

溶解性有机质（DOM）是陆地生物地球化学循环的关键成分，既能够影响营养物质、重金属及有机污染物在土壤系统中的迁移及形态，又可作为微生物的能量来源。由于DOM组成多样且结构不一，不同水化学环境极可能影响其组分的溶解、交换和迁移能力，但如何定性及定量描述这种变化，尤其针对连续的动态变化过程，仍需加强。因此本研究重点关注淋滤过程中有机碳总量及其光谱学组分的动态变化，并分析讨论引起变化的内在机理。

中国研究者以农田土壤为试验对象，利用4组平行饱和土柱先后进行充分饱水、超纯水持续淋滤（Step1）和不同溶液（A-NaCl，B-NaHCO₃，C-Na₂SO₄和D-CaCl₂）持续淋滤过程（Step2）。在测定淋滤液总有机碳的基础上，进一步联合运用紫外和荧光光谱技术捕捉其组分的动态变化规律，从有机质分子特征层面讨论淋滤过程中有机碳的释放机理。

从DOC浓度随时间的变化过程可以看出，相对长时间的饱水过程使初始淋滤液呈现高浓度DOC（93.9-107.2 mg/L），随动态淋滤过程碳浓度被迅速稀释，并逐渐趋于平稳(约11 mg/L)，说明土壤有机碳的释放是典型的速率控制（Rate-limited）过程。低pH和高EC环境会促进有机官能团的去质子化效应并降低其间的电荷密度，从而造成有机碳释放减少。稳定阶段的DOC浓度大小序列表明，相比于钙盐，钠盐溶液能够更高效地淋出有机碳，HCO₃^-的水解和SO₄^2-的配体交换作用也对DOC的释放起到了不同程度的促进。

▲密淋滤液有机碳（DOC）浓度、pH及电导率（EC）随淋滤过程的变化，虚线框内为Step2淋滤阶段的DOC浓度放大图（来源：ScienceDirect）

类腐殖质C135组合在超纯水淋滤初始阶段含量最高（子图a），而淋滤液的芳香组分含量较低，指示该阶段释放的有机碳可能源于土壤风干过程产生的中性易溶有机碳，且具有较低的芳香度。从光谱分析结果来看，类腐殖质C24组合多含有反应性官能团，因此其对于不同盐溶液的化学作用反应更加敏感（即Range值更大）。此外，盐溶液淋滤后期均呈现C24组分含量高于C135组分且高于C6含量，指示了C24类腐殖质为土壤有机碳的固有构成。随着C24组分占比增加及C135组分的减少，淋滤液芳香组分占比提高，指示淋滤液的芳香性主要体现于C24组分。类蛋白组分C6在不同盐溶液淋滤过程仅呈现微小波动，指示该类组分对于不同盐溶液的响应并不明显。整体来看，在Na溶液淋滤条件下类腐殖质组分无论是总量还是芳香度均呈现增加趋势，而在Ca溶液淋滤条件下相反。

▲超纯水淋滤过程（UWL）和盐溶液淋滤过程后期（LateSSL），组分最大荧光强度（FMAX）和SUVA254的相关变化。气泡增大方向指示淋滤过程方向，箭头用于辅助指示指标变化趋势（来源：ScienceDirect）

此外，虽然在盐溶液淋滤后期DOC的浓度呈现近似稳定，但不同结构的组分仍变化显著，说明基于光谱学角度分析有机碳动态变化是高效且十分有价值的。

▲解释腐殖质组分在Na/Ca溶液中含量不同的概念模型（来源：ScienceDirect）

由于试验土壤交换性阳离子以Ca² 为主，故主要组分类腐殖质很可能以钙离子盐桥为联结形式。当通入Na盐溶液，Na-Ca交换作用可导致原本通过钙离子盐桥联结的有机质组分脱落并随淋滤液迁移；Ca盐溶液的通入下Na-Ca交换作用则可将液相自由的有机质机团联结在粘土矿物表面，从而降低液相有机质浓度。紫外结果显示，Ca² 更易结合小分子有机质而Na 反之，解释了Na盐溶液对应的淋滤液芳香度和分子量动态增加，而Ca盐溶液对应的淋滤液芳香度和分子量动态减小。

参考文献

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