不同年限露天煤矿排土场土壤剖面溶解性有机质荧光和吸光特征

张 莉, 刘 涵, 赵海超, 孙清轩, 曹志国

1.北京工业大学， 城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室， 北京 100124 2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室， 北京 102211 3.河北北方学院， 河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室， 河北 张家口 075000

溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)作为陆地生态系统中极为活跃的有机组分，是影响土壤形成、矿物风化和物质迁移的重要因素之一，在土壤营养元素的地球生物化学过程、成土过程、土壤有机质分解过程中具有重要作用[1]. 土壤DOM相对分子质量介于几百到几万道尔顿之间[2]，主要来源于动植物残体、植物根系分泌物及微生物生命活动，同时地表径流、地下淋溶等也对其具有一定贡献[3]. DOM虽体积较小，但其流动性及反应活性较高[4]，比总有机质能够更加敏感地反映植被变化、人类扰动对土壤有机质的影响. 近年来学者利用三维荧光光谱(three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy, 3D-EEM)、紫外-可见光谱(ultraviolet-visible spectroscopy, UV-vis)、红外光谱等[5-7]多种光谱技术对土壤DOM组成和来源进行分析. 但由于DOM在3D-EEM扫描中易发生荧光重叠和干扰[8]，导致弱小荧光峰很难被识别. 目前，平行因子分析(parallel factor analysis，PARAFAC)可对多组分体系中DOM荧光重叠对象进一步识别，从而半定量表征DOM结构及异质性[9-10]. 因此利用PARAFAC识别DOM荧光特征能够更好地揭示其组分结构特征及迁移转化规律，有助于进一步理解土壤DOM对植被变化和人类扰动的影响机制. UV-vis亦可反映DOM芳香性、分子量水平等结构特征[11]. 3D-EEM 与UV-vis联合分析因其灵敏高效的特性，已被广泛用于表征DOM组分结构及来源特征[12]，对深度剖析土壤剖面各土层DOM组分结构特征具有重要意义.

煤炭是我国目前最主要能源之一，在推动国民经济发展中发挥着重要作用，但煤炭开采在带来能源的同时造成巨大生态环境破坏，对土壤影响尤为突出. 露天煤矿开采需剥离地表植被和上层岩土，土壤剥离后形成排土场并演变为次生裸地，严重破坏土壤生态平衡，造成巨大生态威胁[13]. 伴随人工整理、改良以及自然风化、熟化等过程[14]，排土场地表植被也逐步进行相应演替. DOM作为土壤活性有机组分，可较好地指示土壤熟化过程，对地表植被演替做出响应. 3D-EEM与UV-vis大量用于土壤有机碳组分分析[15-16]，揭示土壤DOM来源、价键结构、生物降解过程等演变规律[17]. 西部地区(晋陕蒙甘宁)是我国的煤炭主产区，且该地区降雨量少，土壤沙化严重. 随着我国煤炭开发的战略西移，煤炭资源开发与生态环境的矛盾更为突出，亟需开展煤矿开采扰动对区域土壤环境的影响机制.

因此，该研究联合应用3D-EEM与UV-vis对锡林浩特露天煤矿1～7年排土场土壤剖面(0～100 cm)DOM荧光和吸光特征深入分析，旨在解析排土场土壤剖面DOM组分及来源时空变化，揭示煤炭开采及排土场生态演替过程对土壤剖面DOM组分含量垂向分布影响及其生态效应，为排土场环境治理与生态恢复工程提供相应理论指导.

1 材料与方法

1.1 研究区域与采样

该研究于2019年7月在内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北4 km处一露天煤矿利用土壤分层采样器对1、3、5、7年露天煤矿排土场及原草地0～100 cm土壤进行采集(7年排土场由于下层坚硬只采集0～60 cm土壤)，并按20 cm为单位进行分层. 各采样点(见表1)均采集3根土壤柱状样，经现场去除根茬等植物残体及大型砾石后装入塑封袋带回实验室风干，预处理后进行指标测定，不同年限排土场土壤理化性状如表2所示.

表1 露天煤矿排土场采样点及其对应植被类型

表2 露天煤矿排土场土壤剖面各土层基本理化指标

1.2 样品分析

取一定量土壤，按照土水1∶10的质量与体积比用1 mol/L的KCl溶液振荡提取(20 ℃、200 r/min、24 h)，离心(5 000 r/min、15 min)并过0.45 μm玻璃纤维滤膜后，得到DOM溶液，并将DOM溶液稀释到10倍，以降低内部滤波器效应[18]. 土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)含量采用TOC-5000A(日本岛津)测定，其余基本理化性质采用常规分析法测定. 土壤DOM的3D-EEM分析采用Hitachi F-7000型荧光光谱分析仪测定，激发波长(λEx)为200～440 nm，发射波长(λEm)为250～600 nm，以Milli-Q超纯水做CK[19]. 荧光分光光度计光源为150 W氙灯，PMT电压为700 V，带通(Bandpass)λEx为5 nm、λEm为5 nm，扫描速率为 2 400 nm/min. 荧光分光光度计根据拉曼信号自动校准，并以奎宁硫酸盐单位进行标准化，通过扣除空白水样、手动置零等方法消除拉曼散射和瑞利散射[20-21]. 所得荧光光谱图结合PARAFAC分析DOM样品. UV-vis分析采用UV-2450紫外-可见分光光度计(日本岛津)进行吸收光谱扫描，扫描波长范围为190～1 002 nm，扫描波长间隔为2 nm. 土壤理化性状采用土壤农化分析方法[22]测定.

1.3 数据处理

该研究采用Excel 2007软件进行光谱参数分析; 采用SPSS 17.0软件进行相关性分析; 3D-EEM数据采用MATLAB 2017b软件处理以分析DOM组分[23-24]，其中PARAFAC特征峰鉴定方法参考文献[25]，荧光区域体积积分(fluorescence regional integration, FRI)组分P1～P5的识别参考文献[23].

2 结果与分析

2.1 露天煤矿排土场土壤剖面DOM含量时空变化

DOC含量可以表征DOM的含量，不同年限排土场土壤DOC含量时空变化如图1所示. 由图1可见，不同年限排土场土壤剖面各土层DOC含量在102.70～475.80 mg/kg之间，随着深度的增加总体呈先降后升的趋势，20～40 cm土层出现最低值，但0～20 cm到20～40 cm土层DOC含量降幅随着排土场年限的增加呈增加趋势. 0～40 cm土层是植物根系及土壤生物的主要活动层，土壤DOC含量大小表现为原草地>1年排土场>3年排土场>7年排土场>5年排土场. 随着深度增加，原草地土壤DOC含量总体呈波动式下降趋势，最低值出现在80～100 cm土层. 可见，露天煤矿开采新剥离的土壤中含有较高的DOC，随着排土场年限的增加，DOC含量降低，对深层土壤的影响加剧.

图1 不同年限露天煤矿排土场土壤剖面的DOC含量Fig.1 The DOC content of soil profile of open-pit coal mine dump in different years

2.2 露天煤矿排土场土壤剖面DOM三维荧光光谱特征

采用PARAFAC可识别出土壤剖面DOM中4种主要荧光组分(见图2)，组分C1为蛋白质类物质，组分C2、C3为类腐殖酸物质，组分C4为类富里酸物质(见表3)，并经裂半及残差分析证明有效. 不同组分占比的时空变化如图3所示. 由图3可见，DOM荧光组分中蛋白质类组分占比最高，在29.97%～60.39%之间，其次为类腐殖酸组分，在16.09%～44.27%之间. 1年排土场土壤DOM荧光组分占比随深度增加，蛋白质类组分占比呈先升后降趋势，在40～60 cm呈现峰值，类腐殖酸组分占比波动式下降，在20～40 cm出现最低值，类富里酸组分占比呈先升后降趋势，20～40 cm出现峰值. 3年排土场土壤DOM荧光组分占比随深度增加，蛋白类组分占比呈上升趋势，类腐殖酸组分占比呈先升后降趋势，40～60 cm出现峰值，类富里酸组分占比呈先降后升趋势，40～60 cm出现波谷. 5年排土场土壤DOM荧光组分占比随深度增加，蛋白质类组分占比呈先升后降趋势，在20～40 cm呈现峰值，类腐殖酸组分占比波动式上升，类富里酸组分占比呈先降后升趋势，20～40 cm出现波谷. 7年排土场DOM荧光组分占比随深度增加，蛋白类组分占比呈先降后升趋势，类腐殖酸组分占比呈先升后降趋势，类富里酸组分占比呈先降后升趋势，均在20～40 cm出现拐点. 原草地土壤DOM荧光组分占比随深度增加，蛋白类组分占比呈先升后降趋势，类腐殖酸组分呈波动式下降趋势，类富里酸组分占比呈先降后升趋势，在20～40 cm出现拐点. 总体来看，排土场土壤DOM以小分子DOM为主，随排土场年限增加，土壤DOM荧光组分中类蛋白组分占比增加，类腐殖酸和类富里酸组分占比降低，随土壤深度增加其变幅降低，波动主要发生在20～40 cm土层，且随排土场年限增加，土壤DOM组分垂向变化波动性变小，趋于稳定.

图2 露天煤矿排土场土壤剖面DOM的4种主要荧光组分Fig.2 Four main fluorescence components of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump

DOM荧光指数(fluorescence index, FI)可用来区别有机质的来源[26]，根据Mcknight等[27]的分类，将FI分为1.4和1.9，FI<1.4表明来源于外来输入，FI>1.9表明来源于土壤中微生物代谢产物. 一般FI值越高，溶解性有机质的芳香性越低. 随着深度的增加，不同年限排土场土壤DOM的FI变化趋势如图4(a)所示. 由图4(a)可见：1年排土场FI呈波动式变化，40～60 cm土层最高；3年排土场FI呈波动式下降趋势，40～60 cm土层最低；5年排土场FI呈波动式上升，表层最低；7年排土场FI呈上升趋势；原草地FI呈波动式下降，40～60 cm土层最低. 可见,排土场土壤DOM主要来源于微生物代谢产物，随着排土场年限的增加，表层土壤受外源影响加剧，且逐步影响深层土壤，特别是40～60 cm土层. DOM腐殖化指数(humification index, HIX)表征土壤DOM的腐殖化程度，当HIX小于4时，DOM腐殖化程度较弱，DOM主要来源于自生源[28]. 不同年限排土场土壤DOM的HIX随着深度增加的变化趋势如图4(b)所示. 由图4(b)可见，排土场土壤DOM腐殖化程度较弱，主要是自生源，且随着年限的增加，腐殖化程度先减弱后增强. 1年排土场HIX呈先升后降趋势，20～40 cm土层最高；3年排土场HIX呈先升后降趋势，40～60 cm土层最高；5年排土场HIX呈波动式上升；7年排土场HIX呈下降趋势；原草地HIX呈波动式下降，20～40 cm土层最高. 可见,排土场深层土壤DOM腐殖化程度逐年增加. Huguet等[29]研究表明，DOM自生源指数(biological index，BIX)大于1时，表明微生物活性强，自生源特征强. 不同年限排土场土壤DOM的BIX随着深度的增加变化趋势如图4(c)所示. 由图4(c)可见：1年排土场BIX呈下降趋势；3年排土场BIX呈先升后降趋势，60～80 cm土层最高；5年排土场BIX呈波动式下降，0～20 cm土层最高；7年排土场BIX呈上升趋势；原草地BIX呈先升后降，0～20 cm土层最低. 可见,随着年限的增加，排土场深层土壤DOM自生源特征及微生物活性逐渐减弱.

组分λEx∕nmλEm∕nm类型C1200～350280～380由微生物和细菌降解代谢产生的与大分子蛋白质结合小分子类色氨酸组分[25]C2220～300400～450相对分子质量较大,结构复杂,相对稳定的类腐殖酸组分[25]C3260～360350～460相对分子质量较大,结构复杂,相对稳定的类腐殖酸组分[25]C4220～250350～450含羰基、羟基等活性官能团的相对分子质量小,且腐殖化、芳香性、分子缩合度较低的类富里酸组分[25]

注： 小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05).图3 不同年限露天煤矿排土场土壤剖面DOM各荧光组分占比Fig.3 Proportion of DOM fluorescence components in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

图4 不同年限露天煤矿排土场土壤剖面DOM三维荧光光谱参数的变化Fig.4 3D-EEM parameters′ variations of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

2.3 露天煤矿排土场土壤剖面DOM紫外-可见光谱特征

图5 不同年限露天煤矿排土场土壤剖面DOM紫外-可见光谱参数的变化Fig.5 UV-vis parameters′ variations of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

3 讨论

3.1 露天煤矿排土场土壤剖面DOM光谱特征时空变化

3D-EEM与UV-vis结果均较好地反映了露天煤矿排土场土壤剖面DOM荧光和吸光组分变化特征. 该研究表明，排土场土壤剖面DOC含量均低于原草地，1～7年排土场土壤剖面DOM荧光组分中蛋白质类组分占比更高，且自生源显著，表明采矿剥离土壤DOM荧光组分以蛋白质类等小分子物质为主，且生物源为主导. 这与于妍等[36]对煤矿地下水库水DOM研究结果相同. 这主要是煤层上层土壤受煤炭演化[37]和沉积环境[38]的影响. 由于煤炭中脂肪族芳香化合物可通过脱氧作用形成链状烃类物质，降低脂肪链在芳香取代基中的占比[37]，因此，随排土场年限增加，各土层DOM吸光组分芳香环中羰基、羧基、羟基、酯类含量增加. 随着排土场年限的增加，土壤主要活跃层(0～40 cm)蛋白质类组分占比增加，类腐殖酸组分占比降低，排土场土壤由厌氧向好氧转化，微生物活性增强，DOM被氧化分解，但随着地表植被生物量的增加，7年排土场类腐殖酸组分占比增加，排土场土壤中DOM由小分子向大分子转变，腐熟程度增强，由生物源向陆源转变. 从排土场土壤DOM垂向变化可见，随着排土场年限的增加，深层土壤DOM荧光组分中蛋白质类呈上升趋势，类富里酸组分垂向变化规律一致，类腐殖酸组分呈下降趋势，且随着年限的增加，DOM组分波动性变小，外源对土壤深层影响逐步增强，但20～40 cm土层成为拐点，下层受压实作用的影响(7年排土场60 cm以下土壤坚硬，普通采土器无法采集)，受外源及植物生长影响较小，DOM特征变化较小.

3.2 露天煤矿排土场土壤剖面DOM特征生态指示意义

露天煤矿排土场土壤剖面各土层基本理化指标与DOM光谱学指标相关性分析(见图6)显示，pH与蛋白质类组分占比呈显著负相关(R2=-0.708，P<0.01)，与类富里酸和类腐殖酸组分占比均呈显著正相关(R2分别为0.587、0.615，P均小于0.01)，表明排土场土壤剖面高pH土层DOM荧光组分中腐殖质类物质占比更高. 腐殖质类物质含更多官能团，且带负电荷较多，对重金属阳离子吸附量更高[39]，促进OH-产生以提高土壤碱度，因此土壤剖面DOM荧光组分中腐殖质类组分占比会间接影响pH. 由此可见，排土场土壤剖面pH可作为评估DOM腐殖化程度的良好指标. 排土场土壤剖面各土层DOM的SR与TN含量呈显著负相关(R2=-0.547，P<0.01)，表明排土场土壤TN含量越高，DOM分子量越大. 这是由于氮作为重要生命组成元素促进植被繁殖代谢，而植物残体向土壤输送大量大分子腐殖质物质. 不同分子量水平DOM在土壤中迁移转化过程差异明显[40]，排土场土壤剖面中TN含量可作为指示土壤DOM分子量重要指标，反映土壤DOM结构组分特征. 此外，该研究发现，1～7年排土场土壤次表层(20～40 cm土层)DOM含量均呈现最低值，且分子量水平较高，芳香性、腐殖化程度随年限变化明显，并均表现为极值，可见不同年限排土场土壤次表层DOM组分含量特征时空差异极为显著. 因此，排土场土壤次表层DOM组分含量特征对区域生态效应评估具有一定指示意义，表现出良好的生态环境价值，值得进一步关注.

注：*表示在P<0.05水平上显著相关； ** 表示在P<0.01水平上显著相关； *** 表示在P<0.001水平上显著相关.图6 不同年限露天煤矿排土场土壤剖面参数间相关性分析Fig.6 Correlation Analysis of DOM in soil profile of open-pit coal mine dump in different years

3.3 露天煤矿排土场生态演替过程对DOM光谱特征影响机制

采矿活动是人类经济活动的重要方式之一，不仅露天煤矿开采直接损害地表环境，剥离矿渣堆放也对当地土壤及生态环境具有重要影响. 排土场土壤容易受降雨等影响造成土壤侵蚀[41]，而DOM作为土壤中重要活性组分，对土壤营养盐迁移转化具有重要的影响[1,42]，但露天煤矿排土场土壤DOM组分时空分布规律受内因和外因共同影响. 露天煤矿剥离的深层矿渣暴露于空气中逐步发生生态演替，土壤经过熟化过程，地表植被群落逐步发生演替，这一过程中作为土壤活性有机质的DOM在组分和来源上将有相应的响应机制. 试验采集的1～7年排土场地表植被由无到有，由偶见的类短命植物到以多年生草本植物为优势种的丛生植物群落. 从土壤DOM含量来看，随着植物演替，DOM含量呈先降后升的趋势，即土壤中DOM逐步降解释放养分供生物生长所需，当植物生物量逐步增加进而向土壤输入DOM，从土壤DOM组分和来源可见，在演替前期土壤中小分子DOM迅速降解释放养分，DOM自生源特征较强，腐殖化程度较低，在演替后期植物残体及人类活动等向土壤中输入有机物，DOM含量增加，类腐殖酸等大分子有机物在微生物作用下形成类富里酸及类蛋白质组分，进而达到养分的平衡，DOM自生源特征变弱，腐殖化程度增强. 从土壤深度变化来看，土壤熟化和生态演替主要影响的是0～40 cm土层，20～40 cm土层DOM含量出现明显的波谷，且该层土壤DOM组分和来源与下层(40～60 cm土层)和表层(0～20 cm土层)出现明显的波动，因为表层土壤受植物残体降雨等影响较大，随着演替变化DOM陆源性、腐殖化程度较高，下层(40～60 cm土层)微生物活动变弱，随着演替变化DOM自生源特征较强，腐殖化程度较低. 可见，0～40 cm土层DOM类腐殖酸组分增加利于地表植被恢复，土壤DOM演变规律对土壤及地表植被演替具有指示意义.

4 结论

a) 采矿剥离土壤DOM荧光组分以蛋白质类物质等小分子物质为主，以生物源为主导，且随排土场年限增加，各土层DOM吸光组分芳香环中羰基、羧基、羟基、酯类含量增加.

b) 随排土场土壤深度增加，DOM含量上升，自生源特征及土壤微生物活性减弱，次表层(20～40 cm土层)出现明显波峰. 随排土场年限增加，深层(80～100 cm土层)土壤DOM荧光组分中蛋白质类组分占比呈下降趋势，类富里酸组分占比垂向变化较小，类腐殖酸组分占比呈增加趋势.

c) 开采排土场后初期，土壤剖面DOM自生源特征较强，腐殖化程度较低. 随地表植被由无到有，排土场土壤剖面DOM含量增加，类富里酸和类蛋白质组分占比增加，自生源特征变弱，腐殖化程度增强.

d) 排土场土壤pH可作为评估DOM腐殖化程度的良好指标，TN含量可作为指示DOM分子量重要指标，对排土场生态监测及维护具有重要意义.