水溶性有机物在土壤中的化学行为及其对环境的影响

　　倡国家“十五”攻关项目“耕地质量安全与调控技术研究（２００４BA５１６A１９）”、９７３前期研究专项（２００３CCB００３００）资助　　倡倡通讯作者收稿日期：２００６唱０４唱２０　改回日期：２００６唱０８唱０９水溶性有机物在土壤中的化学行为及其对环境的影响倡杨佳波１　曾希柏２倡倡（１．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所　北京　１０００８１；２．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业部农业环境与气候变化重点实验室　北京　１０００８１）摘　要　水溶性有机物（Dissolvedorganicmatter，DOM）是能够溶解于水的有机化合物的统称。尽管目前对于陆地生态系统中DOM的研究尚不完善，对其性质、组成和分类方法等问题的看法还没有达成一致，但现有研究结果已经表明DOM是一种十分活跃的重要化学组分。DOM进入土壤后将发生吸附、解吸、迁移、转化等一系列化学过程，进而对土壤及环境产生一系列重要影响：一方面，DOM可以与土壤胶体结合，形成有机无机结合体，从而改善土壤性质，DOM还可以通过其自身的分解产生养分离子，从而提高土壤肥力；另一方面，DOM也可能亲合土壤中原来与土壤胶体结合的养分，使之与DOM一起进入土壤溶液，从而增加土壤中养分离子被淋失的风险，并造成土壤养分的损失以及水体的富营养化，DOM还有可能活化土壤中重金属离子，增加土壤中重金属离子的毒性，并使土壤中的重金属离子向地下水迁移。由于其对土壤和环境的多种效应，水溶性有机物近年来已经逐渐成为土壤学、环境科学、生态学等学科的研究热点之一。关键词　水溶性有机物　化学行为　环境影响　土壤养分　土壤肥力　土壤重金属Behaviorandenvironmentalimpactofsoildissolvedorganicmatter．YANGJia唱Bo１，ZENGXi唱Bai２（１．InstituteofAgri唱culturalResourcesandRegionalPlanning，ChineseAcademyofAgriculturalSciences，Beijing１０００８１，China；２．KeyLabo唱ratoryofAgro唱Environment&ClimateChange，InstituteofAgriculturalEnvironmentandSustainableDevelopment，Chi唱neseAcademyofAgriculturalSciencesandMinistryofAgriculture，Beijing１０００８１，China），CJEA，２００７，１５（５）：２０６～２１１Abstract　Dissolvedorganicmatter（DOM）isdefinedasorganicmatterthatbecomesabsorbedinwater．Irrespectiveofthefactthatconsiderabledisagreementsremainonthecharacter，compositionandclassificationofDOMinterreneecosystems，researchhasnonethelessproventhatDOMisanactiveandimportantchemicalcomponentofnaturalsystems．OnceDOMentersthesoil，chemicalprocessessuchasadsorption，desorption，transfer，transformation，etc．occurandconsequentlyin唱ducesignificantimpactonthesoilandenvironment．Ontheonehand，DOMcombineswithsoilcolloidstoformorganic唱in唱organiccomboswhichsequentiallyimprovesoilquality．Ontheotherhand，DOMaggregateswithnutrientsandmetalionsandcombineswithoriginalsoilcolloids，makingthemmoreeasilyreleasableintosoilsolutions．Besides，DOMproducesnu唱trientionsthroughdecompositionandthusenhancessoilfertility．Theseprocessesdonotonlyresultinnutrientleachingriskcausinglossofsoilnutrientsandwatereutrophication，butalsoenhanceheavymetaleluviationbyDOMactivationef唱fectonheavymetalionsinthesoilandconsequentlyexacerbatesoilheavymetaltoxicity．Therefore，DOMhasincreasinglybecometheresearchfocusinthefieldsofagrology，environmentalscience，ecology，etc．inrecentyearsduetoitsmyraidef唱fectsonsoilandtheenvironment．Keywords　Dissolvedorganicmatter，Chemicalbehavior，Environmentalimpact，Soilnutrient，Soilfertility，Soilheavymetal（ReceivedApril２０，２００６；revisedAug．９，２００６）水溶性有机物（Dissolvedorganicmatter，DOM）是能溶解于水的有机化合物的统称，又称为溶解性有机物，是有机物质、特别是有机肥料中昀为活跃的部分。从一定意义上说，水溶性有机物实际上仅仅是一个操作定义，是指物料用水浸提后，能通过０．４５μm滤膜，具有不同结构及分子量的有机物（如低分子量的游离氨基酸、碳水化合物、有机酸及大分子量的酶、氨基糖、多酚和腐殖质等）的连续体或混合体［２１］。水溶性有机物第１５卷第５期中国生态农业学报Vol．１５　No．５２００７年９月ChineseJournalofEco唱AgricultureSept．，　２００７不仅可以影响C、N、S和P等营养元素的生物有效性及污染物（重金属、多环芳烃、农药等）的迁移能力，而且还是矿物风化、成土过程以及微生物生长代谢、土壤有机质分解和转化等过程的重要影响因素［１］。昀新研究表明，水溶性有机物具有比固相有机质更多的活性点位［２２］，同时，被认为是土壤有机质中昀活跃、昀重要的组分［２３］。尽管对有机质的研究已经开展了２００多年，但水溶性有机物作为一个概念被提出还是２０世纪７０年代的事［２］，国内的相应研究则尚处于起步阶段。1　DOM的组成与分类1．1　DOM的组成根据已有的研究结果，土壤中DOM的来源主要有４种，即腐殖化的有机质、植物凋落物、根系分泌物和微生物［２１，２４］。此外，土壤动物的排泄物对DOM有微小或局域性的贡献，而有机物料则通常被认为是农业生态系统中DOM的另一重要来源。但是，目前对于不同土壤及环境条件下DOM各来源的相对贡献仍不十分清楚［３］。DOM的化学组成因其来源不同而差异较大。但大体上主要由碳水化合物组成，芳香族物质少，烷基链烃含量少且支链短，分子结构简单［４］；从其元素组成看，DOM主要由C、O、H和少量的N、S、P组成，有机C／N（w／w）比率约为６，说明DOM富含C／N（w／w）比率较低的有机聚合物，如氨基糖、多肽［C／N（w／w）≈４］及含N碱性化合物［２５］。在无机离子组成中，DOM中金属离子Cd２＋、Cu２＋、Pb２＋、Zn２＋及Al、Si、Fe的含量相当低，主要离子是不与有机质络合的碱金属Na＋、K＋及碱土金属离子Ca２＋、Mg２＋［２５～２７］。研究者采用了红外光谱（IR）、核磁共振光谱（NMR）等有机结构分析方法，分析了DOM的结构特征。IR分析结果表明，土壤中DOM主要含有羟基、芳香基、羧基［２８］；而污泥DOM中酸水解产物的成分占５５％，其中α唱氨基占２６％，氨基己醣占９％，中性糖残渣占１２％，脂肪族占８％。Grasso［２９］等认为，DOM组分中大约２５％～５０％是由以富啡酸为主的腐殖酸组成，其次为蛋白质、多糖和亲水有机酸等。不同来源和组成的DOM，由于其功能团、元素组成及分子量等方面的差异，性质也存在较大差异，在土壤中的行为和功能也差异巨大。1．2　DOM的分类目前，对DOM的分类还没有一个统一的标准，不同分类方法的实用性甚至还存在争论。研究者往往根据DOM的某一特征将它们分为若干类型，其中代表性较强、较为公认的分类方法有以下两种：一是按分子量分类：这是常用的描述DOM性质的分级方法。通常认为，分子量大小是影响DOM性质的重要因素，分子量不同的DOM组分化学性质不同，在土壤中的迁移、转化能力及与金属离子的结合能力也不尽相同［５］。研究表明，分子量小于几千的DOM主要包括脂肪酸、芳香酸、氨基酸、单糖、低聚糖和低分子的富里酸，而分子量较大的DOM则包括结构尚未十分明确的复杂有机物，如高分子量的富里酸和胡敏酸等［６］。尽管目前对DOM分子量的研究还不十分明确，且不同研究者所采用的实验方法亦不尽相同，划分分子量级别上的认识也存在较大差异等，使得研究成果之间缺乏足够的可比性［２４］。但已基本形成的共识是，按分子量对DOM进行分类，是认识DOM性质的重要手段。二是按化合物的极性和电荷特性分类：Leenheer［３０］等采用XAD树脂和阴、阳离子交换树脂方法，将水中的DOM分离为６个组分：亲水的酸性有机质（HPIA），包括低分子量及高羟基／碳质量比（COOH∶C质量比）的腐殖质和非腐殖质，如羧酸等；亲水的中性有机质（HPIN），包括单糖、醇和非腐殖质结合的多糖等；亲水的碱性有机质（HPIB），包括蛋白质等；疏水的酸性有机质（HPOA），这一组分大致与土壤中的富里酸和胡敏酸相似；疏水的中性有机质（HPON），主要包括碳水化合物、长链脂肪酸、烷基醇和带有少量功能团的腐殖质等；疏水的碱性有机质（HPOB），有芳香族胺类等。这６种组分物质由于化合物的极性和电荷特性等方面的差异，性质也各不相同。DOM中不同组分所占比例的差异，直接影响了DOM的性质。此外，DOM还可按元素和功能团、特殊基因和化合物酸唱碱性质等分类。2　DOM在土壤中的化学行为2．1　DOM在土壤中的吸附与解吸特征DOM是土壤中昀活跃的组分，它可以通过离子交换、吸附、络合、螯合、絮凝和沉淀等一系列反应直接与水体、土壤和底泥中的金属离子、氧化物、矿物质和有机质发生各种反应，而吸附唱解吸平衡则概括了影响DOM在固水两相间分配的所有上述过程［７］。研究表明，DOM在土壤中的吸附可能存在以下几种机理：静第５期杨佳波等：水溶性有机物在土壤中的化学行为及其对环境的影响２０７　　电吸附、配位体交换、表面络合作用、疏水作用、熵值效应、氢键作用和阳离子键桥作用等［３１］。土壤中的吸附唱解吸平衡一般用吸附系数来定量表示，吸附系数的大小直接反映了DOM在固水两相间迁移的方向和昀终的平衡状态。目前，这方面的研究还处于探索阶段，从现有的结果看，不同组成和性质的DOM在土壤上的吸附量不同，同一类型的DOM，土壤理化性质和实验操作条件不同，吸附系统不同。DOM通常带负电荷，因此，负电荷密度较高的土壤（如含２∶１型矿物较多的土壤）对其吸附较弱；而含氧化物较多、负电荷密度较低的土壤（如红壤、砖红壤和赤红壤等）则对DOM的吸附较强。此外，铁氧化物和氢氧化物含量、pH、土壤有机质等对DOM吸附的影响也较大。铁氧化物和氢氧化物的含量越高，土壤pH越低，土壤有机质含量越低，对DOM的吸附越有利［８］。此外，在有机