土壤水溶性有機碳的研究進展.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-土壤水溶性有機碳的研究進展倪進治1，徐建民2，謝正苗21：中國科技大學地球與空間科學學院，安徽合肥230026；2：浙江大學環(huán)境與資源學院，浙江杭州310029摘要：綜述了土壤中水溶性有機碳的組成和來源，水溶性有機碳的含量及其影響因素，水溶性有機碳對土壤中一些無機離子的吸附以及對農藥、重金屬在土壤中遷移的影響等，并提出有待于進一步研究的一些問題。關鍵詞：水溶性有機碳；組成；來源；吸附；農藥；重金屬中圖分類號：X14文獻標識碼：A文章編號：1672-2175（2003）01-0071-05水溶性有機碳（water-solubleorganiccarbon，縮寫WSOC）通常是指能通過0.45m微孔濾膜的水溶性有機物質1，僅是一個操作上的定義，沒有一定的化學內涵。對土壤WSOC的研究，不同研究者采用的提取方法有所差異，具體情況見表1。WSOC雖然只占土壤有機碳的很少部分，一般含量不超過200mgkg-1，但它卻是土壤微生物可直接利用的有機碳源2，并且它還會影響土壤中有機和無機物質的轉化、遷移和降解，如影響重金屬3和農藥45在土壤中的遷移以及土壤對P和SO42-等無機離子的吸附等68。本文綜述了土壤中WSOC的組成和來源，土壤中WSOC含量及其影響因素，WSOC對土壤中一些無機離子吸附的影響，以及WSOC對農藥和重金屬在土壤中遷移的影響。1水溶性有機碳的組成和來源1.1組成土壤WSOC主要包括溶解在土壤溶液中不同種類的低分子量有機質和以膠體狀懸浮于土壤溶液中的大分子量有機質。從分子量來看，WSOC是由分子量為7005000Da的有機化合物組成，這些化合物與土壤和地表水中富啡酸很相似4，它們的E4/E6比值范圍為9.513.3，且大多數(shù)WSOC的分子量都大于1000Da9。從化合物類型來看，WSOC一般是由碳水化合物、長鏈脂肪族化合物和蛋白質組成1012，且它在土壤中的含量與蛋白質C、碳水化合物成正相關，與羧基C成負相關10。但WSOC的組成也會因其它因素的不同而改變，如土壤剖面不同土層的土壤和不同季節(jié)采集的土壤，它們的WSOC組成有所不同11。耕作5年的土壤和天然土壤中WSOC的組成相似，而耕作1年的土壤WSOC中碳水化合物幾乎完全消失，新形成了一些烷基碳結構的有機物12。另外，根據(jù)WSOC的親水性和電荷性質，又可將其分為6個組分：疏水堿性組分、疏水酸性組分、疏水中性組分、親水堿性組分、親水酸性組分和親水中性組分131.2來源關于土壤WSOC來源的研究報道較少。一般認為，土壤WSOC主要來源于落葉和根系分泌物以及土壤有機質的水解14。此外，微生物的代謝產物也是WSOC的一個來源15。然而，對土壤有機質的13C研究表明，WSOC的13C值與土壤有機質的13C值相似，而微生物生物量碳的13C值與作物的13C值相似16。另外，風干土重新濕潤后，土壤WSOC含量會有較大程度的增加17，增加的這部分WSOC來源于土壤什么樣的有機質組分并不清楚。有研究表明，干燥過程會殺死土壤微生物，釋放出微生物生物量碳18。而Powlson等19發(fā)現(xiàn)，土壤干燥24h釋放的有機碳平均為氯仿熏蒸釋放的有機碳的2.4倍。因此，干濕交替土壤中WSOC的增加可能還有其它來源，而不僅僅是土壤微生物。土壤小孔隙中表1水溶性有機碳的提取方法土樣土/水比/(gg)分散方法離心速率和時間濾膜孔徑文獻出處新鮮土12.5振蕩30min10000g,10min0.45mLiang,1998新鮮土12振蕩15min19000g,35min0.20mDavidson,1987新鮮土12振蕩60min10000g,30min0.20mMcGill,1986新鮮土12振蕩60min14000g,10minWhatmanNo.42Chantigny,1999新鮮土13振蕩60min14500g,15min0.22mHu,199972生態(tài)環(huán)境第12卷第1期（2003年2月）的有機碳也可能由于干濕交替而釋放19。2影響水溶性有機碳含量的因素2.1施肥施肥對土壤WSOC的含量有很大影響，通常無機肥能減少土壤WSOC的含量，而有機肥能夠增加WSOC的含量。Chantigny等20的研究表明，隨著N肥施用量的增加，土壤中WSOC的含量逐漸減少。WSOC和土壤礦化N的含量成對數(shù)相關，當?shù)V化N水平大于60mgkg-1時，WSOC的含量變化較小，當?shù)V化N水平小于60mgkg-1時，WSOC的含量迅速增加。Liang等10的研究也表明，施N肥會減少土壤中WSOC的含量。McGill等21研究了不同輪作和施肥下土壤中WSOC的變化，WSOC的含量范圍為3109mgkg-1，施廄肥的土壤中WSOC含量明顯高于對照和施化肥的土壤。Zsolnay等22的研究表明，土壤中WSOC的平均C含量為9.40mgkg-1，單施礦質肥料對WSOC含量無明顯影響，而施有機肥料可以使WSOC在總體上增加1510-3mgkg-1。Lundquist等23的研究也表明，施有機肥的田間土壤中WSOC含量比施無機肥的高2.5倍。倪進治等24研究了有機肥料對土壤中WSOC的動態(tài)變化影響，結果表明，從第1周到第4周，WSOC的含量逐漸下降，可能是土壤微生物利用了WSOC來滿足自身的生長和繁殖；第6周到第8周WSOC呈上升趨勢，可能是大量繁殖后的土壤微生物分解有機肥料過程中釋放出WSOC的原因。2.2水分和溫度Christ等15對森林土壤的研究表明，隨著淋溶次數(shù)的增多，土壤中淋洗出來的WSOC的總量增加；隨著溫度的升高，土壤中淋洗出的WSOC的量也增加。Wang等25的研究表明，凍融作用和淹水處理能增加土壤中WSOC的淋溶損失，淋溶物的E4/E6值的范圍為1032，主要是低分子量的有機質，這表明凍融作用和淹水處理都能夠增加土壤中的WSOC含量。Zsolnay等22的研究表明，降雨量特別少的年份采集的土壤樣品中，WSOC的含量比其它年份有顯著的增加（增加約33%），增加的幅度與每年施N175kghm-2的有機肥料效果相當。田間土壤經過夏季3個月的干濕交替之后，WSOC也有不同程度的增加23。林濱等26研究了土壤和沉積物中WSOC釋放的動力學過程，結果表明，草甸沼澤土中水溶性有機物在20時釋放速率最快，溫度降低與升高均導致釋放速率下降。這是由于在水溫不超過20時，升高溫度導致分子熱運動加速，從而加快水溶性有機物在滯膜層中的分子擴散速度：而當溫度升高至30后，由于水溶性有機物發(fā)生絮凝作用使其分子量增加，分子擴散系數(shù)降低，釋放速度反而下降。綜合上述試驗結果，水分對WSOC的影響可能是由于土壤含水量的變化，使原來被吸附在土壤表面的有機質溶解到土壤溶液中，而對這部分的具體研究又涉及到WSOC的來源問題。3水溶性有機碳在土壤中的吸附WSOC在土壤中吸附受很多因素的影響，如土壤的礦物組成和pH等。林濱等26的研究表明，在pH為6和7時，草甸沼澤土中水溶性有機物的釋放速率常數(shù)Kr分別為173.6103cmh-1和206.9103cmh-1。這是因為在低pH條件下，腐殖酸類水溶性有機物可能發(fā)生絮凝，從而降低了擴散速率。Kuiters等9研究表面，在pH為7.4土壤中，加入的WSOC有60%80%被土壤吸附，而在土壤pH為4.5時，加入的WSOC幾乎全部被土壤吸附。他們的研究還表明，土壤中加入WSOC4周后，只有10%20%仍以WSOC的形式存在，雖然微生物也分解一部分，但大部分的WSOC被土壤顆粒所吸附9。土壤中Fe、Mn氧化物和氫氧化物是使WSOC沉淀的主要因素，且有研究表明WSOC在礦質土壤中被吸附最高27。當土壤礦物用倍半氧化物包被后，能明顯增加對WSOC及其組分的吸附，影響的強弱順序為無定形Al(OH)3水鐵礦針鐵礦28。另外，WSOC不同組分在土壤中的吸附也有差別，土壤對WSOC疏水組分的吸附能力要強于親水組分。在結合位點有限的情況下，疏水組分優(yōu)先吸附會抑制土壤與親水組分的結合，甚至會取代原來吸附的親水組分，有利的化學性質被認為是疏水組分被強烈吸附的主要原因8。4水溶性有機碳對磷和硫酸根吸附的影響WSOC對P和SO42-在土壤中吸附的影響，主要是通過它與土壤礦物的作用，直接和間接地影響P和SO42-在土壤中吸附。酸性土壤中P的吸附與土壤Al密切相關，土倪進治等：土壤水溶性有機碳的研究進展73壤中WSOC濃度的增加，會導致土壤Al向溶液中釋放，從而減少土壤對P的吸附。酸性土壤中小麥和玉米秸稈還田后，由于增加了土壤中WSOC，導致P的表面吸附下降，從而增加了P的有效性7。紅花草和野豌豆中提取的WSOC以及檸檬酸都能夠降低酸性土壤對P的吸附，降低程度的順序為檸檬酸紅花草野豌豆，但廄肥中提取的WSOC對P的吸附沒有影響。綠肥中提取的WSOC降低酸性土壤對P吸附的能力與它跟土壤Al的反應能力有關，WSOC在低濃度時通過配位體與土壤Al反應，高濃度時通過絡合作用與土壤Al反應。紫外吸收和熒光數(shù)據(jù)表明，廄肥中WSOC的分子量較大（20002800）是其無能力與土壤Al反應的一個原因6。向土壤平衡溶液中增加可提取的SO42-，并不影響土壤礦物對WSOC的吸附，而向平衡溶液中增加WSOC后，SO42-的濃度也增加，這表明了土壤礦物對WSOC的吸附似乎取代了原來結合的SO42-。因此，WSOC比SO42-似乎更能被土壤礦物吸附28。5水溶性有機碳對農藥的影響WSOC對土壤中農藥遷移和有效性的影響主要是通過競爭吸附以及與農藥形成絡合物，但不同來源的水溶性有機質29以及不同性質的農藥5會使水溶性有機質與農藥間的作用有所不同。干濕交替會增加2,4-D在土壤中的淋溶，這主要是因為干濕交替增加了土壤有機質的溶解，土壤中WSOC的含量也相應地增加，而WSOC結合的2,4-D在土壤中的遷移能力較強，所以2,4-D在土壤中的淋溶加強30。Barriuso等5研究了WSOC對滅草茂酮、阿特拉津和草長滅在土壤中吸附解吸的影響。當腐爛的稻草中存在WSOC時，3種除草劑在土壤中的吸附都增加；而淤泥中（液體或固體）存在WSOC，有利于除草劑在土壤中的解吸。事先用WSOC處理過的土壤，有利于滅草茂酮和阿特拉津在土壤中的吸附；而將滅草茂酮和阿特拉津先與WSOC混合預培養(yǎng)后再加入土壤中，則有利于它們在土壤中的解吸。WSOC處理對草長滅在土壤中的吸附解吸情況與滅草茂酮和阿特拉津在土壤中的情況正好相反。Celis等31的研究表明，從液態(tài)污泥中提取的水溶性有機質施入土壤中后，會降低土壤對阿特拉津在土壤中的吸附，增加其在土壤中的解吸。水溶性有機質并沒有與阿特拉津結合，而是通過競爭吸附減少阿特拉津與土壤的吸附。因此，土壤中施入大量液態(tài)污泥水溶性有機質能夠增加阿特拉津對地下水污染的危險。6水溶性有機碳對重金屬的影響WSOC對土壤重金屬的化學性質有著獨特的作用，它能通過競爭吸附以及與重金屬離子形成有機-金屬絡合物而降低重金屬在土壤表面的吸附32，增加土壤中重金屬離子的遷移性和植物有效性33。Fotovat等34的研究表明，在堿性含鈉的土壤中，WSOC通過與金屬離子形成有機-金屬絡合物，是影響Zn、Cu在土壤中溶解的主要控制因素。因此，凡能影響土壤中WSOC的因素也會影響土壤中重金屬的行為，而土壤pH就是直接或間接影響重金屬在土壤中有效性的一個重要因素。Kalbitz等35的研究表明，當土壤pH小于4.5時，WSOC對土壤重金屬的遷移性影響較小。Temminghoff等36的研究表明，pH為3.9時，土壤溶液中約有30%的Cu和WSOC結合，pH為6.6時，WSOC結合的Cu占土壤溶液中總Cu的99%。土壤pH值增加，土壤WSOC的濃度也增加，而WSOC與汞離子會發(fā)生絡合作用，從而降低土壤對汞的吸附37。土壤中加入污水WSOC后，pH在57范圍內，土壤對鎘的吸附下降38。Kuiters等9的研究表明，向土壤中加入WSOC后，土壤溶液中的WSOC有顯著的增加，同時土壤中的Al、Fe和Cu溶解也增加，且Cu的增加達到顯著水平，這是由于這些金屬離子和絡合劑有很高的親和性。此外，種植樅杉的土壤中加入WSOC后，Mn的溶解也有顯著增加。Mn和絡合劑的親和性很低，它的溶解可能是由于WSOC中的某些有機組分提供了電子使得Mn(VI)和Mn(III)被還原成Mn(II)39，從而增加了它的溶解性。Guggenberger等40報道，土柱淋溶物中Cu，特別是Cr的濃度受WSOC濃度的影響很大，而Cd的濃度受WSOC的影響較小。這是由于WSOC的組成對其與重金屬絡合能力有很大的影響，親水的有機酸對Cu、Cr的絡合能力比疏水的有機酸要強。7結語對土壤WSOC的研究報道已很多，這些報道包括WSOC的組成、在土壤中的吸附解吸，以及對土壤中農藥和重金屬的遷移和有效性的影響等，而且這些方面都已取得了一定的研究成果。但對WSOC的研究還存在以下方面的不足。（1）關于WSOC來74生態(tài)環(huán)境第12卷第1期（2003年2月）源的研究報道較少，而利用碳穩(wěn)定同位素比值研究WSOC的來源是一個較好的方法，可喜的是這方面的研究已開始有報道16。（2）對WSOC周轉特征的研究報道也較少，這主要是由于WSOC在土壤中的周轉期較短21，測定很不容易。另外，很多研究者將WSOC提取出來研究它的周轉特征41，這種脫離土壤真實環(huán)境的研究方法顯然不能真正反映土壤中WSOC的周轉。因此，WSOC周轉的研究方法還有待于進一步改進。（3）WSOC對農藥和重金屬的生物有效性方面的研究還比較欠缺，應進一步加強。參考文獻：1THURMANEM.OrganicGeochemistryofNaturalWatersM.Boston:KluwerAcademic,1985.2BURFORDJR,BREMNERJM.Relationshipsbetweendenitrifica-tioncapacitiesofsoilsandtotalwatersolubleandreadilydecomposa-blesoilorganicmatterJ.SoilBiolBiochem,1975,7:389-394.3ZHUB,ALVAAK.TracemetalandcationtransportinasandysoilwithvariousamendmentsJ.SoilSciSocAmJ,1993,57:723-727.4MADHUNYA,YOUNGJL,FREEDVH.Bindingofherbicidesbywater-solubleorganicmaterialsfromsoilJ.JEnvironQual,1986,15:64-68.5BARRIUSOE,BAERU,CALVETR.Dissolvedorganicmatterandadsorption-desorptionofdimefuron,atrazine,andcarbetamidebysoilsJ.JEnvironQual,1992,21:359-367.6OHNOT,CRANNELLBS.Greenandanimalmanure-deriveddis-solvedorganicmattereffectsonphosphorussorptionJ.JEnvironQual,1996,25:1137-1143.7OHNOT,ERICHMS.Inhibitoryeffectsofcropresidue-derivedorganicligandsonphosphateadsorptionkineticsJ.JEnvironQual,1997,26:889-895.8KAISERK,ZECHW.CompetitivesorptionofdissolvedorganicmatterfractionstosoilsandrelatedmineralphasesJ.SoilSciSocAmJ,1997,61:64-69.9KUITERSAT,MULDERW.Water-solubleorganicmatterinforestsoils.I.ComplexingpropertiesandimplicationsforsoilequilibriaJ.PlantandSoil,1993,152:215-224.10LIANGBC,MACKENZIEAF,SCHNITZERM,etal.Managen-ment-inducedchangeinlabilesoilorganicmatterundercontinuouscornineasternCanadiansoilsJ.BiolFertilSoils,1998,26:88-94.11CANDLERR,ZECHW,ALTHG.Characterizationofwater-solubleorganicsubstancesfromatypicdystrochreptunderspuceusingGPC,IR,1HNMR,and13CNMRspectroscopyJ.SoilSci,1988,146:445-452.12LESSAASN,ANDERSONDW,ChatsonB.CultivationeffectsonthenatureoforganicmatterinsoilsandwaterextractsusingCP/MAS13CNMRspectroscopyJ.PlantandSoil,1996,184:207-217.13LEENHEERJA.ComprehensiveapproachtopreparativeisolationandfractionationofdissolvedorganiccarbonfromnaturalwatersandwastewatersJ.EnvironSciTechnol,1981,15:578-587.14MCGILLWB,HUNTHW,WOODMANSEERG,etal.Phoenix,amodelofthedynamicsofcarbonandnitrogeningrasslandsoilsJ.EcolBull,1981,33:49-115.15CHRISTMJ,DAVIDMB.DynamicsofextractableorganiccarboninspodosolforestfloorsJ.SoilBiolBiochem,1996,28:1171-1179.16GREGORICHEG,LIANGBC,DRURYCF,etal.Elucidationofthesourceandturnoverofwatersolubleandmicrobialbiomasscar-boninagriculturesoilsJ.SoilBiolBiochem,2000,32:581-587.17MERCKXR,BRANSK,SMOLDERSE.Decompositionofdis-solvedorganiccarbonaftersoildryingandrewettingasanindicatorofmetaltoxicityinsoilsJ.SoilBiolBiochem,2001,33:235-240.18STEVENSONJL.Someobservationsonthemicrobialactivityinremoistenedair-driedsoilsJ.PlantandSoil,1956,8:170-182.19POWLSONDS,JENKINSONDS.Theeffectsofbiocidaltreatmentsonmetabolisminsoil.II.Gammairradiation,autoclaving,air-dryingandfumigationJ.SoilBiolBiochem,1976,8:179-188.20CHANTIGNYMH,ANGERSDA,PREVOSTD,etal.DynamicsofsolubleorganicCandCmineralizationincultivatedsoilswithvaryingNfertilizationJ.SoilBiolBiochem,1999,31:543-550.21MCGILLWB,CANNONKR,ROBERTSONJA,etal.Dynamicsofsoilmicrobialbiomassandwater-solubleorganicCinBertonLaf-ter50yearsofcroppingtotworotationsJ.CanJSoilSci,1986,66:1-19.22ZSOLNAYA,GORLITZH.Waterextraxtableorg