溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是生态系统重要组成部分^[1]，对全球碳循环有重要影响^[2]，对生态系统的能量输入和物质转化也具有重要作用. 它普遍存在于土壤、 沉积物及各类水体等自然环境中，可以通过离子交换、 吸附、 氧化还原等反应改变土壤、 沉积物和水体中重金属迁移转化、 生物毒性及空间分布等^[3,4]. 土壤DOM主要来自植物残体、 根系分泌物及土壤有机质中的腐殖质等^[5]，它经地表径流、 淋溶及淹水释放等途径进入水体，成为水体DOM一部分.

三峡库区消落带以其独特的干湿交替特征成为重要的生态系统，一直受到广泛关注^[6,7]. 消落带是因水库调节水位导致非季节性的水位涨落，使土地被周期性淹没和出露形成干湿交替的水陆衔接地带，一年内在三峡库区垂直落差达30 m. 三峡库区消落带是库区周边水、 陆生态系统能量、 物质和信息转移与转化的活跃地带，具有缓冲带的功能和植物护岸功能，同时对外界环境的变化十分敏感. 受水位消涨影响，消落带土壤周期性淹没和出露使其DOM演化过程和旱地、 森林等土壤DOM并不一致. 当三峡水库蓄水时，消落带水位上升，土壤中DOM会释放进入水体，从而影响库区污染物的环境化学行为. 因此，了解干湿交替环境下DOM的形成和来源，是认识该特殊环境下天然有机质(尤其是DOM)在污染物迁移转化过程中所扮演角色的重要前提.

目前，国内利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱研究海洋、 湖泊、 河口、 水库等水体DOM来源、 组成、 性质及其时空变化特征的工作已开展多年^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}，但利用该技术研究土壤中DOM地化特征的工作较少，尤其针对三峡库区消落带DOM的研究鲜有报道，仅李璐璐等^[14]采用紫外-可见吸收光谱研究了三峡库区消落带土壤和沉积物DOM的芳香性差异及光漂白潜能等; 杨艳^[15]研究了三峡库区开县消落区土壤中DOM的荧光性质、 时空变化等.

基于此，本研究选择三峡库区重庆段巫山、 奉节、 云阳、 开县等8个区县消落带，通过紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术，结合荧光区域积分法(fluorescence regional integration,FRI)分析消落带土壤DOM地化特征，探讨不同淹水高程土壤DOM差异，以期为深入研究干湿交替作用下，DOM对污染物迁移转化的影响提供理论依据和数据支持. 1 材料与方法 1.1 样品采集与处理

2012年7~8月在三峡库区8个区县(巫山、 奉节、 云阳、 开县、 万州、 忠县、 丰都、 涪陵) 消落带采集160 m、 170 m高程土样各24个(图 1). 样品经风干、 研磨处理并过60目筛后，避光保存. 土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，土壤pH采用电位法测定^[16].

图 1

Fig. 1

图 1 采样点示意 Fig. 1 Distribution of the sampling sites

DOM样本提取采用水土振荡提取法^[14,17]. 准确称取5.00 g风干土于离心管中，按水土比10 ∶1加入一定量超纯水(Milli-Q,电阻率为18.2 MΩ ·cm)，25℃ 下在黑暗处200 r ·min^-1振荡提取16 h后，再4000 r ·min^-1离心30 min，然后用0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤，滤液即为DOM，4℃ 保存在棕色瓶中. 1.3 吸收光谱和荧光光谱分析

DOM浓度以溶解性有机碳(DOC)表示，DOC采用GE InnovOx^® Laboratory TOC分析仪测定(表示为mg ·L^-1). 吸收光谱和三维荧光光谱(3D-EEM)均采用Horiba公司Aqualog^® 荧光光谱仪进行测定. Aqualog^® 荧光光谱仪是目前全球唯一一款可以同时测定吸收和荧光的光谱仪. 紫外-可见吸收光谱方法: 以Milli-Q水为空白，用10 mm石英比色皿在230~800 nm范围内扫描，间隔1 nm，以355 nm处吸收系数a(355)表示有色溶解性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)相对浓度. 研究中相关吸收光谱参数如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 紫外-可见吸收光谱参数描述 Table 1 Description of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters 紫外-可见吸收光谱参数 计算公式 公式参数 描述 吸收系数a(355) a(λ)=2.303D(λ)/r[18] a(λ)为波长λ吸收系数(m-1)，D(λ)为吸光度，r为光程路径(m) 表示CDOM相对浓度[12, 13, 19] 光谱斜率比值SR SR=S(275~295)/S(350~400)a(λ)=a(λ0)exp[S(λ0-λ)][20,21] a(λ)是DOM吸收系数(m-1)，λ是波长(nm)，λ0是参照波长(nm) 反映DOM来源与类型，包括富里酸(FA)/胡敏酸(HA)比例、 分子量大小、 自生源与陆源特征、 光漂白活性等[20] SUVA254 SUVA254=a(254)/DOC[22] a(254)为254 nm波长处的吸收系数，DOC为溶解性有机碳(mg ·L-1) 表征DOM芳香性强弱[23] SUVA260 SUVA260=a(260)/DOC[22] a(260)为260 nm波长处的吸收系数，DOC为溶解性有机碳(mg ·L-1) 表征DOM疏水性组分含量[24]

表 1 紫外-可见吸收光谱参数描述 Table 1 Description of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters

荧光光谱方法: 以Milli-Q水为空白，激发波长(E_x)范围为230~450 nm，增量5 nm，发射波长(Em)范围为250~620 nm，扫描信号积分时间为3 s，光源为150 W无臭氧氙弧灯，Aqualog^®系统自动校正瑞利和拉曼散射. 本研究中相关荧光参数如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 荧光光谱参数描述 Table 2 Description of fluorescence spectrum parameters 荧光光谱参数 定义 描述 Fn(355) 激发波长为355 nm，发射波长为450 nm时的荧光信号强度[25] 表示DOM荧光强度 荧光指数(fluorescence index,FI) 激发波长为370 nm时，荧光发射光谱强度在470 nm和520 nm处比值(f470/520)[26] 常用来研究和表征DOM中类腐殖质来源[26]，FI>1.9表征DOM主要源于细菌和藻类活动，属于内源生产(DOM自生源特征较为明显); FI<1.4源于陆生植物和土壤有机质，属于外源(陆源)输入(DOM异生源特征较为明显)[27] 腐殖化指数(humification index,HIXa) 254 nm激发波长下，发射波长 435~480 nm间区域积分值(∫435~480)除以300~345 nm间区域积分值(∫300~345)[28] 常用来表征DOM腐殖化程度，高HIX值表明腐殖化程度较高，DOM较稳定[29]; HIXb是HIXa的改进形式，其目的在于避免内滤效应干扰 腐殖化指数(humification index,HIXb) 254 nm激发波长下，发射波长 435~480 nm间区域积分值(∫435~480)除以300~345 nm间区域积分值(∫300~345)与435~480 nm间区域积分值(∫435~480)之和[29] 自生源指标(autochthonous index,BIX) 310 nm激发波长下，发射波长380 nm与430 nm处荧光强度的比值[30] BIX>1时，表明DOM主要为自生来源且有机质为新近产生，BIX在0.6~0.7之间表明自然水体DOM生产力较低[30] r(A/C) 紫外区类腐殖质荧光强度与可见区类腐殖质荧光强度比值 与有机质结构和成熟度有关，且与有机质分子量大小、 溶液pH等有关[31] r(T/C) 类蛋白荧光峰T与类腐殖荧光峰C荧光强度的比值 评价内源贡献比重，近几年该值也用于评估水体污染情况[12]

表 2 荧光光谱参数描述 Table 2 Description of fluorescence spectrum parameters

本研究Aqualog^® 荧光谱峰是基于Origin软件，采用荧光区域积分法识别. 3D-EEM总荧光强度(total integrated fluorescence intensity,TOT)是对三维荧光全光谱的荧光强度进行积分^[32]; 各荧光团(峰)荧光强度是对各荧光团(峰)相应波长范围内荧光强度进行积分，具体方法如下.

将3D-EEM区域分成4个部分^[32,33](表 3)，分别在相应波长范围内，对3D-EEM选i区域进行积分，公式如下:

表 3(Table 3)

表 3 3D-EEM中各荧光团(峰)区域积分范围 Table 3 Integral integration ranges of each fluorophore(peak) in 3D-EEM 荧光谱峰 荧光团(峰) 荧光强度积分范围 A 紫外区类腐殖质荧光峰 λex=250~260 nm; λem=380~480 nm C 可见区类腐殖质荧光峰 λex=330~350 nm; λem=420~480 nm M 海洋来源类腐殖质荧光峰 λex=310~320 nm; λem=380~420 nm T 类色氨酸 λex=270~280 nm; λem=320~350 nm TOT 总荧光强度 λex=230~450 nm; λem=250~620 nm

表 3 3D-EEM中各荧光团(峰)区域积分范围 Table 3 Integral integration ranges of each fluorophore(peak) in 3D-EEM

各荧光团(峰)占总荧光强度的比例为:

表 4为本研究各区县消落带土壤DOM浓度分布，土壤有机质以每kg土壤含碳量计. 各区县消落带土壤DOC浓度在22.57~84.20mg ·L^-1之间，均值为44.23 mg ·L^-1±14.67mg ·L^-1，变异系数为33.17%. 土壤有机质含量在4.29~44.11g ·kg^-1之间，均值为17.14 g ·kg^-1±7.78g ·kg^-1，变异系数为45.42%. DOC占土壤有机质的质量分数在0.77%~8.75%之间，二者相关性不高(P>0.05).

表 4(Table 4)

表 4 三峡库区消落带土壤DOM浓度描述统计 Table 4 Descriptive statistics of DOM concentration in soils of water-level fluctuation zones of the Three Gorges Reservoir Region 区县 a(355)/m-1 变异系数/% Fn(355)/a.u. 变异系数/% DOC/mg ·L-1 变异系数/% 土壤有机质/g ·kg-1 变异系数/% 巫山 19.71±16.08 81.58 9976.84±6588.17 66.03 45.27±9.31 20.57 18.40±6.23 33.87 奉节 10.45±8.22 78.70 10639.88±5591.71 52.55 33.29±5.38 16.17 21.98±11.64 52.97 云阳 15.55±7.49 48.20 9603.27±1511.69 15.74 47.63±16.09 33.79 14.80±4.11 27.77 开县 7.92±7.54 95.18 9584.03±3672.88 38.32 32.53±12.76 39.22 15.24±13.08 85.84 万州 22.89±16.58 72.43 12884.65±10062.46 78.10 43.16±12.35 28.62 13.51±5.47 40.51 忠县 191.19±336.53 176.02 28655.19±46950.77 163.85 54.33±18.50 34.05 17.95±6.52 36.34 丰都 137.43±181.24 131.88 9295.44±5405.60 58.15 54.67±15.13 27.68 15.86±6.62 41.77 涪陵 126.72±149.42 117.91 12743.60±7335.19 57.56 42.96±13.52 31.47 19.39±5.01 25.85 均值 66.48±150.92 227.00 12922.86±17367.15 134.39 44.23±14.67 33.17 17.14±7.78 45.42

表 4 三峡库区消落带土壤DOM浓度描述统计 Table 4 Descriptive statistics of DOM concentration in soils of water-level fluctuation zones of the Three Gorges Reservoir Region

CDOM是DOM的重要组成部分. 用吸收系数a(355)表征CDOM浓度，各区县消落带土壤a(355)变化范围为0.96~874.89 m^-1，均值为66.48 m^-1±150.92 m^-1. CDOM平均浓度大小顺序为: 忠县>丰都>涪陵>万州>巫山>云阳>奉节>开县. 忠县、 丰都和涪陵土壤 a(355)明显高于其它区县. 不同区县消落带土壤CDOM浓度变异系数有较大差异(表 4)，其中，忠县、 丰都和涪陵 的变异系数最大，变异系数最小的是云阳，为48.20%. 与其它水体CDOM浓度相比(表 5)，土壤CDOM浓度较高，说明土壤较水体而言是有机碳的主要碳库^[34]，土壤CDOM经地表径流、 淋溶和淹水释放等途径可进入水体，是水体CDOM的重要来源之一.

表 5(Table 5)

表 5 土壤CDOM与其它水体的比较 Table 5 Comparison of soils CDOM and other waters 采样点 a(355)/m-1 文献1) 珠江口和南海北部湾 0.069~0.788 [35] 太湖河口区 3.38~5.65 [12] 太湖开敞区 1.42~2.46 [12] 长江口口外近岸区 0.80~3.09 [13] 长江口口外远岸区 0.01~1.58 [13] Chesapeake海湾(淡水) 2.3~4.1 [1] Chesapeake海湾(海水) 0.4~1.5 [1] 石头口门水库6月 2.492~14.734 [36] 石头口门水库9月 3.602~9.062 [36] 珠江河口 0.24~1.93 [19] Barataria河口丰水期 3.25~20.76 [37] Barataria河口枯水期 1.48~25.45 [37] 珠江河口 0.34~1.40 [38] 三峡库区消落带土壤 0.96~874.89 本研究 1) 文献[1]保留小数点后1位，文献[35, 36]保留小数点后3位

表 5 土壤CDOM与其它水体的比较 Table 5 Comparison of soils CDOM and other waters

荧光溶解性有机物(fluorescent dissolved organic matter,FDOM)是CDOM中吸收紫外-可见光后发出荧光的部分，是了解DOM结构性质的重要前提. 消落带土壤DOM荧光强度F_n(355)变化范围为1318.88~122975.30 a.u.,均值为12922.86 a.u.±17367.15 a.u.. DOM荧光强度大小顺序为: 忠县>万州>涪陵>奉节>巫山>云阳>开县>丰都. 忠县最大，为28655.19 a.u.±46950.77 a.u.; 丰都最小，为9295.44 a.u.±5405.60 a.u.. 不同区县消落带土壤DOM荧光强度变异系数有较大差异，其中，忠县的变异系数超过100%，变异系数最小的是云阳，为15.74%. 本研究中，土壤DOM浓度变异系数较高，非荧光组分变化较大，F_n(355)与DOC相关性不显著(P>0.05). 但F_n(355)与a(355)仍呈极显著相关(r=0.744,P<0.01)，表明即使DOM来源和化学组成差异很大，但DOM荧光团与生色团间均存在显著线性相关^[37].

CDOM浓度与荧光强度的区域分布并不一致，可能是因为: ①三峡库区退水后，消落带土壤DOM受农业耕作、 居民生活、 植被覆盖类型等影响，外源输入强度不同，使得荧光组分的区域分布存在差异; ② FDOM是CDOM吸光后发出荧光的部分，但并非所有CDOM吸光后都会发出荧光，且不同区县土壤所受微生物活动和光照的影响也不同. 2.2 紫外-可见吸收光谱特征

从DOM吸收光谱曲线可以看出[图 2(a)]，总体上吸收系数随波长增加呈指数形式递减. 当DOM共轭结构较多、 腐殖化程度较高时，吸光能力也较强，吸收光谱向长波方向移动(红移). 消落区土壤DOM吸收系数的变异系数在104.57%~228.80%之间[图 2(b)]，表明消落区土壤DOM的光谱特征均存在较大地域差异. 其中，忠县、 丰都、 涪陵分别有1个样本的吸收曲线在 250~260 nm段存在明显的较强吸收峰，表明其体系中可能含有两个双键的共轭体系，例如共轭二烯、 α,β-不饱和酮等^[39].

图 2

Fig. 2

图 2 三峡库区消落带土壤DOM紫外-可见吸收光谱和变异系数 Fig. 2 Ultraviolet-visible spectroscopy and variable coefficients of DOM in soils of water-level fluctuation zones of the Three Gorges Reservoir Region

DOM的分子量大小、 芳香性以及疏水性可以通过土壤溶液的光谱特征参数来表征(表 6). 光谱斜率比值S_R是对光谱斜率S的改进^[20,21]，与DOM浓度无关^[40]，能够定性反映DOM地化特征^[20]，例如分子量和光化学潜能. S_R值与分子量呈反比^{[20, 21, 41]}. 本研究各区县消落带土壤DOM的S_R变化范围为0.12~1.60，均值为0.96±0.34. 云阳S_R最大，为1.19±0.33，开县S_R最小，为0.69±0.27. 已有研究表明^[42]，S值的变化一般来自于CDOM组成的差异，其值也可作为区分CDOM来源和组成的参数，本研究各区县消落带土壤CDOM的S_R值大小不一，因而认为各区县消落带土壤CDOM组成存在差异.

表 6(Table 6)

表 6 SR、 SUVA254、 SUVA260的描述统计 Table 6 Descriptive statistics of SR,SUVA254 and SUVA260 区县 SR 变异系数/% SUVA254/L ·(mg ·m)-1 变异系数/% SUVA260/L ·(mg ·m)-1 变异系数/% 巫山 1.09±0.22 20.31 1.29±0.57 43.87 1.23±0.55 44.46 奉节 0.75±0.38 49.92 1.13±0.66 58.41 1.08±0.64 59.10 云阳 1.19±0.33 27.43 1.39±0.91 65.35 1.33±0.87 65.67 开县 0.69±0.27 39.73 1.01±0.44 43.72 0.97±0.43 44.28 万州 1.01±0.53 52.85 1.97±1.45 73.62 1.88±1.38 73.71 忠县 0.88±0.39 44.06 7.06±10.11 143.28 7.67±11.87 154.71 丰都 0.99±0.16 15.87 5.29±5.48 103.44 5.14±5.34 103.96 涪陵 1.09±0.16 14.44 7.41±7.55 101.90 7.16±7.30 102.03 均值 0.96±0.34 35.78 3.32±5.24 157.93 3.31±5.61 169.70

表 6 SR、 SUVA254、 SUVA260的描述统计 Table 6 Descriptive statistics of SR,SUVA254 and SUVA260

SUVA₂₅₄越大，DOM芳香化程度越高^[23]. 三峡库区消落带土壤DOM 的SUVA₂₅₄变化范围为0.29~27.31L ·(mg ·m)^-1，均值为3.32 L ·(mg ·m)^-1± 5.24 L ·(mg ·m)^-1，忠县、 丰都和涪陵明显高于其它区县. SUVA₂₆₀与疏水性有机质所占比例成正比^[24]，三峡库区消落带土壤DOM的SUVA₂₆₀变化范围为0.27~31.61L ·(mg ·m)^-1，均值为3.31 L ·(mg ·m)^-1±5.61L ·(mg ·m)^-1，忠县、 丰都和涪陵明显高于其它区县.

从相关性分析来看(表 7)，消落带土壤DOM的SUVA₂₅₄与SUVA₂₆₀呈显著正相关关系(P<0.01)，表明疏水性和芳香结构关系密切，即芳香性结构主要存在于疏水组分中. SUVA₂₅₄与pH呈显著负相关(P<0.05)，可能是由于土壤pH低，土壤有机质的矿化速率降低^[43]，土壤DOM保留的芳香性结构更多; 另外，较低的pH值可以导致土壤中有机物-金属体系溶解，原来通过内层结合(inner-sphere)等方式作用的芳香性结构得到释放^[44].

表 7(Table 7)

表 7 紫外-可见吸收光谱参数与土壤有机质、 pH的相关性 1) Table 7 Correlations among ultraviolet-visible absorption spectrum parameters,soil organic matter and pH SR SUVA254 SUVA260 DOC 土壤pH 土壤有机质 SR 1 SUVA254 0.014 1 SUVA260 -0.025 0.995 ** 1 DOC 0.222 0.150 0.136 1 土壤pH -0.150 -0.292* -0.277 -0.145 1 土壤有机质 -0.140 -0.124 -0.129 0.023 0.010 1 1)**表示在0.01水平(双侧)上显著相关; *表示在0.05水平(双侧)上显著相关

表 7 紫外-可见吸收光谱参数与土壤有机质、 pH的相关性 1) Table 7 Correlations among ultraviolet-visible absorption spectrum parameters,soil organic matter and pH

3D-EEM总荧光强度(TOT)和各荧光团(峰)荧光强度的积分方法是对3D-EEM进行定量分析的一种有效手段，有助于研究DOM荧光团变化^[32]. 本研究各区县消落带土壤DOM的3D-EEM均表现出相似荧光指纹(图 3): 存在两类4个荧光峰，分别是类腐殖质荧光峰A、 C、 M和类蛋白荧光峰T.

图 3

Fig. 3

图 3 土壤DOM的典型3D-EEM谱图 Fig. 3 Typical 3D-EEM spectra of soil DOM

各区县消落带土壤DOM的TOT大小顺序为: 忠县>万州>云阳>丰都>巫山>奉节>开县>涪陵，尽管与 F_n(355)大小顺序不一致，但通过相关性分析，TOT与DOM单点荧光强度F_n(355)呈极显著相关(r=0.959,P<0.01)，与a(355)也呈极显著相关(r=0.793,P<0.01)，同时，TOT考虑了CDOM中每个荧光团的贡献，能全面反映CDOM荧光团浓度，因此，TOT也可作为表征三峡库区消落带土壤CDOM荧光团含量的指标.

各区县消落带土壤DOM各荧光团(峰)占总荧光强度的比例如表 8所示，类腐殖质荧光峰A所占比例最高. 峰C荧光区域积分比例较小，可能是由于可见光区类腐殖质主要由一些相对稳定高分子量腐殖组分组成，光漂白潜力较高，发生光化学降解的程度较大^{[20, 30, 41]}，导致其区域积分比例较小. 从整体来看，本研究消落带土壤类腐殖质含量相对较高，这可能与库区退水后人类农业生产活动产生的植物枯落物、 土壤微生物活动产生的有机物有关; 而类蛋白荧光强度也相对较高，这可能与生活污水、 工业废水的大量输入、 农业施肥及土壤中微生物产生的类蛋白物质等有关.

表 8(Table 8)

表 8 3D-EEM各荧光团(峰)占总荧光强度的比例 /% Table 8 Proportion of 3D-EEM fluorophores(peaks) in total fluorescence intensity/% 区县 A/TOT 变异系数 C/TOT 变异系数 M/TOT 变异系数 T/TOT 变异系数 巫山 39.27±27.85 70.91 10.29±5.95 57.82 8.87±5.83 65.74 17.41±29.26 168.02 奉节 31.66±10.89 34.38 10.48±3.77 36.00 8.26±2.78 33.66 4.71±1.25 26.59 云阳 27.90±8.68 31.10 7.21±2.55 35.36 5.60±1.90 33.94 3.86±0.73 18.96 开县 35.67±6.78 19.00 10.57±2.11 19.98 7.48±1.37 18.27 5.29±0.87 16.39 万州 26.15±12.70 48.59 7.87±3.98 50.60 5.90±2.83 47.88 3.35±1.14 33.99 忠县 20.84±13.03 62.54 5.81±3.82 65.72 4.40±2.65 60.31 5.74±6.36 110.80 丰都 23.81±17.31 72.73 6.58±5.14 78.01 5.03±3.94 78.32 4.08±1.38 33.89 涪陵 28.85±19.98 69.25 7.52±5.79 77.00 5.73±4.11 71.81 6.75±3.46 51.25 均值 29.27±15.83 54.10 8.29±4.39 52.91 6.41±3.52 54.86 6.40±10.77 168.42

表 8 3D-EEM各荧光团(峰)占总荧光强度的比例 /% Table 8 Proportion of 3D-EEM fluorophores(peaks) in total fluorescence intensity/%

利用SPSS 19.0对整个区域样本的DOC、 a(355)和各荧光组分含量作主成分分析，识别出的两个主因子解释了这些参数变化的84.0%(图 4). 其中，主因子1解释了61.2%的变化，并且与各荧光组分、 a(355)正相关，与DOC负相关. 表 9列出了各荧光峰之间相关性，三峡库区消落带土壤DOM各荧光峰之间均达到极显著相关(P<0.01)，表明它们可能有着相同来源、 或相似化学结构. 另外，T峰与a(355)的关系较密切(图 4)，而A、 C、 M峰与a(355)距离较远，表明类蛋白峰T对CDOM组分的影响较大. 由此可知，所有样本中类腐殖质组分相对稳定，而影响CDOM浓度差异的主要因素是类蛋白物质. 各荧光峰与DOC相关性不显著(表 9)，可能是因为三峡库区退水后，消落区土壤DOM受农 业耕作(例如农家肥的施用、 作物种植等)、 居民生活等影响，外源输入强度不同，一方面使得荧光组分变化存在差异; 另一方面使得非荧光物质在DOM中所占比例不同，因此导致不同样本DOC与荧光强度相关性并不一致. 另外，CDOM可以通过光化学过程被降解，转变成非吸光组分^[45]; 微生物也可以吸收非吸光组分，产生吸光组分^[46]. 因此，单纯的DOC指标并不足以全面描述DOM的地化特征变化.

图 4

Fig. 4

图 4 DOM各荧光峰、 DOC、 a(355)主成分分析 Fig. 4 Principal component analysis of fluorescent peaks,DOC and a(355)

表 9(Table 9)

表 9 DOM不同荧光峰之间相关性 1) Table 9 Correlations among different fluorescence components of DOM A C M T DOC A 1 C 0.974 ** 1 M 0.985 ** 0.987 ** 1 T 0.742 ** 0.633 ** 0.732 ** 1 a(355) 0.216 0.097 0.198 0.674 ** DOC -0.104 -0.121 -0.128 -0.071 1 1)**表示在0.01水平(双侧)上显著相关; *表示在0.05水平(双侧)上显著相关

表 9 DOM不同荧光峰之间相关性 1) Table 9 Correlations among different fluorescence components of DOM

FI反映了芳香氨基酸与非芳香物对DOM荧光强度的相对贡献率，可以作为DOM来源及降解程度的评价指标^[27,47]. 本研究消落带土壤DOM的FI在1.39~1.84之间，变异系数为6.54%. 各区县FI平均值更接近陆源特征值1.4(表 10).

表 10(Table 10)

表 10 FI、 HIXa、 HIXb、 BIX的描述统计 Table 10 Descriptive statistics of FI,HIXa,HIXb and BIX 区县 FI 变异系数/% HIXa 变异系数/% HIXb 变异系数/% BIX 变异系数/% 巫山 1.64±0.13 8.20 2.05±1.40 68.30 0.59±0.24 41.61 0.83±0.17 20.00 奉节 1.63±0.09 5.71 3.17±1.11 35.07 0.74±0.08 10.13 0.75±0.11 14.13 云阳 1.48±0.06 3.78 3.35±1.50 44.70 0.75±0.07 9.54 0.68±0.09 13.64 开县 1.43±0.04 2.96 4.10±1.08 26.37 0.80±0.03 4.32 0.59±0.01 2.14 万州 1.54±0.08 5.17 4.21±1.97 46.87 0.79±0.07 8.90 0.67±0.07 10.22 忠县 1.54±0.08 5.08 2.26±1.99 87.99 0.56±0.28 49.36 0.82±0.21 26.10 丰都 1.56±0.07 4.42 2.12±1.56 73.49 0.58±0.26 45.80 0.83±0.27 32.00 涪陵 1.49±0.06 4.05 1.48±1.15 77.87 0.53±0.19 37.03 0.76±0.12 16.31 均值 1.54±0.10 6.54 2.84±1.69 59.41 0.67±0.20 29.76 0.74±0.16 21.97

表 10 FI、 HIXa、 HIXb、 BIX的描述统计 Table 10 Descriptive statistics of FI,HIXa,HIXb and BIX

HIX表征DOM腐殖化程度，HIX值越高，DOM腐殖化程度越高. 为便于数据对比，本研究采用HIX_a和HIX_b两种形式来进行表征(表 10). 消落区土壤DOM的HIX_a在0.15~7.75之间，均值为2.84±1.69. 各区县HIX_a平均值均小于5，表明其土壤的腐殖化程度均不高. Huguet等^[30]指出，当 HIX_a小于4时，DOM腐殖化程度较弱，主要由微生物活动产生. 为避免内滤效应干扰，采用改进HIX值(HIX_b)得出消落带土壤DOM的HIX_b在0.13~0.89之间，均值为0.67±0.20，也进一步证明该结果.

BIX是反映DOM自生源相对贡献的重要指标，也用来评价其生物可利用性高低. 消落带土壤DOM的BIX在0.57~1.36之间，均值为0.74±0.16. 除开县，各区县BIX平均值在0.7~0.8左右(表 10)，表明所有样本均具有中度新近自生源特征，即自生源特征较显著，生物可利用性较高，因此有利于土壤微生物群落生成. 而土壤微生物活性较高，有利于增加土壤DOM中类蛋白组分，这也正可以解释前文中CDOM浓度和类蛋白组分较高相关性(表 9).

紫外光区荧光(A峰)主要由一些低分子量(高荧光效率)腐殖物质引起; 而可见光区荧光(C峰)则来自相对稳定高分子量腐殖组分^[30,48]，因此，r_(A/C)值可用来反映DOM中腐殖组分发育程度^[30,31]. 本研究消落带土壤DOM的r_(A/C)分布在2.48~7.66之间，均值为3.73±0.85. 各区县消落带土壤DOM的r_(A/C)平均值均较高(表 11)，这可能和DOM频繁的光化学行为有关，类腐殖质C峰的光化学活性强于A峰，更易发生光降解^[20,41]，7~8月正值三峡库区消落带太阳辐照强度最高时段，结 构复杂的大分子有机质被光降解成低分子量有机质物活动产生. 为避免内滤效应干扰，采用改进HIX值(HIX_b)得出消落带土壤DOM的HIX_b在0.13~0.89之间，均值为0.67±0.20，也进一步证明该结果.

BIX是反映DOM自生源相对贡献的重要指标，也用来评价其生物可利用性高低. 消落带土壤DOM的BIX在0.57~1.36之间，均值为0.74±0.16. 除开县，各区县BIX平均值在0.7~0.8左右(表 10)，表明所有样本均具有中度新近自生源特征，即自生源特征较显著，生物可利用性较高，因此有利于土壤微生物群落生成. 而土壤微生物活性较高，有利于增加土壤DOM中类蛋白组分，这也正可以解释前文中CDOM浓度和类蛋白组分较高相关性(表 9).

紫外光区荧光(A峰)主要由一些低分子量(高荧光效率)腐殖物质引起; 而可见光区荧光(C峰)则来自相对稳定高分子量腐殖组分^[30,48]，因此，r_(A/C)值可用来反映DOM中腐殖组分发育程度^[30,31]. 本研究消落带土壤DOM的r_(A/C)分布在2.48~7.66之间，均值为3.73±0.85. 各区县消落带土壤DOM的r_(A/C)平均值均较高(表 11)，这可能和DOM频繁的光化学行为有关，类腐殖质C峰的光化学活性强于A峰，更易发生光降解^[20,41]，7~8月正值三峡库区消落带太阳辐照强度最高时段，结 构复杂的大分子有机质被光降解成低分子量有机质时r_(A/C)升高.

表 11(Table 11)

表 11 r(A/C)、 r(T/C)的描述统计 Table 11 Descriptive statistics of r(A/C)and r(T/C) 区县 r(A/C) 变异系数/% r(T/C) 变异系数/% 巫山 3.71±0.49 13.17 1.31±1.30 99.88 奉节 3.04±0.38 12.38 0.47±0.08 16.93 云阳 3.98±1.03 25.75 0.58±0.18 30.68 开县 3.38±0.09 2.73 0.51±0.11 21.08 万州 3.37±0.22 6.41 0.49±0.17 34.04 忠县 3.89±0.74 19.00 1.43±1.24 86.59 丰都 4.36±1.64 37.70 1.57±1.93 123.29 涪陵 4.11±0.63 15.35 1.30±0.93 71.52

表 11 r(A/C)、 r(T/C)的描述统计 Table 11 Descriptive statistics of r(A/C)and r(T/C)

r_(T/C)是类蛋白荧光与类腐殖质荧光的比值，可用以评价内源贡献比重，DOM受人为排放影响的r_(T/C)值>2.0^[48,49]. 本研究消落带土壤DOM的r_(T/C)分布在0.25~5.35之间，均值为0.96±1.02. 从表 11可看出，巫山、 忠县、 丰都和涪陵r_(T/C)的变异系数较大，主要是由于以上4个区县有5个采样点的r_(T/C)>2.0[图 5(a)]. 结合采样点周边的土地利用类型，这5个采样点主要为农田生态系统(玉米地和菜地)，农业活动导致大量氮、 磷及蛋白质等进入土壤系统，为微生物活动提供充足的营养物质，导致土壤DOM的类蛋白质组分较高. 而其它采样点为草地生态系统，尤其是落干期，植被大量生长[图 5(b)]，成为土壤DOM的重要来源.

图 5

Fig. 5

图 5 DOM的r(A/C)-r(T/C)分布图及沿岸植被生长情况 Fig. 5 Distribution of r(A/C)-r(T/C) of DOM and riparian vegetations growth in sampling sites

将本研究土壤DOM的荧光参数与其它研究进行对比(表 12)发现，其腐殖化程度，较Limagne平原土壤、 Poland土壤、 Elliott土壤(IHSS)DOM、 北方森林土壤孔隙水DOM(陆源输入为主)和Gironde河口DOM(陆源输入为主)低，与污泥堆肥DOM(自生源为主)、 乌梁素海沉积物孔隙水、 厦门雨水相差不大. 另外，BIX值稍低于其他自生源为主的样本. 由此可见，本研究区域土壤DOM样本自生源特征较高，腐殖化程度较低，微生物活动导致的类蛋白物质变化可能是DOM地化特征改变的主要驱动力; 结合当地情况，人为活动(包括农作及生活)的影响，也是该区域DOM类蛋白组分特征明显的重要原因.

表 12(Table 12)

表 12 不同来源DOM荧光参数的对比 Table 12 Comparison of fluorescence spectrum parameters of DOM from different sources DOM来源 FI HIXa HIXb BIX 文献 Limagne平原土壤 —1) — 0.841 — [50] Poland土壤 — — 0.835 — Elliott土壤(IHSS) — — 0.800 — 洞穴水和泉水 >1.6 <5 — 0.5~3.0 [51] 北方森林土壤孔隙水 1.23~1.27 — 0.94~0.96 — [52] 雾水 1.42~1.83 1.76~6.79 — 0.64~1.02 [53] 乌梁素海沉积物孔隙水 — 2.52~5.64 — 0.77~0.94 [54] 乌梁素海沉积物 1.74~1.96 — — — [55] Gironde河口 1.17~1.21 2.6~15.2 — 0.61~0.92 [56] Gironde河口 1.14~1.24 2~17 — 0.60~0.95 [30] 污泥堆肥(+小麦秸秆炭)42 d 1.74 — 0.69 0.80 [57] 污泥堆肥(+花生壳炭)42 d 2.02 — 0.53 1.04 北太平洋海水 1.54~1.77 0.92~1.80 — 0.88~1.38 [58] 厦门雨水 — <4 <0.8 >0.7 [59] 三峡库区消落带土壤 1.39~1.84 0.15~7.75 0.13~0.89 0.57~1.36 本研究 1)“—”表示文献中未明确告知

表 12 不同来源DOM荧光参数的对比 Table 12 Comparison of fluorescence spectrum parameters of DOM from different sources

三峡库区消落带每年存在较明显水位消涨，夏季落干而冬季淹水，每年5~9月，消落带处于落干期. 160 m和170 m高程土壤DOM的紫外-可见吸收参数[S_R，SUVA₂₅₄，SUVA₂₆₀]及荧光参数[FI，HIX_a/HIX_b，BIX，r_(A/C)，r_(T/C)]不存在显著差异，即消落带干湿交替作用对不同高程土壤DOM地化特征影响的差异较小，这和笔者之前的研究结果一致^[14]. 尽管160 m高程土壤淹水时间较170 m长约3个月(图 6)，但一方面本研究采样时间在7~8月，正值太阳辐照强度较高时段，160 m和170 m高程消落带土壤DOM受光漂白过程和生物降解过程影响较为强烈; 另一方面，库区消落带退水后，草本植被生长产生枯落物及根系分泌物，人类农业生产活动产生的植物枯落物，生活污水、 工业废水通过径流等过程进入土壤，均会干扰土壤DOM所经历的地化过程，从而导致不同高程土壤DOM差异性不显著.

通过T检验(T-test)发现160 m高程土壤CDOM浓度(46.95 m^-1±98.02 m^-1)显著低于170 m(86.02 m^-1±190.10 m^-1)(P<0.01)，这与CDOM浓度的主要贡献者——类蛋白物质有关. 由于170 m高程土壤出露时间较160 m长，有机质分解较为旺盛，植物蛋白(例如糖蛋白)分解进入土壤^[60]; 同时农业翻耕和植被生长会使得该高程土壤微生物活性增强，土壤中蛋白质含量增加，从而导致170 m高程土壤DOM中类蛋白质组分含量较多.

图 6

Fig. 6

图 6 2012年三峡库区消落带水位的变化 Fig. 6 Water level variation of water-level fluctuation zones of the Three Gorges Reservoir Region in 2012

表征DOM来源的3个荧光指标中，FI与HIX、 BIX表征的结果不一致. 本研究采样时段光照强度大，陆源特征为主DOM和自生源特征为主DOM相比，发生光漂白的潜力更大. 光降解可将结构复杂的大分子有机质分解成微生物可利用的小分子有机质，这一过程会在HIX、 BIX上有所反映，而FI易受DOM来源、 光学特性和历史光照等影响^[58]，较为不稳定. 因此，采用FI值评估DOM性质时，需进一步结合采样点生态环境和周边土地利用类型等进行分析.

通过与国内水库、 河流、 湖泊及海洋水体DOM荧光谱峰的对比^{[9, 12, 35, 61, 62]}，发现土壤DOM中含有的荧光峰与水体DOM相似. 因此，当三峡水库涨水时，土壤中DOM通过水动力学过程释放到水体中，会成为水库水体DOM的重要来源之一. 本研究是三峡库区消落带土壤DOM地化特征长期观测工作的重要组成部分，今后还将对更大范围、 更多高程，且生物地球化学特征、 植被覆盖存在差异的土壤进行研究，以进一步全面评估干湿交替作用对消落带不同高程土壤DOM地化特征、 水体DOM地化特征及水体中污染物迁移转化的影响.

3 结论

(1)各区县消落带土壤CDOM平均浓度大小顺序为: 忠县>丰都>涪陵>万州>巫山>云阳>奉节>开县，其中，忠县、 丰都和涪陵土壤CDOM浓度[a(355)]、 芳香性(SUVA₂₅₄)和疏水组分(SUVA₂₆₀)明显高于其它区县，而其腐殖化程度(HIX)较其它区县偏低，这可能与土壤有机质矿化速率较高有关.

(2)三峡库区消落带土壤DOM中含有类腐殖质荧光团A、 C、 M和类色氨酸荧光团T. 3D-EEM总荧光强度(TOT)可作为表征三峡库区消落带土壤CDOM荧光团含量的指标.

(3)所有DOM样本均呈现出腐殖化程度较低、 生物可利用性较高的特征. DOM中类腐殖质组分较为稳定，影响CDOM浓度变化的主要因素是类蛋白物质，除受人为农作活动影响外，还可能和土壤较高微生物活性及落干期植被生长有关.

(4)库区160 m和170 m高程消落带土壤DOM地化特征无明显差异，表明干湿交替过程对该区域土壤DOM地化特征影响不显著. 而关于土地利用类型、 沿岸植被生长、 光漂白和生物降解等对该区域土壤DOM地化特征的具体影响还需作进一步研究.