引用本文
孔玲, 王妍, 王克勤, 赵洋毅, 张叶飞. 不同波段紫外光对重度石漠化土壤易提取态腐殖质光解的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(8): 2311-2316.
KONG Ling, WANG Yan, WANG Ke-qin, ZHAO Yang-yi, ZHANG Ye-fei. Effects of Different Wavelengths of Ultraviolet Light on the Photolysis of Easily Extractable Humus in Severely Rocky Desertification Soils[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(8): 2311-2316.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)08-2311-06  
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不同波段紫外光对重度石漠化土壤易提取态腐殖质光解的影响
孔玲1, 王妍1,2,3, 王克勤1, 赵洋毅1, 张叶飞1,2,3,*
1.西南林业大学水土保持学院, 石漠化研究院, 云南 昆明 650224
2.云南省高校石漠化防治工程研究中心, 云南 昆明 650224
3.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室, 云南 昆明 650224
*通讯作者 e-mail: zhangyefei@swfu.edu.cn

作者简介: 孔 玲, 女, 2003年生, 西南林业大学水土保持学院学士 e-mail: 2366557946@qq.com

收稿日期: 2024-08-02 修回日期: 2025-03-03
基金: 国家重点研发计划项目(2022YFF1302900), 国家自然科学基金项目(31901206, 42067005), 云南省基础研究计划项目(202001AT070136)
摘要

以重度石漠化土壤为研究对象, 模拟干旱条件下重度石漠化土壤在不同波段紫外光照射下的光解过程, 探究重度石漠化土壤易提取态腐殖质在不同紫外光照射下分解转化过程。 结果表明: (1)在不同波段紫外光照射下, 重度石漠化土壤中总碳总氮含量均随光照时间增长呈现上升趋势; 而碳氮比均减小, 表明紫外光的照射促进了土壤腐殖质矿化, 提升了腐殖质分解速率。 (2)三种波段紫外光照射均使重度石漠化土壤易提取态腐殖质中羧羟基、 伯胺、 双键和碳酸盐等的含量产生波动性变化后稳定, 并在不同程度上影响烃类物质的生成过程。 (3)随光照时间增长土壤易提取态腐殖质中苯环上的取代基逐渐以脂肪链为主, 芳构化程度提高; UVA和UVB照射组疏水组分增加。 综上所述, 不同波段紫外线的照射能显著影响土壤腐殖质生烃能力, 并促进易提取态腐殖质缩合和芳构化, 加快土壤腐殖质矿化进程。

关键词: 石漠化; 紫外光; 腐殖质
中图分类号:S153.1 文献标志码:A
Effects of Different Wavelengths of Ultraviolet Light on the Photolysis of Easily Extractable Humus in Severely Rocky Desertification Soils
KONG Ling1, WANG Yan1,2,3, WANG Ke-qin1, ZHAO Yang-yi1, ZHANG Ye-fei1,2,3,*
1. Rocky Desertification Research Institute, College of Soil and Water Conservation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China
2. Engineering Research Center of Stony Desertification Prevention in Universities of Yunnan Province, Kunming 650224, China
3. Key Laboratory of Ecological Environment Evolution and Pollution Control in Mountainous and Rural Areas of Yunnan Province, Kunming 650224, China
*Corresponding author
Abstract

This study focuses on the soil of severely rocky desertification,simulating the photolysis process under various wavelengths of ultraviolet(UV) light in drought conditions.The aim is to investigate the decomposition and transformation process of easily extractable humus in severely rocky desertification under varying UV light exposures. The results indicated that: (1) Under various wavelengths of UV irradiation, the total carbon (TC) and total nitrogen (TN) levels in severely rocky desertification soil showed an upward trend as the irradiationtime increased. However, the decrease in the C/N indicated that the irradiation of UV light promoted mineralization and decomposition rate of humus. (2) The contents of primary amine, double bond, carbonate, and O—H of carboxy were stabilized after fluctuating change in the humus easily extracted from the severely rocky desertification soil. They affected the hydrocarbon-generating process to varying degrees depending on various wavelengths of UV irradiation. (3)With increased irradiation time, the substituent group on the benzene ring of the easily extractable humus gradually became dominated by aliphatic chains, the degree of aromatization was enhanced, and the hydrophobic component was increased under UVA and UVB irradiation.In conclusion, ultraviolet radiation in different wavelengths could affect the capacity for hydrocarbon generation, promote the condensation and aromatization of easily extractable humus, and accelerate the process of soil humus mineralization.

Keyword: Rocky desertification; Ultraviolet light; Humus
0. 引言

石漠化是土地生产力退化的一种形式, 更是造成该地区贫困发生的重要因素, 我国西南喀斯特岩溶地区石漠化问题非常严重[1], 也是目前世界上连片面积发育规模最大的三大岩溶中心之一[2]。 有研究证实, 腐殖质是一种大量分布在土壤圈的有机质[3], 在石漠化演替进程中腐殖质的分子尺寸变小、 结构逐渐简单化, 从而使土壤持水性能减弱, 团粒结构稳定性下降, 造成土壤抗侵蚀能力减弱, 易发生水土流失问题[4]。

腐殖质具有呈黄色或黑色、 高分子量和难以降解的特性[5], 其含量多少会显著影响土壤缓冲能力和交换能力[6]。 土壤腐殖质本身就是一类光敏剂, 其会在紫外光照射下直接发生分解反应[3], 紫外线辐射可能会造成土壤多样性和生物地球化学循环过程发生改变[7]。 Huang等[7]通过对比焚烧地块和未焚烧地块中的鞘翅目爬行动物和紫外线辐射对枯落物分解的影响, 得到了紫外线辐射可能会直接或间接促进腐殖质分解的结果。 金鑫鑫等[8]阐述了将13C同位素示踪技术应用于农田土壤碳循环与土壤团聚体固碳领域的相关研究, 指出利用该技术可研究输入土壤有机质分解及动态变化过程, 明晰土壤有机质分解路径、 生成产物和发育程度。 Derenne等[9]认为红外光谱可以研究土壤腐殖酸的结构和组分, Gude, Leigh等[10, 11]基于傅里叶变换红外光谱技术, 开展微米尺度上(50 μ m)有机质分子结构研究, 采用微米级分辨率逐点测量并进行积分, 将得到光谱特征区域的峰面积等参数对目标官能团的分布情况。 王彬等[3]综述如何利用紫外-可见吸收光谱等表征技术研究腐殖质本身的光解反应过程及其作为光敏剂和光过滤剂对磺胺类药物光解机制的影响。

目前研究多聚焦于光照对动植物残体、 水体中溶解性有机质(DOM)和水体沉积物的影响, 光照直接作用于土壤腐殖质研究更值得关注[12], 尤其是三种波段紫外线(UVA: 315~400 nm; UVB: 280~315 nm; UVC: 200~280 nm)直接作用如何影响土壤腐殖质光解的过程。 因此, 本文以基岩裸露面积大和紫外光辐射强度大的西南喀斯特地区重度石漠化土壤为研究对象, 借助元素分析仪、 傅里叶变换红外光谱法和紫外-可见吸收光谱法测定三种波段紫外光照射对该地区土壤易提取态腐殖质光解过程的影响, 从腐殖质化学成分和官能团变化角度揭示重度石漠化土壤腐殖质在土壤碳氮循环和转化中的内在过程和影响机制, 可为完善石漠化土壤碳氮循环过程和石漠化综合治理提供有力支撑。

1 实验部分
1.1 样品制备

西南喀斯特石漠化地区紫外线强, 植被盖度小, 且以云南松Pinus yunnanensis、 紫茎泽兰Eupatorium adenophorum、 白刺花Nitraria tangutorum为主。 土壤样品采集地位于云南省昆明市石林县, 样地地势较平、 肥力均匀, 裸岩面积比例为80%~83%。 共选取了3块样地, 样地1(103° 20'27.6″E, 24° 46'15.24″N), 样地2(103° 20'29.04″E, 24° 46'14.16″N), 样地3(103° 20'29.04″E, 24° 46'13.8″N)。 对3块样地进行对角线采样, 每个样地采集10~15个样点, 确保每个样点的面积占到样地面积的5%~10%, 并在每个样点采取20 cm厚度的混合土样, 并剔除土壤中的根系、 石块、 动植物残体等杂物。 采用四分法, 去除多余的土样部分, 最终保留了约5 kg的土样并将其装入袋子中。

1.2 实验方法

模拟紫外光照射实验, 在三个恒温培养箱内安装三种波段的紫外光灯管(上海嘉鹏科技有限公司, 灯管功率10 W)各10根, 并使灯光照射尽量均匀, 灯管中心波长分别为UVA: 365 nm, UVB: 302 nm, UVC: 254 nm。 将土样均匀平铺在表面皿上, 并放置于三个恒温培养箱中, 保持环境条件一致[温度: (20± 2) ℃; 空气湿度: 20%~30%]。 光照和暗反应各12 h交替进行, 间隔5 d取样一次, 连续进行30天实验。 模拟干旱状态下三种波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的光解实验, 以水为溶剂对受试土壤进行提取, 利用超声波清洗机辅助提取, 取其上清液保留待测。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤总碳和总氮含量分析

土壤总碳和总氮使用元素分析仪(德国元素, UNICUBE)进行测定。 称取0.4~0.5 g(精确度0.000 1 g)试样(经室温干燥后, 装入离心管中留存)装入锡杯中并按要求包好, 通过自动进样器进样测定[13]。

1.3.2 红外光谱数据分析计算

本研究将各组土壤水提液与KBr以1∶ 100混匀烘干压片(20 MPa下经30 s压成近透明薄片)进行制样。 采用傅里叶变换红外光谱仪(安捷伦科技有限公司, Cary640)进行分析测量, 光谱范围4 000~400 cm-1, 分辨率4 cm-1, 扫描32次, 以KBr为背景, 图谱能够反映出物质所含官能团的种类[14, 15, 16]。

根据不同官能团的峰值面积比可计算A、 C因子, 计算公式见式(1)和式(2)[17]。

A=(Z2930+Z2860)(Z2930+Z2860+Z1630)(1)

C=Z1710(Z1710+Z1630)(2)

其中, A通过计算脂类吸收峰与芳香吸收峰强度的比值得到, 而C表示含氧官能团吸收峰与芳香吸收峰强度的比值[18], ZX表示红外光谱在X波数时对应的峰面积。

1.3.3 紫外-可见吸收光谱测定相关指标

在紫外-可见吸收光谱的测定中, 通过测定进行特征吸收分析。 波长扫描范围在200~800 nm之间, 间隔1 nm。 参照Korshin等[19]的测量方法, 在203、 250、 253、 254、 260、 300、 365、 400、 465和665 nm处测定易提取态腐殖质水提液的吸光度, 分别记为A203、 A250、 A253、 A254、 A260、 A300、 A365、 A400、 E465和E665。 计算A250/A365、 A300/A400、 E465/E665、 A253/A203的值, 同时根据A254、 A260计算SUVA260和SUVA254的值。

1.3.4 数据统计与分析

使用Excel对试验数据进行初步整理, 采用SPSS、 Origin进行数据处理、 统计分析和图形绘制。 采用单因素方差分析对不同处理下各指标进行显著性检验。

2 结果与讨论
2.1 不同波段紫外线照射下重度石漠化土壤中总碳总氮变化特征

土壤腐殖质主要由碳水化合物、 含氮物质、 木质素等组成[3], 紫外辐射提升了土壤腐殖质中木质素的光解速率从而加速腐殖质分解[20], 这是由于木质素中所含碳-氧基团的光降解波长均分布在295~400 nm, 在紫外辐射作用下, 木质素大分子被分解为小分子有机物和低分子碳水化合物, 故其对UVA和UVB组光辐射敏感。 受试土壤经UVA、 UVB和UVC三种波段紫外光照射后土壤总氮(TN)、 总碳(TC)和碳氮比(C/N)的变化规律如表1所示。 由表1可知, 经UVA和UVB波段紫外光照射, 土壤总碳总氮质量分数整体呈增大趋势, UVC照射组增大趋势不明显, 紫外光的照射对土壤碳氮的积累最终表现为促进作用, 并表现出随紫外光波长的增加而增大的趋势。 这可能是由于土壤结合水的蒸发和脱水反应的发生, 从而使土壤中碳氮含量均表现为上升趋势, 表明UVA和UVB波段紫外光的照射产生的腐殖质光解产物中易挥发性物质的碳氮含量占比较少, 而UVC波段紫外光的照射则更易产生易挥发性的碳、 氮物质, 使腐殖质的分解更为彻底。 相关研究表明[21]土壤碳氮比降低, 能够在一定程度上促进土壤微生物分解碳氮的能力, 加快土壤矿化速率, 进而影响土壤碳氮循环和土壤质量[22]。 随照射时间增长, 受试土壤易提取态腐殖质的碳氮比在UVA、 UVB和UVC组中均呈下降趋势。 结合总碳和总氮的结果表明, 三种波段紫外线照射均对土壤矿化有促进作用, 提升腐殖质的分解速率。

表1 不同波段紫外线照射后重度石漠化土壤TC、 TN及C/N值随光照时间的变化 Table 1 The value of TN, TC, and C/N for severely rocky desertification soil with illumination
2.2 不同波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质中有机质分子结构特征

有机质分子结构的研究对于揭示三种波段紫外线照射下土壤易提取态腐殖质的变化有重要意义[5], 通过红外光测定其各化学官能团吸收强度, 得一维红外光谱图, 如图1所示。

图1 不同波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的红外光谱图Fig.1 Infrared spectra of easily extractable humus in severely rocky desertification soil under various wavelengths of UV irradiation with increased irradiation time

由图1可以看出, 三种波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的红外光谱在3 550、 3 480、 3 410、 3 120、 1 620、 1 400和1 100 cm-1具有典型特征吸收峰, 且各组间特征峰和吸收强度存在一定差异。 3 550 cm-1处的红外特征吸收峰归属于醇羟基分子内氢键伸缩振动[23], UVA和UVB照射组在该处的吸收峰均随光照时间增长呈先增加再减小最后逐渐稳定, UVC照射组则相反, 表明三种波段紫外光的照射影响了土壤易提取态腐殖质中氢键的形成, 改变了碳水化合物的结构[3]。 3 480和3 410 cm-1处的红外特征吸收峰归属于苯环上伯胺N— H键的伸缩振动, 而3 120 cm-1处的红外特征吸收峰归属于不饱和C— H伸缩振动和羧羟基O— H键伸缩振动[24], UVA和UVB照射组的吸收峰均随光照时间增长呈先增加再减小最后逐渐稳定, UVC照射组则相反, 表明紫外光照射使土壤易提取态腐殖质中羧羟基和伯胺的含量发生规律变化。 在1 620和1 400 cm-1附近的红外特征吸收峰归属于C=C键和羧酸盐伸缩振动[25], 而木质素的芳香特征是源于其结构中的苯环和双键, 这些基团在光照下不稳定, 故使木质素易发生光分解反应, UVA和UVB照射组的吸收峰均随光照时间增长呈先增加再减小最后逐渐稳定, 而UVC组变化不明显, 表明UVA和UVB波段紫外光的照射显著影响了土壤腐殖质中碳水化合物和木质素的分解转化, 从而影响土壤易提取态腐殖质中碳含量的变化。 1 100 cm-1附近的红外特征吸收峰归属于脂肪链C— C键和C— O键伸缩振动[26], UVA、 UVB和UVC照射组分别在光照20、 15和25 d出现吸收峰的最大值, 表明三种波段紫外光将从一定程度上影响受试土壤易提取态腐殖质中脂肪链化合物的含量。

Craddock等[27]认为烃的生成与脂肪族C— H结构的损失同步发生, 且伴随含氧官能团的分解。 A因子可以代表脂类与芳香环特征吸收峰强度的比值, 而C因子可以代表含氧官能团吸收峰与芳香官能团吸收峰强度的比值[15]。 利用红外光谱数据计算得到各组A、 C因子, 分析在不同紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的分子结构和演化趋势, 结果如图2所示。 从图2可以看出, 随光照时间的增加, 各光照组中A因子与C因子值均呈现明显上下波动并逐渐趋于稳定的趋势, 且UVA照射组A因子与C因子值的波动幅度明显强于UVB和UVC组, 说明UVA波段紫外线对试验土壤易提取态腐殖质生烃能力的影响明显高于其他两组。 产生这种趋势的原因是在紫外光和干旱条件的胁迫下土壤会通过改变自身性质用于抵抗外界干扰, 并使自身结构和功能保持原状。 但其自我调节能力有一定限度, 加之紫外光照射对土壤腐殖质分解矿化的促进作用, 致使土壤无法回到最初状态。

图2 不同波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的A和C因子变化
2.3 不同波段紫外光照射下重度石漠化土壤易提取态腐殖质的紫外光谱分析Fig.2 A and C factors of easily extractable humus in severely rocky desertification soil under various wavelengths of UV irradiation with increased irradiation time

为了进一步探究三种波段紫外光对重度石漠化地区土壤易提取态腐殖质分解过程的影响, 本研究对不同条件下试验土壤水提液的紫外-可见吸光度特性值进行了测量, 并计算A250/A365、 A300/A400、 E465/E665、 A253/A203、 SUVA260和SUVA254的值, 结果如图3所示。 A250/A365值描述溶解性有机质的芳香性和相对分子质量大小, 该值大小与二者均成反比[28]; A300/A400值描述溶解性腐殖质组成, 若该值大于3.5, 则主要由富里酸组成, 反之由腐殖酸组成[29]; E465/E665值越低, 腐殖质缩合及芳构化程度越高[30]; A253/A203值描述芳环上取代基类别, 当芳环上的取代基以脂肪链为主时, 该值较低, 反之取代基则以羰基、 羧基、 羟基、 酯类为主[31]; SUVA260值与溶解性有机质的疏水性组分含量成正比[28]; SUVA254值与溶解性有机质的腐殖化程度、 芳香性物质含量成正比[32]。

图3 重度石漠化土壤易提取态腐殖质紫外-可见吸收光谱参数随紫外光照射时间变化的趋势Fig.3 Variation of ultraviolet-visible spectral parameters of easily extractable humus in severely rocky desertification soil under various wavelengths of UV irradiation with increasee irradiation time

由图3可知, 随光照时间的增加A250/A365值在UVB和UVC组中呈上升趋势, UVC照射组的变化趋势最为明显, 表明UVB和UVC波段紫外光的照射使土壤易提取态腐殖质的分子量以及芳香性减小[28]; UVA照射组几乎没有变化。 三组紫外光照射实验中A300/A400值都低于3.5, 表明经过30 d光照实验土壤易提取态腐殖质水提取液均以腐殖酸为主[29]。 各照射组E465/E665值均随光照时间的增加而减小, 说明紫外光的照射促进了土壤易提取态腐殖质缩合和芳构化[30]。 A253/A203值均随时间的增加而减小, 表明在紫外光的照射下土壤易提取态腐殖质中苯环上的脂肪链取代基逐渐占优, 以UVC组最为显著[31]。 在UVA和UVB波段紫外光的照射下, SUVA254值随光照时间增长而增加, 说明该波段紫外光照射增加了土壤的腐殖化程度; UVC照射组中该值明显下降, 与UVA和UVB组呈相反趋势[32]。 SUVA260值的变化与SUVA254值相同, 有研究表明, SUVA260值与土壤溶解性有机质的疏水组分含量呈正比, 说明UVA和UVB实验组中, 土壤溶解性有机质中疏水组分增多[28]。

3 结论

将西南喀斯特重度石漠化地区土壤作为研究对象, 从组成成分和官能团变化角度阐述了该地区土壤腐殖质光解过程。 结果表明, 三种波段紫外线照射均能促进土壤矿化, 在一定程度上提升腐殖质的分解速率。 紫外光的照射会通过影响土壤易提取态腐殖质氢键的结合、 芳香环上官能团组成及含量, 来影响碳水化合物和木质素的形成与分解, 从而对土壤易提取态腐殖质中碳氮含量产生影响。 三种波段紫外线照射均促进了土壤易提取态腐殖质缩合和芳构化, 并对土壤易提取态腐殖质的生烃能力、 疏水组分和芳环上取代基类别变化产生一定影响。

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