可溶性有机质对三峡库区土壤胶体颗粒凝聚的影响

宋孝帅，李 强，夏红霞，田 锐，丁武泉①

(1.重庆三峡学院环境与化学工程学院/ 三峡库区地质环境监测与灾害预警重庆市重点实验室，重庆 404100；2.重庆文理学院化学与环境工程学院/ 环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆 402160；3.西南大学资源环境学院，重庆 400716)

三峡库区是我国重要的淡水资源库和长江中下游水环境安全的屏障，紫色土是三峡库区最典型的土壤类型之一，库区水体中紫色土胶体颗粒的凝聚与其沉积、迁移过程息息相关，对库区水体生态环境安全具有重要影响[1]。目前，有关土壤胶体颗粒凝聚的研究已开展了大量工作，得到了很多有意义的成果，如发现电解质类型及浓度、胶体颗粒密度、pH、有机质等强烈影响着土壤胶体凝聚过程，其中有机质被认为是影响土壤胶体凝聚过程的一个重要因素[2-4]。有研究表明土壤有机质影响土壤有机/无机胶体的凝聚和形成，主要是通过分子引力、阳离子桥键和氢键作用。目前，胶体悬浮液中颗粒间范德华引力和静电斥力之间的关系主要采用经典胶体稳定理论解释[5]。

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)作为土壤有机质最活跃的部分，在环境污染物的迁移转化以及碳循环等过程中具有重要作用[6]。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、吸附和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，受到众多研究者关注[7-10]。与固相有机质相比，DOM 含有的活性官能团的活性位点更多，是生态系统中一种重要的活性组分，能够为土壤、沉积物和水体中重金属提供更多的“配位体”和“迁移载体”，使其水溶性和迁移性提高。一些固相有机质或大分子物质只能在溶解或者胞外酶水解之后才能为微生物所降解，同时微生物的代谢产物及死亡残体也是土壤DOM的来源之一。另一方面，在一定条件下DOM与土壤有机质其他组分之间可以相互转化，始终处于动态平衡之中[11-12]。此外，对于固相有机质，已有的研究多采用去除有机质前后向土壤颗粒体系中添加电解质的方法来讨论有机质对各类土壤胶体颗粒凝聚的影响[13-15]。在三峡水库周期性的干湿交替过程中，土壤中DOM释放进入水体，势必与土壤胶体颗粒相互接触，发生一系列土-水界面过程，将影响着土壤胶体颗粒凝聚/分散等过程[16]。目前，国内主要利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱等技术方法对海洋、湖泊、河口和水库等水体DOM来源、组成、性质和时空变化特征以及土壤中DOM地球化学特征等方面进行大量研究工作[7,10]。然而，有关DOM对土壤胶体颗粒凝聚/分散等过程影响的研究却鲜有报道。

因此，该研究以三峡库区典型紫色土胶体颗粒为研究对象，采用光散射技术表征不同浓度DOM对土壤胶体颗粒凝聚过程的影响，采用zeta电位仪测定DOM影响下土壤胶体颗粒zeta电位变化特征，从理论上计算活化能变化规律，进一步构建DOM浓度变化与胶体颗粒表面电荷性质以及活化能与凝聚过程规律之间的关联，阐明DOM对水体中胶体凝聚过程的影响机制，为三峡库区水土生态环境安全提供一定理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2021年8月，采集重庆市北碚区、合川区和潼南区的中性、石灰性和酸性紫色土，采集表层(0～20 cm)土壤，自然风干后研磨过0.25 mm孔径筛，装瓶待用。3种紫色土有机质含量、阳离子交换量(cation exchange capacity，CEC)、pH和矿物组成分别采用重铬酸钾氧化-滴定法、中性乙酸铵法、pH计〔V(水)∶m(土)为5∶1〕和X-射线衍射法测定[17]，设置3个重复，相关数据见表1。

2021年10月，提取胶体前先用质量分数为30%的双氧水去除有机质，采用静水沉降法(石灰性紫色土提取胶体前还需用0.5 mol·L-1HCl去除碳酸钙)反复提取粒径<200 nm的3种紫色土胶体颗粒[18]，然后用0.5 mol·L-1硝酸浓缩，去除上清液。滴加0.1 mol·L-1KOH对土壤胶体进行中和，然后用超纯水反复清洗，并用超声波分散，将分散后的土壤胶体颗粒悬液装瓶待用，用pH计测定其pH值为7.1，用烘干法测定中性、石灰性和酸性紫色土胶体颗粒质量浓度分别为0.15、0.12和0.08 g·L-1。

DOM提取采用水土振荡法[10]，称取定量土壤，以V(水)∶m(土)为10∶1加入纯水，遮光条件下以200 r·min-1振荡16 h 后，离心30 min(离心速度为4 000 r·min-1，离心半径为173 mm)，离心液用0.45 μm孔径醋酸纤维滤膜过滤，滤液即DOM，于4 ℃ 条件下保存在棕色瓶中。用烘干法测定从中性、石灰性和酸性紫色土中提取的DOM质量浓度分别为0.075、0.085和0.055 g·L-1。

1.2 不同浓度DOM条件下紫色土胶体颗粒zeta电位测定

2022年3月，采用zeta电位分析仪(90 Zeta PALS，Brookhaven公司，美国)测定不同浓度(0.5、0.625、1、1.25、1.7、2.5、5、10和50 mg·L-1)DOM条件下3种紫色土胶体zeta电位。

1.3 紫色土胶体凝聚试验

2022年5月，采用广角度激光光散射仪(BI-200SM，Brookhaven，美国)测定不同浓度DOM体系中3种紫色土胶体凝聚的动力学过程[19]，依次取不同体积紫色土胶体、DOM溶液和超纯水于散射瓶中，使得体系总体积为10 mL，保证3种紫色土胶体颗粒密度一致。DOM体系质量浓度设为0.5、0.625、1、1.25、1.7、2.5、5、10和50 mg·L-1。试验前先预热25 min，散射角度设置为 90°，并用温控器将体系温度控制为25 ℃，将散射瓶充分摇匀后放入样品池，散射仪每隔 30 s 自动记录1次有效水力直径，每次检测时间设定为30 min。

1.4 凝聚速率和活化能计算

基于 JIA 等[20]建立的理论，3种紫色土胶体凝聚过程中粒径随时间的变化采用动态光散射仪测定，得到胶体凝聚的总体平均凝聚速率(total average agglomeration rate，TAA rate)，其计算公式为

(1)

基于TIAN等[21]和LI等[22]的研究，凝聚过程中总体平均凝聚速率与活化能的关系式为

(2)

式(2)中，K为常数；k为Botzmann常数，J·K-1；ΔE(f0)为活化能，J·mmol-1；T为绝对温度，K。当f0=CCC时，活化能ΔE(f0)=0，所以有：

(3)

将式(3)代入式(2)，得到活化能计算公式：

(4)

2 结果与分析

2.1 不同浓度DOM对紫色土胶体颗粒凝聚动力学的影响

基于动态光散射技术测定得到3种紫色土胶体颗粒的粒度分布。结果表明，中性紫色土胶体颗粒有效粒径集中分布于200～300 nm，平均有效粒径为267 nm；石灰性紫色土胶体颗粒有效粒径集中分布于200～290 nm，平均有效粒径为260 nm；酸性紫色土胶体颗粒有效粒径集中分布于170～240 nm，平均有效粒径为210 nm。

不同浓度DOM溶液中3种紫色土胶体凝聚体有效粒径随时间的变化见图1。由图1可知，加入DOM溶液后，3种紫色土胶体颗粒的有效粒径均表现出随时间增加而增大的趋势，这说明有胶体凝聚的发生。当ρ(DOM)为0～5、0～2.5和0～1.7 mg·L-1时，中性、石灰性、酸性紫色土凝聚体的有效粒径增长与时间呈线性关系，随着ρ(DOM)从5、2.5、1.7 mg·L-1升至50 mg·L-1，凝聚体有效粒径增长速度加快，凝聚体有效粒径随时间增加呈幂函数增长关系。在DOM体系中，3种紫色土胶体有效粒径的变化均表现出显著差异。在相同DOM浓度和凝聚时间条件下(DOM质量浓度为1.25 mg·L-1，凝聚时间为15 min)，中性、石灰性和酸性紫色土凝聚体有效粒径分别为319、435和548 nm，表现为酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。

图1 不同浓度DOM条件下3种紫色土胶体凝聚过程中粒径随时间的变化

2.2 不同浓度DOM对紫色土胶体总体平均凝聚速率(TAA)和临界聚沉浓度(CCC)的影响

由图2可知，TAA在较低DOM浓度条件下呈线性增长关系，而当DOM浓度达到某一阈值后，TAA 增长速度明显变缓。在较低DOM浓度条件下，中性、石灰性和酸性紫色土胶体凝聚拟合直线的斜率分别为5.57、11.04和21.51，即TAA随DOM浓度增长的敏感性均表现为酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。在相同DOM浓度条件下，3种紫色土胶体TAA表现为酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。当ρ(DOM)为1.25 mg·L-1时，中性、石灰性和酸性紫色土TAA分别为4.90、10.88和17.20 nm·min-1，这与有效粒径大小变化顺序一致。在加入不同浓度DOM溶液后，在低DOM浓度条件下，3种紫色土凝聚体有效粒径随时间增加均呈线性增长关系；随着DOM浓度升高到某一阈值时，凝聚体有效粒径随时间增加表现为幂函数增长，凝聚体粒径在前期快速增长而后增速缓慢或保持稳定[23]。

为了进一步定量比较DOM对3种紫色土胶体凝聚的影响，计算了3种紫色土胶体总体平均凝聚速率(TAA)随DOM浓度变化的关系(图2)。胶体快速凝聚与慢速凝聚之间的转折点所对应的浓度即为该体系的临界聚沉浓度(CCC)。由图2可知，中性、石灰性和酸性紫色土CCC分别为4.74、2.72和1.77 mg·L-1，中性紫色土CCC分别是石灰性和酸性紫色土的1.74和2.68倍，3种紫色土胶体CCC表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

图2 3种紫色土胶体总体平均凝聚速率和临界聚沉浓度

2.3 不同浓度DOM对紫色土胶体颗粒zeta电位的影响

3种紫色土胶体颗粒在不同浓度DOM溶液中的zeta电位见图3。由图3可知，3种紫色土颗粒的zeta电位均为负值，这表明紫色土颗粒表面带负电荷，且随着DOM浓度的增加，zeta电位绝对值下降，因为DOM带有大量有机官能团，其性质与富里酸和胡敏酸相近，可与土壤胶体颗粒相互作用，从而改变其表面电荷性质[6,8]。有机物质通常携带大量负电荷，如果按照有机物质和无机胶体两个组分电荷数量简单加和，那么添加DOM后土壤颗粒zeta电位绝对值应呈现上升趋势。但是，笔者研究中添加DOM后，土壤颗粒负电荷数量出现减小规律。这主要是因为土壤有机物质和无机胶体并非以机械方式组合，而是通过化学键、分子引力、桥键或氢键等方式相结合。同时，土壤有机/无机复合胶体电荷数量并不是有机物质和无机胶体电荷数量的简单相加，有机物质可以通过各种作用屏蔽土壤无机胶体电荷，所以添加DOM后表现出负电荷数量减少，zeta电位绝对值下降[14]。在相同DOM浓度下，3种紫色土zeta电位绝对值表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。当ρ(DOM)为2.5 mg·L-1时，中性、石灰性和酸性紫色土zeta电位分别为-16.11、-8.03和-4.84 mV。zeta电位被认为是胶体滑动面上的电位，在给定的条件下，胶体颗粒表面电荷状况决定其数值大小和正负[24]。zeta电位绝对值越大，颗粒间静电斥力越大，从DOM影响下3种紫色土颗粒zeta电位值变化情况可知，颗粒间静电斥力大小表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。颗粒间静电斥力越大，越容易分散，DOM影响胶体颗粒凝聚的能力大小排序为酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。此外，由3种紫色土胶体颗粒 zeta电位绝对值随DOM浓度变化规律，可以得到中性、石灰性和酸性紫色土胶体颗粒在添加DOM后zeta电位随DOM浓度变化存在一个临界值，分别为5.0、2.5和1.7 mg·L-1，此与CCC值大小排序一致。

图3 不同浓度DOM对3种紫色土zeta电位的影响

2.4 不同浓度DOM对紫色土胶体活化能的影响

离子与胶体颗粒作用引发胶体悬液稳定性改变的参数常用活化能表征，因而活化能可用于定量表征紫色土胶体颗粒相互作用强度[25]。将图2 中所获得的总体平均凝聚速率随DOM浓度变化的关系式代入式(4)，得到添加不同浓度DOM溶液后紫色土胶体凝聚的活化能随DOM浓度变化的表达式(表2)。

表2 不同浓度DOM条件下3种紫色土胶体凝聚的活化能〔ΔE(f0)〕表达式

根据表2中的表达式，可绘制3种紫色土在不同浓度DOM溶液作用下凝聚过程中的活化能变化曲线(图4)。由图4可知，随DOM浓度的升高，胶体颗粒间相互作用活化能不断降低，特别是在低DOM浓度条件下，活化能下降趋势更加显著。当ρ(DOM)从0.5 mg·L-1升至1.7 mg·L-1时，中性紫色土活化能从2.95 kT降至0.95 kT，而当ρ(DOM)从1.7 mg·L-1升至4.73 mg·L-1时，活化能从0.95 kT降至0.002 kT；当ρ(DOM)从0.5 mg·L-1升至1.7 mg·L-1时，石灰性紫色土活化能从2.61 kT降至0.55 kT，而当ρ(DOM)从1.7 mg·L-1升至2.7 mg·L-1时，活化能从0.55 kT降至0.008 kT；当ρ(DOM)从0.5 mg·L-1升至1.25 mg·L-1时，酸性紫色土活化能从2.60 kT降至0.54 kT，而当ρ(DOM)从1.25 mg·L-1升至1.76 mg·L-1时，活化能从0.54 kT降至0.008 kT。在相同DOM浓度条件下，3种紫色土胶体颗粒间活化能表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。例如，当ρ(DOM)为1.25 mg·L-1时，中性、石灰性和酸性紫色土活化能分别为1.22、0.95和0.54 kT，在该浓度条件下，中性紫色土胶体颗粒处于分散状态(图1)，这是由于活化能较大时，胶体很难靠近而发生凝聚现象，石灰性和酸性紫色土胶体颗粒则发生不同程度的凝聚。

图4 DOM体系中土壤胶体颗粒间相互作用的活化能

3 讨论

土壤DOM 是含有多种有机化合物的非均相混合物，在实验提取操作上的定义是能通过0.45 μm孔径滤膜的具有不同结构及相对分子质量的溶解性有机物，其包括碳水化合物、游离氨基酸、有机酸以及酶、氨基糖和腐殖质等。其中，腐殖质的主要组分胡敏酸和富里酸在 DOM 中占较大比例。现有研究发现 DOM带有很多活性官能团，如羧基、烷基、酚羟基、醇羟基、甲氧基和醛基等[11]。虽然已有光谱、色谱和质谱等多种表征技术，但由于DOM组分的多样性和结构的复杂性，且各个组分的表征信息还可能相互干扰，因此，多数研究者在实际操作中还不可能对所有组分逐一进行分离和测定，往往只能根据它们的某些特性，将其分成不同组分，然后分别加以研究[26]。DOM组分可按特殊化合物和化学基团、元素和官能团进行划分，还可按亲水-疏水性、酸-碱性质进行划分，或者按相对分子质量进行划分[27]。有研究认为DOM的吸附和絮凝作用主要是由其疏水性、表面羟基与有机酸之间的配体交换、静电相互作用以及与其他阴离子共吸附和竞争所传导的；土壤DOM的一些蛋白物质，也可与黏土矿物形成黏土-蛋白质复合体[28]。也有研究认为DOM中腐殖酸分子结构含有大量活性官能团，如酚羟基、羧基、醇羟基等，所以具有很高的反应活性，能与环境中各种粒子发生相互作用，如离子交换、吸附-解吸、络合等，而且往往是多种机理同时发生作用[13]。DOM被认为是一种“超分子团聚体”，它的粒径大小处于介观尺度，处于这一范围的胶体颗粒间的相互作用力主要有范德华引力、静电斥力等长程作用力。目前，胶体悬浮液中颗粒间相互作用力之间的关系主要采用经典胶体稳定理论解释[24]。

土壤胶体间的凝聚通常以DLVO(Derjaguin-Landan-Verwey-Overbeek)理论和双电层理论为基础，主要取决于静电斥力、范德华引力以及水合斥力的合力[29]。在不同离子类型和浓度条件下，范德华引力和水合斥力基本保持相等，主要受影响的是静电斥力，而静电斥力主要取决于其 zeta 电位值[30]。笔者研究结果表明随着DOM浓度的升高，DOM携带的大量有机官能团与土壤胶体颗粒相互作用，从而改变其表面电荷性质，3种紫色土胶体zeta 电位绝对值降低，颗粒间静电斥力减小。在相同DOM浓度下，3种紫色土zeta电位绝对值表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，这主要是由不同土壤矿物组成引起的。由表1可知，中性紫色土中蒙脱石和蛭石含量均最高，酸性紫色土均最低，而酸性紫色土中石英含量最高，石灰性紫色土次之，中性紫色土最低，因此，在3种紫色土胶体中中性紫色土胶体单位质量土壤颗粒电荷数量最多，zeta电位绝对值最大[31]。同时，在添加DOM溶液后中性、石灰性和酸性紫色土胶体颗粒zeta电位绝对值随DOM浓度变化存在一个临界值，分别为5.0、2.5和1.7 mg·L-1。

静电斥力的变化必将对紫色土颗粒凝聚产生影响，通过光散射试验发现，加入DOM溶液后，3种紫色土胶体颗粒有效粒径均表现出随时间增加而增大的趋势，这说明有胶体凝聚的发生。同时，在相同DOM浓度和时间条件下，3种紫色土凝聚体的有效粒径大小排序为酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。从理论上计算3种紫色土胶体随DOM浓度变化的TAA，得到中性、石灰性和酸性紫色土胶体的CCC分别为4.74、2.72和1.77 mg·L-1，这与zeta 电位绝对值随DOM浓度变化的临界值大小排序一致。同时，胶体发生凝聚时，活化能大小可反映胶体颗粒间排斥势垒的强弱，即活化能越低，相应的排斥势垒也越低，通过压缩双电层而激发凝聚就越容易[32]。笔者研究结果表明，随DOM浓度的增加，3种紫色土胶体颗粒间的活化能不断减小，特别在较低DOM浓度下变化更加显著，这解释了胶体颗粒凝聚随DOM浓度升高而增强的现象[33]。此外，3种紫色土在相同DOM浓度下胶体颗粒间相互作用的活化能大小排序为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，说明加入DOM溶液后，酸性紫色土胶体产生凝聚现象所需要克服的颗粒间活化能明显小于石灰性和中性紫色土。因此，酸性紫色土胶体在DOM溶液中更易产生凝聚，这与前文中zeta电位(绝对值)变化规律、CCC大小排序保持一致。

4 结论

(1)不同浓度DOM条件下紫色土胶体从慢速凝聚(线性增长)转化为快速凝聚(幂函数增长)，3种紫色土在DOM体系中TAA存在强烈差异，中性、石灰性和酸性紫色土CCC分别为4.74、2.72和1.77 mg·L-1，表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

(2)3种紫色土胶体颗粒zeta电位(绝对值)随着DOM浓度的升高而减小，颗粒间静电排斥力降低，同时，zeta电位(绝对值)随DOM浓度变化存在一个临界值，分别为5.0、2.5和1.7 mg·L-1，此与CCC值大小排序一致；3种紫色土胶体颗粒在相同DOM浓度条件下zeta电位(绝对值)表现为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

(3)3种紫色土胶体颗粒间活化能随DOM浓度的增加而不断减小，在较低DOM浓度范围内，活化能下降趋势尤为明显，在相同DOM浓度条件下，3种紫色土胶体颗粒间活化能大小排序为中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，此与CCC、zeta电位(绝对值)大小排序保持一致，表明DOM对水体中胶体凝聚过程的影响是通过改变其表面电荷导致颗粒间静电斥力变化而引起的。

(4)随着DOM浓度的变化，相比于酸性、石灰性紫色土，中性紫色土zeta电位绝对值、活化能和CCC值更高，表明中性紫色土胶体在DOM溶液中更难产生凝聚，团聚体稳定性更低，从而导致土壤胶体颗粒的迁移性更强，因此，发生土壤流失的风险更大，应加强中性紫色土区域的环境监测与灾害预警。

致谢：特别感谢沈阳农业大学土地与环境学院高晓丹博士在土壤胶体凝聚动态光散射实验中给予指导和帮助。