宋孝帥，李 強，夏紅霞，田 銳，丁武泉①

(1.重慶三峽學院環(huán)境與化學工程學院/ 三峽庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警重慶市重點實驗室，重慶 404100；2.重慶文理學院化學與環(huán)境工程學院/ 環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 402160；3.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716)

三峽庫區(qū)是我國重要的淡水資源庫和長江中下游水環(huán)境安全的屏障，紫色土是三峽庫區(qū)最典型的土壤類型之一，庫區(qū)水體中紫色土膠體顆粒的凝聚與其沉積、遷移過程息息相關(guān)，對庫區(qū)水體生態(tài)環(huán)境安全具有重要影響[1]。目前，有關(guān)土壤膠體顆粒凝聚的研究已開展了大量工作，得到了很多有意義的成果，如發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)類型及濃度、膠體顆粒密度、pH、有機質(zhì)等強烈影響著土壤膠體凝聚過程，其中有機質(zhì)被認為是影響土壤膠體凝聚過程的一個重要因素[2-4]。有研究表明土壤有機質(zhì)影響土壤有機/無機膠體的凝聚和形成，主要是通過分子引力、陽離子橋鍵和氫鍵作用。目前，膠體懸浮液中顆粒間范德華引力和靜電斥力之間的關(guān)系主要采用經(jīng)典膠體穩(wěn)定理論解釋[5]。

溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)作為土壤有機質(zhì)最活躍的部分，在環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化以及碳循環(huán)等過程中具有重要作用[6]。它普遍存在于土壤、沉積物及各類水體等自然環(huán)境中，可以通過離子交換、吸附和氧化還原等反應(yīng)改變土壤、沉積物和水體中重金屬遷移轉(zhuǎn)化、生物毒性及空間分布等，受到眾多研究者關(guān)注[7-10]。與固相有機質(zhì)相比，DOM 含有的活性官能團的活性位點更多，是生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的活性組分，能夠為土壤、沉積物和水體中重金屬提供更多的“配位體”和“遷移載體”，使其水溶性和遷移性提高。一些固相有機質(zhì)或大分子物質(zhì)只能在溶解或者胞外酶水解之后才能為微生物所降解，同時微生物的代謝產(chǎn)物及死亡殘體也是土壤DOM的來源之一。另一方面，在一定條件下DOM與土壤有機質(zhì)其他組分之間可以相互轉(zhuǎn)化，始終處于動態(tài)平衡之中[11-12]。此外，對于固相有機質(zhì)，已有的研究多采用去除有機質(zhì)前后向土壤顆粒體系中添加電解質(zhì)的方法來討論有機質(zhì)對各類土壤膠體顆粒凝聚的影響[13-15]。在三峽水庫周期性的干濕交替過程中，土壤中DOM釋放進入水體，勢必與土壤膠體顆粒相互接觸，發(fā)生一系列土-水界面過程，將影響著土壤膠體顆粒凝聚/分散等過程[16]。目前，國內(nèi)主要利用紫外-可見吸收光譜和三維熒光光譜等技術(shù)方法對海洋、湖泊、河口和水庫等水體DOM來源、組成、性質(zhì)和時空變化特征以及土壤中DOM地球化學特征等方面進行大量研究工作[7,10]。然而，有關(guān)DOM對土壤膠體顆粒凝聚/分散等過程影響的研究卻鮮有報道。

因此，該研究以三峽庫區(qū)典型紫色土膠體顆粒為研究對象，采用光散射技術(shù)表征不同濃度DOM對土壤膠體顆粒凝聚過程的影響，采用zeta電位儀測定DOM影響下土壤膠體顆粒zeta電位變化特征，從理論上計算活化能變化規(guī)律，進一步構(gòu)建DOM濃度變化與膠體顆粒表面電荷性質(zhì)以及活化能與凝聚過程規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)，闡明DOM對水體中膠體凝聚過程的影響機制，為三峽庫區(qū)水土生態(tài)環(huán)境安全提供一定理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2021年8月，采集重慶市北碚區(qū)、合川區(qū)和潼南區(qū)的中性、石灰性和酸性紫色土，采集表層(0～20 cm)土壤，自然風干后研磨過0.25 mm孔徑篩，裝瓶待用。3種紫色土有機質(zhì)含量、陽離子交換量(cation exchange capacity，CEC)、pH和礦物組成分別采用重鉻酸鉀氧化-滴定法、中性乙酸銨法、pH計〔V(水)∶m(土)為5∶1〕和X-射線衍射法測定[17]，設(shè)置3個重復(fù)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

2021年10月，提取膠體前先用質(zhì)量分數(shù)為30%的雙氧水去除有機質(zhì)，采用靜水沉降法(石灰性紫色土提取膠體前還需用0.5 mol·L-1HCl去除碳酸鈣)反復(fù)提取粒徑<200 nm的3種紫色土膠體顆粒[18]，然后用0.5 mol·L-1硝酸濃縮，去除上清液。滴加0.1 mol·L-1KOH對土壤膠體進行中和，然后用超純水反復(fù)清洗，并用超聲波分散，將分散后的土壤膠體顆粒懸液裝瓶待用，用pH計測定其pH值為7.1，用烘干法測定中性、石灰性和酸性紫色土膠體顆粒質(zhì)量濃度分別為0.15、0.12和0.08 g·L-1。

DOM提取采用水土振蕩法[10]，稱取定量土壤，以V(水)∶m(土)為10∶1加入純水，遮光條件下以200 r·min-1振蕩16 h 后，離心30 min(離心速度為4 000 r·min-1，離心半徑為173 mm)，離心液用0.45 μm孔徑醋酸纖維濾膜過濾，濾液即DOM，于4 ℃ 條件下保存在棕色瓶中。用烘干法測定從中性、石灰性和酸性紫色土中提取的DOM質(zhì)量濃度分別為0.075、0.085和0.055 g·L-1。

1.2 不同濃度DOM條件下紫色土膠體顆粒zeta電位測定

2022年3月，采用zeta電位分析儀(90 Zeta PALS，Brookhaven公司，美國)測定不同濃度(0.5、0.625、1、1.25、1.7、2.5、5、10和50 mg·L-1)DOM條件下3種紫色土膠體zeta電位。

1.3 紫色土膠體凝聚試驗

2022年5月，采用廣角度激光光散射儀(BI-200SM，Brookhaven，美國)測定不同濃度DOM體系中3種紫色土膠體凝聚的動力學過程[19]，依次取不同體積紫色土膠體、DOM溶液和超純水于散射瓶中，使得體系總體積為10 mL，保證3種紫色土膠體顆粒密度一致。DOM體系質(zhì)量濃度設(shè)為0.5、0.625、1、1.25、1.7、2.5、5、10和50 mg·L-1。試驗前先預(yù)熱25 min，散射角度設(shè)置為 90°，并用溫控器將體系溫度控制為25 ℃，將散射瓶充分搖勻后放入樣品池，散射儀每隔 30 s 自動記錄1次有效水力直徑，每次檢測時間設(shè)定為30 min。

1.4 凝聚速率和活化能計算

基于 JIA 等[20]建立的理論，3種紫色土膠體凝聚過程中粒徑隨時間的變化采用動態(tài)光散射儀測定，得到膠體凝聚的總體平均凝聚速率(total average agglomeration rate，TAA rate)，其計算公式為

(1)

基于TIAN等[21]和LI等[22]的研究，凝聚過程中總體平均凝聚速率與活化能的關(guān)系式為

(2)

式(2)中，K為常數(shù)；k為Botzmann常數(shù)，J·K-1；ΔE(f0)為活化能，J·mmol-1；T為絕對溫度，K。當f0=CCC時，活化能ΔE(f0)=0，所以有：

(3)

將式(3)代入式(2)，得到活化能計算公式：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度DOM對紫色土膠體顆粒凝聚動力學的影響

基于動態(tài)光散射技術(shù)測定得到3種紫色土膠體顆粒的粒度分布。結(jié)果表明，中性紫色土膠體顆粒有效粒徑集中分布于200～300 nm，平均有效粒徑為267 nm；石灰性紫色土膠體顆粒有效粒徑集中分布于200～290 nm，平均有效粒徑為260 nm；酸性紫色土膠體顆粒有效粒徑集中分布于170～240 nm，平均有效粒徑為210 nm。

不同濃度DOM溶液中3種紫色土膠體凝聚體有效粒徑隨時間的變化見圖1。由圖1可知，加入DOM溶液后，3種紫色土膠體顆粒的有效粒徑均表現(xiàn)出隨時間增加而增大的趨勢，這說明有膠體凝聚的發(fā)生。當ρ(DOM)為0～5、0～2.5和0～1.7 mg·L-1時，中性、石灰性、酸性紫色土凝聚體的有效粒徑增長與時間呈線性關(guān)系，隨著ρ(DOM)從5、2.5、1.7 mg·L-1升至50 mg·L-1，凝聚體有效粒徑增長速度加快，凝聚體有效粒徑隨時間增加呈冪函數(shù)增長關(guān)系。在DOM體系中，3種紫色土膠體有效粒徑的變化均表現(xiàn)出顯著差異。在相同DOM濃度和凝聚時間條件下(DOM質(zhì)量濃度為1.25 mg·L-1，凝聚時間為15 min)，中性、石灰性和酸性紫色土凝聚體有效粒徑分別為319、435和548 nm，表現(xiàn)為酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。

圖1 不同濃度DOM條件下3種紫色土膠體凝聚過程中粒徑隨時間的變化

2.2 不同濃度DOM對紫色土膠體總體平均凝聚速率(TAA)和臨界聚沉濃度(CCC)的影響

由圖2可知，TAA在較低DOM濃度條件下呈線性增長關(guān)系，而當DOM濃度達到某一閾值后，TAA 增長速度明顯變緩。在較低DOM濃度條件下，中性、石灰性和酸性紫色土膠體凝聚擬合直線的斜率分別為5.57、11.04和21.51，即TAA隨DOM濃度增長的敏感性均表現(xiàn)為酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。在相同DOM濃度條件下，3種紫色土膠體TAA表現(xiàn)為酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。當ρ(DOM)為1.25 mg·L-1時，中性、石灰性和酸性紫色土TAA分別為4.90、10.88和17.20 nm·min-1，這與有效粒徑大小變化順序一致。在加入不同濃度DOM溶液后，在低DOM濃度條件下，3種紫色土凝聚體有效粒徑隨時間增加均呈線性增長關(guān)系；隨著DOM濃度升高到某一閾值時，凝聚體有效粒徑隨時間增加表現(xiàn)為冪函數(shù)增長，凝聚體粒徑在前期快速增長而后增速緩慢或保持穩(wěn)定[23]。

為了進一步定量比較DOM對3種紫色土膠體凝聚的影響，計算了3種紫色土膠體總體平均凝聚速率(TAA)隨DOM濃度變化的關(guān)系(圖2)。膠體快速凝聚與慢速凝聚之間的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的濃度即為該體系的臨界聚沉濃度(CCC)。由圖2可知，中性、石灰性和酸性紫色土CCC分別為4.74、2.72和1.77 mg·L-1，中性紫色土CCC分別是石灰性和酸性紫色土的1.74和2.68倍，3種紫色土膠體CCC表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

圖2 3種紫色土膠體總體平均凝聚速率和臨界聚沉濃度

2.3 不同濃度DOM對紫色土膠體顆粒zeta電位的影響

3種紫色土膠體顆粒在不同濃度DOM溶液中的zeta電位見圖3。由圖3可知，3種紫色土顆粒的zeta電位均為負值，這表明紫色土顆粒表面帶負電荷，且隨著DOM濃度的增加，zeta電位絕對值下降，因為DOM帶有大量有機官能團，其性質(zhì)與富里酸和胡敏酸相近，可與土壤膠體顆粒相互作用，從而改變其表面電荷性質(zhì)[6,8]。有機物質(zhì)通常攜帶大量負電荷，如果按照有機物質(zhì)和無機膠體兩個組分電荷數(shù)量簡單加和，那么添加DOM后土壤顆粒zeta電位絕對值應(yīng)呈現(xiàn)上升趨勢。但是，筆者研究中添加DOM后，土壤顆粒負電荷數(shù)量出現(xiàn)減小規(guī)律。這主要是因為土壤有機物質(zhì)和無機膠體并非以機械方式組合，而是通過化學鍵、分子引力、橋鍵或氫鍵等方式相結(jié)合。同時，土壤有機/無機復(fù)合膠體電荷數(shù)量并不是有機物質(zhì)和無機膠體電荷數(shù)量的簡單相加，有機物質(zhì)可以通過各種作用屏蔽土壤無機膠體電荷，所以添加DOM后表現(xiàn)出負電荷數(shù)量減少，zeta電位絕對值下降[14]。在相同DOM濃度下，3種紫色土zeta電位絕對值表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。當ρ(DOM)為2.5 mg·L-1時，中性、石灰性和酸性紫色土zeta電位分別為-16.11、-8.03和-4.84 mV。zeta電位被認為是膠體滑動面上的電位，在給定的條件下，膠體顆粒表面電荷狀況決定其數(shù)值大小和正負[24]。zeta電位絕對值越大，顆粒間靜電斥力越大，從DOM影響下3種紫色土顆粒zeta電位值變化情況可知，顆粒間靜電斥力大小表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。顆粒間靜電斥力越大，越容易分散，DOM影響膠體顆粒凝聚的能力大小排序為酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。此外，由3種紫色土膠體顆粒 zeta電位絕對值隨DOM濃度變化規(guī)律，可以得到中性、石灰性和酸性紫色土膠體顆粒在添加DOM后zeta電位隨DOM濃度變化存在一個臨界值，分別為5.0、2.5和1.7 mg·L-1，此與CCC值大小排序一致。

圖3 不同濃度DOM對3種紫色土zeta電位的影響

2.4 不同濃度DOM對紫色土膠體活化能的影響

離子與膠體顆粒作用引發(fā)膠體懸液穩(wěn)定性改變的參數(shù)常用活化能表征，因而活化能可用于定量表征紫色土膠體顆粒相互作用強度[25]。將圖2 中所獲得的總體平均凝聚速率隨DOM濃度變化的關(guān)系式代入式(4)，得到添加不同濃度DOM溶液后紫色土膠體凝聚的活化能隨DOM濃度變化的表達式(表2)。

表2 不同濃度DOM條件下3種紫色土膠體凝聚的活化能〔ΔE(f0)〕表達式

根據(jù)表2中的表達式，可繪制3種紫色土在不同濃度DOM溶液作用下凝聚過程中的活化能變化曲線(圖4)。由圖4可知，隨DOM濃度的升高，膠體顆粒間相互作用活化能不斷降低，特別是在低DOM濃度條件下，活化能下降趨勢更加顯著。當ρ(DOM)從0.5 mg·L-1升至1.7 mg·L-1時，中性紫色土活化能從2.95 kT降至0.95 kT，而當ρ(DOM)從1.7 mg·L-1升至4.73 mg·L-1時，活化能從0.95 kT降至0.002 kT；當ρ(DOM)從0.5 mg·L-1升至1.7 mg·L-1時，石灰性紫色土活化能從2.61 kT降至0.55 kT，而當ρ(DOM)從1.7 mg·L-1升至2.7 mg·L-1時，活化能從0.55 kT降至0.008 kT；當ρ(DOM)從0.5 mg·L-1升至1.25 mg·L-1時，酸性紫色土活化能從2.60 kT降至0.54 kT，而當ρ(DOM)從1.25 mg·L-1升至1.76 mg·L-1時，活化能從0.54 kT降至0.008 kT。在相同DOM濃度條件下，3種紫色土膠體顆粒間活化能表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。例如，當ρ(DOM)為1.25 mg·L-1時，中性、石灰性和酸性紫色土活化能分別為1.22、0.95和0.54 kT，在該濃度條件下，中性紫色土膠體顆粒處于分散狀態(tài)(圖1)，這是由于活化能較大時，膠體很難靠近而發(fā)生凝聚現(xiàn)象，石灰性和酸性紫色土膠體顆粒則發(fā)生不同程度的凝聚。

圖4 DOM體系中土壤膠體顆粒間相互作用的活化能

3 討論

土壤DOM 是含有多種有機化合物的非均相混合物，在實驗提取操作上的定義是能通過0.45 μm孔徑濾膜的具有不同結(jié)構(gòu)及相對分子質(zhì)量的溶解性有機物，其包括碳水化合物、游離氨基酸、有機酸以及酶、氨基糖和腐殖質(zhì)等。其中，腐殖質(zhì)的主要組分胡敏酸和富里酸在 DOM 中占較大比例?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn) DOM帶有很多活性官能團，如羧基、烷基、酚羥基、醇羥基、甲氧基和醛基等[11]。雖然已有光譜、色譜和質(zhì)譜等多種表征技術(shù)，但由于DOM組分的多樣性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且各個組分的表征信息還可能相互干擾，因此，多數(shù)研究者在實際操作中還不可能對所有組分逐一進行分離和測定，往往只能根據(jù)它們的某些特性，將其分成不同組分，然后分別加以研究[26]。DOM組分可按特殊化合物和化學基團、元素和官能團進行劃分，還可按親水-疏水性、酸-堿性質(zhì)進行劃分，或者按相對分子質(zhì)量進行劃分[27]。有研究認為DOM的吸附和絮凝作用主要是由其疏水性、表面羥基與有機酸之間的配體交換、靜電相互作用以及與其他陰離子共吸附和競爭所傳導(dǎo)的；土壤DOM的一些蛋白物質(zhì)，也可與黏土礦物形成黏土-蛋白質(zhì)復(fù)合體[28]。也有研究認為DOM中腐殖酸分子結(jié)構(gòu)含有大量活性官能團，如酚羥基、羧基、醇羥基等，所以具有很高的反應(yīng)活性，能與環(huán)境中各種粒子發(fā)生相互作用，如離子交換、吸附-解吸、絡(luò)合等，而且往往是多種機理同時發(fā)生作用[13]。DOM被認為是一種“超分子團聚體”，它的粒徑大小處于介觀尺度，處于這一范圍的膠體顆粒間的相互作用力主要有范德華引力、靜電斥力等長程作用力。目前，膠體懸浮液中顆粒間相互作用力之間的關(guān)系主要采用經(jīng)典膠體穩(wěn)定理論解釋[24]。

土壤膠體間的凝聚通常以DLVO(Derjaguin-Landan-Verwey-Overbeek)理論和雙電層理論為基礎(chǔ)，主要取決于靜電斥力、范德華引力以及水合斥力的合力[29]。在不同離子類型和濃度條件下，范德華引力和水合斥力基本保持相等，主要受影響的是靜電斥力，而靜電斥力主要取決于其 zeta 電位值[30]。筆者研究結(jié)果表明隨著DOM濃度的升高，DOM攜帶的大量有機官能團與土壤膠體顆粒相互作用，從而改變其表面電荷性質(zhì)，3種紫色土膠體zeta 電位絕對值降低，顆粒間靜電斥力減小。在相同DOM濃度下，3種紫色土zeta電位絕對值表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，這主要是由不同土壤礦物組成引起的。由表1可知，中性紫色土中蒙脫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種紫色土膠體中中性紫色土膠體單位質(zhì)量土壤顆粒電荷數(shù)量最多，zeta電位絕對值最大[31]。同時，在添加DOM溶液后中性、石灰性和酸性紫色土膠體顆粒zeta電位絕對值隨DOM濃度變化存在一個臨界值，分別為5.0、2.5和1.7 mg·L-1。

靜電斥力的變化必將對紫色土顆粒凝聚產(chǎn)生影響，通過光散射試驗發(fā)現(xiàn)，加入DOM溶液后，3種紫色土膠體顆粒有效粒徑均表現(xiàn)出隨時間增加而增大的趨勢，這說明有膠體凝聚的發(fā)生。同時，在相同DOM濃度和時間條件下，3種紫色土凝聚體的有效粒徑大小排序為酸性紫色土>石灰性紫色土>中性紫色土。從理論上計算3種紫色土膠體隨DOM濃度變化的TAA，得到中性、石灰性和酸性紫色土膠體的CCC分別為4.74、2.72和1.77 mg·L-1，這與zeta 電位絕對值隨DOM濃度變化的臨界值大小排序一致。同時，膠體發(fā)生凝聚時，活化能大小可反映膠體顆粒間排斥勢壘的強弱，即活化能越低，相應(yīng)的排斥勢壘也越低，通過壓縮雙電層而激發(fā)凝聚就越容易[32]。筆者研究結(jié)果表明，隨DOM濃度的增加，3種紫色土膠體顆粒間的活化能不斷減小，特別在較低DOM濃度下變化更加顯著，這解釋了膠體顆粒凝聚隨DOM濃度升高而增強的現(xiàn)象[33]。此外，3種紫色土在相同DOM濃度下膠體顆粒間相互作用的活化能大小排序為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，說明加入DOM溶液后，酸性紫色土膠體產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象所需要克服的顆粒間活化能明顯小于石灰性和中性紫色土。因此，酸性紫色土膠體在DOM溶液中更易產(chǎn)生凝聚，這與前文中zeta電位(絕對值)變化規(guī)律、CCC大小排序保持一致。

4 結(jié)論

(1)不同濃度DOM條件下紫色土膠體從慢速凝聚(線性增長)轉(zhuǎn)化為快速凝聚(冪函數(shù)增長)，3種紫色土在DOM體系中TAA存在強烈差異，中性、石灰性和酸性紫色土CCC分別為4.74、2.72和1.77 mg·L-1，表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

(2)3種紫色土膠體顆粒zeta電位(絕對值)隨著DOM濃度的升高而減小，顆粒間靜電排斥力降低，同時，zeta電位(絕對值)隨DOM濃度變化存在一個臨界值，分別為5.0、2.5和1.7 mg·L-1，此與CCC值大小排序一致；3種紫色土膠體顆粒在相同DOM濃度條件下zeta電位(絕對值)表現(xiàn)為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土。

(3)3種紫色土膠體顆粒間活化能隨DOM濃度的增加而不斷減小，在較低DOM濃度范圍內(nèi)，活化能下降趨勢尤為明顯，在相同DOM濃度條件下，3種紫色土膠體顆粒間活化能大小排序為中性紫色土>石灰性紫色土>酸性紫色土，此與CCC、zeta電位(絕對值)大小排序保持一致，表明DOM對水體中膠體凝聚過程的影響是通過改變其表面電荷導(dǎo)致顆粒間靜電斥力變化而引起的。

(4)隨著DOM濃度的變化，相比于酸性、石灰性紫色土，中性紫色土zeta電位絕對值、活化能和CCC值更高，表明中性紫色土膠體在DOM溶液中更難產(chǎn)生凝聚，團聚體穩(wěn)定性更低，從而導(dǎo)致土壤膠體顆粒的遷移性更強，因此，發(fā)生土壤流失的風險更大，應(yīng)加強中性紫色土區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警。

致謝：特別感謝沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院高曉丹博士在土壤膠體凝聚動態(tài)光散射實驗中給予指導(dǎo)和幫助。