1 引言(Introduction)

β-HCH是一种典型的有机氯农药及持久性有机污染物，具有化学性质稳定、不易降解、残留期长、易在土壤中蓄积等特点.虽然我国已于1983年开始禁止使用β-HCH，但由于其持久性，各种环境介质特别是土壤中仍然能检测到β-HCH的残留(时磊等，2015; Yanget al.，2012).

吸附作用是有机污染物在土壤中迁移转化的重要途径.溶解性有机质是最活跃的有机质之一，尽管占有机质的比例很小，但对有机污染物在土壤中的吸附行为起着决定作用(Wanget al.，2012;Flores Céspedes et al.，2006).一方面，DOM中的疏水基团容易与疏水性有机污染物结合形成配合物，既可以促进有机物在溶液中的溶解，也可以导致有机物与DOM产生共迁移，使其从土壤环境中迁移和扩散出来( Williams et al.，2000)，从而抑制土壤对有机污染物的吸附.Smith等(2011)研究表明，DOM能促进多环芳烃(PAHs)从非水相向水相迁移，增加其表观溶解态的浓度；雷秋霜等(2014)的研究则表明，DOM具有表面活性剂的性质.另一方面，DOM在土壤表面以累积吸附的形式增加了土壤有机碳含量，使土壤表面吸附点位增加，对有机物的吸附容量也随之增加.赵晓丽等(2014)研究指出，DOM可以与有机污染物先结合形成复合物，然后以复合物的形式被吸附到土壤中.不同的DOM组分对DOM在土壤中的环境行为影响很大.Wu等(2012)研究表明，PAHs与大分子量DOM组分结合的分配系数明显大于小分子量的DOM组分，这与大分子量DOM组分具有更低的极性、更强的疏水性与芳香性有关.Stumpe等(2010)研究发现，污泥中芳香性组分与土壤DOM中非芳香性组分存在动态交换过程，芳香性组分的增加可促进土壤和沉积物对雌二醇的吸附.总之，DOM对有机污染物在土壤中的迁移吸附作用机理影响复杂，有必要结合其组分特征进行深入的研究.

目前，关于DOM对有机氯农药的吸附影响研究较少，并且主要集中于外源DOM上.而内源DOM作为土壤的固有组分之一，对污染物的吸附影响不容忽视.因此，本文选取β-HCH作为有机氯农药的代表，结合土壤内源DOM及不同外源DOM的紫外-可见荧光光谱和三维荧光光谱特征，探讨内、外源DOM的不同结构组分对土壤吸附β-HCH的作用，以期进一步揭示有机氯农药在土壤中的环境行为.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验材料 2.1.1 实验试剂与仪器主要试剂

β-HCH标准品购自美国AccuStandard公司；甲醇(农残级)购自美国TEDIA公司；NaN₃和无水CaCl₂均为分析纯.

主要仪器：气相色谱仪(Agilent-7890A)，紫外-可见分光光度计，荧光光谱仪，恒温振荡仪(SHA-B)，氮空吹扫浓缩仪(SPT-24)，总有机碳(TOC)分析仪(Apollo9000).

2.1.2 供试土样作吸附剂的土样

供试土壤采自江汉平原四湖流域上区长湖至汉江一带的农田.江汉平原是我国重要的产粮基地，农田众多，曾是有机氯农药使用的重灾区，因此，研究该区土壤对β-HCH的吸附影响因素极具代表性.本次研究在水稻地和蔬菜地各选取1个采样点采集土样，编号分别为A水稻土和B菜地土，经纬度分别为30°32′54.5″N、112°40′11.5″E和30°27′10.5″N、112°35′15.2″E.采集的土壤样品在室内自然风干后，去除石块、动植物残体等杂质，研碎后过20目筛；按丛鑫等(2012)的分类方法对土壤进行分析，其主要理化性质见表 1，矿物含量见表 2.

去除DOM的土样：分别称取若干份12 g的A、B土样，每份土样分别与120 mL超纯水混合，于200 r·min^-1、25 ℃恒温条件下振荡2 h，离心后，取滤液测定DOC，计算DOM的去除量.重新加入等量超纯水，重复该过程至DOC测定结果不再变化.结果表明，A土和B土DOM的去除率均能达到90%以上.土样风干后磨碎，过20目筛，作为去除内源DOM的土样.本实验中，去除内源DOM的A、B土样分别编号为A-DOM和B-DOM.

营养土：营养土是为了满足幼苗生长发育而专门配制的含有多种矿质营养，一般由肥沃的大田土与腐熟厩肥混合配制而成的床土.本实验所用购自花圃.

污泥：取自小河底部，自然风干后，去除石块、动植物残体等杂质，研碎后过20目筛

2.1.3 溶液的配制背景电解质溶液

准确称取1.1098 g无水CaCl₂(背景电解质)和100 mg NaN₃(抑菌剂)，加超纯水溶解并定容至1000 mL，配得浓度为0.01 mol·L^-1的背景电解质溶液，现配现用.

β-HCH标准液：准确称取0.0100 g β-HCH标准品，用25 mL甲醇溶解定容，得到β-HCH浓度为400 μg·mL^-1的标准液；吸取5 mL β-HCH标准液，用背景电解质溶液定容至1000 mL，配得的储备液β-HCH浓度为2 μg·mL^-1.

DOM提取液：将供试土样B土、淤泥、营养土风干，过20目筛，备用.分别取3种土样各10 g于15 mL具塞锥形瓶中，加入100 mL超纯水溶解，于200 r·min^-1、25 ℃恒温条件下振荡12 h，离心30 min，上清液过0.45 μm的滤膜，所得滤液即为各土壤DOM溶液.将上述方法提取的3种DOM溶液经TOC分析仪测定后，统一稀释到45 mg·L^-1浓度备用.

2.2 实验方法 2.2.1 去除内源DOM后的吸附实验

称取若干份A土、B土、A-DOM土、B-DOM土，质量均为0.20 g，置于一系列25 mL锥形瓶中，分别加入10 mL β-HCH浓度分别为10、20、30、50、80 ng·mL^-1等系列浓度的溶液.采用批量实验的方法，在(25±1)℃和200 r·min^-1条件下恒温振荡24 h至吸附平衡(根据吸附动力学实验研究，吸附平衡时间定为24 h)后，以3000 r·min^-1离心10 min，取5 mL上清液经C18固相萃取柱用二氯甲烷萃取后，过无水Na₂SO₄干燥，并用正己烷置换，氮吹浓缩至0.2 mL，加入内标五氯硝基苯(PCNB).每组实验重复3次.通过分析β-HCH溶液的初始浓度和平衡浓度的差值，确定土壤对 β-HCH的吸附量.

2.2.2 加入外源DOM后的吸附实验

称取若干份质量均为0.20 g的A土样于一系列25 mL锥形瓶中，分别加入10 mL DOM浓度均为20 mg·L^-1的淤泥DOM溶液、营养土DOM溶液和B土DOM溶液.在上述锥形瓶中分别加入10 mL浓度分别为10、20、30、50、80 ng·mL^-1等系列浓度的 β-HCH溶液，采取批量实验的方法，吸附平衡后的处理和分析方法同2.2.1 节.

2.2.3 紫外-可见光谱实验

紫外-可见光谱在岛津UV-2550紫外-可见分光光度计上进行测定.扫描波长设定为200~700 nm，程序自动绘制扫描光谱曲线.根据光谱数据计算特征紫外吸光系数SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀.

2.2.4 三维荧光光谱实验DOM的三维荧光光谱测定

在FP-6500型荧光光谱仪上进行.激发光源为150 W氙弧灯；PMT电压700 V；信噪比＞110；带通(Bandpass)：激发波长λ_Ex=3 nm，发射波长λ_Em=5 nm；响应时间设为自动；扫描速度1000 nm·min^-1；扫描波长范围为：λ_Ex=200~450 nm，λ_Em=200~600 nm；扫描光谱进行仪器自动校正.

2.2.5 仪器检测

DOM的测定是通过TOC仪测定溶液中DOC的含量而得.β-HCH利用气相色谱仪测定.配⁶³Ni电子捕获检测器，色谱柱为HP-5石英毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)，进样口温度230 ℃，检测器温度280 ℃.待测样品采用无分流进样，内标法定量.本实验溶液中β-HCH的方法回收率为89%.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 光谱特征分析 3.1.1 紫外-可见光谱特征

分析对A土、B土、营养土、淤泥4种土壤的DOM进行紫外-可见光谱特征分析，紫外光谱特征光谱参数如表 3所示.

紫外-可见光谱特征可以反映DOM本身的性质(共轭体系、腐殖化程度、腐殖物质组成等).SUVA₂₅₄主要用来表征DOM芳香性及腐殖程度的强弱，SUVA₂₅₄值越大，DOM芳香化程度越高( et al，2003)，腐殖程度也越高(谢理等，2013).而SUVA₂₆₀与DOM中疏水性有机组分含量成正比(Jaffrain et al.，2007).由表 3可知，4种DOM的SUVA₂₅₄、SUVA₂₆₀大小排序一致，由大到小顺序为：营养土＞A土＞淤泥＞B土，表明DOM的芳香性、腐殖程度和疏水性由强到弱的分别是：营养土、A土、淤泥、B土.

E₂₅₃/E₂₀₃和E₂₅₃/E₂₂₀的值能反映芳香环的取代程度及取代基种类，E₂₅₃/E₂₀₃和E₂₅₃/E₂₂₀值较小时，芳香环上的取代基脂肪链含量较多，而值较大时，芳香环上的取代基中羰基、羧基、羟基、酯类含量较高(Korshin et al.，1997).由各种土壤DOM的E₂₅₃/E₂₀₃和E₂₅₃/E₂₂₀的大小，结合其芳香性和疏水性，推测营养土DOM芳香环上的取代基中羰基、羧基、羟基、酯类含量最高，淤泥DOM中脂肪链最多.A土中羰基、羧基、羟基、酯类含量含量少于B土.

E₂₅₀/E₃₆₅的大小与DOM的分子量大小呈负相关，该值越大则DOM的分子量越小(Dorado et al.，2003).由4种土壤DOM的E₂₅₀/E₃₆₅值可知，各土壤DOM分子量大小排序为：B土＞营养土＞A土＞污泥.

3.1.2 三维荧光光谱特征分析

利用三维荧光光谱对4种土的DOM进行组分分析，结果见图 1和表 4.Baker等(2002)研究表明，不同来源的溶解有机质具有不同的荧光基团，并且荧光峰的位置和荧光强度也不相同，故可利用三维荧光峰位置区分DOM的来源及组成.一般而言，天然环境中各种溶解性有机质的λ_Ex/λ_Em荧光峰位置可概述如下：ClassI(λ_Ex约为350~440 nm，λ_Em约为430~510 nm)、ClassII(λ_Ex约为310~360 nm，λ_Em约为370~450 nm)、ClassIII(λ_Ex约为260~290 nm，λ_Em约为300~350 nm)、ClassIV(λ_Ex约为240~270 nm，λ_Em约为370~440 nm).其中，ClassI 为类腐殖酸荧光，ClassII与ClassIV为类富里酸荧光，ClassIII为类蛋白荧光(Wu et al.，2001; Leenheer et al.，2003).由图 1、表 4可知，对4种土壤DOM的对比可知，除B土DOM外，其他3种土壤DOM的三维荧光谱峰位置(λ_Ex/λ_Em)均为350 nm/430 nm，且出峰区域更多的处于类腐殖质荧光峰区域，故可推断A土、淤泥、营养土的DOM成分以类腐殖质为主.而营养土DOM谱峰的荧光强度明显高于比其他3种样品，说明营养土DOM中类腐殖质的含量最多.

Hernández等(1990)的研究表明，土壤中类腐殖质类物质和土壤中的腐殖酸(具有弱酸性、亲水性)相比，具有更低的含碳量、羧酸量及总酸度，类腐殖质中的主要官能团有脂肪基、甲基、亚甲基和肽键，并以长链烷烃为主，具有疏水酸性.结合图 1、表 3可知，营养土的DOM中含有最多的疏水组分和芳香基团，且类腐殖质的含量和种类最多，具有疏水酸性.淤泥DOM中类腐殖质组分荧光信号较弱，芳香环取代基上脂肪链含量较多，相比营养土DOM，其疏水酸性要弱很多.A土中DOM除含有少量的芳香性官能团和共轭双键外，芳香环取代基上还含有羧基、羰基等吸电子基团，且A土DOM的疏水性强于淤泥，故A土中DOM主要含有疏水性的组分.B土DOM中并未检测到荧光信号，且其芳香性非常弱，几乎没有共轭结构，推断其DOM以不产生荧光信号的亲水性组分为主.

3.2 内源DOM对 β-HCH在土壤上的吸附影响

图 2显示了在内源DOM存在和去除内源DOM的条件下，β-HCH在土壤中的线性吸附等温线.分别对比图 2中A土、A-DOM和B土、B-DOM的吸附等温线可以发现，去除DOM后，土壤对β-HCH的吸附量均有不同程度的增加，说明土壤中的内源DOM抑制了β-HCH在土壤中的吸附，这可能是由于内源DOM存在时，与β-HCH竞争土壤中有限的吸附位点，从而减少了土壤对β-HCH的吸附(占新华等，2007).另外，A、B土中的DOM都含有芳香环，内源DOM还可能与β-HCH通过NH-π、π-π、分配作用及疏水作用形成配合物，从而对β-HCH产生增溶作用(Magee et al.，1991)，以致减少了土壤对β-HCH吸附.

将图 2中各吸附等温线数据用线性方程拟合，结果列于表 5.由表 5可以看出，β-HCH在A土、A-DOM、B土、B-DOM中的吸附等温线的R²值分别为0.9634、0.9663、0.9766、0.9808，均大于0.963，表明线性方程能够很好地描述去除内源DOM后对β-HCH在土壤上的吸附影响，说明去除DOM前和去除DOM后β-HCH在土壤上的吸附均是以分配作用为主.线性吸附系数K_d值的大小可以反映吸附能力的强弱.去除DOM后，β-HCH在A-DOM和B-DOM上的吸附系数K_d值分别达到了125.99 mL·g^-1和39.47 mL·g^-1，比A土和B土均有增加，说明内源DOM对有机污染物在土壤上的吸附具有一定的抑制作用.A-DOM的K_d值增加幅度较大，说明DOM对A土的吸附抑制作用更强.由于腐殖质是天然水体中最重要的有机螯合剂，可以与β-HCH发生络合和螯合作用，从而促进β-HCH在水中的溶解，减少β-HCH在土壤中的吸附.另外，Perminova等(1999)研究表明，DOM对PAHs的吸附容量与其芳香度有关，DOM芳香性增加，聚合体极性增强，与有机污染物的吸附结合能力也随之增强，从而制约有机污染物迁移到土壤中.根据3.1节中的光谱分析，A土DOM的成分以类腐殖质为主，且腐殖程度和芳香性都强于B土，这可能是DOM对A土的吸附抑制作用强于B土的一个原因.再者，据Raber等(1998)的研究，DOM的疏水性组分含量越高，与疏水性有机污染物的配合能力越强，从而能增加疏水性有机污染物在水中的溶解度，抑制土壤对污染物的吸附.光谱分析得到的结果表明，A土中DOM的疏水性强于B土，故A土中的DOM与β-HCH的配合能力更强，它对土壤吸附β-HCH的抑制作用也越大.

3.3 不同外源DOM对β-HCH在土壤上的吸附影响

加入不同外源DOM后β-HCH在A土上的吸附等温线见图 3，其中，试验时加入的提取自淤泥的DOM溶液、营养土的DOM溶液及B土的DOM溶液的吸附等温线分别用A+DOM_淤、A+DOM_营、A+DOM_B表示.

将图 3中各吸附等温线数据用线性方程拟合，结果列于表 6.拟合结果表示，其可决系数均达到0.95以上，说明线性模型能较好地描述它们的吸附过程.线性模型的吸附系数(K_d)可以反映土壤对污染物的吸附能力，K_d越大，表明吸附能力越强.由表 6可见，β-HCH在添加了淤泥、营养土、B土DOM溶液后K_d分别达到了688.60、535.77、387.22 mL·g^-1，与未添加任何外源DOM的A土K_d(72.34 mL·g^-1)相比有显著的增强.说明加入外源DOM之后，土壤对 β-HCH的吸附能力有了明显的增强.可能是由于加入外源DOM后，与β-HCH在土壤表面发生共吸附和累积吸附作用，增加了土壤的有机质含量，形成新的吸附位点，从而促进了土壤对β-HCH的吸附.并且，Kaiser等(1998)研究表明，通常含高分子量或疏水性组分较高的DOM更容易被土壤吸附.在本试验添加的来源于营养土、淤泥和B土的3种DOM中，B土DOM的分子量最大，营养土和淤泥的DOM具有疏水性，这可能是3种DOM均能明显促进β-HCH在土壤中吸附的原因.

对比加入各DOM后A土对β-HCH的吸附能力，其大小顺序为：A+DOM_淤＞A+DOM_营＞A+DOM_B，说明不同来源的DOM对 β-HCH的吸附能力的影响不同.这可能与构成DOM大分子的某些基团的含量不同有关，如DOM中的羰基会与β-HCH中的氢形成氢键；还有可能与DOM中的大分子的骨架有关，如骨架中的苯环可能会与β-HCH中的平面苯环π电子重迭而形成共轭( Xing et al.，1998)；也可能是DOM骨架中的非极性烃类与非极性的有机物之间的范德华力引起的.

为进一步说明不同外源DOM影响土壤吸附β-HCH的原因，结合3种土壤DOM的化学结构进行分析.对比3种土壤DOM的三维荧光光谱图发现，B土具有亲水性，且芳香环上面的取代基最少，故其促进作用最弱.营养土的DOM中含有最多的疏水组分和最多的芳香基团，且类腐殖质含量最高.淤泥DOM中类腐殖质组分荧光信号较弱，芳香环取代基上脂肪链含量较多.理论上营养土DOM的促进作用应大于淤泥.但是一方面，由于营养土具有疏水酸性，且酸性强于淤泥，土壤与具有疏水酸性的DOM结合后，通过疏水组分形成疏水区域，该区域内部是疏水性的，外部由亲水性的和离子化的基团构成，这就使得土水界面更具亲水性(Bo et al.，2008)，更易吸附水分子而不是β-HCH，从而在一定程度上降低了土壤对β-HCH的吸附.另一方面，DOM对有机化合物的亲和力大小很大程度上取决于DOM的分子量组成，尤其是它们的大分子组分( Kögel Knabner et al.，1997).DOM中大分子组分含量越高，其内部疏水区也越多，对疏水有机污染物的亲和力也越大，从而会在一定程度上阻碍土壤对污染物的吸附.在本试验中，DOM分子量由大到小的顺序依次为B土、营养土、淤泥，因此，最终呈现出的吸附能力最强的是A+DOM_淤，最弱的是A+DOM_B.

4 结论(Conclusions)

1) 营养土DOM芳香性和腐殖化程度最高，疏水性最强；淤泥DOM中芳香环取代基上脂肪链含量较多，疏水酸性弱于营养土；A土DOM中含有芳香性官能团、共轭双键及较多的吸电子基团；B土DOM芳香性较弱，以亲水性组分为主.

2) 内源DOM抑制了土壤对 β-HCH的吸附，A土疏水性强于比B土，使其内源DOM对土壤吸附 β-HCH有更强的抑制作用；外源DOM促进了土壤对 β-HCH的吸附，加入外源DOM后促进作用的强弱顺序为：淤泥＞营养土＞B土，土壤DOM的疏水组分、芳香基团及类腐殖质含量均能促进土壤对 β-HCH吸附，但疏水酸性会减弱土壤对 β-HCH的吸附能力.