采煤沉陷区水土界面DOM迁移转化规律

Migration and Transformation of DOM at the Water-Soil Interface in Coal Mining Subsidence Areas

摘要: 系统研究了采煤沉陷区水体和土壤中溶解性有机质(DOM)的迁移、转化及分子特征。通过紫外–可见光光谱(UV-Vis)、三维荧光光谱(3D-EEMs)与FT-ICR MS技术，分析了沉陷区水体和土壤中的DOM特性与组成。结果表明，沉陷区水体和土壤中的DOM主要由类腐殖质和类蛋白质组成。水体中的类腐殖质和类蛋白质组分分别占56.08%和42.92%；土壤中的类腐殖质组分占70.19%，类蛋白质组分占29.81%。土壤和水体中的DOM呈现出高度相似的荧光特征，水体DOM主要由自生源(微生物或藻类产物)组成，而土壤则受陆源输入影响较大。研究还发现，DOM在水土界面中的迁移与转化过程与外源输入(如农业径流和采煤沉陷区沉积物)密切相关，DOM特征与氮源(氨氮和硝态氮)水平高度相关，暗示了氮在DOM生物地球化学循环中的潜在关键作用。通过FT-ICR MS分析，水体DOM中的木质素类有机质占主导(65%~68%)，但蛋白质、脂类及氨基糖的比例有所上升，表明有机质在迁移过程中发生了生物转化。而土壤DOM则以木质素和缩合芳香烃结构为主，显示出较高的芳香化和氧化特征，表明在湿地环境中，土壤中的有机物经历了较长时间的分解过程。

Abstract: The migration, transformation, and molecular characteristics of dissolved organic matter (DOM) in water and soil in coal mining subsidence areas were systematically investigated. The characteristics and composition of DOM in water and soil in the subsidence area were analyzed using ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), three-dimensional fluorescence spectroscopy (3D-EEMs), and FT-ICR MS. The results showed that DOM in water and soil in the subsidence area was primarily composed of humus-like and protein-like components. Humus-like and protein-like components accounted for 56.08% and 42.92% of the water, respectively; humus-like components accounted for 70.19% of the soil, and protein-like components accounted for 29.81%. DOM in soil and water exhibited highly similar fluorescence characteristics. DOM in water is primarily composed of autogenous sources (microbial or algal products), while soil is significantly influenced by terrestrial inputs. The study also found that the migration and transformation of DOM at the water-soil interface is closely related to external inputs (such as agricultural runoff and sediments from coal mining subsidence areas). DOM characteristics are highly correlated with nitrogen source levels (ammonia and nitrate), suggesting a potentially critical role for nitrogen in the biogeochemical cycle of DOM. FT-ICR MS analysis revealed that lignin-based organic matter predominated in aquatic DOM (65%~68%), but the proportions of proteins, lipids, and amino sugars increased, indicating that organic matter underwent biotransformation during migration. Soil DOM, on the other hand, was primarily composed of lignin and condensed aromatic hydrocarbon structures, exhibiting high levels of aromatization and oxidation, suggesting that organic matter in the soil undergoes a prolonged decomposition process in wetland environments.

1. 引言

随着煤炭资源的长期开采，地下煤层被大量开采后形成采空区，引起地面裂缝、地面塌陷与沉降等地质灾害，造成区域植被覆盖率下降、土地利用功能退化。在大气降水与地表径流共同作用下，沉陷区域逐渐积水形成的沉陷区湖，使区域内水体和地表环境发生变化。沉陷区环境通常处于半封闭与封闭状态，水动力条件较弱，与周边土壤、地下水和区域地表水发生着复杂的物质交换，构成了一个特殊的、动态演变的湿地生态系统。

溶解性有机质(DOM)作为一种广泛存在于陆地与水生生态系统的有机碳组分[1]，并富含羟基、羧基、醇羟基、羰基等多种活性官能团结构，广泛参与碳循环、微生物代谢、金属螯合作用及污染物的迁移与转化等过程[2]。与天然湖泊、河流、水库等水体相比，沉陷区水体DOM来源与组成不仅受降雨、季节变化、湖泊面积和底质等自然因素影响，还与煤炭开采活动紧密相关。随着更多沉陷土地的沉降与淹没，土壤有机质释放增加，可能导致水体中DOM的浓度与组成发生变化[3]。

目前，有关DOM的研究多聚焦于天然湖泊、河流与城市水体[4]，对于采煤沉陷区水体和土壤DOM相互作用机制的研究较少，尤其是缺乏从分子层面深入解析DOM转化工程的系统研究。现有研究多通过紫外–可见光光谱技术(UV-Vis)与三维荧光光谱技术(3D-EEMs) [5] [6]，侧重于DOM的光学特征与荧光组分分析[7]，仅能初步推断DOM的来源与结构类型，但难以揭示DOM的化学多样性及其在水土界面中的分子转化机制[8]。

傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)作为一种超高分辨的质谱技术，通过测定离子质荷比(m/z)并结合元素组成信息，准确解析DOM中复杂的分子式。该质谱技术已被广泛地用于DOM的分子结构表征[9]。例如，Liu [10]等人采用FT-ICR MS解析河岸土壤剖面中DOM的迁移与降解规律；Seidel [11]等人通过FT-ICR MS探究缺氧条件下潮汐沉积物中海洋与陆地DOM的转化过程。利用FT-ICR MS从分子层面解析沉陷区湿地水体与DOM分子结构特征，为研究沉陷区中有机质迁移转化特征提供新的技术支持。

本研究旨在系统解析采煤沉陷区水体与土壤中DOM的分子特征及转化过程。通过UV-Vis和3D-EEMs技术表征DOM的光学特征及来源组成，并结合FT-ICR MS数据，揭示DOM在不同介质间的迁移、释放、转化及重组规律。研究结果将有助于阐明沉陷区生态系统中DOM的环境行为机制，为煤矿区生态环境治理提供科学依据。

Figure 1. Sampling points of wetlands in the subsidence area

图1. 沉陷区湿地采样点图

2. 材料与方法

2.1. 研究区域与样品采集

研究区域位于中国安徽省蒙城县许疃煤矿区，蒙城县位于淮北平原中部，处于季风暖温带半湿润气候区，季节变化明显，夏季降雨集中，冬末春初较为干旱。矿区地处淮河流域，南部靠近淮河一级支流北淝河。受地下采煤活动影响，矿区中西部和中东部地面发生沉陷，由于降雨和地表径流，形成连片分布的采煤沉陷洼地。区域内地势平坦，土壤多样性丰富，土壤开垦率较高，以农业种植为主，主要作物包括小麦、豆类、玉米为主，全年农田均有作物覆盖。采样现场发现，沉陷区水体周边作物主要以芦苇、香蒲等自然水生植物，水体环境封闭性强。

2025年4月于许疃矿区共采集34个样品，其中水样15个和土样19个。(图1)分别在许疃矿两个沉陷区水域采集水样，采样瓶预先用10%盐酸浸泡、超纯水清洗烘干、现场水样润洗，采集后样品置于4℃冰箱保存，送回实验室完成指标测定。土壤样品包括沉陷区湿地周边坡地样品5个及矿区周边对照农田样品14个。土壤样品采集深度为0~20 cm，样品采集后混匀去除根系和杂物，避光保存送往实验室进行分析测定。

2.2. 样品测定

在现场对水样进行pH值、电导率(EC)和溶解氧(DO)的测定。将采集后水体与土壤样品送回实验室，测量水体中化学需氧量(COD)、叶绿素a (Chla)、$N{H}_4^{+}$ -N (氨氮)、$N{O}_3^{-}$ -N (硝态氮)。对土壤样品进行容重、含水率、pH值、EC、$N{H}_4^{+}$ -N和$N{O}_3^{-}$ -N的测定。使用总有机碳分析仪(日本岛津TOC-V CPH)分析水体和土壤中的溶解性有机碳(DOC)。测量前，先调节pH值以去除无机碳，具体测定指标见表1。

Table 1. Physical and chemical parameters of water and soil

表1. 水体与土壤理化参数

理化参数	pH	EC	容重	含水率	DO	COD	DOC	$N{H}_{\text{4}}^{\text{+}}$ -N	$N{O}_3^{-}$ -N
水体	7.99	770	-	-	5.64	17	9.808	0.35	0.23
土壤	7.22	259	1.28	0.18	-	-	3.306	9.433	5.297

注：上表数值为平均值。EC单位：μS/cm；DO单位：mg/L；COD单位：mg/L；容重单位：g/cm³；水体氨氮、硝态氮单位：mg/L；土壤氨氮、硝态氮：mg/kg。

2.3. DOM光谱测定

在水样测定前，为去除水体中的悬浮颗粒物和其他杂质，使用0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤。土壤采集后，放置在阴凉干燥处风干，风干后去除样品研磨后过100目筛。过筛后称取5 g土壤进行DOM提取，按照水土比10:1放置在恒温水浴振荡器中震荡24 h，设置温度为20℃，转速为200 r/min，震荡结束后将水土混合物转移到离心管中，将离心管放在离心机中(4000 r/min)离心30 min，取上清液过0.45 μm，得到土壤DOM溶液。

紫外–可见光光谱测量(UV-Vis)使用紫外–可见吸收分光光度计(N5000PLUS, YOKE, China)，扫描范围为200~800 nm，扫描速度1 nm，以Milli-Q超纯水作为空白对照[12]。三维荧光光谱测定使用F-7100型三维荧光光度计(Hitachi, Japan)，光电倍增电压700 V，扫描间隔5 nm，响应时间设为自动，扫描速度为1200 nm/s，Ex = 220~500 nm，Em = 250~550 nm。同时，为了避免高浓度样品产生的内过滤效应，需要对较高浓度样品进行稀释后测定，所测数据乘以稀释倍数为原始荧光强度，荧光参数指示意义见表2。

Table 2. Fluorescence parameters indicating significance

表2. 荧光参数指示意义

荧光参数	指示意义
FI	荧光指数，表征DOM的来源。FI > 1.9，DOM以自生源为主；1.4 < FI < 1.9，DOM具有内源释放与外源输入的双重特征；FI < 1.4，DOM以陆源输入为主[13]。
HIX	腐殖化指数，表征DOM的腐殖化程度。HIX > 0.9，DOM表现为强腐殖质特征；HIX < 0.8，DOM表现为弱腐殖质特征。DOM的共轭(芳构化)增加HIX值升高，稳定性越强[14]。
BIX	自生源指数，表征DOM的自生源相对贡献。BIX > 1.0，表示DOM主要为微生物或藻类等内源且有机质为新近产生；0.8 < BIX < 1，DOM一定的自生源特征，同时受陆源输入影响；BIX < 0.8，主要以陆源输入为主[15]。

2.4. 傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)

在负离子(ESI-)模式下使用Bruker SolariX 15T型傅里叶变换回旋共振离子质谱对矿区中水体与底泥样品中DOM进行定性定量分析。对土壤与水体样品进行预处理后，将样品溶解于50%甲醇溶液中，取200 μL进行质谱分析。主要检测参数为：进样方式为连续进样，进样速度为120 μL/h，毛细管入口电压为4 kV，离子累积时间为0.4 s，采集质量范围为100~1600 Da，采样点数为4 M 32位数据，时域信号叠加300次以提高信噪比。样品检测前用10 mmol/L甲酸钠对仪器进行校正，样品检测完成后用可溶性有机质(已知分子式)进行内标校正。经过校正后，检测的质量误差均小于1 ppm。依据O/C和H/C比将DOM分子划分成：木质素、脂质、蛋白质、氨基糖、稠环芳香烃、不饱和烃、碳水化合物和单宁酸。

2.5. 数据处理

采用Bigemap GIS Office和ArcMap 10.8.1进行研究区地理位置和采样点图形绘制。使用Origin2025、Excel和IBM SPSS对数据进行了处理和统计分析。使用R(4.2.3)、Matlab2023、Excel、IBM SPSS Statistics 27、Origin2024等软件进行数据处理、平行因子(PARAFAC)建模并绘制图形。

3. 结果与讨论

3.1. 沉陷区水体与底泥DOM组分特征

PARAFAC模型对沉陷区水体与土壤样品进行组分解析，分析DOM的组分构成[16]，均解析出3种组分，如图2所示。水体样本C1组分激发峰在Ex/Em = 250/410；C2组分激发峰在Ex/Em = 280/340 nm；C3组分激发峰在Ex/Em = 270/440 nm。土壤样本C1组分在Ex/Em = 260/455 nm处有一激发峰；C2组分在Ex/Em = 250/400 nm处有一激发峰；C3组分在Ex/Em = 270/340 nm处有一激发峰。其中，水样C1归类于UVC类富里酸[17] [18]，荧光信号位于“A”峰[19]；C2为类色氨酸，荧光信号位于“T”峰；C3为UVC类富里酸，荧光信号位于“A”峰。土样C1与C2均归为UVC类富里酸，荧光信号位于“A”峰；C3为类色氨酸[20]，荧光信号位于“T”峰[21]。其中，水样C1、C3和土样C1、C2均归类于类腐殖质[22] [23]，主要来源于森林、农田径流与湿地中，受维管植物降解和土壤中黄腐酸物质影响。水样C2与土样C3为类蛋白质组分，主要来源于生物有机化合物的生产，通常受微生物代谢影响，与DOM中羧基官能团有关。研究区域相对封闭，因此土壤与水体DOM的组分相似性高。

水体DOM的类腐殖质组分(C1 + C3)相对丰度为(56.08 ± 7)%，类蛋白质组分C2相对丰度为(42.92 ± 7)%，土壤DOM的类腐殖质组分(C1 + C2)相对丰度为(70.19 ± 6)%，类蛋白质组分C3相对丰度为(29.81 ± 6)%，水体中类蛋白质组分占比较高，表明水体中微生物活动较为活跃，表明沉陷区水体与土壤中DOM以类腐殖质为主。类腐殖质主要来源于植物残体、土壤中有机质的矿化和微生物的分解产物，腐殖质不仅难以降解，而且具有较强的吸附性、离子交换性及粘结性，是土壤有机物的重要组成部分。在长期的生物降解过程中，类腐殖质通过矿化和转化过程积累，成为土壤DOM的主要组分。样品采集于春季，淮北沉陷区湿地芦苇与蒲苇开始大量生长，湿地植物的生长可能促进了有机质的积累，进一步推动了类腐殖质组分的增加。沉陷区，土壤中的有机质通过径流或渗透流入水体，溶解在水中的有机物由于相对较新的输入和较高的生物活性，可能经历氧化、还原、光降解等过程，转化为更易降解的蛋白质类有机物，水体中类蛋白质的增多，则反映了水体中微生物的代谢活动和氮源的活跃度，提示水体处于较高的富营养化状态。

Figure 2. Fluorescence spectrum of water and soil in the subsidence area wetland

图2. 沉陷区湿地水体、土壤荧光图谱

Figure 3. Fluorescence parameters of water and soil in the subsidence area

图3. 沉陷区水体、土壤荧光参数

根据3D-EEMs计算沉陷区水体与土壤荧光参数如图3所示，水体的FI为2.06 ± 0.26，水体中DOM以内源输入为主，土壤的FI值为1.82 ± 0.14，表明土壤中陆源有机物占有一定的输入占用一定比例。水体的BIX值为1.15 ± 0.02，说明水体中生物活动较为频繁，新生自生源DOM贡献较多，土壤(0.91 ± 0.25)介于0.8~1间，土壤自生源特征较弱，同时陆源输入影响。土壤的HIX值为0.78 ± 0.10，明显高于水体的HIX值0.68 ± 0.04，土壤DOM总体腐殖化程度更高，表明土壤中经长期分解，芳香化和聚合而形成的难降解组分为DOM中主要贡献组分。

3.2. DOM与理化性质之间潜在关系

研究表明DOM荧光组分、紫外参数和理化指标之间的相关性可以用于表明内外源输入机制。为探究沉陷区水体与土壤在DOM特征和理化性质上的整体耦合关系，利用Pearson相关和Mantel检验对两类环境变量进行分析，从而揭示外源输入与水质变化中的作用机制。

从图4可以看出，DOC与a254、HIX、$N{H}_4^{+}$ -N和$N{O}_3^{-}$ -N存在显著正相关关系，说明沉陷区中DOC以腐殖质化程度高、分子机构复杂的DOM为主，通常来源于土壤径流、农业面源和采煤沉陷区沉积物的输入。氨氮和硝态氮作为主要的无机氮形态，往往与外源输入和有机质矿化密切相关，高浓度的氮素会促进水体中腐殖质的累积，并与芳香性DOM共同富集。同时$N{H}_4^{+}$ -N和$N{O}_3^{-}$ -N与BIX和FI呈显著负相关，当陆源输入的氮素含量增加，减少自身源DOM的贡献。水体与土壤的DOM特性与理化性质与荧光参数的多样性可以反应DOM来来源的差异。水体DOM特性与$N{O}_3^{-}$ -N (0.01 = P < 0.05, r = 0.29)之间存在显著正相关，相比之下，土壤中DOM特性与$N{O}_3^{-}$ -N (P < 0.01, r = 0.72)和$N{H}_4^{+}$ -N (P < 0.01, r = 0.53)相关性更为显著，表明外源氮源对土壤有机物的转化和积累作用更加显著。

Figure 4. Mantel test of DOM and physical and chemical properties in the subsidence area

图4. 沉陷区DOM与理化性质Mantel检验

3.3. DOM分子特征

根据DOM中特定O/C与H/C比值，将Van Krevelen (VK)图分成7个区域分别代表不同化合物(图5(a))。由桑基图显示，土壤DOM的化合物类别则以木质素、缩合芳香烃结构与单宁酸为主，对应的分子式以CHO与CHON类为主体，显示出高度芳香化和氧化特征，这类结构稳定的陆源有机质是湿地系统DOM的重要储库。在采煤沉陷区长期受地表水淹没及季节性水位波动的作用下，部分土壤中富含芳香性和含氮官能团的高分子有机质(如木质素衍生物)经微生物分解、氧化还原及溶解过程释放进入上覆水体，从而形成以CHON和CHONP为主的溶解性有机成分。水体桑基图显示，这些有机质经转化后形成蛋白质、氨基糖及碳水化合物等易降解组分，且CHONS、CHONP类分子比例上升，说明溶解态DOM在迁移过程中与氮、硫、磷元素发生了耦合反应，表现出较强的生物可利用性与营养盐响应特征。

由分子组成比例图(图5(c))可见，水体DOM中CHO与CHON类分子占比达80%以上，其中CHON比例略低于土壤，但CHONP、CHONS类占比明显上升，表明DOM在从土壤向水体迁移过程中发生了含氮官能团的富集与氧化结构的降解。土壤DOM中CHON比例较高且结构复杂，可能与土壤在湿地环境中通过微生物分解释放为低分子量的含氮可溶性有机物，成为水体DOM的重要来源。进一步从化合物类型分布(图5(d))来看，水体中木质素类有机质比例仍占主导(约65%~68%)，但明显低于土壤，水体中蛋白质、脂类及氨基糖的比例上升，反映出经溶解释放的陆源有机质在水体中发生了部分生物转化与再合成。相反，土壤DOM中缩合烃与单宁类比例上升至12%~18%，说明经历水动力扰动与氧化环境后，残留于土壤中的DOM趋于更加腐殖化与惰性化。

Figure 5. Van Krevelen (VK) diagram, molecular structure Sankey diagram, and molecular component ratio diagram of wetlands in the subsidence area

图5. 沉陷区湿地Van Krevelen (VK)图、分子结构桑基图与分子组分占比图

4. 结论

研究表明，采煤沉陷区水体和土壤中的DOM具有明显的来源差异，水体DOM的类蛋白质组分比例相对较高，且水体中的DOM呈现较高的生物降解性。通过FT-ICR MS分析，揭示了水体DOM的分子组成特征，其中以木质素、蛋白质、氨基糖和碳水化合物为主，这些组分较易被微生物降解和转化，水体中溶解性有机质经历了较强的生物转化和降解过程。此外，土壤中DOM经历了长期的分解、芳香化和聚合，形成了更为稳定和惰性的组分，如木质素、芳香烃结构和单宁酸，这些高分子化合物在土壤中具有较强的稳定性，难以进一步降解。水体DOM的变化与土壤的输入、微生物活动、以及氮源(如$N{H}_4^{+}$ -N和$N{O}_3^{-}$ -N)密切相关，氮源的增加会促进DOM的腐殖化并导致水体中腐殖质的富集。因此，采煤沉陷区的湿地生态系统中DOM的转化与迁移受多种因素的综合影响，研究为生态环境修复提供了重要的科学依据。

基金项目

淮北矿业股份有限公司2025年度科学技术项目(淮矿技合字(2025)第76号、第77号)。

NOTES

^*通讯作者。