張久明, 匡恩俊, 遲鳳琴*, 劉亦丹, 周寶庫, 夏曉雨, 王曉軍, 孫 磊, 常本超, 魏 丹

1. 黑龍江省農業(yè)科學院土壤肥料與環(huán)境資源研究所， 農業(yè)農村部黑土地保護與利用重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150086 2. 北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 北京 100097 3. 黑龍江省農業(yè)科學院大豆研究所， 黑龍江 哈爾濱 150086 4. 東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 黑龍江 哈爾濱 150030

引 言

在土壤各種各樣的功能庫中， 土壤有機碳庫是生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分。 通常把在土壤中移動較快、 不穩(wěn)定、 易氧化、 易分解、 易礦化， 其形態(tài)和空間位置對植物和微生物有較高活性的這部分碳庫稱為活性碳庫[1]。 根據土壤活性碳庫特點， 土壤活性有機碳常用溶解性有機碳、 輕組有機碳、 易氧化有機碳、 微生物量碳、 顆粒有機碳等不同形式來表征。 土壤溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)是指溶解于土壤水、 且能通過0.45 μm微孔濾膜的有機態(tài)碳， 是土壤有機碳中最活躍的組成部分[2]。 影響土壤活性有機碳含量與組成的因素有很多， 目前學者多從土地管理措施如耕作、 施有機肥和化肥改變土壤pH值等方面探討對其含量影響[3]。 本研究采用現(xiàn)代熒光分析技術原理， 探討有機肥替代化學氮素后土壤DOC熒光特性參數的變化特征， 基于平行因子分析法和熒光光譜分析土壤DOC熒光組分特征， 研究結果為黑土區(qū)化肥減施及農田地力提升提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 試驗地概況及設置

試驗區(qū)位于于黑龍江省嫩江黑土保育試驗站內(125°27′5″N， 49°33′35″E)。 該地區(qū)平均氣溫為-0.3 ℃， 年降水量為450 mm， 無霜期為115 d， 有效積溫為2 150 ℃， 屬中溫帶大陸性季風氣候； 試驗地土壤類型為厚層粘底黑土， 供試土壤基本理化性質詳見表1。

表1 土壤基本化學性質

試驗設5個施肥處理： (1)不施肥處理(CK)； (2)100%有機替代化學氮肥(M)； (3)50%有機替代化學氮肥(N1M1)； (4)25%有機替代化學氮肥(N2M2)； 5)化學氮肥處理(N)。 試驗采用隨機區(qū)組設計， 每個小區(qū)面積24 m2， 3次重復。 商品有機肥養(yǎng)分含量為N 5.05%， P2O52.75%， K2O 1.5%， 有機質含量為31.2%。 全量化學氮肥用量為當地小麥種植常規(guī)施用量， 化肥分別為尿素、 過磷酸鈣和硫酸鉀(表2)。 根據有機肥氮素含量和化學氮肥處理氮素用量計算確定有機肥替代化肥氮素量， 100%有機替代化學氮肥(M)處理、 50%有機替代化學氮肥(N1M1)處理和25%有機替代化學氮肥(N2M2)處理有機肥用量分別為1 500， 750和375 kg·hm-2。 各處理磷、 鉀肥(化肥+有機肥)用量相同， 為各施肥處理中施入有機肥中磷、 鉀元素替代量與化肥磷、 鉀含量之和。 有機無機肥均于播種前一次性施入。

表2 各處理氮肥、 磷肥、 鉀肥和有機肥施用量

1.2 土樣采集和試驗方法

1.2.1 土樣采集

2019年9月10日小麥收獲期采集0～20 cm表層土壤樣品， 采用蛇形取樣法， 每個小區(qū)采集5個樣點。 土樣混合均勻后采用四分法留取分析樣品， 所采集樣品自然風干后過分樣篩(孔徑2 mm)， 常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 可溶性有機碳測定

土壤DOC采用去離子水震蕩過濾提取法測定， 故又稱可溶性有機碳測定。 稱取3 g通過60目篩的風干土樣于50 mL離心管中， 加入30 mL去離子水， 搖勻， 置于往復震蕩機中， 以250 r·min-1轉速震蕩1 h， 隨后在離心機中以10 000 r·min-1轉速轉15 min， 上清液過 0.45 μm濾膜， 濾液采用Analytikjenamulti N/C 2100儀測定。

1.2.3 熒光特性測定[4]

使用超純水將DOC溶液稀釋至約15 mg·L-1， 以備熒光測定。 熒光光譜的測定采用日立F-7000熒光光度計。 設置激發(fā)光源450 W氙弧燈， 光電倍增管(PMT)電壓為700 V， 激發(fā)波長(Ex)掃描范圍： 200～490 nm， 帶寬10 nm； 發(fā)射波長(Em)掃描范圍： 250～550 nm， 帶寬5 nm， 掃描速度： 1 200 nm·min-1。 平行因子(PARAFAC)分析時， 應消除水分子的散射， 消除拉曼散射對熒光數據的影響。

1.3 數據分析

采用Matlab軟件繪制三維熒光圖譜， 并進行PARAFAC分析； Origin 2019b軟件計算熒光指數(FI)[5]： Em/Ex=370/450和500 nm； 生物指數(BIX)： Em/Ex=310/380和420～435 nm和腐殖化指數(HIX)[6]： Em/Ex=254/435～480和300～345 nm。 采用Microsoft Excel 2007進行數據計算及圖表繪制， 采用SPSS 19.0軟件完成差異及相關性分析。

2 結果與討論

2.1 土壤可溶性有機碳含量

由圖1可知， M處理土壤DOC顯著高于其他處理， 其含量為325.97 mg·kg-1， 其次是M2N2處理和N處理， 其含量分別為307.83和307.60 mg·kg-1， M處理土壤DOC含量較M2N2處理和N處理增加了5.89%和5.97%， 處理之間差異顯著(p<0.05)。 M1N1處理和CK處理最低， M處理土壤DOC含量較M1N1處理和CK增加了7.34%和7.33%， 土壤DOC含量在各處理中含量大小順序為M>M2N2>N>CK>M1N1。

圖1 不同處理下土壤DOC含量

2.2 土壤DOC三維熒光圖譜特征的變化

由圖2可見， 各處理的土壤DOC三維熒光區(qū)域被劃分為5部分， 區(qū)域熒光積分百分比均為Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ， 處理之間差異顯著。 Helms研究表明， 不同區(qū)域代表不同的物質組成， 區(qū)域Ⅰ 代表類酪氨酸蛋白質類物質(tyrosine-like protein)， Ex/Em=(200～250)/(200～330) nm； 區(qū)域Ⅱ 代表類色氨酸芳香蛋白質類物質(tryptophan-like protein)， Ex/Em=(200～250)/(330～380) nm； 區(qū)域Ⅲ 代表富里酸類物質(fulvic acid-like)， Ex/Em=(200～250)/(380～600) nm， 由熒光效率高、 分子量小的有機物質產生； 區(qū)域Ⅳ代表溶解性微生物代謝產物(soluble microbial metabolites)， Ex/Em=(250～600)/(200～380) nm； 區(qū)域Ⅴ代表腐殖酸類物質(Humic-like)， Ex/Em=(250～600)/(380～600) nm， 由結構較為穩(wěn)定、 分子量大的有機物質產生[7]。 本研究各施肥處理在Ⅰ和Ⅳ區(qū)域熒光積分百分比變化趨勢相同， 均為M>CK>M1N1>N>M2N2處理； 區(qū)域Ⅱ和Ⅲ積分百分比以CK處理和M2N2處理最高， 分別為4.21和21.13， 顯著高于N和M處理； 區(qū)域Ⅴ積分百分比以N處理最高為66.23， 各處理的積分百分比隨化學氮肥施用量的增加而增加。

不同施肥處理三維熒光圖譜中除N處理的特征峰不明顯外， 其他處理位于Ex/Em=260～270/420～440 nm附近顯示兩個特征峰， 其特征峰為類腐殖酸物質。 其激發(fā)波長(Ex)/發(fā)射波長(Em)增大， 即為紅移， 反之則為藍移。 與CK處理(Peak A峰值： Ex/Em=240/430 nm； Peak C峰值： Ex/Em=270/440 nm)相比， M處理(Peak A峰值： Ex/Em=240/420 nm； Peak C 峰值： Ex/Em=260/430 nm)類腐殖酸物質熒光峰在激發(fā)、 發(fā)射波長處發(fā)生不同程度藍移。 M1N1(Ex/Em=260/430 nm)、 M2N2(Ex/Em=260/430 nm)、 N(Ex/Em=270/430 nm)處理類腐殖酸物質熒光峰在激發(fā)、 發(fā)射波長處同樣發(fā)生不同程度藍移。

圖2 DOC三維熒光圖譜

2.3 土壤DOC熒光光譜指數分析

采用FI， BIX和HIX表征不同有機肥替代化學氮肥比例土壤DOC的來源特征和腐殖化程度。 FI可反映腐殖質來源， BIX衡量自生源有機質在所測物質中的相對百分比大小， HIX表征有機質腐殖化程度[8]。 如表3所示， 各處理土壤DOC的FI分布在1.54～1.59范圍內， 介于陸生源特征值(1.4)與自生源特征值(1.9)之間， 表明DOC來源受自生源和陸生源共同作用的影響， 既來自于土壤中本身， 亦有外源有機物料新近產生。 各處理土壤DOC的BIX范圍在0.67～0.69， 即具有較小的自生源特性。 本試驗各處理土壤DOC的HIX分布在0.80～0.84范圍內， 表明其有機質的腐殖化程度不高(HIX<1.5)， 處理之間比較， M和M2N2處理下土壤腐質化程度相對較高。

表3 土壤DOC熒光光譜指數

基于平行因子分析法對土壤DOC樣品三維熒光光譜矩陣數據進行解析， 土壤DOC主要為3個熒光組分。 各處理熒光組分和熒光峰類型見表4， 熒光組分的三維熒光光譜見圖3。 組分C1(240(320)/410 nm)， C2(270(360)/470 nm)和C3(220(280)/330 nm)均包含兩個激發(fā)峰和一個發(fā)射峰。 C1分別代表紫外光區(qū)類富里酸和可見光區(qū)類富里酸， 都屬于類腐殖質物質； C2同樣屬于腐殖酸類物質， 主要指胡敏酸； C3為類酪氨酸蛋白質類物質。

表4 DOC熒光組分特征

對土壤DOC中3個有機組分的熒光強度進行分析(表5)， 結果表明， 土壤DOC中3個有機組分的相對比重以C1最高， 接近50%， 表明該地區(qū)土壤中小分子物質占有較大比例。 不同處理土壤DOC的C1組分熒光強度以M處理最高(1 990.7±76.1) R.U， 其次是N 處理， M和N處理C1組分熒光強度較CK處理分別提高14.4%和8.1%， 處理之間差異顯著(p<0.05)。 各處理C2組分熒光強度變化趨勢同C1組分相似， 以M處理C2組分熒光強度最高為1 357.3 R.U， 較CK處理提高了23.8%， 顯著高于其他處理。 C3組分中M2N2處理為872.0 R.U， 顯著高于其他處理； CK和N處理C3組分熒光強度最低， 分別為669.4和680.2 R.U。 各處理總組分熒光強度顯示， M處理土壤DOC熒光強度為4 095.5 R.U， 其次是M2N2處理為3 824.1R.U， 顯著高于其他處理。

表5 土壤DOC中各有機組分的熒光強度

3 結 論

(1)本試驗條件下研究表明， 有機無機肥配施各處理土壤DOC三維熒光圖譜中熒光峰各波長較CK處理均有不同程度藍移， M2N2處理土壤DOC熒光結構較CK處理變化最大， 說明土壤DOC中腐殖質含量增加。

(2)各處理土壤DOC的FI分布在1.54～1.59范圍內， 說明DOC來源受自生源和陸生源共同作用的影響， 既來自于土壤中自身， 亦有外源有機物料新近產生。 M處理與M2N2處理土壤DOC的HIX相對較高， 表明腐質化程度最高， 同時也說明適量的有機肥配施化學氮肥能夠增加土壤碳儲量。

(3)平行因子分析(PARAFAC)法分析繪制熒光圖譜結果表明， 不同施肥處理對土壤中DOC的影響不同， 合理的有機肥配施化學氮肥提高土壤中類蛋白組分含量， 增加DOC的有效性， 提升土壤供肥能力。 M2N2處理C3組分較高， 代表類蛋白(類酪氨酸類物質)為小分子物質占有較大比例， 表明施肥能夠提高土壤腐質化程度， 有利于土壤DOC固定。 基于土壤DOC熒光光譜特性分析可知， 有機肥替代無機氮肥75% (M2N2處理)為最佳有機無機肥配比。