施肥对不同肥力春玉米田土壤溶解性有机质的影响

赵海超，刘景辉，赵宝平，张星杰

1. 内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2. 河北北方学院农林科技学院，河北 张家口 075131

施肥对不同肥力春玉米田土壤溶解性有机质的影响

赵海超1,2，刘景辉1*，赵宝平1，张星杰1

1. 内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2. 河北北方学院农林科技学院，河北 张家口 075131

选取辽河灌区不同肥力水平春玉米(Zea mays ssp. mays L.)农田土壤为研究对象，通过连续3年田间定位试验，采用三维荧光光谱法分析了不同层次土壤溶解性有机质组分含量，研究施肥对不同肥力农田土壤溶解性有机质组分（DOM、DOC、DON、DOP）的影响，分析土壤DOM及其组分的土壤肥力效应。结果表明，施肥使高（产量12.75±0.75 t·hm-2）、中（产量10.50±0.75 t·hm-2）、低（产量8.25±0.75 t·hm-2）产田土壤DOM的∑Fex/em分别增加了2.84%、3.56%和-1.52%，平均增加了1.08%，土壤w(DOC)分别增加了20.43%、16.43%和-29.11%，平均增加了9.36%，土壤w(DOP)分别增加了-22.87%、10.30%和4.15%，平均增加了-3.39%，土壤w(DON)分别增加了-20.63%、6.97%和-8.41%，平均增加了-7.54%。施肥显著增加中产田土壤中w(DOM)，中产田底层（20～40 cm）和高产田表层（0～10 cm）、中层（10～20 cm）土壤w(DOC)，中产田中层和低产田表层土壤w(DOP)，中产田中层土壤w(DON)。施肥增加了低产田土壤FI值（荧光指数），降低了高产田土壤FI值，施肥增加了高产田土壤HIX（腐殖化指数），降低了中低产田土壤HIX。施肥显著增加中产田土壤DOM组分含量，降低高、低产田土壤DOM组分含量。施肥主要增加10～20 cm土壤DOM组分含量，耗损20～40 cm土壤DOM组分。施肥促进高产田土壤DOM陆源化，低产田土壤DOM生物源化，施肥使中低产田土壤DOM腐殖化程度降低。施肥不仅是土壤DOM的重要来源，同时通过影响微生物及作物根系活力促进土壤DOM的耗损，因农田土壤质地的差异，施肥对土壤DOM的影响不同。DOM荧光强度与产量呈显著正相关，具有土壤肥力指示作用。

施肥；土壤；溶解性有机质；产量；玉米

土壤中DOM（dissolved organic matter）指的是土壤样品在室温及天然pH条件下，用水提取能通过 0.45 µm微孔滤膜的土壤有机物质（蒋疆等，2001；李淑芬等，2002），是土壤中生物利用的最主要的有机质组分（Bernd和Kalbitz，2003），因其能增加土壤养分、金属离子和有机物质的流动性和溶解性（毕冉等，2013；Ros等a，2010），故对土壤肥力及作物产量具有重要影响。近年来，关于土壤中 DOM的功能和动态研究取得了较大的进展（Zsolnay，1996）。随着酶学、微生物学和分析手段的发展，农作物对土壤养分吸收和利用的研究将从无机养分向有机养分转移。DOM是具有不同结构及分子量（如低分子量的游离氨基酸、碳水化合物、有机酸及大分子量的酶、氨基糖、多酚和腐殖质等）的连续体或混合体（Kalbitz等，2000），它包含亲水氧基、氮和硫族官能团集团。土壤中DOM主要包含土壤溶解有机碳（dissolved organic carbon DOC）、溶解有机氮（dissolved organic nitrogen DON）和溶解有机磷（dissolved organic phosphorus DOP）等[6]（Zsolnay，1996）。三维荧光光谱法（Three Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum，3DEEM）分析技术的产生从微观上能为揭示土壤中DOM的功能结构和官能团等化学性质提供重要的信息（Coble等，1990）。近年来3DEEM逐渐成为研究自然界DOM的普遍方法（Liu等，2009；Baker，2001）。荧光光谱图中Ex/Em特征峰值是描述DOM来源和组成的重要参数（Wu和Tanoue，2001）。特征荧光强度（Fex/em）可以表示浸提液中某一类溶解性有机物含量的多少，特征荧光强度综合指标（各类溶解性有机物的荧光强度之和，∑Fex/em）表示溶解性有机物的综合含量（Wu和Tanoue，2001；Chen等，2003），荧光峰的强度越强其所代表的组分含量越高。

土壤中溶解性有机质主要来源可以分为2种：一种是土壤内源产生的，主要是通过土壤微生物对土壤有机质降解产生的；另一种是外源进入土壤的，主要途径有施用有机肥等农事活动以及近期的植物枯枝落叶等残体带入土壤（Zsolnay，1996；Kalbitz等，2000）。施肥不仅通过施入有机肥料增加土壤DOM的含量，同时通过改变土壤生物及理化性状，改善作物的生长、根系活动、残体输入等影响土壤中DOM的含量、结构及生物有效性。土壤理化性状通过影响土壤微生物活性及群落结构间接影响土壤中DOM的含量及其组分，以及改善施肥等农事活动对土壤DOM的影响。土壤中DOM虽然含量相对较少，但它是土壤微生物的能量和物质来源，在微生物的作用下为作物生长提供营养，在植物养分供应中起着重要的作用（张志丹和赵兰坡，2006；Cookson等，2005；McLauchlan和Hobbie，2004），同时对土壤养分的流失，矿物元素的迁移及生物活性具有重要的影响。因此研究土壤 DOM的变化对于培肥地力改善土壤理化性状具有重要的理论意义。近年来西辽河灌区土壤肥力有所下降，急需培肥地力，本文针对该区不同质地土壤，通过定位试验，分析施肥对不同质地春玉米（Zea mays ssp. mays L.）农田土壤中DOM、DOC、DON、DOP含量的影响，为该区域不同质地农田土壤建立培肥技术体系提供理论依据。

1.材料与方法

1.1 研究区域概况

试验研究在内蒙古自治区通辽市科尔沁区（北纬42°15′～45°41′、东经119°15′～123°43′之间）进行，该地区属于中国东北部西辽河平原，春玉米是该区主要农作物。试验区无霜期100～150 d，年降雨量350～450 mm，主要集中在7─8月。试验区为辽河灌区，土壤类型主要为灌淤土（irrigation-silting soil），土壤质地主要有沙质土和壤质土。不同农田土壤理化性状如表1所示。

1.2 试验处理

试验于 2009─2011年间完成，在试验区选肥力低（low-yielding fields LYF，沙质土为主，产量(8.25±0.75)t·hm-2）、中（middle-yielding fields MYF，沙壤质土，产量(10.50±0.75) t·hm-2）、高（high-yielding fields HYF，壤质土，产量12.75±0.75 t·hm-2）3个春玉米田块，在3种质地田块分别设施肥（FY）和不施肥处理（CK）。施肥处理模式设计为肥料N：202 kg·hm-2（尿素，含氮46%）、P2O5：67.5 kg·hm-2（磷酸二铵，含P2O546%，含N 18%）、K2O：67.5 kg·hm-2（硫酸钾，含K2O50%）和有机肥：22.5 t·hm-2[牛粪，含有机质14.7%、氮（N）0.42%、磷（P2O5）0.22%]。施用肥料以基肥和追肥2种方式施入土壤（1/4 N肥用于基肥，3/4用于追肥，其他肥料均用于基肥）。共6个处理，重复3次，共18个小区；小区面积为：10×20=200 m2。小区处理连续3年，种植玉米品种：2009和2010年为金山27，2011年为郑丹 958，种植密度均为 75000株·hm-2，田间管理同当地传统种植。

1.3 土壤样品采集

各小区于试验后（2011年9月29日）采集不同层次（表层0～10 cm、中层10～20 cm、底层20～40 cm土层）土壤样品，每个小区随机采集5个点位，现场同层次混匀，放入塑封袋中带回实验室，4 ℃保存备用。

1.4 测定方法

土壤DOM浸提液制备：土壤冷冻干燥后，过100目筛，利用超纯水浸提（水土比：10∶1，200 r·min-120±1 ℃下振荡16 h，在10000 r·min-120 ℃下离心30 min固液分离，上清液过0.45 μm滤膜）获得土壤DOM浸提液。DOM采用三维荧光光谱法测定（Liu等，2009；Baker，2001；Wu和Tanoue，2001），利用Hitachi F-7000型荧光光谱分析仪测定其三维荧光光谱（3DEEM）。激发和发射波长狭缝宽度为每隔5 nm，扫描速度：2400 nm·min-1，激发波长（Ex）200～450 nm，发射波长（Em）250～600 nm。DOC采用TOC-5000A测定；土壤中溶解性有机氮（DON）采用溶解性总氮（DTN）与氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）的差减法测定（Ros等b，2010），DTN和NO3--N采用紫外分光光度计法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度计法测定，计算公式为DON=DTN-NH4+-N-NO3--N；土壤溶解性有机磷（DOP）采用溶解性总磷（DTP）与活性磷（SRP）的差减法测定，DTP、SRP采用紫外分光光度计法测定（中国环境保护总局，2002），计算公式为DOP=DTP-SRP。土壤微生物量碳（Cmic）、氮（Nmic）采用氯仿熏蒸培养法测定（吴金水等，2006；Calbri等，2007），MBC采用multi N/C 3100分析仪测定，MBN采用FOSS 800-810-3363分析仪测定。

表1 不同质地土壤理化性状Table 1 The physical and chemical properties of different soil in test fields

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS17.0和EXCEL2003软件进行分析，差异显著性分析采用LSD分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对高、中、低产田土壤DOM的影响

通过土壤DOM的3DEEM可见，根据前人研究结果对比，各田块不同层次土壤3DEEM均出现Peak-A（腐植酸）、Peak-B（富里酸）和Peak-E（类蛋白）3个荧光峰（Liu等，2009；Wu和Tanoue，2001；Chen等，2003）。施肥对高、中、低产田土壤∑Fex/em的影响如图1所示。施肥处理土壤DOM的∑Fex/em为5440～6710，平均值为6104，总体呈中产田＞高产田＞低产田；不施肥处理土壤 DOM的∑Fex/em为5394～6499，平均值为6001，总体呈中产田＞高产田＞低产田。处理间相比，施肥比不施肥处理高、中、低产田土壤DOM的∑Fex/em分别增加了2.84%、3.56%和-1.52%，平均增加了1.08%。中、低产田底层和高、中产田表层土壤 DOM的∑Fex/em显著增加，低产田表层、中层和高产田中层、底层显著降低。表明，施肥增加中产田土壤中DOM含量，降低低产田土壤 DOM含量，且主要降低10～20 cm层土壤DOM含量。

图1 不同产田土壤DOM荧光∑Fex/em变化Fig. 1 The variation of DOM contents and ∑Fex/emin different yielding soils

2.2 施肥对不同肥力田块土壤DOC含量的影响

DOC是指在一定的时空条件下，受植物和微生物影响强烈、具有一定溶解性的土壤碳素（沈宏等，1999）。施肥对高、中、低产田土壤DOC含量的影响如图2所示。施肥处理各农田土壤DOC含量为70.41～173.14 mg·kg-1，平均值为117.48 mg·kg-1，总体呈中产田＞高产田＞低产田；不施肥处理各农田土壤DOC含量为73.48～188.46 mg·kg-1，平均值为113.88 mg·kg-1，总体呈低产田＞中产田＞高产田。处理间相比，施肥比不施肥高、中、低产田土壤DOC含量分别增加了20.43%、16.43%和-29.11%，平均增加了9.36%。中产田底层和高产田表层、中层土壤DOC含量显著增加，低产田中层土壤DOC含量显著降低。表明，施肥能够增加高、中产田土壤中DOC含量，降低低产田土壤DOC含量。

图2 不同产田土壤DOC含量变化Fig. 2 The variation of DOC contents in different yielding soils

2.3 施肥对不同产田土壤DOP含量的影响

土壤有机磷（organic phosphorus）对土壤磷的矿化及磷循环具有重要的作用（Oehl等，2004；Achat等，2010），DOP是土壤浸提液中容易被生物利用的有机磷（McDowell R和Koopmans，2006）。施肥对高、中、低产田土壤DOP含量的影响如图3所示。施肥处理各农田土壤DOP含量为5.92～9.75 mg·kg-1，平均值为7.34 mg·kg-1，总体呈中产田＞低产田＞高产田；不施肥处理各农田土壤 DOP含量为4.65～11.59 mg·kg-1，平均值为7.48 mg·kg-1，总体呈高产田＞低产田＞中产田。处理间相比，施肥比不施肥处理高、中、低产田土壤 DOP含量分别增加了-22.87%、10.30%和 4.15%，平均增加了-3.39%。中产田中层和低产田表层土壤DOP含量显著增加，高产田底层土壤 DOP含量显著降低。表明，施肥增加了中、低产田土壤 DOP含量，降低了高产田土壤DOP含量。

2.4 施肥对不同产田土壤DON含量的影响

图3 不同产田土壤DOP含量变化Fig. 3 The variation of DOP contents in different yielding soils

DON是土壤氮素生物地球化学循环的关键组成部分（Jones和Willett，2006），是限制陆地生态系统生产力的重要元素（Qualls和 Richardson，2003）。施肥对高、中、低产田土壤DON含量的影响如图4所示。施肥处理各农田土壤DON含量为25.83～54.59 mg·kg-1，平均值为44.34 mg·kg-1，总体呈中产田＞低产田＞高产田；不施肥处理各农田土壤DON含量为34.89～65.75 mg·kg-1，平均值为46.83 mg·kg-1，总体呈低产田＞中产田＞高产田。处理间相比，施肥比不施肥高、中、低产田土壤DON含量分别增加了-20.63%、6.97%和-8.41%，平均增加了-7.54%。中产田中层土壤DON含量显著增加，高产田中层土壤DON含量显著降低。表明，施肥增加了中产田土壤DON含量，降低了高产田土壤DON含量。

图4 不同产田土壤DON含量变化Fig. 4 The variation of DON contents in different yielding soils

2.5 施肥对高、中、低产田土壤DOM来源的影响

荧光指数（Fluorescence intensity ratio, FI）是表征DOM的不同来源的参数（McKnight等，2001），FI定义为激发光波长为370 nm时，荧光发射光谱强度在 450 nm与 500 nm处的比值，已有研究（McKnight等，2001；Jaffé等，2004）表明，陆地输入来源 DOM 和微生物活动引起的自生来源DOM这2个端源FI值分别为1.4和1.9。不同农田土壤各层次FI值为1.46～1.52，表明土壤中DOM以陆源为主。FI值高产田＞中产田＞低产田，不同层次总体呈随着土壤深度的增加呈上升趋势，表明由高产田至低产田土壤中DOM由生物源向陆源迁移，随着深度的增加土壤中生物源DOM增加。施肥增加了低产田土壤FI值，明显地降低了高产田土壤FI值，表明施肥使低产田土壤生物源DOM增加，使高产田陆源DOM增加。主要是因为低产田孔隙度大，含氧量高，微生物活性高，施入有机肥被微生物分解利用，而高产田粘粒含量高，微生物活性弱，施入有机肥被粘粒吸附在胶体表面。

腐殖化指数（humification index, HIX）表征DOM的腐殖化程度或成熟度，定义为波长254 nm激发下，发射波长在435～480 nm与300～345 nm波段内的荧光强度平均值的比值（吴华勇等，2012）。HIX小于4时，表明DOM腐殖化程度较弱，而高达10～16时，则表明DOM具有明显的腐殖化特征。HIX值中产田＞低产田＞高产田，表明中产田腐殖化程度较高。不同层次土壤 HIX相比，中低产田10～20 cm土层最高，高产田该层最低（图5）。施肥使高产田土壤 HIX略有升高，使中低产田土壤HIX降低。可见施肥使中低产田土壤DOM腐殖化程度降低，对高产田影响较小。主要是因为施肥对中低产田玉米生长的促进作用较大，玉米在生长的过程中促进微生物分解大量的腐殖质，使土壤中DOM 的腐殖化程度降低，而施肥对高产田玉米土壤微生物影响相对较小。

3 讨论

土壤中DOM组分含量受外源输入和土壤生物耗损以及微生物转化作用的影响（卢萍等，2006）。施入的有机肥中含有大量DOM是增加土壤DOM的重要途径，同时土壤中的有机物可以通过吸附和螯合施入的无机氮、磷而形成 DON和 DOP等DOM，因此施肥与不施肥相比各农田土壤DOM平均有所增加。但是施肥同时改善土壤理化环境增加土壤微生物活性（马晓霞等，2012），一方面促进了土壤中DOM组分的耗损，另一方面微生物促进其他碳、氮、磷形态向溶解性有机态转化（马晓霞等，2012）。根据相关性分析可见 DOC、DOP和DON与微生物碳（Cmic）呈显著负相关，表明在本试验中微生物活性的增加主要是促进溶解性有机碳、氮、磷的耗损。同时施肥增加了玉米根系对土壤氮、磷养分的吸收利用，因此施肥与不施肥处理相比DOP和DON含量总体呈下降趋势，卢萍等（2006）研究表明土壤溶液中DON浓度与施肥量呈负相关。可见长期施肥主要增加了土壤中DOC组分的DOM，而降低土壤中DOP和DON含量。

图5 不同产田土壤DOM荧光指数FI和腐殖化指数HIX变化Fig. 5 The variation of FI and HIX of in different yielding soils

表2 土壤溶解性有机质组分与土壤微生物和养分含量的相关性Table 2 The correlations of the components of soil DOM and the content of soil microorganism and nutrition

由于高、中、低产田及不同层次土壤理化特性的差异，施肥对DOM的影响也不尽相同。高产田因其土壤粘粒含量较高，使有机质稳定性高，可溶性较低，在高产田中施肥，一方面肥料中的 DOM被土壤粘粒所固定，另一方面施肥后土壤孔隙度增加，促进土壤中DOM的耗损，使DOM含量下降，特别是底层下降较明显。低产田土壤含氧量高，微生物活性较高，在低产田中施肥，一方面施肥增加土壤中DOM含量，主要表现在表层土壤，另一方面施肥增加土壤养分含量，促进土壤微生物活性、提高根系活力，增加生物对土壤DOP和DON的转化和吸收量，增加DOM的耗损降低DOC含量，但促进土壤磷素活化使 DOP含量增加。中产田土壤养分充足、粘粒含量适中，施肥主要表现为增加土壤中DOM含量。中层是肥料施入的主要层次及根系主要分布层，因此施肥对中层土壤DOM组分增加作用显著。土壤中DOM是土壤微生物的主要能源及作物氮、磷的潜在供给者，对土壤肥力具有重要的影响。根据相关性分析（表2）可见，DOM荧光强度与产量和千粒重均呈显著正相关，与土壤中速效磷、碱解氮均呈显著正相关；DOP和DON与产量均呈显著负相关。可见玉米产量与土壤DOM呈正相关，DOM荧光强度可以作为土壤肥力指标（汪景宽等，2008）。

4 结论

（1）施肥使土壤中DOM荧光强度和DOC、DOP和DON含量平均增加了1.08%、9.36%、-3.39%和-7.54%，施肥主要提高土壤 DOC含量，降低了土壤 DON含量。有机无机肥配施不仅增加土壤DOM 及其组分的输入，同时通过影响微生物活性根系活力促进有机质的耗损。

（2）施肥使中产田土壤DOM荧光强度和DOC、DOP、DON含量分别增加了3.56%、16.43%、10.30%、6.97%，使高、低产田土壤DOM及其组分含量有所下降，使高产田土壤DOM向陆源化，使低产田土壤DOM生物源化。

（3）施肥主要增加10～20 cm土层土壤DOM及其组分含量，促进犁底层土壤DOM的耗损，对表层土壤影响相对较小。

（4）DOM荧光强度与产量及土壤有效养分呈显著相关，DOM荧光强度具有土壤肥力指示意义。

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Effect of Fertilization on Soil Dissolved Organic Matter under Different Yield Levels of Spring Corn

ZHAO Haichao1,2, LIU Jinghui1*, ZHAO Baoping1, ZHANG Xingjie1

1. College of Agronomy, Inner Mongolia Agriculture University, Huhhot 010018, China;
2. Department of Agricultural Science, Hebei North University, Zhangjiakou 075131, China

This article investigated the effects of fertilization on dissolved organic matter (DOM), dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic phosphorus (DOP) of the spring corn soil from Liaohe Irrigation with three-dimensional excitation-emission matrix spectroscopy. Through three years field experiment, the soil fertility effects of soil DOM and its components were analyzed. The experimental results indicated that the average ∑Fex/em of DOM, DOC, DON and DOP in fertilizing soil increased by1.08%, 9.36%, -3.39% and -7.54%, respectively. According to the high yielding field, middle yielding field and low yielding field, the increased ∑Fex/em of DOM were 2.84%、3.56% and -1.52%, that of DOC were 20.43%、16.43% and -29.11%, that of DON were -20.63%、6.97% and -8.41%, and that of DOP were -22.87%、10.30% and 4.15%. The increasing of w (DOM) mainly occurred in middle yielding field soil. The increasing w (DOC) mainly occurred in middle plow ground floor (20～40 cm depth) soil of middle yielding field and in the surface layer (0～10 cm depth) and the plow layer (10～20 cm depth) soil of high yielding field. That of w (DOP) mainly occurred in the plow layer of middle yielding field and the surface layer of low yielding field. That of w (DON) mainly occurred in the plow layer of middle yielding field. By fertilizing treatment，in low yielding field soil, the fluorescence index (FI) was increased and the humification index (HIX) was decreased, in high yielding field soil the FI was decreased and HIX was increased. The content of DOM was significantly increased in the soil of middle yielding field, but it decreased in low and high yielding fields by fertilizing treatment. Although the DOM content in fertilizing soil increased in middle plow ground floor (10～20 cm depth), it decreased in middle plow ground floor (20～40 cm depth). The fertilizing treatment increased the percentage of terrigenous DOM in high-yielding field and the percentage of biological source DOM in low-yielding field. The fertilizing treatment mainly increased the contents of DOM in plow layer (10～20 cm depth) soil, and depleted the DOM in plow ground floor (20～40 cm depth) soil. The fertilizing treatment promoted the percentage of terrigenous DOM in high yielding field and the percentage of biological source DOM in low yielding field, and reduced the humification degree of DOM in middle and low yielding field soil. The fertilizing treatment is not only an important source of soil DOM, and also the depletion of soil DOM was promoted by influencing the activity of microbe and root. The impact of DOM on soil fertilizing treatment is different due to the differences in soil texture. DOM fluorescence intensity and yield and soil available nutrients were significantly correlated. DOM fluorescence intensity has the indicative effect on soil fertilization.

the fertilizing treatment; soil; dissolved organic matter (DOM); yield; corn

S153.6

：A

：1674-5906（2014）08-1286-06

赵海超，刘景辉，赵宝平，张星杰. 施肥对不同肥力春玉米田土壤溶解性有机质的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1286-1291.

ZHAO Haichao, LIU Jinghui, ZHAO Baoping, ZHANG Xingjie. Effect of Fertilization on Soil Dissolved Organic Matter under Different Yield Levels of Spring Corn [J].Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1286-1291.

国家公益性行业（农业）科研专项经费资助项目（201303126）；河北北方学院青年基金项目

赵海超（1974年生），男，博士，主要研究方向为作物耕作与农业生态。E-mail: haichaozhao19@163.com

*通信作者：刘景辉（1965年生），男。E-mail: cauljh@yahoo.com.cn

2014-05-14