西北灌漠土长期不同施肥改变土壤可溶性有机质的化学及光谱学特性

常单娜，曹卫东，包兴国，白金顺，张久东，卢秉林，高嵩涓，曾闹华，王雪翠，志水胜好

1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081 2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081 3. 青海大学，青海 西宁 810016 4. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730073 5. Faculty of Agriculture, Kagoshima University, Kagoshima 890-0065, Japan

西北灌漠土长期不同施肥改变土壤可溶性有机质的化学及光谱学特性

常单娜1, 2，曹卫东1, 3*，包兴国4*，白金顺1，张久东4，卢秉林4，高嵩涓1, 2，曾闹华1，王雪翠1, 2，志水胜好5

1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081 2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081 3. 青海大学，青海 西宁 810016 4. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730073 5. Faculty of Agriculture, Kagoshima University, Kagoshima 890-0065, Japan

依托在河西走廊灌漠土上开始于1988年的长期定位试验，利用紫外-可见光谱、红外光谱、元素分析等方法研究了不同施肥处理下土壤可溶性有机质(DOM)的变化。试验设施用有机肥、绿肥、化肥和不施肥对照4个处理。结果表明，施肥增加DOM的含量，相比对照处理，有机肥处理、绿肥处理、化肥处理的可溶性有机碳(DOC)分别增加37%，29%，16%，可溶性有机氮(DON)分别增加334%，257%，182%，总碳水化合碳(TCs)分别增加90%，25%，2%，总有机酸碳(TOAs)分别增加195%，116%，58%。有机肥处理各指标比对照处理均差异显著，除TCs外绿肥处理、化肥处理的其他指标也比对照处理差异显著。紫外-可见光谱结果，施肥提高了DOM的紫外吸收特征值SUVA254，SUVA260，SUVA272，SUVA280，表明施肥增加了DOM的芳香及疏水部分比例、腐殖化程度、平均分子量，使DOM更趋于稳定。不同施肥处理间表现出相当一致的规律，有机肥效果最为明显，其次是绿肥、化肥。红外光谱分析结果，有机肥处理相对于其他处理芳香族特征峰从1 625 cm-1处向近红外方向移动出现在1 649 cm-1处，接近土壤胡敏酸芳香族特征峰(1 650 cm-1)，说明有机肥处理土壤DOM的芳香性更高。绿肥处理在归属于糖、醇类及羧酸物质C—O伸缩振动的1 260～1 000 cm-1吸收峰高于其他处理，说明绿肥处理增加了土壤DOM的富氧基团类物质。化肥处理在归属于N—H振动的3 559，3 419和1 456 cm-1吸收峰高于其他处理，表明化肥增加了土壤DOM的胺类物质。元素分析结果显示有机肥、绿肥、化肥分别增加了C，O，N的相对含量。

长期不同施肥；可溶性有机质；紫外-可见光谱；红外光谱；元素分析

引 言

可溶性有机质(DOM)由一系列大小、结构不同的分子组成，包括低分子量的游离氨基酸、碳水化合物、有机酸以及大分子量的多糖和腐殖质等[1]。它是可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、可溶性有机磷(DOP)、可溶性有机硫(DOS)的总称，但以可溶性有机碳(DOC)为主[2]。土壤DOM含量很少，占土壤有机质的比例很小，但其化学性质活跃且容易被微生物利用，是土壤中重要的活性碳库和养分库，能更敏感的反映土壤管理状况与质量变化。在微生物的作用下，DOM参与土壤碳、氮、磷、硫等养分的地球化学物质循环[1]，同时影响重金属、农药的转化和运移[3]，近年来已成为土壤学、环境学、生态学研究的热点。

目前关于土壤DOM的研究多针对森林生态系统以及控制条件下的室内培养实验[4-6]，对田间条件下研究较少。大多研究也主要关注DOC和DON的变化，对于DOM的其他成分如碳水化合物、有机酸等指标很少涉及。光谱分析与元素分析可以在不破坏样品的前提下方便快速的检测样品的组成，已广泛地应用于DOM的研究，但大部分是研究水体[7]DOM的变化以及堆肥过程[8]DOM的变化。施肥是人工干预土壤的重要措施之一，是提升有机质、培肥土壤的有效途径，但一般认为有机质含量变化缓慢。DOM是土壤有机质中最活跃的成分，可作为反映有机质变化的灵敏指标，能更好地响应施肥措施。秸秆、有机肥、无机肥的施用都会对土壤DOM产生影响[2]，但研究土壤DOM响应长期不同施肥制度的报道尚不多见。为此，本研究利用河西走廊的一个灌漠土不同施肥制度长期定位试验，通过紫外-可见光谱、红外光谱、元素分析等技术，探讨了不同施肥处理下土壤DOM的变化，为阐释农田土壤培肥机制提供理论支持。

1 实验部分

1.1 试验点概况

土壤样品采自甘肃省农业科学院武威绿洲农业试验站(北纬38°37′，东经102°40′)，土壤类型为石灰性灌漠土。该试验区位于甘肃河西走廊的东段，祁连山北靡，海拔1 500 m，无霜期150 d左右，年降雨量150 mm，年蒸发量2 021 mm，年平均气温7.7 ℃。

1.2 试验设计与样品采集

长期定位试验始于1988年，设有机肥、绿肥、化肥、对照(不施肥)4个处理。有机肥为风干后的牛圈底厩肥每亩8 000 kg，含水量12%，干物质全氮平均2.05 g·kg-1、有机碳平均19.1 g·kg-1，折合成纯养分每亩14.4N kg和134.5C kg；绿肥为毛叶苕子压青每亩3 000 kg，含水量为83%，干物质全氮平均2.5%、有机碳平均40%，折合成纯养分每亩12.8N kg和118.3C kg；化肥为尿素每亩25 kg，含氮(N)46%，折合成纯养分每亩11.5N kg。除对照处理外，其他处理均施用重过磷酸钙每亩10 kg，含磷(P2O5)42%，不施钾肥。绿肥在前一年10月切碎翻压到20 cm的耕层内，随即灌水，以利腐解。有机肥、磷肥全部作基肥在当年小麦播种前施入。氮肥在小麦播种前全小区基施20%，小麦拔节期在小麦带追施20%，玉米拔节期在玉米带追施30%，玉米抽雄期在玉米带追施30%。试验随机区组排列，3次重复，小区面积31.5 m2。耕作制度为小麦玉米带状间作，一年一熟。小麦于3月12日播种7月14日收获，玉米在4月28日播种10月5日收获。

于2013年9月28日玉米收获前每个小区同时采集玉米带和小麦带耕层0～20 cm土样，每带各采集2个点混合均匀。

1.3 测定方法

DOM浸提：称取60 g新鲜土样，土水比1∶2(鲜土重量g∶液体体积)，室温下200 r·min-1振荡2 h后4 ℃、12 000 r·min-1离心15 min，过0.45 μm滤膜，滤液一部分4 ℃冷藏保存用于化学指标及紫外-可见光谱的分析测定，另一部分冷冻干燥后60 ℃烘干用于红外光谱与元素的分析测定。

DOM化学指标及元素测定：化学指标主要包括DOC、DON、总碳水化合物碳(TCs)、总有机酸碳(TOAs)。DOC采用TOC/N仪(德国，耶拿multi N/C2100)测定；DON采用TOC/N仪测定可溶性总氮(TN)减去无机氮，无机氮用连续流动分析仪(德国，SEAL AutoAnalyzer3)测定；TCs以葡萄糖作为标准物质蒽酮比色法、TOAs以乙酸作为标准物质，然后用紫外-可见分光光度计(北京，瑞利UV2100)分别在625和500 nm测定吸光度。元素测定采用元素分析仪(德国，Elemental，Vario PYR Ocube)，在CNS模式和HO模式下测定C, N, S, H, O含量。

DOM光谱分析：紫外-可见光谱用紫外-可见分光光度计(北京，瑞利UV2100)进行扫描，波长范围190～800 nm。特定波长下的单位吸光度值(吸光度值/DOC含量)叫做紫外吸收特征值，选取254，260，272和280 nm 波长下的单位吸光度值SUVA254, SUVA260, SUVA272，SUVA280进行分析。红外光谱用傅里叶变换红外光谱仪(德国，Bruker, VERTEX70)KBr压片法(按样品∶KBr=1∶100，称2 mg样品200 mg KBr磨碎混合均匀)测定，分辨率4 cm-1，扫描次数32次。

2 结果与讨论

2.1 长期不同施肥对土壤DOM含量的影响

DOM是一个复杂的混合物，只有部分物质可以用化学方法分析鉴定，如可溶性有机碳、碳水化合物、有机酸、氨基酸等，这些化合物可以作为描述DOM组分和化学组成的替代参数[1]。本研究对长期不同施肥灌漠土的DOC，DON，TCs，TOAs进行了探讨。

2.1.1 DOC和DON

由图1(a)和(b)可知，施肥明显提高了土壤DOC和DON含量，相对化肥而言，有机肥及绿肥的作用更强。有机肥、绿肥、化肥处理土壤DOC含量比对照处理分别增加了37%, 29%, 16%，差异均达到显著性水平，有机肥、绿肥处理比化肥处理分别增加了18%和11%，差异也达到显著水平。有机肥、绿肥、化肥处理的土壤DON分别比对照处理增加了334%, 257%, 182%，与对照组相比均差异显著；有机肥、绿肥处理比化肥处理的DON分别提高了54%和26%，差异也达到显著水平。因此，长期施肥后，土壤微生物可利用的碳氮来源大幅度增加，有机肥与绿肥比化肥效果明显。

2.1.2 TCs和TOAs

由图1(c)和(d)可知，施肥增加了土壤中TCs和TOAs的含量，有机肥处理的效果最明显。有机肥处理土壤TCs含量比绿肥处理、化肥处理、对照处理分别增加52%, 86%,90%，差异显著。绿肥、化肥处理土壤TCs含量比对照处理分别增加25%和2%，但无显著性差异。施肥也显著提高了土壤TOAs含量，有机肥、绿肥、化肥处理相比对照处理分别增加195%, 116%, 58%，差异显著，各施肥处理间也呈现差异显著，有机肥作用最强，其次是绿肥，再次是化肥。可见，长期施肥后，尤其是长期施用有机肥及绿肥，增加了土壤DOM成分中更为活泼的TCs和TOAs，提高了土壤碳源的生物有效性。

Fig.1 Influence of long-term different fertilizations on the contents of soil DOM. Note: Different lower letters in the figure mean significant difference atp<0.05

2.2 长期不同施肥对土壤DOM组成的影响

2.2.1 土壤DOM的紫外-可见光谱特征

由图2可知，在可见光波长范围内(400～800 nm)吸光值随波长几乎无变化。在紫外光波长范围内(<400 nm)吸光值随着波长的递减增加，400 nm处缓慢增加至260 nm左右有一平台，在250 nm处迅速增加至200 nm左右有一吸收峰，之后又快速下降。不同处理DOM的可见光波长范围内(400～800 nm)几乎无差异，但在紫外光波长范围内(<400 nm)各施肥处理大于对照处理的吸光值。在200 nm左右吸收峰处的吸光值有机肥处理≈化肥处理>绿肥处理>对照处理。说明施肥增加了紫外区域的吸光值，有机肥的效果最为明显，其次是绿肥，再次是化肥。

紫外吸收特征值SUVA254，SUVA260，SUVA272，SUVA280分别与DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度、平均分子量成正比[9-10]。由表1可知，施肥明显改变了土壤DOM的紫外吸收特征值SUVA254，SUVA260，SUVA272，SUVA280，且不同施肥处理间表现出相当一致的规律，均是有机肥>绿肥>化肥>对照，施肥处理显著高于对照处理，并且有机肥处理显著高于绿肥和化肥处理。这表明施肥增加了土壤DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度、平均分子量，使其更趋于稳定，且有机肥效果最明显，其次是绿肥处理，再次是化肥处理。

Fig.2 Ultraviolet and visible spectrum characteristics of soil DOM in long-term different fertilization treatments

Table 1 Characteristic ultraviolet spectrum absorption values of soil DOM in long-term different fertilization treatments

Note: Different lower letters in the same column mean significant difference atp<0.05, the same below

2.2.2 土壤DOM的红外光谱特征

Fig.3 Infrared spectroscopy characteristics of soil DOM in long-term different fertilization treatments

2.3 长期不同施肥下土壤DOM的C，H，N，O，S元素组成

由表2可以看出，不同处理改变了土壤DOM的元素相对含量以及元素间比例。有机肥处理后C含量最高而H和O含量最低，H/C, O/C, S/C最低，C/N最高，说明有机肥处理土壤DOM含有更多的饱和含碳化合物。绿肥处理O含量最高，说明绿肥处理土壤DOM含有较多的富氧基团化合物。化肥处理N含量最高，C/N最低，说明化肥处理的土壤DOM富含胺类化合物。对照处理S含量最高，S/C最高，这是因为对照处理没有外源碳的大量投入，加之微生物的消耗，使得S相对含量较高。土壤DOM的元素组成的差异本质是物质组成的差异，元素含量的变化印证了施肥改变土壤DOM各物质相对含量的结果。

Table 2 Percentages of elements of soil DOM in long-term different fertilization treatments

2.4 施肥提高土壤DOM活性成分的含量

试验中，不论施有机肥、绿肥还是化肥，均增加了DOM中活性成分DOC，DON，TCs，TOAs的含量，有机肥的效果最为明显，其次是绿肥、化肥。不论是腐熟的还是新鲜的牛粪都含有大量的DOC和DON[11]，绿肥施入土壤后在腐解过程中会产生大量的DOM，这些物质投入农田必然导致土壤DOM的变化。不仅如此，施肥措施有利于提高作物产量，从而可以通过增加作物根系生物量以及微生物活动来增加DOM含量。沈玉芳等[5]把不同碳氮比的有机物料添加到土壤中，结果均可增加DOC和DON含量。稻草秸秆、猪粪两种有机肥料施入土壤后DOC含量增加[6]。有机肥、化肥及有机肥化肥配施研究表明，三种施肥方式均能增加DOC和DON含量，其中以有机肥化肥配施效果最好，其次是有机肥、化肥[12]。TCs和TOAs也是DOM中重要的部分，而且生物有效性很高，特别是TCs极易被微生物分解利用[13]。从本研究的结果看，有机肥处理的DOC和DON虽然高于绿肥处理，但未见显著性差异，而两处理的TCs和TOAs则显示出显著性差异，有机肥处理显著高于绿肥处理。试验中，绿肥处理的毛叶苕子前一年10月初即施入土壤，并切碎配合灌水以利于腐解，到第二年玉米收获取样时分解释放的TCs和TOA已大都被消耗但仍高于化肥处理。有机肥投入每年为每亩8 t牛圈底厩肥，干物质量较大，含水量低，当地气候干旱圈底厩肥中的牛粪腐解慢，分解释放TCs和TOAs的速度也慢，到玉米收获期TCs和TOAs水平仍然较高，致使显著高于绿肥处理。综上，有机肥、绿肥是提高土壤DOM生物有效性的有效手段，有利于土壤活性有机物的积累。

2.5 土壤DOM光谱特征及元素组成与施肥的关系

长期施肥提高了紫外吸收特征值SUVA254，SUVA260，SUVA272，SUVA280，说明长期施肥增加DOM的芳香及疏水性部分的比例、腐殖化程度、平均分子量大小，其中有机肥处理与其他处理差异显著。这是因为本试验所用的牛圈底厩肥碳氮比大，有助于碳的积累。研究表明相对于单施化肥，施有机肥可以增加DOM的芳香性部分的比例，使其更加稳定[12]。

研究各处理土壤DOM的红外光谱图与占新华等[15]研究的水稻土、猪粪、污泥、绿肥四种有机物料的DOM的红外光谱图的吸收区域大致相同，说明DOM是一类成分比较稳定的物质，不同来源DOM只是各物质的含量不同。红外光谱技术只能定性地推测每个吸收峰含有的官能团，但无法定量化判断每个吸收峰的具体物质；元素分析也只能判定DOM的元素组成，无法确定物质成分。但结合红外光谱与元素分析结果，再加上紫外-可见光谱结果，可以大致推断DOM的物质组成。化肥处理3 559和3 419 cm-1伸缩振动双峰以及1 456 cm-1吸收峰均明显高于其他处理，可能是因为化肥处理投入的是氮肥尿素，使其胺类化合物含量高于其他处理，这与紫外-可见光谱显示的化肥处理在200 nm左右处的吸收峰高于其他处理一致，也与元素分析结果化肥处理含N最高一致。绿肥处理1 260～1 000 cm-1吸收峰稍高于其他处理，此峰代表的是多糖、醇类及羧酸等富含O的化合物，与元素分析中绿肥处理含O最高相一致。有机肥处理870～640 cm-1显现出的尖峰说明有机肥处理土壤DOM的苯环较丰富，与紫外-可见光谱分析结果有机肥处理土壤DOM的芳香化程度最高相一致，同样与元素分析结果有机肥处理含C最高相一致。综上，施肥对土壤DOM的物质组成有一定的影响，不同施肥处理表现不同。

3 结 论

(1)长期施肥提高土壤DOM的含量及稳定性，不同施肥的作用差异明显。施肥处理的DOC，DON，TCs，TOAs含量增加，芳香及疏水部分的比例、腐殖化程度、平均分子量提高。有机肥处理效果最为明显，其次分别是绿肥、化肥。

(2)不同施肥对DOM的物质组成影响不同。有机肥、绿肥、化肥处理分别增加DOM的芳香类物质、富氧基团物质、胺类物质的相对含量，同时分别增加了DOM中C，O，N元素的相对含量。

[1] Kalbitz K, So linger S, Park J H, et al. Soil Science, 2000, 165(4): 277.

[2] WANG Mei-li, LI Jun, ZHU Zhao-zhou, et al(王美丽, 李 军, 朱兆洲，等). Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry(矿物岩石地球化学通报), 2010, 3(29): 304.

[3] GAO Tai-zhong, ZHANG Hao, ZHOU Jian-wei(高太忠, 张 昊, 周建伟). Ecology and Environmental Sciences(生态环境学报), 2011, 20(4): 652.

[4] GUO Jian-fen, YANG Yu-sheng, CHEN Guang-shui, et al(郭剑芬, 杨玉盛，陈光水，等). Journal of Fujian Normal University (福建师范大学学报), 2008, 24(4): 102.

[5] SHENG Yu-fang, TAO Wu-hui, LI Shi-qing(沈玉芳, 陶武辉, 李世清). Journal of Agro-Environment Science(农业环境科学学报), 2011, 30(1): 139.

[6] NI Jin-zhi, XU Jian-min, XIE Zheng-miao(倪进治, 徐建民, 谢正苗). Journal of Agro-Environment Science(农业环境科学学报), 2003, 22(4): 416.

[7] YANG Nan, YU Hui-bin, SONG Yong-hui, et al(杨 楠, 于会彬, 宋永会，等). Acta Scientiate Circumstantiae(环境科学学报), 2014, 34(7): 1751.

[8] ZHAN Xin-hua, ZHOU Li-xiang, SHEN Qi-rong, et al(占新华, 周立祥, 沈其荣，等). Acta Scientiate Circumstantiae(环境科学学报), 2001, 21(4): 470.

[9] Dilling J, Kaiser K. Water Research, 2002, 336: 5037.

[10] Kalbitz K, Schmerwitz J, Schwesig D, et al. Geoderma, 2003, 113(3/4): 273.

[11] ZHAO Man-xing, ZHOU Jian-bin, CHEN Zhu-jun, et al(赵满兴, 周建斌, 陈竹君, 等). Acta Ecological Sinica(生态学报), 2007, 27(1): 397.

[12] CHEN Wu-rong, LIU Qin, YU Hong-shuang, et al(陈武荣, 刘 勤, 禹洪双，等). Journal of Soil and Water Conservation(水土保持学报), 2010, 24(6): 111.

[13] SHI Ji-ping, ZHANG Fu-dao, LIN Bao(史吉平, 张夫道, 林 葆). Scientia Agricultura Sinica(中国农业科学), 2002, 35(2): 174.

[14] ZHANG Jia-shen, CAO Jun, TAO Shu(张甲珅, 曹 军, 陶 澍). Acta Pedologica Sinica(土壤学报), 2003, 40(1): 118.

[15] ZHAN Xin-hua, ZHOU Li-xiang, LU Yan-yu(占新华, 周立祥, 卢燕宇). China Environmental Science(中国环境科学), 2010, 30(5): 619.

*Corresponding authors

Long-Term Different Fertilizations Changed the Chemical and Spectrum Characteristics of DOM of the Irrigation-Desert Soil in North-Western China

CHANG Dan-na1, 2，CAO Wei-dong1, 3*，BAO Xing-guo4*，BAI Jin-shun1，ZHANG Jiu-dong4，LU Bing-lin4，GAO Song-juan1, 2，ZENG Nao-hua1，WANG Xue-cui1, 2，Shimizu Katsuyoshi5

1. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

2. The Graduate School, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

3. Qinghai University, Xining 810016, China

4. Institute of Soil, Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China

5. Faculty of Agriculture, Kagoshima University, Kagoshima 890-0065, Japan

By using Ultraviolet-visible Spectrometry, Fourier Transform Infrared Spectrometer and Elemental Analyzer, spectrum and chemical characteristics of soil DOM affected by long-term different fertilizations were investigated in irrigation-desert soil in North-western China based on an experiment started from 1988. Four different fertilization treatments were included, i.e., organic fertilizer (OF), green manure (GM), chemical fertilizer (CF) and a control of no fertilization (CK). The results showed that fertilization could increase the contents of DOM. Compared to CK, the treatments of OF, GM, CF increased the dissolved organic carbon (DOC) by 37%, 29%, 16%; increased the dissolved nitrogen (DON) by 334%, 257%, 182%; increased the total carbohydrate (TCs) by 90%, 25%, 2%; and increased the total organic acids (TOAs) by 195%, 116%, 58%; respectively. Furthermore, DOC, DON, TCs, and TOAs in the OF treatment were significantly higher than those in CK, they were also significantly higher in the GM and CF treatments except for TCs. The ultraviolet-visible analysis showed that fertilizations enhanced the SUVA254, SUVA260, SUVA272and SUVA280of DOM, indicating that fertilizations increased the aromatic and hydrophobic percentage, humification degree, and average molecular weight, and thus resulting in more stability of DOM. Same trends were showed for all the 4 ultraviolet spectrum absorption values in different fertilizations, i.e., the strongest effect was found in the OF treatment, and then was the GM treatment and CF treatment successively. From the results by the Fourier Transform Infrared Spectrometry, the characteristic peak of aromatic in the OF treatment was observed shifting from 1 625 to 1 649 cm-1, which was close to the characteristic peak of humin, suggesting that the aromaticity of DOM in the OF treatment was higher than the other treatments. The characteristic peaks of C—O at 1 260～1 000 cm-1belonging to sugar, alcohol, and carboxylic acid were highest in the GM treatment, showing that the green manure could increase rich oxygen radicals. The highest characteristic peaks of N—H at 3 559, 3 419 and 1 456 cm-1were observed in the CF treatment, indicating that the chemical fertilizer could increase amine substances. The contents of C, O and N in the OF, GM, CF treatments were also increased respectively according to the elemental analysis.

Long-term different fertilization; Dissolved organic matter; Ultraviolet-visible spectrum; Infrared spectroscopy; Element analysis

Sep. 22, 2014; accepted Dec. 30, 2014)

2014-09-22，

2014-12-30

公益性行业(农业)科研专项项目(201103005), 中国农业科学院科技创新工程、国家自然科学基金项目(41261061)资助

常单娜，1987年生，中国农业科学院研究生院硕士研究生 e-mail: chang1988917@126.com *通讯联系人 e-mail: caoweidong@caas.cn; xinguobao@aliyun.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0220-06