不同处理牛粪对大豆重茬土壤腐殖质组成和结构特征的影响

孟安华，张振都，吴景贵

(1 吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118；2 吉林省农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，吉林 长春 130033)



不同处理牛粪对大豆重茬土壤腐殖质组成和结构特征的影响

孟安华1，张振都2，吴景贵1

(1 吉林农业大学 资源与环境学院，吉林 长春 130118；2 吉林省农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，吉林 长春 130033)

【目的】 研究施用不同处理牛粪后大豆重茬土壤中腐殖质的组分含量及结构特征变化。【方法】 以大豆“九黑1号”为供试品种，设置单施化肥处理(对照，CK)、风干牛粪处理(X)、腐解牛粪处理(F)和蛴螬牛粪处理(Q)，采用室内盆栽试验，于2011年5月在施用不同处理牛粪的土壤中第1次播种大豆，09-30收获；2012年5月继续在各处理土壤中播种大豆，09-30收获后采集0～20 cm土层土壤，用元素分析法、红外光谱分析法(IR)及核磁共振光谱法(13C-NMR)，研究不同处理牛粪对大豆重茬土壤中胡敏酸(HA)、富里酸(FA)组分的元素组成和结构特性的影响。【结果】 不同处理牛粪对大豆重茬土壤HA和FA的元素(C、H、O、N)组成影响有明显差异。不同处理牛粪可以提高大豆重茬土壤HA的氧化度，降低缩合度，使大豆重茬土壤FA氧化度降低。大豆重茬土壤HA含有更多的长链烷烃和酚基碳，FA含有更多的支链和短链烷基碳，且FA的芳化度比HA低。与CK相比，施用牛粪的各处理大豆重茬土壤中HA的烷基成分、羧酸化合物、酰胺类化合物和芳香环类化合物减少，而碳水化合物或多糖类成分增加，脂化度升高，芳化度下降；土壤中FA的烷基成分、多肽类化合物、芳香环类化合物和碳水化合物减少。对不同牛粪处理土壤进行对比分析发现，风干牛粪处理(X)明显增加了大豆重茬土壤HA和FA的羧酸化合物含量，腐解牛粪处理(F)明显增加了大豆重茬土壤FA烷基成分和碳水化合物成分，蛴螬牛粪处理(Q)下大豆重茬土壤HA的碳水化合物或糖类成分明显增加。【结论】 不同处理牛粪对大豆重茬土壤HA和FA的元素组成与结构特征产生了不同程度的影响，且明显增加了土壤HA酚基碳含量。

牛粪；大豆；重茬土壤；腐殖质；胡敏酸；富里酸；元素组成；结构特征

由于大豆的经济价值和近年来国内外对大豆需求量的与日俱增，导致大豆重茬面积逐年递增，而大豆重茬会引起土壤腐殖质总量、胡敏酸(HA)、HA/FA(富里酸)下降[1]。已有研究表明，施用有机肥或其与无机肥配施能够增加土壤各结合形态腐殖质(松结态、稳结态、紧结态)的总量，提高松结态与紧结态腐殖质比率[2]，增加腐殖质中烷烃基和氨基的数量[3]。因此，研究如何对大豆重茬土壤实施有机培肥，提高大豆重茬土壤中的腐殖质含量就显得尤为重要。而牛粪作为我国丰富的有机肥料之一，不仅为土壤提供大量的营养物质成分，而且在改善土壤板结情况、改良土壤透水性、螯合土壤里的微量元素以及提升土壤肥力等方面都发挥了重要作用；同时，用牛粪做原料生产有机肥，可以防止牛粪堆积对环境产生的污染，实现牛粪资源的循环再利用[4]。史振鑫等[5]认为，施用牛粪能提高土壤中HA和FA的碳、氢、氮含量，降低氧含量，改善黑土腐殖质活性，且以施用腐解牛粪的效果较好；王妮等[6]利用盆栽试验研究牛粪对侧柏根际土壤微环境特征的影响，结果表明牛粪能明显增加根际土壤中腐殖酸和胡敏酸的含量，提高HA/FA。塔莉[7]和李鸣雷等[8]通过大田随机区组试验研究了施用化肥和牛粪有机肥对10个品种大豆生育性状、产量、品质及土壤性质的影响，结果表明牛粪有机肥对重茬大豆土壤理化性质的影响较大，且有利于土壤真菌等微生物的生长和繁衍。虽然已有学者对牛粪及大豆重茬土壤养分、理化性质、微生物等方面进行了研究，但是关于牛粪施入大豆重茬土壤后，土壤腐殖质组分和结构特征变化的研究却少有报道。本研究通过田间盆栽试验，利用元素组成分析仪、红外光谱仪、核磁共振(13C-NMR) 光谱仪等现代仪器技术分析牛粪施入大豆重茬土壤后，土壤腐殖质的组分和结构特征变化，旨在为利用牛粪等有机肥改善大豆重茬后土壤环境质量，进而提高大豆产量提供借鉴。

1　材料与方法

1.1供试材料

1.1.1供试土壤本试验设在吉林农业大学试验田(E 125°40′37"，N 43°81′06")，供试土壤为典型黑土，盆栽试验开始前供试土壤有机质含量为23.5 g/kg、碱解氮含量117 mg/kg、速效磷含量 19.11 mg/kg、速效钾含量91.4 mg/kg、pH为 7.05。

1.1.2供试作物供试大豆品种为九黑1号，由吉林省平安种业有限公司提供。

1.1.3供试肥料(1)供试化肥。N肥：尿素 (总N≥46.4%)，购自山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司；P肥：磷酸二铵 (P2O5≥64%)，购自庆丰集团吉林省隆源农资有限公司；K肥：氯化钾 (K2O≥60%)，购自烟台市嘉禾农业生产资料有限公司。

(2)供试有机肥。 风干牛粪：在吉林农业大学动物科学技术学院奶牛养殖场内采集新鲜牛粪，之后将其在自然状态下暴晒，风干备用。腐解牛粪：将风干后的牛粪充分搅拌均匀，将其在自然状态下堆放腐解49 d。蛴螬牛粪：选取体态匀称、大小相同的蛴螬幼虫200只，每只蛴螬幼虫质量约为2.05 g，先将蛴螬幼虫放入土壤内预培养1周，以排清蛴螬幼虫肠道里的内容物，然后挑出，按照接种密度(Q)为284.91条/m3，均匀放入400 kg的新鲜牛粪中，堆放腐解49 d，堆肥长、宽、高约为145，95，50 cm，发酵过程中在堆体表面覆盖草帘，以防止蛴螬幼虫死亡，同时控制堆体温度、水分，并在堆体上方约1 m 处搭遮雨蓬布，以保证蛴螬幼虫的生长环境。以上牛粪均在阴凉处风干，然后粉碎过孔径0.15 mm筛备用。

1.2试验设计

试验设在吉林农业大学资源与环境学院的培养试验场网室，采用盆栽试验，随机区组排列，试验起始时间为2011-05，试验所用培养盆为直径30 cm、高40 cm 的塑料盆。试验共设4个处理：单施化肥处理(CK)、风干牛粪处理(X)、腐解牛粪处理(F)和蛴螬牛粪处理(Q)，每处理3次重复。每盆装土 12.5 kg(以干质量计)，并施入尿素10 g/盆，磷酸二铵5 g/盆，氯化钾7 g/盆；除CK外，其他处理分别施入占风干土质量5%的各处理牛粪(风干质量)，混匀，装盆。种植方式是大豆重茬，具体方法为：第1年于2011-05-23播种，05-28出苗，出苗后每盆定植4 株，定期浇水，09-30收获；第2年于2012-05-25播种，其他同上年处理。09-30大豆收获后，采集各处理盆中0～20 cm土层土壤样品，阴凉处风干，磨细，过孔径0.15 mm筛备用。

1.3方法

1.3.1土壤腐殖质组分的粗提取采用Pollo修改法[9]，进行土壤主要腐殖质组分胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的提取。具体步骤为：称取0.500 0 g 过孔径0.15 mm筛的土壤样品放入100 mL离心管，加0.1 mol/L NaOH 60 mL，20 ℃下提取24 h，将提取液以3 500 r/min离心15 min，反复提取10次左右，收集上清液，上清液即为可提取腐殖质(HE)，用2.5 mol/L HCl酸化提取液至pH=1.5(广泛试纸)，放入恒温水浴(70 ℃)中保温1.5 h。将上述酸化了的混合液(温度降下后)置于低速离心管中3 500 r/min离心15 min，所得上清液即为FA，离心管中沉淀为HA。

1.3.2土壤腐殖质组分的纯化(1)HA的纯化[9]。用少量0.1 mol/L NaOH 溶液将离心管的沉淀溶解，倒入烧杯中，用2.5 mol/L HCl溶液调pH=1.5(广泛试纸)，再离心，弃去上清液，如此反复4次。最后将离心管中的沉淀用0.1 mol/L NaOH溶解，用2.5 mol/L HCl调至pH=7(精密试纸)，16 000 r/min离心30 min，将离心管中上清液倒入电渗析仪中进行电渗析，最后旋转蒸发，冻干，即为HA。

(2)FA的纯化[9]。将粗FA溶液加到活性炭中，用布氏漏斗吸滤，吸附完毕后，用0.2 mol/L NaOH清洗活性炭(开始先反应一会)，直至滤液颜色很淡为止。之后在溶液中加入2.5 mol/L HCl调至pH=7(精密试纸)，16 000 r/min离心20 min(去除黏粒)，取上清液进行电渗析，旋转蒸发，冻干，即为FA。

1.3.3元素组成分析大豆重茬土壤腐殖质组分(HA、FA)的C、H、N含量(g/kg)，用德国VARIO EL Ⅲ型元素分析仪测定。用差热分析仪的灰分和含水量数据校正后，计算O含量(g/kg)，即O含量=1 000-(C含量+H含量+N含量)。

1.3.4红外光谱大豆重茬土壤腐殖质组分(HA、FA)的官能团特征用美国Nicolet-AV360红外光谱仪测定，即用微量天平称取腐殖质组分样品0.5～2 mg，用玛瑙研钵研磨到粒径小于2 μm，然后将样品和KBr粉末以1∶100的质量比在玛瑙研钵中充分磨匀、用压片机压片，灯光照射后，在波长 4 000～400 cm-1以16次/min扫描，获得红外光谱图。

1.3.5核磁共振在碳的同位素中，只有13C有自旋现象，存在核磁共振吸收，因此，大豆重茬土壤腐殖质组分(HA、FA)的13C核磁共振光谱，用BRUKER AVANCE III 400WB宽腔固体超导核磁共振波谱仪测定。用金刚烷为内标(化学位移δ=29.5)，转子直径4 mm，共振频率100.46 MHz，魔角自旋频率12 kHz，脉冲延迟时间6 s，1 500次累加。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2007对结果进行数据统计分析，分别用红外光谱仪和核磁共振光谱仪的数据处理软件导出数据图谱，用Origin 7.5 制作光谱图。

2　结果与分析

2.1不同牛粪处理大豆重茬土壤HA和FA的元素组成

不同牛粪培肥方式下大豆重茬土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的元素组成分析如表1所示。由表1可知，土壤HA的C、H、O、N含量分别是446～512，39.2～47.8，404～472和34.2～46.7 g/kg，这说明各施肥处理土壤HA具有较高的C、O含量和较低的H、N含量。与对照(CK)相比，施用不同处理牛粪后，HA的C含量均降低，降幅1.17%～12.9%，具体表现为Q

由表1还可见，不同牛粪培肥方式下大豆重茬土壤FA的C、H、O、N含量分别是422～468，35.4～57.8，428～471和59.4～66.3 g/kg，各处理C、O含量较高。与对照(CK)相比，施用不同处理牛粪后，大豆重茬土壤FA的C含量均升高，升幅6.16%～10.9%，具体表现为CK

已有研究表明，腐殖质C/H、O/C、C/N可用来表征土壤腐殖质的缩合度、氧化度和腐植酸的腐殖化程度[10]。由表1可以看出，不同牛粪处理的大豆重茬土壤HA的C/H为0.782～1.089，与对照(CK)相比，各牛粪处理的大豆重茬土壤HA的C/H均降低，具体表现为Q

表 1　不同牛粪处理大豆重茬土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的元素组成及原子比Table 1　Elemental composition and atomic ratio of humic acids and fulvic acids in continuous soil samples under different cow treatments

注：CK.单施化肥处理；X.风干牛粪处理；F.腐解牛粪处理；Q.蛴螬牛粪处理。下同。

Note:CK.Single chemical fertilization treatment;X.Dried cow dung treatment;F.Rotting cow dung treatment;Q.Grubs manure treatment.The same below.

2.2不同牛粪处理大豆重茬土壤HA和FA的红外光谱

2.2.1红外光谱主要吸收峰的确定已有研究表明，土壤的红外光谱吸收峰主要归属为：3 400 cm-1(羧酸、酚类、醇类等的-OH伸缩振动和酰胺类官能团的N-H振动)；2 920～2 850 cm-1(脂族结构中-CH2和-CH3的C-H的伸缩振动)；1 710～1 725 cm-1(羧酸的C=O伸缩振动)；1 620～1 630 cm-1(羧酸盐中COO-的反对称伸缩振动)；1 540 cm-1(酰胺类化合物的N-H 变形振动)；1 414 cm-1(脂族中甲基和亚甲基的变形振动)；1 240～1 220 cm-1(羧基上C-O伸缩振动，羧基上的C-OH变形振动)；1 080～1 036 cm-1(酚类或醇类上的C-O不对称伸缩振动)及471 cm-1(无机矿物的Si-O变形振动)[11]。本研究中，为分析牛粪施入后大豆重茬土壤腐殖质组分各吸收峰的相对吸收强度变化，将3 540，1 820 和860 cm-1处的吸收量作为零点吸收，经过这3点做一直线为基线，同时将 3 000 cm-1和1 480 cm-1处吸收量作为强度不变的吸收点，判断其他吸收峰强度的增减情况[11]。

2.2.2土壤胡敏酸(HA)的红外光谱不同处理牛粪培肥方式下大豆重茬土壤HA的红外光谱如图1所示。图1显示，与CK相比，施用不同处理牛粪后，大豆重茬土壤HA的3 400，2 930，1 720，1 610，1 520，1 410，1 240 cm-1处的吸收峰强度均降低，1 030 cm-1处吸收峰升高，说明不同牛粪处理减少了大豆重茬土壤HA的烷基成分、羧酸化合物、酰胺类化合物和芳香环类化合物，而碳水化合物或多糖类成分增加。对不同牛粪处理大豆重茬土壤HA的红外吸收峰强度进行比较，可知风干牛粪处理(X)明显增加了土壤HA的烷基成分、羧酸化合物和芳香环类化合物，蛴螬牛粪处理(Q)明显增加了碳水化合物或多糖类成分(1 030 cm-1)。

图 1　不同牛粪处理下大豆重茬土壤 胡敏酸(HA)的红外光谱变化 CK.单施化肥处理；X.风干牛粪处理； F.腐解牛粪处理；Q.蛴螬牛粪处理。下图同Fig.1　Infrared spectra of humic acids of continuous soil samples under different cow treatments CK.Single chemical fertilization treatment; X.Dried cow dung treatment;F.Rotting cow dung treatment; Q.Grubs manure treatment.The same below

2.2.3土壤富里酸(FA)的红外光谱不同牛粪培肥方式下大豆重茬土壤FA的红外光谱如图2所示。从图2可以看出，不同处理的红外光谱基本类似，但各处理特征峰的相对吸收强度不一致，说明不同处理牛粪培肥影响大豆重茬土壤FA的官能团数量。与CK相比，施用不同处理牛粪后，大豆重茬土壤FA的3 400，2 930，1 640，1 540，1 410，1 220，1 030 cm-1处的吸收强度均降低，而风干牛粪处理(X)和腐解牛粪处理(F)在1 720 cm-1处吸收强度升高，且风干牛粪处理(X)在1 540 cm-1的吸收强度也升高，说明不同牛粪处理减少了大豆重茬土壤FA的烷基成分、多肽类化合物、芳香环类化合物和碳水化合物。对不同牛粪处理大豆重茬土壤FA的红外吸收强度的比较分析表明，风干牛粪处理(X)明显增加了土壤FA的羧酸化合物和酰胺类化合物(1 720，1 540 cm-1)，腐解牛粪处理(F)明显增加了烷基成分和碳水化合物成分(3 400，2 930，1 410和 1 030 cm-1)。

图 2　不同牛粪处理下大豆重茬土壤 富里酸(FA)的红外光谱变化Fig.2　Infrared spectra of FA of continuous soil samples under different cow treatments

2.3不同牛粪处理大豆重茬土壤HA和FA的核磁共振光谱

2.3.1核磁共振光谱分区一般而言，核磁共振图谱上的光谱区域被划分为7个化学位移，分别是：δ=0～50(脂肪族碳)，δ=50～108(多糖)，δ=108～165(芳香碳)，δ=108～140(芳基碳)，δ=140～165(酚醛碳)，δ=165～190(羧基碳)，δ=190～230(醛基和酮基碳)[12-13]。

2.3.2土壤胡敏酸(HA)的核磁共振光谱不同处理牛粪培肥下大豆重茬土壤HA的13C-NMR谱图见图3。从图3可以看出，不同处理的波谱基本相似，但土壤HA的各官能团相对含量存在差异。参考相关文献[14-15]后对谱图中不同化学位移(δ)处的13C核磁共振信号进行归属：在脂肪族碳区域(δ=0～50)中，δ=31处存在最大吸收峰，系长链烷烃(甲基、亚甲基、次甲基碳)的贡献；在烷氧碳区域(δ=50～110)中，δ=56处的吸收峰为与木质素及其类似物有关的甲氧基碳的信号，而在δ=72和δ=103处的吸收峰为碳水化合物中的仲醇基碳的信号；在芳香碳区域(δ=110～160)中，δ=129和152处的吸收峰分别为被-COOH 或COOMe 取代的芳香碳，后者主要为酚羟基碳；在羧基碳区域(δ=160～230)中，δ=172处的吸收峰主要为羧酸、酰胺类和醚类碳。

表2是不同牛粪处理下大豆重茬土壤HA不同官能团碳相对含量的变化。从表2可以看出，与CK相比，施用不同处理牛粪后，烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羧基碳相对含量均降低，4种处理的顺序分别为：X

CK

图 3　不同牛粪处理下大豆重茬土壤 胡敏酸(HA)的核磁共振光谱Fig.3　CPMAS 13C-NMR spectra of soil humic acids of continuous soil samples under different cow treatments

表 2　不同牛粪处理下大豆重茬土壤胡敏酸(HA)各组分的相对含量Table 2　Relative contents of the chemical compositions of continuous soil samples under different cow treatments　%

2.3.3土壤富里酸(FA)的核磁共振光谱不同牛粪处理下大豆重茬土壤FA的13C-NMR谱图如图4所示。

图 4　不同牛粪处理下大豆重茬土壤 富里酸(FA)的核磁共振光谱Fig.4　CPMAS 13C-NMR spectra of soil fulvic acids under different cow treatments

由图4可以看出，不同施肥处理的波谱基本相似，但土壤FA的各官能团碳相对含量存在差异。根据相关文献[14-15]对谱图中不同化学位移处的共振信号加以归属：在烷基碳区(δ=0～50)中，δ=20～30处有小的吸收峰，系支链和短链烷基碳的贡献[14]；在烷氧碳区(δ=50～110)中，烷氧区被划分为甲氧基(δ=50～60)和碳水化合物(δ=60～110)2个区域，各处理最大吸收峰对应的δ大约在51，72和101处，δ=51处的主要吸收峰为与木质素及其类似物有关的甲氧基碳，δ=72处的主要吸收峰为碳水化合物中的伯仲醇基碳的信号，δ=101处的主要吸收峰为多糖中的芳香碳；在芳香碳区(δ=110～160)中，各施肥处理均在δ=131处存在核磁共振，主要吸收峰为-COOH 或COOMe 取代的芳香碳；在羧基碳区(δ=160～230)中，δ=172处的吸收峰主要为羧酸、酰胺类和醚类碳。腐解牛粪处理(F)在δ=152处有振动信号峰，主要为酚基碳[16]。

不同施肥处理下大豆重茬土壤FA不同碳基相对含量见表3。由表3可知，与CK相比，各处理土壤FA的烷基碳、烷氧碳、羧基碳均升高，4种处理的顺序分别为CK

表 3　不同牛粪处理下大豆重茬土壤富里酸(FA)各组分的相对含量Table 3　Relative contentd of chemical compositions of continuous soil samples under different cow treatments 　%

3　讨　论

土壤腐殖质作为土壤碳库的重要来源，是土壤质量的一个关键属性[15]。已有研究结果表明，长期有机肥与化肥配施，对重茬作物土壤性质的改善具有明显效果；不同培肥方式对黑土HA和FA的元素组成产生影响，使得土壤HA的C 含量降低，N含量增加，土壤FA的C、N、H 含量增加，O 含量降低[16]；也有研究表明，不同牛粪处理提高了土壤HA和FA的C、H、N含量，降低了O含量，而且以施用腐解牛粪的效果较好[5]。本研究结果表明，不同牛粪培肥方式对大豆重茬土壤HA和FA的元素组成产生了不同程度的影响。其中风干牛粪处理对大豆重茬土壤HA的C、H、O、N含量影响较小；腐解牛粪处理和蛴螬牛粪处理对大豆重茬土壤HA的C、H、O、N含量影响较大，各牛粪处理的大豆重茬土壤HA的C/H降低，O/C升高，除风干牛粪处理(X)外C/N升高，说明不同处理牛粪能够提高大豆重茬土壤HA的氧化度，降低缩合度，且风干牛粪有利于大豆重茬土壤HA含氮基团的形成。风干牛粪处理对大豆重茬土壤FA的N、H含量影响较小，对FA的C、O含量影响较大；腐解牛粪对大豆重茬土壤FA的N、H含量影响较大，对FA的C含量影响较小；蛴螬牛粪处理对FA的O含量影响较大。各牛粪处理的大豆重茬土壤FA的C/N升高，O/C降低，除腐解牛粪处理(F)外，C/H升高，说明不同处理牛粪能够降低大豆重茬土壤FA的氧化度，有利于土壤FA含氮基团的形成，且腐解牛粪处理的大豆重茬土壤FA缩合度较低。

红外光谱分析是依据红外光谱曲线的吸收峰位置、吸收峰强度以及峰外光谱谱图来判断化合物存在哪些官能团的手段之一[11]。本研究中不同牛粪培肥方式对大豆重茬土壤HA和FA均在3 400，2 930，1 720，1 410和1 030 cm-1处存在吸收峰，说明不同牛粪培肥方式并未改变土壤官能团的类型，只是在各处理特征峰吸收强度上显示出差异性，且不同处理土壤中胡敏酸和富里酸的结构特征相似[17]。不同牛粪处理减少了大豆重茬土壤HA的烷基成分、羧酸化合物、酰胺类化合物和芳香环类化合物，而碳水化合物或多糖类成分增加。对不同牛粪处理下大豆重茬土壤HA的红外吸收峰强度比较分析表明，风干牛粪处理(X)明显增加了土壤HA的烷基成分、羧酸化合物和芳香环类化合物，蛴螬牛粪处理(Q)明显增加了碳水化合物或多糖类成分(1 030 cm-1)。不同牛粪处理减少了大豆重茬土壤FA的烷基成分、多肽类化合物、芳香环类化合物和碳水化合物；对不同牛粪处理下大豆重茬土壤FA的红外吸收强度比较分析表明，风干牛粪处理(X)明显增加了土壤FA的羧酸化合物和酰胺类化合物(1 720，1 540 cm-1)，腐解牛粪处理(F)明显增加了烷基成分和碳水化合物成分(3 400，2 930，1 410和 1 030 cm-1)，这一研究结果与元素分析是一致的。

利用核磁共振光谱能够分析化学位移(δ)在 0～230范围内碳的组成，因在碳的同位素中，只有13C有自旋现象，存在核磁共振吸收，因此13C-NMR在腐殖质组成研究中得到了普遍应用[18]。本研究中，不同牛粪处理大豆重茬土壤HA和FA的核磁共振谱图形状基本相似，只是核磁共振吸收峰的相对强度存在明显差异，表明不同牛粪处理未能改变土壤HA和FA的碳骨架，只是对它的数量产生了影响，而不同牛粪处理大豆重茬土壤HA含有更多的长链烷烃和酚基碳，重茬土壤FA含有更多的支链和短链烷基碳，这与梁重山等[19-20]的结论是一致的，这可能是因为牛粪对重茬土壤有修复作用所致。其中，腐解牛粪可促使大豆重茬土壤FA中形成酚基碳。除此之外，施用不同处理牛粪后，大豆重茬土壤HA的烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羧基碳相对含量均降低，导致脂化度升高，芳化度下降。本研究中，对不同牛粪处理的比较结果表明，腐解牛粪处理(F)下土壤HA的烷基碳含量较高，蛴螬牛粪处理(Q)土壤HA的烷氧碳和芳香碳含量较高，风干牛粪处理(X)土壤HA的羧基碳含量较高，这与红外分析结果一致。不同牛粪处理下大豆重茬土壤FA的烷基碳、烷氧碳、羧基碳均升高，芳香碳均下降，导致脂化度升高，芳化度下降。对不同牛粪处理的比较结果表明，风干牛粪处理(X)土壤FA的烷基碳和羧基碳含量较高，腐解牛粪处理(F)土壤FA的烷氧碳含量较高，芳香碳含量最低，这与史振鑫等[5]的研究结果一致。同时，对不同牛粪处理下大豆重茬土壤HA和FA 的芳化度进行比较发现，FA的芳化度比HA的低[21-22]。

4　结　论

(1)不同牛粪处理对大豆重茬土壤HA和FA的元素组成产生了不同程度的影响。不同牛粪处理能够提高大豆重茬土壤HA的氧化度，降低缩合度，而大豆重茬土壤FA氧化度较低。

(2)不同牛粪处理下大豆重茬土壤HA和FA的结构特征相似，不同牛粪处理大豆重茬土壤HA含有更多的长链烷烃和酚基碳，重茬土壤FA含有更多的支链和短链烷基碳，且FA的芳化度比HA低。对不同牛粪处理下大豆重茬土壤HA和FA进行比较可知，风干牛粪处理(X)明显增加了土壤HA和FA的羧酸化合物含量，腐解牛粪处理(F)明显增加了土壤FA烷基数量和碳水化合物含量，蛴螬牛粪处理(Q)明显增加了土壤HA的碳水化合物或多糖类化合物含量。

[1]邹永久,韩丽梅,付慧兰,等.大豆连作土壤障碍因素研究：1.重茬对土壤腐殖质组分性质的影响 [J].大豆科学,1996,15(3):236-242.

Zou Y J,Han L M,Fu H L,et al.Studies on soil obstructive factors soybean(Glycinemax) continuous cropping:1.Effect of continuous cropping on soil humus composition properties [J].Soybean Science,1996,15(3):236-242.

[2]接晓辉,杨丽娟,周崇峻,等.长期施肥对保护地土壤腐殖质总量及各形态之间比值的影响 [J].土壤通报,2009,40(4):805-808.

Jie X H,Yang L J,Zhou C J,et al.Effect of long-term fertilization on the contents of combined formation of humus in the protected cultivation [J].Chinese Journal of Soil Science,2009,40(4):805-808.

[3]Hayakawa,Akiyama S,Kazuyuki Y,et al.N2O and NO emissions from an Andisol field as influenced by pelleted poultry manure [J].Soil Biology & Biochemistry,2009(41):521-529.

[4]袁立,王占哲,刘春龙.国内外牛粪生物质资源利用的现状与趋势 [J].中国奶牛,2011(5):3-9.

Yuan L,Wang Z Z,Liu C L.Current situation and trend of dairy manure biomass resources at home and abroad [J].China Dairy Cattle,2011(5):3-9.

[5]史振鑫,孟安华,吴景贵,等.牛粪处理方式对黑土胡敏酸和富里酸的影响 [J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014,42(3):146-151.

Shi Z X,Meng A H, Wu J G,et al.Effects of different cattle manures on humic acid and fulvic acid in Black Soil [J].Journal of Northwest A&F University(Nat Sci Ed),2014,42(3):146-151.

[6]王妮,朱亚萍,邢尚军,等.施用牛粪对侧柏根际土壤微环境特征的影响 [J].核农学报,2014,28(10):1891-1896.

Wang N,Zhu Y P,Xing S J,et al.Effect of cattle manure on micro-environment characteristics in the rhizosphere soil ofPlatycladusorientalis[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2014,28(10):1891-1896.

[7]塔莉.牛粪有机肥对重茬大豆生育性状及土壤性质影响研究 [D].长春:吉林农业大学,2012.

Ta L.Effects of cattle manure on plant reproductive traits and soil properties for continuous planting soybeans [D].Changchun:Jilin Agricultural University,2012.

[8]李鸣雷,谷洁,高华,等.不同有机肥对大豆植株性状、品质和产量的影响 [J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2007,35(9):67-71.

Li M L,Gu J,Gao H,et al.Effects of different organic fertilizer on plant character,quality and yield of soybean [J].Journal of Northwest A&F University(Nat Sci Ed),2007,35(9):67-71.

[9]窦森.土壤有机质 [M].北京:科学出版社,2010.

Dou S.Soil organic matter [M].Beijing:Science Press,2010.

[10]Hargitai L.Biochemical of elemental characteristics of humic substances during humification related to their environmental functions [J].Environmental International,1994(20):43-48.

[11]张玉兰,孙正霞,陈振华,等.红外光谱法测定肥料施用26年土壤的腐殖质组分特征 [J].光谱学与光谱分析,2010,30(5):1210-1213.

Zhang Y L,Sun Z X,Chen Z H,et al.Analysis of soil humus and components after 26 years’ fertilization by infrared spectroscopy method [J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2010,30(5):1210-1213.

[12]Vergnoux A,Cuiliano M,Di Rocco R,et al.Quantitative and mid-infrared changes of humic substances from burned soil [J].Environment Research,2011,111:205-214.

[13]Andreia N F,Marceo G,Valemar I E,et al.Elemental and spectral properties of peat and soil samples and their respective humic substances [J].Journal of Molecular Structure,2010,971:33-38.

[14]Santín C,González-Pérez M,Otero X L,et al.Characterization of humic substances in salt marsh soils under sea rush(Juncusmaritimus) [J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2008,79:541-548.

[15]陈兰,唐晓红,魏朝富.土壤腐殖质结构的光谱学研究进展 [J].土壤肥料科学,2007,23(8):233-239.

Chen L,Tang X H,Wei C F.Spectroscopies of soil humic substances:a review [J].Soil and Fertilizer Science,2007,23(8):233-239.

[16]吴景贵,任军,赵欣宇,等.不同培肥方式黑土腐殖质形态特征研究 [J].土壤学报,2014,51(4):710-716.

Wu J G,Ren J,Zhao X Y,et al.Morphology of humus in Black Soil as affected by fertilization method [J].Acta Pedologica Sinica,2014,51(4):710-716.

[17]肖彦春,窦森.土壤腐殖质各组分红外光谱研究 [J].分析化学研究报告,2007,35(11):1596-1600.

Xiao Y C,Dou S.Study on infrared spectra of soil humus fractions [J].Chinese Journal of Analytical Chemistry,2007,35(11):1596-1600.

[18]李文芳,卜晓英,黄美娥,等.土壤腐殖质的降解及其结构 [J].安徽农业科学,2005,33(3):494-495.

Li W F,Pu X Y,Huang M E,et al.Elementary exploration of separation,extraction and structural analysis of soil humus [J].Journal of Anhui Agri Sci,2005,33(3):494-495.

[19]梁重山,党志.核磁共振波谱法在土壤腐殖质研究中的应用 [J].农业环境保护,2001,20(4):277-279.

Liang C S,Dang Z.Application of NMR spectroscopy in research of humic materials [J].Agro-environmental Protection,2001,20(4):277-279.

[20]梁重山,刘丛强,党志.现代分析技术在土壤腐殖质研究中的应用 [J].土壤,2001,33(3):154-158.

Liang C S,Liu C Q,Dang Z.Application of modern instruments on soil humus research [J].Soils,2001,33(3):154-158.

[21]Lu X Q,Hanna J V,Johnson W D.Source indicators of humic substances:an elemental composition,solid state13C CP/MAS NMR and Py-GC/MS study [J].Applied Geochemistry,2000,12:1019-1033.

[22]Lemke T,Stingl U,Egert M,et al.Physicochemical conditions and microbial activities in the highly alkaline gut of the humus-feeding larva ofPachnodaephippiata(Coleoptera:Scarabaeidae) [J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69:6650-6658.

Effect of cow dung on elemental composition and structural characteristics of soil humus in soybean continuous cropping field

MENG Anhua1，ZHANG Zhendu2，WU Jinggui1

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China;2InstituteofAgriculturalQualityStandardandTestingTechnology,JilinProvinceAgricultureAcademyofScience,Changchun,Jilin130033,China)

【Objective】 Effects of different cow dung applications on elemental composition and structural characteristics of soil humic acid (HA) and fulvic acid (FA) in soybean cropping field were investigated. 【Method】 Indoor pot experiments were used to compare single chemical fertilization treatment (CK), dried cow dung treatment (X),rotting cow dung treatment (F),and grubs manure treatment (Q) using “Nine black 1” as tested varieties.The effect of different cow dung on elemental composition and structural characteristics of soil HA and FA in soybean continuous cropping filed. The first soybean was planted in May 2011 and harvested on 09-30 while the second soybean was planted in May 2012 and harvested on 09-30.Then,samples were collected at depth of 0-20 cm and analyzed by element analysis,infrared spectrum analysis (IR) and nuclear magnetic resonance (13C-NMR).【Result】 There were significant differences in elemental composition (C,H,O,N) of soil HA and FA among different manure applications in soybean continuous cropping field.Different manure treatments increased the oxidation degree of HA,reduced the condensation degree,and decreased oxidation degree of FA.HA contained more long-chain alkanes and phenol-based carbon,and FA contained more branched and short carbon chain alkyl.The aromatization degree of FA was lower than that of HA.Compared with CK (without cow dung),manure treatments reduced the carboxylic acid compounds,amides and aromatic compounds,carbohydrates or sugars,aryl degree of HA and composition,while increased the degree of fat.Cow treatments also reduced the group composition of peptide compounds,aromatic compounds and carbohydrates of soil FA.Dried manure treatment (X) significantly increased the carboxylic acid compounds of HA and FA,the decomposing manure treatment (F) significantly increased carbohydrate composition and alkyl of FA,and grubs manure treatment (Q) significantly increased the carbohydrates or sugars in HA.【Conclusion】 The effects of different cattle manures on elemental composition and structural characteristics of soil HA and FA in soybean continuous cropping field were different.Phenol-based carbon was greatly increased.

cow dung;soybean;continuous soil;humus;humic acid;fulvic acid;elemental composition;structural properties

时间:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.020

2015-03-16

国家科技支撑计划项目“松辽平原区农牧结合循环生产技术集成研究与示范项目”(2012BAD14B05)；国家科技支撑计划项目“东北与黄淮海粮食主产区适应气候变化技术研发与应用”(2013BAC09B01)；吉林省科技厅重点科技成果转化项目“高效多功能夹心肥料的示范与推广”(20130303035NY)

孟安华(1980-)，男，四川安岳人，讲师，博士，主要从事土壤化学与农业废弃物资源化研究。

E-mail：dongshim@sina.com

吴景贵(1965-)，男，吉林舒兰人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤环境优化与农业废弃物资源化研究。

S153.6

A

1671-9387(2016)10-0141-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.040.html