曹 维,蔡 成,疏 晴,王擎运,齐永波,章力干
砂姜黑土水溶性有机物对秸秆还田配施化肥的响应
曹 维,蔡 成,疏 晴,王擎运,齐永波*,章力干
(农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室,安徽农业大学资源与环境学院,合肥 230036)
土壤水溶性有机物(DOM)是土壤有机碳动态变化的敏感指标,为了探究砂姜黑土水溶性有机物对秸秆还田配施化肥的响应特征,为砂姜黑土区土壤培肥和土壤有机质提升提供科学依据。基于砂姜黑土区麦玉轮作制度下的3年田间定位试验(2018—2021年),田间试验设置不施肥(CK),单施秸秆(S)、推荐施肥(F)、秸秆+推荐施肥(SF)4个处理,采用常规测定以及光谱学分析方法,对水溶性有机碳含量及其组分的变化进行分析。结果表明,施肥处理土壤溶解性有机碳(DOC)、溶解性总氮(TDN)、NH4+-N和NO3--N含量较对照或单施秸秆均显著提高(< 0.05);SF处理DOC含量显著高于F处理(< 0.05),增加18.9%;而TDN、NH4+-N和NO3--N含量显著低于F处理(< 0.05),分别降低55.0%、64.1%和51.3%。通过紫外-可见、三维荧光和红外光谱分析表明,秸秆还田和施肥不同程度上提升了土壤DOM中类腐殖质物质含量,使结构相对简单的类蛋白质物质含量减少,类腐殖质物质占比依次为SF(59.6%)> S(57.5%)> F(55.9%)> CK(55.1%),类蛋白质物质占比依次为CK(44.9%)> F(44.1%)> S(42.5%)> SF(40.4%),其中以秸秆配施化肥效果最明显,且其DOM中类腐殖质物质结构趋于复杂化。
砂姜黑土;秸秆还田;水溶性有机物;紫外-可见光谱;三维荧光光谱;红外光谱
土壤有机碳是土壤肥力的核心,有机物料对土壤有机碳提升具有重要作用,然而土壤中的有机碳含量变化周期较长[1]。土壤有机碳库中最活跃、易转化的组分是溶解性有机碳(DOC),尽管其含量很少,但可直接参与土壤肥力转化过程,易被土壤微生物利用,在土壤中周转速度快、有效性高,是土壤有机碳动态变化的敏感指标之一[2]。
对于不同类型土壤的活性有机碳研究发现,在长期施肥条件下,土壤溶解性有机碳含量显著增 加[3],其含量的变化对研究土壤肥力提升、改善土壤质量、维持土壤碳库平衡等环境方面具有重要影响[4-5]。刘淑霞等[6]研究表明土壤活性有机碳对土壤团聚体形成的稳定性和作物产量有显著正相关关系,并对土壤养分及生物有效性影响较显著[7]。此外,土壤溶解性有机碳作为土壤微生物的直接养分来源,能够影响土壤微生物活性及群落组成[8]。黄淮海平原作为我国重要粮食的生产地区之一,较低的土壤有机碳含量限制了作物产量提高。砂姜黑土是黄淮海平原典型耕作土壤,其质地黏重、易旱易涝、耕性差且土壤瘠薄[9]。合理添加有机物料可显著提高土壤有机碳含量,其中秸秆还田措施最为常见。已有大量研究表明,长期的秸秆还田能改善砂姜黑土物理性状,提高土壤养分和活性有机碳含量,作物产量增加[10-11]。由于土壤水溶性有机碳能够快速响应土壤环境条件的变化,对C、N、S、P等营养元素的生物有效性、微生物生长代谢、土壤有机质分解和转化过程均有重要影响[12]。因此提高砂姜黑土区水溶性有机物的腐殖化程度,减少有机物的矿化分解对于改良贫瘠土壤,增强土壤的固碳潜力具有重要作用[13]。本研究以黄淮海平原典型砂姜黑土为研究对象,对秸秆还田条件下土壤水溶性有机碳进行测定,分析不同条件下土壤水溶性有机碳的光谱学特征变化,通过研究土壤水溶性有机碳含量、组分及其结构变化,探讨其与秸秆和肥料配施还田措施间的响应关系,为砂姜黑土区科学施肥、土地质量提升提供科学依据。
试验区位于安徽省宿州市埇桥区安徽农业大学皖北综合试验站(116°97¢E、33°63¢N),该地地处黄淮海平原东部,地势平坦,属暖温带半湿润气候,年均气温14.4 ℃,年降水量857 mm,降水主要集中在夏季。种植制度为冬小麦-夏玉米轮作,供试土壤类型为砂姜黑土,初始土壤pH值为8.06,有机质为24.93 g·kg-1,全氮为0.76 g·kg-1,碱解氮为59.33 mg·kg-1,有效磷为14.88 mg·kg-1,速效钾为239 mg·kg-1。
田间试验开始于2018年10月,共设置4个处理:不施肥(CK)、单施秸秆(S)、推荐施肥(F)、秸秆+推荐施肥(SF),每个处理3次重复,随机排列,各小区面积为49.5 m2(4.5 m×11 m)。小麦季玉米秸秆粉碎还田,推荐施肥量氮肥(按纯氮计)225 kg·hm-2,磷肥(按P2O5计)120 kg·hm-2,钾肥(按K2O计)90 kg·hm-2,氮肥按基追比6∶4施用,磷钾肥按基追比8∶2施用。玉米季小麦秸秆覆盖还田,推荐施肥量氮肥(按纯氮计)270 kg·hm-2,磷肥(按P2O5计)90 kg·hm-2,钾肥(按K2O计)135 kg·hm-2,氮肥按基追比5∶5施用,磷钾肥一次性基施。供试肥料种类为常规复合肥。试验区其他管理则与当地一致。供试冬小麦和夏玉米品种分别为安农1589和安农591。于2021年10月玉米成熟期,采用随机多点混合取样法采集0~20 cm耕层土壤样品。
1.3.1 土壤水溶性有机碳提取 土壤水溶性有机碳提取参考Gao等[14]的方法,去离子水按土水比1∶10浸提新鲜土样于100 mL离心管中,25 ℃下震荡2 h(200 r·min-1),悬浊液以4000 r·min-1离心30 min,滤液过0.45 μm滤膜至棕色试剂瓶内,置于4℃冰箱贮存备用。利用TOC分析仪(Multi N/C 3100)测定溶解性有机碳(DOC)和溶解性总氮(TDN),铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)用连续流动分析仪(SKALAR)测定。
1.3.2 土壤水溶性有机碳光谱表征 紫外-可见吸收光谱采用紫外可见光分光光度计(UV-2550)测定,用去离子水做空白对照,在200~800 nm范围内扫描,波段间隔为1 nm。并计算254 nm和280 nm处的紫外吸收值SUVA254和SUVA280,吸光系数比值E254/E365和E254/E436,光谱斜率S275~295和S350~400的比值SR。三维荧光光谱采用荧光分光光度计(FP-8500)测定,以去离子水为空白,设置荧光激发和发射光谱狭缝宽度分别为5 nm和2 nm,扫描速度1 200 nm·min-1,其中激发波长(Ex)和发射波长(Em)的范围分别为200~500 nm和250~550 nm。并计算荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)和生物指数(BIX)。红外光谱采用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolette is50)测定,取1 mg冷冻干燥的DOM样品与100 mg干燥的溴化钾磨细混匀后压片,设置扫描范围为4 000~400 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为32。
试验数据用Excel 2010软件进行计算,采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析,以LSD多重比较进行不同处理间的差异显著性检验(< 0.05),Origin 2019软件进行作图。
施肥处理土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量较对照或单施秸秆均显著提高(< 0.05)(表1),与CK相比,F和SF处理DOC含量分别提升41.1%和67.8%;TDN含量分别提升299%和79.9%;NH4+-N含量分别提升368%和68.3%;NO3--N含量分别提升147%和20.3%。SF处理DOC含量显著高于F处理(< 0.05),较F处理增加18.9%;而TDN、NH4+-N和NO3--N含量显著低于F处理(< 0.05),较F处理分别减少55.0%、64.1%和51.3%,这可能与秸秆分解过程中土壤无机氮被微生物同化有关。单施秸秆处理TDN和NO3--N含量显著低于CK(< 0.05),较CK分别减少51.1%和72.2%,也同样证明这一点。
表1 土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量
注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(< 0.05)。下同。
图1 不同处理土壤DOM紫外-可见光谱图
Figure 1 Ultraviolet-visible spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments
2.2.1 紫外-可见光谱 不同处理土壤DOM的紫外-可见光谱特征表现出明显差异(图1),尤其在紫外吸收区域,紫外吸收强度依次为F>SF>CK>S。尽管SF处理土壤DOM中DOC含量显著高于F处理,但SF处理土壤DOM紫外吸收区域吸光度明显低于F处理,这可能与DOM结构和组成特性有关。
利用紫外吸收值SUVA254和SUVA280,吸光系数比值E254/E365和E254/E436,光谱斜率比值SR等光谱特征参数进一步解析DOM的分子特征。由表2可见,SUVA254和SUVA280与DOC含量呈负相关,SF处理SUVA254和SUVA280分别为9.34 L·mg-1·m-1和7.29 L·mg-1·m-1(按碳计算),显著低于其他处理(< 0.05),表明SF处理土壤DOM芳构化程度高、分子量大。吸光系数比值E254/E365、E254/E436和光谱斜率比值SR分别可以表征有机质腐殖化程度、有机质来源和分子量[15-17],SF处理E254/E365为4.22,显著高于其他处理(< 0.05),表明SF处理土壤DOM腐殖化程度高;CK处理E254/E436为14.7,显著高于其他处理(< 0.05),表明与其他处理相比CK土壤DOM以内源为主;S和SF处理SR分别为0.664和0.636,显著高于CK和F处理(< 0.05),这可能与秸秆还田导致外源有机质的输入有关。综上所述,秸秆还田配施化肥条件下砂姜黑土DOM既有内源又有外源,分子量、芳构化程度和腐殖化程度均增加。
表2 不同处理土壤DOM紫外-可见光谱特征参数
注:SUVA254和SUVA280分别为254 nm和280 nm处吸光度与DOC浓度的比值。
图2 不同处理土壤DOM三维荧光光谱分布
Figure 2 Three-dimensional fluorescence spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments
图3 不同处理土壤DOM荧光区域积分组分占比
Figure 3 Percentage of fluorescence regional integration components of soil dissolved organic matter in different treatments
2.2.2 三维荧光光谱 不同处理土壤DOM的三维荧光图谱有相似性亦有差异(图2)。在Ex/Em= 260/440 nm和Ex/Em=330/430 nm处有两个明显特征峰,归因为类富里酸和类胡敏酸物质,类富里酸物质区荧光强度依次为SF>S>CK>F,而类胡敏酸物质区荧光强度依次为SF>F>S>CK。
按照Chen等[18]的方法,根据DOM组分的不同在荧光光谱中Ex/Em波长区域的分布状况,将三维荧光区域划分为:Ⅰ(<250 nm/<330 nm,为类酪氨酸物质),II(<250 nm/330~380 nm,为类色氨酸物质),III(<250 nm/>380 nm,为类富里酸物质),IV(>250 nm/<380 nm,为可溶性的微生物代谢产物)和V(>250 nm/>380 nm,为类胡敏酸物质)。利用荧光区域积分法,4个处理土壤DOM荧光区域积分组分占比如图3所示。5种组分占比依次为类富里酸物质>类胡敏酸物质>可溶性的微生物代谢产物>类色氨酸物质>类酪氨酸物质,其中类酪氨酸物质占比依次为S(9.5%)> CK(9.4%)> F(8.1%)> SF(7.7%),类色氨酸物质占比依次为CK(16.2%)> S(15.3%)=F(15.3%)> SF(15.1%),类富里酸物质占比依次为SF(35.1%)> S(34.6%)> CK(33.2%)>F(32.2%),可溶性的微生物代谢产物占比依次为F(20.6%)>CK(19.3%)>S(17.7%)= SF(17.7%),类胡敏酸物质占比依次为SF(24.4%)> F(23.7%)> S(22.9%)> CK(21.9%)。
利用腐殖化指数(HIX)、荧光指数(FI)、生物指数(BIX)和类胡敏酸与类富里酸比值(V/III)等光谱特征参数进一步解析DOM的分子特征。由表3可见,SF处理HIX为12.1,显著高于其他处理(< 0.05),HIX可表征DOM的腐殖化程度,值越高意味着DOM中碳氢化合物组分越少,腐殖化程度越高[19]。FI和BIX分别可反映DOM中类富里酸组分的来源及DOM内源贡献率[20-21]。4个处理FI和BIX无显著差异,FI值为1.52~1.54,介于1.4~1.9,表明DOM中类富里酸组分是植物残体和微生物的混合来源,既有微生物代谢产生,又有植物残体分解转化等外源影响[22-23];BIX值为0.506~0.534,值越小表明DOM的外源输入特征越明显,即以植物残分解转化来源为主。类胡敏酸与类富里酸比值V/III越高生成的腐殖质越稳定,其中F和SF处理V/III值显著大于CK和S处理。综上,不同处理砂姜黑土DOM来源相似,而组成结构差异明显,其中单施化肥以增加可溶性的微生物代谢产物和类胡敏酸物质为主,单施秸秆和秸秆配施化肥以增加类富里酸和类胡敏酸物质为主,且秸秆配施化肥变化更为明显。
表3 不同处理土壤DOM三维荧光光谱特征参数
Figure 4 Infrared spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments
2.2.3 红外光谱 图4为不同施肥处理土壤DOM的红外光谱,依据相关文献[14, 24-25],主要吸收峰有:3 500~3 300 cm-1(酚类、醇类和羧酸类中羟基的O-H和酰胺和胺类的N-H振动);2 930~2 850 cm-1(脂肪族C-H振动);1 665 ~ 1 621 cm-1(芳香族C=C骨架振动或酰胺C=O振动);1 420 cm-1(COO-反对称振动、O-H变形、酚类的C=O伸缩和脂肪族C-H变形振动);1 384 cm-1(硝酸盐特征峰);1 080~1 020 cm-1(多糖或多糖类物质的C-O伸缩振动)。4个处理土壤DOM具有相似的红外吸收光谱特征,但各处理特征峰的位置和相对吸收强度存在一定差异,说明它们组成物质成分类似,仅在相对应官能团的含量存在一定差异[14]。与其他处理相比,SF处理土壤DOM红外谱峰有明显变化,1 420 cm-1处吸收峰减弱,1 384 cm-1处尖锐吸收峰消失,1 032 cm-1处出现了较强的吸收峰。对应的红外吸收峰减弱、消失或增强,表明秸秆配施化肥砂姜黑土DOM中酚类和脂肪族化合物、硝酸盐减少,而多糖或多糖类物质。
由光谱特征参数与荧光组分Pearson相关性分析(表4)可见,紫外-可见光谱特征参数与三维荧光光谱特征参数之间表现出较强的相关性,HIX与SUVA254和SUVA280呈负相关,与E254/E365呈正相关,而FI和BIX与SUVA254和SUVA280呈正相关,与E254/E365呈负相关,其中FI与SUVA280显著正相关(= 0.977,= 0.023),与E254/E365显著负相关(= -0.999,= 0.001),这些光谱特征参数表征DOM芳构化程度、分子量、腐殖化程度变化表现一致。此外,I和II与HIX呈负相关,而与BIX呈正相关,且II与BIX显著正相关(= 0.963,= 0.037);IV与SR呈负相关;III和V与HIX呈正相关。I和II与V呈负相关,III与IV呈显著负相关(= -0.983,= 0.017),表明类胡敏酸物质增加可能与类酪氨酸物质和类色氨酸物质减少有关,而为类富里酸物质增加可能与可溶性的微生物代谢产物减少有关。
表4 光谱特征参数与荧光组分相关性分析
注:*和**分别为0.05及0.01水平上的显著性差异。
施肥处理土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量较对照或单施秸秆均显著提高(< 0.05),秸秆配施化肥土壤DOM中DOC增幅最大,单施化肥土壤DOM中TDN增幅最大(表1)。一方面可能是肥料的施用直接或间接地调控了土壤有机质的进入,另外秸秆本身含有大量的水溶性碳和氮,长期秸秆覆盖既能直接增加土壤DOC含量,又能使土壤有机质含量提高[26]。DOC作为土壤有机碳转化与微生物新陈代谢的中间产物,虽仅占土壤有机质的很小部分,但却极易被微生物利用。施化肥直接增加了土壤碳源,在微生物作用下加速土壤有机碳的积累和矿化,从而分解释放出更多的水溶性有机碳。汪景宽等[27]的研究也表明,加入大量活性较高的有机物料以及作物根系分泌的高活性溶解性有机碳,使耕作土壤中溶解性有机碳的比重大大增加。推荐施肥处理由于施化肥使土壤DOC含量显著增加,但根系分泌物与肥料直接输入的碳源相对有限,所以DOC含量增加不多[28]。秸秆作为一种有机养分,仅能给作物投入一小部分,但在与化肥配施下,能使土壤有机质发挥巨大潜力[29],因此秸秆与化肥配施更能增加土壤中碳、氮养分,为微生物提供充足的碳源,刺激微生物活性,使SF处理土壤DOC增加量最显著[30]。而土壤溶解性总氮(TDN)含量则表现在施肥条件下显著增加,反而添加秸秆使TDN含量相对降低,可能是由于微生物较低的C/N与高C/N的禾本科植物(秸秆)发生作物与微生物争夺土壤无机氮的这种争氮现象[31]。由于秸秆自身的组分不易改变,可以通过添加一定的氮肥促进秸秆的分解,提高土壤无机氮含量,因此秸秆与肥料配施不仅可以增加土壤速效养分,同时也可降低秸秆分解过程中土壤微生物对氮素的固持[32]。李文军等[33]的结果也表明长期施肥有利于提升土壤溶解性有机碳氮含量及其比例,而与秸秆配施效果更显著。
土壤DOM是一种复杂的化合物,由一系列大小、结构不同的分子组成,包括大分子量的腐殖质、芳香族化合物和多糖类物质还有一些低分子量易降解的游离氨基酸、碳水化合物和羧酸等物质[34-35]。为了进一步分析DOM物质组成和结构的变化,对比分析紫外-可见、三维荧光和红外光谱发现,秸秆与化肥配施条件下,土壤DOM分子芳香性最大,腐殖化程度最高。已有研究显示,280 nm 附近的吸收峰可能为微生物降解或化学聚合生成不溶于水的大分子腐殖物质,并随腐殖质芳香性和不饱和共轭双键结构的增加,腐殖物质紫外吸收强度增强,腐殖化程度加强[36],表明此部分土壤DOM样品中含有共轭体系的芳香环[37]。同时土壤DOM的共轭结构较多或腐殖化程度较大时,其吸光能力会随之增强。本研究中,结合荧光图谱参数,施肥能使DOM的芳香性及腐殖化程度、平均分子量增加,DOM转化为更加稳定腐殖质,秸秆配施化肥显著促进了微生物对秸秆的分解,使秸秆中木质素、多酚等物质分解产生大量的芳香族物质[26],使其芳构化程度更复杂,同时土壤中的有机酸、酰胺以及糖类小分子物质以芳香环为核心聚合形成芳香族类大分子化合物,因此添加秸秆后土壤DOM中芳香族类化合物含量较高。此外,SF处理红外光谱1 384 cm-1处吸收峰消失,1 074 cm-1处吸收峰向低波数方向移动,并在1 032 cm-1处出现了较强的宽峰,这可能与有机组分中的含氮物质被转化为更稳定的胺类物质及酚类物质缩聚有关[38-39]。红外吸收比值A1637/A2925、A1637/A1420和A1637/A1032可分别反映芳香碳/脂肪碳、芳香碳/羧基碳和芳香碳/碳水化合物碳,比值越大说明易降解的有机组分,如多糖、醇类、蛋白质、脂肪链等减少,腐殖物质增加,与紫外-可见、三维荧光光谱结果一致,也证明了SF处理土壤DOM中含有更多稳定性较高的芳香结构和腐殖化程度的有机组分。化肥与秸秆配施下土壤DOM的芳香度、分子量和腐殖化程度增加,可能是因为外源有机物料的长期投入增加了土壤中结构相对复杂的芳香族化合物的比例。有机物料中含有简单有机酸、单糖、多糖以及蛋白质等易被微生物降解利用,同时微生物代谢产物是脂类物质的重要来源,土壤微生物对有机酸利用加快,代谢产物增多,导致DOM分子中有机酸含量显著降低,脂类含量显著升高[34,40]而秸秆直接还田能增加土壤中含氮官能团如酰胺类物质含量,添加秸秆后土壤中含有大量的芳香类化合物,而芳香环可以固定土壤中的无机氮生成酰胺类物质[26]。高芳香缩合官能团通常具有更高的化学稳定性,可增加有机质在环境中的停留时间,因而能更好地改善土壤结构,提高土壤肥力。
不同施肥处理对砂姜黑土DOM组成、结构有明显影响,秸秆肥料配施利于还田秸秆分解转化,进而显著提升土壤DOC含量,且利于增强DOM稳定性,表现为分子量、芳构化程度和腐殖化程度增加,主要由于类蛋白质物被微生物转化为更稳定的类腐殖质物质。
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Response of dissolved organic matter to straw returning plus fertilization in lime concretion black soil
CAO Wei, CAI Cheng, SHU Qing, WANG Qingyun, QI Yongbo, ZHANG Ligan
(Anhui Province Key Lab of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)
Soil dissolved organic matter (DOM) is a sensitive indicator of dynamic changes in soil organic carbon. Based on a 3-year field-located experiment (2018-2021) under wheat-maize rotation system in lime concretion black soil area, we investigated the response characteristics of dissolved organic matter in lime concretion black soil to straw return with fertilizer application, which will provide a scientific basis for soil fertilization and soil organic matter enhancement in lime concretion black soil area. The field experiment was conducted in four treatments: no fertilizer (CK), straw return alone (S), recommended fertilizer (F), and straw + recommended fertilizer (SF). The changes of dissolved organic carbon content and its components were analyzed by conventional measurement and spectroscopic analysis. The results showed that soil dissolved organic carbon (DOC), dissolved total nitrogen (TDN), NH4+-N and NO3--N contents were significantly higher in the fertilizer treatments compared with those of the control or straw return alone (<0.05). DOC content was significantly higher in the SF treatment than that in the F treatment (<0.05), which increased 18.9%. While TDN, NH4+-N and NO3--N contents were significantly lower than those in the F treatments (<0.05), which decreased 55.0%, 64.1% and 51.3%, respectively. Combined analysis of ultraviolet-visible (UV-Vis), three-dimensional excitation-emission matrix (EEM) and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopies showed that the contents of humus-like substances in soil DOM were improved to different degrees by the treatments of straw return and fertilizer application, in which the percentages of humus-like substances were in the order of SF (59.6%) > S (57.5%) > F (55.9%) > CK (55.1%). While the contents of protein-like substances with relatively simple structure were decreased, in which the percentages of protein-like substances were in the order of CK (44.9%) > F (44.1%) > S (42.5%) > SF (40.4%). Among these four treatments, the effects of straw with chemical fertilizer exhibited obviously, and the structure of humus-like substances in DOM tended to be more complex.
lime concretion black soil; straw returning; dissolved organic matter; UV-Vis; 3D-EEM; FTIR
S153.6
A
1672-352X (2022)06-0971-08
10.13610/j.cnki.1672-352x.20230106.015
2023-01-06 20:21:15
[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail//34.1162.S.20230106.1208.020.html
2022-03-10
国家自然科学基金(41907014),安徽省自然科学基金(1908085QD153)和安徽农业大学人才基金(yj2018-30)共同资助。
曹 维,硕士研究生。E-mail:769989342@qq.com
齐永波,博士,讲师。E-mail:qiyongbo2017@126.com