皖北小麦生长过程中土壤腐殖质组成与含量变化特征研究

何长茂 孙 伟 程 孜 王卓越 顾 行 姜泉良

（宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000）

0 引言

土壤腐殖质是全球碳循环中的重要碳库，在土壤有机碳的循环和转化中发挥着重要作用。土壤腐殖质具有适度的黏性，可使黏土疏松，使砂土黏结。它含有植物所必需的营养，可以提高植物和微生物的生理活性，提高土壤蓄水的涵养能力，改善土壤缓冲性。土壤中腐殖质的特性差异使得同一地区不同地块中农作物的产量也可能有明显差异。不同功能区的环境状况可以改变土壤有机质的输入，影响土壤有机碳的分解，从而影响土壤腐殖质的形成和转化，长此以往，不同地区土壤腐殖质特质不同，对植物生长产生不同的影响。因此，研究腐殖质的特征及其对植物生长的影响对农业生产具有重要意义。皖北地区作为安徽省最大的小麦主产区，小麦种植面积达146.67 hm2左右，占安徽省小麦种植面积的70%左右。在生态文明建设中进行科学种田、精准施肥具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2020年12月使用土壤采样器针对皖北地区居民区、工业区、交通区、农业区进行采样，采样时期为三个时期，分别为苗期阶段、抽穗开花期阶段和成熟期阶段。每个功能区使用“S”形采样法采集0～10 cm的表层土壤，每个功能区采集5个点，采样点面积约为5 m×5 m。

1.2 DOM样品提取

土壤DOM样品的提取采用水土震荡法［1］，准确称取5.00 g土壤样品（冷冻干燥后）于100 mL离心管中，按10∶1水土比加入相应的离子水，在黑暗中恒温振荡12 h（25℃，40 r/min），再取样品上清液放入锥形瓶中，先用Whatman GF/D滤膜过滤，再过Whatman GF/F滤膜，得到DOM溶液，最后储存在4℃的棕色瓶中检测。TOC使用岛津TOC-L有机碳分析仪进行测定。

1.3 光谱分析

使用岛津UV-3600分光光度计测量紫外-可见光谱，以超纯水为空白，用1 cm的石英比色皿在200～800 nm范围内扫描，波长间隔为1 nm。三维荧光光谱由F-4500 FL Spectrophotometer荧光分光光度计测定，扫描范围：激发波长（Ex）为220～450 nm，发射波长（Em）为250～650 nm，扫描间隔：Em和Ex均为5 nm，扫描速度为2 400 nm/min，激发狭缝和发射狭缝的宽度均为5 nm。使用10 nm的四通石英比色皿。

2 结果与讨论

2.1 功能区对小麦生长三个阶段土壤DOM紫外光谱特征的影响

不同功能区小麦生长过程中土壤DOM样品SUVA254箱线图如图1所示。紫外参数SUVA254是指在254 nm波长下的吸光度与DOC的比值，SUVA254可以表征DOM的腐殖化程度，SUVA254越大，DOM的腐殖化程度越高［2-3］。不同功能区下小麦苗期土壤的DOM紫外参数SUVA254为0.016～0.026，抽穗开花期土壤的DOM紫外参数SUVA254为0.005～0.021，成熟期土壤的DOM紫外参数SUVA254为0.012～0.034。苗期阶段，农业区和交通区显著高于居民区和工业区；抽穗开花期阶段，交通区和居民区显著高于农业区和工业区；成熟期阶段，农业区显著高于其他三个功能区。从整体来看，四个功能区呈现对勾趋势，可知苗期阶段小麦土壤腐殖化程度高于抽穗开花期阶段，而抽穗开花期阶段低于成熟期阶段，可见抽穗开花期阶段，小麦对土壤有机质需求最多。

图1 各功能区小麦生长三个阶段土壤DOM样品SUVA254箱线图

2.2 功能区对小麦生长三个阶段土壤DOM三维荧光光谱特征的影响

2.2.1 功能区对小麦生长过程中土壤DOM的三维荧光光谱特征的影响。不同功能区的小麦生长三个阶段的土壤DOM样品的三维荧光光谱如图2所示。由图2可以看出，苗期阶段，四个功能区兼有类富里酸和类蛋白荧光峰，而抽穗开花期阶段和成熟期阶段，除了工业区以外，其他三个功能区只含有类富里酸峰，四个功能区的类富里酸峰的强度大体一致，工业区小麦三个阶段的类蛋白峰的强度比其他三个功能区要强，且各功能区的类蛋白峰整体强度低于类富里酸峰。一般认为，类富里酸主要来自陆源性植物代谢或生物残体，而类蛋白来自土壤中微生物的代谢产物。苗期阶段处于四季中的春季，因此，有利于土壤中微生物的繁殖。工业区小麦三个阶段的土壤微生物代谢产物比其他三个功能区要多。

图2 各功能区小麦生长三个阶段土壤DOM样品的三维荧光光谱

2.2.2 功能区对小麦生长过程中土壤DOM的三维荧光参数的影响。不同功能区的小麦生长过程中土壤DOM三维荧光参数如图3所示。荧光指数（Fluorescence Index，f450nm/500nm）是激发光波长在370 mm时，荧光发射光谱中450 nm、500 nm处荧光强度的比值，可用来区别有机质的来源［4］。将荧光指数值分为1.4、1.9，f450nm/500nm＜1.4表明以陆源有机质贡献为主，f450nm/500nm＞1.9表明来源于土壤中微生物代谢产物［5］。不同功能区小麦苗期阶段土壤DOM的f450nm/500nm为1.51～1.76，抽穗开花期阶段土壤DOM的f450nm/500nm为1.46～1.70，成熟期阶段土壤DOM的f450nm/500nm为1.44～1.58。不同功能区小麦生长的三个阶段呈现下降趋势，表明随着小麦的生长，陆源特征越来越明显。腐殖化指数（HIX）可用来表征腐殖化程度，当HIX小于4时，DOM腐殖化程度较弱［2，4］。农业区小麦生长过程中土壤HIX值为3.7～4.9，居民区小麦生长过程中土壤HIX值为2.7～4.4，交通区小麦生长过程中土壤HIX值为1.9～3.2，工业区小麦生长过程中土壤HIX值为1.8～2.2，小麦生长的三个阶段，HIX值均呈现出农业区＞居民区＞交通区＞工业区，这表明小麦生长过程中土壤腐殖化程度可能与当地的人口密度、污染状况有关。

图3 各功能区小麦生长三个阶段土壤DOM三维荧光参数特征

2.3 土壤总有机碳（TOC）和土壤腐殖质含量的耦合关系

如图4所示，四个功能区的土壤总有机碳（TOC）含量均呈现苗期阶段小于抽穗开花期阶段，抽穗开花期阶段大于成熟期阶段。四个功能区TOC的变化趋势表明，小麦抽穗开花期所处的土壤中，微生物分解了大量的植物凋落物、根和其他腐烂物质，释放了大量的有机碳。农业区小麦生长的三个阶段的UVC类腐殖酸（高分子量）和UVA类腐殖酸（低分子量）之比趋于平衡；居民区小麦苗期和抽穗开花期阶段UVC/UVA的值高于成熟期；交通区小麦苗期＜成熟期＜抽穗开花期；工业区小麦苗期＜抽穗开花期＜成熟期。四个功能区的苗期UVC/UVA的大小关系呈现出：农业区＞居民区＞工业区＞交通区；抽穗开花期UVC/UVA的大小关系呈现出：农业区＞居民区＞交通区＞工业区；成熟期UVC/UVA的大小关系呈现出：农业区＞工业区＞居民区＞交通区。各功能区小麦三个时期土壤样品中富里酸的含量随着小麦的生长而下降。苗期阶段交通区富里酸所占百分比小于其他三个功能区；抽穗开花期阶段农业区富里酸所占百分比大于其他三个功能区；成熟期交通区富里酸所占百分比大于其他三个功能区。

图4 各功能区小麦生长三个阶段土壤TOC和UVC、UVA的关系

3 讨论

3.1 功能区对小麦生长过程中土壤DOM紫外-可见吸收光谱分析

由于紫外可见光谱具有灵敏度高、样品量少的特点，经常使用这种方法来表征DOM的腐殖化程度［6］。由图5可知，在小麦生长过程的三个阶段中，四个功能区小麦生长发育期土壤DOM样品的紫外吸收光谱表现出随波长的增加而逐渐降低的趋势，不同土壤DOM样品的吸收曲线特征也不同，在波长达到550 nm后，小麦生长三个时期的各功能区吸光度接近于0，三个时期均呈现出一个特点，工业区吸光度趋近于0的程度最快，居民区和交通区次之，农业区最慢。从波长200 nm处可看出，各功能区土壤DOM样品的吸光度随着小麦的生长发育吸光度在不断下降。由此可以看出，随着污染程度的不断上升，吸光度越来越低。

图5 紫外-可见吸收光谱

如图6所示，SR值常用来反映DOM的组成特征，包括分子量大小、自生源与陆源特征以及光化学反应活性等，SR值较低说明输入了高分子量、芳香性强及维管束植物类有机质［7］。SR＜1时，DOM主要为外源性；SR＞1时，DOM主要为生物源［7-8］。各功能区的小麦生长三个阶段的土壤SR值均小于1，受外源有机质输入的影响较大，与上述判断相一致。居民区的SR值随着小麦的生长而增加，这表明受外源有机质输入的程度在降低，而交通区的SR值随着小麦的生长而降低，这表明受外源有机质输入的程度在增加。

图6 各功能区小麦生长三个阶段土壤样品SR值

3.2 功能区对小麦生长过程中土壤DOM三维荧光光谱分析

BIX可用来反映自生源DOM的生物可利用性的高低。BIX很高代表有新鲜DOM的输入，且其生物利用性较高。当BIX＞1，表明新生自生源占主要贡献，BIX为0.6～0.7表示自生源比例较少［9］。由图7可看出，各功能区小麦生长的三个阶段BIX值都小于1，即皖北地区四个功能区土壤DOM的自生源特征不明显，类蛋白质组分产量较少，表明生物可利用性较低。除了居民区小麦抽穗开花期土壤样品BIX值大于其他三个功能区以外，工业区小麦三个时期土壤样品BIX值都大于其他三个功能区，这表明抽穗开花期居民区的土壤有机质消耗快，工业区的陆源特征较其他三个功能区不明显，这也恰巧说明了工业区小麦生长发育期土壤DOM样品三维荧光光谱具有类蛋白峰的缘故。

图7 各功能区小麦生长三个阶段土壤样品BIX值

4 结语

紫外-可见光谱特征参数表明，农业区和居民区以富里酸为主，小麦苗期交通区和工业区以胡敏酸为主、小麦抽穗开花期和成熟期以富里酸为主。

三维荧光光谱显示，埇桥区小麦苗期四个功能区和工业区小麦三个时期主要含有3个荧光峰，分别为：两种类富里酸峰和类蛋白峰，除了工业区，其他功能区小麦抽穗开花期和成熟期主要含有2种类富里酸峰。这表明皖北地区土壤DOM中的类富里酸占绝对优势。由荧光指数（FI）和自生源指标（BIX）表明，四个功能区小麦土壤样品自生源特征不显著，而工业区较其他三个功能区自生源特征显著，这恰巧印证了自生源特征与人为活动有关。

从土壤总有机碳（TOC）和土壤腐殖质含量的耦合关系可得知，各功能区小麦三个时期土壤富里酸含量随着小麦的生长而下降，从总体上来看，农业区的土壤富里酸含量比居民区高，居民区比交通区高，交通区比工业区高。同样地，各功能区的TOC含量也是如此，而UVC类腐殖酸（高分子量）与UVA类腐殖酸（低分子量）之比的大小关系是农业区、居民区大于交通区、工业区。