不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质光谱特征*

梁以豪,倪才英**,刘星星,黎衍亮,刘方平,徐 涛

(1.江西师范大学地理与环境学院/鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室 南昌 330022; 2.江西省灌溉试验中心站江西省高效节水与面源污染防治重点实验室 南昌 330201)

近年来,我国大力实施乡村振兴战略,生态农业成为了乡村振兴的重要动力,而稻田综合种养作为稻(Oryza sativa)渔共生的复合生态农业,具有促进农村经济发展增收,改善农村生态环境等重要作用,是推动经济与环境协调发展的重要农作方式[1]。稻虾综合种养经过多年发展,成为了我国面积最大的种养模式,主要分布于我国长江中下游地区,该模式在稻田生态系统中引入了克氏原螯虾(Procambarus clarkii,称淡水小龙虾),充分挖掘了农田的使用效益,实现了“一田双收、一水两用”的效果,减少农业化肥和药物投入、保护水稻绿色生产的同时,也能产出经济效益较高的小龙虾[2]。

由于稻虾综合种养增加了生物饲养环节,克氏原螯虾生产活动、粪便排放、饲料喂养等过程明显地改变了田间的生态结构与物质循环,其中对土壤有机质的影响重大,施用化肥和药物、虾的养殖密度、田埂与挖沟的处理等差异,都会影响田间土壤有机物质组成。溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是由类腐殖酸、类蛋白和有机酸以及类氨基酸所组成,作为土壤有机质活力最强的组成部分之一,对土壤营养物质的分解过程、田间微生物生长代谢,重金属和其他污染物质的络合、迁移和转化等过程具有至关重要的作用,同时也是土壤碳平衡的重要影响因子,因此探析稻虾综合种养中土壤DOM 的特性,对于田间的肥力管理、污染防治与控制等具有重要意义[3-4]。

现今关于DOM 的研究热点主要集中于不同环境下水和土壤的DOM 光谱特征,也有较多学者利用光谱特征和同步荧光、红外光谱、质谱等技术对DOM 与不同类型重金属的络合作用关系进行了研究,对DOM 的分子结构进行研究分析。李海斌等[5]解析了南漪湖上覆水的DOM 荧光特征,结果表明湖中DOM 内源性特征明显,且湖水DOM 明显受到了人为因素影响; 罗雪婷等[6]探讨了稻田中秸秆和氧化还原电位(Eh)对DOM 及金属释放的影响,结果表明干湿交替导致Eh 变化,以及秸秆还田措施通过影响DOM 的含量和组成进而控制重金属溶出和释放; Zhang 等[7]利用三维荧光光谱配合二维相关光谱,解析了土壤吸附过程中DOM 和Pb 的配位行为,结果表明DOM 显著提高了土壤对Pb 的吸附效率,Pb 与DOM 先与腐殖酸类组分结合,再与类蛋白组分结合,静态猝灭是二者结合的主要猝灭过程。对于DOM 光谱的相关研究,无论是DOM 的光谱特征或是DOM 与重金属络合作用关系的研究,主要以三维荧光光谱(3D-EEMs)、紫外-可见吸收光谱(UV-vvis)为基础并扩展增加技术分析所完成。紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术具有对样品破坏小,需求量小,灵敏度高和有效性相对较强等特点,能够定量、定性分析DOM 的含量与组成,对土壤和水环境中DOM 组分和含量特征具有较好的解析效果。

目前对稻虾综合种养的研究主要集中在田间水环境[8]、土壤肥力[9]、物质循环[10]、谷物产量与安全[11]、生态与经济效益[12]等方面,且主要的研究模式集中于稻虾共作模式。王蓉等[13]对比了水稻单作与稻虾共作两种模式土壤的物理化学性质,表明稻虾共作模式的土壤具有更高含量的总碳和总氮,但碳氮比和碱解氮并无显著差异性; 佀国涵等[14]对稻虾共作模式的微生物群落多样性与土壤肥力进行了研究,其结果表明稻虾共作模式中土壤的微生物活性和群落功能多样性更高,微生物对糖类和酸类物质的利用率更高; 徐荣等[9]研究了稻虾种养对土壤还原性物质及养分积累的影响,结果表明短期的稻虾种养增加了表层土壤的还原性物质,这很可能会导致土壤次生潜育化,但同时稻虾种养也提高了土壤营养元素的供应潜力。在稻虾综合种养模式土壤DOM 的相关研究中,鲜有不同模式的稻虾种养土壤DOM 特征差异性的相关报道,目前国内外仅见苏良湖等[15]对短期稻虾共作模式不同水稻生长期的土壤DOM 特征进行了分析,其研究结果表明不同水稻生长期土壤DOM 的荧光组分无明显变化,但类腐殖质组分的荧光强度在分蘖期或抽穗期出现了明显峰值。

江西省是我国粮食生产大省,其中稻虾种养面积达1067 km2,占全省稻田综合种养面积的80%,其包含了3 种技术模式: 挖沟式稻虾轮作模式和共作模式、不挖沟共作模式; 与挖沟式的种养模式相比,不挖沟模式加高了田埂,进一步阻止了物质的外源输入和外溢,同时虾的活动范围、施用化肥、投放饲料的范围也发生了变化,土壤有机质也相应有所变化; 轮作和共作的差异会导致生物量田间分布的差异,饲料投放的时间和量以及虾活动的频率也不一致,因而对土壤有机物质组成也具有重要影响。因此,本研究选择江西省南昌市恒湖垦殖场开展田间试验,结合紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术耦合平行因子分析法(parallel factor analysis,PARAFAC),以传统水稻单作为对照,分析了挖沟式稻虾共作、轮作模式和不挖沟式稻虾共作模式土壤DOM 组分特征及组成,利用相关的光谱参数表征DOM 的来源及腐殖化特征,为当地综合种养土壤肥力监测、污染防控、污染机理的进一步探究等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验与样品采集处理

田间试验开展于恒湖垦殖场,地处江西省南昌市北郊的鄱阳湖畔,该地区土地平整,土壤性状相对一致,截至2022年,稻虾种养面积达2667 hm2,管理措施与技术相对成熟。本研究于当地设置面积均为0.4 hm2的4 种技术模式试验田块各一块,具体处理操作如下: 1)有环沟式稻虾轮作(integrated rice-crayfish rotation system with ring groove,RS1)设置井字沟,挖沟深度0.8 m,宽度2.0 m,11月初放虾(300 kg·hm-2),次年4月初开始收虾,6月种植水稻,10月上旬收割,淹水设置高度约高于田面20～40 cm; 2)有环沟式稻虾共作模式(integrated rice-crayfish system with ring groove,RS2)环沟和淹水设置与挖沟式保持与轮作模式相同,11月初放虾(300 kg·hm-2,虾苗每尾约7～12 g),次年4月初收虾,6月种植水稻,10月上旬收割,为保证水稻幼苗生长及虾存活率,收虾时保留部分亲虾苗,5月中下旬多放一季虾苗(300 kg·hm-2),水稻收割后收虾; 3)不挖沟式稻虾共作模式(integrated rice-crayfish system,RS0),不设置环沟,田间虾苗放养、水稻种植与挖沟式共作模式相同,田埂加高加固,高度约为1.8 m,宽度约1.2 m,淹水设置约为0.8 m; 4)传统水稻单作(traditional rice monoculture,MR; 对照),无环沟设置,淹水深度约20 cm,水稻种植、收割时间与稻虾种养模式相同; 详细布局如图1 所示。

图1 不同稻虾种养模式与传统水稻单作田间试验布局示意图Fig.1 Schematic diagrams of the field trails of different integrated rice-crayfish cultivation patterns and traditional rice monoculture

所有田块灌排实行高灌低排,利用道路两侧的水渠(0.4 m×1 m)设置管道与田块相连进行灌水,同时结合井水引水灌溉,管口高于田面约1 m,连接口两侧设置尼龙网以防其他生物和杂物等流入田块。排水设置于田块另一侧,利用带可封闭接口的水管与田外自然沟渠连接排水,田块内侧连接口设置尼龙网阻拦,防止小龙虾逃逸; 其中无环沟田块直接设置排水管道口于一角,高于田面约0.1 m; 有环沟的田块排水接口位于环沟转角,排水口高于环沟底部约0.2 m,以保留亲虾培育所需环境。所有稻虾种养田块统一使用小龙虾配合饲料(伏龙牌),饲料喂养保持平均两天一喂,田块内侧边缘均设置拦虾网,下埋深度30～50 cm,供试水稻品种为‘黄华占’,统一使用复合肥料(河南农心肥业有限公司)。

水稻成熟期,依据梅花点采样法,用不锈钢取土器于每个试验田块采集表层0～20 cm 土层土样20(4×5) 个,于低温保存于样品袋中运回实验室,去除杂质并风干混匀,磨碎过100 目筛并封装于聚乙烯自封袋备用。

1.2 测定与分析方法

1.2.1 DOM 样品制备

为避免根系、杂质和水分差异带来的影响,DOM 制样采用风干土[16],采用水土震荡法提取土壤中DOM: 准确称取3 g 土样置于100 mL 离心管中,按水土比20∶1 加入超纯水60 mL (Millipore,电阻率18.25 MΩ·cm),避光且室温≤26 ℃条件下以200 r·min-1震荡16 h,后再经过4000 r·min-1离心30 min,取上层清液过0.45 μm 水系滤膜(上海新亚),得到DOM 溶液,于4 ℃保存于避光样品瓶中,用于光谱测定和溶解性有机碳(DOC)含量测定。其中DOC的测定参照占新华等[17]所描述的比色法。在荧光光谱测定前,已确保DOM 样品UV254低于0.3,以免去内滤效应带来的影响[18]。

1.2.2 光谱测定与参数计算

紫外-可见吸收光谱利用TU-1900 (普析,北京)双光束紫外分光光度计进行扫描测定,所采用的比色皿为10 mm 光程石英比色皿,光谱扫描范围为200～800 nm,步长设置为1 nm,以超纯水作为空白对照。

三维荧光光谱利用F-7000 (日立)三维荧光光谱仪进行扫描测定,光源采用450 W 氙弧灯,扫描速度30 000 nm·min-1,发射波长和激发波长扫描带宽均为5 nm,发射波长(Em)扫描范围: 250～550 nm,激发波长(Ex)扫描范围: 200～450 nm。

本研究中紫外-可见光谱相关参数包括UV254、E2/E3、E3/E4、a(355)、SUVA254和SR; 三维荧光参数包括荧光指数(FI)、自生源指数(HIX)、生物源指数(BIX); 详情描述如表1 所示。

表1 紫外-可见光吸收光谱与荧光光谱参数描述Table 1 Description of parameters of UV-Vis absorption spectrum and fluorescence spectrum

1.2.3 平行因子分析方法

平行因子分析法(parallel factor analysis,PARAFAC)是在三线性理论的基础上用交替最小二乘法实现的数学模型,能够将多个荧光信号所形成的数据矩阵分解成相对独立的荧光信息团,表征DOM 中组分的荧光特征并提供溯源信息[27]。本研究利用MATLAB R2021a 中的DOMFlour 工具箱对其进行平行因子分析,通过了拆半分析验证,将建立的组分模型上传至OpenFluor 在线数据库进行了比较,以进一步鉴定模型中的组分来源与特性。

1.3 数据与图像处理

使用Excel 2021、Origin 2021 pro、Matlab R2021a软件对紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱数据进行参数计算、分析处理,文中所有差异分析均为各参数值不同模式之间的差异分析。

2 结果与分析

2.1 土壤DOM 紫外-可见吸收光谱及参数特征分析

紫外-可见吸收光谱能够指示DOM 分子结构组成。图2 显示了不同稻虾模式下土壤DOM 的紫外-可见吸收光谱,DOM 的吸光度在200～300 nm 区间光谱随着波长增加迅速下降,后在300～800 nm 趋于平缓并接近0,在260～280 nm 有微弱肩峰。

图2 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质紫外-可见光吸收光谱图Fig.2 UV-Vis absorption spectra of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patterns

UV254可表征芳香性结构和DOM 的浓度。从图3a 可知,土壤UV254值为0.025～0.250; 不同稻虾种养模式和传统稻作间均存在显著性差异(P＜0.05): 稻虾轮作模式(RS1)和两种共作模式(RS2、RS0)也存在显著性差异(P＜0.05),而两种共作模式之间无显著性差异(P＜0.05); MR 的UV254均值MR 为0.121,显著高于3 种稻虾种养模式(P＜0.05); RS1的UV254为0.088,RS2和RS0为0.067 和0.063,4 个处理为MR＞RS1＞RS2＞RS0,说明MR 和RS1模式下的DOM 浓度及其芳香性相对于共作模式的RS2和RS0更高,DOM 的共轭结构或芳香性物质更多,这与紫外吸收光谱特征的结果吻合。

SUVA254可表征DOM 的芳香性结构和腐殖化程度。从图3b 可知,不同稻虾模式DOM 的SUVA254差异特征与UV254相似(P＜0.05),其中SUVA254均值MR 为2.04,RS1为1.61,RS2和RS0为1.11 和1.174,依次为MR＞RS1＞RS0＞RS2。表明在MR 模式和RS1模式的土壤腐殖化程度更高,芳香性物质更多,这与UV254得出的分析结果相似。

光谱斜率(SR)是判断DOM 来源的重要依据,SR＞1 表示以生物源为主,SR＜1 则为外源。由图3c 可知,各模式稻田土壤中DOM 的SR值为0.5～3.0,既有生物源,也有外源。不同模式间SR均存在显著性差异(P＜0.05),均值依次为MR＞RS0＞RS1＞RS2,对应平均值分别为1.70、1.12、0.99 和0.91,其中MR、RS0模式SR＞1 的样品占比分别为95%和60%,说明该两种模式DOM 主要来源以生物源为主; RS1和RS2模式的DOM 来源则更倾向于外源。

a(355)可表征有色可溶性有机物(CDOM)的浓度。由图3d 可知,MR 模式下CDOM 的浓度最高,a(355)均值为7.39,其次是RS1模式,均值为7.0,二者无显著差异(P＞0.05),CDOM 浓度相近; RS2和RS0模式下的CDOM 浓度相对较低,a(355)均值为5.18 和5.23,二者无显著差异(P＜0.05),CDOM 浓度水平相近且相对较低。

E2/E3 与DOM 的分子量大小呈反比。从图3e可知,不同稻虾模式中,水稻单作(MR)和稻虾轮作(RS1)、稻虾共作(RS2、RS0)之间存在显著性差异(P＜0.05),两种共作模式不存在显著性差异(P＜0.05)。MR 的E2/E3 值高于3 种稻虾种养模式,均值为4.69,表明MR 模式土壤DOM 分子量较小; 而稻虾种养模式土壤中DOM 的E2/E3 值整体较低,其中RS1均值为2.92,RS2和RS0为3.42,表明稻虾种养土壤中DOM整体分子量相对较大。

E3/E4 可进行腐殖质类DOM 的物质类型判断,＞3.5 以富里酸为主,＜3.5 以腐殖酸为主。从图3f 中可知,在不同的模式下,E3/E4 的显著性差异特征与E2/E3 相似(P＜0.05); MR 模式下E3/E4 相对较高,平均值为4.20; 其次为共作模式的RS2和RS0,二者差异不显著(P＜0.05),均值分别为3.34 和3.15; 而RS1为2.71。表明稻虾种养模式产生的DOM 主要以胡敏酸为主,而传统稻作以富里酸为主。

除坚持生态优先外，项目还贯彻《建设工程质量管理条例》等规定，抓好重点部位、关键部位的质量控制，强化施工现场标准化管理。例如，太极码头等工程采用了陆域回填施工、挡墙浇筑施工、抛石护岸施工等标准化施工工序，工程质量得到了切实保证。

图3 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的紫外-可见吸收光谱相关参数[UV254、SUVA254、SR、α(355)、E2/E3、E3/E4]Fig.3 Parameters of UV-Vis absorption spectral [UV254,SUVA254,SR, α(355),E2/E3,E3/E4]of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patterns

2.2 土壤DOM 三维荧光光谱及参数特征

2.2.1 三维荧光组分与荧光强度特征

对80 (4×20)个不同的稻虾模式的土壤DOM 三维荧光光谱数据进行了平行因子分析(PARAFAC),解析出不同的稻虾技术模式土壤DOM 荧光组分4个(图4),通过对比发现不同的模式之间组分物质并无明显差异,这与苏良湖等[15]的研究结果较为相似。将得到的物质组分置于OpenFluor 数据库中进行了判别,得到以下4 个组分: C1 荧光峰位于发射波长(λEm)/激发波长(λEx)=280 nm/260 nm; C2、C3 和C4 都存在两个具有相同发射波长的荧光峰,其中C2 主峰λEm/λEx=405 nm/310 nm,次级峰λEm/λEx=405 nm/260 nm;C3 主峰λEm/λEx=370 nm/200 nm,次级峰λEm/λEx=370 nm/275 nm; C4 主峰λEm/λEx=455 nm/275 nm,次级峰λEm/λEx=455 nm/365 nm。4 种荧光组分都具有不同的特性,C1 组分属于蛋白质中类络氨酸组分,对应传统B 峰,该类物质主要来源为生物源和陆源,在水体中易受光降解[28]; C2 属于广泛常见的腐殖酸组分,为传统A 峰和M 峰的组合,广泛存在于陆生植物生长的土壤中,具有芳香性高、腐殖化程度高等特点[29];C3 属于较少见的类蛋白物质,属于传统T 峰和Tuv峰的组合,有研究表明其有可能与类蛋白和多环芳烃的混合物有关[30-32]; C4 属于类腐殖质组分,由类腐殖质的传统A 峰和C 峰组合而成,是陆地环境和低盐度沿海水域代表性荧光团,其表现出较高的植物源相似特征,且与微生物对有机质的分解活动关系密切[33]。

图4 平行因子解析得出的不同稻虾种养模式土壤可溶性有机质中4 个荧光组分与对应的载荷Fig.4 Four fluorescent components and loadings in soil dissolved organic mater of different integrated rice-crayfish cultivation patterns analyzed by parallel factor analysis (PARAFAC)

为进一步了解不同稻虾模式下4 种荧光组分的占比,对不同组分的荧光强度贡献率进行了计算分析,其中去除了异常值样品,结果如图5 所示。在荧光强度占比上,C1 的类络氨酸组分贡献率平均值在3 种稻虾种养模式中均高于50%,荧光强度贡献最大;而在传统水稻单作模式中,C1 贡献率平均值仅为31.5%。表明C1 类络氨酸组分在稻虾种养模式土壤中DOM 物质比例较传统稻作高。C2 作为腐殖酸组分,在MR 传统稻田单作模式的贡献率较高,其次为RS2、RS1和RS0,说明水稻单作模式下C2 在土壤DOM 中的比例高于稻虾种养模式,有环沟的稻虾种养模式(RS1和RS2) C2 腐殖酸组分相对于无环沟稻虾技术模式贡献率较大。C3 类蛋白组分不同的模式贡献率大小依次为RS0＞MR＞RS1＞RS2,表明无环沟模式C3 组分的贡献率较高,有环沟模式间的稻虾技术模式(RS1和RS2)的C3 组分的贡献率相对接近。腐殖质组分C4 在不同模式中贡献率依次为MR＞RS2＞RS1＞RS0,MR 模式C4 高于3 种不同的稻虾种养模式,在3 种稻虾技术模式中C4 贡献率相对接近。

图5 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的4 个组分荧光强度贡献百分比Fig.5 Contribution percentages of fluorescence intensities of four components of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patterns

2.2.2 三维荧光参数特征

为进一步了解土壤中DOM 的来源与特征,选取了荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)、腐殖化指数(HIX)共3 个荧光光谱参数作为分析指标,分析结果如图6 所示。FI 表征DOM 的来源,FI＞1.9 时,生物源为主,自生源突出; FI＜1.4 表明植物和土壤有机物贡献为主,外源性突出。不同稻虾种养模式和传统稻作的土壤DOM 的FI 值间均存在显著性差异(P＜0.05),稻虾轮作模式(RS1)和两种共作模式(RS2、RS0)也存在显著性差异(P＜0.05),而两种共作模式之间不存在显著性差异(P＞0.05)。均值RS1模式为2.30,RS2模式为2.25,RS0模式为2.24,MR 模式为2.41,表明各个模式DOM 主要来源于生物代谢,自生源特征明显。

图6 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的荧光光谱参数Fig.6 Fluorescence parameters of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patterns

BIX 表征DOM 的自生源贡献度,0.6～0.7 表现为低水平自生源贡献率,0.7～0.8 为中等水平自生源贡献率。在本研究中,BIX 值除RS2和MR 之间无显著差异外,其余模式间均存在显著性差异; BIX 均值RS1模式为0.75,RS2模式为0.71,RS0模式为0.68,MR 模式为0.71,这表明在不同的稻虾种养模式中MR、RS1和RS2土壤DOM 主要呈中等的本土成分,而RS0模式更倾向于低自生源水平。

2.3 DOM 光谱特征参数指标的相关性与主成分分析

2.3.1 相关性分析

为明确不同模式DOM 的来源和特征差异,对DOM 组分及参数进行了Pearson 相关性分析和主成分分析,如图7 所示。分析结果表明,除MR 模式,在3 种稻虾种养模式土壤DOM 的4 个荧光组分之间均具有显著的相关性(P≤0.01),其中,组分C1 在不同的模式中均与其他组分呈显著负相关关系(P≤0.01),而C2 与C3、C4,以及C3 与C4 之间,在稻虾种养模式中均呈显著正相关。表明C2、C3 和C4 组分很可能具有共同的来源,而C1 类络氨酸组分与另外3 个组分呈显著负相关,表明来源不同,该结果在MR 模式中也具有一定程度的体现。

荧光指数FI 和DOC 值在不同的模式中均呈现显著的相关性(P≤0.05),其中在RS2模式中呈负向相关,其余模式呈正向相关(P≤0.05),表明DOC 或DOM 的浓度在不同模式均受生物代谢活动的影响。紫外可见吸收光谱参数E2/E3 与E3/E4 在不同模式中均呈显著正向相关(P≤0.05),而E2/E3、E3/E4 与a(355)均呈负向相关(P≤0.05),表明在不同的模式中DOM 分子量大小与腐殖化程度密切相关,而分子量大小和腐殖化程度明显影响着CDOM 的浓度;SUVA254在不同模式中均与UV254、a(355)呈显著正相关(P≤0.01),表明DOM 的浓度与芳香性关系密切。

2.3.2 主成分分析

对相关数据合并统一进行了主成分分析,通过分析检验,KMO 检验值为0.637,Bartlett 球形度检验P＜0.0001,表明变量间具有相关性,符合主成分分析要求。通过主成分分析,共提取4 个成分(累积贡献率74.7%),详细结果如图8 所示。

图8 土壤溶解性有机质(DOM)组分与紫外-可见吸收光谱参数、荧光参数主成分分析的载荷(a、c)与得分(b、d)Fig.8 Loadings plot (a,c) and sample scores (b,d) in PCA between soil dissolved organic matter (DOM components,UV-Vis absorption spectral parameters and fluorescence parameters

其中,第1 主成分(PC1)贡献率达到29.6%,PC1中DOM 组分C3、C4、参数UV254、SUVA254、a(355)为相对较高正载荷因子,载荷值＞0.3,UV254、SUVA254、a(355)等具有明显的正向相关性(P≤0.01),与芳香性、DOM 浓度关系密切。这一结果表明PC1 代表着DOM 的芳香性与浓度大小。第2 主成分(PC2)贡献率为23.1%,具有较高正载荷的是腐殖质成分C4、E2/E3、E3/E4、DOC、SR以及荧光参数FI 和HIX(载荷值大于0.23),E2/E3 与E3/E4 具有显著相关性(P≤0.05),二者与分子量大小、腐殖化程度密切相关,SR与分子量大小、生物源状况有关; 荧光参数FI与HIX 分别与腐殖化程度、生物来源状况有关,说明PC2 可代表DOM 的腐殖化程度、分子量大小和生物性来源状况。第3 主成分(PC3)贡献率为13.2%,具有较高正载荷的是类络氨酸组分的C1、类蛋白组分C3 以及荧光参数BIX 和FI,BIX 和FI 表征着DOM 的自生源特性和DOM 的新鲜程度,因此可以判断PC3 代表着DOM 中的蛋白质组分和自生源、新鲜程度。第4 主成分(PC4)贡献率为8.8%,拥有较高载荷值的是组分C1、C2、C3 和C4,参数E2/E3、E3/E4、BIX,其中组分间具有显著的相关性,E2/E3 与E3/E4 关系密切,而FI 等与腐殖化有关的参数载荷为负值,说明PC4 代表着DOM 的分子结构组成与分子量大小。

从主成分分析得分状况上看,在PC1,MR 模式的得分值相对较高,其次为轮作模式RS1,得分值略高于两种共作的稻虾种养模式(RS2、RS0),但3 种稻虾种养模式间的得分值差异性并不明显,表明MR模式中DOM 的芳香性和浓度更高,该结果与前文中紫外参数的分析结果一致。PC2 中,MR 得分值也较高,其次为两种共作模式RS2和RS0,得分值略高于轮作模式RS1,表明MR 模式的腐殖化程度更高,结合前文紫外参数分析中MR 和RS1模式DOM 腐殖化程度高和荧光指数FI 的分析,RS2和RS0两种共作模式较高的得分值很有可能表明了相对较高程度的生物性来源。PC3 中,RS1模式拥有较高的得分值,其次为得分差异并不显著的MR 和RS2模式,RS0得分值最低,结合荧光参数BIX 和FI 的分析,RS1和MR 模式中具有相对较高的自生源水平。PC4 中得分最高为RS1,其次为RS0、MR 和RS2,表明3 种稻虾技术模式中DOM 中分子结构组成的多样性更强、分子量较大,这与前文E2/E3、E3/E4 参数分析结果相一致。

3 讨论与结论

3.1 不同稻虾模式对土壤DOM 紫外-可见吸收光谱参数的影响与意义

紫外-可见吸收光谱的变化及其参数能够反映DOM 中的物质,对于表征环境中的污染物、芳香性物质、共轭结构或有机质的腐殖化程度,衡量环境中芳香性物质、分子物理化学性质的重要指标等具有重要意义[23]。在不同稻虾模式中,传统水稻单作(MR)以及有环沟式稻虾轮作(RS1)模式的吸光度明显比另外两种模式吸光度偏高,光谱发生红移(吸收肩峰以及曲线向长波方向移动),该特点说明MR 和RS1模式下土壤DOM 的腐殖化程度相对于两种稻虾共作模式(RS2、RS0)较高,此外,共轭结构较多也有可能导致其吸光能力的增强[34]。UV254和a(355)作为与土壤中DOC 和CDOM 密切相关的指数,在不同模式之间的差异性在一定程度上说明了淹水对土壤DOM 的影响,地表径流和淋溶等过程,都会导致DOC 和CDOM 向水中释放,稻虾种养模式的淹水厌氧条件为DOM 向水体释放DOC 和CDOM 创造了条件[35]。本研究中UV254和a(355)在不同模式的差异表明了土壤对水的DOC 和CDOM 的释放相对量差异,共作模式淹水相对时间长,水位变化幅度小,生物活动对土壤的扰动、稻田中的动植物残体在腐烂分解等条件下,处于淹水状态更容易使DOM 的亲水性物质、CDOM 等向水中释放被微生物分解利用,从而导致RS2和RS0模式的芳香性物质减少和DOC流失,UV254和a(355)偏低[36]。而SUVA254的差异性也与淹水条件关系密切,很有可能是MR 模式后期土壤处于轻微渍水好氧条件,而RS1模式农田在采样期以种稻为主,淹水主要集中于环沟,田间土壤也同样处于渍水状态,因而有利于两种模式土壤DOM 腐殖化; 而无环沟的种养模式下,土壤含水率相对较高,含氧量、通气条件以及热量条件都相对不足,且DOM 释放于水体中的比例相对较大,从而导致SUVA254相对较低,这一结果与梁俭等[35]在三峡库区的报道相近。DOM 作为土壤肥力的关键因子,紫外参数的变化表明淹水可能会使生物可利用性高的DOM 流失,一定程度上降低土壤肥力,同时促进田间水的富营养化,因此在生产实践中,应注重田间水循环,同时监测土壤肥力,注重对土壤肥力的补充。

DOM 的分子量影响着生物对DOM 的可利用性,同时对于环境中的污染物具有较大影响,赵海超等[37]研究表明,大分子量的DOM 能够有效稳定土壤磷素,有利于保持肥力; 也有学者发现土壤中Cd 和As 的迁移转化受分子量大的腐殖质类DOM 影响,大分子量DOM 对土壤中Cd 和As 具有较强的亲和力[38-39]。本研究中,E2/E3 的分析结果表明共作模式下土壤DOM 的分子量相对于轮作模式大,模式差异对DOM 的分子量大小影响更大,而E3/E4 表明稻虾种养模式下DOM 腐殖质以高分子化合物的胡敏酸为主,传统稻作以分子量较小的富里酸为主,这与E2/E3 所得出的结论一致,因而相关性显著; 轮作与共作的差异性主要表现在田间的生物量差异和淹水差异上,因此可以判断这是导致两种模式DOM 分子量差异的原因。 基于以上分析,在稻虾种养模式生产实践中,共作模式对于土壤肥力的保持是相对有利的,对于土壤中的重金属污染预防和土壤肥力保持的工作,应该注重添加有机肥作为基肥施用,减少淹水对土壤肥力的影响,同时关注土壤和作物中的As 和Cd 含量,以防止污染物在水稻和小龙虾中积累,在此基础上,也可以使用具有高分子量DOM 的稻虾无环沟的共作模式,可在保持土壤肥力的同时保留最大的可利用耕地面积,简化田间管理的同时也增加了稻虾种养模式的收益[40]。

本研究中,紫外可见吸收光谱和荧光光谱特征参数的相关性并不一致,这与其他学者在不同水域土壤和沉积物的相关研究结果相似,主要受DOM 的物质组成和结构差异影响[41-42],其次,为进一步明确不同模式土壤DOM 与重金属和其他污染物的关系,未来应重视对土壤DOM 与重金属迁移转化的机理研究。

3.2 不同稻虾模式对土壤DOM 组分荧光特征的影响与意义

DOM 可为土壤提供养分,促进水稻生长增产,这对于评价土壤肥力具有重要作用,且其中大量的官能团对重金属具有吸附和抑制效果,是农田中重金属污染与环境行为的重要研究对象,对农田土壤环境健康意义重大[4]。在荧光组分解析上,本研究4种模式土壤DOM 组分较为相似,但分解的DOM 组分与苏良湖等[15]在黄山市的稻虾种养模式土壤DOM报道结果并不一致,这与区域的土壤背景、母质、生物条件、耕作和施肥措施等有关[43]。荧光参数FI值说明本研究土壤DOM 与生物源密切相关; 在土壤方面,黄山市主要是暗黄土,属黄壤,母质为花岗岩残积物,除磷素外,有机质和其他营养物质含量丰富,土壤肥力相对较高[15]; 而本研究区域(南昌)整体为棕黄泥土,属于红壤,有机质含量低,养分贫乏,母质为第四纪沉积物,从土壤母质而言,DOM 所生成的土壤环境差异性较大,细菌群落的形成和细菌所利用的底物差异大,DOM 的组分组成不同; 其次,细菌群落与DOM 组成多样性显著相关,相近的距离和统一耕作,土壤性质相近,使用同一化肥,使土壤中细菌群落的异质性减少,因而间接影响了DOM 的多样性,这符合本研究的试验特点,因而很可能是不同模式土壤DOM 成分组成相似的原因。菌群多样化有利于DOM 的多样化,组分的相似性指示了耕作方式、施肥方式的单一,因此在生产中,稻虾种养应配合施用不同的有机肥,增加细菌群落多样性进而增加DOM 的含量与多样性,这有利于作物的生长[44]。从本研究不同组分对DOM 荧光强度的贡献率看,类络氨酸物质C1 在3 种稻虾模式显著较高,但相关性分析表明C1 与其余3 种组分呈显著负相关,而C1 主要来源为生物源,SR和荧光指数FI 均表明本研究土壤DOM 生物源明显,这一结果说明C1 组分与微生物活动对DOM 的分解转化密不可分。C2 在水稻单作(MR)和有环沟稻虾种养模式(RS1、RS0)条件下占比更高,可能是在水稻单作和有环沟式模式下,水稻种植密度和量相对较大,植物残体、根系分泌物等所产生的有机质相对集中,外加淹水水位相对稻虾共作模式较低或主要淹水于环沟,DOM 向水体释放少,使C2 腐殖酸组分得以保留; 在无环沟共作中,淹水水位均匀且时间长,水稻种植密度相对较低,亲水性物质释放于水体比例大,因而DOM 的贡献率较其他模式低。

3.3 结论

综上所述,本研究得出以下结论: 水稻单作与有环沟式轮作模式(MR、RS1)土壤DOM 的浓度、腐殖化程度和芳香度相对于两种共作模式(RS2、RS0)更高。水稻土DOM 主要来源于生物源,自生源特征明显,且在稻虾共作技术模式中更显著; 稻虾种养模式下土壤DOM 分子量相对于水稻单作大,共作模式相对比轮作模式大; 水稻单作中DOM 的物质主要为腐殖酸,稻虾种养模式下则以胡敏酸为主。依据本研究的分析结果,相比其他两种稻虾种养模式,存在较多大分子量DOM 的无环沟式稻虾共作更有利于土壤肥力保持,且具有较好的综合效益。

平行因子分析表明4 种稻虾技术模式中DOM物质组成无明显差异,均解析出4种荧光组分,分别为类络氨酸C1、腐殖酸C2、类蛋白C3、类腐殖质C4; 相关性和主成分分析表明,C2、C3、C4 具有较高的同源性,与C1 来源不同。

不同组分对荧光强度的贡献率表明组分C1 在稻虾技术模式土壤DOM 中占比最高,与水稻单作有所差异,该结果与微生物活动密切相关; C2、C3、C4 在4 种技术模式下的荧光强度贡献不一致。在不同模式中土壤DOM 的成分相似可能与菌群的多样性有关,施用有机肥可增加土壤DOM 的异质性,增加土壤肥力,有利于作物生长。

田间管理(淹水空间与水稻种植分布)的差异性导致DOC 和CDOM 向水中释放的程度不一致,从而导致农田土壤DOM 光学特征差异,不同模式间的差异性也主要表现在淹水差异中,因此本研究认为淹水是影响稻虾共作田土壤DOM 光学特征的主要原因。