李彬彬，武蘭芳，許艷艷，秦 越

秸稈還田土壤溶解性有機(jī)碳的官能團(tuán)特征及其與CO2排放的關(guān)系

李彬彬，武蘭芳*，許艷艷，秦 越

（中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）是土壤有機(jī)碳的重要組成部分，其含量變化和分子結(jié)構(gòu)組成均會(huì)對(duì)土壤CO2氣體排放產(chǎn)生影響。為了探討秸稈還田后土壤DOC的結(jié)構(gòu)特征及其與土壤CO2排放的關(guān)系，在連續(xù)4個(gè)小麥生長季，對(duì)秸稈還田和不還田土壤DOC含量及其官能團(tuán)特征和土壤CO2排放通量進(jìn)行測定分析，結(jié)果表明：秸稈還田和不還田土壤的DOC結(jié)構(gòu)中均含有-C=C-、-CO-NH-和苯環(huán)這3種官能團(tuán)；秸稈還田土壤DOC含量顯著高于無秸稈還田土壤，而且DOC組分中的胺類物質(zhì)（-CO-NH-）和芳香族化合物（-C=C-、苯環(huán)）的含量比例也明顯增加；土壤CO2排放通量也表現(xiàn)為秸稈還田土壤顯著高于無秸稈還田土壤。土壤DOC含量、DOC官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征和CO2排放在4個(gè)小麥生長季內(nèi)的變化規(guī)律基本一致。相關(guān)分析顯示土壤CO2排放不但與DOC含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.86*），而且與DOC的分子結(jié)構(gòu)特征顯著相關(guān)（r210=0.62*；r280=0.73*），胺類物質(zhì)和芳香族化合物的含量越高，CO2排放通量越大。

秸稈還田；溶解性有機(jī)碳（DOC）；官能團(tuán)特征；二氧化碳

土壤溶解性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon,DOC）是指在室溫條件下，能溶于水、酸或堿溶液中的分子量大小不同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜各異、數(shù)量不等且能通過0.45 μm濾膜的一系列有機(jī)化合物的總稱[1]，具有易流動(dòng)、易分解、生物活性高等特點(diǎn)[2]，對(duì)土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)過程具有重要影響，特別是在土壤碳氮循環(huán)過程中，DOC的降解與土壤CO2的排放和土壤養(yǎng)分的有效性密切相關(guān)[3]，因此，研究DOC降解過程中的含量和結(jié)構(gòu)特征變化對(duì)探討土壤CO2排放來源具有重要意義。

目前，許多研究對(duì)DOC含量和土壤CO2排放進(jìn)行了測定分析，李鐘佩等[4]曾指出，可溶性有機(jī)碳含量與有機(jī)碳的日礦化量達(dá)到極顯著的相關(guān)性（好氣條件相關(guān)系數(shù)0.942，淹水條件相關(guān)系數(shù)0.975）；陳濤等[5]在研究不同施肥處理對(duì)水稻土有機(jī)碳礦化的影響中指出，土壤水溶性有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳礦化量密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.848（P＜0.01），其主要原因是DOC作為土壤微生物生存的重要基質(zhì)，它的含量高低影響了微生物的活性，進(jìn)而影響了土壤CO2的排放。上述研究結(jié)果表明，DOC的含量與CO2的排放通量呈正相關(guān)[6－8]；也有研究指出，土壤DOC分子結(jié)構(gòu)組成會(huì)影響DOC的分解[9]，因此土壤DOC分子結(jié)構(gòu)組成含量也可能會(huì)影響土壤CO2的排放。

很多學(xué)者采用光譜（紫外、紅外、熒光光譜法）和核磁共振等方法對(duì)DOC的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析測定，結(jié)果表明，土壤DOC主要含有長鏈烷烴、碳水化合物、氨基酸、多肽類物質(zhì)、芳香族化合物及含有苯環(huán)、羥基、羧基類等官能團(tuán)[10－12]。紫外－可見光譜因其操作簡單、靈敏度高、不破壞樣品等特點(diǎn)，已成為研究水體、土壤及沉積物中DOC結(jié)構(gòu)特征的有效手段之一[13]，研究表明，DOC在紫外波長范圍內(nèi)均有吸收且吸光度值隨著波長的增加而降低[14－15]，不同波長的吸光度值表征了DOC不同的組成特征、團(tuán)聚化程度和分子質(zhì)量的大小。紫外200 nm處的吸光度值表示土壤DOC中有胺類物質(zhì)的存在[16]；A280nm代表了土壤DOC的芳構(gòu)化程度和包括C=C雙鍵在內(nèi)的芳香族化合物含量，吸光度值越高，芳香族化合物的含量越大[17]；A250nm/A365nm則代表了土壤的腐殖化程度和DOC的分子質(zhì)量，吸光度值越高，表示DOC的分子質(zhì)量越小[18]。這些研究說明，可以用紫外光譜測定土壤DOC的吸光度值，從而探討DOC的結(jié)構(gòu)特征。

綜上所述，土壤DOC是土壤有機(jī)碳的重要組成部分，其含量變化和分子結(jié)構(gòu)組成均會(huì)對(duì)土壤CO2排放產(chǎn)生影響。目前，關(guān)于土壤DOC含量與CO2排放通量的關(guān)系已有較多研究報(bào)道，而對(duì)于DOC官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征與土壤CO2排放的關(guān)系卻鮮有相關(guān)研究報(bào)道。

因此，本研究通過設(shè)置秸稈還田小區(qū)實(shí)驗(yàn)，測定分析土壤DOC結(jié)構(gòu)特征、DOC濃度和CO2排放通量，探討分析農(nóng)田土壤DOC結(jié)構(gòu)對(duì)DOC含量，特別是土壤CO2排放的影響，為揭示農(nóng)田土壤DOC變化與溫室氣體產(chǎn)生及排放機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院禹城試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于黃淮海平原的魯西北黃河沖積平原，北緯 36°56′45″，東經(jīng)114°36′7″，海拔高度20 m，多年平均降雨量600 mm，降雨量主要集中在7—9月份。土壤母質(zhì)為黃河沖積物，土壤類型為潮土，表土質(zhì)地為中輕質(zhì)壤土，種植制度為冬小麥/夏玉米一年兩熟，小麥在每年的10月播種、次年的6月上旬收獲，玉米在每年6月播種、當(dāng)年10月收獲。試驗(yàn)前土壤養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)12.2 g·kg－1，全氮 0.8 g·kg－1，全磷（P2O5）2.1 g·kg－1，全鉀（K2O）22.9 g·kg－1，pH 8.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)開始于2008年10月，設(shè)置普通翻耕（CT－）、普通免耕（NT－）、翻耕秸稈還田（CT+）和免耕秸稈還田（NT+）4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積是6.25 m2。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取CT－和CT+兩個(gè)處理來分析。秸稈還田量為每個(gè)小區(qū)上一生長季作物收獲后所有根、莖、葉的總的生物量。玉米秸稈在還田時(shí)，將玉米根刨出，和莖葉一樣用鍘刀切成2～3 cm的小段，均勻撒在地表，小麥播種前用鐵鍬進(jìn)行翻埋使其與土壤混合，深度為20 cm左右，小麥播種采用人工開溝撒播，玉米播種在小麥?zhǔn)斋@后直接點(diǎn)播。小麥和玉米的施肥量與施肥方式和當(dāng)?shù)卮筇镆恢拢盒←溂臼┓柿繛?50 kg·hm－2（純氮），分為底肥（復(fù)合肥）和追肥（尿素），兩種肥料按照純氮量1∶1分兩次施入，底肥在種植小麥時(shí)施入，追肥在返青期澆水前施入，隨后澆水；玉米季采用尿素，施肥量為250 kg·hm－2（純氮），施用尿素，在大喇叭口期降水之后一次性施入。田間雜草人工拔除，病蟲害防治等其他農(nóng)田管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)相同。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤CO2排放通量的測定

土壤CO2排放通量的測定采用靜態(tài)箱氣相色譜法。采樣箱采用組合式，由底座和箱體組成，箱體用PVC（Φ25）材料制作，箱體高度為25 cm，底座直徑12 cm。在播種前將不銹鋼底座插入土壤中，采樣時(shí)將采樣箱放置于底座上，底座凹槽用水密封，在密封后的0、5、10、15 min的時(shí)間點(diǎn)用注射器抽取箱內(nèi)氣體5 mL，用三通閥密封后，在氣相色譜（安捷倫6890）上測定分析。采樣箱內(nèi)裝有溫度傳感器，用以測量采樣時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣體的溫度變化。采樣時(shí)間為上午的9：00—11：00[19]。整個(gè)采樣期從小麥返青期開始到成熟期結(jié)束，每周采集1次，遇到澆水或者降雨的情況，則延期采樣，因此每一年小麥季的采集樣品次數(shù)不相同，采集氣體同時(shí)采集土壤。

溫室氣體排放通量的計(jì)算方法：氣體通量表示單位時(shí)間、單位面積觀測箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化，其計(jì)算公式為：

式中：F為土壤氣體通量（CO2通量單位為mg·m－2·h－1）；M 為氣體的摩爾質(zhì)量，g·mol－1；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度273 K，氣壓 101.3 kPa）氣體摩爾體積，22.41 L·mol－1；T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的絕對(duì)溫度，K和氣壓，kPa；P為采樣點(diǎn)氣壓，kPa；T為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度，K；dCt/dt為觀測時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率，正值表示排放，負(fù)值表示吸收；H為采樣箱的高度。

1.3.2 土壤DOC含量的測定

土壤樣品的采集時(shí)間和氣體采集時(shí)間相同，采土深度為20 cm的耕層土壤，鮮土采集后，挑去作物殘留物和小石子，過2 mm篩，然后稱取10.00 g于白色塑料瓶中，加入50 mL蒸餾水，振蕩離心，過0.45 μm的濾膜，所得澄清液為DOC浸提液[20]，在LiqiuⅡTOC儀上測定其濃度，同時(shí)測定土壤含水量。

1.3.3 土壤DOC官能團(tuán)的測定方法

將土壤DOC浸提液在紫外分光光度計(jì)（UV－2550，日本島津）上測定其吸光度，掃描波長為儀器本身范圍 190～900 nm，掃描波長間隔 1 nm[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel作圖，SPSS12.0進(jìn)行單因素方差分析（LSD最小顯著法）和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤DOC紫外光吸收變化動(dòng)態(tài)

2.1.1 不同處理土壤DOC溶液中胺類物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化根據(jù)土壤DOC浸提液的紫外掃描結(jié)果可知，不同處理的DOC紫外峰值均出現(xiàn)在200～210 nm處，通過對(duì)比紫外光譜圖可以得出，DOC溶液中含有胺類物質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)以－CO－NH－官能團(tuán)為主。通過測定2013—2016年不同處理土壤DOC浸提液在200～210 nm的吸光度峰值可以看出（圖1），隨著小麥生育期的進(jìn)行，胺類物質(zhì)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在灌漿期達(dá)到最高，其吸光度值為4.8左右，在小麥成熟后，吸光度值降低，胺類物減少。不同處理的土壤DOC溶液的A210nm值均在2～5之間，通過方差分析可知，CT－＜CT+，差異顯著（P＜0.05），這充分說明，秸稈施入土壤能增加土壤DOC中的胺類物質(zhì)含量。

2.1.2 不同處理土壤DOC溶液中芳香族化合物的含量動(dòng)態(tài)

254 nm或280 nm波長處的吸收值能較好地反映DOC分子中芳香族化合物包括具有不飽和C=C結(jié)構(gòu)的一類物質(zhì)，吸光度值越大，芳香族化合物的含量越高，其中含有取代基的苯環(huán)和多酚中的π→π*躍遷也發(fā)生在此處。如圖2所示，2014—2016年小麥季土壤DOC的A280nm值變化趨勢大致相同，從返青期開始逐漸上升后緩慢降低，在灌漿期最高，為3.7，玉米成熟后，吸光度降低，和返青期大致相同，這也反應(yīng)了土壤DOC組分中芳香族化合物含量的變化。而2013年的吸光度值出現(xiàn)波動(dòng)變化，這可能是降水導(dǎo)致的，由于降水次數(shù)頻繁，每次降水之后采樣，土壤水分含量較高，所以出現(xiàn)波動(dòng)變化。秸稈還田土壤DOC的A280nm值顯著高于無秸稈還田土壤DOC的A280nm值（P＜0.05），由此表明，秸稈的施入提高了土壤DOC組分中芳香族化合物所占的比例，芳香族含量升高，2013年增加幅度為22%，2014年為21.8%，2015年為16.8%，2016年為12.2%。

2.1.3 不同處理土壤DOC溶液分子質(zhì)量的動(dòng)態(tài)

250nm和365nm處的吸光度值比反應(yīng)DOC的分子狀況，A2/A3越大，DOC的平均分子質(zhì)量越小，團(tuán)聚化程度越低。如圖3所示，土壤A2/A3值也是動(dòng)態(tài)變化的，隨著小麥生長先升高后降低，在成熟期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，A2/A3在灌漿期達(dá)到最高。通過方差分析可知，2013—2016年小麥季土壤DOC溶液的A2/A3比值的平均值為：CT－＞CT+，差異顯著（P＜0.05），土壤團(tuán)聚化程度增加幅度為2013年9%，2014年10%，2015年12.9%，2016年14.9%，由此可以看出，秸稈的加入有利于增大土壤DOC分子質(zhì)量，以結(jié)構(gòu)復(fù)雜脂肪側(cè)鏈較少的大分子物質(zhì)為主，而且隨著年份的增加，土壤中形成的大分子物質(zhì)越來越多，土壤結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定。

圖1 不同處理下土壤DOC溶液苯胺類物質(zhì)的吸光度Figure 1 Absorbance of aniline in DOC under different treatments

圖2 不同處理土壤DOC溶液芳香族化合物的吸光度Figure 2 Absorbance of aromatic compounds in DOC under different treatments

2.2 不同處理土壤DOC含量和CO2排放通量的動(dòng)態(tài)

2.2.1 不同處理土壤CO2排放通量的動(dòng)態(tài)

由圖4可知，在小麥的整個(gè)生育期內(nèi)，2013—2016年土壤CO2排放通量均為先升高后降低的趨勢，在小麥灌漿期達(dá)到排放頂峰，后逐漸降低。秸稈不還田處理的土壤CO2排放總量為：2013年277 888.6 kg·hm－2、2014 年 276 802.2 kg·hm－2、2015 年 285 304.1 kg·hm－2、2016 年 362 917 kg·hm－2。最高排放峰值為 2016年，其次為2015年、2014年，最小為2013年。秸稈還田處理的土壤CO2排放總量分別為：2013年310 166.6 kg·hm－2、2014 年 318 309.9 kg·hm－2；2015 年 340 721.6 kg·hm－2、2016 年 426 500.9 kg·hm－2。排放峰值依然是2016年最高，2013年最低，通過比較平均排放通量可知，2013—2016年秸稈還田比不還田土壤呼吸速率分別增加了11%、15%、19%和17%，這充分表明，秸稈施入可以增加土壤CO2排放通量，并且隨著還田年份的增加，CO2排放速率越高，排放總量越大。

2.2.2 不同處理土壤DOC含量的動(dòng)態(tài)

從圖5可以看出，土壤DOC含量隨小麥的生長逐漸升高，在灌漿期達(dá)到最大，后逐漸降低。2013年的土壤DOC含量的最高值為：秸稈不還田處理333 mg·kg－1、秸稈還田處理 355 mg·kg－1；2014 年最高值為：秸稈不還田處理 368 mg·kg－1、秸稈還田處理 384 mg·kg－1；2015 年的最高值為：秸稈不還田處理 352 mg·kg－1、秸稈還田處理 398 mg·kg－1；2016 年的最高值為：秸稈不還田處理 364 mg·kg－1、秸稈還田處理395 mg·kg－1；通過計(jì)算和方差分析，與不還田相比，2013年秸稈還田土壤DOC含量增加了25.4%，2014年增加了 20.7%，2015年增加了 11%，2016年增加了23.3%；由此可以得出，秸稈還田土壤的DOC含量要顯著高于不還田土壤。

2.3 土壤CO2排放、DOC濃度和紫外吸光度值之間的關(guān)系

圖3 不同處理下土壤DOC溶液分子質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of molecular weight in DOC of soil under different treatments

圖4 不同耕作措施下土壤CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of CO2emissions from soils under different treatments

圖5 不同處理下土壤DOC含量的排放動(dòng)態(tài)Figure 5 Dynamic changes of DOC concentrations in soils under different treatments

表1 2013—2016年土壤CO2排放通量與紫外吸光度之間的相關(guān)性Table 1 Correlation between soil CO2emission flux and DOC UV absorbance

由表1可知，2013—2016年土壤CO2排放通量和DOC含量與A210nm、A280nm、A2/A3之間有顯著相關(guān)性（P＜0.05），其中，DOC含量與CO2排放通量系數(shù)最高，為 0.86（P＜0.05），這表明 CO2的排放與 DOC 含量密切相關(guān)；DOC含量與A280nm的相關(guān)系數(shù)為0.78（P＜0.05）、與 A210nm的相關(guān)系數(shù)為 0.58（P＜0.05），這表明芳香族化合物和苯胺類物質(zhì)是DOC組分的重要組成部分，DOC分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)和H－N－C=O結(jié)構(gòu)，以苯環(huán)結(jié)構(gòu)為主；DOC含量與A2/A3的相關(guān)系數(shù)為0.69（P＜0.05），A2/A3與 A280nm的相關(guān)系數(shù)為 0.64（P＜0.05），這表明，DOC分子質(zhì)量與DOC含量密切相關(guān)，DOC的分子質(zhì)量和腐殖化程度取決于DOC分子中芳香族化合物的含量，芳香族化合物含量越高，DOC分子的腐殖化程度越大，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；CO2的排放通量與A210nm、A280nm、A2/A3均有顯著相關(guān)性，這表明胺類物質(zhì)、芳香族化合物會(huì)對(duì)CO2的排放產(chǎn)生重要影響。

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)土壤DOC紫外A210nm、A280nm、A2/A3吸光度值的影響

秸稈還田和不還田土壤DOC溶液均在200～210 nm處出現(xiàn)峰值，其原因是DOC組分中胺類物質(zhì)（－CO－NH－結(jié)構(gòu)）發(fā)生了n→σ*電子躍遷。有研究表明，施入氮肥可增加土壤DOC組分中胺類物質(zhì)的含量[16,22]，常單娜等[16]在研究西北灌漠土長期不同施肥改變土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的化學(xué)及光譜學(xué)特性時(shí)指出，化肥和有機(jī)肥都可增加土壤DOC中的胺類物質(zhì)，主要原因是土壤中殘留的氮較多；占新華[22]在研究污泥堆肥過程中水溶性有機(jī)物光譜學(xué)變化特征的結(jié)果表明，堆肥開始時(shí)DOC中含有胺類物質(zhì)，隨著堆肥的進(jìn)行，NH+4含量開始減少，芳香族化合物含量開始上升；在本實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)比不同處理土壤DOC溶液的吸光度峰值可以發(fā)現(xiàn)，秸稈還田顯著增加了DOC中胺類物質(zhì)的含量，這與前人研究結(jié)果一致[16,22]，玉米秸稈作為一種外源性有機(jī)質(zhì)，含有大量的可利用性碳氮，其中的氮元素被微生物分解，一部分形成N2O釋放到大氣中，另一部分則殘留在土壤內(nèi)，與原土有機(jī)質(zhì)重組，形成新的有機(jī)質(zhì)分子，而DOC又是有機(jī)質(zhì)重要組成部分，因此，秸稈還田土壤的DOC分子中胺類物質(zhì)顯著增加；并且由于每年秸稈還田的施入，土壤中的氮素積累越來越多，DOC分子中的胺類物質(zhì)含量也越來越高，年限之間也出現(xiàn)顯著差異。

DOC在280 nm處的紫外吸光度（A280nm）與其中結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的芳香類化合物含量有關(guān)[23]，A280nm的值越高，DOC分子中芳香族化合物的含量越大，芳構(gòu)化程度越復(fù)雜[24]；A2/A3則表征土壤DOC的平均分子質(zhì)量和土壤腐殖化程度。在本實(shí)驗(yàn)中，A280nm和A2/A3有顯著相關(guān)性，即芳香類化合物是土壤腐殖質(zhì)形成的基礎(chǔ)，DOC分子的芳構(gòu)化程度越大，其分子質(zhì)量就越大，土壤的腐殖化程度就越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2013—2016年的秸稈還田土壤DOC分子的芳香族化合物含量、DOC分子質(zhì)量和土壤腐殖化程度均高于不還田處理，并且隨著還田年限的增加，差異越來越顯著，這與前人研究結(jié)果一致[16,23]，楊秀虹等[23]在研究紅樹植物凋落葉分解對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的影響時(shí)指出，凋落葉的輸入使得DOM中大分子及芳香類組分增多、團(tuán)聚化程度增加，DOM的生物可降解性變?。怀文鹊萚16]研究不同施肥對(duì)土壤可溶性有機(jī)物的化學(xué)及結(jié)構(gòu)特征的結(jié)果表明，使用有機(jī)肥能顯著提高土壤DOC分子的芳香性、腐殖化程度和平均分子質(zhì)量；周江敏等[25]研究秸稈施用后土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果表明，秸稈施用增加土壤DOC芳香族化合物含量，而且到腐解后期階段，木質(zhì)素多酚類物質(zhì)降解，芳香族化合物進(jìn)一步增多，腐殖化程度越來越大。出現(xiàn)這些結(jié)果的原因主要與秸稈在土壤中的分解過程有關(guān)。秸稈施入土壤后，糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等易分解物質(zhì)首先被微生物分解，此階段稱為快速分解階段，隨后，第一階段的分解產(chǎn)物如多酚、醌以及秸稈中木質(zhì)素等難分解物質(zhì)繼續(xù)被微生物分解，并與原土有機(jī)質(zhì)進(jìn)行重組，形成新的高分子物質(zhì)，倪文海等[26]曾指出，秸稈腐解到180 d之后時(shí)，烷基化合物、有機(jī)酸、酰胺成分以及糖類等小分子物質(zhì)以芳香環(huán)為核心發(fā)生聚合反應(yīng)，因此，秸稈還田土壤DOC的芳構(gòu)化程度和分子質(zhì)量要高于不還田土壤，秸稈還田更利于土壤腐殖質(zhì)的形成，分子結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。

3.2 土壤CO2排放通量與DOC結(jié)構(gòu)特征官能團(tuán)組分之間的關(guān)系

目前，很多學(xué)者研究了土壤CO2排放通量和土壤DOC含量之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，CO2排放通量與DOC含量顯著相關(guān)[5，27]；也有學(xué)者在研究DOC結(jié)構(gòu)特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，DOC濃度和芳香族化合物含量呈顯著正相關(guān)[9，28]，楊玉盛等[14]在研究森林凋落物林中的有機(jī)物紫外光譜特征指出，A200nm處的吸光度值可用來估算 DOC 濃度（R2＞0.9），周焱等[29]在研究武夷山不同海拔土壤DOC濃度及紫外光譜特征時(shí)指出，A230nm可估測DOC的濃度值；通過分析以上研究的結(jié)果，DOC的官能團(tuán)濃度和CO2排放通量之間也存在一定的相關(guān)性，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得出此結(jié)論。在本次實(shí)驗(yàn)中，CO2排放通量不僅和DOC含量呈顯著正相關(guān)，并且與DOC組分中的胺類和芳香族化合物的含量也顯著相關(guān)，這充分說明土壤CO2的排放與DOC組分中的芳香族化合物和胺類物質(zhì)密切相關(guān)。出現(xiàn)此種現(xiàn)象是由芳香族化合物的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的，芳香族化合物主要是指含有C=C雙鍵的物質(zhì)，有研究表明DOC中含有大量的碳水化合物、芳香族碳和含氮物質(zhì)（有機(jī)胺、氨基酸、多肽等），并且某些含氮物質(zhì)的官能團(tuán)是以取代基的方式連接到碳鏈上的[12]。在小麥生長季內(nèi)，由于氮肥的施入和溫度的升高，土壤原有有機(jī)質(zhì)被微生物分解，釋放出大量的CO2，此時(shí)被分解的原土有機(jī)質(zhì)中的DOC也會(huì)被分解，芳香族碳結(jié)構(gòu)會(huì)改變，可能此時(shí)釋放出的CO2就來源于芳香族碳，由于此時(shí)處于有機(jī)質(zhì)的分解階段，因此，土壤中總的DOC含量、芳香族化合物和胺類物質(zhì)升高，分子質(zhì)量減小；到了小麥生長后期，土壤呼吸逐漸減弱，DOC含量減低，芳香族碳和胺類物質(zhì)減小，此時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)處于重組階段，DOC的平均分子質(zhì)量增大；從長期秸稈還田的效果來看，由于秸稈的施入增加了土壤有機(jī)碳的積累，因此CO2排放通量、DOC含量以及芳香族碳和胺類物質(zhì)的含量均增加，這與常單娜等研究結(jié)果一致[16]，但是CO2中的碳分別來源于芳香族碳和胺類物質(zhì)的比例還需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記測定。

4 結(jié)論

（1）不管秸稈還田土壤還是不還田土壤，其DOC分子結(jié)構(gòu)中含有－C=C－、－CO－NH－和苯環(huán)這3種官能團(tuán)。

（2）秸稈還田土壤DOC組分中的胺類物質(zhì)（－CO=NH－）和芳香族化合物（苯環(huán)、－C=C－）的比例要高于不還田土壤，并且DOC的平均分子質(zhì)量、團(tuán)聚化程度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也高于不還田土壤。

（3）土壤的CO2排放通量與DOC含量及官能團(tuán)的吸光度值有顯著的正相關(guān)性，DOC組分中胺類物質(zhì)和芳香族化合物的含量是影響CO2排放的重要因素，其含量越高，CO2排放通量越大。

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Relationship between functional groups of soil dissolved organic carbon and CO2emissions with crop residues incorporation to soil

LI Bin-bin,WU Lan-fang*,XU Yan-yan,QIN Yue
（Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China）

Dissolved organic carbon is an important component of soil organic carbon.Changes in its content and chemical composition will have a significant effect on the emission of greenhouse gases.The purpose of this study was to explore the change of soil DOC functional group,as well as its effects on CO2emission.We carried out a plot experiment in the field to investigate the soil DOC concent,DOC functional groups and CO2emissions under with and without crop residue treatments.The results showed that crop residues incorporation into soil significantly increased soil DOC content.DOC was composed of amide and aromatic compounds,which consisted of a carbon-carbon double bond,an amido bond,and a benzene ring.Returning crop residue to the soil increased the ratio of the contents of the amido bond and benzene ring.In addition,crop residues incorporation significantly increased the soil CO2emission.The changes of the DOC content,DOC functional groups,and CO2emission were similar during the four consecutive wheat growing seasons.Based on the correlation analysis,we found both the soil DOC content and its functional group strongly correlated to the CO2emissions.The high CO2emissions were observed in the soil with high contents of amide and aromatic compounds.

crop residue;dissolved organic carbon（DOC）;functional group characteristics;CO2

2017-05-25 錄用日期：2017-08-23

李彬彬（1985—），女，山東青島人，碩士，從事農(nóng)田溫室氣體排放與過程的研究。E-mail：wudibinbin223@163.com

*通信作者：武蘭芳 E-mail：wulf@igsnrr.ac.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31271675）；國家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD05B03）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（31271675）；The National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China（2013BAD05B03）

X511

A

1672-2043（2017）12-2535-09

10.11654/jaes.2017-0747

李彬彬，武蘭芳，許艷艷，等.秸稈還田土壤溶解性有機(jī)碳的官能團(tuán)特征及其與CO2排放的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（12）：2535-2543.

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