李玉梅，王根林，李承陽，3，劉崢宇，孟祥海，王 偉，邵廣忠，胡穎慧

1. 黑龍江省農業(yè)科學院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 2. 黑龍江省農業(yè)科學院畜牧研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 3. 東北農業(yè)大學生命學院，黑龍江 哈爾濱 150021 4. 黑龍江省綏濱農場，黑龍江 綏濱 154213 5. 黑龍江省農業(yè)科學院牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157041

引 言

土壤溶解性有機質由溶解在土壤溶液中的低分子量有機質和以膠體狀態(tài)懸浮于土壤溶液中的大分子量有機質組成，一般將通過0.45 μm微孔濾膜的水溶性有機碳表示為WSOC。 WSOC雖然只占土壤有機碳的很少部分，卻是土壤微生物可直接利用的有機碳源，影響土壤中有機和無機物質的轉化、遷移和降解[1]。 耕作5年土壤的WSOC組成與天然土壤相似，而耕作1年土壤的WSOC 中碳水化合物幾乎完全消失，新形成了一些烷基碳結構的有機物。 不同取樣時期、不同土層深度，土壤WSOC組成不同[2]。 目前，熒光光譜分析法廣泛應用于DOM及不同來源FA類物質的熒光特性研究中，具有靈敏度高，選擇性好等優(yōu)點。 而采用平行因子分析(PARAFAC)與熒光光譜結合，可以揭示傳統(tǒng)熒光圖譜無法識別的細微差別，目前已成為腐殖酸類物質結構、組成特性分析的主要評價方法[3]。 以追求產量為目標的高強度耕作方式，帶來耕地土壤有機質退化、耕層變淺、土壤肥力下降，利用秸稈還田培肥土壤，被認為是一種最直接、最有效的途徑。 由于受土壤類型、環(huán)境、生物量等因素的影響，秸稈還田方式對土壤有機碳庫的貢獻不同[4]，以往研究多側重于秸稈覆蓋、粉碎翻耕、過腹還田等方式[5]，而對于連續(xù)秸稈還田方式的研究則較少。 因此，本研究通過不同耕法下秸稈還田方式對草甸土不同深度土層中WSOC熒光光譜特征的影響，為今后科學應用秸稈還田開展黑土培肥具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 試驗設計

本研究于2016年5月—2018年10月在牡丹江市溫春鎮(zhèn)(44.60′N，129.58′E)粘壤質型草甸土上進行，土壤基礎養(yǎng)分指標： 全N 1.12 g·kg-1、全P 0.55 g·kg-1、全K 2.53 g·kg-1、堿解N 101.55 mg·kg-1、速效P 26.50 mg·kg-1、有效K 130.28 mg·kg-1、有機質16.50 mg·kg-1、pH 7.93。

表1 田間試驗設計

設計3種耕法： 免耕(NT)、淺翻20(ST)和深翻(DT)，3種秸稈還田方式： 免耕秸稈覆蓋(NT-S)、淺翻秸稈還田(ST-S)和深翻秸稈還田(DT-S)。 每小區(qū)234 m2，3次重復，玉米施N 160.0 kg·ha-1，P2O5110.0 kg·ha-1，K2O 75.0 kg·ha-1。 每年秋季玉米收獲后，將秸稈粉碎至長度小于10 cm，覆蓋或翻埋于20或35 cm土層。 免耕與免耕秸稈覆蓋處理在作物整個生長期間均不進行耕作。

1.2 測定項目與方法

(1) 樣品采集： 秋季每隔10 cm分層采集0～50 cm土層土樣，測定土壤WSOC。

(2) 測定方法： 熒光光譜儀為F-7000型(日本日立公司)，450 W氙弧燈，PMT電壓700 V，掃描速度1 200 nm·min-1，掃描范圍EX=200～490 nm/EM=250～550 nm，運用儀器自帶軟件(FL WinLab software (Perkin Elmer) ) 收集數據。

(3) 數據處理： 應用Matlab 2011軟件及origin 2016進行三維熒光圖譜繪制與平行因子分析。

2 結果與討論

2.1 不同處理土壤WSOC組分的熒光圖譜特征

由圖1可見，不同深度土壤樣品中均解析出3組熒光組分，類腐殖質組分C1(240/400 nm)和C2(245，400/465 nm)及類蛋白組分C3(220，275/325 nm)，每一組分在同一發(fā)射波長中均存在兩個峰。 其中，C1組分具有明顯的短波類腐殖物質的熒光特性，存在的主峰(EX=240 nm/EM=400 nm)與陸源腐殖質A峰相近，為來源于微生物或者動物活動產生的、易氧化、類腐殖質組分[6]，而同為類腐殖質物質的C2組分，主峰(EX=260 nm/EM=465 nm)與陸源腐殖質A上部峰接近，主要來自自生源及動物活動產生，C3組分的兩個峰分別與新近類氨基酸B峰和T峰接近，為蛋白質類物質，也有稱之為色氨酸的熒光峰。

圖1 不同處理土壤WSOC組分熒光圖譜

2.2 不同處理對土壤WSOC組分熒光強度的影響

平行因子分析(PARAFAC)表明[見圖2(a—c)]，秸稈不還田條件下，3種耕法0～50 cm土層C1，C2和C3組分平均占比36.78%，33.65%和29.57%，耕法對土壤WSOC不同組分的影響隨土層深度呈波動性變化。

圖2(a) 免耕不同土層WSOC組分熒光強度

NT與ST處理C1，C2組分在10～20和20～30 cm土層分別有一個最高熒光峰，而DT處理在10～20和30～40 cm土層有2個熒光最高峰，其20～30 cm土層C1和C2組分熒光強度最弱，C3組分最強； NT處理C3組分與深度呈拋物線變化(R2=0.8143)； ST處理不同深度土層中C1>C2>C3，C1與C2，C3組分差異顯著的同時，C1和C2組分與土層深度變化顯著相關(R2=0.743 7和0.882 4)； 連續(xù)DT對0～20 cm土層C1和C2組分影響不大，與30～40 cm土層接近均較高； 無論淺翻還是深翻，0～20 cm表土層C1>C2>C3，20～30 cm土層C3組分變化與C1和C2組分負相關，DT處理由于打破犁底層，加速了深層土壤腐殖質的氧化速度，促進了蛋白質類物質的生成。

圖2(b) 淺翻不同土層WSOC組分熒光強度

圖2(c) 深翻不同土層WSOC組分熒光強度

圖2(d) 免耕覆蓋不同土層WSOC組分熒光強度

圖2(e) 淺翻還田不同土層WSOC組分熒光強度

圖2(f) 深翻還田不同土層WSOC組分熒光強度

由圖2(d)—(f)可見，秸稈還田后土壤WSOC組分的熒光強度分布特征發(fā)生變化。 0～50 cm土層，C1，C2和C3組分平均占比38.45%，32.06%和31.61%，C3組分占比隨土層深度增加而提高，至40～50 cm土層平均占比達42.18%； 免耕秸稈覆蓋(NT-S)0～10 cm表土層C1和C2組分熒光強度最強，隨土層深度增加而下降，與深度變化的拋物線相關系數分別為0.869 8和0.899 5，顯著相關； 秸稈淺翻還田(ST-S)C1和C2組分最低熒光強度與C3組分最高熒光強度均出現在30～50 cm土層，與秸稈還田促進了深層土壤中腐殖質類物質轉化為蛋白質類物質有關； 秸稈深翻還田(DT-S)C1和C2組分熒光強度變化趨勢一致，10～50 cm土層，隨土層深度先增加后降低，最高和最低熒光強度分別出現在10～20和40～50 cm土層，平均熒光強度為1 301.920，1 082.722和884.740，624.043，20～50 cm土層熒光強度C3>C2； 由圖2(e)和(f)可見，ST-S 與DT-S處理20～50 cm土層C3組分與C1和C2組分變化呈負相關。

2.3 不同處理土壤WSOC組分的FMAX分析

2.3.1 不同耕法土壤WSOC組分的FMAX分析

由表2可見，秸稈不還田，3種耕法FI指數均以10～20 cm土層最低，平均1.520，20～50 cm土層隨土層深度增加而提高，至40～50 cm土層最大，達1.729； 不同耕法0～10 cm土層FI指數以NT>DT>ST，分別為1.673，1.619和1.585； 10～50 cm土層FI指數以DT與NT接近，均高于ST； 不同深度土層FI指數表明土壤WSOC組成為非生物源和生物源的混合物，二者所占比例不同，NT與DT處理接近，與ST差異顯著。 0～20 cm土層BIX變幅為0.629～0.657，表明該土層具有較少的自生源特征，NTDT>ST，其中NT和DT處理的20～50 cm土層與ST處理的40～50 cm土層，BIX變幅為0.707～0.755，均具有中等的自生源特征。 由于C1組分結構簡單，生物可利用性強，腐殖化程度較低，而C2組分結構復雜，較難被微生物利用，因此，常用C2/C1比值(腐殖化指數)表示土壤中有機碳的腐殖化程度，比值越高，腐殖化程度越高。 不同耕法C2/C1比值變幅0.740～1.281，隨土層深度先升高后降低； NT 處理20～30 cm土層C2/C1比值最大，達1.281，而ST與DT處理20～30 cm土層C2/C1比值均較低，平均0.785，腐殖化程度降低，與短期內土壤連續(xù)翻耕促進了有機質的礦化與分解，減慢了土壤有機質的腐殖化進程有關； NT處理C2組分占比明顯高于其他處理，而C1組分占比較低，與連續(xù)免耕2年且不擾動土壤，增加了土壤結構緊實度，腐殖質礦化度降低。

2.3.2 不同秸稈還田方式土壤WSOC組分的FMAX分析

由表2可見，與耕法對土壤WSOC的FI指數影響一致，秸稈還田后，隨土層深度增加FI指數先降低后增加，NT-S>DT-S>ST-S； 10-20 cm土層FI指數最低，3種還田方式分別為1.603，1.533和1.492，20～50 cm土層ST-S與DT-S處理FI指數接近，平均1.705，略低于NT-S，無顯著差異； 不同處理FI指數變幅為1.492～1.790，表明土壤WSOC來源于非生物源和生物源的混合物特征明顯。 0～20 cm土層BIX變幅為0.646～0.670，NT-S>ST-S>DT-S，均具有較少的自生源特征； 隨土層深度增加BIX指數增加，30～50 cm土層BIX變幅為0.712～0.822，具有中等的自生源特征，其中，40～50 cm土層，NT-S與ST-S處理BIX分別為1.802和0.805，自生源特征較強。 3種還田方式下土壤WSOC的C2/C1平均比值為0.775，變幅0.623～0.877，除40～50 cm土層外，ST-S>DT-S>NT-S； 0～10 cm表土層C2/C1比值均最高，平均0.849，隨土層深度增加C2/C1比值降低，至40～50 cm土層最小，平均為0.661； 雖然30～50 cm土層C2/C1比值降低，但C2占比為DT-S>ST-S>NT-S，說明秸稈還田深度影響了土壤微生物代謝活動形成的內源腐殖質與秸稈、根系及其脫落物等外源腐殖質的形成，從而影響土壤有機質的腐殖化進程，秸稈深還田深層土壤的腐殖質化趨勢增強。

表2 不同處理土壤WSOC組分的熒光指數分析

2.4 土壤WSOC組分的熒光特征

受生物和非生物過程的影響，土壤有機質、凋落物、根系分泌物和微生物體的分解與腐殖化均是土壤WSOC的潛在來源[7]。 研究發(fā)現，在湖泊的CDOM組成中，微生物作用類腐殖質C1(245/391 nm)占40.80%，陸源類腐殖質C2 (255，340/453 nm)占 30.80%，類酪氨酸物質C3 (275/304 nm)占28.40%[8]。 谷思玉等對黑土FA熒光分析，僅解析出C1與C2兩個熒光組分[3]。 本研究表明，不同耕法與秸稈還田方式下，土壤WSOC均解析出2類3個熒光組分，類腐殖質組分C1(240/400 nm)和C2(245，400/465 nm)及類蛋白組分 C3(220，275/325 nm)； 0～50 cm土層中，3種耕法與相應秸稈還田方式C1，C2和C3組分平均占比36.78%，33.65%，29.57%和38.45%，32.06%，31.61%； 短期內連續(xù)翻耕與秸稈還田，促進了土壤腐殖質的氧化、分解，C1和C3組分增加，C2組分降低，C1與C2組分線性相關。

2.5 土壤WSOC組分的熒光指數變化

FI(f450/500)存在兩個端源1.4和1.9[8]，FI<1.4，DOM組分異源特征明顯，即有機物的前體更多來源于植物殘體和根系分泌物等外來物質[1]。 FI>1.9，DOM組分主要來源于微生物的代謝活動，土壤有機質以微生物代謝形成的腐殖質為主[7]。 本研究表明，不同耕法與秸稈還田方式下，0～50 cm土層，FI指數變幅1.509～1.762和1.492～1.790，表明土壤WSOC組成為非生物源與生物源的混合物，二者所占比例不同，免耕與深翻接近，高于淺翻； 秸稈深翻還田與淺翻還田接近，均小于免耕秸稈覆蓋處理。

BIX是DOM的自生源參數，衡量了自生源有機物對DOM的貢獻。 0.60.7，有中等的自生源，而0～20 cm土層自生源物質產生較少； 免耕與免耕秸稈覆蓋由于整個生長季節(jié)對土壤無擾動，20～50 cm土層自生源特征較強。

水熱梯度的增加可導致土壤FA中C1和C2組分數量下降，FA組內趨于簡單化，加快土壤中FA的消耗，不利于土壤肥力的保持[3]。 秸稈不還田條件下，短期內連續(xù)翻耕促進了土壤有機質的礦化與分解，C2/C1比值降低，NT>DT>ST； 通過對C3組分的分析，也能比對腐殖質物質占總有機質的比率。 無論秸稈覆蓋還是翻耕還田，30～50 cm土層C3組分增加，而C2/C1比值降低，表明該土層有機質腐殖質化程度降低； 秸稈深翻還田40～50 cm土層C2/C1比值高于淺翻還田和秸稈覆蓋，表明該土層腐殖質的產生和積累趨勢增強，與耕翻造成根系分泌物的大量淋溶、移動有一定的關系，還有待于進一步研究。

3 結 論

短期內連續(xù)翻耕與秸稈還田，促進了土壤腐殖質的氧化、分解，C1和C3組分增加，C2組分降低； 免耕與免耕秸稈覆蓋由于整個生長季節(jié)對土壤無擾動，20～50 cm土層自生源特征較強； 秸稈深翻還田40～50 cm土層腐殖質的產生和積累有增強趨勢。