蘇良湖 王賽爾 紀(jì)榮婷 劉臣煒 陳梅 張龍江

摘要： 稻蝦共作模式已在中國長江中下游地區(qū)廣泛應(yīng)用。為研究短期稻蝦共作對(duì)土壤溶解性有機(jī)物（DOM）組成和腐殖化的影響，采用三維熒光光譜耦合平行因子法（3DEEM-PARAFAC）分析土壤DOM熒光組分和各組分變化規(guī)律，利用腐殖化指數(shù)（HIX）、腐殖酸與色氨酸熒光比值（A∶T）、新鮮指數(shù)（β：α）、McKnight熒光指數(shù)（MFI）、Y型熒光指數(shù)（YFI）等多種熒光光譜指數(shù)表征DOM腐殖化程度，并通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。研究發(fā)現(xiàn)，土壤DOM包括3個(gè)熒光組分，C1為較低相對(duì)分子質(zhì)量的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，C2為較高芳香度的UVC類腐殖質(zhì)，C3為酪氨酸類物質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)高相對(duì)分子質(zhì)量腐殖質(zhì)類物質(zhì)。在0～20.0 cm表層土壤中，C1、C2組分熒光強(qiáng)度隨采樣時(shí)間的推遲呈先上升后下降趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在水稻分蘗期或抽穗期，而C3組分熒光強(qiáng)度無明顯變化規(guī)律。皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果顯示，腐殖質(zhì)類物質(zhì)C1熒光強(qiáng)度與C2熒光強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)性（r=0.99，P<0.001），蛋白質(zhì)類物質(zhì)C3熒光強(qiáng)度與其他熒光指數(shù)（強(qiáng)度）相關(guān)性均較弱（r<0.40）。HIX與C1熒光強(qiáng)度、A∶T呈顯著正相關(guān)，均可被線性函數(shù)擬合。相較于MFI，YFI更能反映土壤中DOM的腐殖化變化特性，YFI與HIX可被指數(shù)函數(shù)較好擬合。研究認(rèn)為，短期稻蝦共作土壤的腐殖化特征主要受內(nèi)源有機(jī)質(zhì)降解影響，而受外源蛋白質(zhì)類物質(zhì)輸入的影響較小，且難以通過分析溶解性有機(jī)碳含量來監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度。

關(guān)鍵詞： 稻蝦共作;土壤溶解性有機(jī)物（DOM）;三維熒光光譜（3DEEM）;平行因子（PARAFAC）分析

中圖分類號(hào)： S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-4440（2021）03-0639-12

Fluorescence spectrometric analysis of dissolved organic matter（DOM） in soil from a short-term integrated rice-crayfish system based on 3DEEM-PARAFAC

SU Liang-hu， WANG Sai-er， JI Rong-ting， LIU Chen-wei， CHEN Mei， ZHANG Long-jiang

（Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Ecology and Environment， Nanjing 210042， China）

Abstract： Integrated rice-crayfish system has been widely used in the middle and lower reaches of Yangtze River in China. To study the effects of short-term integrated rice-crayfish system on composition and humification of dissolved organic matter （DOM） from the soil， three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectroscopy coupled parallel factor method （3DEEM-PARAFAC） was used to analyze the fluorescence components and the changes of each component of soil DOM. Different fluorescence spectrum indexes including humification index （HIX）， ratio of humic acid fluoescence intensity to tryptophan fluorescence intensity （A∶T）， freshness index （β∶α）， McKnight fluorescence index （MFI）， Y-type fluorescence index （YFI） were used to characterize the degree of DOM humification. Pearson correlation coefficient was used to analyze the correlation. The results showed that three fluorescence components were identified from soil DOM， containing humic substances with low relative molecular weight （C1）， UVC humic substances with high aromatic degree （C2） and tyrosine-like substances （C3）， no humic substance with relative high molecular weight was found. In the surface soil of 0-20.0 cm depht， the fluorescence intensity of C1 and C2 components increased firstly and then decreased as the sampling time pastponed， the highest value appeared at the tillering or heading stage of rice， while no definite trend was found for the C3 component. Pearson correlation coefficient analysis demonstrated that the fluorescence intensity of humic substances C1 and C2 showed significant positive correlation （r=0.99， P<0.001）; the fluorescence intensity of protein substance C3 had weak relationship with other fluorescence indices （intensities） （r<0.40）. HIX showed significant positive correlation with the fluorescence intensity of C1 and A∶T， which could be fitted by a linear function. Compared with MFI， YFI had sufcient distinguishing capacity to characterize the humification process of DOM in the soil; YFI and HIX could be fitted well by an exponential function. It can be concluded from the study that the humification characteristics of the soil in the short-term integrated rice-crayfish system are mainly affected by the degradation of endogenous organic matter， but are less affected by the input of exogenous protein substances. It is hard to monitor the humification degree of soil organic matter by analyzing dissolved organic carbon content of the soil.

Key words： integrated rice-crayfish system;soil dissolved organic matter （DOM）;three-dimensional excitation emission matrix fluorescence spectrum （3DEEM）;parallel factor （PARAFAC） analysis

稻魚綜合種養(yǎng)是綠色生態(tài)的農(nóng)漁發(fā)展模式，是漁業(yè)產(chǎn)業(yè)扶貧和助力鄉(xiāng)村振興的重要抓手，對(duì)促進(jìn)穩(wěn)糧增收和水產(chǎn)品穩(wěn)產(chǎn)保供具有重要作用[1]。其中，稻蝦共作模式在中國發(fā)展迅速，在長江中下游地區(qū)被廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來中國克氏原螯蝦（Procambarus clarkii）產(chǎn)量快速增長，從2006年的1.31×105 t大幅躍升至2016年的8.52×105 t，占全球比例達(dá)83.6%～92.7%。2016年全國稻蝦共作面積約4.2×105 hm2[2]，主要分布在湖北、安徽、江蘇、江西、湖南等省。全國適宜稻蝦共作的面積高達(dá)4.5×106 hm2，占現(xiàn)有稻田總面積的15%，稻蝦共作的發(fā)展?jié)摿薮骩2]。

稻蝦共作生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)以水稻為主體，以克氏原螯蝦為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群，以土壤為基礎(chǔ)，并結(jié)合水體養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)，包括生物圈、土壤圈、水圈在內(nèi)的生物與環(huán)境系統(tǒng)[3]。稻田生態(tài)系統(tǒng)中引入克氏原螯蝦，構(gòu)成了比常規(guī)稻作生態(tài)系統(tǒng)更為復(fù)雜的食物鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，克氏原螯蝦的飼料、糞便排放及活動(dòng)改變了稻田生態(tài)環(huán)境，使得稻田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能更復(fù)雜，提高了能量、水、肥等的利用率，增強(qiáng)了稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗外界沖擊的能力[4-5]。有研究結(jié)果顯示，在水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的前提下，稻蝦共作1 hm2化肥使用量減少48.46%，費(fèi)用減少38.9%。1 hm2農(nóng)藥使用量減少1.07 kg，且無需使用除草劑[6]。而且，稻蝦共作模式促進(jìn)了系統(tǒng)中物質(zhì)的循環(huán)，阻止了稻田物質(zhì)流的外溢，使稻田生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)與功能上得到改善和提升[7]。

溶解性有機(jī)物（Dissolved organic matter，DOM）具有比固相有機(jī)質(zhì)更多的活性點(diǎn)位，是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍、最重要的組分[8]。DOM對(duì)土壤營養(yǎng)物質(zhì)的活化、重金屬和有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化等具有極其重要的作用[9]，并在微生物生長代謝、土壤有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化等過程中發(fā)揮重要作用[10]。因此，解析稻蝦系統(tǒng)土壤DOM的變化規(guī)律具有重要意義。目前關(guān)于稻蝦共作的研究，主要聚焦在稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[11-12]、線蟲[13]、土壤理化性質(zhì)[5]、養(yǎng)分循環(huán)[14-15]、溫室氣體排放[16]等方面，對(duì)稻田土壤DOM影響的研究還較少，尤其是DOM熒光光譜特征的變化規(guī)律鮮有報(bào)道。與其他分析技術(shù)相比，三維熒光分析具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、信息量大等特點(diǎn)，可定性區(qū)分和定量測定DOM含量和組成特征。

為此，本研究采用三維熒光光譜耦合平行因子法（3DEEM-PARAFAC）分析土壤DOM熒光組分和各組分變化規(guī)律，利用多種熒光光譜指數(shù)表征DOM腐殖化程度，并通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析各熒光指數(shù)（強(qiáng)度）的相關(guān)性，旨在揭示短期稻蝦共作模式下稻田土壤DOM組分、來源及其DOM動(dòng)態(tài)變化過程，為稻蝦共作模式下土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展及肥力培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所黃山野外科研基地（安徽省黃山區(qū)三口鎮(zhèn)，30.24°N，118.39°E），屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫15.5 ℃，無霜期約220 d，年均降水量1 556 mm。2019年3月，參考湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《稻蝦生態(tài)種養(yǎng)技術(shù)規(guī)程（DB43/T 1381-2017）》，建設(shè)了1.36 hm2的稻蝦共作標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田（160 m×85 m），主要建設(shè)內(nèi)容包括土地平整、開挖“回”形溝、建設(shè)進(jìn)排水設(shè)施、安裝防逃網(wǎng)和隔離網(wǎng)等。2019年6月底，移栽稻秧，按150 kg/hm2投放克氏原螯蝦幼苗。稻蝦共作系統(tǒng)中，不定期投放黃粉蟲及蟲糞分別作為克氏原螯蝦飼料和水稻肥料，不施加化肥或農(nóng)藥（本研究稱為“有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)”）。以水稻生育期確定采樣時(shí)間，分別于移栽前（3月24日，T1）、水稻分蘗期（6月28日，T2）、水稻抽穗期（9月12日，T3）、水稻收獲期（11月19日，T4），在稻蝦共作試驗(yàn)田取10個(gè)采樣點(diǎn)（沿水稻田長邊一側(cè)均勻分布取樣，S1～S10），同時(shí)在田塊附近常規(guī)水稻田選取2個(gè)采樣點(diǎn)（CK1、CK2），作為對(duì)照。分別采集各時(shí)期稻田0～40.0 cm土壤樣品，并按深度分為0～10.0 cm、10.1～20.0 cm、20.1～30.0 cm和30.1～40.0 cm，剔除可見的動(dòng)植物殘?bào)w和石塊等雜質(zhì)，放置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干。

1.2 分析方法

1.2.1 DOM提取和溶解性有機(jī)碳（DOC）測定 將所有土壤樣品風(fēng)干并過40目篩，將5 g土壤樣品稱質(zhì)量放入100 ml錐形瓶中，添加30 ml去離子水，土壤與水的質(zhì)量比為1∶6[17]。將錐形瓶室溫下在搖床160 r/min振蕩3 h，靜置后將樣品通過0.45 μm微孔濾膜，即得到提取的DOM溶液。土壤的DOC含量利用濕式氧化法總有機(jī)碳分析儀（Aurora 1030C，美國OI分析儀器公司產(chǎn)品）測定。該分析儀由進(jìn)樣針模塊、紅外CO2分析儀等組成。用0.2 ml的2 mol/L HCl酸化樣品（每次進(jìn)樣1.0 ml），將酸添加步驟中釋放的CO2注入CO2分析儀。隨后燃燒樣品中任何殘留的碳，并通過差值獲得DOC含量。

1.2.2 三維熒光光譜分析 三維熒光光譜（Three-dimensional excitation emission matrix，3DEEM）采用吸收和三維熒光掃描光譜儀（Aqualog，美國HORIBA Jobin Yvon公司產(chǎn)品）分析，配以1 cm×1 cm石英熒光樣品池。Aqualog熒光光譜儀包含1個(gè)像差校正的雙光柵激發(fā)單色儀和1個(gè)發(fā)射檢測器。熒光掃描光譜儀以氙氣燈為激發(fā)光源，信噪比>20 000∶1。激發(fā)波長（Ex）范圍為211～618 nm，掃描間隔為3 nm。發(fā)射波長（Em）范圍為240～600 nm，采用電制冷CCD檢測器，掃描間隔為3.54 nm。對(duì)于熒光光譜測試，DOM提取液與超純水按照1∶4（體積比）稀釋。對(duì)測得的三維熒光光譜，采用Aqualog V3.6軟件處理數(shù)據(jù)，包括去除拉曼散射、消除一級(jí)二級(jí)瑞麗散射、內(nèi)濾效應(yīng)校正。內(nèi)濾效應(yīng)的校正公式如公式1所示：

Fideal=Fobs×10（AbsEx+AbsEm）/2（1）

其中，F(xiàn)obs和Fideal分別為測量和校正后的熒光強(qiáng)度;AbsEx和AbsEm分別為激發(fā)波長和發(fā)射波長的吸光度。對(duì)處理后的三維熒光光譜，采用SOLO+MIA 8.6.1軟件（美國Eigenvector Research公司產(chǎn)品）進(jìn)行平行因子分析，并通過核一致性診斷和半劈裂分析（Split-half analysis）驗(yàn)證模型。由于熒光強(qiáng)度為負(fù)值在化學(xué)上是不可能的，因此將非負(fù)約束應(yīng)用于模型參數(shù)[18]。通過OpenFluor在線數(shù)據(jù)庫（https：//openfluor.lablicate.com/）[19]設(shè)定Tuckers一致性系數(shù)為0.95，與相關(guān)研究結(jié)果比對(duì)，確定DOM的熒光組分。

1.2.3 熒光光譜指數(shù) 以校正后的熒光光譜計(jì)算不同熒光光譜指數(shù)（腐殖化指數(shù)、A∶T、新鮮指數(shù)、McKnight熒光指數(shù)、Y型熒光指數(shù)）。其中，腐殖化指數(shù)（HIX）指激發(fā)波長為254 nm時(shí)，發(fā)射波長在435～480 nm和300～345 nm處積分值（或平均值）的比值[20]。A∶T是腐殖酸與色氨酸熒光比值，由峰A[Ex（激發(fā)波長）=260 nm，Em（發(fā)射波長）=450 nm]與峰T（Ex=275 nm，Em=304 nm）強(qiáng)度之比計(jì)算[21]。新鮮指數(shù)（β∶α）是指Ex=310 nm時(shí)，Em在380 nm與420～435 nm內(nèi)最大發(fā)射強(qiáng)度之比[21]。McKnight熒光指數(shù)（MFI）是Ex=370 nm處激發(fā)時(shí)，Em在450 nm與500 nm的熒光強(qiáng)度比值[22]。Y熒光指數(shù)（YFI）是Ex=280 nm處激發(fā)時(shí)，Em在350～400 nm與400～450 nm內(nèi)平均熒光強(qiáng)度的比值[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤DOM平行因子分析

對(duì)稻蝦共作田樣品（160個(gè)）和常規(guī)水稻田樣品（32個(gè)）的土壤DOM分別進(jìn)行平行因子（PARAFAC）分析，建立組分?jǐn)?shù)量為3～10個(gè)的PARAFAC模型。研究發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作田和常規(guī)水稻田土壤的DOM熒光組分特性無明顯差異，均包括3個(gè)有效熒光光譜組分。為比較常規(guī)水稻田和稻蝦共作田DOM各組分熒光強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，對(duì)采集的所有土壤樣品（共計(jì)192個(gè)）統(tǒng)一進(jìn)行PARAFAC分析，并使用核一致性診斷和半劈裂分析驗(yàn)證組分?jǐn)?shù)量的正確性。模型分析結(jié)果顯示，構(gòu)建的PARAFAC模型穩(wěn)健;半劈裂分析結(jié)果顯示，與總體模型相似度達(dá)96.9%。3種熒光組分（標(biāo)記為C1，C2和C3）的代表性熒光光譜和熒光光譜負(fù)載如圖1所示。這些成分屬于腐殖質(zhì)類（C1、C2）和酪氨酸類（C3）化合物，通常存在于土壤、水中。其中，C2的激發(fā)和發(fā)射負(fù)載中具有較大的重疊光譜（>120 nm），這表明C2具有更為復(fù)雜的DOM組成[24]。

2.2 EEM-PARAFAC組分熒光強(qiáng)度變化規(guī)律

EEM-PARAFAC各熒光組分的表征，對(duì)了解稻蝦共作系統(tǒng)土壤DOM的演變特征具有重要意義。不同深度土壤（0～40.0 cm）DOM熒光成分的最大熒光強(qiáng)度（Fmax）的變化規(guī)律如圖2、圖3、圖4所示。由圖2、圖3、圖4可以看出，在4次采集的土壤樣品中，不同深度土壤的腐殖酸類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)的分布均沒有明顯規(guī)律。這顯然與本研究中地塊被激烈擾動(dòng)密切相關(guān)。在稻蝦共作系統(tǒng)建立過程中，需對(duì)面積不等的小田塊進(jìn)行開挖、平整等作業(yè)。在此過程中，由于土壤被激烈擾動(dòng)，不同深度土壤的DOM規(guī)律性較差。而且，由于擾動(dòng)過程中，原農(nóng)田的纖維素類物質(zhì)（雜草等）可能被翻拋到土壤底層，進(jìn)而被緩慢腐殖化，這也將影響土壤DOM隨深度的變化規(guī)律。

在有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)中，所有樣品不同深度的土壤DOM的C1組分和C2組分變化規(guī)律均一致，這表明該區(qū)域土壤DOM的2種腐殖酸類物質(zhì)C1和C2具有類似來源及發(fā)生類似生化反應(yīng)。在有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)10.1～20.0 cm的土壤樣品層，腐殖酸類物質(zhì)熒光強(qiáng)度隨采樣時(shí)間的推遲呈現(xiàn)先上升后逐漸下降的趨勢(shì)（除S4樣品），表層土壤（0～10.0 cm）腐殖酸類物質(zhì)熒光強(qiáng)度也主要呈現(xiàn)類似規(guī)律。這表明，插秧前土壤中含有的有機(jī)質(zhì)物質(zhì)進(jìn)一步腐殖化，以及在水稻分蘗期或水稻抽穗期引入的外源有機(jī)類物質(zhì)，使得土壤中腐殖質(zhì)類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度顯著上升。而后，0～20.0 cm土層土壤DOM腐殖酸類物質(zhì)含量的降低，可能是部分源于腐殖酸的進(jìn)一步礦化和土壤固相腐殖質(zhì)類物質(zhì)向水體中轉(zhuǎn)移等原因。

此外，相對(duì)于10.1～20.0 cm土層，0～10.0 cm土層土壤腐殖質(zhì)類物質(zhì)的變化趨勢(shì)更容易受到外源有機(jī)物、土壤有機(jī)物固-液相遷移等的影響，而使得其變化趨勢(shì)不完全一致。如S2在0～10.0 cm土層中，其腐殖質(zhì)類物質(zhì)的含量隨采樣時(shí)間推遲呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，而S5則呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。不同深度土層的土壤蛋白質(zhì)類物質(zhì)C3，其熒光強(qiáng)度變化無明顯規(guī)律。在常規(guī)水稻田（CK1和CK2樣品），其10.1～20.0 cm土層土壤腐殖質(zhì)類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度在采樣期內(nèi)隨采樣時(shí)間的推遲呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，這與稻蝦共作系統(tǒng)的土壤變化不同。這種差異性可能源于農(nóng)田中土壤有機(jī)物固-液相遷移，而無外源有機(jī)質(zhì)加入等因素導(dǎo)致的。

如前所述，有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)對(duì)土壤的影響主要集中于表層（如0～20.0 cm），本研究進(jìn)一步分析表層土壤PARAFAC 3種組分的平均熒光強(qiáng)度變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示?？傮w上，C1、C2組分的熒光強(qiáng)度隨采樣時(shí)間的推遲呈先上升后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在水稻分蘗期（T2）或抽穗期（T3）。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于T1， T2和T3的土壤DOM腐殖酸類熒光強(qiáng)度極顯著增加（P<0.01），T4的腐殖酸類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與T1差異不顯著（P=0.067）。0～20.0 cm土層中，C3組分的熒光強(qiáng)度無明顯變化趨勢(shì)，這顯示外源有機(jī)類物質(zhì)（主要是黃粉蟲糞）并不能提升土壤表層的蛋白質(zhì)含量，可能原因在于：（1）黃粉蟲糞顆粒較小，其DOM組分更容易遷移到水環(huán)境中;（2）黃粉蟲糞含有的蛋白質(zhì)類物質(zhì)容易被農(nóng)田系統(tǒng)中的微生物快速分解礦化。

2.3 土壤DOC質(zhì)量濃度變化規(guī)律

由于受土方作業(yè)擾動(dòng)影響，不同深度（0～10.0 cm、10.1～20.0 cm、20.1～30.0 cm和30.1～40.0 cm）土壤的DOC質(zhì)量濃度并無明顯的變化規(guī)律。本研究進(jìn)一步分析表層0～20.0 cm土壤DOC質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，如表1所示。T1不同土壤樣品的DOC質(zhì)量濃度差別較大（3.76～28.57 mg/L），這是由于研究區(qū)域內(nèi)土壤性質(zhì)差異引起的。Gao等[17]報(bào)道中國亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)農(nóng)田土壤DOC質(zhì)量濃度為24.00～86.00 mg/L，本研究地塊DOC質(zhì)量濃度顯著低于該值，這與各地溫度、降水和太陽輻射密切相關(guān)，也與當(dāng)?shù)馗鞣绞疥P(guān)系密切，因?yàn)檫@些因素可能會(huì)影響土壤DOM的含量、組成和結(jié)構(gòu)[25]。0～20.0 cm取樣深度不同取樣點(diǎn)的土壤DOC質(zhì)量濃度變化規(guī)律也不一致，如取樣點(diǎn)S1、S2、S3、S5等隨采樣時(shí)間的推遲呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而取樣點(diǎn)S10則呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。在有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)中，S1～S10樣品在T1、T2、T3、T4的平均DOC質(zhì)量濃度分別為（12.87±8.33） mg/L、（11.43±10.21） mg/L、（14.54±6.08） mg/L、（7.84±3.65） mg/L。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，T1、T2和T3之間的土壤DOC質(zhì)量濃度無明顯差異，T4的土壤DOC質(zhì)量濃度顯著低于T1（P<0.01）。這說明，水稻收獲期排水是導(dǎo)致有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)土壤DOC流失的重要原因。這與佀國涵等的研究結(jié)果不一致[5]。佀國涵等[5]發(fā)現(xiàn)稻蝦共作模式顯著提高了0～40.0 cm土層有機(jī)碳的含量，這種差異的原因可能是運(yùn)行時(shí)間（長期，>10年）和田間管理方式等不同。

2.4 PARAFAC熒光組分鑒別

進(jìn)一步將PARAFAC解析的熒光組分與OpenFluor數(shù)據(jù)庫[19]、Coble[26]的前期研究結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表2所示。利用OpenFluor數(shù)據(jù)庫識(shí)別的熒光組分與Coble的峰值法的報(bào)道非常接近。C1在420 nm處顯示最大發(fā)射峰，分別在<250 nm和320 nm具有激發(fā)峰。C1是具有較低相對(duì)分子質(zhì)量的腐殖類物質(zhì)，經(jīng)常出現(xiàn)在海洋、廢水、濕地和農(nóng)田等環(huán)境中，Coble[26]研究認(rèn)為C1是陸地源腐殖質(zhì)類峰A和峰C的混合物。C2在475 nm處顯示最大發(fā)射峰，在270 nm處顯示最大激發(fā)峰，在340 nm處顯示較寬的次級(jí)激發(fā)峰。C2被認(rèn)為是UVC類腐殖質(zhì)物質(zhì)[26]，考慮到它們特別長的發(fā)射波長，該組分具有較高的芳香度[27]。位于Ex=270 nm、Em=305 nm的C3是酪氨酸類物質(zhì)，代表氨基酸或結(jié)合蛋白[28]，該化合物可表示氨基酸的多樣性和蛋白質(zhì)的豐度[17]。Gao等[17]研究了中國各地農(nóng)業(yè)土壤中溶解性有機(jī)物的光譜特征，除了本研究發(fā)現(xiàn)的C1和C2腐殖質(zhì)類組分，還觀察到高相對(duì)分子質(zhì)量的腐殖質(zhì)類物質(zhì)（Ex=400 nm、Em=525 nm）。這與本研究結(jié)果不同，這種差異性可能是由研究區(qū)域的土壤類型、土壤耕作方式等多因素引起的[17]。

2.5 不同熒光指數(shù)的變化特征

本研究進(jìn)一步探索了腐殖化指數(shù)（HIX）、A∶T、新鮮指數(shù)（β∶α）、McKnight熒光指數(shù)和Y型熒光指數(shù)等多種熒光指數(shù)的變化特征，以表征稻蝦系統(tǒng)中土壤DOM的組成、轉(zhuǎn)化和腐殖化過程（表3）。HIX與土壤DOM的芳香性密切相關(guān)，與碳水化合物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[36]。通常，較高的HIX值與更稠合的芳族結(jié)構(gòu)的富集和（或）脂族鏈的更多共軛有關(guān)[37]。在本研究中，S1～S10樣品在T1、T2、T3、T4的HIX均值分別為1.777、2.847、2.161、1.275。初始HIX值顯著高于Gao等[17]報(bào)道的1.1左右，這可能與本研究地塊土壤具有更低DOC質(zhì)量濃度有關(guān)。常規(guī)水稻種植地塊CK1和CK2取樣點(diǎn)，其土壤DOM腐殖化程度相對(duì)較高。隨著有機(jī)稻蝦共作系統(tǒng)的運(yùn)行，t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，T2土壤DOM的HIX顯著高于T1（P<0.05），這與PARAFAC熒光組分C1、C2的變化趨勢(shì)類似，因此認(rèn)為HIX的上升主要?dú)w因于腐殖質(zhì)類物質(zhì)的形成，而非蛋白質(zhì)類物質(zhì)的快速降解。經(jīng)過8個(gè)月（移栽前到收獲期），t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，T4土壤DOM的HIX顯著低于T1（P<0.05）。

A∶T可用于描述難降解熒光物質(zhì)和不穩(wěn)定熒光物質(zhì)之間的比率[38]。A∶T的變化與HIX非常相似，隨采樣時(shí)間的推遲整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)（除S2）。S1～S10樣品在T1、T2、T3、T4的A∶T均值分別為0.615、1.230、0.934、0.327。t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，T2和T4土壤DOM的A∶T均顯著高于T1（P<0.01）。

在稻蝦共作系統(tǒng)中，MFI隨采樣時(shí)間的推遲呈不規(guī)則的波動(dòng)，S1～S10取樣點(diǎn)MFI的最大值和最小值的變化小于0.2，S1～S10的平均MFI數(shù)值為1.432（T1）、1.381（T2）、1.38（T3）和1.411（T4）。t檢驗(yàn)顯示，S1～S10樣品在T1～T4的MFI無顯著差異。因此，MFI難以監(jiān)測稻蝦共作系統(tǒng)中土壤DOM的變化規(guī)律。而YFI具有區(qū)分能力，較好地描述了土壤DOM的腐殖化過程，總體上隨采樣時(shí)間的推遲呈先下降后上升的趨勢(shì)。t檢驗(yàn)顯示，T3土壤DOM的YFI顯著低于T1（P<0.05）。這與HIX和A∶T的趨勢(shì)相反，這是由于土壤DOM中腐殖質(zhì)類物質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)位置，而熒光指數(shù)通常與芳香族含量呈負(fù)相關(guān)[22]。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，S1～S10樣品的β∶α在T1～T4間無顯著差異。

2.6 不同熒光指數(shù)（強(qiáng)度）的相關(guān)性分析

進(jìn)一步通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）分析土壤表層（0～20.0 cm）DOM各種熒光指數(shù)（強(qiáng)度）的相關(guān)性，結(jié)果如表4所示。這些指數(shù)可綜合使用，以進(jìn)一步描述稻蝦共作模式下土壤DOM特性。蛋白質(zhì)類物質(zhì)C3與其他熒光指數(shù)（強(qiáng)度）相關(guān)性均較弱（r<0.40）。盡管C2具有更高的DOM組分復(fù)雜性，腐殖質(zhì)類物質(zhì)C1和C2的高相關(guān)性，表明兩者來源相同并經(jīng)歷類似的腐殖化進(jìn)程。如A∶T的變化與HIX非常相似，均反映土壤DOM的腐殖化特性，A∶T與HIX表現(xiàn)出非常強(qiáng)的正相關(guān)性（r=0.952，P<0.001），并可被線性函數(shù)很好地?cái)M合，R2Adj=0.903 8，如圖6a所示。A∶T和HIX與腐殖質(zhì)類物質(zhì)C1和C2均呈現(xiàn)很強(qiáng)的正相關(guān)（r≈0.80，P<0.001），而與蛋白質(zhì)C3相關(guān)性較低，C1熒光強(qiáng)度與HIX可被線性函數(shù)擬合，R2Adj=0.6314，如圖6b所示。這表明土壤的腐殖化特征主要受內(nèi)源有機(jī)質(zhì)降解的影響，受外源蛋白質(zhì)類物質(zhì)（施加黃粉蟲糞等有機(jī)肥）的影響較小。

β∶α與其他熒光指數(shù)（強(qiáng)度）的相關(guān)性均較弱，R≤0.40。相較于MFI，YFI更能反映土壤中DOM的腐殖化變化特性：YFI與C1熒光強(qiáng)度和C2熒光強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，r值分別為-0.749（P<0.001）和-0.728（P<0.001），YFI與A∶T和HIX也呈負(fù)相關(guān)，r值分別達(dá)-0.787（P<0.001）和-0.834（P<0.001）。新產(chǎn)生的DOM（即較低的A∶T或HIX值），將具有較低的芳族含量和較高的熒光強(qiáng)度（即較高的YFI值），反之亦然。進(jìn)一步分析HIX與YFI的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)可較好擬合兩者關(guān)系（R2Adj=0.819 0），如圖6c所示，這表明土壤DOM熒光強(qiáng)度（YFI）主要受到腐殖化進(jìn)程的影響。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤DOC質(zhì)量濃度與腐殖質(zhì)物質(zhì)C1（r=0.471，P<0.01）和C2（r=0.476，P<0.001）的熒光強(qiáng)度呈弱正相關(guān)，而DOC質(zhì)量濃度與其他熒光指數(shù)的相關(guān)性均很弱（R<0.200）。這暗示，難以通過分析土壤溶解性有機(jī)碳含量來監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度。

3 結(jié)論

（1）通過三維熒光光譜耦合平行因子法（3DEEM-PARAFAC）分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)稻蝦共作土壤DOM包括3個(gè)熒光組分，C1為較低相對(duì)分子質(zhì)量的腐殖質(zhì)類物質(zhì)、C2為較高芳香度的UVC類腐殖質(zhì)、C3為酪氨酸類物質(zhì)，未發(fā)現(xiàn)高相對(duì)分子質(zhì)量腐殖質(zhì)類物質(zhì)。0～20.0 cm表層土壤C1、C2組分熒光強(qiáng)度隨采樣時(shí)間的推遲呈先上升后下降趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在水稻分蘗期或抽穗期，而C3組分熒光強(qiáng)度無明顯變化規(guī)律。

（2）皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果顯示，腐殖質(zhì)類物質(zhì)C1熒光強(qiáng)度與C2熒光強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)（r=0.99，P<0.001），蛋白質(zhì)類物質(zhì)C3與其他熒光指數(shù)（強(qiáng)度）相關(guān)性均較弱（r<0.4）。HIX與C1熒光強(qiáng)度、A∶T表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，均可被線性函數(shù)擬合。相較于MFI，YFI更能反映土壤中DOM的腐殖化變化特性，YFI與HIX可被指數(shù)函數(shù)較好擬合。

（3）短期稻蝦共作土壤的腐殖化特征主要受內(nèi)源有機(jī)質(zhì)降解影響，而受外源蛋白質(zhì)類物質(zhì)輸入的影響較小，難以通過分析土壤溶解性有機(jī)碳含量來監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度。

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（責(zé)任編輯：陳海霞）