張榮琴，劉 辰，李夏浩祺，楊劍鋒，李會科

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊凌 712100）

綠肥作為一種重要的有機肥，常以經(jīng)濟作物間套作、綠肥田間翻壓等形式廣泛用于有機農(nóng)業(yè)，進而改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤保水能力，并緩解單純使用化肥造成的土壤有機質(zhì)下降等問題[1-2]。不同生草物質(zhì)綠肥的腐解過程中養(yǎng)分的釋放、吸收和利用因生草物質(zhì)的植物特性而有所不同，綠肥能否有效的腐解，對改良土壤和植物提供生長所需的養(yǎng)分起著關(guān)鍵的作用[3]。相關(guān)研究認為綠肥迅速腐解，不僅能夠提高土壤微生物的活性，增強土壤微生物的活動度，而且加速土壤微生物的繁殖[4]。綠肥腐解的程度直接影響自身所釋放的、能夠被作物吸收利用的養(yǎng)分，腐解程度越高越有利于土壤肥力的提升?；谏鲜龇治霭l(fā)現(xiàn)不同生草物質(zhì)綠肥生產(chǎn)能力和養(yǎng)分釋放能力上存在著明顯差異，綠肥的腐解為土壤質(zhì)量的改善注入新的契機。因此，研究不同生草物質(zhì)綠肥在果園土壤腐解的釋放特征，對了解果園土壤有機質(zhì)的變化及果園土壤管理具有非常重要的意義。

目前，多數(shù)研究對綠肥間作覆蓋或翻壓過程中自身腐解特性和養(yǎng)分釋放規(guī)律等較為關(guān)注。如寧東峰等[5]研究了翻壓禾本科植物黑麥草(Lolium perenne)等在15?20 cm 土層生草物質(zhì)腐解過程中養(yǎng)分釋放規(guī)律。潘福霞等[6]研究旱地條件下箭筈豌豆(Vicia sativa)、苕子(V.villosa)、山黧豆(Lathyrus palustris)3種綠肥的腐解和養(yǎng)分釋放，結(jié)果均表明在翻壓15 d內(nèi)腐解速率較快，能夠達到50%以上。楊洪曉等[7]對鼠茅草(Vulpia myuros)的腐爛分解的研究發(fā)現(xiàn)，一些基本養(yǎng)分如碳、氮、磷會隨鼠茅草的腐解而釋放出來。盡管這些研究對綠肥腐解過程養(yǎng)分釋放的特征做了詳細的報道，仍然沒有揭示出不同生草物質(zhì)的腐解過程中溶解性有機物(DOM)的釋放規(guī)律。

DOM 是土壤最具活性有機質(zhì)組分，是土壤質(zhì)量評價重要的參考指數(shù)。不同的外源有機物的輸入勢必會改變DOM 的含量、組分和光譜特征。此外，在同一生外源有機物輸入的條件下，發(fā)現(xiàn)隨著生物覆蓋年限的增加，草種對土壤DOM的貢獻效果越來越好，但是生草12 年后草種處于衰敗期，這使得向土壤中輸入養(yǎng)分的貢獻能力減弱，所以亟需探索一種長期可持續(xù)、可循環(huán)的生草模式，來最大化利用綠肥作物在農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量改善方面的效益，即：如何將退化后的生草物質(zhì)作為植物殘渣分解用于土壤有機養(yǎng)分的輸入，進而改善土壤DOM含量。研究認為植物殘體是土壤養(yǎng)分的重要來源，而且也作為重要的有機質(zhì)，對維持土壤生產(chǎn)力有著非常重要的作用[8]，所以進一步明確生草分解過程中DOM的釋放特征，對揭示養(yǎng)分的釋放和積累、探索適宜的果園綠肥腐解模式具有重要的理論指導(dǎo)作用。

本研究以白三葉(Trifolium repens)、雞腳草(Dactylis glomerata)、小冠花(Securigera varia)作為腐解材料，探究不同種類生草物質(zhì)在腐解過程中釋放所固持的溶解性有機養(yǎng)分能力，為后期生草物質(zhì)的翻壓分解提供理論指導(dǎo)，以期改善土壤質(zhì)量，科學經(jīng)營果園，進而促進蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗位于陜西省白水縣西北農(nóng)林科技大學蘋果試驗站，于2019年6月6日釆集蘋果園行間生草自然條件下12年生白三葉(WC)、雞腳草(OG)和小冠花(CV)。采集前在果樹各草種行間生草區(qū)間隔處劃分出1 m2小區(qū)，每種生草行間設(shè)置3個同類小區(qū)，然后在小區(qū)內(nèi)用鐵鍬依次將3種草的地上和地下部分全部挖出，輕輕抖掉附著表面的土壤，之后將各草種鮮樣地上和地下部分剪成約2 cm 長的片段，充分混合均勻后置于長25 cm、寬16 cm、網(wǎng)眼大小為75μm 的尼龍網(wǎng)袋中，每個網(wǎng)袋稱取混合后的樣品50 g 待埋，每個處理18袋，總計54袋樣品。

1.2 腐解試驗設(shè)計與樣品采集

采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，將事先處理好的置于尼龍網(wǎng)袋中的樣品就地埋于清除雜草后試驗田塊的果樹行間，深度15～20 cm，各草種處理設(shè)置3個重復(fù)，總計9小區(qū)。將尼龍網(wǎng)袋水平放置無重疊，每袋間隔20 cm 做好標簽，覆土使其與地面平齊，在自然田間環(huán)境條件下分解。分別于10、20、30、40、50、60 d 取樣，每次每個處理隨機挖取3個樣品，去除表面的浮土雜物，聯(lián)合網(wǎng)袋置于塑封袋后一起帶回實驗室。樣品拿到實驗室后，處理掉袋上的雜草和土后置于60℃烘箱烘48 h，將烘干的樣品經(jīng)過粉碎機粉碎，一部分過0.25 mm篩子用于測定植物全氮、全磷、全鉀；另一部分過0.15 mm 篩子用于提取溶解性有機物（DOM）。每一個草種隨機選擇1 m×1 m樣地的樣本進行生物量評估，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。對各處理地上部分生物量進行稱重，地下部分生物量采集深度分別為0? 20、20 ? 40和40? 60 cm，并依次稱重。各生草草種地上和地下部分生物量的參考Yang 等測定值[9]。綠肥在腐解過程降水量和氣溫如圖1所示。

圖1 各生草物質(zhì)在腐解過程中的降水量和溫度Figure 1 Precipitation and temperature during decomposition of different grasses

1.3 測定指標與方法

植物全氮測定方法為樣品經(jīng)濃硫酸–雙氧水消煮后，用凱氏定氮法測定；植物全磷測定方法為釩鉬黃比色法；植物鉀采用原子吸收光譜儀(PE-PinAAcle 900F,PerkinElmer)進行測定，溶解性有機碳(DOC)含量采用島津TOC分析儀測定[10]。DOM的提?。悍Q取3 g 過0.15 mm 篩子的腐解樣品于50 mL離心管中，加入30 mL 蒸餾水，恒溫(60℃)搖床180 r·min?1振 蕩30 min 之 后，將 樣 品 以8 000 r·min?1的速度離心6 min，然后通過0.45μm 過濾器過濾即得到測定濾液[11]。所得濾液用于后期溶解性有機碳含量以及紫外、熒光光譜的測定。各處理鮮樣木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量采用Van Soest[12]方法進行測定?？扇苄蕴呛偷矸塾幂焱壬?，其中可溶性糖用無水乙醇法提取，淀粉用高氯酸法提取[13]。

1.4 光譜指標與PARAFAC模型

為了評估DOM的組成，應(yīng)用EEMs(F97 Pro,棱光技術(shù),中國)分析樣品的熒光組分。熒光激發(fā)波長范圍為200～500 nm，激發(fā)采樣間隔為5 nm，發(fā)射波長范圍為250～550 nm，發(fā)射采樣間隔為2 nm，掃描速度為1 200 nm·min?1。用平行因子(PARAFAC)方法對三維熒光光譜分析結(jié)果進行分組和鑒定。PARAFAC過程使用MATLAB 7.0(Mathworks，Natick，MA)和DOM Fluor 工具箱。

腐殖化指標(HIX)描述的是DOM的腐殖化程度，HIX 值越高腐殖化程度越高[14]。以激發(fā)波長為254 nm 時，發(fā)射波長分別為435～480和300～345 nm熒光積分的比值。熒光指數(shù)(FI)作為DOM來源指標，當FI>1.8，微生物來源；當FI<1.2，植物殘留物和有機物。該值是激發(fā)波長為370 nm 時，發(fā)射波長為470和520 nm 熒光強度的比值。紫外可見吸收光譜(SUVA254)是254 nm 波長處的紫外可見吸光系數(shù)與樣品的溶解性有機碳濃度的比值，表征溶解性有機物的芳香性強弱，其值越大芳香化程度越高[15]。斜率比(SR)表示為275～295 nm 總吸光值與在350～400 nm 處總吸光度值的比值，其值與有機物分子量變化成反比[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 分析平均值和標準差，SPSS20.0進行數(shù)據(jù)分析，其中，不同處理在腐解過程中溶解性有機物含量和特征參數(shù)指標、各草種基本養(yǎng)分指標、品質(zhì)以及生物量指標差異顯著性采用單因素方差分析，不同草種之間為Duncan 比較(P< 0.05)。采用Origin 9.0進行主成分分析(PCA)，Sigmaplot 12.0繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機碳含量變化

通常DOM的含量一般用DOC來表示。不同生草物質(zhì)新鮮樣品DOC 含量大小依次為小冠花> 雞腳草> 白三葉，其值分別為71.64±8.76、67.22 ±2.32和64.33±5.30 g·kg?1(表1)。綠肥腐解過程中DOC的釋放規(guī)律的變化趨勢相同，隨著腐解天數(shù)的增加溶解性有機碳的含量逐漸減少(圖2)。腐解初期，各生草物質(zhì)迅速分解，之后進入緩慢分解階段，釋放逐漸趨于穩(wěn)定。各生草物質(zhì)前期，腐解速率大小為白三葉> 小冠花>雞腳草。白三葉處理顯著高于小冠花和雞腳草(P< 0.05)。

圖2 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機碳含量的變化Figure 2 Variation of dissolved organic carbon in different grass species during decomposition

表1 不同生草物質(zhì)養(yǎng)分指標和品質(zhì)指標Table1 Nutrient and quality indicatorsof different herbagespecies

2.2 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機物的特性

2.2.1 EEM-PARAFAC分析確定的3個組分物質(zhì)圖

利用EEM-PARAFAC分析以及與前人研究對比分析，鑒定出1個類腐殖酸組分(C1)和2個類蛋白質(zhì)組分(C2、C3)(圖3和表2)。C1的激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為325和440 nm，類似于陸生類腐殖質(zhì)成分，存在于濕地和各種農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域。C2的激發(fā)波長為285 nm，發(fā)射波長為340 nm，屬于類蛋白質(zhì)組分。C3激發(fā)波長小于240，發(fā)射波長為320 nm，是一種微生物衍生的DOM類酪氨酸物質(zhì)。各個物質(zhì)組分的物質(zhì)特性的描述如表2所列。

表2 本研究所鑒定的各組分熒光特性與前人研究的比較Table2 Spectral characteristicsof the fivecomponentsidentified by PARAFAC in the present study and comparisons with previousstudies

圖3 草種腐解溶解性有機物中3種組分熒光光譜等值線Figure 3 Contour plotsof thethree componentsidentified by EEM-PARAFAC analysis

2.2.2 不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光強度的變化

不同生草物質(zhì)腐解樣品EEM-PARAFAC組分的熒光強度如圖4所示。60 d 的腐解過程中，不同生草物質(zhì)DOM 的熒光強度依次遞減，且各生草物質(zhì)類蛋白質(zhì)組分的熒光強度遠高于類腐殖酸組分?？偀晒鈴姸鹊闹刀箍浦参锇兹~和小冠花高于禾本科雞腳草。各生草物質(zhì)腐解中3個組分中C2組分占主導(dǎo)地位，且熒光強度占比最高。白三葉生草物質(zhì)含有3種組分物質(zhì)，而小冠花和雞腳草在腐解后期C3組分基本消失，主要含有C1和C2兩種組分。

圖4 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機物的5個組分的熒光強度Figure4 Fluorescence intensitiesof dissolved organic matter componentsin different grassspeciesduring decomposition

2.2.3 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機物的質(zhì)量指標變化

不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光指標(FI)、腐殖化指標(HIX)、紫外指標(SUVA254)和斜率比(SR)值的變化如圖5所示。各生草物質(zhì)在腐解的過程中FI值大小依次為小冠花> 白三葉>雞腳草。其中小冠花處理FI值大于1.8，WC和雞腳草處理FI值小于1.8；HIX 值大小依次為小冠花> 雞腳草> 白三葉，隨著腐解天數(shù)的增加小冠花和雞腳草處理HIX增加，而白三葉處理基本無明顯變化；SUVA254值大小依次為雞腳草> 小冠花> 白三葉，且隨著腐解天數(shù)依次增大；SR值無明顯變化趨勢。

圖5 不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光指標、腐殖化系數(shù)、紫外可見吸收光譜和斜率比的變化Figure5 Changesin thefluorescenceindex,humification index, UV-Vis spectral parameter,and sloperatio in different grassspeciesduring decomposition

2.3 溶解性有機物含量、組分和光譜特征的主成分分析

為進一步綜合探討禾本科和豆科之間溶解性有機物各指標之間的差異，采用主成分分析(PCA)對能反映土壤溶解性有機物的含量、組分以及紫外光譜的8個指標進行降維。結(jié)果表明，白三葉處理提取出3個主成分，反映了91.83%的原始數(shù)據(jù)信息量；而小冠花和雞腳草處理提取2個主成分，分別反映了73.98%和78.78%的原始數(shù)據(jù)信息量(表3)。其中白三葉處理在第1主成分中溶解性有機碳、C1、C2、C3組分具有較大的正系數(shù)，表明第1主成分主要反映了溶解性有機物的含量及組分的特征，第2主成分中腐殖質(zhì)化程度值具有較大的正系數(shù)，說明第2主成分主要反映各草種腐解過程中微生物活性差異。雞腳草和小冠華處理第1主成分和第2主成分所反映的結(jié)果類似。

表3 不同指標的主成分分析Table 3 Principal component analysis on different indicators

本研究進一步以第1主成分為橫坐標，第2主成分為縱坐標做散點圖(圖6)。值得注意的是，從主成分得分的散點圖可以看出豆科植物與禾本科植物差異明顯，白三葉處理對第1主成分解釋得分最高，而小冠花處理對第2主成分的解釋得分最高。

圖6 不同處理2個主成分的散點圖Figure 6 Scatterplot of two principal components in different grass species

3 討論與結(jié)論

綠肥腐解過程受到自身性質(zhì)如綠肥含水量、化學組成和含量等的影響[27-29]。本研究結(jié)果顯示，不同種類草種腐解過程中DOM的釋放變化趨于一致。腐解初期，各生草物質(zhì)迅速分解，之后進入緩慢分解階段，所釋放的溶解性有機物的含量逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于各生草物質(zhì)在腐解前期含有大量豐富的可溶性有機物以及無機養(yǎng)分，能夠滿足微生物生長所需的能源和養(yǎng)分，大量微生物繁殖進而加速生草物質(zhì)的腐解過程[29-30]；腐解前期，各生草物質(zhì)腐解速率大小為白三葉> 小冠花> 雞腳草，且白三葉處理顯著高于小冠花處理和雞腳草處理。這可能是因為白三葉草含有較低的纖維素含量，且其碳氮比值利于微生物的分解，所以腐解時易于釋放溶解性有機物，而小冠花和雞腳草處理的纖維素含量較高，對溶解性有機物含量釋放較為緩慢。所以，前期豆科植物白三葉腐解速率大于小冠華和雞腳草[31-32]。

總熒光強度的值白三葉處理高于小冠花和雞腳草。這可能是因為白三葉草及其根系環(huán)境對微生物功能的影響較大[33]，進而在微生物的作用下更有利于分解，釋放出更多的溶解性有機物，所以熒光強度的值高于小冠花和雞腳草處理。此外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)白三葉生草物質(zhì)鑒定出3種組分物質(zhì)，小冠花和雞腳草在腐解后期C3組分基本消失。這主要歸因于白三葉草生物量較大、碳氮比值利于微生物的分解，在微生物的作用下分解很多較難且分子量較大的一些溶解性有機物[34]。各生草物質(zhì)類蛋白質(zhì)組分的熒光強度遠高于類腐殖酸組分，這與綠肥作物含有大量多糖、氨基酸、有機酸和粗蛋白物質(zhì)有關(guān)，這些物質(zhì)大都是水溶性有機物等易分解的物質(zhì)，可以較快腐解為蛋白質(zhì)類物質(zhì)[35-36]。

FI能夠區(qū)別溶解性有機物(DOM)的陸生植物來源和微生物來源相對比重[11]。本研究結(jié)果顯示小冠花處理FI> 1.8，說明在腐解的過程中微生物源為DOM的主要來源，而白三葉和雞腳草是混合來源，即陸生植物腐殖質(zhì)和微生物源。白三葉處理殖質(zhì)化系數(shù)值顯著低于小冠花和雞腳草處理，這可能是隨著腐解天數(shù)白三葉草在較強的微生物的作用下腐解后，剩余的殘留物中主要是難分解的一些大分子量的有機物，而這些有機物很難被微生物分解[26,37]。不同生草物質(zhì)腐解過程中紫外指標SUVA254和SR值在各種草腐解的過程中的變化趨勢說明隨著生草物質(zhì)的腐解，物質(zhì)的芳香性越來越高，易分解的物質(zhì)在腐解的過程中被逐漸消耗，芳香類物質(zhì)所占的比例越來越高，最后成為越來越穩(wěn)定的物質(zhì)[11]。腐殖化系數(shù)隨生草物質(zhì)腐解增大的趨勢也進一步闡明該結(jié)果，這種綠肥腐解過程中伴隨著腐殖化作用非常有益于改良土壤。主成分分析的結(jié)果表明，以反映溶解性有機物的含量和組分為主要貢獻的白三葉處理的主成分綜合得分最佳。

綜合溶解性有機物含量、組分和光譜參數(shù)變化特征以及主成分分析的結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)與小冠花和雞腳草相比，豆科植物白三葉作為腐解材料時更易于分解釋放溶解性有機養(yǎng)分，故果園生草后翻壓腐解建議以豆科植物白三葉作為綠肥腐解，后期將就白三葉腐解模式以及對溶解性有機物影響等方面做進一步的研究，以期為黃土高原果園土壤質(zhì)量的改善和評價提供理論支撐。