王偉光郭永霞謝修鴻

(1.長春大學(xué)園林學(xué)院，吉林 長春 130022；2.集安市頭道鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心，吉林 集安 134200)

土壤中溶解性有機(jī)物(DOM)是指土壤樣品在室溫及天然pH值條件下，用水提取能通過0.45μm微孔濾膜的土壤有機(jī)物質(zhì)[1，2],包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)和其它芳族或脂族有機(jī)化合物的復(fù)雜混合體[3]。在土壤溶液中DOM含量比較低，一般在0～80mg·L-1范圍內(nèi)[4]。其含量常用溶解性有機(jī)碳(DOC)的含量表示。DOC是土壤活性有機(jī)碳組分之一，其水溶性強(qiáng)、活性高、周轉(zhuǎn)快，容易被微生物利用；對改善土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)等有重要的作用；由于施肥、耕作等農(nóng)藝措施對其敏感性高，常被作為評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前對土壤DOM的含量、結(jié)構(gòu)特征以及研究其內(nèi)容、結(jié)構(gòu)與功能等所采用的相應(yīng)技術(shù)手段等都取得長足進(jìn)展。相對吉林省東部地區(qū)施肥對不同類型土壤DOM的含量、結(jié)構(gòu)特征等方面的研究較少，本文主要采用三維熒光光譜分析技術(shù)初步探討吉林省東部地區(qū)施用化肥、有機(jī)肥與化肥配施、生物有機(jī)肥等對草甸型水稻土溶解性有機(jī)物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的影響，為合理施肥提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于吉林省集安市頭道鎮(zhèn)四新村(E125°87′75′′，N41°53′34′′)，該區(qū)域年均氣溫6.5℃，年均降水量900mm，≥10℃有效積溫3200℃，無霜期150d。土壤類型為冷漿草甸型水稻土。試驗(yàn)前土壤表層(0～20cm)化學(xué)性質(zhì)為pH值5.8、土壤有機(jī)質(zhì)35.4g·kg-1、堿解氮90.9mg·kg-1、速效磷21.23mg·kg-1、速效鉀43.71mg·kg-1。

供試肥料：控釋肥料(金正大水稻專用肥,N∶P2O5∶K2O=23∶11∶12，總養(yǎng)分≥46%)、水稻專用生物有機(jī)肥(金正大金菌冠，有效活菌數(shù)≥5.0億·g-1，有機(jī)質(zhì)≥45.0%)由山東金正大生態(tài)工程股份有限生產(chǎn)；尿素(含N46.4%)由山東龍晟澤化工科技有限公司生產(chǎn)。豬糞有機(jī)肥，由集安市頭道鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心提供。

供試水稻品種“稻花香2號”，由集安市頭道鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)開始于2018年5月，設(shè)置4個(gè)處理，分別為單施化肥(水稻收割后稻稈離田)處理(CF)、稻稈全量還田與化肥配施處理(OCF)、有機(jī)肥與化肥配施處理(OF)、水稻專用生物有機(jī)肥處理(OMF)；每個(gè)處理試驗(yàn)面積為1.0hm2，不設(shè)重復(fù)，單排單灌。CF處理以控釋肥料作底肥，每年施肥量一致，用量為400kg·hm-2，并以尿素作分蘗肥，用量80kg·hm-2；OCF處理為每年秋季水稻收獲后，將當(dāng)季稻稈機(jī)械粉碎直接拋灑全量還田(稻稈還田量約為7500kg·hm-2)，其中2018年處理為2017年秋季稻稈還田，化肥施用同CF處理；OF處理為第1年(鮮豬糞)為12t·hm-2，后續(xù)2a施用量(豬糞，鮮重)為8t·hm-2，均為春季施入，化肥施用同CF處理；OMF處理以水稻專用生物有機(jī)肥作底肥，施用量2000kg·hm-2，期間不施用分蘗肥。各個(gè)處理田間與水分管理一致。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品采集于2020年11月20日水稻收獲后稻稈未還田前。采用對角線蛇形取樣法，每個(gè)處理按同樣面積劃分5個(gè)樣方，每個(gè)樣方(10m×10m)分別采集5個(gè)點(diǎn)混合成1個(gè)樣本，采樣深度為0～20cm。采集的土壤樣品密封運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在陰涼處自然風(fēng)干，風(fēng)干后剔除大根莖以及肉眼可見的動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，過2mm篩保存?zhèn)溆?。供試土壤樣品的基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

溶解性有機(jī)物(DOM)的提取與含量測定[5]：稱取過0.25mm篩的風(fēng)干土樣5.00g于100mL塑料離心管中，然后加入30mL蒸餾水充分?jǐn)嚢?，?jīng)恒溫水浴70℃提取1h后，以3500r·min-1離心15min，將得到的上清液過孔徑為0.45μm的濾膜后，將其移至50mL的容量瓶中，離心管內(nèi)的殘?jiān)又砑诱麴s水20mL攪拌均勻，再次離心過濾膜，與前次合并用蒸餾水定容，定容后的溶液即為溶解性有機(jī)物(DOM)。溶解性有機(jī)碳(DOC)采用有機(jī)碳分析儀(TOC)測定。

表1 供試土壤的基本化學(xué)性質(zhì)

溶解性有機(jī)物(DOM)三維熒光光譜的測定：三維熒光光譜采用HATACHIF-7000型熒光分光光度計(jì)測定，測定條件：PMT電壓為700V，發(fā)射光波長(Em)范圍為220～600nm，波長間隔為1nm，激發(fā)光波長(Ex)范圍為200～450nm，波長間隔為5nm，激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫寬度均為5nm。

溶解性有機(jī)物(DOM)紫外吸光度值的測定：利用島津紫外分光光度計(jì)(UVmini-1280)測定濾液在254nm的光密度D(cm-1)，計(jì)算單位質(zhì)量濃度下DOM的比紫外吸收值(L·mg-1·m-1)，即SUV254nm[6]。

土壤基本化學(xué)性質(zhì)測定：均采用常規(guī)測定方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016與SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；Origin 8.5軟件繪制三維熒光光譜圖；MatlabR2013a軟件進(jìn)行熒光區(qū)域積分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理土壤有機(jī)碳(SOC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)物(DOM)紫外吸光特征

由表2可見，不同施肥處理水稻土有機(jī)碳(SOC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)含量以及溶解性有機(jī)物(DOM)紫外吸光存在差異；與CF比較，OCF、OF及OMF處理SOC含量分別提高5.33%、30.88%、30.34%，CF與OCF處理間差異不顯著，CF與OF、OMF處理間差異顯著，OF與OMF處理間差異不顯著。與CF比較，不同處理均提高了DOC含量，OMF處理提高幅度最大，達(dá)28.23%，其次為OF處理，提高18.75%，OCF處理提高10.08%；DOC/SOC(%)以O(shè)CF處理最高；OF處理最低且與CF、OCF、OMF處理間差異顯著，CF、OCF、OMF處理間差異不顯著。DOM比紫外吸收值(SUV254nm)的大小順序?yàn)镺MF﹥OF﹥CF﹥OCF。

表2 不同施肥處理土壤有機(jī)碳(SOC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)物(DOM)紫外吸光特征

2.2 不同施肥處理土壤DOM的三維熒光光譜分析

利用熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜法(EEMs)研究DOM的組分，通過熒光光譜中不同激發(fā)/發(fā)射光波長區(qū)域范圍將DOM組分分為5個(gè)區(qū)域，區(qū)域Ⅰ(220～250nm/280～330nm)為類酪氨酸蛋白質(zhì)，區(qū)域Ⅱ(220～250nm/330～380nm)為類色氨酸蛋白質(zhì)，區(qū)域Ⅲ(220～250nm/380～480nm)為類富里酸，區(qū)域Ⅳ(250～360nm/280～380nm)為類溶解性微生物代謝產(chǎn)物，區(qū)域Ⅴ(250～360nm/380～520nm)為類腐殖酸[7]。不同施肥處理水稻土DOM的三維熒光光譜圖見圖1，由圖1可見，不同處理三維熒光指紋圖譜相似；熒光強(qiáng)度有明顯差異；CF處理的熒光強(qiáng)度較弱；OMF處理的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，其次為OF處理，尤其區(qū)域Ⅲ、區(qū)域Ⅴ三維熒光線密度增強(qiáng)，即施肥增加了土壤類富里酸、類腐殖酸物質(zhì)。

2.3 不同施肥處理土壤DOM的熒光峰位置與熒光強(qiáng)度分析

DOM的熒光強(qiáng)度與所對應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射光波長能夠表征其組成與結(jié)構(gòu)特征。據(jù)相關(guān)研究表明[8]如果熒光峰所對應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射光波長變長，則表示出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，說明對應(yīng)區(qū)域熒光物質(zhì)的芳香度和分子量增加，如果對應(yīng)區(qū)域?yàn)轭惛乘?，同時(shí)還說明腐殖酸物質(zhì)的縮聚度也增加；反之，則表示發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。不同施肥處理對土壤DOM熒光強(qiáng)度以及對應(yīng)激發(fā)/發(fā)射光波長影響見表3，由表3可見，與CF處理比較，OCF、OF、OMF處理土壤中熒光區(qū)域Ⅰ的發(fā)射光波長由327nm紅移330nm，類酪氨酸蛋白質(zhì)增加；熒光區(qū)域Ⅲ的發(fā)射光波長由465nm紅移476nm，類富里酸增加；熒光區(qū)域Ⅳ的發(fā)射光波長由303nm紅移318nm，類溶解性微生物代謝產(chǎn)物增加；熒光區(qū)域Ⅴ的發(fā)射光波長由505nm藍(lán)移383nm，OCF處理熒光物質(zhì)的芳香度和分子量明顯減小。

圖1 不同施肥處理土壤溶解性有機(jī)物的三維熒光光譜圖

表3 不同施肥處理土壤溶解性有機(jī)物熒光峰的光譜特征

2.4 不同施肥處理土壤DOM的三維熒光區(qū)域的積分特征

三維熒光區(qū)域積分可以定量區(qū)分DOM的熒光組分，以此可以探究施肥對DOM熒光物質(zhì)影響的效果，采用matlab軟件對4個(gè)處理的DOM熒光數(shù)據(jù)積分，并計(jì)算各區(qū)域積分值占總積分值的百分比，結(jié)果見圖2、圖3。由圖2可見,4個(gè)處理不同區(qū)域的熒光積分值有差異，CF與OCF處理DOM中各類物質(zhì)含量的變化為類腐殖酸物質(zhì)>溶解性微生物代謝產(chǎn)物>富里酸類物質(zhì)>類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)>類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)，OCF處理的5個(gè)區(qū)域中熒光物質(zhì)含量均大于CF處理，區(qū)域Ⅳ與區(qū)域Ⅴ積分值差異顯著；OF與OMF處理的5個(gè)區(qū)域中熒光物質(zhì)含量變化趨勢一致，即OF與OMF處理DOM中各類物質(zhì)含量的變化為類腐殖酸物質(zhì)>富里酸類物質(zhì)>溶解性微生物代謝產(chǎn)物>類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)>類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)，OMF處理的5個(gè)區(qū)域積分值均大于OF處理，區(qū)域Ⅲ與區(qū)域Ⅴ積分值差異顯著。4個(gè)處理中區(qū)域Ⅴ積分值差異明顯，均達(dá)到差異顯著水平；區(qū)域Ⅰ積分值差異不顯著；CF、OCF處理與OF、OMF處理區(qū)域Ⅱ積分值差異顯著；CF、OCF與OF處理區(qū)域Ⅲ積分值差異不顯著，而CF、OCF、OF與OMF處理區(qū)域Ⅲ積分值差異顯著；CF、OF、OMF處理區(qū)域Ⅳ積分值差異不顯著，而CF、OF、OMF與OCF處理差異顯著。由圖3可見，各區(qū)域積分值占總積分值的百分比與4個(gè)處理不同區(qū)域的熒光積分值的變化趨勢不一致，4個(gè)處理區(qū)域Ⅰ的百分比為CF>OCF>OF>OMF處理，CF、OCF、OF處理間差異不顯著，OCF、OF與OMF處理差異不顯著，CF與OMF處理差異顯著；區(qū)域Ⅱ的百分比為OF>CF>OMF>OCF處理，處理間差異顯著；區(qū)域Ⅲ的百分比為OMF>CF>OF>OCF處理，OMF與CF處理差異不顯著，OMF、CF處理與CF、OCF間差異顯著；區(qū)域Ⅳ的百分比為OCF>CF>OF>OMF處理，CF、OCF、OMF處理間差異顯著而CF與OF間、OF與OMF間差異不顯著；區(qū)域Ⅴ的百分比為OMF>OF>CF>OCF處理，CF、OCF、OF處理間差異不顯著，CF、OCF與OMF間差異顯著，OF與OMF間差異不顯著。

圖2 各區(qū)域熒光區(qū)域積分特征

3 討論與結(jié)論

與施用化肥比較，施用有機(jī)肥料等能夠改變土壤的SOC、DOC含量及DOM的熒光組分含量與結(jié)構(gòu)特征等，可能是秸稈等外源有機(jī)物施入土壤后產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，使土壤微生物獲得充足的碳源，加速生長與代謝活動(dòng)，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化及作物殘?bào)w分解[9]，提高DOC含量；秸稈等有機(jī)物腐爛分解過程中改變了微生物的種群，提高了微生物及相關(guān)酶的活性，從而使土壤非活性有機(jī)碳向活性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致DOC含量的增加[10-12]；秸稈配施化肥、有機(jī)肥配施化肥或生物有機(jī)肥等能夠改善土壤理化性質(zhì)，土壤結(jié)構(gòu)，增加微生物活性，提高作物產(chǎn)量，從而提高凋落物和根系的分泌物；土壤中的有機(jī)物能夠吸附和螯合施入的無機(jī)氮形成溶解性總氮和溶解性有機(jī)氮[13]，從而使土壤溶解性有機(jī)質(zhì)含量增加。有機(jī)肥含有大量的可溶性有機(jī)物和具有易于分解的特點(diǎn)[13]，進(jìn)而增加土壤溶解性有機(jī)質(zhì)含量。溶解性有機(jī)質(zhì)是土壤微生物的重要碳源及養(yǎng)分來源，能夠顯著影響土壤微生物的活性及群落組成[14]，由于外源有機(jī)物料的添加能夠產(chǎn)生不同的真菌群落的組成，改變了功能微生物豐度及相關(guān)酶活性[15]，從而改變了土壤腐殖化程度，改變DOM的組成與結(jié)構(gòu)特征等。SUVD254nm可以表征DOM的腐殖化程度，SUVD254nm越大，DOM的腐殖化程度越高[16]。梁遠(yuǎn)宇等研究結(jié)果表明：長期施有機(jī)肥土壤對DOC中的類腐殖酸等高聚合度的芳香性大分子物質(zhì)的吸附比例相對較高，而長期單施化肥土壤對分子量較小、聚合程度較低的類酪氨酸蛋白物質(zhì)吸附量較高[17]。

圖3 各區(qū)域積分占總積分的比例

本文研究結(jié)果表明，與CF處理比較，OCF、OF與OMF處理提高了土壤SOC、DOC含量；OF處理SOC含量提高幅度最大，達(dá)30.88%、30.34%，OMF處理提高DOC含量幅度最大，達(dá)28.23%，OCF處理增加DOC累積，而OF與OMF處理加強(qiáng)DOC礦化。

不同施肥處理的三維熒光指紋圖譜形狀相似；熒光線密度有明顯差異；CF處理的熒光強(qiáng)度較弱；OMF處理的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，其次為OF處理，尤其區(qū)域Ⅲ、區(qū)域Ⅴ三維熒光線密度增強(qiáng)，即施肥增加了土壤類富里酸、類腐殖酸物質(zhì)含量。與CF處理比較，OCF、OF、OMF處理土壤中不同區(qū)域發(fā)射光波長發(fā)生紅移和藍(lán)移現(xiàn)象，OCF處理熒光物質(zhì)的芳香度和分子量減小，與SUV254nm結(jié)果一致。各區(qū)域積分值占總積分值的百分比顯示，不同處理土壤中類腐殖酸物質(zhì)為主，類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)最少，CF與OCF處理溶解性微生物代謝產(chǎn)物>富里酸類物質(zhì)；OF與OMF處理富里酸類物質(zhì)>溶解性微生物代謝產(chǎn)物。試驗(yàn)結(jié)果顯示，稻稈配施化肥、有機(jī)肥配施化肥以及生物有機(jī)肥都提高了土壤質(zhì)量，有機(jī)肥配施化肥以及生物有機(jī)肥培肥土壤效果更佳。