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        基于紫外-可見光光譜法研究長期不同施肥對磚紅壤溶解性有機(jī)質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響

        2022-10-09 08:15:26趙雄威吳東明李勤奮
        光譜學(xué)與光譜分析 2022年10期

        趙雄威,吳東明,李勤奮,王 旭*,陳 淼

        1.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,海南 ???570228 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所,海南 ???571101

        引 言

        溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM),通常是指能夠通過0.45 μm濾膜且溶于水、酸或堿溶液中的一種具有不同結(jié)構(gòu)和分子量大小的有機(jī)分子混合物,廣泛存在于土壤、沉積物和水體中[1]。DOM盡管在土壤中含量占比非常低,但具有極高的生物化學(xué)活性,是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的有機(jī)組分。DOM對全球碳循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和物質(zhì)循環(huán)具有至關(guān)重要的作用[2]。DOM對環(huán)境變化的響應(yīng)很靈敏,能反映出土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化[3]。研究表明,DOM的環(huán)境效應(yīng)與其化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),包括芳香性、分子量和物質(zhì)組成等。通常親水性DOM可作為土壤中微生物的能量物質(zhì),對微生物的活性、豐富度和種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[4]。疏水性DOM能夠與疏水性污染物產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合能力;含有較多親水性官能團(tuán)的DOM對重金屬有著較強(qiáng)的絡(luò)合和吸附能力[5]。因此,理解DOM化學(xué)性質(zhì)將有助于評估和預(yù)測DOM的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

        土壤中的DOM受土地管理措施影響顯著[6]。有機(jī)-無機(jī)管理作為農(nóng)業(yè)管理典型模式,其對土壤碳特征的影響,是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7]。研究表明,有機(jī)肥與化肥均能增加土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)含量[8]。也有研究認(rèn)為,化肥的長期使用對土壤DOM沒有顯著影響[9]。迄今為止,大多數(shù)研究僅關(guān)注不同施肥方式對DOM數(shù)量的影響,而對DOM化學(xué)性質(zhì)少有關(guān)注。近年來,紫外-可見光吸收光譜(UV-Vis)因操作簡單、樣品無損、信息量大等優(yōu)點(diǎn),在表征DOM方面得到廣泛應(yīng)用。它通過光譜特征、吸光度比值等方法可有效揭示DOM的分子量、芳香性等化學(xué)特性[7]。

        不同施肥方式對土壤DOM的影響還與土壤類別密切相關(guān)。然而,過去大多關(guān)注潮土、黃土、黑土等溫帶土壤,對熱帶磚紅壤少有關(guān)注。與溫帶土壤不同,磚紅壤的pH低、有機(jī)質(zhì)含量低、礦物組成豐富,可能導(dǎo)致施肥對土壤DOM產(chǎn)生的作用效應(yīng)不同。理論上,低pH和有機(jī)質(zhì)含量更有利于外源有機(jī)碳的固定;化學(xué)施肥可導(dǎo)致土壤礦物晶質(zhì)化;有機(jī)施肥則相反[10-11]。假設(shè):有機(jī)物料輸入可能有利于增加土壤DOM芳香類物質(zhì)的累積?;士赡軐?dǎo)致DOM的含量降低和結(jié)構(gòu)改變。為驗(yàn)證該假設(shè),以紫外-可見光光譜為表征手段,研究了連續(xù)四年不同施肥后磚紅壤DOM的化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果將豐富土壤有機(jī)循環(huán)理論,并為熱區(qū)磚紅壤碳管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)地概況

        試驗(yàn)地點(diǎn)位于海南省文昌市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)植所基地。地處東經(jīng)110.46°,北緯 19.32°,土壤質(zhì)地為砂壤土,土壤類型為磚紅壤,肥力水平較低,土壤基本理化性質(zhì)見表1。常年降雨量1 721.6 mm,雨季主要集中在5—10月份,占全年降水的79%。年均溫度23.9 ℃,積溫為8 474.3 ℃,為熱帶海洋季風(fēng)氣候。極端天氣通常為夏季暴雨和春季干旱。

        表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

        1.2 樣品采集

        試驗(yàn)種植制度為辣椒-豆角輪作。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個田間處理,分別為,①CK(不施肥);②NPK(氮磷鉀);③OG(有機(jī)肥);④ST(秸稈還田);化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀,有機(jī)肥為羊糞。試驗(yàn)期間每年肥料施用量為:氮肥 300 kg·hm-2,磷肥200 kg·hm-2,鉀肥300 kg·hm-2,有機(jī)肥24 000 kg·hm-2,秸稈3 200 kg·hm-2。2020年4月,于辣椒收獲后,采用S形采樣法采集0~20 cm的土壤樣品,每個處理采集三個重復(fù),運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過20目金屬篩。

        1.3 DOM的制備與定量

        采用震蕩法提取DOM[7],稱取過20目金屬篩的風(fēng)干土10 g于離心管中,加入超純水50 mL(土水比例按照1∶5混合),置于25 ℃、200 r·min-1震蕩儀中震蕩24 h,10 000 r·min-1離心10 min,將上清液過0.45 μm水系濾膜,即得到土壤DOM溶液。放于4 ℃冰箱中保存,用總有機(jī)碳/氮分析儀測定DOM中的DOC含量。

        1.4 DOM光譜分析

        用紫外-可見分光光度計(jì)測定DOM吸收光譜,以超純水作為空白用以校準(zhǔn)基線,選用200~700 nm的波段范圍,以1 nm為間隔進(jìn)行掃描,獲得吸光度A,根據(jù)式(1)計(jì)算吸收系數(shù)A

        αg(λ)=2.303A/b

        (1)

        式(1)中:λ為波長(nm);αg(λ)為波長λ處的吸收系數(shù)(m-1);b為光程路徑(m)。對于DOM光譜性質(zhì)的研究常用方法為利用吸光度表征DOM的化學(xué)性質(zhì),本研究中選取254 nm波長下單位吸光度值SUVA254用來表征DOM芳香性,SUVA254是DOM在254 nm下的吸光系數(shù)與DOC濃度之比,SUVA254越大,表示芳香化程度越高[12];選取260 nm波長下單位吸光度值SUVA260和280 nm波長下單位吸光度值SUVA280分別用來表征DOM分子的疏水性和分子量;用波長250和365 nm處吸光度之比A250/A365表征DOM分子大小[2],波長300和400 nm處吸光度比值A(chǔ)300/A400表征DOM腐殖化程度[13],波長465和665 nm處的吸光度比值A(chǔ)465/A665表征DOM的蛋白質(zhì)和碳水化合物含量[14];利用355 nm處的吸收系數(shù)表征有色溶解性有機(jī)物的相對濃度[15]。

        吸收光譜曲線斜率(S)是光譜模型中一種重要信息,本研究采用紫外波段光譜(275~295 nm)進(jìn)行S值計(jì)算,公式為

        α(λ)=α(λγ)e[S(λγ-λ)]

        (2)

        式(2)中:α(λ)為測定波長的吸收系數(shù),α(λγ)為參照波長的吸收系數(shù),選取S275~295反映DOM光降解程度,因?yàn)槠鋵廨椛漭^為敏感。此外S275~295還提供了DOM組成特征信息,表征DOM分子量大小及光化學(xué)反應(yīng)活性等,該S值大小與分子量大小呈反比[16]。

        光譜斜率比值SR[見式(3)]

        SR=S275~295/S350~400

        (3)

        有研究表明SR的相對穩(wěn)定性較好,常被用來表征DOM的來源組成和結(jié)構(gòu)變化[15],SR與DOM濃度無關(guān),SR值越高,則DOM分子量越低,代表著DOM多為最近產(chǎn)生或者以外源輸入為主。當(dāng)DOM以內(nèi)源為主時或者光漂白作用較強(qiáng)時,則SR值較大[2]。

        1.5 數(shù)據(jù)處理

        2D-COS分析可通過信號峰之間變化的關(guān)系揭示不同DOM組分在生物降解中的反應(yīng)順序。首先,將獲得的DOM紫外光譜數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理,并形成矩陣。隨后,采用2D-shige軟件對紫外-可見光光譜進(jìn)行分析,獲得同步-異步圖譜。采用Microsoft Excel 2018與Matlab2018b對紫外特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,利用SPSS26 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素方差分析比較不同處理間的光譜特征與DOC含量的差異性(p<0.05為顯著差異),相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法(p<0.05為顯著相關(guān),p<0.01為極顯著相關(guān)),用Origin2021軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的制作。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同施肥模式對土壤DOM的影響

        DOC是衡量土壤DOM碳庫含量的重要指標(biāo)。如圖1所示,不同施肥方式下的土壤DOM含量具有顯著差異,表明施肥對土壤DOM含量具有顯著影響。DOM含量變化范圍為15.32~104.89 mg·kg-1,由低到高分別為CF

        圖1 不同施肥處理下土壤溶解性有機(jī)碳含量

        2.2 不同施肥下土壤DOM紫外-可見吸收光譜特征

        利用紫外-可見吸收光譜能夠反映出土壤有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和腐殖化程度。四種管理措施中土壤DOM的可見吸收光譜特征如圖2(a),結(jié)果顯示,在不同處理下,總體上吸收系數(shù)隨著波長的增加不斷遞減,從650 nm以后吸收逐漸趨于0。但是不同施肥方式下土壤DOM的光譜曲線存在著顯著差異,其中施用有機(jī)肥的土壤DOM吸收光譜向長波方向移動最明顯,表明不同施肥方式下土壤DOM具有不同的化學(xué)性質(zhì)。從圖2(b)所示200~700 nm的變異系數(shù)來看也證明了這一點(diǎn),其變異系數(shù)在44.80%~68.5%之間,變異系數(shù)在380和670 nm處出現(xiàn)了兩個顯著的峰值,進(jìn)一步說明具有這種紫外吸收特征的物質(zhì)對土地利用變化的響應(yīng)非常靈敏。紫外-可見光譜曲線也能用于表征土壤DOM的化學(xué)性質(zhì)。在圖2(a)中可以看出260~280 nm處出現(xiàn)了顯著肩峰,可能是由于土壤DOM含有兩個雙鍵的共軛體系(例如苯環(huán)、共軛二烯等)[2]。此外,在330~370 nm處還存在一個次級肩峰,說明土壤DOM中可能含有脂肪族醛酮化合物或者芳香族醛酮化合物。結(jié)果表明,施用有機(jī)肥會導(dǎo)致溶解性有機(jī)質(zhì)的紫外-可見光譜圖出現(xiàn)紅移現(xiàn)象,表明其能夠增加土壤腐殖化程度,顯著提高土壤中的雙鍵共軛物質(zhì)含量。

        圖2 不同施肥處理下土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的紫外-可見光譜特征

        2.3 不同施肥模式下土壤DOM的紫外特性參數(shù)分析

        2.3.1 紫外光譜特征吸收值

        采用DOM的紫外特征參數(shù)來表征DOM的化學(xué)性質(zhì)。SUVA254,SUVA260和SUVA280三個特征值分別與芳香性、疏水性、平均分子量成正比。從圖3(a,b,c)分別可以看出不同的施肥方式明顯改變了土壤DOM的三種特征參數(shù)值,并且四種施肥方式中SUVA254,SUVA260和SUVA280三種特征參數(shù)呈現(xiàn)出相同趨勢,均是有機(jī)肥>秸稈>不施肥>化肥。其中與CK處理相比,OG處理增加最為明顯,SUVA254,SUVA260和SUVA280,三種特征參數(shù)分別增加了180.2%,180.0%和180.0%;ST處理下的三種特征參數(shù)沒有顯著變化,僅分別增加15.9%,15.8%和15.1%;而CF處理下土壤DOM的三種特征參數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降,下降幅度分別為41.0%,41.3%和43.9%。有機(jī)肥能夠有效增加土壤DOM的芳香性、疏水性以及平均分子量,使溶解性有機(jī)質(zhì)更加穩(wěn)定,其原因可能是有機(jī)肥的腐殖化程度高,長期的有機(jī)肥施用增加了微生物和外源有機(jī)質(zhì)的輸入,使得土壤分子結(jié)構(gòu)變化,復(fù)雜芳香族化合物的占比增加[19]。而化肥的施用可能導(dǎo)致土壤礦物出現(xiàn)晶質(zhì)化現(xiàn)象[10-11],從而導(dǎo)致土壤DOM結(jié)構(gòu)的改變,使DOM含量減少。

        圖3 不同施肥處理下光譜吸收值SUVA254(a),SUVA260(b)和SUVA280(c)

        2.3.2 紫外可見光譜吸收比

        不同施肥處理對DOM特征性紫外可見光譜吸收比也有影響。A250/A365表征土壤DOM分子量大小,其值越大,表示DOM分子量越小[2]。從圖4(a,b,c)分別可以看出,相對于不施肥處理,不同的施肥方式下A250/A365均有著升高趨勢,其中在施用化肥處理下A250/A365上升最多,上升幅度為7.7%,其他處理之間無明顯差異,表明施用化肥使土壤DOM分子結(jié)構(gòu)簡單化。A300/A400能夠反映DOM的腐殖化程度、芳香性結(jié)構(gòu)等。A300/A400<3.5時,DOM是以胡敏酸為主;A300/A400>3.5時,DOM是以富里酸為主。施用化肥處理其A300/A400值為2.28明顯低于3.5,說明施用化肥處理下土壤中主要以胡敏酸為主,而施用有機(jī)肥和施用秸稈處理下土壤A300/A400值高于3.5,說明施用有機(jī)肥和秸稈的土壤中主要以富里酸為主。A465/A665值能夠表征DOM中的蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量[14]。由圖4(a,b,c)可以看出,不施肥、施用化肥、施用有機(jī)肥和施用秸稈四個處理之間皆存在顯著性差異,A465/A665值由高到低依次為施用秸稈、施用有機(jī)肥、不施肥、施用化肥。其中,施用秸稈相比不施肥處理增長了114.5%,施用有機(jī)肥相比不施肥處理增長了47.8%,而施用化肥相比不施肥處理降低了42.4%。

        圖4 不同施肥處理下光譜吸收比A250/A365(a),A300/A400(b),A465/A665(c)

        2.3.3 吸收系數(shù)α(355)

        355 nm波長處的吸收系數(shù)α能夠表征有色溶解性有機(jī)質(zhì)的濃度,α(355)值越大,表示有色溶解性有機(jī)質(zhì)濃度越高[15]。四種施肥方式下土壤DOM吸收系數(shù)α(355)的變化情況如圖5所示,α(355)的變化范圍為33.09~165.05,其中α(355)含量最高的為OG,其值為165.05,相比CK,增加了175.6%,達(dá)到了顯著水平;ST相比于CK,其含量僅增加11.7%,沒有顯著性提升有色溶解性有機(jī)質(zhì)含量,CF處理下有色溶解性有機(jī)質(zhì)含量最低,相比CK,CF差異非常明顯,達(dá)到了44.7%。表明施用有機(jī)肥能夠明顯提高土壤中有色溶解性有機(jī)質(zhì)的含量,其原因可能是大量腐殖質(zhì)輸入,使土壤DOM中生色團(tuán)急劇增加[2]。

        2.3.4S值與SR值

        由表2可以看出四種施肥方式下,CF的S275~295值相比于CK出現(xiàn)明顯升高,表明CF的土壤DOM的分子量降低,而CK與OG、ST之間沒有明顯差異。SR值能夠表征DOM的來源組成[2],從表2可以看出CF處理明顯提升了SR值,表明CF的土壤DOM結(jié)構(gòu)特征改變,而其他三組處理之間沒有顯著性差異。相關(guān)研究表明,當(dāng)SR>1時,表征DOM的來源主要為生物源,當(dāng)SR<1時,表征DOM主要為外源[20]。不施肥、施用有機(jī)肥與施用秸稈三種處理下,其SR值均小于1,因此三種處理下其外源特征十分顯著。

        表2 不同施肥處理下的S值與SR值

        2.4 土壤DOM的特征參數(shù)相關(guān)關(guān)系

        土壤DOM和特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系見表3,四種不同施肥方式下,紫外特征參數(shù)之間的相關(guān)性揭示了各參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系??梢钥闯鯯UVA254與SUVA260顯著相關(guān),表明了土壤DOM的芳香性和疏水性密切相關(guān),土壤DOM中的芳香性結(jié)構(gòu)有很大可能存在于疏水組分中;A2/A3與S275~295存在顯著相關(guān),表明了土壤DOM能夠通過光降解將其中復(fù)雜的大分子有機(jī)質(zhì)分解。SUVA254、SUVA260、SUVA280、吸收系數(shù)α(355)均與土壤中DOC含量存在顯著正相關(guān);A300/A400,A465/A665與土壤中DOC含量達(dá)到極顯著正相關(guān);S275~295,SR與土壤DOC含量分別達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)。這些相關(guān)關(guān)系表明,紫外光譜吸收值、紫外光譜吸收比、S值和α(355)是評價土壤DOM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的重要指標(biāo)。

        表3 土壤DOM與特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

        2.5 二維相關(guān)分析

        為了進(jìn)一步揭示土壤DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)對不同施肥方式的響應(yīng)速度。將紫外可見光光譜數(shù)據(jù)中200~450 nm區(qū)域,進(jìn)行二維相關(guān)分析處理(2D-COS),獲得它們的同步、異步譜圖。2D-COS的同步映射通常包括自動峰和交叉峰。自動峰強(qiáng)度越大,對外界擾動引起的光強(qiáng)變化的敏感性越高,而交叉峰則反映了在兩個不同光譜頻率之間的光譜強(qiáng)度的協(xié)調(diào)變化。當(dāng)強(qiáng)度變化的方向一致時,表明在相應(yīng)處交叉峰為正;當(dāng)強(qiáng)度變化方向不同時,則表示相應(yīng)交叉峰為負(fù)[12]。圖6中UV-Vis的同步(a)、異步(b)譜圖可知,不同施肥模式下,響應(yīng)最大的組分是200,250和350 nm組分,同時響應(yīng)的先后順序?yàn)?50 nm>350 nm>200 nm。

        圖6 二維相關(guān)光譜圖

        3 結(jié) 論

        (1)經(jīng)過連續(xù)四年的試驗(yàn),有機(jī)肥和秸稈均能提高土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的含量,能夠改善土壤肥力,尤其是施用有機(jī)肥;與之相反,長期施用化肥明顯降低土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的含量。

        (2)四種處理下土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的紫外-可見光吸收光譜曲線特征中,有機(jī)肥的施用明顯提高了土壤DOM吸光度,表明有機(jī)肥處理的DOM中存在共軛結(jié)構(gòu)且腐殖化程度高,因而吸光能力較強(qiáng);同時有機(jī)肥處理的紫外光譜顯示在260~280 nm處有吸收峰,表明DOM發(fā)色團(tuán)中可能有雙鍵結(jié)構(gòu)。

        (3)施用有機(jī)肥處理的DOM中SUVA254,SUVA260,SUVA280三種特征值均高于施用化肥處理和不施肥處理,表明其土壤中DOM腐殖化程度高、芳香性和疏水性強(qiáng)。A2/A3和S275~295特征進(jìn)一步表明了施用有機(jī)肥和施用化肥兩者在DOM結(jié)構(gòu)上的差異,即施用有機(jī)肥下土壤DOM的結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化。

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