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。