匡恩俊，遲鳳琴，張久明，徐明崗，Gilles Colinet，宿慶瑞，郝小雨，朱寶國

1.黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院，黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081 3.Department of Biosystems Engineering(BIOSE)，Gembloux Agro-Bio Tech of Université de Liège, Jean Bru, Belgium 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007

引 言

可溶性有機(jī)碳(DOC)是土壤養(yǎng)分庫中較活躍的組分，僅占土壤總有機(jī)碳的0.04%～0.22%[1]，也是土壤環(huán)境健康和土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)，所以，進(jìn)一步研究DOC的現(xiàn)狀，對于認(rèn)識(shí)土壤碳循環(huán)過程有著重要意義。DOC含量受土地利用及施入的有機(jī)物料[2]、土壤環(huán)境等條件影響明顯[3]。秸稈還田能顯著提高耕層土壤DOC含量[4]，其熒光組分類腐殖質(zhì)中結(jié)構(gòu)相對簡單的富里酸含量增加、結(jié)構(gòu)簡化，DOC的疏水性組分與芳香類分子具有較強(qiáng)的吸附能力[5]。將秸稈配合深翻等耕作措施，對40 cm以下深層有機(jī)碳庫也有影響[6]，還能提高深層土壤養(yǎng)分含量[7]。

近年來高強(qiáng)度的土地利用引起植被的快速轉(zhuǎn)變和土壤碳輸入的差異，已經(jīng)顯著影響到深層有機(jī)碳庫蓄積[8]，在有效分析土壤DOC表征上，三維熒光光譜技術(shù)具有重現(xiàn)性好、靈敏度高的特點(diǎn)，應(yīng)用此技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在低碳和高碳土壤上三維熒光光譜圖也有差異，低碳土壤主要有3個(gè)熒光峰，類蛋白質(zhì)熒光峰、類富里酸熒光峰和類胡敏酸熒光峰，而高碳土壤上只有類富里酸和類胡敏酸2個(gè)熒光峰[9]。從DOC的角度理解不同深度秸稈還田后對土壤的固碳機(jī)制，解析DOC和土壤固碳的作用，并通過三維熒光光譜技術(shù)結(jié)合平行因子分析，進(jìn)一步分析秸稈腐解過程中DOC的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)變化特征，以期為黑土區(qū)農(nóng)田土壤固碳機(jī)制提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)科院的框栽場(哈爾濱)進(jìn)行，該區(qū)年平均氣溫3.6 ℃，降雨期集中在7月—8月份，年平均降雨量為553.5 mm；年平均日照為2 500 h，無霜期135～140 d。土壤類型為典型黑土，土壤有機(jī)碳18.5 g·kg-1，全氮2.4 g·kg-1、全磷2.0 g·kg-1、全鉀21.3 g·kg-1、堿解氮103.1 mg·kg-1、有效磷70.8 mg·kg-1、速效鉀167.7 mg·kg-1、pH 6.6。

1.2 試驗(yàn)處理

本試驗(yàn)始于2016年，在黑龍江省農(nóng)科院的框栽試驗(yàn)地內(nèi)進(jìn)行，框栽面積4 m2。將玉米秸稈粉碎(長度約2 cm)后，按照田間秸稈全部還田量約7 500 kg·hm-2)施入到土壤不同深度，并調(diào)節(jié)C/N比到25、田間持水量到60%，秸稈還田深度為：0～2，3～10，11～20，21～30和31～40 cm，分別用T1，T2，T3，T4和T5表示，同時(shí)設(shè)置秸稈不還田為對照(CK)。具體操作如下所示：

T1處理：0～2 cm的土層挖開，將秸稈與土壤充分混合后回填到原土壤中；

T2處理：土壤0～2 cm土層挖開后單獨(dú)放置，將3～10 cm土層與秸稈充分混合后回填原土層，然后將0～2 cm土壤回填至表面；

T3處理：土壤0～10 cm土層挖開后單獨(dú)放置，將11～20 cm土層與秸稈充分混合后回填原土層，然后將0～10 cm土壤按原位回填；

T4處理：0～10和 11～20 cm按照層次挖出，單獨(dú)放置，將21～30 cm土層與秸稈充分混合后回填原土層，各層次土壤按原始位置回填；

T5處理：依次將0～10，11～20和20～30 cm土壤分層次挖出，單獨(dú)放置，31～40 cm土層與秸稈充分混合后回填原土層，各層次土壤按原始位置回填。

各處理于2019年按剖面層次取土壤樣品(0～2，3～10，11～20，21～30，31～40和41～50 cm)，剔除根系及多余秸稈，風(fēng)干后過2 mm篩，用于測定土壤DOC及熒光結(jié)構(gòu)。

1.3 樣品處理和測定方法

稱取風(fēng)干土樣0.01 g，加2 mol·L-1的鹽酸溶液酸解，用總有機(jī)碳分析儀測定(Multi N/C 2100型，德國)土壤SOC含量。

取風(fēng)干土壤5 g樣品，加水后(干土重與水體積比為1∶10)在室溫條件下200 r·min-1水平振蕩24 h，然后在4 ℃條件下12 000 r·min-1離心 20 min，上清液過0.45 μm的濾膜，上機(jī)測定(Multi N/C 2100型TOC儀)濃度，即為DOC；所有樣品的DOC濃度調(diào)至15 mg·L-1，用熒光光譜儀(日立F-7000型，日本)測定三維熒光光譜，激發(fā)波長(Ex)和發(fā)射波長(Em)的掃描范圍均為200～500 nm，帶寬10 nm，掃描速度為1 200 nm·min-1。應(yīng)用平行因子(PARAFAC)分析時(shí)，消除拉曼散射對熒光數(shù)據(jù)的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0進(jìn)行處理分析，三維熒光圖譜繪制和平行因子分析用Matlab 2013 軟件，熒光光譜指數(shù)的區(qū)域積分用origin 2019。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理土壤剖面DOC含量變化

土壤DOC活性較強(qiáng)，但也最易損失，秸稈的輸入會(huì)影響其含量[2]。由圖1可知，秸稈還田后，均能提高不同土壤深度DOC含量，且在土壤中垂直分布呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，這與前人研究結(jié)果一致[10]。0～2 cm土層DOC含量高于其他土層，這是由于地表土壤受秸稈還田的影響而使DOC的濃度偏高，隨著深度的加深，DOC含量逐漸降低，這是因?yàn)樯顚油寥鲤ちＴ黾?，對DOC的吸附也增加，土壤微生物對有機(jī)質(zhì)分解作用減弱[4]。T1和T2處理DOC含量最高，平均超過了30 mg·kg-1，T5處理DOC含量最低。從秸稈還田深度看DOC濃度，T3處理11～20 cm比3～10 cm高8.4%，T4處理的21～30 cm比11～20 cm高3.0%，T5處理31～40 cm比21～30 cm高7.6%，雖然差異并沒有達(dá)到顯著水平，但施入秸稈的土層DOC含量均有提升。秸稈還田為微生物生長提供了良好的物質(zhì)和能量，進(jìn)一步激發(fā)了土壤本身易分解有機(jī)質(zhì)的分解；另外，秸稈碳礦化也增加了土壤可溶性碳的含量。

圖1 不同深度土壤DOC含量及DOC與SOC的百分比

DOC/SOC%的比值越大，表征SOC的活性越大、越易被微生物分解，對管理措施的響應(yīng)敏感[11]。DOC含量所占SOC的比例在10 cm以下的土層，以T1處理最高，各處理均有隨著土壤剖面的加深而增加的趨勢。

2.2 不同深度秸稈還田對土壤DOC組分熒光指數(shù)分析

熒光光譜指數(shù)FI，BIX和HIX經(jīng)常用來表征土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特性[12]，其中，F(xiàn)I可反映腐殖質(zhì)的來源，從表1可以看出，無論秸稈還田與否，各處理FI的值均在1.4～1.6之間，說明土壤DOC來源于植物和微生物的混合物特征明顯。各處理的FI平均值以T3略高為1.54±0.03，秸稈還田到10～20 cm深度，土壤DOC借助于土壤中土著微生物的作用提高，加快了土壤腐殖質(zhì)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化速度。在更深的土層，由于土壤水分和溫度的影響，土壤受外源物質(zhì)的影響逐漸降低，進(jìn)程也會(huì)變慢，但不同深度間差異不明顯。

BIX通常作為衡量自生源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)大小，BIX在0.6～0.7，0.7～0.8和0.8～1.0之間時(shí)，分別代表了溶解性有機(jī)質(zhì)具有較少、中等、較強(qiáng)的自生源特征；當(dāng)BIX大于1時(shí)，物質(zhì)由生物細(xì)菌活動(dòng)產(chǎn)生。在本研究中，除了T5處理外，各處理的BIX均在0.8～1.0之間，表示出現(xiàn)較強(qiáng)的自生源特征；而T5處理BIX<0.7，表明具有較小的自生成分。

土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化的程度用HIX來表示[12]，HIX值越高，表征土壤DOC的腐殖化程度越高，其穩(wěn)定性越好，也說明存在的時(shí)間較長。當(dāng)HIX小于1.5時(shí)，屬于生物或細(xì)菌來源，當(dāng)HIX大于3.0才屬于強(qiáng)腐殖質(zhì)特征。由表1可知，各處理的HIX均小于1.5，CK和T1處理的HIX值最低為0.72，而T5處理最高為0.83，秸稈表層覆蓋或者淺還田不利于腐殖化的進(jìn)程，深埋腐殖化程度較高。這可能是秸稈還田到31～40 cm深度的土壤中，土壤的通氣透水性較差，微生物活動(dòng)也較弱，分解完土壤中簡單的易降解物質(zhì)，微生物只能利用土壤中較難分解的物質(zhì)合成更加復(fù)雜而穩(wěn)定的腐殖酸物質(zhì)，故土壤DOC的腐殖化程度增加。土壤的腐殖化程度隨著還田年限的增加，差異越來越顯著[13]。

表1 不同處理土壤DOC的平均熒光光譜指數(shù)

2.3 不同處理土壤DOC組分的熒光光譜特征

通過PARAFAC分析不同處理土壤DOC的三維熒光光譜數(shù)據(jù)，如圖2所示，從6組樣品中解析出2個(gè)熒光組分，CK～T4分別為類腐殖質(zhì)物質(zhì)組分C1(Ex/Em=250～275/455 nm)和類色氨酸物質(zhì)組分C2(Ex/Em=225～237/340～350 nm)，其中，C1組分包含1個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，對應(yīng)著A峰，是紫外光區(qū)的類富里酸，代表了可降解物質(zhì)較低、分子質(zhì)量較大的有機(jī)物，它體現(xiàn)了土壤肥力的供應(yīng)緩沖能力；C2組分包含有2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，對應(yīng)著主峰T峰(類色氨酸物質(zhì))，T峰主要是細(xì)菌和微生物降解的代謝產(chǎn)物，結(jié)合或者游離在蛋白質(zhì)中；而T5處理分別為類腐殖質(zhì)物質(zhì)組分C1(250～275/455 nm)和類酪氨酸物質(zhì)組分C2(Ex/Em=225/304 nm)，其中，C1組分包含1個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，對應(yīng)著主峰A峰；C2組分包含1個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，對應(yīng)著B峰，B峰是比類色氨酸更易降解的分子量小的類酪氨酸物質(zhì)[8]。

圖2 不同深度秸稈還田處理土壤DOC三維熒光組分

秸稈還田到0～30 cm熒光組分分別與羧基和羥基相關(guān)，常用來表示輸入到土壤的外源有機(jī)質(zhì); 當(dāng)秸稈還田到31～40 cm時(shí)，出現(xiàn)了更易降解的類酪氨酸物質(zhì)，Kuang[14]等的研究結(jié)果表明深埋有助提高秸稈生物量在土壤中的分解速率，降低殘留率。同時(shí)熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，促進(jìn)類腐殖酸、類富里酸等物質(zhì)的積累，也促進(jìn)了類溶性微生物代謝產(chǎn)物的降解。有研究表明，在DOC含量未發(fā)生明顯變化的時(shí)，對其結(jié)構(gòu)的影響卻很明顯[9]。

2.4 秸稈深還田對土壤DOC的熒光強(qiáng)度分析

土壤DOC不同組分的熒光強(qiáng)度在不同深度土層表現(xiàn)不同，各組分的熒光強(qiáng)度值反映了其相對含量，可用來表征土壤DOC的結(jié)構(gòu)變化。秸稈還田后類富里酸的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，且隨著還田深度的加深而增大，植物殘?bào)w的腐解產(chǎn)生了高分子量有機(jī)物。C1組分隨著土壤深度的加深有增大趨勢，秸稈深還田熒光強(qiáng)度增強(qiáng)；C2組分熒光強(qiáng)度先增強(qiáng)再減弱，呈連續(xù)波動(dòng)的狀態(tài)。總熒光強(qiáng)度(C1+C2)以T4處理最高，比CK高26.5%，其次是T1，比CK處理高9.0%。秸稈還田到土壤不同深度，C1和C2組分占比不同(見表2)，各處理C1的百分比均高于C2，只有T1處理C2組分熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。T5處理的C1組分的熒光強(qiáng)度超過了67%，類腐殖質(zhì)物質(zhì)增強(qiáng)，類蛋白質(zhì)物質(zhì)降低。隨著秸稈還田深度的增加，土壤中DOC的熒光組分以類富里酸為主，類色氨酸相對百分比低。

表2 不同處理土壤DOC組分熒光強(qiáng)度及其相對百分比

2.5 秸稈還田后土壤DOC的相關(guān)性分析

將各處理的DOC及其熒光組分、DOC/SOC%值進(jìn)行顯著性分析(表3)，土壤深度、處理及二者的交互作用對DOC及其熒光組分的影響均為極顯著水平(p<0.01)。土壤環(huán)境的微小變化就可影響DOC含量。土壤微生物活性是影響土壤DOC的重要因素，深層土壤微生物活性減弱，另外，土壤養(yǎng)分和pH條件也可以影響到DOC含量，從而也促使了蛋白類物質(zhì)向類胡敏酸與類富里酸的轉(zhuǎn)化[9]。

表3 不同處理、深度及其交互作用對DOC結(jié)構(gòu)的顯著性分析

3 結(jié) 論

(1)秸稈還田后土壤DOC含量增加，其來源受自生源和外生源共同作用的影響；秸稈還田到31～40 cm有較小的自生成分，且腐殖化系數(shù)最高。

(2)秸稈還田到0～30 cm深度時(shí)，土壤DOC的熒光組分包含類富里酸物質(zhì)和類色氨酸物質(zhì)，類富里酸熒光強(qiáng)度有隨著土層深度的加深而增大，類色氨酸物質(zhì)則呈波動(dòng)性的狀態(tài)；31～40 cm深度秸稈還田，其熒光組分包含類富里酸和類酪氨酸。DOC含量及其熒光組分受到秸稈還田、土壤深度及二者的交互作用影響顯著。

綜上，秸稈深還田為深層土壤提供更多的可儲(chǔ)存的碳，在農(nóng)田生產(chǎn)中起到了固碳減排的作用。