生物質(zhì)炭對(duì)紫色土耕地土壤中溶解性有機(jī)物含量和組成特征的影響

劉慧云，鮮青松，劉琛，唐翔宇

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

生物質(zhì)炭對(duì)紫色土耕地土壤中溶解性有機(jī)物含量和組成特征的影響

劉慧云1，2，鮮青松1，2，劉琛1*，唐翔宇1

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

選取位于長(zhǎng)江上游低山丘陵區(qū)的四川鹽亭石灰性紫色土和重慶忠縣中性紫色土的兩種典型耕地（旱地和菜地）土壤，添加0.5%～3.0%生物質(zhì)炭并經(jīng)過(guò)老化作用，研究生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤中可水提的溶解性有機(jī)物（DOM）性質(zhì)的影響。DOM的含量與組分特征分別以溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度和光譜學(xué)特征參數(shù)表征。結(jié)果表明，石灰性和中性紫色土旱地不添加生物質(zhì)炭的對(duì)照土壤中DOM的平均含量分別為43、65 mg DOC·kg-1，相應(yīng)菜地的對(duì)照土壤分別為110、105 mg DOC·kg-1；加炭后DOM含量隨投加量呈非單調(diào)性變化。石灰性和中性紫色土菜地土壤DOM的芳香性和腐殖化程度明顯高于旱地土壤。三維熒光光譜的平行因子分析表明，土壤DOM由兩種土壤有機(jī)質(zhì)源的類(lèi)腐殖質(zhì)組分及一種類(lèi)色氨酸組分構(gòu)成，菜地土壤中各組分的含量都明顯高于旱地土壤，也具有更高的芳香性和腐殖化程度。綜合多種光譜學(xué)分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加炭并經(jīng)過(guò)老化后，土壤DOM的組分特征并無(wú)明顯變化。

紫色土；生物質(zhì)炭；溶解性有機(jī)物（DOM）；三維熒光光譜；平行因子分析

生物質(zhì)炭在土壤改良、固碳減排、污染土壤修復(fù)及遷移阻控等方面的應(yīng)用已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-2]。溶解性有機(jī)物（Dissolved organic matter，DOM）雖然是土壤有機(jī)質(zhì)中很少的一部分，卻是土壤中最活躍的組分之一，對(duì)土壤肥力、微生物生長(zhǎng)代謝及有機(jī)質(zhì)循環(huán)等有重要影響[3]。DOM的淋失也是土壤有機(jī)碳損失的重要途徑。在水體環(huán)境中，DOM扮演著重要的角色，它可作為重金屬及小分子有機(jī)污染物遷移的載體，也是形成消毒副產(chǎn)物（DBPs）的主要前驅(qū)物，因而是影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素。研究生物質(zhì)炭施用后土壤中DOM組成及其釋放規(guī)律，對(duì)明確其環(huán)境效應(yīng)及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具有重要意義。

目前，相關(guān)研究得出的結(jié)論并不一致，例如：研究發(fā)現(xiàn)，溫帶森林土壤中施用木屑生物質(zhì)炭半年后DOM含量顯著高于不添加生物質(zhì)炭的對(duì)照土壤[4]，而在巴西甘蔗田里施用四個(gè)月生物質(zhì)炭則造成土壤中DOM的溶出顯著降低[5]。這表明，土壤DOM對(duì)生物質(zhì)炭添加的響應(yīng)規(guī)律受生物質(zhì)炭種類(lèi)、土壤及試驗(yàn)條件等因素的影響，因此有必要針對(duì)不同土壤進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。同時(shí)，除了考察生物質(zhì)炭施用后土壤DOM在濃度上的變化，還需要關(guān)注生物質(zhì)炭對(duì)DOM組成特征的影響，然而這方面的研究仍十分欠缺。

三維激發(fā)-發(fā)射熒光光譜（EEM）特征能用于表征DOM組成，具有高靈敏度、快速測(cè)定且不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。目前，該技術(shù)多用于研究湖泊、海灣等水體中DOM的性質(zhì)及來(lái)源，在土壤中生物質(zhì)炭添加效應(yīng)研究中的應(yīng)用極少，已有的研究進(jìn)展包括：Eykelbosh等[5]依據(jù)光譜學(xué)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭后土壤中高分子量的類(lèi)腐殖質(zhì)的含量更高；Jamieson等[8]運(yùn)用紫外-可見(jiàn)吸收和三維熒光光譜-平行因子分析法研究了不同熱解溫度下制得的生物質(zhì)炭的添加效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)土壤DOM是由三種類(lèi)腐殖質(zhì)和一種類(lèi)蛋白質(zhì)組成，其中高溫短時(shí)制備的生物質(zhì)炭使DOM的含量與芳香性更高；Uchimiya等[9]則對(duì)比了采用弱堿和熱水分別提取不同生物質(zhì)炭中DOM的三維熒光光譜特征。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有研究中多以生物質(zhì)炭本身為對(duì)象，較少研究施炭對(duì)土壤中DOM形成與性質(zhì)的影響，也很少考慮老化作用的影響及不同土壤類(lèi)型間的差異。

紫色土在四川盆地分布最廣，是重要的旱作農(nóng)業(yè)土壤。國(guó)內(nèi)已有不少關(guān)于生物質(zhì)炭施用對(duì)典型土壤，如酸性紅壤或中性水稻土碳循環(huán)的影響研究[3，10]，但針對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較低的紫色土（新成土）的研究十分缺乏。因此，本文以長(zhǎng)江上游低山丘陵區(qū)代表性的石灰性和中性紫色土的兩種典型耕地土壤（旱地和菜地）為研究對(duì)象，利用三維熒光光譜-平行因子分析紫色土DOM的組分特征并研究添加秸稈生物質(zhì)炭的影響，為紫色土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)組成特征分析、生物質(zhì)炭改土技術(shù)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)及可行性分析提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

在四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E、31°16′N(xiāo)）和重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)（108°10′E，30°25′N(xiāo)），分別采集菜地和旱地0～20 cm的耕層土壤（旱地為坡耕地土壤，主要種植玉米）。土樣置于通風(fēng)處陰干后碾碎過(guò)2 mm篩，裝入自封袋于陰涼干燥處保存。4種供試土壤的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the soils

1.2 供試生物質(zhì)炭

供試生物質(zhì)炭購(gòu)自商丘三利新能源公司，是以小麥、花生等農(nóng)作物秸稈混合物為原料，在500℃采用連續(xù)式炭化爐制備得到。基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 供試生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of the biochar

1.3 生物質(zhì)炭添加及土壤DOM浸提實(shí)驗(yàn)

將生物質(zhì)炭置于烘箱中60℃烘干，分別按0、0.5%、1%、2%、3%（質(zhì)量比）加入250 g的4種供試土壤中，充分混均勻后置于塑料小盆內(nèi)。各處理均設(shè)三個(gè)重復(fù)。干濕交替作用為每周一個(gè)周期，稱(chēng)取一定的蒸餾水澆入小盆內(nèi)，使土壤體積含水率達(dá)到0.5 cm3· cm-3，在室內(nèi)自然蒸發(fā)及排水。如此老化三個(gè)月后，盆內(nèi)土壤施炭后的化學(xué)性質(zhì)已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。將盆內(nèi)土壤全部取出，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩待用。

土壤DOM的浸提采用批實(shí)驗(yàn)方法，水土比為10∶1，提取液采用10 mmol·L-1氯化鈣溶液作為支持電解質(zhì)[11]，設(shè)置三次重復(fù)，振蕩4 h，3000 r·min-1、25℃下離心5 min，用0.45 μm的聚醚砜膜過(guò)濾，測(cè)定濾液的三維熒光光譜。

1.4 分析方法

土壤理化性質(zhì)分析：pH值采用精密酸度計(jì)測(cè)定（固液比1 g/5 mL）；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；陽(yáng)離子交換量分別采用乙酸銨交換法（中性土壤）和乙酸鈉法（石灰性土壤）測(cè)定；機(jī)械組成通過(guò)Stoke定律采用吸管法測(cè)定[12]。

生物質(zhì)炭理化性質(zhì)分析：精密酸度計(jì)測(cè)定pH值（固液比1 g/5 mL）；元素分析儀（型號(hào)Euro EA 3000，意大利Eurovector公司）測(cè)定C、H、N含量；比表面積自動(dòng)分析儀（型號(hào)ZXF-06，西北化工研究院）測(cè)定BET比表面積；壓汞儀（型號(hào)PoreMaster 33/60，美國(guó)康塔儀器有限公司）測(cè)定平均孔隙直徑。

DOM含量與組分特征分析：DOC濃度采用TOC自動(dòng)分析儀（型號(hào)Auto Analyzer 3，德國(guó)SEAL Analytical公司）測(cè)定。組分特征采用紫外吸收-三維激發(fā)-發(fā)射熒光光譜儀（型號(hào)Aqualog，日本Horiba JY公司）進(jìn)行表征（3 mL石英比色皿，10×10 mm），檢測(cè)參數(shù)為激發(fā)波長(zhǎng)掃描范圍240～600 nm，發(fā)射波長(zhǎng)掃描范圍250～800 nm，掃描波長(zhǎng)間隔1 nm，掃描速度1200 nm· min-1，積分時(shí)間0.5 s。測(cè)樣前，以Milli-Q超純水拉曼光譜的峰位和信噪比驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定性，以超純水為空白，利用儀器的軟件平臺(tái)扣除樣品測(cè)得的三維熒光光譜（EEM）背景噪音，并進(jìn)行瑞利散射和內(nèi)濾效應(yīng)的校正。在測(cè)定EEM光譜的同時(shí)，獲得相應(yīng)的紫外-吸收光譜，UV波長(zhǎng)掃描范圍為200～600 nm，用于校正內(nèi)濾效應(yīng)及計(jì)算光譜學(xué)參數(shù)。

1.5 吸收光譜和熒光光譜參數(shù)

紫外-可見(jiàn)吸收光譜參數(shù)SUVA254是254 nm波長(zhǎng)處的紫外-可見(jiàn)吸光系數(shù)與樣品的溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度的比值，表征溶解性有機(jī)物的芳香性強(qiáng)弱，其值越大，芳香化程度越高[13]。

腐殖化指數(shù)HIX用來(lái)表征溶解性有機(jī)物的腐殖化程度，其值越高表明有機(jī)物的腐殖化程度越高，穩(wěn)定性越好[14]。本文采用避免內(nèi)濾效應(yīng)干擾的計(jì)算公式，如下：

熒光指數(shù)FI是激發(fā)波長(zhǎng)為370 nm時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)分別在470 nm和520 nm處的熒光強(qiáng)度的比值，用來(lái)表征溶解性有機(jī)物的類(lèi)腐殖質(zhì)來(lái)源，可作為DOM降解程度的指標(biāo)[15]。

1.6 平行因子算法

平行因子算法（PARAFAC）是采用交替最小二乘原理的迭代類(lèi)型的一種三維數(shù)陣分解算法[16]，其將多個(gè)EEMs數(shù)據(jù)構(gòu)成的三維矩陣X（I×J×K）分解為三個(gè)荷載矩陣A、B和C。分解模型可表示為

式中：I為激發(fā)波長(zhǎng)數(shù)，J為發(fā)射波長(zhǎng)數(shù)，K為樣本數(shù)，F(xiàn)為對(duì)體系有貢獻(xiàn)的獨(dú)立熒光組分?jǐn)?shù)；Xijk為第k個(gè)樣本在激發(fā)波長(zhǎng)為i、發(fā)射波長(zhǎng)為j時(shí)的熒光強(qiáng)度；ckf為相對(duì)濃度陣C（K×F）中的元素（k，f）；aif為相對(duì)激發(fā)光譜陣A（I×F）中的元素（i，f）；bjf為相對(duì)發(fā)射光譜陣B（J×F）中的元素（j，f）；eijk為三維殘差數(shù)陣E（I×J×K）中的元素（i，j，k）。

利用SOLO軟件（美國(guó)Eigenvector Research In corporated公司）對(duì)EEM光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平行因子分析。運(yùn)行模型前，將一級(jí)和二級(jí)瑞利散射區(qū)域的熒光強(qiáng)度設(shè)置為缺省值，并對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行非負(fù)限制。組分?jǐn)?shù)范圍擬選為2～6個(gè)，通過(guò)比較不同組分?jǐn)?shù)時(shí)模型的激發(fā)和發(fā)射光譜的方差以及模型擬合的EEM光譜與樣品實(shí)測(cè)的光譜圖是否基本一致來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性，去除異常值；同時(shí)，參考核一致性分析（CORCONDIA）[17]的結(jié)果來(lái)最終確定組分個(gè)數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著性分析采用LSD分析，顯著水平設(shè)定為0.05；利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及圖表制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤DOM含量的影響

在光譜學(xué)被較多地用于表征DOM的組分特性之前，傳統(tǒng)方法通常以DOC來(lái)表征DOM的總體含量。如圖1所示，石灰性和中性紫色土旱地的對(duì)照土壤DOM的平均含量分別為43、65 mg DOC·kg－1，相應(yīng)菜地的對(duì)照土壤分別為110、105 mg DOC·kg－1，兩種紫色土菜地土壤的DOM含量都高于旱地土壤。一方面是由于DOM含量與土壤總有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，菜地土壤的有機(jī)質(zhì)總量高于旱地；另一方面與土壤顆粒組成有關(guān)，一般認(rèn)為有機(jī)碳在土壤砂粒中的活性最強(qiáng)，粉粒次之，而在粘粒中處于惰性狀態(tài)。本文中菜地土壤具有更高的砂粒含量，石灰性和中性紫色土分別為64%和63%，而旱地土壤相應(yīng)為47%和49%。因此，菜地土壤中的有機(jī)碳可能具有更高的活性，也更容易被水提取出來(lái)。

圖1 生物質(zhì)炭施用量對(duì)供試紫色土DOM含量的影響Figure 1 Effects of applying different amount of biochar on DOC concentration of extracted DOM in the tested soils

供試土壤中投加生物質(zhì)炭并經(jīng)過(guò)老化后，相同投加量下不同土壤中提取的DOM含量有所差異，同種土壤在不同投加量下的DOM含量也有所不同。大體上看，兩種中性紫色土DOM含量的變化規(guī)律一致，均呈先降低后增加的趨勢(shì)：在投加量1%時(shí)最低（菜地和旱地土壤浸提液中DOM含量分別減少了45%和32%），而當(dāng)投加量增加至3%時(shí)仍然低于對(duì)照土壤。另外，菜地和旱地石灰性紫色土的變化規(guī)律也一致，均呈降低后增加又降低的趨勢(shì)，DOM含量在投加量0.5%時(shí)最低（如菜地土壤減少了20%）。

由此看出，施炭的影響因土壤種類(lèi)及土地利用類(lèi)型而異。一般認(rèn)為，DOM主要來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)的礦化溶出、微生物分解及植物殘?bào)w的腐解，所以，加炭后所引起的土壤性質(zhì)、微生物活動(dòng)的變化及生物質(zhì)炭本身的性質(zhì)是影響土壤中DOM產(chǎn)生的主要因素。一方面，加炭可導(dǎo)致DOM增加：DOM是土壤微生物最直接利用的有機(jī)碳源，加炭后土壤pH值增加，可增強(qiáng)微生物活性，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解[17]。也有研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭中有一部分有機(jī)成分比較活躍，相對(duì)土壤中的有機(jī)物更容易被微生物利用，使微生物活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)土壤自身有機(jī)質(zhì)的分解代謝[18]。pH值的增加也可導(dǎo)致DOM的可溶性增加，并促進(jìn)DOM在土壤礦物上的解吸。本文中施炭對(duì)中性紫色土pH值的影響更為顯著（數(shù)據(jù)未顯示），兩種中性紫色土在高投加量下DOM的增加趨勢(shì)也許與這種作用有關(guān)。另一方面，也存在加炭使DOM減少的機(jī)理：由于生物質(zhì)炭本身為多孔吸附材料，具有較大的比表面積，能夠吸附固定一部分的有機(jī)質(zhì)分子[19]。還有研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭向土壤中引入大量的鈣離子，可促使土壤保持更多的腐殖質(zhì)，從而在一定程度上抑制DOM的形成[20]。

因此，土壤DOM的含量在不同生物質(zhì)炭投加量下表現(xiàn)出增加或減少的非單調(diào)性變化，是受以上兩方面作用共同影響的，取決于相互消漲關(guān)系的變化。此外，上述結(jié)果也可能受到干濕交替周期及DOM浸提水土比等實(shí)驗(yàn)條件的影響。需要指出，本文中DOM的提取是在不考慮土壤物理結(jié)構(gòu)（尤其是孔隙系統(tǒng)）的變化下進(jìn)行的，而施炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)尤其是孔隙分布的影響可能是造成土壤DOM含量變化的潛在因素。田間條件下生物炭施用對(duì)土壤孔隙水中DOM含量的影響需通過(guò)野外小區(qū)試驗(yàn)加以系統(tǒng)研究。

2.2 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤DOM光譜學(xué)特征的影響

2.2.1 光譜學(xué)特征參數(shù)分析

本研究采用的生物質(zhì)炭與加炭土壤中所提取DOM的三維熒光光譜如圖2和圖3所示。

生物炭本身含有可溶出的DOM組分，并具有較強(qiáng)的熒光響應(yīng)。以纖維素為主的秸稈在熱解過(guò)程中逐漸形成高度芳香化的炭基結(jié)構(gòu)，但通常由于炭化不完全，得到的生物質(zhì)炭中除了含有無(wú)機(jī)鹽等灰分還具有一部分有機(jī)的活性成分，其組分特征及含量取決于生物質(zhì)炭的原料種類(lèi)及炭化條件。如圖2a所示，本研究采用的生物質(zhì)炭中DOM具有2個(gè)激發(fā)峰（Ex）和1個(gè)發(fā)射峰（Em），分別位于Ex/Em為230～270 nm/370～450 nm和290～320 nm/400～420 nm區(qū)域。相比之下，以石灰性紫色土旱地土壤為例（圖2b、圖2c），在相同浸提條件下獲得的土壤DOM的熒光強(qiáng)度明顯低于生物質(zhì)炭中的DOM，卻具有更大的熒光響應(yīng)區(qū)域，反映了土壤中更為復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)成分。例如，在Ex/Em為260～280 nm/280～320 nm區(qū)域出現(xiàn)的響應(yīng)，表明土壤DOM含有一個(gè)生物質(zhì)炭中沒(méi)有的類(lèi)蛋白組分。

圖2 生物質(zhì)炭與老化前后施炭土壤中DOM的三維熒光光譜圖Figure 2 EEM fluorescence spectra of biochar and one studied biochar-added soil prior to and after ageing

圖3 不同生物質(zhì)炭投加量下老化供試土壤中DOM的三維熒光光譜圖Figure 3 EEM fluorescence spectra of studied soils applied with varying amount of biochar

圖2的結(jié)果還表明，老化對(duì)加炭土壤DOM的含量與組分特征有顯著的影響。土壤中新鮮加炭后立刻提取DOM，其熒光強(qiáng)度會(huì)大幅增強(qiáng)，可能是生物炭自身溶出DOM的貢獻(xiàn)，但考慮到投加量最高僅為3%，這種貢獻(xiàn)也十分有限。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新鮮加炭后土壤溶液的pH值顯著增加（由7.11增加至7.66），從而導(dǎo)致土壤DOM的溶解性增加。這可能是熒光增強(qiáng)的直接原因，在文獻(xiàn)中也有相關(guān)的報(bào)道[19]。然而，這種變化是暫時(shí)的，經(jīng)過(guò)干濕交替的老化作用，這種影響會(huì)逐漸消失，土壤溶液的pH值會(huì)降低到對(duì)照土壤的水平（7.18～7.14），DOM的熒光強(qiáng)度也相應(yīng)地明顯減弱?，F(xiàn)有的有關(guān)生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤性質(zhì)以及土壤中污染物吸附－解吸過(guò)程的影響研究中，研究者往往采用土壤中新鮮加炭的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，然而老化才更接近田間土壤的實(shí)際情況，因而老化過(guò)程是該類(lèi)研究應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

圖3為四種供試土壤在添加不同量的生物質(zhì)炭并老化后所提取DOM的熒光光譜圖。結(jié)果表明，不同紫色土類(lèi)型及土地利用方式間具有明顯的差異。大體上看，菜地土壤DOM的熒光強(qiáng)度都高于旱地土壤，并且石灰性土壤略高于中性土壤。這與它們相應(yīng)的DOM含量的趨勢(shì)基本一致，反映了熒光強(qiáng)度與DOM含量在一定程度上的相關(guān)性。對(duì)于同種土壤中DOM的熒光強(qiáng)度和響應(yīng)區(qū)域，加炭與否并無(wú)明顯不同，不同生物質(zhì)炭投加量處理間的熒光強(qiáng)度只是略有增強(qiáng)或減弱。

為了明確量化施炭前后土壤DOM的差異，本文對(duì)光譜學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理并計(jì)算了三個(gè)經(jīng)典的光譜學(xué)特征參數(shù)，結(jié)果如圖4所示。首先，SUVA254指數(shù)（以均值顯示，|標(biāo)準(zhǔn)差|＜0.69）為單位溶解性有機(jī)碳的紫外吸收強(qiáng)度，可反映DOM的芳構(gòu)化程度。不同土地利用類(lèi)型的紫色土DOM在該值上有較大差異。兩種紫色土菜地對(duì)照土壤DOM的SUVA254指數(shù)為0.028和0.029，都高于旱地土壤（0.015），反映出菜地土壤有機(jī)質(zhì)的芳香性高于旱地。加炭后，石灰性紫色土旱地土壤DOM的SUVA254指數(shù)介于1.842～4.145 L·mg－1·m－1之間，中性紫色土旱地略高（3.455～4.606 L·mg－1·m－1）；兩種紫色土的菜地土壤則差異不大，與均介于4.606～7.370 L·mg－1·m－1之間。

其次，供試土壤的HIX指數(shù)介于0.75～0.90之間，石灰性紫色土旱地總體最低，在0.75～0.81之間，兩種紫色土的菜地土壤均高于旱地土壤，表明菜地土壤中溶出DOM的腐殖化程度最高。這與菜地一年多季作物種植、翻耕和施農(nóng)家肥等有關(guān)，因?yàn)檫@些種植活動(dòng)和農(nóng)藝措施的強(qiáng)度高于旱地（以冬小麥－夏玉米輪作最為常見(jiàn)）。此外，各處理的FI指數(shù)范圍在1.6～1.9之間。依據(jù)水體中DOM的來(lái)源分類(lèi)[21]：當(dāng)FI＞1.9時(shí)，DOM源于水體中細(xì)菌和藍(lán)藻的胞外釋放及滲出液；FI＜1.4時(shí)，DOM源于陸生植物和土壤有機(jī)質(zhì)。本研究中，除石灰性紫色土旱地外，所測(cè)土壤DOM的FI值均集中在1.6～1.7之間，基本反映了土壤有機(jī)質(zhì)源的基本特征。

圖4 不同生物質(zhì)炭投加量下供試紫色土DOM的光譜學(xué)特征參數(shù)Figure 4 Spectroscopic indices of DOM extracted from soils amended with varying amount of biochar

在本研究所采用的投加量范圍內(nèi)，生物質(zhì)炭并未對(duì)上述光譜學(xué)特征參數(shù)值產(chǎn)生明顯的影響，表明盆缽培養(yǎng)和干濕交替處理實(shí)驗(yàn)條件下，生物質(zhì)炭帶入土壤的熒光活性組分經(jīng)老化淋濕作用后不能影響土壤的熒光特性。

2.2.2 三維熒光光譜平行因子分析

通過(guò)EEM光譜的平行因子三線(xiàn)性分解法，本文首次分析了長(zhǎng)江上游中性和石灰性紫色土地區(qū)典型耕地土壤中DOM的組成特征。在對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析時(shí)，當(dāng)組分?jǐn)?shù)由2提高到3時(shí)激發(fā)和發(fā)射光譜的殘差平方和曲線(xiàn)變得更加平滑，而當(dāng)組分?jǐn)?shù)增至4時(shí)，沒(méi)有發(fā)生明顯變化。樣品實(shí)測(cè)的EEM圖譜與模型擬合的結(jié)果基本一致，相應(yīng)的殘差強(qiáng)度很低且沒(méi)有明顯的熒光峰，僅個(gè)別樣品在激發(fā)波長(zhǎng)200～300 nm處有微弱的小峰出現(xiàn)，系由二級(jí)瑞利散射區(qū)邊緣的干擾所致，不會(huì)對(duì)模型分析結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)組分由3增加至4時(shí)，核一致性由90%迅速降低至0附近，因此將本研究中模型的最佳因子數(shù)確定為3。

圖5為模型擬合出的三個(gè)DOM單組分的EEM圖譜。它們分別以C1、C2和C3表示，相應(yīng)的熒光峰位置分別為Ex：240/Em：480；Ex：240（320）/Em：400；Ex：240（280）/Em：340。

組分C1具有單一激發(fā)峰和發(fā)射峰，主要為長(zhǎng)波類(lèi)腐殖質(zhì)，以腐植酸為代表，在其他文獻(xiàn)中也有類(lèi)似組分的報(bào)道[21－24]。該組分較為常見(jiàn)，主要為陸源的分子量較大的芳香氨基酸腐殖質(zhì)，也是濕地和森林環(huán)境中含量最高的一類(lèi)腐殖物質(zhì)。

組分C2具有2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，位于傳統(tǒng)的A峰（230～260 nm/380～460 nm）和M峰（290～310 nm/370～420 nm）區(qū)域，與文獻(xiàn)[25]中的C1（250、320 nm/400 nm）相似，文獻(xiàn)[6]和[21]也有類(lèi)似的組分。文獻(xiàn)[26]指出該組分為短波類(lèi)腐殖質(zhì)，以富里酸為代表，主要來(lái)源于陸生植物或土壤有機(jī)物（除浮游植物和水體微生物代謝外的陸源輸入）[22]。

組分C3也有2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的T峰[270～280（＜240 nm）/330～370 nm]，主要為類(lèi)蛋白物質(zhì)，以類(lèi)色氨酸為代表，主要由內(nèi)源或微生物過(guò)程產(chǎn)生，游離或結(jié)合在蛋白質(zhì)中以指示完整的蛋白質(zhì)或較少的降解的縮氨酸[26]。農(nóng)田土壤中存在的該類(lèi)物質(zhì)也可能與居民生活污水的影響有關(guān)[27]。

平行因子分析結(jié)果表明，供試土壤中含有兩種類(lèi)腐殖質(zhì)（C1和C2）及一種類(lèi)蛋白質(zhì)（C3）組分，圖6顯示了不同土壤中各組分的相對(duì)含量（以三個(gè)平行樣品的載荷平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）的差異及其隨生物質(zhì)炭添加量的變化規(guī)律。模型計(jì)算的結(jié)果與圖3中各土壤相應(yīng)的實(shí)測(cè)熒光強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系非常一致。三種組分的含量在不同土壤中均表現(xiàn)為C1＞C2＞C3，即DOM中腐植酸含量較高，類(lèi)蛋白質(zhì)含量最低。三種組分在不同類(lèi)型土壤中的含量有所差異，菜地土壤中各組分的含量都高于旱地土壤，其中石灰性紫色土菜地土壤中DOM的C1組分高，而石灰性紫色土旱地最低。這可能與菜地土壤中農(nóng)家肥和有機(jī)物料的投入強(qiáng)度以及有機(jī)質(zhì)含量均高于旱地土壤有關(guān)。生物質(zhì)炭投加量的不同并未造成溶出DOM各組分含量的顯著改變（P>0.05）。

圖5 PARAFAC模型擬合的供試紫色土DOM單組分的三維熒光光譜圖Figure 5 EEM spectra of three PARAFAC－identified fluorescent components of DOM in the tested soils

圖6 不同土壤中DOM三種PARAFAC組分的載荷及其隨生物質(zhì)炭投加量的變化Figure 6 Loadings of three PARAFAC-identified components of DOM in the tested soils with/without biochar amendment

綜上，本文主要結(jié)果表明，在紫色土農(nóng)田中投加該種生物質(zhì)炭不會(huì)改變土壤中可能溶出的有機(jī)物的組成特征。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步探索在田間條件下紫色土DOM的溶出及淋失規(guī)律，并考察生物質(zhì)炭施用的長(zhǎng)期影響。

3 結(jié)論

（1）紫色土耕地土壤中溶出DOM由兩種類(lèi)腐殖質(zhì)和一種類(lèi)蛋白質(zhì)組成，其中類(lèi)腐殖質(zhì)的熒光強(qiáng)度均高于類(lèi)蛋白質(zhì)；兩種紫色土的菜地土壤中各組分的含量都高于旱地土壤，其芳香性和腐殖化程度也都高于旱地土壤。

（2）土壤DOM含量在加炭后有顯著變化，在投加量范圍（0.5%～3%）內(nèi)中性與石灰性土壤分別表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，但在低投加量（0.5%）下的DOM含量都低于對(duì)照土壤。

（3）以多種光譜學(xué)參數(shù)表征的土壤DOM組成特征在加炭并老化后無(wú)顯著變化。

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Effects of biochar application on content and characteristics of dissolved organic matter in arable land of purple soil

LIU Hui-yun1,2,XIAN Qing-song1,2,LIU Chen1*,TANG Xiang-yu1
（1.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Science,Chengdu 610041,China;2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China）

This study characterized dissolved organic matter（DOM）in two typical arable lands of calcareous and neutral purple soil（dry land and vegetable field）that is abundantly distributed in Sichuan hilly area.Effects of biochar application（at rates of 0.5%～3.0%）on the concentration and composition of soil DOM was studied after three-months of dry-wet alternate aging process.The content and compositional characteristics of DOM were characterized by the concentration of dissolved organic carbon（DOC）and spectroscopic characteristics.Results show that concentrations of DOM extracted from calcareous and neutral purple soils are 43 and 65 mg DOC·kg-1for dry land,and 110 and 105 mg DOC·kg-1for vegetable field,respectively.Changes in DOM contents due to biochar application vary from soils.Aromaticity and the extent of humufication of DOM in the vegetable field soils are significantly higher than the dry land soils.Two humic-like components and one tryptophan-like component are identified using fluorescence excitation-emission matrix combined with parallel factor analysis（EEMs-PARAFAC）.All of these components in vegetable field soils have higher intensities,aromaticity and humification degree than that of dry land soils.Biochar application pose no significant effects on the characteristics of soil DOM according to the results of spectroscopic analyses.

purple soil;biochar;dissolved organic matter（DOM）;fluorescence EEM;parallel factor analysis

S153

A

1672-2043（2017）04-0718-09

10.11654/jaes.2016-1538

2016-12-01

劉慧云（1991—），女，碩士研究生，從事土壤有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化行為研究。E-mail：liuhy@imde.ac.cn

*通信作者：劉琛E-mail：chen1017@imde.ac.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41301549，41471268）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41301549，41471268）

劉慧云，鮮青松，劉琛，等.生物質(zhì)炭對(duì)紫色土耕地土壤中溶解性有機(jī)物含量和組成特征的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（4）：718-726.

LIU Hui-yun,XIAN Qing-song,LIU Chen,et al.Effects of biochar application on content and characteristics of dissolved organic matter in arable land of purple soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（4）:718-726.