渭北果園綠肥腐解溶解性有機(jī)物的釋放特征

張榮琴，劉 辰，李夏浩祺，楊劍鋒，李會(huì)科

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌 712100）

綠肥作為一種重要的有機(jī)肥，常以經(jīng)濟(jì)作物間套作、綠肥田間翻壓等形式廣泛用于有機(jī)農(nóng)業(yè)，進(jìn)而改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤保水能力，并緩解單純使用化肥造成的土壤有機(jī)質(zhì)下降等問題[1-2]。不同生草物質(zhì)綠肥的腐解過程中養(yǎng)分的釋放、吸收和利用因生草物質(zhì)的植物特性而有所不同，綠肥能否有效的腐解，對(duì)改良土壤和植物提供生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分起著關(guān)鍵的作用[3]。相關(guān)研究認(rèn)為綠肥迅速腐解，不僅能夠提高土壤微生物的活性，增強(qiáng)土壤微生物的活動(dòng)度，而且加速土壤微生物的繁殖[4]。綠肥腐解的程度直接影響自身所釋放的、能夠被作物吸收利用的養(yǎng)分，腐解程度越高越有利于土壤肥力的提升。基于上述分析發(fā)現(xiàn)不同生草物質(zhì)綠肥生產(chǎn)能力和養(yǎng)分釋放能力上存在著明顯差異，綠肥的腐解為土壤質(zhì)量的改善注入新的契機(jī)。因此，研究不同生草物質(zhì)綠肥在果園土壤腐解的釋放特征，對(duì)了解果園土壤有機(jī)質(zhì)的變化及果園土壤管理具有非常重要的意義。

目前，多數(shù)研究對(duì)綠肥間作覆蓋或翻壓過程中自身腐解特性和養(yǎng)分釋放規(guī)律等較為關(guān)注。如寧東峰等[5]研究了翻壓禾本科植物黑麥草(Lolium perenne)等在15?20 cm 土層生草物質(zhì)腐解過程中養(yǎng)分釋放規(guī)律。潘福霞等[6]研究旱地條件下箭筈豌豆(Vicia sativa)、苕子(V.villosa)、山黧豆(Lathyrus palustris)3種綠肥的腐解和養(yǎng)分釋放，結(jié)果均表明在翻壓15 d內(nèi)腐解速率較快，能夠達(dá)到50%以上。楊洪曉等[7]對(duì)鼠茅草(Vulpia myuros)的腐爛分解的研究發(fā)現(xiàn)，一些基本養(yǎng)分如碳、氮、磷會(huì)隨鼠茅草的腐解而釋放出來。盡管這些研究對(duì)綠肥腐解過程養(yǎng)分釋放的特征做了詳細(xì)的報(bào)道，仍然沒有揭示出不同生草物質(zhì)的腐解過程中溶解性有機(jī)物(DOM)的釋放規(guī)律。

DOM 是土壤最具活性有機(jī)質(zhì)組分，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)重要的參考指數(shù)。不同的外源有機(jī)物的輸入勢(shì)必會(huì)改變DOM 的含量、組分和光譜特征。此外，在同一生外源有機(jī)物輸入的條件下，發(fā)現(xiàn)隨著生物覆蓋年限的增加，草種對(duì)土壤DOM的貢獻(xiàn)效果越來越好，但是生草12 年后草種處于衰敗期，這使得向土壤中輸入養(yǎng)分的貢獻(xiàn)能力減弱，所以亟需探索一種長(zhǎng)期可持續(xù)、可循環(huán)的生草模式，來最大化利用綠肥作物在農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量改善方面的效益，即：如何將退化后的生草物質(zhì)作為植物殘?jiān)纸庥糜谕寥烙袡C(jī)養(yǎng)分的輸入，進(jìn)而改善土壤DOM含量。研究認(rèn)為植物殘?bào)w是土壤養(yǎng)分的重要來源，而且也作為重要的有機(jī)質(zhì)，對(duì)維持土壤生產(chǎn)力有著非常重要的作用[8]，所以進(jìn)一步明確生草分解過程中DOM的釋放特征，對(duì)揭示養(yǎng)分的釋放和積累、探索適宜的果園綠肥腐解模式具有重要的理論指導(dǎo)作用。

本研究以白三葉(Trifolium repens)、雞腳草(Dactylis glomerata)、小冠花(Securigera varia)作為腐解材料，探究不同種類生草物質(zhì)在腐解過程中釋放所固持的溶解性有機(jī)養(yǎng)分能力，為后期生草物質(zhì)的翻壓分解提供理論指導(dǎo)，以期改善土壤質(zhì)量，科學(xué)經(jīng)營(yíng)果園，進(jìn)而促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)位于陜西省白水縣西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果試驗(yàn)站，于2019年6月6日釆集蘋果園行間生草自然條件下12年生白三葉(WC)、雞腳草(OG)和小冠花(CV)。采集前在果樹各草種行間生草區(qū)間隔處劃分出1 m2小區(qū)，每種生草行間設(shè)置3個(gè)同類小區(qū)，然后在小區(qū)內(nèi)用鐵鍬依次將3種草的地上和地下部分全部挖出，輕輕抖掉附著表面的土壤，之后將各草種鮮樣地上和地下部分剪成約2 cm 長(zhǎng)的片段，充分混合均勻后置于長(zhǎng)25 cm、寬16 cm、網(wǎng)眼大小為75μm 的尼龍網(wǎng)袋中，每個(gè)網(wǎng)袋稱取混合后的樣品50 g 待埋，每個(gè)處理18袋，總計(jì)54袋樣品。

1.2 腐解試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將事先處理好的置于尼龍網(wǎng)袋中的樣品就地埋于清除雜草后試驗(yàn)田塊的果樹行間，深度15～20 cm，各草種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，總計(jì)9小區(qū)。將尼龍網(wǎng)袋水平放置無重疊，每袋間隔20 cm 做好標(biāo)簽，覆土使其與地面平齊，在自然田間環(huán)境條件下分解。分別于10、20、30、40、50、60 d 取樣，每次每個(gè)處理隨機(jī)挖取3個(gè)樣品，去除表面的浮土雜物，聯(lián)合網(wǎng)袋置于塑封袋后一起帶回實(shí)驗(yàn)室。樣品拿到實(shí)驗(yàn)室后，處理掉袋上的雜草和土后置于60℃烘箱烘48 h，將烘干的樣品經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎，一部分過0.25 mm篩子用于測(cè)定植物全氮、全磷、全鉀；另一部分過0.15 mm 篩子用于提取溶解性有機(jī)物（DOM）。每一個(gè)草種隨機(jī)選擇1 m×1 m樣地的樣本進(jìn)行生物量評(píng)估，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。對(duì)各處理地上部分生物量進(jìn)行稱重，地下部分生物量采集深度分別為0? 20、20 ? 40和40? 60 cm，并依次稱重。各生草草種地上和地下部分生物量的參考Yang 等測(cè)定值[9]。綠肥在腐解過程降水量和氣溫如圖1所示。

圖1 各生草物質(zhì)在腐解過程中的降水量和溫度Figure 1 Precipitation and temperature during decomposition of different grasses

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

植物全氮測(cè)定方法為樣品經(jīng)濃硫酸–雙氧水消煮后，用凱氏定氮法測(cè)定；植物全磷測(cè)定方法為釩鉬黃比色法；植物鉀采用原子吸收光譜儀(PE-PinAAcle 900F,PerkinElmer)進(jìn)行測(cè)定，溶解性有機(jī)碳(DOC)含量采用島津TOC分析儀測(cè)定[10]。DOM的提?。悍Q取3 g 過0.15 mm 篩子的腐解樣品于50 mL離心管中，加入30 mL 蒸餾水，恒溫(60℃)搖床180 r·min?1振 蕩30 min 之 后，將 樣 品 以8 000 r·min?1的速度離心6 min，然后通過0.45μm 過濾器過濾即得到測(cè)定濾液[11]。所得濾液用于后期溶解性有機(jī)碳含量以及紫外、熒光光譜的測(cè)定。各處理鮮樣木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量采用Van Soest[12]方法進(jìn)行測(cè)定。可溶性糖和淀粉用蒽酮比色法，其中可溶性糖用無水乙醇法提取，淀粉用高氯酸法提取[13]。

1.4 光譜指標(biāo)與PARAFAC模型

為了評(píng)估DOM的組成，應(yīng)用EEMs(F97 Pro,棱光技術(shù),中國(guó))分析樣品的熒光組分。熒光激發(fā)波長(zhǎng)范圍為200～500 nm，激發(fā)采樣間隔為5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為250～550 nm，發(fā)射采樣間隔為2 nm，掃描速度為1 200 nm·min?1。用平行因子(PARAFAC)方法對(duì)三維熒光光譜分析結(jié)果進(jìn)行分組和鑒定。PARAFAC過程使用MATLAB 7.0(Mathworks，Natick，MA)和DOM Fluor 工具箱。

腐殖化指標(biāo)(HIX)描述的是DOM的腐殖化程度，HIX 值越高腐殖化程度越高[14]。以激發(fā)波長(zhǎng)為254 nm 時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)分別為435～480和300～345 nm熒光積分的比值。熒光指數(shù)(FI)作為DOM來源指標(biāo)，當(dāng)FI>1.8，微生物來源；當(dāng)FI<1.2，植物殘留物和有機(jī)物。該值是激發(fā)波長(zhǎng)為370 nm 時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)為470和520 nm 熒光強(qiáng)度的比值。紫外可見吸收光譜(SUVA254)是254 nm 波長(zhǎng)處的紫外可見吸光系數(shù)與樣品的溶解性有機(jī)碳濃度的比值，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[15]。斜率比(SR)表示為275～295 nm 總吸光值與在350～400 nm 處總吸光度值的比值，其值與有機(jī)物分子量變化成反比[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 分析平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中，不同處理在腐解過程中溶解性有機(jī)物含量和特征參數(shù)指標(biāo)、各草種基本養(yǎng)分指標(biāo)、品質(zhì)以及生物量指標(biāo)差異顯著性采用單因素方差分析，不同草種之間為Duncan 比較(P< 0.05)。采用Origin 9.0進(jìn)行主成分分析(PCA)，Sigmaplot 12.0繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機(jī)碳含量變化

通常DOM的含量一般用DOC來表示。不同生草物質(zhì)新鮮樣品DOC 含量大小依次為小冠花> 雞腳草> 白三葉，其值分別為71.64±8.76、67.22 ±2.32和64.33±5.30 g·kg?1(表1)。綠肥腐解過程中DOC的釋放規(guī)律的變化趨勢(shì)相同，隨著腐解天數(shù)的增加溶解性有機(jī)碳的含量逐漸減少(圖2)。腐解初期，各生草物質(zhì)迅速分解，之后進(jìn)入緩慢分解階段，釋放逐漸趨于穩(wěn)定。各生草物質(zhì)前期，腐解速率大小為白三葉> 小冠花>雞腳草。白三葉處理顯著高于小冠花和雞腳草(P< 0.05)。

圖2 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機(jī)碳含量的變化Figure 2 Variation of dissolved organic carbon in different grass species during decomposition

表1 不同生草物質(zhì)養(yǎng)分指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)Table1 Nutrient and quality indicatorsof different herbagespecies

2.2 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機(jī)物的特性

2.2.1 EEM-PARAFAC分析確定的3個(gè)組分物質(zhì)圖

利用EEM-PARAFAC分析以及與前人研究對(duì)比分析，鑒定出1個(gè)類腐殖酸組分(C1)和2個(gè)類蛋白質(zhì)組分(C2、C3)(圖3和表2)。C1的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為325和440 nm，類似于陸生類腐殖質(zhì)成分，存在于濕地和各種農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域。C2的激發(fā)波長(zhǎng)為285 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為340 nm，屬于類蛋白質(zhì)組分。C3激發(fā)波長(zhǎng)小于240，發(fā)射波長(zhǎng)為320 nm，是一種微生物衍生的DOM類酪氨酸物質(zhì)。各個(gè)物質(zhì)組分的物質(zhì)特性的描述如表2所列。

表2 本研究所鑒定的各組分熒光特性與前人研究的比較Table2 Spectral characteristicsof the fivecomponentsidentified by PARAFAC in the present study and comparisons with previousstudies

圖3 草種腐解溶解性有機(jī)物中3種組分熒光光譜等值線Figure 3 Contour plotsof thethree componentsidentified by EEM-PARAFAC analysis

2.2.2 不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光強(qiáng)度的變化

不同生草物質(zhì)腐解樣品EEM-PARAFAC組分的熒光強(qiáng)度如圖4所示。60 d 的腐解過程中，不同生草物質(zhì)DOM 的熒光強(qiáng)度依次遞減，且各生草物質(zhì)類蛋白質(zhì)組分的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于類腐殖酸組分?？偀晒鈴?qiáng)度的值豆科植物白三葉和小冠花高于禾本科雞腳草。各生草物質(zhì)腐解中3個(gè)組分中C2組分占主導(dǎo)地位，且熒光強(qiáng)度占比最高。白三葉生草物質(zhì)含有3種組分物質(zhì)，而小冠花和雞腳草在腐解后期C3組分基本消失，主要含有C1和C2兩種組分。

圖4 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機(jī)物的5個(gè)組分的熒光強(qiáng)度Figure4 Fluorescence intensitiesof dissolved organic matter componentsin different grassspeciesduring decomposition

2.2.3 不同生草物質(zhì)腐解過程中溶解性有機(jī)物的質(zhì)量指標(biāo)變化

不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光指標(biāo)(FI)、腐殖化指標(biāo)(HIX)、紫外指標(biāo)(SUVA254)和斜率比(SR)值的變化如圖5所示。各生草物質(zhì)在腐解的過程中FI值大小依次為小冠花> 白三葉>雞腳草。其中小冠花處理FI值大于1.8，WC和雞腳草處理FI值小于1.8；HIX 值大小依次為小冠花> 雞腳草> 白三葉，隨著腐解天數(shù)的增加小冠花和雞腳草處理HIX增加，而白三葉處理基本無明顯變化；SUVA254值大小依次為雞腳草> 小冠花> 白三葉，且隨著腐解天數(shù)依次增大；SR值無明顯變化趨勢(shì)。

圖5 不同生草物質(zhì)腐解過程中熒光指標(biāo)、腐殖化系數(shù)、紫外可見吸收光譜和斜率比的變化Figure5 Changesin thefluorescenceindex,humification index, UV-Vis spectral parameter,and sloperatio in different grassspeciesduring decomposition

2.3 溶解性有機(jī)物含量、組分和光譜特征的主成分分析

為進(jìn)一步綜合探討禾本科和豆科之間溶解性有機(jī)物各指標(biāo)之間的差異，采用主成分分析(PCA)對(duì)能反映土壤溶解性有機(jī)物的含量、組分以及紫外光譜的8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維。結(jié)果表明，白三葉處理提取出3個(gè)主成分，反映了91.83%的原始數(shù)據(jù)信息量；而小冠花和雞腳草處理提取2個(gè)主成分，分別反映了73.98%和78.78%的原始數(shù)據(jù)信息量(表3)。其中白三葉處理在第1主成分中溶解性有機(jī)碳、C1、C2、C3組分具有較大的正系數(shù)，表明第1主成分主要反映了溶解性有機(jī)物的含量及組分的特征，第2主成分中腐殖質(zhì)化程度值具有較大的正系數(shù)，說明第2主成分主要反映各草種腐解過程中微生物活性差異。雞腳草和小冠華處理第1主成分和第2主成分所反映的結(jié)果類似。

表3 不同指標(biāo)的主成分分析Table 3 Principal component analysis on different indicators

本研究進(jìn)一步以第1主成分為橫坐標(biāo)，第2主成分為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖(圖6)。值得注意的是，從主成分得分的散點(diǎn)圖可以看出豆科植物與禾本科植物差異明顯，白三葉處理對(duì)第1主成分解釋得分最高，而小冠花處理對(duì)第2主成分的解釋得分最高。

圖6 不同處理2個(gè)主成分的散點(diǎn)圖Figure 6 Scatterplot of two principal components in different grass species

3 討論與結(jié)論

綠肥腐解過程受到自身性質(zhì)如綠肥含水量、化學(xué)組成和含量等的影響[27-29]。本研究結(jié)果顯示，不同種類草種腐解過程中DOM的釋放變化趨于一致。腐解初期，各生草物質(zhì)迅速分解，之后進(jìn)入緩慢分解階段，所釋放的溶解性有機(jī)物的含量逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于各生草物質(zhì)在腐解前期含有大量豐富的可溶性有機(jī)物以及無機(jī)養(yǎng)分，能夠滿足微生物生長(zhǎng)所需的能源和養(yǎng)分，大量微生物繁殖進(jìn)而加速生草物質(zhì)的腐解過程[29-30]；腐解前期，各生草物質(zhì)腐解速率大小為白三葉> 小冠花> 雞腳草，且白三葉處理顯著高于小冠花處理和雞腳草處理。這可能是因?yàn)榘兹~草含有較低的纖維素含量，且其碳氮比值利于微生物的分解，所以腐解時(shí)易于釋放溶解性有機(jī)物，而小冠花和雞腳草處理的纖維素含量較高，對(duì)溶解性有機(jī)物含量釋放較為緩慢。所以，前期豆科植物白三葉腐解速率大于小冠華和雞腳草[31-32]。

總熒光強(qiáng)度的值白三葉處理高于小冠花和雞腳草。這可能是因?yàn)榘兹~草及其根系環(huán)境對(duì)微生物功能的影響較大[33]，進(jìn)而在微生物的作用下更有利于分解，釋放出更多的溶解性有機(jī)物，所以熒光強(qiáng)度的值高于小冠花和雞腳草處理。此外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)白三葉生草物質(zhì)鑒定出3種組分物質(zhì)，小冠花和雞腳草在腐解后期C3組分基本消失。這主要?dú)w因于白三葉草生物量較大、碳氮比值利于微生物的分解，在微生物的作用下分解很多較難且分子量較大的一些溶解性有機(jī)物[34]。各生草物質(zhì)類蛋白質(zhì)組分的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于類腐殖酸組分，這與綠肥作物含有大量多糖、氨基酸、有機(jī)酸和粗蛋白物質(zhì)有關(guān)，這些物質(zhì)大都是水溶性有機(jī)物等易分解的物質(zhì)，可以較快腐解為蛋白質(zhì)類物質(zhì)[35-36]。

FI能夠區(qū)別溶解性有機(jī)物(DOM)的陸生植物來源和微生物來源相對(duì)比重[11]。本研究結(jié)果顯示小冠花處理FI> 1.8，說明在腐解的過程中微生物源為DOM的主要來源，而白三葉和雞腳草是混合來源，即陸生植物腐殖質(zhì)和微生物源。白三葉處理殖質(zhì)化系數(shù)值顯著低于小冠花和雞腳草處理，這可能是隨著腐解天數(shù)白三葉草在較強(qiáng)的微生物的作用下腐解后，剩余的殘留物中主要是難分解的一些大分子量的有機(jī)物，而這些有機(jī)物很難被微生物分解[26,37]。不同生草物質(zhì)腐解過程中紫外指標(biāo)SUVA254和SR值在各種草腐解的過程中的變化趨勢(shì)說明隨著生草物質(zhì)的腐解，物質(zhì)的芳香性越來越高，易分解的物質(zhì)在腐解的過程中被逐漸消耗，芳香類物質(zhì)所占的比例越來越高，最后成為越來越穩(wěn)定的物質(zhì)[11]。腐殖化系數(shù)隨生草物質(zhì)腐解增大的趨勢(shì)也進(jìn)一步闡明該結(jié)果，這種綠肥腐解過程中伴隨著腐殖化作用非常有益于改良土壤。主成分分析的結(jié)果表明，以反映溶解性有機(jī)物的含量和組分為主要貢獻(xiàn)的白三葉處理的主成分綜合得分最佳。

綜合溶解性有機(jī)物含量、組分和光譜參數(shù)變化特征以及主成分分析的結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)與小冠花和雞腳草相比，豆科植物白三葉作為腐解材料時(shí)更易于分解釋放溶解性有機(jī)養(yǎng)分，故果園生草后翻壓腐解建議以豆科植物白三葉作為綠肥腐解，后期將就白三葉腐解模式以及對(duì)溶解性有機(jī)物影響等方面做進(jìn)一步的研究，以期為黃土高原果園土壤質(zhì)量的改善和評(píng)價(jià)提供理論支撐。