不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施條件下黑土富里酸熒光光譜特征

李 艷，白 楊，魏 丹,2*，王 偉，李玉梅，薛 紅，胡 鈺，蔡姍姍

1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097 3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000 5.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110866

引 言

隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有機(jī)無機(jī)肥配合施用是提高土壤肥力、有效利用資源、保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)最有效的施肥方式[1]。黑龍江省作為我國主要的糧食產(chǎn)地，2019年秸稈產(chǎn)生量已達(dá)到1.3億噸左右[1]，關(guān)注農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，秸稈資源如何被高效利用已成為社會(huì)熱點(diǎn)。當(dāng)前，秸稈作為原料生產(chǎn)有機(jī)肥對實(shí)現(xiàn)農(nóng)田資源合理利用、秸稈有效還田具有重要意義。

腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)中重要的組成成分，根據(jù)其在酸性堿性溶液中的溶解度差異，分為富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)，其中FA是腐殖質(zhì)組分的中間產(chǎn)物，是形成HA的一級物質(zhì)，也是HA的分解產(chǎn)物，F(xiàn)A對促進(jìn)礦物分解和養(yǎng)分釋放具有重要作用[2]。

目前，研究學(xué)者多通過土壤理化特性分析有機(jī)質(zhì)提升效果來探討有機(jī)無機(jī)肥配施的最佳比例[1]。隨著現(xiàn)代儀器分析方法的發(fā)展，光譜技術(shù)(紅外光譜法、紫外光譜法、熒光光譜法等)能從物質(zhì)的分子質(zhì)量、芳構(gòu)化程度以及分子聚合度等不同角度評估有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度[3-4]。當(dāng)前采用光譜技術(shù)對土壤有機(jī)碳及組分從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行了大量報(bào)道，并對土壤HA和FA在有機(jī)無機(jī)肥配施條件下有機(jī)化合物組成及分子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析[5-6]。

不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施，尤其是秸稈有機(jī)肥進(jìn)行合理的無機(jī)肥替代后，對土壤FA熒光特性變化的研究較少，合理可行的有機(jī)無機(jī)肥配施是土壤有機(jī)質(zhì)提升和秸稈資源利用的關(guān)鍵。本試驗(yàn)在黑龍江省齊齊哈爾市黑土區(qū)進(jìn)行，秸稈有機(jī)肥進(jìn)行不同比例的無機(jī)肥替代，分析土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)及FA含量，通過三維熒光光譜技術(shù)結(jié)合平行因子分析法對不同處理土壤FA熒光特性進(jìn)行分析，探討不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施條件對土壤FA熒光組成和結(jié)構(gòu)的影響，以期提出合理的有機(jī)無機(jī)肥配施比例建議，為黑龍江省黑土有機(jī)質(zhì)提升和秸稈資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)地概況及設(shè)置

試驗(yàn)區(qū)位于克山縣(黑龍江省齊齊哈爾市，E126°01′，N47°43′)試驗(yàn)農(nóng)田，種植作物為玉米。寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，有效積溫2 400 ℃，年均氣溫2.4 ℃，年均降雨量502.5 mm，無霜期120 d，作物生長期約120 d。土壤類型為黑土，基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)采用秸稈有機(jī)肥替代無機(jī)肥，設(shè)置不施肥(CK)、單施無機(jī)肥(NPK)、有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥25%(NPKM1)、有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%(NPKM2)、有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥75%(NPKM3)、有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥100%(NPKM4)6個(gè)處理，各處理磷肥、鉀肥(化肥和有機(jī)肥共同含量)用量相同，施肥量氮肥為113 kg·hm-2，磷肥(P2O5)為75 kg·hm-2，鉀肥(K2O)為37.5 kg·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)組成隨機(jī)排列，共計(jì)18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為6 m×4 m，設(shè)置3次重復(fù)。無機(jī)肥分別是尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。有機(jī)肥由畜禽糞污、玉米秸稈按體積比4: 6混合，利用臥式連續(xù)生物發(fā)酵罐經(jīng)高溫(大于60 ℃)快速腐熟后加工制得，其基本化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 有機(jī)肥基本化學(xué)性質(zhì)

1.2 土樣采集和試驗(yàn)方法

1.2.1 土樣采集

試驗(yàn)開始于2018年，2019年9月對各處理小區(qū)土壤進(jìn)行采集，采用S形取樣法，深度為0～20 cm。采集樣品自然風(fēng)干后過分樣篩(孔徑0.25 mm)，常溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 FA提取與純化

稱取試驗(yàn)樣品5.0 g，加入50 mL的NaOH(0.1 mol·L-1)和Na4P2O7(0.1 mol·L-1)1∶1混合溶液(pH 13)，搖勻后水平振蕩(180 r·min-1)浸提24 h，取出后離心20min(12 000 r·min-1，4 ℃)，過0.45 μm孔徑濾膜，收集上清液即為FA溶液。用6 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)pH值至1.0，室溫靜置12 h后離心20 min(12 000 r·min-1，4 ℃)，得上清濾液定容至50 mL容量瓶，溶液通過吸附樹脂和交換樹脂柱，即得到純化的FA溶液[7-8]。

1.2.3 熒光特性測定

利用multi N/C 2100型TOC分析儀(Analytik Jena AG，德國)測定FA溶液濃度，然后將所有樣品的FA濃度調(diào)至25 mg·L-1。利用熒光光譜儀(日立F-7000型，日本)測定FA溶液樣品三維熒光光譜，參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[6]：激發(fā)波長(Ex)掃描范圍：200～490 nm，帶寬10 nm；發(fā)射波長(Em)掃描范圍：250～550 nm，帶寬5 nm，掃描速度：1 200 nm·min-1。平行因子(PARAFAC)分析時(shí)，應(yīng)消除水離子的散射，消除拉曼散射對熒光數(shù)據(jù)的影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Matlab進(jìn)行PARAFAC分析，繪制三維熒光圖譜；利用Origin 2019b軟件計(jì)算熒光指數(shù)(FI)[9]：Ex/Em=370 nm/450 nm，500 nm；生物指數(shù)(BIX)[10]：Ex/Em=310 nm/380 nm，420～435 nm和腐殖化指數(shù)(HIX)[10]：Ex/Em=254 nm/435～480 nm，300～345 nm。利用Microsoft Excel 2007完成數(shù)據(jù)計(jì)算及圖表繪制，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行差異及相關(guān)性分析，運(yùn)用Canoco 4.5軟件進(jìn)行RDA分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤有機(jī)碳及富里酸含量

如圖1所示，有機(jī)無機(jī)肥配施后提高了SOC和土壤FA含量(p<0.05)。CK處理中SOC含量為14.88 g·kg-1，單施無機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施各處理較CK處理中SOC含量增加14.14%和7.13%～23.31%。其中NPKM2處理SOC含量為18.35 g·kg-1，比CK處理和NPK處理的SOC含量分別提高23.31%和8.06%。CK處理土壤FA含量為2.51 g·kg-1，單施無機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施各處理較CK處理中土壤FA含量增加52.59%和18.33%～73.71%。其中NPKM2處理土壤FA含量為4.36 g·kg-1，比CK處理和NPK處理的土壤FA含量分別提高73.71%和13.84%。說明NPKM2處理，即有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%對提高SOC和土壤FA含量效果明顯。單施無機(jī)肥受作物和土壤環(huán)境影響會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率低，有機(jī)肥養(yǎng)分活性較高，過量施用會(huì)造成浪費(fèi)，所以合理的有機(jī)無機(jī)肥配施使土壤養(yǎng)分更均衡，適量添加有機(jī)肥會(huì)增加土壤微生物群落多樣性，對養(yǎng)分有效循環(huán)利用、提高土壤有機(jī)質(zhì)起到積極作用，與Yang等[1]研究有機(jī)無機(jī)肥配施可提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果一致。

圖1 有機(jī)無機(jī)肥配施后黑土SOC和FA含量差異

2.2 土壤FA熒光光譜指數(shù)分析

采用熒光光譜指數(shù)FI，BIX和HIX表征不同處理?xiàng)l件下土壤FA的特征，F(xiàn)I可反映腐殖質(zhì)來源[9]，BIX可衡量自生源有機(jī)質(zhì)所占比例[10]，HIX表征有機(jī)質(zhì)腐殖化程度[10]。

如表3，各處理FI均大于1.4，小于1.9[9]，說明土壤腐殖質(zhì)中FA來源受自生源和外生源共同作用的影響，既有來自于土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中自身產(chǎn)生的FA，亦有有機(jī)肥施入土壤后通過微生物分解而新近產(chǎn)生的FA；FI大小依次為：NPKM2>NPKM4>NPKM3>NPKM1>NPK>CK。相比CK處理和NPK處理，有機(jī)無機(jī)肥配施后，土壤FA受自生源影響更大，其中NPKM2處理中FA受自生源影響最大，F(xiàn)I為1.71±0.03。有機(jī)無機(jī)肥配施條件下，因有機(jī)肥養(yǎng)分含量高、微生物群落豐富，在與土壤中土著微生物共同作用的基礎(chǔ)上，加快了土壤腐殖質(zhì)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化速度，提高了腐殖化速率。

表3 土壤FA熒光光譜指數(shù)

BIX表征處理間土壤FA均呈現(xiàn)出重要的新近自生源特征(0.7NPKM4>NPKM3>NPKM1>NPK>CK，土壤腐殖化是個(gè)漫長的過程[10]，因此自生源有機(jī)質(zhì)處理間差異不顯著。

HIX表征處理間FA均呈現(xiàn)腐殖質(zhì)特征和重要的新近自生源(1.5NPKM4>NPKM3>NPKM1>NPK>CK；有機(jī)肥的施入顯著提高了土壤腐殖化程度(p<0.05)，新近自生源物質(zhì)可能是由于有機(jī)肥施入分解產(chǎn)生新的FA，合理的有機(jī)無機(jī)肥配施比例，加快了土壤中物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化[1]；NPKM2處理HIX為2.94±0.41，比CK處理和NPK處理提高44.12%和24.58%，其腐殖化程度最高。

綜上所述，F(xiàn)I，BIX和HIX表征處理間差異結(jié)果一致，NPKM2處理即有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%，土壤微生物代謝能力強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化率快，土壤腐殖化程度高，增加新生的生物利用物質(zhì)，對土壤培肥有積極的效果。

2.3 土壤FA熒光組分特征

采用平行因子法分析不同處理?xiàng)l件下土壤FA的三維熒光光譜數(shù)據(jù)，參考文獻(xiàn)[11-13]，得到3種熒光組分，熒光組分的三維熒光光譜分布見圖2。

圖2 不同處理?xiàng)l件下土壤FA三維熒光組分

組分C1為類富里酸，包含2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰(Ex/Em=275 nm, 325 nm/410 nm)，分別代表紫外光區(qū)類富里酸和可見光區(qū)類富里酸，分別對應(yīng)著傳統(tǒng)的A峰(Ex/Em=230～260 nm/370～460 nm)和C峰(Ex/Em=310～360 nm/370～480 nm)，兩類物質(zhì)均屬于陸源類腐殖酸，指示外源輸入。組分C1峰值位置較傳統(tǒng)峰發(fā)生紅移，說明類富里酸物質(zhì)相對分子質(zhì)量大，生物可降解性低，其中A峰熒光強(qiáng)度值高于C峰，這可能與土壤FA分子中存在的羰基和羧基相關(guān)[13]，也與外源輸入有機(jī)肥物質(zhì)組成有關(guān)，通常C1組分可體現(xiàn)肥料的供肥能力，對土壤培肥起到重要作用。

組分C2為類胡敏酸，包含2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰(Ex/Em=250 nm, 350 nm/460 nm)，代表類胡敏酸，屬于腐殖質(zhì)類物質(zhì)，對應(yīng)傳統(tǒng)F峰(Ex/Em=250～370 nm/430～530 nm)。張久明等[5]，He和Hur[13]研究結(jié)果均顯示類胡敏酸分子量較大、芳構(gòu)化程度高，主要含有一些分子量較大的芳香基團(tuán)，由于生物直接利用率低，可提高土壤的腐殖化程度。組分C2峰值較傳統(tǒng)F峰稍有紅移，說明類胡敏酸組分對有機(jī)無機(jī)肥配施措施提高土壤腐殖質(zhì)有重要作用。

組分C3為類蛋白質(zhì)，包含2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰(Ex/Em=275 nm, 225 nm/340 nm)，均指示類色氨酸，與羧基官能團(tuán)有關(guān)，分別對應(yīng)指示短波類色氨酸的T峰(Ex/Em=225～230 nm/320～350 nm)和指示長波類色氨酸的T1峰(Ex/Em=275 nm/340 nm)。通常類色氨酸類物質(zhì)被認(rèn)為是細(xì)菌降解的代謝產(chǎn)物，易與大分子蛋白結(jié)合[14]。組分C3較傳統(tǒng)峰值發(fā)生紅移現(xiàn)象，說明有機(jī)肥的施入后，加快了土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)微生物的代謝作用增加了酶或生物殘?bào)w，芳香環(huán)氨基酸被游離或分解出來，導(dǎo)致類蛋白質(zhì)物質(zhì)含量升高，與谷思玉等[6]研究結(jié)果一致。

2.4 熒光強(qiáng)度及RDA分析

土壤FA不同組分的熒光強(qiáng)度及貢獻(xiàn)率如表4所示，各組分的Fmax值反映其相對含量，可用來表征土壤FA結(jié)構(gòu)變化情況。隨著有機(jī)肥替代量的增加，C1和C2組分熒光強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，C3組分熒光強(qiáng)度逐漸減弱。其中NPKM2處理C1組分Fmax值最高，為(2 127.42±124.08)R.U.，比CK和NPK分別升高28.44%和22.57%；C2組分Fmax值同樣最高，為(906.28±94.36)R.U.，比CK處理和NPK處理分別升高32.19%和35.90%；C3組分Fmax值相對其他處理較低，為(535.28±283.05)R.U.。有機(jī)無機(jī)肥配施處理的土壤FA熒光組分中類富里酸、類胡敏酸和類蛋白物質(zhì)含量明顯增加；其熒光強(qiáng)度值與FA的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)相關(guān)，類富里酸與類胡敏酸物質(zhì)因芳構(gòu)化程度較高，含有羥基、氨基、甲氧基等熒光強(qiáng)度較高的基團(tuán)；類蛋白質(zhì)物質(zhì)相對分子量較大，含有羧基、羰基等熒光強(qiáng)度較低的電子基團(tuán)[15-16]。大分子物質(zhì)相對含量增加，小分子物質(zhì)相對含量減少，芳香度的提高對提高土壤腐殖化程度，提升土壤有機(jī)質(zhì)有積極作用。總熒光強(qiáng)度(C1+C2+C3)Fmax值NPKM2>NPK>NPKM1>NPKM3>NPKM4>CK，NPKM2處理的Fmax值最高，為(3 568.98±167.03)R.U.，比CK和NPK分別升高24.37%和1.07%，所以NPKM2處理土壤FA相對含量最高。

表4 土壤FA熒光組分熒光強(qiáng)度及相對百分比

不同處理?xiàng)l件下，C1組分相對百分比NPKM3>NPKM2>NPKM4>NPK>NPKM1>CK，C2組分相對百分比NPKM2>NPKM4>NPK>NPKM1>CK>NPKM3，C3組分相對百分比CK>NPKM1>NPKM3>NPKM4>NPK>NPKM2。從土壤FA熒光組分的組成角度分析，類富里酸、類胡敏酸相對百分比越高，類蛋白質(zhì)相對百分比越低，F(xiàn)A芳構(gòu)化程度越高，土壤腐殖化程度也就越高[17-18]。有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高了C1和C2組分百分比(p<0.05)，可在一定程度上提高土壤腐殖化程度，其中NPKM2處理中土壤FA熒光C3組分百分比最低，C1組分相對百分最高，與熒光強(qiáng)度值表征結(jié)果一致，說明有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%處理可顯著提高土壤FA含量。

不同處理?xiàng)l件下Fmax值、SOC、土壤FA進(jìn)行RDA分析，第一、二排序軸解釋總變量的88.0%，如圖3所示，各組分Fmax值與第一排序軸成負(fù)相關(guān)，SOC和土壤FA與第二排序軸成正相關(guān)。SOC、土壤FA與不同組分Fmax值均成正相關(guān)，F(xiàn)max值與SOC、土壤FA相關(guān)性大小依次為C1>C2>C3。類富里酸、類胡敏酸組分因芳構(gòu)化程度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在SOC和土壤FA組成物質(zhì)中具有維持有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的重要作用[6, 13]。有機(jī)無機(jī)肥配施條件下，不同處理對SOC、土壤FA及各組分Fmax值影響大小依次為NPKM2>NPKM1>NPK>NPKM3>NPKM4>CK。通過從土壤FA熒光特性角度分析，有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%這一施肥比例，增加土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)中的大分子物質(zhì)，使其復(fù)雜化，促進(jìn)土壤環(huán)境改善，對提高SOC和土壤FA含量，協(xié)調(diào)土壤供肥能力具有重要意義。

圖3 不同處理?xiàng)l件、熒光強(qiáng)度和土壤碳含量三者的RDA分析

3 結(jié) 論

有機(jī)無機(jī)肥配施提高了SOC和土壤FA含量，其中有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%對提高SOC及土壤FA含量效果明顯，比CK和NPK的SOC含量分別提高23.31%和8.06%，土壤FA含量分別提高73.71%和13.84%。有機(jī)無機(jī)肥配施條件下土壤FA受自生源和外生源共同作用的影響，呈現(xiàn)強(qiáng)腐殖質(zhì)和重要的新近自生源特征，其中有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%條件下土壤腐殖化程度最高。不同處理?xiàng)l件下土壤FA包含3種熒光組分：C1組分為類富里酸(紫外光區(qū)類FA和可見光區(qū)類FA)，C2組分為類胡敏酸，C3組分為類蛋白質(zhì)(短波類色氨酸和長波類色氨酸)。隨有機(jī)肥比例升高，NPKM2處理類富里酸和類胡敏酸Fmax值最高，類富里酸的相對百分比最大，對SOC、土壤FA和各組分Fmax值影響最大，秸稈有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥50%的施用比例可作為黑土有機(jī)質(zhì)提升的施肥指導(dǎo)。