閆代紅,吉春陽,何云華,馬亞培,馬紅亮,高 人,尹云鋒
(1.福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州 350007;2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007;3.福清市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心,福建 福清 350300)
設(shè)施蔬菜地易受高復(fù)種指數(shù)、高肥料農(nóng)藥投入等影響發(fā)生土壤酸化、次生鹽漬化、土傳病害頻發(fā)等連作障礙問題,影響設(shè)施蔬菜的可持續(xù)發(fā)展。而強(qiáng)還原處理(RSD)是一種作物種植前的修復(fù)方法,該方法在土壤中添加有機(jī)物料,淹水或覆膜創(chuàng)造強(qiáng)還原環(huán)境,借助有機(jī)物料厭氧分解的產(chǎn)物及還原條件有效修復(fù)退化土壤理化性狀、快速殺滅土傳病原菌、改善土壤微生物區(qū)系等,目前已成功用于實(shí)踐。然而RSD過程中有機(jī)物料的添加使土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)增加,而淹水亦會(huì)引起DOM淋溶,可能對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生不利影響。DOM是陸地生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的化學(xué)組分,能敏感反映土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化,參與土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化、吸附—解吸、微生物代謝活動(dòng)等一系列生物地球化學(xué)過程,對(duì)調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)和穩(wěn)定土壤微生態(tài)起重要作用。
生物炭是生物質(zhì)材料在缺氧或限氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生富含碳素、高度芳香化的一類物質(zhì)。近年來,利用生物炭修復(fù)連作障礙土壤的研究日益增多,其不僅能緩解土壤酸化、改善土壤通氣性、提高土壤肥力,亦能防控番茄枯萎病、辣椒疫病和黃瓜猝倒病等。如呂偉靜等在蘋果連作土壤中添加生物炭后,細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加、真菌數(shù)量減少,影響微生物群落結(jié)構(gòu),減輕蘋果連作障礙。有研究表明,生物炭減少土壤DOM淋失,添加生物炭可使土壤pH增加,進(jìn)而影響土壤DOM的吸附、解吸附過程;生物炭亦影響DOM性質(zhì),其微孔結(jié)構(gòu)能夠吸附粒徑較小的脂肪族物質(zhì),從而將DOM改變?yōu)榫哂懈蟪叽绾透叻枷阈缘姆肿?。然而,生物炭與RSD聯(lián)用又對(duì)土壤DOM產(chǎn)生怎樣的影響需要進(jìn)一步探究。
目前,已有利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究RSD與生物炭聯(lián)用對(duì)土壤DOM含量和結(jié)構(gòu)特征的影響報(bào)道,但研究結(jié)論還需野外原位試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。由于光學(xué)分析方法具有靈敏度高、不破壞樣品結(jié)構(gòu)和檢測(cè)快速等特點(diǎn),紫外—可見吸收光譜、熒光光譜和紅外光譜已被廣泛應(yīng)用于DOM組成、來源及結(jié)構(gòu)特征分析。因此,本研究基于田間試驗(yàn),探討RSD、生物炭以及二者聯(lián)合修復(fù)對(duì)不同土層DOM含量和結(jié)構(gòu)特征的影響,以期為退化設(shè)施蔬菜地土壤修復(fù)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。
田間試驗(yàn)位于福建省福清市沙埔鎮(zhèn)圣禾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司蔬菜生產(chǎn)基地,已連續(xù)種植蔬菜10年,連作障礙較為嚴(yán)重。供試土壤為砂質(zhì)壤土(黏粒4.1%,粉粒26.7%,砂粒69.2%),采集研究小區(qū)0—20 cm土壤,去除雜質(zhì),過2 mm篩后備用。選取紫花苜蓿()為RSD處理有機(jī)物料。生物炭以玉米秸稈450 ℃制備。供試土壤、苜蓿和生物炭的基本性質(zhì)見表1。
表1 供試土壤、苜蓿和生物炭的基本性質(zhì)
試驗(yàn)于2020年7月25日開始進(jìn)行,試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理:(1)CK對(duì)照(土壤、水分為正常田間持水量,不覆膜);(2)BC(土壤+1%生物炭,水分為正常田間持水量,不覆膜);(3)SF(土壤,淹水,不覆膜);(4)SFF(土壤,淹水,覆膜);(5)RSD(土壤+1%苜蓿,淹水,覆膜);(6)RSD+BC(土壤+1%苜蓿+1%生物炭,淹水,覆膜)。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。每小區(qū)面積為5.28 m(4.4 m×1.2 m)。苜蓿與生物炭的添加量相當(dāng)于25 t/hm。
試驗(yàn)前將土壤表層雜物清理,對(duì)0—20 cm土層翻耕后將稱重好的苜蓿和生物炭按處理設(shè)置均勻撒于各小區(qū),與土壤混勻后將地面整平。之后鋪設(shè)滴灌水管,并在土壤上部覆蓋薄膜(透明,厚度0.1 mm),四周用土壤壓實(shí),滴灌澆水至0—20 cm土層飽和,修復(fù)15天。
2020年8月9日采集土壤樣品,各小區(qū)按“S”形路線采樣,用土鉆(直徑2.5 cm)分別采取0—20,20—40 cm的土芯各10個(gè),然后混勻,樣品置于干冰中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品剔除植物殘?bào)w和石礫等雜質(zhì),過2 mm篩,部分風(fēng)干測(cè)定土壤基本性質(zhì),部分于4 ℃冰柜保存。
pH采用pH計(jì)(Mettler FE28,上海)測(cè)定,土壤的水土比()為2.5∶1,水與秸稈或生物炭比()為15∶1。DOM用去離子水浸提,水土比()為2∶1,振蕩30 min后離心,使用0.45 μm濾膜過濾,用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH/CPN,Shimadzu,日本)測(cè)定溶液中DOC含量,用連續(xù)流動(dòng)分析儀(SANSYSTEM,Skalar Analytical B.V,荷蘭)測(cè)定DON的含量。土壤NH—N和NO—N含量用去離子水浸提,水土比()為4∶1,振蕩30 min后離心過濾,所得溶液用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤全碳(TC)和全氮(TN)含量用元素分析儀(Vario EL Ⅲ,Elementar,德國)測(cè)定。
紫外—可見吸收光譜采用紫外可見光分光光度計(jì)(Shimadzu UV-2450,日本)測(cè)定,使用光程為1 cm的石英比色皿,以Mill-Q水為空白,波長(zhǎng)范圍為200~700 nm,步長(zhǎng)為1 nm。用待測(cè)液在254 nm處的吸光度值計(jì)算DOM芳香化指數(shù)(SUVA):
SUVA=(/)×100
(1)
式中:為波長(zhǎng)254 nm處的吸光度值(cm);為DOC濃度(mg/L)。
三維熒光光譜采用熒光分光光度計(jì)(Hitachi F-7000,日本)測(cè)定,設(shè)置熒光激發(fā)和發(fā)射光譜狹縫寬度為5 nm,掃描速度為1 200 nm/min,其中激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)的范圍分別為200~400,220~600 nm。根據(jù)Chen等提出的熒光區(qū)域積分法,將三維熒光光譜劃分為5個(gè)區(qū)域(表2)。熒光同步光譜腐殖化指數(shù)(Humification index,synchronous mode,HIXsyn)的計(jì)算公式為:
表2 三維熒光峰的主要?dú)w屬
HIXsyn=/
(2)
式中:和分別為同步光譜中波長(zhǎng)460 nm和345 nm處的熒光強(qiáng)度。
紅外光譜用傅里葉變換紅外光譜儀(Agilent Cary 660-FTIR,日本)測(cè)定,設(shè)置掃描范圍為4 000~400 cm,將1 mg冷凍干燥的DOM樣品與400 mg干燥的溴化鉀(KBr)磨細(xì)混勻,在10 t/cm壓強(qiáng)下壓制30 s,壓成透明薄片,后上機(jī)測(cè)定并記錄其光譜。表3為紅外吸收峰的主要?dú)w屬。
表3 紅外吸收峰的主要?dú)w屬
采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。采用Origin 2017和SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法進(jìn)行多重比較。
從表4可以看出,在0—20 cm土層,相較CK,各處理均顯著提高土壤pH;BC、SF、SFF和RSD處理的NO—N含量分別顯著降低31.9%,59.4%,40.0%和22.3%,RSD+BC處理則無顯著變化;BC和RSD+BC處理的TC顯著增加(<0.05)。在20—40 cm中,相較CK,RSD和RSD+BC處理NO—N顯著提高,RSD+BC處理TC和TN顯著提高(<0.05),其余各處理則無顯著差異。此外,2個(gè)土層處理間NH—N含量均無顯著差異。20—40 cm土層的RSD和RSD+BC處理的pH、NO—N和TC值顯著低于0—20 cm的(<0.05)。
表4 不同處理土壤的基本性質(zhì)
由圖1a可知,與CK相比,0—20 cm土層BC、SF和SFF處理的DOC含量無顯著差異,而RSD與RSD+BC處理的DOC含量分別顯著提高188.2%和201.4%;RSD處理DON含量顯著高于CK、SF和SFF(<0.05),但與BC和RSD+BC處理間無顯著差異(圖1b);從圖1c可以看出,BC處理顯著降低土壤DOC/DON值(<0.05),而SFF、RSD和RSD+BC則有不同程度的增加。20—40 cm土層中,RSD處理的DON含量顯著高于BC和RSD+BC處理,相比CK,BC和RSD+BC處理的分別降低1.91,0.39 mg/kg。此外,各處理在0—20 cm的DOC含量顯著高于20—40 cm的(<0.05),而DON含量在2個(gè)土層間的差異并不顯著(BC處理除外)。
注:不同大寫字母表示同一處理在不同土層間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母表示同一土層在不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
從圖2a可以看出,在0—20 cm土層中,相較CK,BC處理的SUVA值顯著提高(<0.05),其余處理則無顯著變化;BC、SF和SFF處理HIXsyn值無顯著變化(圖2b),但RSD和RSD+BC處理則顯著降低(<0.05)。20—40 cm土層中,各處理間的SUVA值無顯著差異,而BC處理的HIXsyn值顯著高于RSD和RSD+BC處理(<0.05)。
圖2 不同處理土壤DOM的光譜指數(shù)
本研究中,不同處理DOM熒光峰主要位于2個(gè)區(qū)域,即A峰類富里酸物質(zhì)和B峰類腐殖酸物質(zhì)(圖3),但各處理的熒光強(qiáng)度和峰面積存在差異。0—20 cm土層中,相較CK,BC處理的2類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),而RSD與RSD+BC處理的A、B峰熒光強(qiáng)度均又進(jìn)一步增強(qiáng),SF和SFF處理對(duì)其影響并不顯著。此外,在20—40 cm土層各處理DOM熒光強(qiáng)度均顯著低于0—20 cm土層的。
圖3 不同處理土壤DOM的三維熒光光譜
紅外光譜中,2個(gè)土層各處理均在3 440 cm附近處出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收峰(圖4)。0—20 cm土層中,相比CK,BC處理在2 915 cm附近處吸收峰無顯著變化,而RSD和RSD+BC處理的吸收峰逐漸消失。對(duì)比其他處理發(fā)現(xiàn),RSD和RSD+BC處理在1 649 cm附近處的振動(dòng)峰峰位發(fā)生紅移,同樣在1 425 cm附近處也發(fā)生紅移。在757 cm附近處,BC處理吸收峰顯著強(qiáng)于RSD和RSD+BC處理。相比0—20 cm,20—40 cm土層中各處理吸收峰位置基本一致,但吸收率有所差異,如RSD+BC處理在3 440,1 120 cm附近的紅外峰吸收率明顯增強(qiáng)。
圖4 不同處理土壤的DOM紅外光譜
從表5可以看出,土壤DOC含量與NH—N、TC和TN含量呈極顯著正相關(guān),土壤DOM的SUVA值與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),HIXsyn值與DOC、DON呈顯著負(fù)相關(guān),與SUVA值呈顯著正相關(guān)(<0.05)。
表5 土壤基本性質(zhì)和DOM的相關(guān)性分析
本研究發(fā)現(xiàn),0—20 cm土層中,BC處理顯著提高土壤pH,王軍等研究不同生物炭添加量(1%和5%)對(duì)退化蔬菜土壤修復(fù)效果時(shí)得到類似結(jié)論。由于生物炭施入土壤后其含有的灰分元素如Ca、Mg、K和Na等溶于水中,提高土壤鹽基飽和度,進(jìn)而pH提高。RSD與RSD+BC處理的pH增幅顯著大于BC處理,這是微生物在淹水或覆膜所創(chuàng)造的厭氧條件下通過反硝化等氧化還原反應(yīng)消耗掉H的結(jié)果。另外,由于BC本身含有大量的碳元素施入土壤短期難以被微生物降解,所以BC和RSD+BC處理的TC含量顯著提高。
由于生物炭為芳香性的惰性碳,短時(shí)間內(nèi)難以被礦化分解,所以BC處理DOC含量?jī)H小幅度增加。而RSD與RSD+BC處理的DOC含量增幅顯著大于BC處理,這與苜蓿和生物炭?jī)烧咦陨硇再|(zhì)的巨大差異有關(guān)。苜蓿中可被微生物利用的碳源如脂肪族碳、羥基碳等遠(yuǎn)高于生物炭,其中易降解組分如糖類、纖維素、半纖維素經(jīng)微生物分泌的胞外酶的催化降解形成單糖、氨基酸和氨基糖等,從而提高DOC含量。另外,硝酸鹽和鐵錳氧化物的厭氧還原導(dǎo)致pH升高,有利于礦物對(duì)有機(jī)物的解吸,這也是影響RSD和RSD+BC處理DOC含量的原因之一。有機(jī)碳源和水分的添加,使表層的DOC向下淋溶遷移,增加深層土壤DOC含量。SF和SFF處理DOM含量無顯著差異。可見,苜?;蛏锾康妮斎胧窃斐杀狙芯緿OM含量變化的主要原因。
RSD處理中苜蓿作為一種低C/N的有機(jī)物料施入土壤后為微生物提供充足的氮源,有機(jī)氮在礦化過程中產(chǎn)生大量的小分子含氮化合物如氨基酸、氨基糖、蛋白質(zhì)等,增加DON含量。而生物炭雖然有機(jī)氮含量低,但可以促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化,進(jìn)而也影響DON含量。此外,在20—40 cm土層中,相較CK,RSD處理DON含量顯著升高,而BC和RSD+BC處理中DON含量則顯著低于RSD處理,Zhu等研究發(fā)現(xiàn),單獨(dú)添加生物炭(玉米秸稈燒制)與同時(shí)添加玉米秸稈和生物炭均減少DON淋溶,可能是生物炭吸附土壤中的有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),加速對(duì)土壤DOM的固持。
研究DOC/DON比值變化有利于深入了解土壤中DOC及DON的來源及轉(zhuǎn)化,對(duì)于調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤中DOC和DON等有機(jī)養(yǎng)分具有重要意義。在修復(fù)期間,0—20 cm土層BC處理較對(duì)照DON含量有一定增加,使得土壤DOC/DON降低,而RSD和RSD+BC處理則不同程度提高土壤DOC/DON值,且處理間DOC/DON比值存在差異。芮紹云等研究改良劑(生物炭、過氧化鈣)對(duì)旱地紅壤DOC和DON的影響,發(fā)現(xiàn),各處理在1周內(nèi)DOC/DON波動(dòng)較大,63天后各處理DOC/DON值較平穩(wěn)。本研究短期修復(fù)15天,苜蓿的添加可使得土壤微生物活性增強(qiáng),進(jìn)而增加土壤中DOC、DON,但隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng),可能土壤微生物消耗或利用的DOC、DON含量與土壤中有機(jī)物質(zhì)分解增加DOC、DON含量近似同等程度的改變,從而使DOC/DON差異不大。
SUVA值可表征DOM中難分解的芳香類化合物,數(shù)值越大,表示DOM中大分子腐殖酸物質(zhì)越多,芳香性化合物比例越大。由于生物炭本身含有可溶的DOM組分可作為土壤DOM中芳香類物質(zhì)的直接來源,所以本研究中0—20 cm土層中BC處理顯著增加SUVA值。而RSD與RSD+BC處理的SUVA值則低于BC處理。本研究相關(guān)分析顯示,SUVA值與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān),高潔等研究認(rèn)為,由于pH高,有機(jī)質(zhì)礦化速率加快,土壤DOM保留的芳香性結(jié)構(gòu)更少。另外,較高的pH難以導(dǎo)致土壤中有機(jī)物—金屬體系溶解,原來通過內(nèi)層結(jié)合等方式作用的芳香性結(jié)構(gòu)釋放降低;也可能與苜蓿添加微生物大量繁殖促進(jìn)具有芳香族結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)降解有關(guān)。HIX值可表征DOM中不飽和脂族鏈的共軛程度或芳香族化合物的縮合程度。本研究表明,HIX值與SUVA值呈顯著正相關(guān),說明DOM腐殖化程度取決于其芳香族化合物的含量,含量越高DOM分子的腐殖化程度越大,分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。BC處理的芳香化指數(shù)顯著高于RSD和RSD+BC處理的,這也是影響HIX值變化的原因。
本研究中土壤DOM組分以類富里酸和類腐殖酸為主,但不同處理間熒光強(qiáng)度存在差異。0—20 cm土層中,相比CK,BC處理中2類物質(zhì)熒光強(qiáng)度有所增強(qiáng),這是因?yàn)樯镔|(zhì)在熱解過程中可生成的類腐殖酸等有機(jī)物會(huì)吸附到生物炭表面,進(jìn)入土壤后可直接影響土壤腐殖物質(zhì)的數(shù)量及結(jié)構(gòu)。此外,有研究表明,生物炭微孔的尺寸排阻效應(yīng)限制較大的芳香族DOM分子進(jìn)入到生物炭中,較小的脂肪族分子更易吸附到生物炭上,這也可能影響DOM組分熒光強(qiáng)度變化。而RSD和RSD+BC處理的類富里酸和類腐殖質(zhì)物質(zhì)顯著高于BC處理的,除苜蓿會(huì)向土壤中輸入結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難降解的腐殖酸類大分子物質(zhì)外,范春輝等也認(rèn)為,pH影響DOM熒光光譜特征,偏堿性環(huán)境使DOM部分基團(tuán)羧基質(zhì)子化加強(qiáng),大分子構(gòu)型發(fā)生伸展,更多的熒光基團(tuán)暴露于腐殖化溶液體系中,導(dǎo)致DOM熒光強(qiáng)度有所增強(qiáng)。20—40 cm土層中,各處理DOM組分的熒光強(qiáng)度較上層均顯著減弱,這表明上層土壤DOM中含有更多分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì),這類物質(zhì)不易向下遷移,因?yàn)橥寥李愃朴谝粋€(gè)層析系統(tǒng),流動(dòng)性高的物質(zhì)更易向下遷移。也有研究表明,DOM在向下遷移過程中容易與金屬離子等形成絡(luò)合物,絡(luò)合物中的氫鍵可能導(dǎo)致熒光物質(zhì)淬滅,進(jìn)而影響其熒光強(qiáng)度。
在0—20 cm土層中,RSD和RSD+BC處理在3 440 cm附近處DOM中官能團(tuán)較多,主要包括—OH和N—H鍵伸縮振動(dòng),是形成物質(zhì)氫鍵的基礎(chǔ),主要來源于土壤中所添加的苜蓿中的纖維素、醇類、酚類及碳水化合物,而DOM中氨基酸的N—H伸縮振動(dòng)峰的出現(xiàn),說明苜蓿的添加有助于土壤有機(jī)氮的增加,這與RSD和RSD+BC處理的DON含量增加一致。在1 649 cm附近處是苯環(huán)、烯烴類和分子間或分子內(nèi)形成氫鍵的羧酸中—C=O的伸縮振動(dòng),對(duì)比其余處理發(fā)現(xiàn)RSD和RSD+BC處理在此處的振動(dòng)峰峰位發(fā)生紅移,同樣在1 425 cm附近處的苯環(huán)上C=C骨架振動(dòng)峰也發(fā)生紅移,說明RSD和RSD+BC處理土壤DOM的共軛體系減少,分子結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。本研究還發(fā)現(xiàn),RSD和RSD+BC處理在2 915 cm附近處脂肪族C—H、C—H、C—H以及757 cm處芳烴C—H的伸縮振動(dòng)顯著弱于BC處理,這是由于苜蓿的添加為微生物提供碳源,促進(jìn)土壤中脂肪族化合物逐漸分解。在易分解組分逐漸消耗殆盡后微生物開始轉(zhuǎn)向消耗難分解物質(zhì)組分(如木質(zhì)素、酚類等),使得RSD和RSD+BC處理芳香化減弱,這與本文SUVA值的變化一致。雖然20—40 cm土壤DOM的特征峰沒有0—20 cm土壤的豐富,但與CK相比,RSD和RSD+BC處理的土壤DOM含有更多的羥基、羧基類以及碳水化合物等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易遷移的物質(zhì)。
(1)RSD、BC及RSD+BC處理均顯著提高土壤pH,BC和RSD修復(fù)顯著降低土壤NO—N含量。RSD和RSD+BC修復(fù)的DOC含量顯著高于BC處理的,且0—20 cm土層的DOC含量高于20—40 cm的。RSD修復(fù)顯著增加了0—20 cm土層DON含量,而BC和RSD+BC修復(fù)使20—40 cm土層DON含量降低。RSD和RSD+BC處理提高了0—20 cm土層DOC/DON比值。
(2)本研究中土壤DOM組分以類富里酸和類腐殖酸為主,RSD+BC聯(lián)合修復(fù)的熒光強(qiáng)度顯著強(qiáng)于RSD和BC單獨(dú)修復(fù)的。BC單獨(dú)施用增加DOM的芳香化和腐殖化程度,而RSD與RSD+BC修復(fù)則相反。此外,各處理在20—40 cm土層的熒光強(qiáng)度顯著低于0—20 cm土層。
(3)相關(guān)分析表明,TC和TN含量顯著影響土壤DOC含量,而pH是影響土壤DOM芳香化結(jié)構(gòu)的重要因素。