黑土水溶性有機碳對有機物料還田的響應

魏丹，蔡姍姍，李艷，金梁，王偉，李玉梅，白楊，胡鈺

黑土水溶性有機碳對有機物料還田的響應

魏丹1,4，蔡姍姍2，3，李艷1，4，金梁2，王偉2，李玉梅2，白楊4，胡鈺4

（1北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097；2黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，哈爾濱 150086；3沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866；4東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

【目的】探究不同有機物料還田措施下黑土水溶性有機碳含量及組成的變化特征，為黑土區土壤肥力提升提供科學依據。【方法】以黑龍江省克山縣定位7年的有機物料還田小區為研究對象，采用常規測定及熒光分析方法，以單施化肥處理為對照，對配施有機肥、生物炭、秸稈3種有機物料處理下土壤水溶性有機碳含量及結構進行分析。【結果】與單施化肥相比，配施有機物料使土壤水溶性有機碳含量提升9.65%—20.30%，土壤總有機碳含量提升6.63%—14.86%。各有機物料還田處理下土壤水溶性有機碳中類酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質減少。有機肥施入使水溶性有機碳中溶解性微生物代謝產物增加，使富里酸類物質、腐殖酸類物質增加并使二者結構簡化；秸稈、生物炭使土壤水溶性有機碳中富里酸類物質結構簡化；生物炭的添加使土壤水溶性有機碳中腐殖酸類物質復雜化。【結論】有機肥、生物炭、秸稈3種有機物料不同程度上提升了土壤水溶性有機碳中各組分含量、增強土壤微生物分解代謝、使水溶性有機碳中結構相對簡單的富里酸組分含量增加、結構簡化，其中以有機肥效果最佳。

黑土；有機物料；水溶性有機碳；三維熒光光譜；PARAFAC分析

0 引言

【研究意義】土壤有機碳是土壤肥力的核心，影響著土壤中的物質循環與能量流動。但土壤中的總有機碳含量變化是一個長期的過程，短期內變化較為緩慢。土壤水溶性有機碳（water-soluble organic carbon，WSOC）是土壤中極為活躍且重要的組分，盡管其含量很少，但易被微生物吸收利用，可直接參與土壤肥力轉化過程，在調節物理、化學、生物肥力方面均起到了重要作用。土壤水溶性有機碳易受土地利用方式、施肥方式、作物及土壤微生物等因素變化的影響，是指示土壤有機碳變化的敏感指標之一[1-2]。【前人研究進展】在不同類型土壤中的研究結果表明，在施肥因素的影響下，土壤水溶性有機碳是土壤有機質中受影響的主要成分之一[3-4]。MITCHELL等[5]在森林土壤中的研究發現，加施生物炭可以顯著提高土壤水溶性有機碳的含量，增強土壤微生物活性。在我國對4種典型農田土壤（黑土、潮土、紅壤、水稻土）的活性有機碳研究顯示[6]，無論是旱田還是水田土壤，長期有機無機配施均可提高土壤水溶性有機碳及總有機碳含量。針對黑土長期施肥的研究發現[7]，有機肥與化肥配施可顯著提升土壤水溶性有機碳含量，撂荒處理次之，秸稈還田處理的土壤水溶性有機碳也在一定程度上有所提升，均高于單施化肥處理。【本研究切入點】黑土區是我國的主要糧食產區，黑土肥力的維持和提升影響著我國糧食安全。近年來，由于過度利用及不合理施肥，黑土區農田有機質含量及品質下降，土壤理化性狀惡化，威脅著黑土區糧食生產及生態環境[8-9]。因此，提升黑土有機質含量、改善黑土肥力對農業生產具有重要意義。當前對土壤水溶性有機碳的研究主要集中在含量上，施肥對水溶性有機碳結構的影響研究較少。【擬解決的關鍵問題】以東北黑土區定位施肥7年的農田土壤為研究對象，對不同有機物料還田下土壤水溶性有機碳含量進行測定，并分析不同有機物料培肥條件下土壤水溶性有機碳的熒光結構變化。通過研究土壤水溶性有機碳含量及結構變化，探討其與不同有機物料還田措施的響應關系，以期為黑土科學施肥、地力提升提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于原長春指揮所農副業基地，地處黑龍江省齊齊哈爾市克山縣涌泉鄉均沖村（E47°43′—48°18′，N126°01′—126°41′），年平均氣溫1.3℃，有效積溫2 500℃，無霜期120 d，年降水500 mm。試驗地土壤類型為黑土，有機物料還田定位試驗始于2013年，至2019年本試驗已持續7年。土壤特性見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理：單施化肥（NPK）、有機肥配施化肥（MNPK）、秸稈還田配施化肥（SNPK）、生物炭配施化肥（BNPK），其中單施化肥為對照處理。每個處理重復3次，小區采取隨機區組設計，小區面積為130 m2（5.2 m×25 m）。小區種植制度采取一年一熟大豆-玉米輪作模式，2013年種植作物為大豆，2014年為玉米，以此類推，每兩年為一個輪作周期；玉米品種為德美亞1號，大豆品種為黑河36；本試驗年份（2019年）種植作物為大豆。各處理化肥施用量相等，大豆種植年份的施肥量為N﹕P2O5﹕K2O=42﹕72﹕30，其中尿素38 kg·hm-2，二銨150 kg·hm-2，硫酸鉀60 kg·hm-2；玉米種植年份的施肥量為N﹕P2O5﹕K2O=150﹕60﹕40，其中尿素282 kg·hm-2，二銨125 kg·hm-2，硫酸鉀86.9 kg·hm-2。有機肥施用量為17 250 kg·hm-2（豬糞，鮮重），生物炭為玉米秸稈炭化制備，施用量為2 760 kg·hm-2，均為春季施入；秸稈還田方式為秋季收獲后，將當季作物秸稈機械粉碎拋灑全量還田（大豆秸稈還田量約為4 420 kg·hm-2，玉米秸稈還田量約為8 450 kg·hm-2）。大豆種植年份所有肥料在播種期一次性施入，玉米種植年份尿素在播種期施用總肥量的一半，大喇叭口期追肥剩余尿素，其余肥料在播種期一次性施入。

表1 土壤理化特性（0—20 cm）

土壤樣品采集于2019年5月6日大豆播種前，采樣深度為0—20 cm。

1.3 測定項目與方法

以下各項測定均為3次重復。

1.3.1 土壤基本理化性狀測定[10]土壤pH測定：pH計（水土比為2.5﹕1）；土壤有機質的測定：重鉻酸鉀外加熱法；土壤堿解氮含量的測定：堿解擴散法；土壤速效磷含量的測定：NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀含量的測定：NH4Ac浸提-火焰分光光度法。

1.3.2 土壤水溶性有機碳 水溶性有機碳（water soluble organic carbon，WSOC）提取方法：稱取過2 mm篩風干土樣3.00 g，置于50 mL離心管內，加蒸餾水30 mL，攪勻，置于恒溫水浴振蕩器上振蕩（180 r/min，50℃±2℃）1 h，取出后3 500 r/min離心15 min，上清液用中速定量濾紙過濾。WSOC溶液碳含量采用TOC分析儀測定。

1.3.3 熒光光譜測定 使用超純水將WSOC溶液稀釋至15 mg·L-1，以備熒光測定。熒光光譜的測定采用日立F-7000熒光光度計。設置光電倍增管（PMT）電壓為700 V，激發光波長200—490 nm，間隔10 nm，發射光波長250—550 nm，間隔5 nm，激發光和發射光的狹縫寬度均為5 nm。

1.4 數據分析

數據的統計分析采用Excel 2010，差異顯著性分析采用SPSS軟件，熒光結構分析采用FL Solutions、Matlab軟件，在三維光譜和平行因子分析中，使用Matlab軟件消除樣品的拉曼散射。熒光區域積分采用Origin9.1。

2 結果

2.1 不同有機物料還田下土壤有機碳含量

與對照處理相比，不同有機物料還田后，土壤SOC、WSOC含量均有不同程度提升（表2）。其中，土壤SOC含量以MNPK處理最高，且與其他處理間差異顯著；BNPK、SNPK間差異不顯著。與NPK處理相比，MNPK、BNPK、SNPK處理下的土壤SOC含量分別提升了14.86%、7.78%、6.63%。

表2 土壤水溶性有機碳含量及其在總有機碳含量中的占比

*小寫字母表示差異顯著（＜0.05）。下同

*The values are the means of three replicates (Means±SD). Lowercase letters in each column indicate significant differences at＜0.05. The same as below

各處理下的WSOC含量不同。黑土農田有機物料還田試驗研究結果顯示，耕層WSOC含量大小依次為MNPK處理>BNPK處理>SNPK處理>NPK處理，MNPK處理的WSOC與對照NPK處理間差異顯著，其余處理間差異不顯著。在黑土區連續有機物料還田7年后，MNPK、BNPK、SNPK處理下的WSOC含量較對照處理（NPK）分別提升了20.30%、9.83%和9.65%。不同有機物料還田處理下的土壤WSOC占比分別提升了0.03、0.02、0.02個百分點，各處理間差異不顯著。

2.2 不同有機物料還田下土壤水溶性有機碳熒光結構

2.2.1 水溶性有機碳三維熒光圖譜 在已有的研究中[11]，將三維熒光區域劃分為5個部分。其中，區域Ⅰ和Ⅱ分別代表類酪氨酸、類色氨酸芳香蛋白質類物質，區域Ⅲ為富里酸類物質，區域Ⅳ為溶解性微生物代謝產物，區域Ⅴ為腐殖酸類物質。詳見表3。

在本研究中，不同處理下的土壤WSOC三維熒光光譜具有類似指紋特征，均出現2個熒光特征峰（圖1），即富里酸類物質熒光峰（Peak A，各處理峰值：Ex/Em=（240—250）nm/（420—435）nm），由熒光效率高、分子量小的有機物質產生；類腐殖酸物質熒光峰（Peak C，各處理峰值：Ex/Em=（310—320）nm/（395—425）nm），由結構較為穩定、分子量大的有機物質產生[12]。三維熒光圖譜結果顯示，試驗區黑土WSOC以富里酸類物質、腐殖酸類物質占主導地位，WSOC的結構較為復雜、腐殖化程度較高。

表3 三維熒光區域劃分

圖1 不同有機物料還田下水溶性有機碳三維熒光圖譜

三維圖譜中熒光峰所在的激發/發射波長變小，即為藍移，反之則為紅移[13]。本研究WSOC三維熒光圖譜結果顯示，各有機物料中，以MNPK處理下的WSOC熒光結構變化最大，其富里酸類物質、類腐殖酸物質熒光峰波長均有藍移現象，說明兩種物質的芳香度和分子量有下降趨勢。與NPK處理相比，SNPK處理的富里酸類物質熒光峰在激發、發射波長處均有藍移，類腐殖酸物質熒光峰處沒有變化。BNPK處理下的富里酸類物質熒光峰與NPK處理相比，在發射波長處有藍移（2 nm），這一趨勢與有機肥、秸稈還田處理相似；類腐殖酸物質熒光峰則在發射波長處有紅移現象，芳香度和分子量增加。

為定量揭示各有機物料還田對黑土WSOC的影響，使用Origin軟件對4個處理下的土壤WSOC不同區域的熒光數據進行積分[14]，各區域積分值占總區域積分值的百分比如表4所示。

試驗區域農田黑土WSOC中各類物質的含量為類腐殖酸物質＞富里酸類物質＞溶解性微生物代謝產物＞類色氨酸蛋白質物質＞類酪氨酸蛋白質物質。其中，對照NPK處理土壤WSOC中的類酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質、富里酸類物質（區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）積分值均高于3個有機物料處理，這可能與這3種處理中有機物料含量較多，土壤微生物代謝使結構較為簡單的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類物質被分解利用有關。MNPK處理下的土壤WSOC溶解性微生物代謝產物（區域Ⅳ）積分百分比高于其他處理（3.96%—4.24%）且達到顯著水平（＜0.05），而酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質、富里酸類物質、類腐殖酸物質（區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）的積分百分比則少于其他處理。3個有機物料黑土處理下的類腐殖酸物質（區域Ⅴ）積分高于NPK處理，其中以BNPK處理下最高，生物炭施入使土壤WSOC中類腐殖酸物質結構復雜化，這與三維熒光圖譜所示結果相一致。

表4 三維熒光區域積分（FRI）百分比

2.2.2 水溶性有機碳的PARAFAC分析 運用PARAFAC分析方法，將不同處理下的土壤水溶性有機碳三維熒光數據進行分解[15]，識別出兩個熒光組分，見圖2。其中，組分C1包含2個激發峰、1個發射峰（Ex/Em=360/460，270/460）為陸源類腐殖物質，主要來源于高等植物腐解產生的有機物；組分C2包含2個激發峰、1個發射峰（Ex/Em=230/395，320/395），為富里酸類物質，是典型的陸源有機物，通常是在微生物作用下，由陸源類富里酸物質轉化而成[16-18]。兩個熒光峰處，類腐殖酸組分（C1）的激發（Ex）與發射（Em）波長均高于類富里酸組分（C2），其分子結構也較類富里酸組分復雜。類腐殖酸組分熒光峰所在位置激發、發射波長均較長，說明該組分中含有高分子量和較高芳香度的有機物質，難以分解利用；類富里酸組分熒光峰所在位置與羥基、羧基組成相關，腐殖化程度較低。

比較各處理類腐殖酸（C1）、類富里酸（C2）組分WSOC的Fmax值可知（圖3），MNPK處理下的土壤WSOC以類富里酸組分為主，NPK、BNPK、SNPK處理的土壤WSOC則以類腐殖酸組分為主；3個有機物料還田處理類腐殖酸、類富里酸的Fmax值均高于NPK處理。各處理的類腐殖酸組分Fmax值以MNPK處理最大，但各處理間無顯著差異；MNPK使土壤WSOC的類富里酸組分顯著增加。此外，SNPK處理的類腐殖酸組分含量高于NPK、BNPK處理，這與秸稈還田使土壤中植物殘體增加，腐解產生高分子量有機物有關。

3 討論

土壤中WSOC主要來源于植物殘體、外源有機物投入、植物根系分泌物、土壤微生物代謝產物、土壤有機質分解等，種植方式、施肥方式或氣候因子發生變化時，WSOC的化學結構也會相應改變[19]。土壤WSOC與SOC含量極顯著相關[20]，SOC與WSOC可進行分解與合成轉化，因此，二者常處于動態平衡中[21]。在本研究中，黑土耕層土壤水溶性有機碳含量大小依次為MNPK處理>BNPK處理>SNPK處理>NPK處理，有機肥、秸稈、生物炭的投入使土壤中SOC及WSOC含量增加，這與有機物料還田產生激發效應，土壤微生物可獲得更充足的碳源，加速了微生物生長代謝活動，從而促進了土壤有機碳礦化及作物殘體分解，使土壤有機碳更多地轉化為活性有機碳組分有關[5]。在李森等的研究中[22]，土壤水溶性有機碳的含量隨著作物生育時期的推進而呈增加趨勢。在本試驗中，秸稈為秋季還田，而試驗區冬季氣溫較低、秸稈腐解慢；生物炭為春季施入，播種前并未能發揮出最佳效用。因此試驗結果中配施秸稈還田、生物炭處理下的土壤水溶性有機碳含量與對照單施化肥處理之間的差異并不顯著，可能與本次試驗為播前取樣有關。

圖2 基于PARAFAC分析方法的土壤水溶性有機碳熒光組分

圖3 水溶性有機碳各熒光組分Fmax值

在腐殖質的多元酚形成理論中[23]，木質素中和微生物代謝產生的多元酚和醌有機化合物參與土壤腐殖質的形成，醌與含氮化合物聚合形成富里酸類物質，再進一步聚合為腐殖酸類物質。本研究中，土壤WSOC三維熒光圖譜顯示出富里酸類物質、腐殖酸類物質兩個熒光特征峰，這是因為在含水量低、植物殘體較少的黑土農田中，有機化合物易聚合為芳香度高、腐殖化程度高的物質。在本研究中，土壤中施入有機肥料后，土壤WSOC中的芳香族化合物減少、有機物的芳香度和分子量下降；秸稈施入后，土壤WSOC中結構相對簡單的富里酸類物質有簡化的趨勢。有研究表明[24-25]，在有機碳含量較高的土壤中，外源有機物料釋放出的有機碳通過微生物代謝進入土壤水溶性有機碳中；有機肥與秸稈的施入可促進水溶性有機碳中富里酸類物質的分解利用，這與外源有機物料對土壤的激發效應有關。有研究表明[26]，土壤中添加的生物炭可在微生物的作用下部分溶出，生成水溶性有機碳進入土壤系統中，使土壤水溶性有機碳熒光強度增加。本研究中生物炭的施入使土壤WSOC中類腐殖酸物質分子量加大，可能與生物炭的溶出作用有關。各有機物料在不同程度上均有使土壤WSOC中富里酸類物質腐殖化程度降低的作用，使其更易被微生物利用。

土壤中溶解性微生物的代謝產物一般與土壤微生物的代謝產生速率及微生物的數量成正比[27]。李明堂等[28]對黑土區農田的WSOC熒光結構研究結果顯示，高產土壤中，WSOC中的溶解性微生物代謝產物占比較高。在本研究中，MNPK處理下的WSOC溶解性微生物代謝產物積分值高于其他處理，溶解性微生物代謝產物的增加，可能與微生物代謝增強有關，說明MNPK處理下的微生物活性增加[15]，促進了土壤有機質的微生物分解，使土壤中微生物代謝產物積累。土壤中蛋白質類物質是土壤微生物的重要碳源，其中色氨酸和酪氨酸是土壤氨基酸中的重要組分[29]。CORVASCE等[30]認為，土壤微生物代謝緩慢會導致土壤中類酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質的積累，土壤對這兩種物質的吸附性強也會降低其微生物可利用性，使其在WSOC中含量增加。本研究NPK處理中類酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質高于3個有機物料還田處理，可能是NPK處理下的土壤有機物質來源較少，微生物碳源少，微生物代謝緩慢而導致WSOC中蛋白質類物質積累。

通過PARAFAC分析將土壤WSOC熒光圖譜分解為類腐殖酸物質（C1）、類富里酸物質（C2）兩個組分，該兩個組分與羥基和羧基相關，可用來表征土壤外源有機物質的輸入[31]。研究表明[32]，土壤有機物質中的不同組分在一定條件下可以進行分解或合成轉化。MNPK處理下，土壤WSOC的類腐殖酸物質組分有向類富里酸物質組分分解轉化的趨勢。結合三維熒光圖譜結果分析，MNPK處理使土壤WSOC中的類富里酸物質、類腐殖酸物質增加，并且使二者結構趨于簡單化，有利于WSOC中低分子量熒光組分的形成；同時增加了類腐殖酸物質組分向類富里酸物質組分的轉化，提升了土壤供肥能力。

4 結論

本試驗條件下，不同有機物料還田提升了黑土有機碳及水溶性有機碳含量，并提升了土壤水溶性有機碳在總有機碳中的占比。本試驗區土壤水溶性有機碳以富里酸類物質、腐殖酸類物質為主，腐殖化程度較高、結構較為復雜。有機物料還田下的土壤水溶性有機碳中，類酪氨酸蛋白質物質、類色氨酸蛋白質物質因微生物分解代謝減少。有機肥使土壤水溶性有機碳中富里酸類物質、腐殖酸類物質含量增加、結構簡化；使微生物代謝產物增加，土壤微生物活性增強。秸稈、生物炭土壤水溶性有機碳中富里酸類物質結構簡單化，生物炭使腐殖酸類物質復雜化。

綜上所述，3種有機物料還田措施均有提升黑土區土壤水溶性有機碳含量的作用；可通過增加微生物代謝產物含量、簡化富里酸類物質結構增強土壤的供肥能力；通過提升腐殖酸類物質含量增強土壤的保肥能力，其中以配施有機肥效果最佳。

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The Response of Water-soluble Organic Carbon to Organic Material Applications in Black Soil

WEI Dan1,4, CAI ShanShan2,3, LI Yan1,4, JIN Liang2, WANG Wei2, LI YuMei2, BAI Yang4, HU Yu4

(1Institute of Plant Nutrition and Resources,Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097;2Institute of Soil Fertilizer and Environmental Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086;3College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866;4College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030)

【Objective】The change characteristics of water soluble organic carbon (WSOC) content and components in black soil with the addition of different organic materials were explored to provide a scientific basis for soil fertility improvement methods in black soil area.【Method】This study was based on experimental plots of returning organic materials to the field in Keshan County, Heilongjiang Province, and the experiment has lasted for seven years. The content and structure of WSOC treated with organic fertilizer, biochar, straw and single fertilizer treatment (CK) was analyzed by routine determination and fluorescence analysis.【Result】Compared with the single application of chemical fertilizer, the content of soil water-soluble organic carbon increased by 9.65%-20.30% and soil organic carbon increased by 6.63%-14.86% under the application of organic materials. The contents of tyrosine-like protein and tryptophan-like protein in WSOC decreased under the treatment of organic materials. The application of organic fertilizer increased the contents of metabolites of soluble microorganisms in WSOC, increased the contents of fulvic acid and humic acid in WSOC, and simplified their structures. Straw and biochar simplified the structure of fulvic acids and biochar complicates the structure of humic acids in WSOC.【Conclusion】Organic fertilizer, biochar and straw improved the content of soil water-soluble organic carbon, enhanced the decomposition and metabolism of soil microorganisms, increased the content and simplified the structure of fulvic acid component in water-soluble organic carbon. Organic fertilizer had the best effect.

black soil; organic material; water-soluble organic carbon; three-dimensional fluorescence spectra; PARAFAC analysis

2019-07-02；

2019-10-17

國家自然科學基金（41771284）、國家現代農業產業技術體系（CARS-04-01A）、國家重點研發計劃（2018YFD0201001）、北京市農林科學院科技創新能力建設專項（KJCX20190408）

魏丹，E-mail：wd2087@163.com

（責任編輯 李云霞）