不同比例有機無機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.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030 2.北京市農林科學院植物營養與資源環境研究所，北京 100097 3.黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 4.黑龍江省農業科學院克山分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000 5.沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866

引 言

隨著綠色農業的發展，有機無機肥配合施用是提高土壤肥力、有效利用資源、保持作物高產穩產最有效的施肥方式[1]。黑龍江省作為我國主要的糧食產地，2019年秸稈產生量已達到1.3億噸左右[1]，關注農作物產量的同時，秸稈資源如何被高效利用已成為社會熱點。當前，秸稈作為原料生產有機肥對實現農田資源合理利用、秸稈有效還田具有重要意義。

腐殖質是土壤有機質中重要的組成成分，根據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是腐殖質組分的中間產物，是形成HA的一級物質，也是HA的分解產物，FA對促進礦物分解和養分釋放具有重要作用[2]。

目前，研究學者多通過土壤理化特性分析有機質提升效果來探討有機無機肥配施的最佳比例[1]。隨著現代儀器分析方法的發展，光譜技術(紅外光譜法、紫外光譜法、熒光光譜法等)能從物質的分子質量、芳構化程度以及分子聚合度等不同角度評估有機質的腐殖化程度[3-4]。當前采用光譜技術對土壤有機碳及組分從物質結構的角度進行了大量報道，并對土壤HA和FA在有機無機肥配施條件下有機化合物組成及分子結構變化進行了分析[5-6]。

不同比例有機無機肥配施，尤其是秸稈有機肥進行合理的無機肥替代后，對土壤FA熒光特性變化的研究較少，合理可行的有機無機肥配施是土壤有機質提升和秸稈資源利用的關鍵。本試驗在黑龍江省齊齊哈爾市黑土區進行，秸稈有機肥進行不同比例的無機肥替代，分析土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)及FA含量，通過三維熒光光譜技術結合平行因子分析法對不同處理土壤FA熒光特性進行分析，探討不同比例有機無機肥配施條件對土壤FA熒光組成和結構的影響，以期提出合理的有機無機肥配施比例建議，為黑龍江省黑土有機質提升和秸稈資源利用提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 試驗地概況及設置

試驗區位于克山縣(黑龍江省齊齊哈爾市，E126°01′，N47°43′)試驗農田，種植作物為玉米。寒溫帶大陸季風氣候，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，基本化學性質如表1所示。

表1 土壤基本化學性質

試驗采用秸稈有機肥替代無機肥，設置不施肥(CK)、單施無機肥(NPK)、有機肥替代無機氮肥25%(NPKM1)、有機肥替代無機氮肥50%(NPKM2)、有機肥替代無機氮肥75%(NPKM3)、有機肥替代無機氮肥100%(NPKM4)6個處理，各處理磷肥、鉀肥(化肥和有機肥共同含量)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。試驗小區組成隨機排列，共計18個小區，每個小區面積為6 m×4 m，設置3次重復。無機肥分別是尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。有機肥由畜禽糞污、玉米秸稈按體積比4: 6混合，利用臥式連續生物發酵罐經高溫(大于60 ℃)快速腐熟后加工制得，其基本化學性質如表2所示。

表2 有機肥基本化學性質

1.2 土樣采集和試驗方法

1.2.1 土樣采集

試驗開始于2018年，2019年9月對各處理小區土壤進行采集，采用S形取樣法，深度為0～20 cm。采集樣品自然風干后過分樣篩(孔徑0.25 mm)，常溫保存備用。

1.2.2 FA提取與純化

稱取試驗樣品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調節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，參數設置參考文獻[6]：激發波長(Ex)掃描范圍：200～490 nm，帶寬10 nm；發射波長(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，應消除水離子的散射，消除拉曼散射對熒光數據的影響。

1.3 數據分析

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

2 結果與討論

2.1 土壤有機碳及富里酸含量

如圖1所示，有機無機肥配施后提高了SOC和土壤FA含量(p<0.05)。CK處理中SOC含量為14.88 g·kg-1，單施無機肥和有機無機配施各處理較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，單施無機肥和有機無機配施各處理較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，即有機肥替代無機氮肥50%對提高SOC和土壤FA含量效果明顯。單施無機肥受作物和土壤環境影響會導致養分轉化效率低，有機肥養分活性較高，過量施用會造成浪費，所以合理的有機無機肥配施使土壤養分更均衡，適量添加有機肥會增加土壤微生物群落多樣性，對養分有效循環利用、提高土壤有機質起到積極作用，與Yang等[1]研究有機無機肥配施可提高農田土壤有機質含量結果一致。

圖1 有機無機肥配施后黑土SOC和FA含量差異

2.2 土壤FA熒光光譜指數分析

采用熒光光譜指數FI，BIX和HIX表征不同處理條件下土壤FA的特征，FI可反映腐殖質來源[9]，BIX可衡量自生源有機質所占比例[10]，HIX表征有機質腐殖化程度[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質轉化過程中自身產生的FA，亦有有機肥施入土壤后通過微生物分解而新近產生的FA；FI大小依次為：NPKM2>NPKM4>NPKM3>NPKM1>NPK>CK。相比CK處理和NPK處理，有機無機肥配施后，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，FI為1.71±0.03。有機無機肥配施條件下，因有機肥養分含量高、微生物群落豐富，在與土壤中土著微生物共同作用的基礎上，加快了土壤腐殖質物質間的轉化速度，提高了腐殖化速率。

表3 土壤FA熒光光譜指數

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

HIX表征處理間FA均呈現腐殖質特征和重要的新近自生源(1.5NPKM4>NPKM3>NPKM1>NPK>CK；有機肥的施入顯著提高了土壤腐殖化程度(p<0.05)，新近自生源物質可能是由于有機肥施入分解產生新的FA，合理的有機無機肥配施比例，加快了土壤中物質的相互轉化[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，FI，BIX和HIX表征處理間差異結果一致，NPKM2處理即有機肥替代無機氮肥50%，土壤微生物代謝能力強，土壤有機質物質間轉化率快，土壤腐殖化程度高，增加新生的生物利用物質，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條件下土壤FA的三維熒光光譜數據，參考文獻[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 不同處理條件下土壤FA三維熒光組分

組分C1為類富里酸，包含2個激發峰和1個發射峰(Ex/Em=275 nm, 325 nm/410 nm)，分別代表紫外光區類富里酸和可見光區類富里酸，分別對應著傳統的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峰值位置較傳統峰發生紅移，說明類富里酸物質相對分子質量大，生物可降解性低，其中A峰熒光強度值高于C峰，這可能與土壤FA分子中存在的羰基和羧基相關[13]，也與外源輸入有機肥物質組成有關，通常C1組分可體現肥料的供肥能力，對土壤培肥起到重要作用。

組分C2為類胡敏酸，包含2個激發峰和1個發射峰(Ex/Em=250 nm, 350 nm/460 nm)，代表類胡敏酸，屬于腐殖質類物質，對應傳統F峰(Ex/Em=250～370 nm/430～530 nm)。張久明等[5]，He和Hur[13]研究結果均顯示類胡敏酸分子量較大、芳構化程度高，主要含有一些分子量較大的芳香基團，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F峰稍有紅移，說明類胡敏酸組分對有機無機肥配施措施提高土壤腐殖質有重要作用。

組分C3為類蛋白質，包含2個激發峰和1個發射峰(Ex/Em=275 nm, 225 nm/340 nm)，均指示類色氨酸，與羧基官能團有關，分別對應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被認為是細菌降解的代謝產物，易與大分子蛋白結合[14]。組分C3較傳統峰值發生紅移現象，說明有機肥的施入后，加快了土壤中物質的轉化，同時微生物的代謝作用增加了酶或生物殘體，芳香環氨基酸被游離或分解出來，導致類蛋白質物質含量升高，與谷思玉等[6]研究結果一致。

2.4 熒光強度及RDA分析

土壤FA不同組分的熒光強度及貢獻率如表4所示，各組分的Fmax值反映其相對含量，可用來表征土壤FA結構變化情況。隨著有機肥替代量的增加，C1和C2組分熒光強度先增強后減弱，C3組分熒光強度逐漸減弱。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.。有機無機肥配施處理的土壤FA熒光組分中類富里酸、類胡敏酸和類蛋白物質含量明顯增加；其熒光強度值與FA的結構和官能團相關，類富里酸與類胡敏酸物質因芳構化程度較高，含有羥基、氨基、甲氧基等熒光強度較高的基團；類蛋白質物質相對分子量較大，含有羧基、羰基等熒光強度較低的電子基團[15-16]。大分子物質相對含量增加，小分子物質相對含量減少，芳香度的提高對提高土壤腐殖化程度，提升土壤有機質有積極作用?？偀晒鈴姸?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熒光組分熒光強度及相對百分比

不同處理條件下，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，類蛋白質相對百分比越低，FA芳構化程度越高，土壤腐殖化程度也就越高[17-18]。有機無機肥配施顯著提高了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，與熒光強度值表征結果一致，說明有機肥替代無機氮肥50%處理可顯著提高土壤FA含量。

不同處理條件下Fmax值、SOC、土壤FA進行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相關，SOC和土壤FA與第二排序軸成正相關。SOC、土壤FA與不同組分Fmax值均成正相關，Fmax值與SOC、土壤FA相關性大小依次為C1>C2>C3。類富里酸、類胡敏酸組分因芳構化程度高，結構穩定，在SOC和土壤FA組成物質中具有維持有機質穩定性的重要作用[6, 13]。有機無機肥配施條件下，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，有機肥替代無機氮肥50%這一施肥比例，增加土壤有機質結構中的大分子物質，使其復雜化，促進土壤環境改善，對提高SOC和土壤FA含量，協調土壤供肥能力具有重要意義。

圖3 不同處理條件、熒光強度和土壤碳含量三者的RDA分析

3 結 論

有機無機肥配施提高了SOC和土壤FA含量，其中有機肥替代無機氮肥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%。有機無機肥配施條件下土壤FA受自生源和外生源共同作用的影響，呈現強腐殖質和重要的新近自生源特征，其中有機肥替代無機氮肥50%條件下土壤腐殖化程度最高。不同處理條件下土壤FA包含3種熒光組分：C1組分為類富里酸(紫外光區類FA和可見光區類FA)，C2組分為類胡敏酸，C3組分為類蛋白質(短波類色氨酸和長波類色氨酸)。隨有機肥比例升高，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，秸稈有機肥替代無機氮肥50%的施用比例可作為黑土有機質提升的施肥指導。