不同施肥處理對草甸型水稻土溶解性有機物熒光特性的影響

王偉光郭永霞謝修鴻

(1.長春大學園林學院，吉林 長春 130022；2.集安市頭道鎮綜合服務中心，吉林 集安 134200)

土壤中溶解性有機物(DOM)是指土壤樣品在室溫及天然pH值條件下，用水提取能通過0.45μm微孔濾膜的土壤有機物質[1，2],包括腐殖質、蛋白質和其它芳族或脂族有機化合物的復雜混合體[3]。在土壤溶液中DOM含量比較低，一般在0～80mg·L-1范圍內[4]。其含量常用溶解性有機碳(DOC)的含量表示。DOC是土壤活性有機碳組分之一，其水溶性強、活性高、周轉快，容易被微生物利用；對改善土壤肥力、土壤結構等有重要的作用；由于施肥、耕作等農藝措施對其敏感性高，常被作為評價土壤質量的重要指標之一。目前對土壤DOM的含量、結構特征以及研究其內容、結構與功能等所采用的相應技術手段等都取得長足進展。相對吉林省東部地區施肥對不同類型土壤DOM的含量、結構特征等方面的研究較少，本文主要采用三維熒光光譜分析技術初步探討吉林省東部地區施用化肥、有機肥與化肥配施、生物有機肥等對草甸型水稻土溶解性有機物質組成與結構的影響，為合理施肥提供相應的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試驗地位于吉林省集安市頭道鎮四新村(E125°87′75′′，N41°53′34′′)，該區域年均氣溫6.5℃，年均降水量900mm，≥10℃有效積溫3200℃，無霜期150d。土壤類型為冷漿草甸型水稻土。試驗前土壤表層(0～20cm)化學性質為pH值5.8、土壤有機質35.4g·kg-1、堿解氮90.9mg·kg-1、速效磷21.23mg·kg-1、速效鉀43.71mg·kg-1。

供試肥料：控釋肥料(金正大水稻專用肥,N∶P2O5∶K2O=23∶11∶12，總養分≥46%)、水稻專用生物有機肥(金正大金菌冠，有效活菌數≥5.0億·g-1，有機質≥45.0%)由山東金正大生態工程股份有限生產；尿素(含N46.4%)由山東龍晟澤化工科技有限公司生產。豬糞有機肥，由集安市頭道鎮綜合服務中心提供。

供試水稻品種“稻花香2號”，由集安市頭道鎮綜合服務中心提供。

1.2 試驗設計

田間試驗開始于2018年5月，設置4個處理，分別為單施化肥(水稻收割后稻稈離田)處理(CF)、稻稈全量還田與化肥配施處理(OCF)、有機肥與化肥配施處理(OF)、水稻專用生物有機肥處理(OMF)；每個處理試驗面積為1.0hm2，不設重復，單排單灌。CF處理以控釋肥料作底肥，每年施肥量一致，用量為400kg·hm-2，并以尿素作分蘗肥，用量80kg·hm-2；OCF處理為每年秋季水稻收獲后，將當季稻稈機械粉碎直接拋灑全量還田(稻稈還田量約為7500kg·hm-2)，其中2018年處理為2017年秋季稻稈還田，化肥施用同CF處理；OF處理為第1年(鮮豬糞)為12t·hm-2，后續2a施用量(豬糞，鮮重)為8t·hm-2，均為春季施入，化肥施用同CF處理；OMF處理以水稻專用生物有機肥作底肥，施用量2000kg·hm-2，期間不施用分蘗肥。各個處理田間與水分管理一致。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品采集于2020年11月20日水稻收獲后稻稈未還田前。采用對角線蛇形取樣法，每個處理按同樣面積劃分5個樣方，每個樣方(10m×10m)分別采集5個點混合成1個樣本，采樣深度為0～20cm。采集的土壤樣品密封運回實驗室，在陰涼處自然風干，風干后剔除大根莖以及肉眼可見的動植物殘體等雜質，過2mm篩保存備用。供試土壤樣品的基本化學性質見表1。

溶解性有機物(DOM)的提取與含量測定[5]：稱取過0.25mm篩的風干土樣5.00g于100mL塑料離心管中，然后加入30mL蒸餾水充分攪拌，經恒溫水浴70℃提取1h后，以3500r·min-1離心15min，將得到的上清液過孔徑為0.45μm的濾膜后，將其移至50mL的容量瓶中，離心管內的殘渣接著添加蒸餾水20mL攪拌均勻，再次離心過濾膜，與前次合并用蒸餾水定容，定容后的溶液即為溶解性有機物(DOM)。溶解性有機碳(DOC)采用有機碳分析儀(TOC)測定。

表1 供試土壤的基本化學性質

溶解性有機物(DOM)三維熒光光譜的測定：三維熒光光譜采用HATACHIF-7000型熒光分光光度計測定，測定條件：PMT電壓為700V，發射光波長(Em)范圍為220～600nm，波長間隔為1nm，激發光波長(Ex)范圍為200～450nm，波長間隔為5nm，激發光和發射光的狹縫寬度均為5nm。

溶解性有機物(DOM)紫外吸光度值的測定：利用島津紫外分光光度計(UVmini-1280)測定濾液在254nm的光密度D(cm-1)，計算單位質量濃度下DOM的比紫外吸收值(L·mg-1·m-1)，即SUV254nm[6]。

土壤基本化學性質測定：均采用常規測定方法。

1.4 數據處理

采用Excel 2016與SPSS 22.0軟件進行數據統計分析；Origin 8.5軟件繪制三維熒光光譜圖；MatlabR2013a軟件進行熒光區域積分。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理土壤有機碳(SOC)、溶解性有機碳(DOC)和溶解性有機物(DOM)紫外吸光特征

由表2可見，不同施肥處理水稻土有機碳(SOC)、溶解性有機碳(DOC)含量以及溶解性有機物(DOM)紫外吸光存在差異；與CF比較，OCF、OF及OMF處理SOC含量分別提高5.33%、30.88%、30.34%，CF與OCF處理間差異不顯著，CF與OF、OMF處理間差異顯著，OF與OMF處理間差異不顯著。與CF比較，不同處理均提高了DOC含量，OMF處理提高幅度最大，達28.23%，其次為OF處理，提高18.75%，OCF處理提高10.08%；DOC/SOC(%)以OCF處理最高；OF處理最低且與CF、OCF、OMF處理間差異顯著，CF、OCF、OMF處理間差異不顯著。DOM比紫外吸收值(SUV254nm)的大小順序為OMF﹥OF﹥CF﹥OCF。

表2 不同施肥處理土壤有機碳(SOC)、溶解性有機碳(DOC)和溶解性有機物(DOM)紫外吸光特征

2.2 不同施肥處理土壤DOM的三維熒光光譜分析

利用熒光激發-發射矩陣光譜法(EEMs)研究DOM的組分，通過熒光光譜中不同激發/發射光波長區域范圍將DOM組分分為5個區域，區域Ⅰ(220～250nm/280～330nm)為類酪氨酸蛋白質，區域Ⅱ(220～250nm/330～380nm)為類色氨酸蛋白質，區域Ⅲ(220～250nm/380～480nm)為類富里酸，區域Ⅳ(250～360nm/280～380nm)為類溶解性微生物代謝產物，區域Ⅴ(250～360nm/380～520nm)為類腐殖酸[7]。不同施肥處理水稻土DOM的三維熒光光譜圖見圖1，由圖1可見，不同處理三維熒光指紋圖譜相似；熒光強度有明顯差異；CF處理的熒光強度較弱；OMF處理的熒光強度最強，其次為OF處理，尤其區域Ⅲ、區域Ⅴ三維熒光線密度增強，即施肥增加了土壤類富里酸、類腐殖酸物質。

2.3 不同施肥處理土壤DOM的熒光峰位置與熒光強度分析

DOM的熒光強度與所對應的激發/發射光波長能夠表征其組成與結構特征。據相關研究表明[8]如果熒光峰所對應的激發/發射光波長變長，則表示出現紅移現象，說明對應區域熒光物質的芳香度和分子量增加，如果對應區域為類腐殖酸，同時還說明腐殖酸物質的縮聚度也增加；反之，則表示發生藍移現象。不同施肥處理對土壤DOM熒光強度以及對應激發/發射光波長影響見表3，由表3可見，與CF處理比較，OCF、OF、OMF處理土壤中熒光區域Ⅰ的發射光波長由327nm紅移330nm，類酪氨酸蛋白質增加；熒光區域Ⅲ的發射光波長由465nm紅移476nm，類富里酸增加；熒光區域Ⅳ的發射光波長由303nm紅移318nm，類溶解性微生物代謝產物增加；熒光區域Ⅴ的發射光波長由505nm藍移383nm，OCF處理熒光物質的芳香度和分子量明顯減小。

圖1 不同施肥處理土壤溶解性有機物的三維熒光光譜圖

表3 不同施肥處理土壤溶解性有機物熒光峰的光譜特征

2.4 不同施肥處理土壤DOM的三維熒光區域的積分特征

三維熒光區域積分可以定量區分DOM的熒光組分，以此可以探究施肥對DOM熒光物質影響的效果，采用matlab軟件對4個處理的DOM熒光數據積分，并計算各區域積分值占總積分值的百分比，結果見圖2、圖3。由圖2可見,4個處理不同區域的熒光積分值有差異，CF與OCF處理DOM中各類物質含量的變化為類腐殖酸物質>溶解性微生物代謝產物>富里酸類物質>類色氨酸蛋白質物質>類酪氨酸蛋白質物質，OCF處理的5個區域中熒光物質含量均大于CF處理，區域Ⅳ與區域Ⅴ積分值差異顯著；OF與OMF處理的5個區域中熒光物質含量變化趨勢一致，即OF與OMF處理DOM中各類物質含量的變化為類腐殖酸物質>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，OMF處理的5個區域積分值均大于OF處理，區域Ⅲ與區域Ⅴ積分值差異顯著。4個處理中區域Ⅴ積分值差異明顯，均達到差異顯著水平；區域Ⅰ積分值差異不顯著；CF、OCF處理與OF、OMF處理區域Ⅱ積分值差異顯著；CF、OCF與OF處理區域Ⅲ積分值差異不顯著，而CF、OCF、OF與OMF處理區域Ⅲ積分值差異顯著；CF、OF、OMF處理區域Ⅳ積分值差異不顯著，而CF、OF、OMF與OCF處理差異顯著。由圖3可見，各區域積分值占總積分值的百分比與4個處理不同區域的熒光積分值的變化趨勢不一致，4個處理區域Ⅰ的百分比為CF>OCF>OF>OMF處理，CF、OCF、OF處理間差異不顯著，OCF、OF與OMF處理差異不顯著，CF與OMF處理差異顯著；區域Ⅱ的百分比為OF>CF>OMF>OCF處理，處理間差異顯著；區域Ⅲ的百分比為OMF>CF>OF>OCF處理，OMF與CF處理差異不顯著，OMF、CF處理與CF、OCF間差異顯著；區域Ⅳ的百分比為OCF>CF>OF>OMF處理，CF、OCF、OMF處理間差異顯著而CF與OF間、OF與OMF間差異不顯著；區域Ⅴ的百分比為OMF>OF>CF>OCF處理，CF、OCF、OF處理間差異不顯著，CF、OCF與OMF間差異顯著，OF與OMF間差異不顯著。

圖2 各區域熒光區域積分特征

3 討論與結論

與施用化肥比較，施用有機肥料等能夠改變土壤的SOC、DOC含量及DOM的熒光組分含量與結構特征等，可能是秸稈等外源有機物施入土壤后產生激發效應，使土壤微生物獲得充足的碳源，加速生長與代謝活動，促進了土壤有機碳礦化及作物殘體分解[9]，提高DOC含量；秸稈等有機物腐爛分解過程中改變了微生物的種群，提高了微生物及相關酶的活性，從而使土壤非活性有機碳向活性有機碳的轉變，導致DOC含量的增加[10-12]；秸稈配施化肥、有機肥配施化肥或生物有機肥等能夠改善土壤理化性質，土壤結構，增加微生物活性，提高作物產量，從而提高凋落物和根系的分泌物；土壤中的有機物能夠吸附和螯合施入的無機氮形成溶解性總氮和溶解性有機氮[13]，從而使土壤溶解性有機質含量增加。有機肥含有大量的可溶性有機物和具有易于分解的特點[13]，進而增加土壤溶解性有機質含量。溶解性有機質是土壤微生物的重要碳源及養分來源，能夠顯著影響土壤微生物的活性及群落組成[14]，由于外源有機物料的添加能夠產生不同的真菌群落的組成，改變了功能微生物豐度及相關酶活性[15]，從而改變了土壤腐殖化程度，改變DOM的組成與結構特征等。SUVD254nm可以表征DOM的腐殖化程度，SUVD254nm越大，DOM的腐殖化程度越高[16]。梁遠宇等研究結果表明：長期施有機肥土壤對DOC中的類腐殖酸等高聚合度的芳香性大分子物質的吸附比例相對較高，而長期單施化肥土壤對分子量較小、聚合程度較低的類酪氨酸蛋白物質吸附量較高[17]。

圖3 各區域積分占總積分的比例

本文研究結果表明，與CF處理比較，OCF、OF與OMF處理提高了土壤SOC、DOC含量；OF處理SOC含量提高幅度最大，達30.88%、30.34%，OMF處理提高DOC含量幅度最大，達28.23%，OCF處理增加DOC累積，而OF與OMF處理加強DOC礦化。

不同施肥處理的三維熒光指紋圖譜形狀相似；熒光線密度有明顯差異；CF處理的熒光強度較弱；OMF處理的熒光強度最強，其次為OF處理，尤其區域Ⅲ、區域Ⅴ三維熒光線密度增強，即施肥增加了土壤類富里酸、類腐殖酸物質含量。與CF處理比較，OCF、OF、OMF處理土壤中不同區域發射光波長發生紅移和藍移現象，OCF處理熒光物質的芳香度和分子量減小，與SUV254nm結果一致。各區域積分值占總積分值的百分比顯示，不同處理土壤中類腐殖酸物質為主，類酪氨酸蛋白質物質最少，CF與OCF處理溶解性微生物代謝產物>富里酸類物質；OF與OMF處理富里酸類物質>溶解性微生物代謝產物。試驗結果顯示，稻稈配施化肥、有機肥配施化肥以及生物有機肥都提高了土壤質量，有機肥配施化肥以及生物有機肥培肥土壤效果更佳。