不同施肥處理對春玉米土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的影響

趙海超，黃智鴻，羅永華，田再民

(河北北方學(xué)院，河北張家口 075000)

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組分[1]。DOM是廣泛存在于土壤中的一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)高分子混合物[2]，是土壤樣品在室溫及天然pH值條件下，用水提取能通過0.45 μm微孔濾膜的土壤有機(jī)物質(zhì)[3-4]。DOM中含有大量的溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)、溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen，DON)和溶解性有機(jī)磷(dissolved organic phosphorus，DOP)等生物潛在可利用碳、氮、磷。然而，與可溶解無機(jī)氮磷相比，溶解性有機(jī)氮磷很少受到人們的關(guān)注，但近年來，關(guān)于土壤中DOM的功能和動(dòng)態(tài)研究取得了較大的進(jìn)展[5]。隨著酶學(xué)、微生物學(xué)及光譜技術(shù)的發(fā)展，溶解性有機(jī)質(zhì)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題，三維熒光光譜法(three dimensional excitation emission matrix fluorescence spectrum，3DEEM)分析技術(shù)具有靈敏度高、選擇性高、信息量高、所需樣品量少且不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究自然界DOM的普遍方法[6-7]。熒光光譜圖中Ex/Em特征峰值是描述DOM來源和組成的重要參數(shù)[8]。特征熒光強(qiáng)度綜合指標(biāo)(∑Fex/em)表示溶解性有機(jī)物的綜合含量[8-9]，熒光峰的強(qiáng)度越強(qiáng)，所代表的組分含量越高。熒光參數(shù)r(A/C)是一個(gè)與有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和成熟度有關(guān)的指標(biāo)[10]。熒光指數(shù)(fluorescence intensity ratio，F(xiàn)I)是表征DOM中腐殖質(zhì)來源的參數(shù)[11]。自生源指數(shù)(autochthonous index，BIX)表征DOM自生源相對貢獻(xiàn)[12]。

土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)主要來源于土壤微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的降解和施肥、植物枯枝落葉殘?bào)w等外源輸入[5-13]。因此，施肥等農(nóng)藝活動(dòng)是影響土壤DOM含量及結(jié)構(gòu)的主要因素。Ge等研究表明，有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)耕作相比，不施用化肥能夠增加土壤DON含量[14]。筆者前期研究表明，施肥對DOM具有雙重作用，施肥不僅是土壤DOM的重要來源，還可通過影響微生物及作物根系活力促進(jìn)土壤DOM的耗損，DOM熒光強(qiáng)度與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[15]。有機(jī)肥可以向土壤輸入DOM，而化肥等肥料可以通過影響土壤微生物活性及作物生長而影響土壤DOM含量及其結(jié)構(gòu)。DOM是土壤肥力及土壤養(yǎng)分流失的重要組分，探討施肥配比對土壤DOM的影響，能夠深入揭示施肥處理對土壤有機(jī)養(yǎng)分影響的重要機(jī)制。本研究通過連續(xù)4年的田間定位試驗(yàn)，分析不同肥料配比對春玉米(Zeamaysssp.maysL.)農(nóng)田土壤DOM、DOC、DON、DOP含量的影響，為該區(qū)域建立農(nóng)田土壤培肥技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于我國北部河北省張家口市宣化縣沙嶺子鎮(zhèn)南興渠村(40°36′11.56″ N，115°08′05.74″E)，該區(qū)春玉米種植面積近70萬hm2，占全河北省春玉米種植面積的近1/3。試驗(yàn)地點(diǎn)的無霜期為100～150 d，年降水量為350～450 mm，主要集中在7～8月。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為褐土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)土，2014年土壤理化性狀如表1所示。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)處理設(shè)單施氮(N)、單施磷(P)、氮磷配施(NP)、氮磷鉀配施(NPK)、單施有機(jī)肥(O)、有機(jī)肥+N(ON)、有機(jī)肥+P(OP)、有機(jī)肥+NP(ONP)、有機(jī)肥+NPK(ONPK)9個(gè)處理，以不施肥為對照(CK)，以上9個(gè)處理與對照分別用1～10表示；其中施N 180 kg/hm2，施P(P2O5)150 kg/hm2，施K(K2O)120 kg/hm2，施有機(jī)肥 7 500 kg/hm2。N肥用尿素(含46%氮)、P肥用過磷酸鈣(含12% P2O5)、K肥用硫酸鉀(含50% K2O)、有機(jī)肥用牛糞(含14.7%有機(jī)質(zhì)、0.42%氮、0.22%磷)，牛糞用量 7 500 kg/hm2(用量略高于當(dāng)?shù)亓?xí)慣用量)。為減少土壤擾動(dòng)等引起的差異，肥料均以基肥一次性施入土壤。重復(fù)3次，共30個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為6 m×10 m=60 m2。田間管理、種植密度同當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植。2010—2014年連續(xù)4年采用田間定位施肥，種植玉米品種為鄭丹958，種植密度為75 000株/hm2，田間管理同當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植。

表1 土壤0～40 cm土層理化性質(zhì)

1.3 土壤樣品采集

2014年于玉米成熟期(9月20日)，在田間試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)按“S”形采樣法隨機(jī)采集5點(diǎn)，3個(gè)土層采樣深度分別為0～10、10～20、20～40 cm，現(xiàn)場混勻，去除土壤中植物殘?bào)w和根系，置于塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃保存。進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)組分和土壤微生物生物量的測定，產(chǎn)量指標(biāo)采用4年的平均值。

1.4 分析方法

土壤DOM浸提液制備：土壤冷凍干燥后，過100目篩，利用超純水浸提[水土質(zhì)量比為10 ∶1，200 r/min、(20±1)℃下振蕩16 h，在10 000 r/min、20 ℃下離心30 min，使固液分離，上清液過0.45 μm濾膜]獲得土壤DOM浸提液。DOM采用三維熒光光譜法測定[6-8]，利用Hitachi F-7000型熒光光譜分析儀測定其三維熒光光譜(3DEEM)。激發(fā)和發(fā)射波長狹縫寬度為5 nm，掃描速度為2 400 nm/min，激發(fā)波長(Ex)為200～450 nm，發(fā)射波長(Em)為250～600 nm。DOC含量采用 TOC-5000A 測定；土壤中溶解性有機(jī)氮含量采用溶解性總氮(DTN)含量與氨態(tài)氮(NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)含量的差減法測定[16]，DTN和NO3--N含量采用紫外分光光度計(jì)法測定，NH3-N含量采用納氏試劑分光光度計(jì)法測定，計(jì)算公式為DON=DTN-NH3-N-NO3--N；土壤溶解性有機(jī)磷含量采用溶解性總磷(DTP)與活性磷(SRP)的差減法測定，DTP、SRP含量采用紫外分光光度計(jì)法測定，計(jì)算公式為DOP=DTP-SRP。土壤微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)、微生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)含量采用三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法測定[17-18]，MBC采用multi N/C 3100分析儀測定，MBN采用Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀(FOSS)測定。土壤微生物量碳含量采用熏蒸提取-容量分析法測定；土壤微生物量氮含量采用熏蒸提取-茚三酮比色法測定。土壤基本理化性狀采用常規(guī)分析法測定。0～40 cm 土層各指標(biāo)值為分層土壤指標(biāo)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖采用Excel 2003軟件，數(shù)據(jù)差異顯著性分析、相關(guān)分析和回歸分析采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對春玉米農(nóng)田土壤DOM的影響

DOM是土壤主要的活性有機(jī)質(zhì)組分，不同施肥措施對春玉米農(nóng)田土壤DOM影響如圖1所示。通過土壤DOM的3DEEM可見，與前人研究結(jié)果對比，各處理不同層次土壤3DEEM均出現(xiàn)Peak-A(紫外區(qū)類腐殖質(zhì)熒光峰)、Peak-C(可見區(qū)類腐殖質(zhì)熒光峰)和Peak-E(類蛋白熒光峰)3個(gè)熒光峰[6-9]。不同處理0～40 cm土壤DOM的∑Fex/em在46.04～78.24之間，大小順序?yàn)镹PK>O>OP>N>ONP>P>CK>NP>ON>ONPK，而且NPK和O處理顯著高于ONPK處理，可見有機(jī)肥和無機(jī)肥配施可降低土壤中DOM含量，但不同處理對各土層DOM影響不同，玉米根系主要活動(dòng)層在10～20 cm，該層DOM的∑Fex/em大小順序?yàn)镺>N>NPK>OP>ONP>P>CK>ONPK>ON>NP，而且O和N處理明顯高于其他處理，0～10 cm土層∑Fex/em以NP處理最高，20～40 cm 土層∑Fex/em以NPK處理最高?？梢妴问┯袡C(jī)肥和氮肥能夠增加土壤10～20 cm土層DOM，氮磷肥配施有利于增加0～10 cm土層DOM，氮磷鉀肥配施有利于增加20～40 cm土層DOM含量，不同施肥措施能夠顯著影響土壤DOM含量。

2.2 施肥對春玉米農(nóng)田土壤DOC的影響

DOC是指在一定的時(shí)空條件下，受植物和微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性的土壤碳素[15]，它能夠反映土壤DOM的含量。不同處理0～40 cm土壤DOC含量在101.24～253.48 mg/kg 之間，大小順序?yàn)镺NPK>N>ON>ONP>P>NP>O>OP>NPK>CK，而且ONPK和N處理明顯高于其他處理，施肥處理均顯著高于CK，可見施肥能夠增加土壤DOC含量，施用有機(jī)肥和氮肥有利于增加土壤DOC含量。10～20 cm 土層DOC含量大小順序?yàn)镺NPK>N>NP>P>O>OP>ONP>NPK>ON>CK，而且ONPK和N處理明顯高于其他處理，施肥處理均顯著高于CK。0～10 cm土層DOC含量以O(shè)NP處理最高，且各施肥處理均顯著高于CK。20～40 cm 土層DOC含量以O(shè)NPK處理最高，且ONPK和O處理均明顯高于其他處理(圖2)。由此可見，有機(jī)無機(jī)肥配施、單施氮肥和有機(jī)肥能夠顯著提高土壤DOC含量。

2.3 施肥對春玉米農(nóng)田土壤DON的影響

DON是土壤氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵組成部分[19]，是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要元素[20]。不同處理0～40 cm土壤DON含量在26.81～54.87 mg/kg之間，大小順序?yàn)镃K>ON>NP>ONPK>ONP>P>O>OP>NPK>N，而且NPK和N處理明顯低于其他處理，施肥處理均明顯低于CK，總體來看，施肥能夠降低0～40 cm土層土壤DON含量，因?yàn)槭┓试黾油寥牢⑸锘钚訹21]，加速DON的降解而使DON含量下降。10～20 cm土層DON含量大小順序?yàn)镺N>NP>ONPK>CK>N>NPK>OP>ONP>P>O，而且ON處理顯著高于其他處理。0～10 cm土層DON含量以O(shè)處理最高，且與CK顯著高于其他處理，20～40 cm土層DON含量以CK最高，且明顯高于施肥處理(圖3)。可見施肥能夠降低0～40 cm 土層土壤DON含量，但氮肥和有機(jī)肥配施比其他施肥處理有利于增加耕層(10～20 cm)土壤DON含量，主要是由于氮肥的施入抑制微生物對DON的降解，同時(shí)施用有機(jī)肥有利于防止DON的流失[22]，而增施有機(jī)肥有利于增加0～10 cm土層土壤DON含量，主要是由于有機(jī)肥撒施于表層，耕翻后進(jìn)入土壤，表層留存較多。而配合施肥有利于促進(jìn)微生物活性，加速DON的降解而使DON含量下降。

2.4 施肥對春玉米農(nóng)田土壤DOP的影響

土壤有機(jī)磷(organic phosphorus)對土壤磷的礦化及磷循環(huán)具有重要的作用[23]，DOP是土壤浸提液中容易被生物利用的有機(jī)磷[24]。不同處理0～40 cm土壤DOP含量在26.81～54.87 mg/kg之間，大小順序?yàn)镹PK>CK>ONPK>P>ONP>ON>OP>N>O>NP，總體來看，平衡施肥有利于增加土壤DOP含量，不施肥使土壤微生物活性降低，減少了DOP的降解量，缺施磷肥促進(jìn)土壤中DOP向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化以被玉米吸收利用，使土壤中DOP含量降低。10～20 cm土層DOP含量大小順序?yàn)镺NPK>NPK>ONP>CK>ON>OP>NP>P>N>O，而且ONPK處理顯著高于其他處理。0～10 cm土層DOP含量以CK最高，且明顯高于其他處理，20～40 cm土層DOP含量以P處理最高，且顯著高于其他處理(圖4)?？梢娕浜鲜┓视欣谠黾油寥繢OP含量，且主要增加肥料施入層土壤DOP含量，單施磷肥有利于增加底層土壤DOP含量，缺施磷肥會(huì)降低土壤中DOP含量，但不施肥能夠使土壤保有較高的DOP含量。

3 討論

3.1 施肥對土壤DOM來源的影響

土壤中DOM主要來源于有機(jī)質(zhì)降解和生物分泌物以及外源有機(jī)肥輸入，同時(shí)DOM是土壤微生物及作物根系利用的主要有機(jī)質(zhì)形態(tài)，因此土壤中DOM既受生物的影響，同時(shí)又受有機(jī)肥和植物殘?bào)w輸入的影響。DOM熒光參數(shù)能夠表征土壤DOM的來源，r(A/C)值可以用來反映DOM中類腐殖組分發(fā)育程度[10]，如圖5所示，不同施肥處理土壤DOM的r(A/C) 變化范圍在1.10～2.07之間，O、OP和ONP處理明顯高于其他處理，表明其腐殖化程度較高，而NP和ONPK處理顯著低于其他處理，表明其腐殖化程度較低。熒光指數(shù)(FI)可表征DOM來源，F(xiàn)I>1.9表示DOM主要來源于微生物活動(dòng)，F(xiàn)I<1.4則表示以陸源輸入為主[25]，不同處理土壤DOM的FI在1.53～1.71之間，CK最高且顯著高于施肥處理，可見不施肥土壤中微生物活動(dòng)對DOM的貢獻(xiàn)率較大。BIX反映DOM自生源相對貢獻(xiàn)，BIX值越大，自生源特征越明顯，類蛋白組分貢獻(xiàn)越大，生物可利用性越高[12]，不同處理相比CK的BIX最高，且顯著高于施肥處理，施肥處理中單施氮肥處理最高，可見不施肥或單施氮肥土壤DOM自生源特征明顯。根據(jù)不同處理土壤中DOM、DOC、DON和DOP含量變化可見，CK土壤中DON和DOP含量較高，表明土壤中DON和DOP主要來源于土壤微生物活動(dòng)，具有較強(qiáng)的土壤自生性，而土壤中DOM和DOC主要來源于外源輸入，陸源性較強(qiáng)。當(dāng)單施氮肥和磷肥時(shí)，在微生物活動(dòng)的作用下DON和DOP含量增加；當(dāng)單施有機(jī)肥時(shí)，雖然外源有機(jī)質(zhì)增加，在土壤微生物作用下轉(zhuǎn)化成DOM，降解產(chǎn)生的N、P容易被作物吸收利用，因此DON和DOP含量不高，而DOC含量較高；增施有機(jī)肥，能夠增強(qiáng)土壤中DOM的腐殖化程度和陸源性；在均衡施肥特別是氮磷鉀有機(jī)肥配合施用時(shí)，微生物及玉米主要利用施入的無機(jī)養(yǎng)分，對有機(jī)質(zhì)的降解作用減弱，使DOM含量降低，腐殖化程度較低，陸源性增加；在氮磷鉀無機(jī)肥配合施用時(shí)，由于微生物活動(dòng)增加，土壤中原有的有機(jī)質(zhì)降解增多，雖然使DOM、DOP增加，因無外源碳輸入，DOC、DON降低，DOM的自生性增加，腐殖化程度下降。

3.2 生物對土壤DOM的影響

微生物和農(nóng)作物的活動(dòng)不僅是土壤中DOM的重要來源，同時(shí)也分解消耗土壤中的DOM[26-27]。不同施肥措施土壤中微生物碳氮含量及玉米產(chǎn)量和千粒質(zhì)量如圖6-a所示。總體來看施用有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)肥配合施用能夠增加土壤微生物活性及玉米產(chǎn)量。進(jìn)行相關(guān)性分析可知，DOM和DOP與微生物和產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)性較小，DON和DOC與微生物和產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性如表2所示，0～10 cm土層DON與產(chǎn)量、MBN呈顯著負(fù)相關(guān)，DOC與產(chǎn)量、MBN呈顯著正相關(guān)，10～20 cm土層DOC與產(chǎn)量、MBC和MBN呈顯著正相關(guān)，20～40 cm土層DON與產(chǎn)量、千粒質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)，0～40 cm土層DON與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，DOC與產(chǎn)量、MBN呈顯著正相關(guān)?？梢娢⑸锖陀衩赘抵饕到馔寥乐械腄ON，且隨著玉米產(chǎn)量的增加，土壤DON含量下降，而隨著微生物活動(dòng)的增加和玉米產(chǎn)量的增加，有利于提高土壤中DOC的含量。DOM是土壤中復(fù)雜的溶解性有機(jī)質(zhì)，肥料及生物對其影響是多方面的，因此本試驗(yàn)中DOM與產(chǎn)量和微生物指標(biāo)相關(guān)性較小。土壤中磷的轉(zhuǎn)化能力比氮、碳小，因此施肥對DON的影響主要是表現(xiàn)在0～10 cm土層，而DOP表現(xiàn)在20～40 cm土層，在外源磷輸入的條件下，DOP在土壤受微生物和根系對有機(jī)質(zhì)降解作用和吸收作用的多重影響，因此本試驗(yàn)中DOP與產(chǎn)量和微生物指標(biāo)相關(guān)性較小。微生物能夠降解土壤中DON，使其轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮被微生物及玉米吸收利用，同時(shí)微生物活動(dòng)能夠降解有機(jī)質(zhì)，根系分泌物能產(chǎn)生DON，因此在微生物活動(dòng)劇烈的0～10 cm土層，DON以降解為主，在根系主要活動(dòng)層10～20 cm土層，DON與微生物及產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)性較小，而受根系吸收作用為主的20～40 cm土層，DON與產(chǎn)量指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)。盧萍等研究表明，土壤溶液中DON濃度與施肥量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]。DOC同樣受微生物及玉米生長的多重影響，但總體來看微生物活動(dòng)和玉米生長對土壤中DOC含量主要起增加作用，可見DOC能夠作為土壤肥力指標(biāo)，指示土壤肥力及玉米產(chǎn)量。

4 結(jié)論

(1)關(guān)于各處理DOM的∑Fex/em，0～40 cm土壤在46.04～78.24 之間，大小順序?yàn)镹PK>O>OP>N>ONP>P>CK>NP>ON>ONPK，0～10 cm土層以NP處理最高，10～20 cm土層以O(shè)處理最高，20～40 cm土層以NPK處理最高。

(2)關(guān)于各處理DOC含量，0～40 cm土壤在101.24～253.48 mg/kg 之間，大小順序?yàn)镺NPK>N>ON>ONP>P>NP>O>OP>NPK>CK，0～10 cm土層以O(shè)NP處理最高，10～20 cm 和20～40 cm土層以O(shè)NPK處理最高。

(3)關(guān)于各處理DON含量，0～40cm土壤在26.81～54.87 mg/kg 之間，大小順序?yàn)镃K>ON>NP>ONPK>ONP>P>O>OP>NPK>N，0～10 cm土層DON含量以O(shè)處理最高，10～20 cm土層DON含量以O(shè)N處理最高，20～40 cm土層DON含量以CK最高。

表2 不同土層土壤中DON和DOC與微生物和產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性

注：n=10，“*”為顯著相關(guān)；“**”為極顯著相關(guān)。

(4)關(guān)于各處理DOP含量，0～40 cm土壤在26.81～54.87 mg/kg 之間，大小順序?yàn)镹PK>CK>ONPK>P>ONP>ON>OP>N>O>NP，0～10 cm土層以CK最高，10～20 cm土層以O(shè)NPK處理最高，20～40 cm土層以DOP處理最高。

(5)土壤中DOM和DOC主要來自外源，DON和DOP主要來自內(nèi)源，土壤微生物和玉米生長對土壤DOM和DOP影響具有多重性相關(guān)性較小，土壤微生物活性的增加和玉米產(chǎn)量的提高，有利于增加土壤DOC含量，降低土壤DON含量。

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