黑土水溶性有機(jī)碳對(duì)有機(jī)物料還田的響應(yīng)

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(jī)碳對(duì)有機(jī)物料還田的響應(yīng)

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(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086；3沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；4東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

【目的】探究不同有機(jī)物料還田措施下黑土水溶性有機(jī)碳含量及組成的變化特征，為黑土區(qū)土壤肥力提升提供科學(xué)依據(jù)。【方法】以黑龍江省克山縣定位7年的有機(jī)物料還田小區(qū)為研究對(duì)象，采用常規(guī)測(cè)定及熒光分析方法，以單施化肥處理為對(duì)照，對(duì)配施有機(jī)肥、生物炭、秸稈3種有機(jī)物料處理下土壤水溶性有機(jī)碳含量及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】與單施化肥相比，配施有機(jī)物料使土壤水溶性有機(jī)碳含量提升9.65%—20.30%，土壤總有機(jī)碳含量提升6.63%—14.86%。各有機(jī)物料還田處理下土壤水溶性有機(jī)碳中類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)減少。有機(jī)肥施入使水溶性有機(jī)碳中溶解性微生物代謝產(chǎn)物增加，使富里酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì)增加并使二者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；秸稈、生物炭使土壤水溶性有機(jī)碳中富里酸類物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；生物炭的添加使土壤水溶性有機(jī)碳中腐殖酸類物質(zhì)復(fù)雜化?！窘Y(jié)論】有機(jī)肥、生物炭、秸稈3種有機(jī)物料不同程度上提升了土壤水溶性有機(jī)碳中各組分含量、增強(qiáng)土壤微生物分解代謝、使水溶性有機(jī)碳中結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的富里酸組分含量增加、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，其中以有機(jī)肥效果最佳。

黑土；有機(jī)物料；水溶性有機(jī)碳；三維熒光光譜；PARAFAC分析

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳是土壤肥力的核心，影響著土壤中的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)。但土壤中的總有機(jī)碳含量變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，短期內(nèi)變化較為緩慢。土壤水溶性有機(jī)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(zhuǎn)化過(guò)程，在調(diào)節(jié)物理、化學(xué)、生物肥力方面均起到了重要作用。土壤水溶性有機(jī)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(jī)碳變化的敏感指標(biāo)之一[1-2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在不同類型土壤中的研究結(jié)果表明，在施肥因素的影響下，土壤水溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)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(fā)現(xiàn)，加施生物炭可以顯著提高土壤水溶性有機(jī)碳的含量，增強(qiáng)土壤微生物活性。在我國(guó)對(duì)4種典型農(nóng)田土壤（黑土、潮土、紅壤、水稻土）的活性有機(jī)碳研究顯示[6]，無(wú)論是旱田還是水田土壤，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施均可提高土壤水溶性有機(jī)碳及總有機(jī)碳含量。針對(duì)黑土長(zhǎng)期施肥的研究發(fā)現(xiàn)[7]，有機(jī)肥與化肥配施可顯著提升土壤水溶性有機(jī)碳含量，撂荒處理次之，秸稈還田處理的土壤水溶性有機(jī)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(diǎn)】黑土區(qū)是我國(guó)的主要糧食產(chǎn)區(qū)，黑土肥力的維持和提升影響著我國(guó)糧食安全。近年來(lái)，由于過(guò)度利用及不合理施肥，黑土區(qū)農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量及品質(zhì)下降，土壤理化性狀惡化，威脅著黑土區(qū)糧食生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境[8-9]。因此，提升黑土有機(jī)質(zhì)含量、改善黑土肥力對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。當(dāng)前對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的研究主要集中在含量上，施肥對(duì)水溶性有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以東北黑土區(qū)定位施肥7年的農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)不同有機(jī)物料還田下土壤水溶性有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定，并分析不同有機(jī)物料培肥條件下土壤水溶性有機(jī)碳的熒光結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)研究土壤水溶性有機(jī)碳含量及結(jié)構(gòu)變化，探討其與不同有機(jī)物料還田措施的響應(yīng)關(guān)系，以期為黑土科學(xué)施肥、地力提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于原長(zhǎng)春指揮所農(nóng)副業(yè)基地，地處黑龍江省齊齊哈爾市克山縣涌泉鄉(xiāng)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(wú)霜期120 d，年降水500 mm。試驗(yàn)地土壤類型為黑土，有機(jī)物料還田定位試驗(yàn)始于2013年，至2019年本試驗(yàn)已持續(xù)7年。土壤特性見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：?jiǎn)问┗剩∟PK）、有機(jī)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(duì)照處理。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為130 m2（5.2 m×25 m）。小區(qū)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?jī)赡隇橐粋€(gè)輪作周期；玉米品種為德美亞1號(hào)，大豆品種為黑河36；本試驗(yàn)?zāi)攴荩?019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(jī)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(dāng)季作物秸稈機(jī)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(cè)定項(xiàng)目與方法

以下各項(xiàng)測(cè)定均為3次重復(fù)。

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

1.3.2 土壤水溶性有機(jī)碳 水溶性有機(jī)碳（water soluble organic carbon，WSOC）提取方法：稱取過(guò)2 mm篩風(fēng)干土樣3.00 g，置于50 mL離心管內(nèi)，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(guò)濾。WSOC溶液碳含量采用TOC分析儀測(cè)定。

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

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010，差異顯著性分析采用SPSS軟件，熒光結(jié)構(gòu)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(qū)域積分采用Origin9.1。

2 結(jié)果

2.1 不同有機(jī)物料還田下土壤有機(jī)碳含量

與對(duì)照處理相比，不同有機(jī)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(jī)碳含量及其在總有機(jī)碳含量中的占比

*小寫(xiě)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(nóng)田有機(jī)物料還田試驗(yàn)研究結(jié)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(duì)照NPK處理間差異顯著，其余處理間差異不顯著。在黑土區(qū)連續(xù)有機(jī)物料還田7年后，MNPK、BNPK、SNPK處理下的WSOC含量較對(duì)照處理（NPK）分別提升了20.30%、9.83%和9.65%。不同有機(jī)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(gè)百分點(diǎn)，各處理間差異不顯著。

2.2 不同有機(jī)物料還田下土壤水溶性有機(jī)碳熒光結(jié)構(gòu)

2.2.1 水溶性有機(jī)碳三維熒光圖譜 在已有的研究中[11]，將三維熒光區(qū)域劃分為5個(gè)部分。其中，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ分別代表類酪氨酸、類色氨酸芳香蛋白質(zhì)類物質(zhì)，區(qū)域Ⅲ為富里酸類物質(zhì)，區(qū)域Ⅳ為溶解性微生物代謝產(chǎn)物，區(qū)域Ⅴ為腐殖酸類物質(zhì)。詳見(jiàn)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(xiàn)2個(gè)熒光特征峰（圖1），即富里酸類物質(zhì)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(jī)物質(zhì)產(chǎn)生；類腐殖酸物質(zhì)熒光峰（Peak C，各處理峰值：Ex/Em=（310—320）nm/（395—425）nm），由結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定、分子量大的有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生[12]。三維熒光圖譜結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)黑土WSOC以富里酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì)占主導(dǎo)地位，WSOC的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、腐殖化程度較高。

表3 三維熒光區(qū)域劃分

圖1 不同有機(jī)物料還田下水溶性有機(jī)碳三維熒光圖譜

三維圖譜中熒光峰所在的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)變小，即為藍(lán)移，反之則為紅移[13]。本研究WSOC三維熒光圖譜結(jié)果顯示，各有機(jī)物料中，以MNPK處理下的WSOC熒光結(jié)構(gòu)變化最大，其富里酸類物質(zhì)、類腐殖酸物質(zhì)熒光峰波長(zhǎng)均有藍(lán)移現(xiàn)象，說(shuō)明兩種物質(zhì)的芳香度和分子量有下降趨勢(shì)。與NPK處理相比，SNPK處理的富里酸類物質(zhì)熒光峰在激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)處均有藍(lán)移，類腐殖酸物質(zhì)熒光峰處沒(méi)有變化。BNPK處理下的富里酸類物質(zhì)熒光峰與NPK處理相比，在發(fā)射波長(zhǎng)處有藍(lán)移（2 nm），這一趨勢(shì)與有機(jī)肥、秸稈還田處理相似；類腐殖酸物質(zhì)熒光峰則在發(fā)射波長(zhǎng)處有紅移現(xiàn)象，芳香度和分子量增加。

為定量揭示各有機(jī)物料還田對(duì)黑土WSOC的影響，使用Origin軟件對(duì)4個(gè)處理下的土壤WSOC不同區(qū)域的熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行積分[14]，各區(qū)域積分值占總區(qū)域積分值的百分比如表4所示。

試驗(yàn)區(qū)域農(nóng)田黑土WSOC中各類物質(zhì)的含量為類腐殖酸物質(zhì)＞富里酸類物質(zhì)＞溶解性微生物代謝產(chǎn)物＞類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)＞類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)。其中，對(duì)照NPK處理土壤WSOC中的類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、富里酸類物質(zhì)（區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）積分值均高于3個(gè)有機(jī)物料處理，這可能與這3種處理中有機(jī)物料含量較多，土壤微生物代謝使結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類物質(zhì)被分解利用有關(guān)。MNPK處理下的土壤WSOC溶解性微生物代謝產(chǎn)物（區(qū)域Ⅳ）積分百分比高于其他處理（3.96%—4.24%）且達(dá)到顯著水平（＜0.05），而酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、富里酸類物質(zhì)、類腐殖酸物質(zhì)（區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）的積分百分比則少于其他處理。3個(gè)有機(jī)物料黑土處理下的類腐殖酸物質(zhì)（區(qū)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(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，這與三維熒光圖譜所示結(jié)果相一致。

表4 三維熒光區(qū)域積分（FRI）百分比

2.2.2 水溶性有機(jī)碳的PARAFAC分析 運(yùn)用PARAFAC分析方法，將不同處理下的土壤水溶性有機(jī)碳三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分解[15]，識(shí)別出兩個(gè)熒光組分，見(jiàn)圖2。其中，組分C1包含2個(gè)激發(fā)峰、1個(gè)發(fā)射峰（Ex/Em=360/460，270/460）為陸源類腐殖物質(zhì)，主要來(lái)源于高等植物腐解產(chǎn)生的有機(jī)物；組分C2包含2個(gè)激發(fā)峰、1個(gè)發(fā)射峰（Ex/Em=230/395，320/395），為富里酸類物質(zhì)，是典型的陸源有機(jī)物，通常是在微生物作用下，由陸源類富里酸物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成[16-18]。兩個(gè)熒光峰處，類腐殖酸組分（C1）的激發(fā)（Ex）與發(fā)射（Em）波長(zhǎng)均高于類富里酸組分（C2），其分子結(jié)構(gòu)也較類富里酸組分復(fù)雜。類腐殖酸組分熒光峰所在位置激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)均較長(zhǎng)，說(shuō)明該組分中含有高分子量和較高芳香度的有機(jī)物質(zhì)，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(guān)，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(gè)有機(jī)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(wú)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?bào)w增加，腐解產(chǎn)生高分子量有機(jī)物有關(guān)。

3 討論

土壤中WSOC主要來(lái)源于植物殘?bào)w、外源有機(jī)物投入、植物根系分泌物、土壤微生物代謝產(chǎn)物、土壤有機(jī)質(zhì)分解等，種植方式、施肥方式或氣候因子發(fā)生變化時(shí)，WSOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)改變[19]。土壤WSOC與SOC含量極顯著相關(guān)[20]，SOC與WSOC可進(jìn)行分解與合成轉(zhuǎn)化，因此，二者常處于動(dòng)態(tài)平衡中[21]。在本研究中，黑土耕層土壤水溶性有機(jī)碳含量大小依次為MNPK處理>BNPK處理>SNPK處理>NPK處理，有機(jī)肥、秸稈、生物炭的投入使土壤中SOC及WSOC含量增加，這與有機(jī)物料還田產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，土壤微生物可獲得更充足的碳源，加速了微生物生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化及作物殘?bào)w分解，使土壤有機(jī)碳更多地轉(zhuǎn)化為活性有機(jī)碳組分有關(guān)[5]。在李森等的研究中[22]，土壤水溶性有機(jī)碳的含量隨著作物生育時(shí)期的推進(jìn)而呈增加趨勢(shì)。在本試驗(yàn)中，秸稈為秋季還田，而試驗(yàn)區(qū)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(fā)揮出最佳效用。因此試驗(yàn)結(jié)果中配施秸稈還田、生物炭處理下的土壤水溶性有機(jī)碳含量與對(duì)照單施化肥處理之間的差異并不顯著，可能與本次試驗(yàn)為播前取樣有關(guān)。

圖2 基于PARAFAC分析方法的土壤水溶性有機(jī)碳熒光組分

圖3 水溶性有機(jī)碳各熒光組分Fmax值

在腐殖質(zhì)的多元酚形成理論中[23]，木質(zhì)素中和微生物代謝產(chǎn)生的多元酚和醌有機(jī)化合物參與土壤腐殖質(zhì)的形成，醌與含氮化合物聚合形成富里酸類物質(zhì)，再進(jìn)一步聚合為腐殖酸類物質(zhì)。本研究中，土壤WSOC三維熒光圖譜顯示出富里酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì)兩個(gè)熒光特征峰，這是因?yàn)樵诤康?、植物殘?bào)w較少的黑土農(nóng)田中，有機(jī)化合物易聚合為芳香度高、腐殖化程度高的物質(zhì)。在本研究中，土壤中施入有機(jī)肥料后，土壤WSOC中的芳香族化合物減少、有機(jī)物的芳香度和分子量下降；秸稈施入后，土壤WSOC中結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的富里酸類物質(zhì)有簡(jiǎn)化的趨勢(shì)。有研究表明[24-25]，在有機(jī)碳含量較高的土壤中，外源有機(jī)物料釋放出的有機(jī)碳通過(guò)微生物代謝進(jìn)入土壤水溶性有機(jī)碳中；有機(jī)肥與秸稈的施入可促進(jìn)水溶性有機(jī)碳中富里酸類物質(zhì)的分解利用，這與外源有機(jī)物料對(duì)土壤的激發(fā)效應(yīng)有關(guān)。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(jī)碳進(jìn)入土壤系統(tǒng)中，使土壤水溶性有機(jī)碳熒光強(qiáng)度增加。本研究中生物炭的施入使土壤WSOC中類腐殖酸物質(zhì)分子量加大，可能與生物炭的溶出作用有關(guān)。各有機(jī)物料在不同程度上均有使土壤WSOC中富里酸類物質(zhì)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(chǎn)物一般與土壤微生物的代謝產(chǎn)生速率及微生物的數(shù)量成正比[27]。李明堂等[28]對(duì)黑土區(qū)農(nóng)田的WSOC熒光結(jié)構(gòu)研究結(jié)果顯示，高產(chǎn)土壤中，WSOC中的溶解性微生物代謝產(chǎn)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(chǎn)物積分值高于其他處理，溶解性微生物代謝產(chǎn)物的增加，可能與微生物代謝增強(qiáng)有關(guān)，說(shuō)明MNPK處理下的微生物活性增加[15]，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的微生物分解，使土壤中微生物代謝產(chǎn)物積累。土壤中蛋白質(zhì)類物質(zhì)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(rèn)為，土壤微生物代謝緩慢會(huì)導(dǎo)致土壤中類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)的積累，土壤對(duì)這兩種物質(zhì)的吸附性強(qiáng)也會(huì)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(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)高于3個(gè)有機(jī)物料還田處理，可能是NPK處理下的土壤有機(jī)物質(zhì)來(lái)源較少，微生物碳源少，微生物代謝緩慢而導(dǎo)致WSOC中蛋白質(zhì)類物質(zhì)積累。

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

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，不同有機(jī)物料還田提升了黑土有機(jī)碳及水溶性有機(jī)碳含量，并提升了土壤水溶性有機(jī)碳在總有機(jī)碳中的占比。本試驗(yàn)區(qū)土壤水溶性有機(jī)碳以富里酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì)為主，腐殖化程度較高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。有機(jī)物料還田下的土壤水溶性有機(jī)碳中，類酪氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)、類色氨酸蛋白質(zhì)物質(zhì)因微生物分解代謝減少。有機(jī)肥使土壤水溶性有機(jī)碳中富里酸類物質(zhì)、腐殖酸類物質(zhì)含量增加、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；使微生物代謝產(chǎn)物增加，土壤微生物活性增強(qiáng)。秸稈、生物炭土壤水溶性有機(jī)碳中富里酸類物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，生物炭使腐殖酸類物質(zhì)復(fù)雜化。

綜上所述，3種有機(jī)物料還田措施均有提升黑土區(qū)土壤水溶性有機(jī)碳含量的作用；可通過(guò)增加微生物代謝產(chǎn)物含量、簡(jiǎn)化富里酸類物質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)土壤的供肥能力；通過(guò)提升腐殖酸類物質(zhì)含量增強(qiáng)土壤的保肥能力，其中以配施有機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金（41771284）、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-04-01A）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0201001）、北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)（KJCX20190408）

魏丹，E-mail：wd2087@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）