不同耕法下秸稈還田對土壤WSOC熒光特性的影響

李玉梅，王根林，李承陽，3，劉崢宇，孟祥海，王 偉，邵廣忠，胡穎慧

1. 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，黑龍江 哈爾濱 150086 2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，黑龍江 哈爾濱 150086 3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150021 4. 黑龍江省綏濱農(nóng)場，黑龍江 綏濱 154213 5. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157041

引 言

土壤溶解性有機(jī)質(zhì)由溶解在土壤溶液中的低分子量有機(jī)質(zhì)和以膠體狀態(tài)懸浮于土壤溶液中的大分子量有機(jī)質(zhì)組成，一般將通過0.45 μm微孔濾膜的水溶性有機(jī)碳表示為WSOC。 WSOC雖然只占土壤有機(jī)碳的很少部分，卻是土壤微生物可直接利用的有機(jī)碳源，影響土壤中有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、遷移和降解[1]。 耕作5年土壤的WSOC組成與天然土壤相似，而耕作1年土壤的WSOC 中碳水化合物幾乎完全消失，新形成了一些烷基碳結(jié)構(gòu)的有機(jī)物。 不同取樣時期、不同土層深度，土壤WSOC組成不同[2]。 目前，熒光光譜分析法廣泛應(yīng)用于DOM及不同來源FA類物質(zhì)的熒光特性研究中，具有靈敏度高，選擇性好等優(yōu)點。 而采用平行因子分析(PARAFAC)與熒光光譜結(jié)合，可以揭示傳統(tǒng)熒光圖譜無法識別的細(xì)微差別，目前已成為腐殖酸類物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成特性分析的主要評價方法[3]。 以追求產(chǎn)量為目標(biāo)的高強(qiáng)度耕作方式，帶來耕地土壤有機(jī)質(zhì)退化、耕層變淺、土壤肥力下降，利用秸稈還田培肥土壤，被認(rèn)為是一種最直接、最有效的途徑。 由于受土壤類型、環(huán)境、生物量等因素的影響，秸稈還田方式對土壤有機(jī)碳庫的貢獻(xiàn)不同[4]，以往研究多側(cè)重于秸稈覆蓋、粉碎翻耕、過腹還田等方式[5]，而對于連續(xù)秸稈還田方式的研究則較少。 因此，本研究通過不同耕法下秸稈還田方式對草甸土不同深度土層中WSOC熒光光譜特征的影響，為今后科學(xué)應(yīng)用秸稈還田開展黑土培肥具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 試驗設(shè)計

本研究于2016年5月—2018年10月在牡丹江市溫春鎮(zhèn)(44.60′N，129.58′E)粘壤質(zhì)型草甸土上進(jìn)行，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)： 全N 1.12 g·kg-1、全P 0.55 g·kg-1、全K 2.53 g·kg-1、堿解N 101.55 mg·kg-1、速效P 26.50 mg·kg-1、有效K 130.28 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)16.50 mg·kg-1、pH 7.93。

表1 田間試驗設(shè)計

設(shè)計3種耕法： 免耕(NT)、淺翻20(ST)和深翻(DT)，3種秸稈還田方式： 免耕秸稈覆蓋(NT-S)、淺翻秸稈還田(ST-S)和深翻秸稈還田(DT-S)。 每小區(qū)234 m2，3次重復(fù)，玉米施N 160.0 kg·ha-1，P2O5110.0 kg·ha-1，K2O 75.0 kg·ha-1。 每年秋季玉米收獲后，將秸稈粉碎至長度小于10 cm，覆蓋或翻埋于20或35 cm土層。 免耕與免耕秸稈覆蓋處理在作物整個生長期間均不進(jìn)行耕作。

1.2 測定項目與方法

(1) 樣品采集： 秋季每隔10 cm分層采集0～50 cm土層土樣，測定土壤WSOC。

(2) 測定方法： 熒光光譜儀為F-7000型(日本日立公司)，450 W氙弧燈，PMT電壓700 V，掃描速度1 200 nm·min-1，掃描范圍EX=200～490 nm/EM=250～550 nm，運用儀器自帶軟件(FL WinLab software (Perkin Elmer) ) 收集數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)處理： 應(yīng)用Matlab 2011軟件及origin 2016進(jìn)行三維熒光圖譜繪制與平行因子分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理土壤WSOC組分的熒光圖譜特征

由圖1可見，不同深度土壤樣品中均解析出3組熒光組分，類腐殖質(zhì)組分C1(240/400 nm)和C2(245，400/465 nm)及類蛋白組分C3(220，275/325 nm)，每一組分在同一發(fā)射波長中均存在兩個峰。 其中，C1組分具有明顯的短波類腐殖物質(zhì)的熒光特性，存在的主峰(EX=240 nm/EM=400 nm)與陸源腐殖質(zhì)A峰相近，為來源于微生物或者動物活動產(chǎn)生的、易氧化、類腐殖質(zhì)組分[6]，而同為類腐殖質(zhì)物質(zhì)的C2組分，主峰(EX=260 nm/EM=465 nm)與陸源腐殖質(zhì)A上部峰接近，主要來自自生源及動物活動產(chǎn)生，C3組分的兩個峰分別與新近類氨基酸B峰和T峰接近，為蛋白質(zhì)類物質(zhì)，也有稱之為色氨酸的熒光峰。

圖1 不同處理土壤WSOC組分熒光圖譜

2.2 不同處理對土壤WSOC組分熒光強(qiáng)度的影響

平行因子分析(PARAFAC)表明[見圖2(a—c)]，秸稈不還田條件下，3種耕法0～50 cm土層C1，C2和C3組分平均占比36.78%，33.65%和29.57%，耕法對土壤WSOC不同組分的影響隨土層深度呈波動性變化。

圖2(a) 免耕不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

NT與ST處理C1，C2組分在10～20和20～30 cm土層分別有一個最高熒光峰，而DT處理在10～20和30～40 cm土層有2個熒光最高峰，其20～30 cm土層C1和C2組分熒光強(qiáng)度最弱，C3組分最強(qiáng)； NT處理C3組分與深度呈拋物線變化(R2=0.8143)； ST處理不同深度土層中C1>C2>C3，C1與C2，C3組分差異顯著的同時，C1和C2組分與土層深度變化顯著相關(guān)(R2=0.743 7和0.882 4)； 連續(xù)DT對0～20 cm土層C1和C2組分影響不大，與30～40 cm土層接近均較高； 無論淺翻還是深翻，0～20 cm表土層C1>C2>C3，20～30 cm土層C3組分變化與C1和C2組分負(fù)相關(guān)，DT處理由于打破犁底層，加速了深層土壤腐殖質(zhì)的氧化速度，促進(jìn)了蛋白質(zhì)類物質(zhì)的生成。

圖2(b) 淺翻不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

圖2(c) 深翻不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

圖2(d) 免耕覆蓋不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

圖2(e) 淺翻還田不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

圖2(f) 深翻還田不同土層WSOC組分熒光強(qiáng)度

由圖2(d)—(f)可見，秸稈還田后土壤WSOC組分的熒光強(qiáng)度分布特征發(fā)生變化。 0～50 cm土層，C1，C2和C3組分平均占比38.45%，32.06%和31.61%，C3組分占比隨土層深度增加而提高，至40～50 cm土層平均占比達(dá)42.18%； 免耕秸稈覆蓋(NT-S)0～10 cm表土層C1和C2組分熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，隨土層深度增加而下降，與深度變化的拋物線相關(guān)系數(shù)分別為0.869 8和0.899 5，顯著相關(guān)； 秸稈淺翻還田(ST-S)C1和C2組分最低熒光強(qiáng)度與C3組分最高熒光強(qiáng)度均出現(xiàn)在30～50 cm土層，與秸稈還田促進(jìn)了深層土壤中腐殖質(zhì)類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)類物質(zhì)有關(guān)； 秸稈深翻還田(DT-S)C1和C2組分熒光強(qiáng)度變化趨勢一致，10～50 cm土層，隨土層深度先增加后降低，最高和最低熒光強(qiáng)度分別出現(xiàn)在10～20和40～50 cm土層，平均熒光強(qiáng)度為1 301.920，1 082.722和884.740，624.043，20～50 cm土層熒光強(qiáng)度C3>C2； 由圖2(e)和(f)可見，ST-S 與DT-S處理20～50 cm土層C3組分與C1和C2組分變化呈負(fù)相關(guān)。

2.3 不同處理土壤WSOC組分的FMAX分析

2.3.1 不同耕法土壤WSOC組分的FMAX分析

由表2可見，秸稈不還田，3種耕法FI指數(shù)均以10～20 cm土層最低，平均1.520，20～50 cm土層隨土層深度增加而提高，至40～50 cm土層最大，達(dá)1.729； 不同耕法0～10 cm土層FI指數(shù)以NT>DT>ST，分別為1.673，1.619和1.585； 10～50 cm土層FI指數(shù)以DT與NT接近，均高于ST； 不同深度土層FI指數(shù)表明土壤WSOC組成為非生物源和生物源的混合物，二者所占比例不同，NT與DT處理接近，與ST差異顯著。 0～20 cm土層BIX變幅為0.629～0.657，表明該土層具有較少的自生源特征，NTDT>ST，其中NT和DT處理的20～50 cm土層與ST處理的40～50 cm土層，BIX變幅為0.707～0.755，均具有中等的自生源特征。 由于C1組分結(jié)構(gòu)簡單，生物可利用性強(qiáng)，腐殖化程度較低，而C2組分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難被微生物利用，因此，常用C2/C1比值(腐殖化指數(shù))表示土壤中有機(jī)碳的腐殖化程度，比值越高，腐殖化程度越高。 不同耕法C2/C1比值變幅0.740～1.281，隨土層深度先升高后降低； NT 處理20～30 cm土層C2/C1比值最大，達(dá)1.281，而ST與DT處理20～30 cm土層C2/C1比值均較低，平均0.785，腐殖化程度降低，與短期內(nèi)土壤連續(xù)翻耕促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化與分解，減慢了土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化進(jìn)程有關(guān)； NT處理C2組分占比明顯高于其他處理，而C1組分占比較低，與連續(xù)免耕2年且不擾動土壤，增加了土壤結(jié)構(gòu)緊實度，腐殖質(zhì)礦化度降低。

2.3.2 不同秸稈還田方式土壤WSOC組分的FMAX分析

由表2可見，與耕法對土壤WSOC的FI指數(shù)影響一致，秸稈還田后，隨土層深度增加FI指數(shù)先降低后增加，NT-S>DT-S>ST-S； 10-20 cm土層FI指數(shù)最低，3種還田方式分別為1.603，1.533和1.492，20～50 cm土層ST-S與DT-S處理FI指數(shù)接近，平均1.705，略低于NT-S，無顯著差異； 不同處理FI指數(shù)變幅為1.492～1.790，表明土壤WSOC來源于非生物源和生物源的混合物特征明顯。 0～20 cm土層BIX變幅為0.646～0.670，NT-S>ST-S>DT-S，均具有較少的自生源特征； 隨土層深度增加BIX指數(shù)增加，30～50 cm土層BIX變幅為0.712～0.822，具有中等的自生源特征，其中，40～50 cm土層，NT-S與ST-S處理BIX分別為1.802和0.805，自生源特征較強(qiáng)。 3種還田方式下土壤WSOC的C2/C1平均比值為0.775，變幅0.623～0.877，除40～50 cm土層外，ST-S>DT-S>NT-S； 0～10 cm表土層C2/C1比值均最高，平均0.849，隨土層深度增加C2/C1比值降低，至40～50 cm土層最小，平均為0.661； 雖然30～50 cm土層C2/C1比值降低，但C2占比為DT-S>ST-S>NT-S，說明秸稈還田深度影響了土壤微生物代謝活動形成的內(nèi)源腐殖質(zhì)與秸稈、根系及其脫落物等外源腐殖質(zhì)的形成，從而影響土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化進(jìn)程，秸稈深還田深層土壤的腐殖質(zhì)化趨勢增強(qiáng)。

表2 不同處理土壤WSOC組分的熒光指數(shù)分析

2.4 土壤WSOC組分的熒光特征

受生物和非生物過程的影響，土壤有機(jī)質(zhì)、凋落物、根系分泌物和微生物體的分解與腐殖化均是土壤WSOC的潛在來源[7]。 研究發(fā)現(xiàn)，在湖泊的CDOM組成中，微生物作用類腐殖質(zhì)C1(245/391 nm)占40.80%，陸源類腐殖質(zhì)C2 (255，340/453 nm)占 30.80%，類酪氨酸物質(zhì)C3 (275/304 nm)占28.40%[8]。 谷思玉等對黑土FA熒光分析，僅解析出C1與C2兩個熒光組分[3]。 本研究表明，不同耕法與秸稈還田方式下，土壤WSOC均解析出2類3個熒光組分，類腐殖質(zhì)組分C1(240/400 nm)和C2(245，400/465 nm)及類蛋白組分 C3(220，275/325 nm)； 0～50 cm土層中，3種耕法與相應(yīng)秸稈還田方式C1，C2和C3組分平均占比36.78%，33.65%，29.57%和38.45%，32.06%，31.61%； 短期內(nèi)連續(xù)翻耕與秸稈還田，促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的氧化、分解，C1和C3組分增加，C2組分降低，C1與C2組分線性相關(guān)。

2.5 土壤WSOC組分的熒光指數(shù)變化

FI(f450/500)存在兩個端源1.4和1.9[8]，F(xiàn)I<1.4，DOM組分異源特征明顯，即有機(jī)物的前體更多來源于植物殘體和根系分泌物等外來物質(zhì)[1]。 FI>1.9，DOM組分主要來源于微生物的代謝活動，土壤有機(jī)質(zhì)以微生物代謝形成的腐殖質(zhì)為主[7]。 本研究表明，不同耕法與秸稈還田方式下，0～50 cm土層，F(xiàn)I指數(shù)變幅1.509～1.762和1.492～1.790，表明土壤WSOC組成為非生物源與生物源的混合物，二者所占比例不同，免耕與深翻接近，高于淺翻； 秸稈深翻還田與淺翻還田接近，均小于免耕秸稈覆蓋處理。

BIX是DOM的自生源參數(shù)，衡量了自生源有機(jī)物對DOM的貢獻(xiàn)。 0.60.7，有中等的自生源，而0～20 cm土層自生源物質(zhì)產(chǎn)生較少； 免耕與免耕秸稈覆蓋由于整個生長季節(jié)對土壤無擾動，20～50 cm土層自生源特征較強(qiáng)。

水熱梯度的增加可導(dǎo)致土壤FA中C1和C2組分?jǐn)?shù)量下降，F(xiàn)A組內(nèi)趨于簡單化，加快土壤中FA的消耗，不利于土壤肥力的保持[3]。 秸稈不還田條件下，短期內(nèi)連續(xù)翻耕促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化與分解，C2/C1比值降低，NT>DT>ST； 通過對C3組分的分析，也能比對腐殖質(zhì)物質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比率。 無論秸稈覆蓋還是翻耕還田，30～50 cm土層C3組分增加，而C2/C1比值降低，表明該土層有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)化程度降低； 秸稈深翻還田40～50 cm土層C2/C1比值高于淺翻還田和秸稈覆蓋，表明該土層腐殖質(zhì)的產(chǎn)生和積累趨勢增強(qiáng)，與耕翻造成根系分泌物的大量淋溶、移動有一定的關(guān)系，還有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

短期內(nèi)連續(xù)翻耕與秸稈還田，促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的氧化、分解，C1和C3組分增加，C2組分降低； 免耕與免耕秸稈覆蓋由于整個生長季節(jié)對土壤無擾動，20～50 cm土層自生源特征較強(qiáng)； 秸稈深翻還田40～50 cm土層腐殖質(zhì)的產(chǎn)生和積累有增強(qiáng)趨勢。