有機(jī)物料施用下原生鹽堿土胡敏酸結(jié)構(gòu)特征*

陳曉東，吳景貴，李建明，范 圍，李曉航，朱文悅

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

隨著我國(guó)耕地資源的不斷減少，后備耕地資源的開(kāi)發(fā)與利用顯得尤為重要，而我國(guó)鹽堿地面積廣闊，被認(rèn)為是重要的后備耕地資源，因此，鹽堿地的改良與利用是很有必要的，其對(duì)于保障糧食安全和滿足人們對(duì)美好生活的需求也具有重要意義[1]。同時(shí)，伴隨著我國(guó)集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物的量在不斷增加。據(jù)估算，通過(guò)合理的農(nóng)業(yè)廢棄物還田，每年可實(shí)現(xiàn)100～400 Mhm2的農(nóng)田土壤有機(jī)碳固定[2]。腐殖質(zhì)碳是土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要組分，并且在碳截獲、土壤理化性狀、土壤養(yǎng)分保持、生物化學(xué)循環(huán)等方面均有十分重要的作用。許多研究表明有機(jī)物料的施用可增加土壤有機(jī)碳含量[3]，提高土壤有機(jī)碳活性[4]。胡敏酸作為土壤腐殖質(zhì)的重要組成部分，通過(guò)研究原生鹽堿土胡敏酸結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)有機(jī)物料施用的響應(yīng)，可較直觀地反映土壤碳庫(kù)的變化。

胡敏酸的邊緣含有許多官能團(tuán)如羧基、羥基、甲氧基、氨基等，這些官能團(tuán)通常決定胡敏酸的酸度、吸收容量及其與無(wú)機(jī)物形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體的能力[5]。目前研究胡敏酸官能團(tuán)組成常用的分析手段主要有核磁共振、熒光光譜、紅外光譜等[6-8]，由于腐殖物質(zhì)和其衍生物的紅外光譜具有專性分子結(jié)構(gòu)特征的譜帶，故利用紅外光譜可較好地分析土壤胡敏酸的官能團(tuán)組成[9]。許多學(xué)者利用紅外光譜技術(shù)對(duì)土壤有機(jī)培肥后胡敏酸特征進(jìn)行了研究，張久明等[10]通過(guò)研究有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下土壤胡敏酸分子結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可增加土壤胡敏酸分子脂族碳的含量，從而增加作物產(chǎn)量，培肥地力。蓋艷雙和竇森[11]研究不同CO2濃度培養(yǎng)條件下所獲得的玉米秸稈還田對(duì)土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)的影響，得出8%～12%濃度CO2處理后的玉米秸稈還田更有利于土壤胡敏酸的形成和穩(wěn)定，有利于增加土壤胡敏酸脂族鏈烴比例。于孝東等[12]發(fā)現(xiàn)稻草的還田施用可促進(jìn)土壤胡敏酸氧化程度和芳構(gòu)化程度的加強(qiáng)，同時(shí)得出土壤胡敏酸的形成是官能團(tuán)從還原性轉(zhuǎn)化為氧化性的過(guò)程。但是目前的研究主要集中于單一的物料還田或某一物料配施化肥等對(duì)土壤胡敏酸性質(zhì)的影響，對(duì)于對(duì)比不同有機(jī)物料的施用以及不同形態(tài)的同種有機(jī)物料對(duì)土壤胡敏酸性質(zhì)影響方面的報(bào)道卻較少。

主成分分析（PCA）技術(shù)是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，利用 PCA 技術(shù)結(jié)合紅外光譜可以更加全面、方便地分析土壤胡敏酸的官能團(tuán)組成[13]，二者的結(jié)合更有利于表征土壤胡敏酸的結(jié)構(gòu)特征。土壤有機(jī)培肥后，測(cè)定土壤胡敏酸的含量和化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)常被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)質(zhì)量、熟化度和穩(wěn)定性的良好指標(biāo)[14]。

本研究以原生鹽堿地土壤胡敏酸為研究對(duì)象，探討在不同種類有機(jī)物料及不同形態(tài)的同種有機(jī)物料處理?xiàng)l件下胡敏酸結(jié)構(gòu)特征變化，采用紅外光譜及PCA 進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)不同有機(jī)物料還田施用下土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的差異性變化，以期更好地理解胡敏酸的分子結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)物料施用的響應(yīng)，為鹽堿地土壤有機(jī)培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省大安市海坨鄉(xiāng)姜家村（45°19′47″ N，124°1′48″ E），屬于中溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，全年日照時(shí)數(shù)平均為3 012 h，年均氣溫4.3 ℃，年均積溫2 921 ℃，年均降水量413.7 mm。本次試驗(yàn)區(qū)面積為1 550 m2。供試土壤為原生鹽堿土，耕層土壤基本肥力性狀如下：有機(jī)質(zhì)2.91 g·kg-1，堿解氮 11.28 g·kg-1，有效磷 20.61 g·kg-1，速效鉀143.3 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)始于2016 年6 月，試驗(yàn)選取未開(kāi)墾的原生鹽堿地，按照隨機(jī)區(qū)組原則，設(shè)置顆粒秸稈（KL）、正常玉米秸稈（JG）、牧草（MC）、羊糞（YF）、不施用有機(jī)物料的對(duì)照（CK）5 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共15 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為30 m2（6 m×5 m），各小區(qū)單排單灌。有機(jī)物料的施入量按照等碳原則計(jì)算，以全量還田為標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)物料基本性質(zhì)及各小區(qū)施用有機(jī)物料量見(jiàn)表1。各有機(jī)物料中，正常秸稈（20 cm）、牧草（5 cm）和羊糞（自然風(fēng)干，呈塊狀）均取自當(dāng)?shù)?，顆粒秸稈則是由當(dāng)?shù)卣＝斩捊?jīng)過(guò)機(jī)器粉碎后，高溫高壓處理，最后壓模出長(zhǎng)2 cm、直徑0.5 cm 的圓柱形顆粒?；适┯昧堪凑．?dāng)?shù)氐氖┯昧浚渲惺?N 量為 270 kg·hm-2，施P2O5量為 120 kg·hm-2，施 K2O 量為 180 kg·hm-2，各處理一致。 本次試驗(yàn)在稻作條件下以未改良的原生鹽堿地為試驗(yàn)田，于土壤表層0～20 cm 處均勻施入有機(jī)物料后灌水漚田2 d。在進(jìn)行插秧前對(duì)各小區(qū)進(jìn)行耙地?cái)嚢?，保證各物料與表層土壤充分混合均勻，使各有機(jī)物料均勻分布于小區(qū)各處。以后每年除不施用有機(jī)物料外，其他操作不變。

表1 有機(jī)物料基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of organic materials

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2018 年10 月對(duì)0～20 cm 土層進(jìn)行取樣，各試驗(yàn)小區(qū)采取5 點(diǎn)取樣后用四分法取混合樣。將混合樣密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。

從土壤中提取胡敏酸步驟：取風(fēng)干土適量，調(diào)節(jié)土壤與水的比例（1︰10，0.1 mol·L-1HCl），然后反復(fù)堿提（0.1 mol·L-1NaOH）得到土壤腐殖質(zhì)提取液，將土壤腐殖質(zhì)提取液經(jīng)酸化（6 mol L-1HCl）至pH=1.0 得到粗胡敏酸，粗胡敏酸經(jīng)過(guò)純化（高速離心，電滲析，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并凍干）后得到土壤胡敏酸樣品[15]。

紅外光譜（FTIR）分析：用瑪瑙研缽將烘干的土壤胡敏酸樣品研磨至細(xì)粉狀，加入KBr 混勻壓片，通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀（AVATAR 360，美國(guó)）測(cè)定，在 4 000～500 cm-1范圍收集光譜，測(cè)定以KBr 為空白。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Omnic 8 對(duì)紅外譜圖進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)差異性統(tǒng)計(jì)分析與紅外數(shù)據(jù)的 PCA 分析則采用 SPSS 18.0 軟件。PCA 分析步驟如下：通過(guò)降維，以處理樣品在所有波數(shù)段上的吸光度為變量，采用主成分分析，對(duì)所有樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標(biāo)，使個(gè)體之間在少數(shù)指標(biāo)內(nèi)相互獨(dú)立，消除多重指標(biāo)間的相關(guān)性，使其彼此之間具有獨(dú)立性。最后利用Excel 2016 和Origin 9.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計(jì)算和繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 不同有機(jī)物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜特征

圖1 為原生鹽堿地土壤胡敏酸紅外譜圖，每個(gè)處理的紅外光譜在形狀上相似，并且它們的結(jié)構(gòu)基本上是相同的，但也有一些關(guān)鍵官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度存在差異。這些紅外光譜吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度差異性也表明不同的有機(jī)物料在鹽堿土中的應(yīng)用存在差異性。其中，3 400 cm-1處代表氨基化合物N-H 伸縮振動(dòng)峰，2 920 cm-1處代表不對(duì)稱脂族C-H 伸縮振動(dòng)峰，2 850 cm-1處代表-CH2-對(duì)稱脂族 C-H 伸縮振動(dòng)峰，1 720 cm-1處代表羧基C=O 伸縮振動(dòng)的吸收峰，1 620 cm-1處代表芳香C=C 伸縮振動(dòng)的吸收峰[16]。

2.2 不同有機(jī)物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜吸收峰的貢獻(xiàn)

PCA 分析結(jié)果如表 2。由表 2 可知，主成分 1占總的方差貢獻(xiàn)率的86.53%，主成分2 占12.25%，這兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率占總的方差貢獻(xiàn)率的98.78%，表明利用這兩個(gè)主成分能夠較好地表現(xiàn)原始光譜。圖2a）可以看出各處理光譜之間差異顯著，不同形態(tài)同種有機(jī)物料的光譜差異顯著，即 KL 處理和 JG 處理差異顯著。其中，各處理 PC1 得分均為正值，PC2 得分的正值包括KL 和MC 處理，PC2得分的負(fù)值包括CK、YF 和JG 處理。圖2b）中PC1的主要正值峰為 3 400 cm-1、2 920 cm-1、1 620 cm-1，分別為氨基化合物、不對(duì)稱性脂族性碳、芳香族碳的吸收峰；圖2c）中PC2 的主要正值峰為3 400 cm-1、2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 720 cm-1、1 620 cm-1，分別為氨基化合物、不對(duì)稱性脂族性碳、對(duì)稱性脂族性碳、羧基、芳香族碳的吸收峰。說(shuō)明有機(jī)物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來(lái)源之一。

圖1 不同有機(jī)物料對(duì)原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜的影響Fig. 1 Effect of application of organic material on infrared spectrum of humic acid in primary saline-alkaline soil relative to type of organic material

表2 主成分特征值和貢獻(xiàn)率Table 2 Principal component（PC） eigenvalues and contribution rate

2.3 不同有機(jī)物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度變化

圖2 胡敏酸紅外光譜的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of humin acid infrared spectra

表3 不同有機(jī)物料施用下原生鹽堿土胡敏酸的紅外光譜主要吸收峰相對(duì)強(qiáng)度的半定量分析Table 3 Semi-quantitative analysis of relative strength of the main absorption peaks in the infrerad spectra of the humic acid in the primary saline-alkaline soil relative to type of organic material

為進(jìn)一步分析各處理的紅外光譜，采用半定量分析[17]。通過(guò)半定量分析（表3）可知，在3 400 cm-1處各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度順序?yàn)椋篔G＞YF＞MC＞CK＞KL，這表明除 KL 處理較 CK 處理減少了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對(duì)含量外，其他處理增加了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對(duì)含量，以JG 處理增幅最高，這也表征著不同形態(tài)的同種有機(jī)物料對(duì)于土壤胡敏酸中氨基化合物的相對(duì)含量的影響不同。施用有機(jī)物料各處理在2 920 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度均高于 CK 處理，各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度順序?yàn)椋篔G＞MC＞KL＞YF＞CK?？梢?jiàn)有機(jī)物料施用提高了土壤胡敏酸中不對(duì)稱性脂族碳的相對(duì)含量，尤其是正常秸稈，其次是牧草，而羊糞對(duì)其影響較小。同種有機(jī)物料的不同形態(tài)對(duì)土壤胡敏酸中不對(duì)稱性脂族碳的相對(duì)含量的影響也存在差異性，其中正常秸稈提高的幅度優(yōu)于顆粒秸稈。2 850 cm-1處各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度順序?yàn)椋篕L＞MC＞JG＞YF＞CK，說(shuō)明有機(jī)物料施用均提高了土壤胡敏酸中對(duì)稱性脂族碳的相對(duì)含量，顆粒秸稈對(duì)于對(duì)稱性脂族碳含量的增幅高于正常秸稈。1 720 cm-1處各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度均小于 CK 處理，各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度順序?yàn)椋篊K＞JG＞YF＞MC＞KL，表征著有機(jī)物料的施用減少了土壤胡敏酸中羧基的相對(duì)含量，其中顆粒秸稈降幅最高，其次是 MC 處理，降幅最低的是 JG處理，而不同形態(tài)的同種有機(jī)物料差異不同，顆粒秸稈的降幅高于正常秸稈。1 620 cm-1處各處理吸收峰相對(duì)強(qiáng)度順序?yàn)椋篔G＞MC＞YF＞KL＞CK，可見(jiàn)有機(jī)物料施用增加了土壤胡敏酸中芳香碳的含量，其中正常秸稈處理增幅高于顆粒秸稈處理，也表明不同形態(tài)的同種有機(jī)物料對(duì)于土壤胡敏酸中芳香碳含量作用的差別性。

I2920/I1720和I2920/I1620比值通常用來(lái)反映胡敏酸結(jié)構(gòu)氧化度、脂族性以及芳香性的強(qiáng)弱變化。有機(jī)物料施用后各處理的I2920/I1720及I2920/I1620均高于CK 處理，其高低排序均為：KL＞MC＞JG＞YF＞CK，說(shuō)明土壤胡敏酸的脂族碳/羧基碳和脂族碳/芳香碳增加，表征著有機(jī)物料的施用使得土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)縮合度和氧化度下降，脂族性增強(qiáng)，芳香性降低，胡敏酸結(jié)構(gòu)趨于脂族化、簡(jiǎn)單化、年輕化。正常秸稈和顆粒秸稈處理的I2920/I1720和I2920/I1620的差異性則再次表明不同形態(tài)的同種有機(jī)物料作用存在差別。

3 討 論

胡敏酸作為土壤腐殖質(zhì)的重要組成部分之一，通常可以表征土壤腐殖質(zhì)新老程度，也與土壤的肥力性狀、物理結(jié)構(gòu)等息息相關(guān)。本研究有機(jī)物料的施用使得土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)縮合度和氧化度下降，脂族性增強(qiáng)，芳香性降低，胡敏酸結(jié)構(gòu)趨于脂族化、簡(jiǎn)單化、年輕化。許多研究也得出了類似的結(jié)果：徐基勝等[18]研究水稻秸稈還田，結(jié)果表明稻草還田后提高了土壤胡敏酸的脂類、芳香族物質(zhì)，使其分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、年輕化。Fan 等[19]利用玉米秸稈進(jìn)行田間有機(jī)培肥，認(rèn)為玉米秸稈有機(jī)培肥增加了土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤可浸提腐殖質(zhì)碳（HEC）、土壤腐殖酸碳（HAC）和富里酸碳（FAC）。脂肪族碳/芳香族碳的比例增加，表明秸稈還至土壤中使土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)變得脂族化、簡(jiǎn)單化、年輕化。本研究得出類似的結(jié)論其主要原因可能是有機(jī)物料的施用向土壤中歸還了大量的碳源物質(zhì)，經(jīng)過(guò)腐解以后新形成大量的胡敏酸分子[20]，另一方面，有機(jī)物料的施用增加了土壤微生物的豐度及其活性，促進(jìn)了土壤微生物的新陳代謝，有研究認(rèn)為土壤微生物殘?bào)w含有大量的碳源物質(zhì)，與胡敏酸的形成息息相關(guān)[21]，同時(shí)土壤微生物也積極參與有機(jī)物料的分解，大大加快物料分解這一進(jìn)程。胡敏酸分子結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)一步改善土壤有機(jī)碳庫(kù)的質(zhì)量，研究[22]表明，土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中如脂族鏈烴的增加有利于增加其結(jié)構(gòu)活性，對(duì)農(nóng)田固碳和土壤培肥具有重要影響。不同有機(jī)物料施用后，每個(gè)處理的紅外光譜在形狀上相似，但在一些關(guān)鍵官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度略有差別，但是整體趨勢(shì)一致（圖1），其中官能團(tuán)含量的不同主要是由于不同物料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，其在土壤中的分解速度也不同所引起的[23]。

此外，本研究對(duì)比了不同形態(tài)的同種有機(jī)物料作用的差別，發(fā)現(xiàn)二者對(duì)土壤胡敏酸分子結(jié)構(gòu)的作用差異顯著。孟安華等[24]發(fā)現(xiàn)同一種牛糞經(jīng)過(guò)不同處理后，以不同形態(tài)還田施用，其對(duì)于土壤胡敏酸分子組成的影響產(chǎn)生差異性，也說(shuō)明了不同形態(tài)的同種物料作用存在差異性。本次試驗(yàn)得出類似的結(jié)果主要原因可能是，一方面在秸稈粉碎過(guò)程中，秸稈表層難分解的木質(zhì)部和韌皮部被破壞，使其較正常秸稈相比更易分解[25]；另一方面，顆粒秸稈通過(guò)被粉碎后壓密造粒，當(dāng)其吸水后會(huì)膨脹形成疏松的多孔結(jié)構(gòu)，增加了接觸面積，為微生物創(chuàng)造了更好的生長(zhǎng)發(fā)育條件，極大地促進(jìn)了微生物的活性，有利于微生物對(duì)于顆粒秸稈的分解與轉(zhuǎn)化[26]。

PCA 被認(rèn)為是建立最小數(shù)據(jù)集的重要方法，通過(guò)對(duì)紅外數(shù)據(jù)的主成分分析，本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來(lái)源之一，該結(jié)果與半定量分析一致。這也表明利用 PCA 技術(shù)對(duì)土壤胡敏酸紅外光譜進(jìn)行分析的可行性，利用該技術(shù)可以有效便捷的分析土壤紅外光譜。朱青藤等[27]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥以及秸稈在白土上施用，可使得土壤的脂族性增強(qiáng)；同時(shí)張葛等[28]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物碳的還田是土壤中脂族性碳、芳香族碳的來(lái)源之一，這與本研究一致。

4 結(jié) 論

不同有機(jī)物料施用下土壤胡敏酸光譜特征研究表明，有機(jī)物料的施用，改變了土壤胡敏酸的官能團(tuán)組成。通過(guò)主成分分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來(lái)源之一。有機(jī)物料的施用增加了土壤胡敏酸中脂肪碳和芳香碳的相對(duì)含量，減少了羧基碳的含量。除顆粒狀秸稈處理外，其他處理均增加了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對(duì)含量。有機(jī)物料的施用使得土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)縮合度和氧化度下降，脂族性增強(qiáng)，芳香性降低，胡敏酸結(jié)構(gòu)趨于脂族化、簡(jiǎn)單化、年輕化。不同形態(tài)的同種有機(jī)物料對(duì)土壤胡敏酸官能團(tuán)組成影響存在差別，總體而言，顆粒秸稈更有利于土壤新形成結(jié)構(gòu)年輕化、簡(jiǎn)單化、脂族性強(qiáng)的胡敏酸分子。紅外光譜結(jié)合主成分分析，可以較好地研究有機(jī)物料的施用對(duì)土壤中胡敏酸官能團(tuán)的影響。