黑土長(zhǎng)期不同施肥處理土壤Hu的光譜學(xué)特征

張久明， 劉亦丹， 張一雯， 遲鳳琴*， 魏 丹， 周寶庫(kù)，宿慶瑞， 匡恩俊， 郝小雨， 孫 磊

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， 黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150086 2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站， 黑龍江 哈爾濱 150086 3. 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 4. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030

引 言

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分， 作為養(yǎng)分源主要是C源和N源， 在土壤肥力， 環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要作用。 土壤腐殖物質(zhì)三組分即胡敏酸(HA)、 富里酸(FA)和胡敏素(Hu)， 其中Hu是與無(wú)機(jī)礦物緊密結(jié)合、 任何pH條件的水溶液中都不溶解的腐殖物質(zhì)組分[1]。 Hu占有土壤有機(jī)碳含量的50%以上[2]， 在腐殖質(zhì)中是重要的組成部分， 不論是維持土壤結(jié)構(gòu)、 保持土壤養(yǎng)分， 還是調(diào)節(jié)土壤的營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)， 對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素固持和有效性， 以及在土壤肥力和生態(tài)環(huán)境等方面起著重要作用。 差熱分析是熱分析中最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)， 它是一種在程序控制溫度下， 測(cè)量樣品與參比物之間溫度差與溫度關(guān)系的方法[3]。 隨著現(xiàn)代儀器分析方法及手段的發(fā)展，13C-核磁共振(13C-NMR)波譜、 紅外光譜、 熒光光譜等分析技術(shù)更多的運(yùn)用到腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析[4-5]。 以農(nóng)業(yè)部黑龍江耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站為平臺(tái)(39年黑土定位施肥試驗(yàn))， 結(jié)合差熱分析、 傅里葉變換紅外光譜、 核磁共振波譜現(xiàn)代分析技術(shù)手段， 從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度對(duì)比分析黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)典型施肥處理土壤Hu分子結(jié)構(gòu)變化特征， 為黑土長(zhǎng)期培肥提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

黑土肥力長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站1979年建立， 位于中國(guó)黑龍江省哈爾濱市(E126°51′28″， N45°50′37″)， 海拔151 m， 屬松花江二級(jí)階地。 土壤為發(fā)育于黃土狀母質(zhì)上的中層黑土， 黑土層厚度為50 cm， 質(zhì)地為壤質(zhì)。 氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候， ≥10 ℃年平均有效積溫2 700 ℃， 年降雨533 mm， 無(wú)霜期135 d。 試驗(yàn)站共24個(gè)處理， 本研究選取其中CK， NPK， M和MNPK四個(gè)施肥處理， 3次重復(fù)， 每個(gè)小區(qū)面積36 m2， 1979年定位試驗(yàn)之前種植作物為小麥， 基本養(yǎng)分性狀見(jiàn)表1。 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)采用小麥(1980年)-大豆-玉米輪作方式， 在不同作物年份施肥用量見(jiàn)表2。 有機(jī)肥為純馬糞， 按純氮量75 kg·hm-2(約馬糞18 600 kg·hm-2)施用， 每輪作周期玉米收獲后施入。 馬糞中有機(jī)碳(C)、 氮(N)、 磷(P2O5)和鉀(K2O)含量分別為163.6， 5.8， 6.5和9.0 g·kg-1。 氮、 磷、 鉀肥均為秋季施肥(玉米季氮肥50%秋施， 50%于大喇叭口期追肥)， 氮肥為尿素(N 46%)， 磷肥為重過(guò)磷酸鈣(P2O546%)， 鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)。

表1 供試土壤基本性質(zhì)(1979年)

注： 1979年9月采集土樣測(cè)定結(jié)果

Note: Results of soil samples collected in September 1979

注： CK表示不施肥； NPK表示施氮磷鉀化肥； M表示施有機(jī)肥； MNPK表示有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥(下同)

Note: CK means no fertilization; NPK means nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers applied; M means organic fertilizer applied; MNPK means organic fertilizer with nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers applied (the same below)

1.2 土壤樣品采集

選取長(zhǎng)期定位試驗(yàn)對(duì)照不施肥(CK)， 有機(jī)肥(M)， 無(wú)機(jī)肥氮磷鉀配施(NPK)， 有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥氮磷鉀配施(MNPK)。 土壤樣品采集于2012年秋(玉米)， 采用S型取樣， 共取5點(diǎn)， 采集深度為0～20 cm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤Hu的提取與純化

稱(chēng)取過(guò)0.25 mm的風(fēng)干土樣10 g于100 mL離心管中， 加80 mL蒸餾水提取24 h離心后棄去上清液， 上述方法進(jìn)行2次。 向離心管中加入80 mL的0.1 mol·L-1NaOH溶液， 24 h后離心得到腐殖質(zhì)(HE， 可用于提取FA和HA)， 重復(fù)此方法直至提取液顏色很淺為止。 離心管中的殘?jiān)来斡皿w積比為0.5%， 2.5%， 5%， 10%， 20%， 30%和40%的HCl-HF混合液分別處理7， 7， 11， 6， 4， 2和1次， 每次間隔12 h。 如經(jīng)過(guò)以上步驟處理后還有沙粒沒(méi)有洗凈， 可適當(dāng)用20%的混合酸再洗幾次， 最后用蒸餾水洗至無(wú)Cl-反應(yīng)(AgNO3檢驗(yàn))， 再經(jīng)冷凍干燥， 得到純Hu[5]。

1.3.2 測(cè)試及分析儀器

(1)固體有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀(TOC)測(cè)定。

(2)紅外光譜(IR)分析應(yīng)用美國(guó)NICOLET-EZ360紅外光譜儀， 掃描范圍為4 000～400 cm-1， 采用KBr壓片法測(cè)定。 將待測(cè)有機(jī)質(zhì)樣品經(jīng)真空冷凍干燥后， 粉碎研細(xì)到小于2 μm， 然后分別用微量或半微量天平稱(chēng)取土壤有機(jī)質(zhì)樣品和KBr粉末， 并以樣品∶KBr=1∶200的比例， 在瑪瑙研缽中混磨后壓片。 以4 000， 2 000和860 cm- 1處作為零吸收點(diǎn)， 將通過(guò)3點(diǎn)的直線作為基線， 進(jìn)行吸收強(qiáng)度的測(cè)定， 并加以比較。 測(cè)定時(shí)， 儀器的分辨率設(shè)為4 cm-1。

(3)熱性質(zhì)分析采用日本島津TA-60型差熱分析儀測(cè)定， 并應(yīng)用儀器自帶軟件對(duì)各樣品進(jìn)行差熱分析(differential thermal analysis， DTA)和熱重分析(thermogravimetric analysis， TG或TGA)；

(4)固態(tài)13C核磁共振波譜采用瑞士BrukerAV400型核磁共振儀測(cè)定， 運(yùn)用交叉極化魔角自旋(CPMAS)技術(shù)，13C 共振頻率為400.18 MHz， 魔角自旋頻率為8 kHz， 接觸時(shí)間為2 ms， 循環(huán)延遲時(shí)間為3 s， 數(shù)據(jù)點(diǎn)為3 000個(gè)， 化學(xué)位移用外標(biāo)2，2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸鈉(DSS)校正， 積分面積由儀器自動(dòng)給出， 各類(lèi)型碳相對(duì)含量用某化學(xué)位移區(qū)間積分面積占總積分面積的百分?jǐn)?shù)表示。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

紅外光譜分析采用Nicolet Omnic 8.0專(zhuān)業(yè)軟件， 核磁共振波譜(CPMAS13C-NMR)采用MestRe Nova專(zhuān)業(yè)軟件分析。 經(jīng)過(guò)分析提取源數(shù)據(jù)后采用Microsoft Office Excel 2010和Origin 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖， Origin繪圖將“Available Data”中數(shù)據(jù)以擬合曲線疊加方式進(jìn)行繪制， SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(鄧肯法)相關(guān)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)期施肥下黑土腐殖質(zhì)組分Hu碳及有機(jī)碳含量

結(jié)果表明(表3)， MNPK， M和NPK施肥處理土壤有機(jī)碳含量為14.79， 14.50和14.39 g·kg-1， 較CK處理分別提高19.2%， 16.8%和16.0%， 各施肥處理與CK差異顯著(p<0.05)。 表明無(wú)論是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施還是單施有機(jī)肥和單施化肥較不施肥處理均提高土壤有機(jī)碳含量， 但以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施增加效果最為顯著。 黑土不同施肥措施使土壤Hu的含量在處理間的高低變化有所不同， 各處理的土壤Hu平均含量大小順序?yàn)镹PK>CK>M>MNPK， 處理之間差異不顯著(p<0.05)。 土壤Hu占有機(jī)碳的比值顯示， 各施肥處理均較CK處理下降， 其中MNPK施肥處理最低， NPK施肥處理高于施有機(jī)肥處理。

表3 不同施肥處理黑土Hu碳及有機(jī)碳含量

Table 3 Hu carbon and organic carbon content in black soil under different fertilization treatments

年份/土層處理Hu碳提取量/(g·kg-1)有機(jī)碳/(g·kg-1)占有機(jī)碳/%CK6.65±0.4a12.41±0.11b53.592012年NPK6.88±0.3a14.39±0.12a47.81(2012)M6.64±0.4a14.50±0.20a45.79MNPK6.35±0.3a14.79±0.18a42.93

注： 不同小寫(xiě)字母表示不同施肥處理間差異顯著(p<0.05)(下同)

Note: different lower-case letters indicate significant differences among different fertilization treatments (p<0.05) (the same below)

2.2 長(zhǎng)期施肥下黑土胡敏素的熱性質(zhì)分析

土壤Hu的差熱分析DTA曲線顯示： 黑土不同施肥處理都出現(xiàn)低溫吸熱峰， 中溫和高溫放熱峰。 低溫吸熱峰出現(xiàn)在65 ℃， 中溫放熱峰在340～345 ℃之間， 高溫放熱峰在485～515 ℃之間。 MNPK和NPK施肥處理土壤Hu的中溫放熱峰溫較高為345 ℃， 高溫放熱峰溫M處理最高為515 ℃， 其次CK處理為500 ℃。

圖1 不同施肥處理黑土Hu的DTA曲線

從半定量積分?jǐn)?shù)據(jù)的結(jié)果(表4)來(lái)看， 不同施肥處理土壤腐殖質(zhì)組分Hu反應(yīng)熱存在一定的差異。 M， NPK和MNPK施肥處理較CK處理總反應(yīng)熱增加， 較CK處理分別提高9.7%， 2.1%和0.6%， 因此可以初步說(shuō)明M和NPK施肥處理中土壤Hu能夠分解的有機(jī)質(zhì)含量較高。 中溫放熱值代表土壤Hu脂肪族結(jié)構(gòu)含量的高低， M， MNPK和NPK施肥處理較CK均有不同程度增加， M施肥處理增加最多， 提高27.9%， 其次是MNPK施肥處理提高6.7%； 各施肥處理高溫/中溫值大小為NPK>CK>MNPK>M， 代表NPK和CK處理土壤腐殖質(zhì)組分Hu分子中的芳香結(jié)構(gòu)較多。

表4 不同施肥處理黑土Hu的反應(yīng)熱

2.3 長(zhǎng)期施肥下黑土Hu的FTIR特征

從表5可看到： 與CK處理相比， 2 920/1 620其比值的高低順序?yàn)镸NPK>M>CK> NPK， 表明單施有機(jī)肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施均可提高土壤Hu的2 920/1 620比值， 其脂族性增強(qiáng)， 芳香性減弱。 不同施肥處理土壤Hu的2 920/2 850值的高低順序?yàn)镸>NPK>MNPK>CK， 表明施肥可以增加土壤Hu分子中脂族鏈烴的比例， 單施有機(jī)肥增加比例最高。

2.4 長(zhǎng)期施肥作用下黑土胡敏素的CPMAS 13C-NMR波譜特征

圖3為Hu的固態(tài)CPMAS13C-NMR波譜， 可劃分為四個(gè)主要的共振區(qū)， 即烷基C區(qū)(0～50 ppm)、 烷氧C區(qū)(50～110 ppm)、 芳香C區(qū)(110～160 ppm)和羰基C區(qū)(160～200 ppm)[6]。 年際間不同施肥處理中黑土Hu的烷基C吸收峰主要在29～30 ppm最為明顯， 是長(zhǎng)鏈烷烴或環(huán)烷烴結(jié)構(gòu)中的亞甲基C。 Hu的烷氧C吸收峰主要在73 ppm附近， 歸屬為碳水化合物C的吸收。 芳香C區(qū)中， 128～132 ppm主要是苯環(huán)基碳C， 單寧和木質(zhì)素； 羰基C區(qū)中， 主要信號(hào)出現(xiàn)在170～172 ppm， 為酯和酰胺C的吸收[7]。

圖2 不同施肥處理黑土Hu紅外光譜

表5 不同施肥處理黑土Hu的IR光譜主要吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度/cm-1(半定量)

注： 2 920/1 620比值為2 920+2 850處面積與1 620處面積的比值； 2 920/2 850比值為2 920處面積與2 850處面積的比值

Note: the value of 2 920/1 620 is the ratio of (2 920+2 850) area to 1 620 area; the value of 2 920/2 850 is the ratio of 2 920 area to 2 850 area

圖3 不同施肥處理黑土腐殖質(zhì)組分Hu的CPMAS 13C-NMR波譜

Fig.3 CPMAS13C-NMR spectra of humus fractions Hu from black soil under different fertilization treatments

烷氧碳主要來(lái)源于半纖維素、 纖維素、 聚合和非聚合的碳水化合物或類(lèi)乙醇物質(zhì)， 代表易被微生物代謝利用的碳水化合物， 即易分解碳。 通常烷基C/烷氧C比值是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳分解程度的敏感指標(biāo)， 可用來(lái)反映腐殖物質(zhì)烷基化程度的高低， 其比值越小說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的分解程度越低。 芳香碳主要來(lái)源于木質(zhì)素、 軟木質(zhì)、 多肽類(lèi)或黑碳等帶有苯環(huán)類(lèi)的物質(zhì)， 也可能來(lái)源于微生物代謝產(chǎn)物或植物體經(jīng)過(guò)高熱產(chǎn)生的物質(zhì)， 它常和烷基碳一起， 用來(lái)表征難被微生物利用的碳化合物， 即難分解碳。 為了更簡(jiǎn)明闡述土壤Hu的結(jié)構(gòu)變化， 將各類(lèi)型C的比值進(jìn)行分析， 結(jié)果表明(表6)， 不同施肥處理較CK土壤Hu的烷基碳/烷氧C比值均增加， NPK施肥處理提高30.3%， 幅度最大。 各施肥處理中土壤Hu的疏水C/親水C比值MNPK施肥處理提高6.6%， 幅度最大； NPK施肥處理土壤Hu的疏水C/親水C比值較CK降低。 施入有機(jī)肥處理明顯增加土壤Hu的疏水C/親水C比值， 以MNPK施肥處理最高， NPK施肥處理最低， 差異顯著。 說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以提高土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性， 而單施化肥處理有機(jī)質(zhì)分解程度增加， 穩(wěn)定性較CK降低。

表6 不同施肥處理黑土Hu的固態(tài)CPMAS13C-NMR不同類(lèi)型C分布

Table 6 Solid state CPMAS13C-NMR C distribution in black soil Hu under different fertilization treatments

處理烷基C/烷氧C疏水C/親水C2012年CK0.76±0.01b1.51±0.05cNPK0.99±0.05a1.49±0.12cM0.94±0.02a1.55±0.09bMNPK0.89±0.03b1.61±0.11a

注： 疏水C/親水C=(烷基C+芳香C)/(烷氧C+羧基C)

Note: Hydrophobic C/hydrophilic C=(alkyl C+aromatic C)/(alkoxy C+carboxyl C)

3 結(jié) 論

以往學(xué)者對(duì)土壤腐殖質(zhì)組分結(jié)構(gòu)的研究從單一的方法， 逐漸向多種光譜學(xué)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行發(fā)展， 隨著現(xiàn)代儀器分析方法及手段的運(yùn)用，13C-核磁共振(13C-NMR)波譜、 紅外光譜、 熒光光譜等分析技術(shù)更多的運(yùn)用到腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析當(dāng)中[8]。 土壤腐殖質(zhì)的研究更多的是關(guān)注土壤和水污染修復(fù)[9-10]， 以及分析不同類(lèi)型土壤或某一時(shí)間不同施肥方式對(duì)土壤腐殖質(zhì)組分含量和組分結(jié)構(gòu)的變化， 但系統(tǒng)輪作條件下長(zhǎng)期施肥后腐殖質(zhì)Hu組分含量和結(jié)構(gòu)變化規(guī)律研究較少。

熱性質(zhì)分析可以表征土壤Hu可分解有機(jī)質(zhì)含量多少， 本研究結(jié)果顯示， M和NPK施肥處理中土壤Hu能夠分解的有機(jī)質(zhì)含量較高。 紅外光譜可以定性分析其脂族性強(qiáng)弱， 結(jié)果顯示M和MNPK處理均可提高土壤Hu的2 920/1 620比值， 其脂族性增強(qiáng)， 芳香性減弱。13C核磁共振波譜可以半定量分析其各類(lèi)型碳含量， 結(jié)果顯示有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以提高土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性， 而單施化肥處理有機(jī)質(zhì)分解程度增加， 穩(wěn)定性較CK降低。 雖然不同施肥方式可以增加土壤Hu碳含量， 但占土壤總有機(jī)碳比重降低。 表明土壤總有機(jī)碳增加是由于土壤腐殖質(zhì)不同組分相互累加而導(dǎo)致， 不是受土壤腐殖質(zhì)單一組分變化決定。

本研究表明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以最大程度提升土壤碳庫(kù)容量， 土壤Hu的脂族性增強(qiáng)， 提高土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性， 并同時(shí)證明多種光譜學(xué)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)腐殖質(zhì)組分結(jié)構(gòu)的變化特征。