黑土、潮土和紅壤可溶性有機(jī)質(zhì)的光譜特征及結(jié)構(gòu)差異①

繆闖和，呂貽忠*

黑土、潮土和紅壤可溶性有機(jī)質(zhì)的光譜特征及結(jié)構(gòu)差異①

繆闖和1,2，呂貽忠1,2*

(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2農(nóng)業(yè)部華北耕地保育重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

為探究不同類型土壤可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)含量和結(jié)構(gòu)的差異性，選取黑土、潮土和紅壤3種土壤的表層土壤(0 ~ 20 cm)為研究對(duì)象，提取其中的DOM，應(yīng)用紫外–可見光譜、熒光光譜等技術(shù)，分析土壤中DOM的數(shù)量和光譜特征。結(jié)果顯示：3種不同類型土壤中可溶性有機(jī)碳(DOC)含量及其與土壤有機(jī)碳(SOC)的比值(SOC/DOC)大小為：紅壤>黑土>潮土0.05；A254值大小為黑土>潮土>紅壤，但SUVA254值大小為：潮土>黑土>紅壤(0.05)，表明潮土DOM的芳香化程度最高，但芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量低于黑土DOM，紅壤DOM的芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量和芳香性構(gòu)化程度均低于黑土和潮土DOM；熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)(HIXem)和熒光效率 (eff)值大小為：紅壤>黑土>潮土(<0.05)，說明紅壤DOM的腐殖化程度和π電子共軛基團(tuán)含量比潮土和黑土DOM高；熒光指數(shù)(FI)大小為：紅壤>潮土>黑土(<0.05，表明紅壤DOM比潮土和黑土DOM含有更多的微生物源組分；熒光同步光譜顯示，黑土和潮土DOM以類蛋白質(zhì)基團(tuán)為主，紅壤DOM以木質(zhì)素類基團(tuán)為主；在土壤有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量和黏土礦物種類不同的情況下，土壤對(duì)DOM的吸附能力不同，使土壤DOM的提取比例也存在顯著差異。

土壤；可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)；紫外–可見光譜；熒光光譜

可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM，dissolved organic matter)指經(jīng)溶液浸提后，能透過0.45 μm濾膜的有機(jī)分子混合體，包含小分子量的有機(jī)酸、碳水化合物和大分子量的腐殖質(zhì)、氨基酸、多酚等[1]。土壤DOM的主要來源有植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)、降雨淋溶物等[2]。DOM作為土壤有機(jī)質(zhì)庫中最活躍的組成部分，雖然只占土壤有機(jī)質(zhì)庫的極小部分，卻參與了土壤中有機(jī)質(zhì)腐殖化、吸附–解吸、微生物代謝活動(dòng)等一系列生物地球化學(xué)過程，對(duì)調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)和穩(wěn)定土壤微生態(tài)起著重要的橋梁作用[3]。DOM具有比固相有機(jī)質(zhì)更多的吸附位點(diǎn)，可通過靜電吸附、配位體交換、絡(luò)合反應(yīng)、疏水作用、氫鍵作用和陽離子鍵橋等方式與土壤礦物結(jié)合而被固定[4]，并在一定條件下解吸和重新釋放，這對(duì)土壤有機(jī)碳固存、土壤養(yǎng)分儲(chǔ)存和釋放、土壤成土過程及重金屬元素有效性有著重要的意義[5]。因此，提高土壤中DOM含量將具有重要意義。但土壤 DOM卻一直未受重視，直到 20世紀(jì)70年代末，特別是 20世紀(jì)80年代以后，隨著全球碳循環(huán)問題受到廣泛關(guān)注，土壤 DOM 才逐漸引起人們的重視[6]。土壤DOM由于其本身組分復(fù)雜，測(cè)定過程中易于改變其固有性質(zhì)，采用傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法難以有效確定 DOM 的結(jié)構(gòu)特征[7]。紫外–可見光譜分析技術(shù)具有靈敏度高、成本低、耗時(shí)短、操作簡單快捷、結(jié)果可靠并且不會(huì)破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)[8]。熒光光譜技術(shù)可以獲得有機(jī)物質(zhì)的大量有效信息[9]，進(jìn)而可以精確地闡明不同環(huán)境中有機(jī)物的組分和結(jié)構(gòu)特征[10]。近年來，紫外–可見光譜和熒光光譜逐漸應(yīng)用于研究土壤DOM的組分和結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律。李帥東等[11]采用紫外–可見光譜和三維熒光光譜技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了昆明松華壩庫區(qū)表層土壤中DOM的組成結(jié)構(gòu)和來源，結(jié)果表明，熒光光譜參數(shù)可以表征土壤DOM的組分來源。王玉濤等[12]研究表明方面，紫外–可見光譜和熒光光譜技術(shù)對(duì)黃土丘陵區(qū)不同植被下土壤DOM的組成和結(jié)構(gòu)具有很好的表征效果。但上述研究主要集中在某一土壤類型或作物種植下土壤DOM的數(shù)量和光譜特征方面，對(duì)不同土壤DOM的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征差異的研究比較少見。

黑土、潮土和紅壤是我國3種比較典型的土壤類型，分布范圍廣，代表性強(qiáng)。因此，本研究選擇黑土、潮土和紅壤3種典型農(nóng)田土壤，進(jìn)行土壤DOM浸提試驗(yàn)，分析不同類型土壤DOM的數(shù)量變化，并采用紫外–可見光光度計(jì)和熒光光譜儀分析其光譜特征，以為制定合理的土壤培肥方案，提高土壤有機(jī)質(zhì)和DOM含量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用土樣采樣點(diǎn)概況如表1所示。采用“S”布點(diǎn)法采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)采集5個(gè)樣品，土樣均為0 ~ 20 cm表層土壤。土樣采集后，帶回實(shí)驗(yàn)室將較明顯的植物殘?bào)w撿出后，過2 mm篩，用于提取DOM，及pH、電導(dǎo)率和機(jī)械組成測(cè)定。部分土壤風(fēng)干并研磨過0.149 mm(或100目)篩用于測(cè)定土壤有機(jī)碳(SOC)含量。

表1 采樣點(diǎn)和土樣概況

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤電導(dǎo)率使用DDS-11A電導(dǎo)儀測(cè)定(土水質(zhì)量比1∶5)，pH 使用雷磁PHS-3D型pH 計(jì)測(cè)定，有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定。土壤的基本理化性質(zhì)如表2所示。

土壤DOM 采用水浸提法，取5.00 g 土樣于100 ml離心管中，加入去離子水50 ml(土水質(zhì)量比1∶10 )，在水平恒溫振蕩機(jī)上振蕩120 min(25℃，200 r/min)后，4 000 r/min離心10 min，上清液過0.45 μm 濾膜，濾液中有機(jī)質(zhì)即為DOM[12]。提取的DOM樣品保存在4℃冰箱中，3 d之內(nèi)進(jìn)行紫外–可見光譜和熒光光譜分析。采用Eelementar Vario TOC有機(jī)碳分析儀測(cè)定DOM樣品DOC 含量(DOC)。

表2 供試土壤的基本理化性質(zhì)

使用紫外–可見分光光度計(jì)(JINGHUA UV- 1800PC) 測(cè)定樣品紫外–可見光吸光度值。通過檢測(cè)待測(cè)液在波長254 nm 處的吸光度值(SUVA254)來計(jì)算其芳香化系數(shù)，計(jì)算公式：SUVA254=(A254/DOC)× 100[13]。

熒光光譜使用HORIBA FluoroMax?-4儀器進(jìn)行測(cè)定，激發(fā)和發(fā)射光柵狹縫寬度都為10 nm，掃描速度1 200 nm/min，激發(fā)波長254 nm，熒光發(fā)射光譜波長范圍300 ~ 480 nm，熒光同步光譜波長范圍250 ~ 500 nm。熒光發(fā)射光譜435 ~ 480nm區(qū)域與300 ~ 345nm區(qū)域的峰面積比值被稱為熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)(HIXem)。熒光同步光譜波長460 nm 與345 nm 處熒光強(qiáng)度的比值為熒光同步光譜腐殖化指數(shù)(HIXsyn)[14]；熒光效率(eff)計(jì)算方法為樣品熒光發(fā)射光譜的最大熒光強(qiáng)度(max)與其SUVA254的比值，為提高靈敏度，熒光光譜測(cè)定前使用2 mol/L鹽酸將所有待測(cè)液的pH 調(diào)為2[12,14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2019進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總和表格制作，用Origin 2018 進(jìn)行圖形制作。采用SPSS 18.0軟件中單因素方差分析方法進(jìn)行3種土壤DOM數(shù)量和光譜參數(shù)的差異分析，用LSD多重比較對(duì)不同土壤進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種土壤中SOC和DOC的數(shù)量特征

土壤DOM含量通常采用DOC含量來表示。由表 3 可知，3種土壤SOC含量變化范圍為 2.64 ~ 20.24 g/kg，不同類型土壤間存在顯著差異(0.05)。土壤中DOC含量與SOC含量的變化規(guī)律一致，均為黑土>紅壤>潮土。

SOC/DOC值可以表示土壤DOM的提取比例。本研究中，SOC/DOC值大小為紅壤>黑土>潮土(<0.05)，紅壤SOC/DOC值為145.58，黑土和潮土的SOC/DOC值為119.33、82.39，說明潮土DOM的提取比例高于黑土和紅壤。紅壤比黑土的黏粒含量高30 g/kg，但SOC/DOC值卻顯著高于黑土(表3)，這表明土壤類型會(huì)影響土壤DOM的提取比例[15]，可能是紅壤含有更多的鐵鋁氧化物，具有更多吸附位點(diǎn)，對(duì)DOM吸附固定能力更強(qiáng)[16]。由此可以說明，土壤類型及黏粒含量明顯影響土壤中DOM的提取比例。

表3 三種土壤的有機(jī)質(zhì)含量和組分特征

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，同列不同小寫字母代表不同類型土壤間差異在0.05水平顯著；下同。

2.2 三種土壤中DOM的光譜特征

不同類型土壤中DOM的分子量大小不同，其組成結(jié)構(gòu)也存在差異。紫外–可見光譜和熒光光譜技術(shù)是解析有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的重要手段。其中，A254值可以表征DOM的芳香化程度，A254值越大，芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量越高[17]。E4/E6值可以表征腐殖質(zhì)的腐殖化程度，E4/E6比值越大，腐殖化程度越低。SUVA254值可表征DOM芳香性構(gòu)化程度，其值越大，芳香性構(gòu)化程度越高，分子量越大[18]。本研究中(表4)，紅壤的A254、SUVA254值最低，這表明紅壤DOM中芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量和芳香性構(gòu)化程度均比黑土和潮土DOM低。這可能是因?yàn)榧t壤含有更多的鐵鋁氧化物，對(duì)芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)的吸附能力比黑土和潮土強(qiáng)[16]，導(dǎo)致DOM溶液中芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量較少。

表4 三種土壤DOM的E4/E6值和紫外特征吸光值

此外，pH也是影響DOM中芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量的因素之一。本研究中3種土壤pH大小為：潮土>黑土>紅壤，SUVA254值大小為：潮土>黑土>紅壤(表4)，pH越高，土壤DOM中芳香性構(gòu)化程度高的物質(zhì)含量越高。有研究[16]表明，土壤吸附試驗(yàn)中吸附平衡液的SUVA254值與pH呈顯著正相關(guān)。這表明土壤pH越高，土壤顆粒對(duì)DOM中芳香性構(gòu)化程度低的物質(zhì)的吸附能力越弱，即土壤吸附的芳香性構(gòu)化程度低的物質(zhì)更容易解吸進(jìn)入DOM溶液中。

熒光指數(shù)(FI)可以表征DOM的來源。一般認(rèn)為，植物來源和微生物代謝產(chǎn)物源的 2 個(gè)端源 FI 值分別是 1.4 和 1.9，F(xiàn)I<1.4 時(shí)，DOM 以植物源輸入為主；FI介于 1.4 ~ 1.9 時(shí)，表示既有植物源又有微生物代謝產(chǎn)物源輸入；FI>1.9 時(shí)，DOM 以微生物代謝產(chǎn)物源為主[19]。本研究中，紅壤FI值為1.70(表5)，介于1.4 ~ 1.9，表明紅壤DOM既有植物源也有微生物代謝產(chǎn)物源；黑土和潮土DOM的FI值均小于1.4(表5)，說明黑土和潮土DOM主要為植物源，微生物源貢獻(xiàn)較小。

表5 三種土壤DOM的熒光光譜參數(shù)

此外，熒光發(fā)射光譜給出的腐殖化指數(shù) (HIXem) 可以用來表征 DOM 的腐殖化程度，高 HIXem值往往意味著含有更多的微生物代謝產(chǎn)物[20]。本研究中，紅壤DOM的腐殖化指數(shù)(HIXem、HIXsyn)比黑土和潮土DOM高(表5)，這表明紅壤DOM的腐殖化程度比黑土和潮土DOM高。這可能是因?yàn)榧t壤所處氣候區(qū)的濕熱條件有利于土壤微生物活動(dòng)和有機(jī)物周轉(zhuǎn)[21]。相關(guān)研究[22-23]也表明，土壤有機(jī)質(zhì)在分解過程中，溫度升高和土壤水分含量增加可以增強(qiáng)土壤微生物代謝活動(dòng)，提高有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)次數(shù)，加速有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程。

熒光效率值(eff)與DOM分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，π電子共軛基團(tuán)含量越多，熒光效率值越高[13]。一般情況下，絕大多數(shù)π電子共軛基團(tuán)含芳環(huán)、不飽和鍵或雜環(huán)結(jié)構(gòu)[24]。如表5所示，紅壤DOM的eff顯著高于黑土和潮土DOM，這表明紅壤DOM含有更多π電子共軛基團(tuán)，這些基團(tuán)很可能是微生物代謝的產(chǎn)物(FI=1.7)[25]。

熒光發(fā)射光譜圖(圖1A)顯示，3種土壤的發(fā)射光譜波形相似，波峰主要集中在380 ~ 440 nm，相對(duì)峰面積大小為黑土>潮土>紅壤，這與A254、E4/E6值的變化趨勢(shì)一致。熒光同步光譜圖(圖1B)顯示，DOM 的同步光譜特征峰主要有以下 3 類：①激發(fā)波長ex=285 ~ 290 nm，代表類蛋白質(zhì)基團(tuán)，如芳香氨基酸等；②ex= 349 ~ 381 nm，代表芳香性脂肪族基團(tuán)；③ex=450 ~ 453 nm，代表木質(zhì)素類基團(tuán)[26]。本研究中，黑土和潮土都有一個(gè)特征峰(ex= 285 ~ 290 nm，代表類蛋白質(zhì)基團(tuán))，紅壤的特征峰為ex= 390 ~ 410 nm，這說明黑土和潮土的DOM組分以含類蛋白質(zhì)基團(tuán)的物質(zhì)為主，同時(shí)，黑土DOM也含有木質(zhì)素類基團(tuán)物質(zhì)，紅壤DOM組分傾向于以含木質(zhì)素類基團(tuán)物質(zhì)為主，可能是因?yàn)樵谀戏酵寥乐?，水熱條件良好，類蛋白質(zhì)基團(tuán)物質(zhì)易被降解而不易積累[21-22]。

綜上所述，土壤中有機(jī)物的解吸和釋放是土壤DOM的重要來源之一。SOC/DOC值可作為評(píng)價(jià)土壤DOM提取難易的一個(gè)參數(shù)，光譜方法可以用來解析土壤DOM的結(jié)構(gòu)和來源特征[27]。本研究中，黑土DOM含量高于潮土和紅壤，SOC/DOC值比潮土高，但比紅壤低。潮土DOM腐殖化程度最低，黑土DOM植物源特征最強(qiáng)。紅壤DOM腐殖化程度最高，微生物源特征最強(qiáng)。因此，就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，提高DOM含量措施而言，對(duì)于黑土和潮土，施用腐殖化程度低的有機(jī)肥和秸稈還田可能效果較好；而對(duì)于紅壤，施用腐殖化程度高，抗分解能力強(qiáng)的有機(jī)肥可能更為合適。此外，今后還需要進(jìn)一步研究SOC/DOC值在不同區(qū)域、不同類型土壤間的可比性，此外還需要深入探討不同時(shí)間和區(qū)域條件下土壤DOM的結(jié)構(gòu)特征。

3 結(jié)論

本研究對(duì)3種不同類型土壤中DOM的數(shù)量和光譜特征進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：不同類型土壤DOM的提取比例不同，紅壤的SOC/DOC值大于黑土和潮土，紅壤DOM的提取比例比黑土和潮土低；不同類型土壤的DOM結(jié)構(gòu)特征不同，紅壤DOM腐殖化程度比黑土和潮土高，但芳香性物質(zhì)含量和芳香性構(gòu)化程度比黑土和潮土低；紅壤DOM成分主要是相對(duì)分子質(zhì)量較大的木質(zhì)素類基團(tuán)物質(zhì)，黑土和潮土DOM主要是含類蛋白質(zhì)基團(tuán)的芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)；潮土DOM的芳香性結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量低于黑土，但芳香性構(gòu)化程度高于黑土和紅壤。

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Spectral Characteristics and Structural Differences of DOM in Black Soil, Fluvo-Aquic Soil and Red Soil

MIAO Chuanghe1,2, Lü Yizhong1,2*

(1 College of Land Science and Technology, China Agriculture University, Beijing 100193, China; 2 Key Laboratory of Arable Land Conservation(North China), Ministry of Agriculture, Beijing 100193, China)

To explore the spectral characteristics and structural differences of dissolved organic matter (DOM) in different types of soil, DOM were extracted from the topsoils (0–20 cm) of black soil, fluvo-aquic soil and red soil, and then DOM spectral characteristics were analyzed by UV-visible and fluorescence spectra. The results showed that dissolved organic carbon (DOC) content and its ratio with soil organic carbon (SOC/DOC) were in order of red soil > black soil > fluvo-aquic soil (<0.05), A254value was in order of black soil > fluvo-aquic soil > red soil, while SUVA254value was in order of fluvo-aquic soil > black soil > red soil (<0.05), suggesting that DOM of fluvo-aquic soil had the highest aromatization degree but lower aromatic content than those of black soil, while DOM of red soil had the lowest aromatic content and aromatization degree. The fluorescence emission spectral humification index (HIXem) and fluorescence efficiency (eff) were in order of red soil > black soil > fluvo-aquic soil (<0.05), demonstrating that DOM humification degree and π-electron conjugate group contents were higher in red soil than those of fluvo-aquic soil and black soil. The fluorescence index (FI) was in order of red soil > fluvo-aquic soil>black soil (<0.05), showing that DOM of red soil contained more microbial components than those of fluvo-aquic soil and black soil. Fluorescence synchronous spectra showed that DOM of fluvo-aquic soil and black soil mainly contained protein-like groups and DOM of red soil mainly contained lignin-like groups. The extraction ratios of DOM were significantly different among the three kinds of soils due to their different potential DOM adsorption capacities which were derived from the differences in the contents of SOM and clays and clay mineral types.

Soil; DOM; Ultraviolet-visible spectrum; Fluorescence spectroscopy

S153.6+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.023

繆闖和, 呂貽忠. 黑土、潮土和紅壤可溶性有機(jī)質(zhì)的光譜特征及結(jié)構(gòu)差異. 土壤, 2021, 53(1): 168–172.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0500202)和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(4157317)資助。

(lyz@cau.edu.cn)

繆闖和(1994—)，男，云南曲靖人，碩士研究生，主要從事土壤改良與土壤健康研究。E-mail：mchhsf@163.com