砂姜黑土水溶性有機物對秸稈還田配施化肥的響應(yīng)

曹 維，蔡 成，疏 晴，王擎運，齊永波，章力干

砂姜黑土水溶性有機物對秸稈還田配施化肥的響應(yīng)

曹 維，蔡 成，疏 晴，王擎運，齊永波*，章力干

(農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036)

土壤水溶性有機物（DOM）是土壤有機碳動態(tài)變化的敏感指標(biāo)，為了探究砂姜黑土水溶性有機物對秸稈還田配施化肥的響應(yīng)特征，為砂姜黑土區(qū)土壤培肥和土壤有機質(zhì)提升提供科學(xué)依據(jù)?；谏敖谕羺^(qū)麥玉輪作制度下的3年田間定位試驗（2018—2021年），田間試驗設(shè)置不施肥（CK），單施秸稈（S）、推薦施肥（F）、秸稈+推薦施肥（SF）4個處理，采用常規(guī)測定以及光譜學(xué)分析方法，對水溶性有機碳含量及其組分的變化進行分析。結(jié)果表明，施肥處理土壤溶解性有機碳（DOC）、溶解性總氮（TDN）、NH4+-N和NO3--N含量較對照或單施秸稈均顯著提高（< 0.05）；SF處理DOC含量顯著高于F處理（< 0.05），增加18.9%；而TDN、NH4+-N和NO3--N含量顯著低于F處理（< 0.05），分別降低55.0%、64.1%和51.3%。通過紫外-可見、三維熒光和紅外光譜分析表明，秸稈還田和施肥不同程度上提升了土壤DOM中類腐殖質(zhì)物質(zhì)含量，使結(jié)構(gòu)相對簡單的類蛋白質(zhì)物質(zhì)含量減少，類腐殖質(zhì)物質(zhì)占比依次為SF（59.6%）> S（57.5%）> F（55.9%）> CK（55.1%），類蛋白質(zhì)物質(zhì)占比依次為CK（44.9%）> F（44.1%）> S（42.5%）> SF（40.4%），其中以秸稈配施化肥效果最明顯，且其DOM中類腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。

砂姜黑土；秸稈還田；水溶性有機物；紫外-可見光譜；三維熒光光譜；紅外光譜

土壤有機碳是土壤肥力的核心，有機物料對土壤有機碳提升具有重要作用，然而土壤中的有機碳含量變化周期較長[1]。土壤有機碳庫中最活躍、易轉(zhuǎn)化的組分是溶解性有機碳（DOC），盡管其含量很少，但可直接參與土壤肥力轉(zhuǎn)化過程，易被土壤微生物利用，在土壤中周轉(zhuǎn)速度快、有效性高，是土壤有機碳動態(tài)變化的敏感指標(biāo)之一[2]。

對于不同類型土壤的活性有機碳研究發(fā)現(xiàn)，在長期施肥條件下，土壤溶解性有機碳含量顯著增 加[3]，其含量的變化對研究土壤肥力提升、改善土壤質(zhì)量、維持土壤碳庫平衡等環(huán)境方面具有重要影響[4-5]。劉淑霞等[6]研究表明土壤活性有機碳對土壤團聚體形成的穩(wěn)定性和作物產(chǎn)量有顯著正相關(guān)關(guān)系，并對土壤養(yǎng)分及生物有效性影響較顯著[7]。此外，土壤溶解性有機碳作為土壤微生物的直接養(yǎng)分來源，能夠影響土壤微生物活性及群落組成[8]。黃淮海平原作為我國重要糧食的生產(chǎn)地區(qū)之一，較低的土壤有機碳含量限制了作物產(chǎn)量提高。砂姜黑土是黃淮海平原典型耕作土壤，其質(zhì)地黏重、易旱易澇、耕性差且土壤瘠薄[9]。合理添加有機物料可顯著提高土壤有機碳含量，其中秸稈還田措施最為常見。已有大量研究表明，長期的秸稈還田能改善砂姜黑土物理性狀，提高土壤養(yǎng)分和活性有機碳含量，作物產(chǎn)量增加[10-11]。由于土壤水溶性有機碳能夠快速響應(yīng)土壤環(huán)境條件的變化，對C、N、S、P等營養(yǎng)元素的生物有效性、微生物生長代謝、土壤有機質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化過程均有重要影響[12]。因此提高砂姜黑土區(qū)水溶性有機物的腐殖化程度，減少有機物的礦化分解對于改良貧瘠土壤，增強土壤的固碳潛力具有重要作用[13]。本研究以黃淮海平原典型砂姜黑土為研究對象，對秸稈還田條件下土壤水溶性有機碳進行測定，分析不同條件下土壤水溶性有機碳的光譜學(xué)特征變化，通過研究土壤水溶性有機碳含量、組分及其結(jié)構(gòu)變化，探討其與秸稈和肥料配施還田措施間的響應(yīng)關(guān)系，為砂姜黑土區(qū)科學(xué)施肥、土地質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖北綜合試驗站（116°97￠E、33°63￠N），該地地處黃淮海平原東部，地勢平坦，屬暖溫帶半濕潤氣候，年均氣溫14.4 ℃，年降水量857 mm，降水主要集中在夏季。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，供試土壤類型為砂姜黑土，初始土壤pH值為8.06，有機質(zhì)為24.93 g·kg-1，全氮為0.76 g·kg-1，堿解氮為59.33 mg·kg-1，有效磷為14.88 mg·kg-1，速效鉀為239 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗開始于2018年10月，共設(shè)置4個處理：不施肥（CK）、單施秸稈（S）、推薦施肥（F）、秸稈+推薦施肥（SF），每個處理3次重復(fù)，隨機排列，各小區(qū)面積為49.5 m2（4.5 m×11 m）。小麥季玉米秸稈粉碎還田，推薦施肥量氮肥（按純氮計）225 kg·hm-2，磷肥（按P2O5計）120 kg·hm-2，鉀肥（按K2O計）90 kg·hm-2，氮肥按基追比6∶4施用，磷鉀肥按基追比8∶2施用。玉米季小麥秸稈覆蓋還田，推薦施肥量氮肥（按純氮計）270 kg·hm-2，磷肥（按P2O5計）90 kg·hm-2，鉀肥（按K2O計）135 kg·hm-2，氮肥按基追比5∶5施用，磷鉀肥一次性基施。供試肥料種類為常規(guī)復(fù)合肥。試驗區(qū)其他管理則與當(dāng)?shù)匾恢?。供試冬小麥和夏玉米品種分別為安農(nóng)1589和安農(nóng)591。于2021年10月玉米成熟期，采用隨機多點混合取樣法采集0～20 cm耕層土壤樣品。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水溶性有機碳提取 土壤水溶性有機碳提取參考Gao等[14]的方法，去離子水按土水比1∶10浸提新鮮土樣于100 mL離心管中，25 ℃下震蕩2 h（200 r·min-1），懸濁液以4000 r·min-1離心30 min，濾液過0.45 μm濾膜至棕色試劑瓶內(nèi)，置于4℃冰箱貯存?zhèn)溆?。利用TOC分析儀（Multi N/C 3100）測定溶解性有機碳（DOC）和溶解性總氮（TDN），銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）用連續(xù)流動分析儀（SKALAR）測定。

1.3.2 土壤水溶性有機碳光譜表征 紫外-可見吸收光譜采用紫外可見光分光光度計（UV-2550）測定，用去離子水做空白對照，在200～800 nm范圍內(nèi)掃描，波段間隔為1 nm。并計算254 nm和280 nm處的紫外吸收值SUVA254和SUVA280，吸光系數(shù)比值E254/E365和E254/E436，光譜斜率S275～295和S350～400的比值SR。三維熒光光譜采用熒光分光光度計（FP-8500）測定，以去離子水為空白，設(shè)置熒光激發(fā)和發(fā)射光譜狹縫寬度分別為5 nm和2 nm，掃描速度1 200 nm·min-1，其中激發(fā)波長（Ex）和發(fā)射波長（Em）的范圍分別為200～500 nm和250～550 nm。并計算熒光指數(shù)（FI）、腐殖化指數(shù)（HIX）和生物指數(shù)（BIX）。紅外光譜采用傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolette is50）測定，取1 mg冷凍干燥的DOM樣品與100 mg干燥的溴化鉀磨細(xì)混勻后壓片，設(shè)置掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進行計算，采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以LSD多重比較進行不同處理間的差異顯著性檢驗（< 0.05），Origin 2019軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N 和NO3--N含量變化

施肥處理土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量較對照或單施秸稈均顯著提高（< 0.05）（表1），與CK相比，F(xiàn)和SF處理DOC含量分別提升41.1%和67.8%；TDN含量分別提升299%和79.9%；NH4+-N含量分別提升368%和68.3%；NO3--N含量分別提升147%和20.3%。SF處理DOC含量顯著高于F處理（< 0.05），較F處理增加18.9%；而TDN、NH4+-N和NO3--N含量顯著低于F處理（< 0.05），較F處理分別減少55.0%、64.1%和51.3%，這可能與秸稈分解過程中土壤無機氮被微生物同化有關(guān)。單施秸稈處理TDN和NO3--N含量顯著低于CK（< 0.05），較CK分別減少51.1%和72.2%，也同樣證明這一點。

表1 土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（< 0.05）。下同。

圖1 不同處理土壤DOM紫外-可見光譜圖

Figure 1 Ultraviolet-visible spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments

2.2 不同處理土壤DOM的光譜學(xué)特征

2.2.1 紫外-可見光譜 不同處理土壤DOM的紫外-可見光譜特征表現(xiàn)出明顯差異（圖1），尤其在紫外吸收區(qū)域，紫外吸收強度依次為F>SF>CK>S。盡管SF處理土壤DOM中DOC含量顯著高于F處理，但SF處理土壤DOM紫外吸收區(qū)域吸光度明顯低于F處理，這可能與DOM結(jié)構(gòu)和組成特性有關(guān)。

利用紫外吸收值SUVA254和SUVA280，吸光系數(shù)比值E254/E365和E254/E436，光譜斜率比值SR等光譜特征參數(shù)進一步解析DOM的分子特征。由表2可見，SUVA254和SUVA280與DOC含量呈負(fù)相關(guān)，SF處理SUVA254和SUVA280分別為9.34 L·mg-1·m-1和7.29 L·mg-1·m-1（按碳計算），顯著低于其他處理（< 0.05），表明SF處理土壤DOM芳構(gòu)化程度高、分子量大。吸光系數(shù)比值E254/E365、E254/E436和光譜斜率比值SR分別可以表征有機質(zhì)腐殖化程度、有機質(zhì)來源和分子量[15-17]，SF處理E254/E365為4.22，顯著高于其他處理（< 0.05），表明SF處理土壤DOM腐殖化程度高；CK處理E254/E436為14.7，顯著高于其他處理（< 0.05），表明與其他處理相比CK土壤DOM以內(nèi)源為主；S和SF處理SR分別為0.664和0.636，顯著高于CK和F處理（< 0.05），這可能與秸稈還田導(dǎo)致外源有機質(zhì)的輸入有關(guān)。綜上所述，秸稈還田配施化肥條件下砂姜黑土DOM既有內(nèi)源又有外源，分子量、芳構(gòu)化程度和腐殖化程度均增加。

表2 不同處理土壤DOM紫外-可見光譜特征參數(shù)

注：SUVA254和SUVA280分別為254 nm和280 nm處吸光度與DOC濃度的比值。

圖2 不同處理土壤DOM三維熒光光譜分布

Figure 2 Three-dimensional fluorescence spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments

圖3 不同處理土壤DOM熒光區(qū)域積分組分占比

Figure 3 Percentage of fluorescence regional integration components of soil dissolved organic matter in different treatments

2.2.2 三維熒光光譜 不同處理土壤DOM的三維熒光圖譜有相似性亦有差異（圖2）。在Ex/Em= 260/440 nm和Ex/Em=330/430 nm處有兩個明顯特征峰，歸因為類富里酸和類胡敏酸物質(zhì)，類富里酸物質(zhì)區(qū)熒光強度依次為SF>S>CK>F，而類胡敏酸物質(zhì)區(qū)熒光強度依次為SF>F>S>CK。

按照Chen等[18]的方法，根據(jù)DOM組分的不同在熒光光譜中Ex/Em波長區(qū)域的分布狀況，將三維熒光區(qū)域劃分為：Ⅰ（<250 nm/<330 nm，為類酪氨酸物質(zhì)），II（<250 nm/330～380 nm，為類色氨酸物質(zhì)），III（<250 nm/>380 nm，為類富里酸物質(zhì)），IV（>250 nm/<380 nm，為可溶性的微生物代謝產(chǎn)物）和V（>250 nm/>380 nm，為類胡敏酸物質(zhì)）。利用熒光區(qū)域積分法，4個處理土壤DOM熒光區(qū)域積分組分占比如圖3所示。5種組分占比依次為類富里酸物質(zhì)>類胡敏酸物質(zhì)>可溶性的微生物代謝產(chǎn)物>類色氨酸物質(zhì)>類酪氨酸物質(zhì)，其中類酪氨酸物質(zhì)占比依次為S（9.5%）> CK（9.4%）> F（8.1%）> SF（7.7%），類色氨酸物質(zhì)占比依次為CK（16.2%）> S（15.3%）=F（15.3%）> SF（15.1%），類富里酸物質(zhì)占比依次為SF（35.1%）> S（34.6%）> CK（33.2%）>F（32.2%），可溶性的微生物代謝產(chǎn)物占比依次為F（20.6%）>CK（19.3%）>S（17.7%）= SF（17.7%），類胡敏酸物質(zhì)占比依次為SF（24.4%）> F（23.7%）> S（22.9%）> CK（21.9%）。

利用腐殖化指數(shù)（HIX）、熒光指數(shù)（FI）、生物指數(shù)（BIX）和類胡敏酸與類富里酸比值（V/III）等光譜特征參數(shù)進一步解析DOM的分子特征。由表3可見，SF處理HIX為12.1，顯著高于其他處理（< 0.05），HIX可表征DOM的腐殖化程度，值越高意味著DOM中碳?xì)浠衔锝M分越少，腐殖化程度越高[19]。FI和BIX分別可反映DOM中類富里酸組分的來源及DOM內(nèi)源貢獻率[20-21]。4個處理FI和BIX無顯著差異，F(xiàn)I值為1.52～1.54，介于1.4～1.9，表明DOM中類富里酸組分是植物殘體和微生物的混合來源，既有微生物代謝產(chǎn)生，又有植物殘體分解轉(zhuǎn)化等外源影響[22-23]；BIX值為0.506～0.534，值越小表明DOM的外源輸入特征越明顯，即以植物殘分解轉(zhuǎn)化來源為主。類胡敏酸與類富里酸比值V/III越高生成的腐殖質(zhì)越穩(wěn)定，其中F和SF處理V/III值顯著大于CK和S處理。綜上，不同處理砂姜黑土DOM來源相似，而組成結(jié)構(gòu)差異明顯，其中單施化肥以增加可溶性的微生物代謝產(chǎn)物和類胡敏酸物質(zhì)為主，單施秸稈和秸稈配施化肥以增加類富里酸和類胡敏酸物質(zhì)為主，且秸稈配施化肥變化更為明顯。

表3 不同處理土壤DOM三維熒光光譜特征參數(shù)

Figure 4 Infrared spectrum of soil dissolved organic matter in different treatments

2.2.3 紅外光譜 圖4為不同施肥處理土壤DOM的紅外光譜，依據(jù)相關(guān)文獻[14, 24-25]，主要吸收峰有：3 500～3 300 cm-1（酚類、醇類和羧酸類中羥基的O-H和酰胺和胺類的N-H振動）；2 930～2 850 cm-1（脂肪族C-H振動）；1 665 ～ 1 621 cm-1（芳香族C=C骨架振動或酰胺C=O振動）；1 420 cm-1（COO-反對稱振動、O-H變形、酚類的C=O伸縮和脂肪族C-H變形振動）；1 384 cm-1（硝酸鹽特征峰）；1 080～1 020 cm-1（多糖或多糖類物質(zhì)的C-O伸縮振動）。4個處理土壤DOM具有相似的紅外吸收光譜特征，但各處理特征峰的位置和相對吸收強度存在一定差異，說明它們組成物質(zhì)成分類似，僅在相對應(yīng)官能團的含量存在一定差異[14]。與其他處理相比，SF處理土壤DOM紅外譜峰有明顯變化，1 420 cm-1處吸收峰減弱，1 384 cm-1處尖銳吸收峰消失，1 032 cm-1處出現(xiàn)了較強的吸收峰。對應(yīng)的紅外吸收峰減弱、消失或增強，表明秸稈配施化肥砂姜黑土DOM中酚類和脂肪族化合物、硝酸鹽減少，而多糖或多糖類物質(zhì)。

2.3 DOM光譜特征參數(shù)與熒光組分相關(guān)性分析

由光譜特征參數(shù)與熒光組分Pearson相關(guān)性分析（表4）可見，紫外-可見光譜特征參數(shù)與三維熒光光譜特征參數(shù)之間表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，HIX與SUVA254和SUVA280呈負(fù)相關(guān)，與E254/E365呈正相關(guān)，而FI和BIX與SUVA254和SUVA280呈正相關(guān)，與E254/E365呈負(fù)相關(guān)，其中FI與SUVA280顯著正相關(guān)（= 0.977，= 0.023），與E254/E365顯著負(fù)相關(guān)（= -0.999，= 0.001），這些光譜特征參數(shù)表征DOM芳構(gòu)化程度、分子量、腐殖化程度變化表現(xiàn)一致。此外，I和II與HIX呈負(fù)相關(guān)，而與BIX呈正相關(guān)，且II與BIX顯著正相關(guān)（= 0.963，= 0.037）；IV與SR呈負(fù)相關(guān)；III和V與HIX呈正相關(guān)。I和II與V呈負(fù)相關(guān)，III與IV呈顯著負(fù)相關(guān)（= -0.983，= 0.017），表明類胡敏酸物質(zhì)增加可能與類酪氨酸物質(zhì)和類色氨酸物質(zhì)減少有關(guān)，而為類富里酸物質(zhì)增加可能與可溶性的微生物代謝產(chǎn)物減少有關(guān)。

表4 光譜特征參數(shù)與熒光組分相關(guān)性分析

注：*和**分別為0.05及0.01水平上的顯著性差異。

3 討論與結(jié)論

施肥處理土壤DOM中DOC、TDN、NH4+-N和NO3--N含量較對照或單施秸稈均顯著提高（< 0.05），秸稈配施化肥土壤DOM中DOC增幅最大，單施化肥土壤DOM中TDN增幅最大（表1）。一方面可能是肥料的施用直接或間接地調(diào)控了土壤有機質(zhì)的進入，另外秸稈本身含有大量的水溶性碳和氮，長期秸稈覆蓋既能直接增加土壤DOC含量，又能使土壤有機質(zhì)含量提高[26]。DOC作為土壤有機碳轉(zhuǎn)化與微生物新陳代謝的中間產(chǎn)物，雖僅占土壤有機質(zhì)的很小部分，但卻極易被微生物利用。施化肥直接增加了土壤碳源，在微生物作用下加速土壤有機碳的積累和礦化，從而分解釋放出更多的水溶性有機碳。汪景寬等[27]的研究也表明，加入大量活性較高的有機物料以及作物根系分泌的高活性溶解性有機碳，使耕作土壤中溶解性有機碳的比重大大增加。推薦施肥處理由于施化肥使土壤DOC含量顯著增加，但根系分泌物與肥料直接輸入的碳源相對有限，所以DOC含量增加不多[28]。秸稈作為一種有機養(yǎng)分，僅能給作物投入一小部分，但在與化肥配施下，能使土壤有機質(zhì)發(fā)揮巨大潛力[29]，因此秸稈與化肥配施更能增加土壤中碳、氮養(yǎng)分，為微生物提供充足的碳源，刺激微生物活性，使SF處理土壤DOC增加量最顯著[30]。而土壤溶解性總氮（TDN）含量則表現(xiàn)在施肥條件下顯著增加，反而添加秸稈使TDN含量相對降低，可能是由于微生物較低的C/N與高C/N的禾本科植物（秸稈）發(fā)生作物與微生物爭奪土壤無機氮的這種爭氮現(xiàn)象[31]。由于秸稈自身的組分不易改變，可以通過添加一定的氮肥促進秸稈的分解，提高土壤無機氮含量，因此秸稈與肥料配施不僅可以增加土壤速效養(yǎng)分，同時也可降低秸稈分解過程中土壤微生物對氮素的固持[32]。李文軍等[33]的結(jié)果也表明長期施肥有利于提升土壤溶解性有機碳氮含量及其比例，而與秸稈配施效果更顯著。

土壤DOM是一種復(fù)雜的化合物，由一系列大小、結(jié)構(gòu)不同的分子組成，包括大分子量的腐殖質(zhì)、芳香族化合物和多糖類物質(zhì)還有一些低分子量易降解的游離氨基酸、碳水化合物和羧酸等物質(zhì)[34-35]。為了進一步分析DOM物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的變化，對比分析紫外-可見、三維熒光和紅外光譜發(fā)現(xiàn)，秸稈與化肥配施條件下，土壤DOM分子芳香性最大，腐殖化程度最高。已有研究顯示，280 nm 附近的吸收峰可能為微生物降解或化學(xué)聚合生成不溶于水的大分子腐殖物質(zhì)，并隨腐殖質(zhì)芳香性和不飽和共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的增加，腐殖物質(zhì)紫外吸收強度增強，腐殖化程度加強[36]，表明此部分土壤DOM樣品中含有共軛體系的芳香環(huán)[37]。同時土壤DOM的共軛結(jié)構(gòu)較多或腐殖化程度較大時，其吸光能力會隨之增強。本研究中，結(jié)合熒光圖譜參數(shù)，施肥能使DOM的芳香性及腐殖化程度、平均分子量增加，DOM轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定腐殖質(zhì)，秸稈配施化肥顯著促進了微生物對秸稈的分解，使秸稈中木質(zhì)素、多酚等物質(zhì)分解產(chǎn)生大量的芳香族物質(zhì)[26]，使其芳構(gòu)化程度更復(fù)雜，同時土壤中的有機酸、酰胺以及糖類小分子物質(zhì)以芳香環(huán)為核心聚合形成芳香族類大分子化合物，因此添加秸稈后土壤DOM中芳香族類化合物含量較高。此外，SF處理紅外光譜1 384 cm-1處吸收峰消失，1 074 cm-1處吸收峰向低波數(shù)方向移動，并在1 032 cm-1處出現(xiàn)了較強的寬峰，這可能與有機組分中的含氮物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的胺類物質(zhì)及酚類物質(zhì)縮聚有關(guān)[38-39]。紅外吸收比值A(chǔ)1637/A2925、A1637/A1420和A1637/A1032可分別反映芳香碳/脂肪碳、芳香碳/羧基碳和芳香碳/碳水化合物碳，比值越大說明易降解的有機組分，如多糖、醇類、蛋白質(zhì)、脂肪鏈等減少，腐殖物質(zhì)增加，與紫外-可見、三維熒光光譜結(jié)果一致，也證明了SF處理土壤DOM中含有更多穩(wěn)定性較高的芳香結(jié)構(gòu)和腐殖化程度的有機組分?；逝c秸稈配施下土壤DOM的芳香度、分子量和腐殖化程度增加，可能是因為外源有機物料的長期投入增加了土壤中結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的芳香族化合物的比例。有機物料中含有簡單有機酸、單糖、多糖以及蛋白質(zhì)等易被微生物降解利用，同時微生物代謝產(chǎn)物是脂類物質(zhì)的重要來源，土壤微生物對有機酸利用加快，代謝產(chǎn)物增多，導(dǎo)致DOM分子中有機酸含量顯著降低，脂類含量顯著升高[34,40]而秸稈直接還田能增加土壤中含氮官能團如酰胺類物質(zhì)含量，添加秸稈后土壤中含有大量的芳香類化合物，而芳香環(huán)可以固定土壤中的無機氮生成酰胺類物質(zhì)[26]。高芳香縮合官能團通常具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，可增加有機質(zhì)在環(huán)境中的停留時間，因而能更好地改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。

不同施肥處理對砂姜黑土DOM組成、結(jié)構(gòu)有明顯影響，秸稈肥料配施利于還田秸稈分解轉(zhuǎn)化，進而顯著提升土壤DOC含量，且利于增強DOM穩(wěn)定性，表現(xiàn)為分子量、芳構(gòu)化程度和腐殖化程度增加，主要由于類蛋白質(zhì)物被微生物轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的類腐殖質(zhì)物質(zhì)。

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Response of dissolved organic matter to straw returning plus fertilization in lime concretion black soil

CAO Wei, CAI Cheng, SHU Qing, WANG Qingyun, QI Yongbo, ZHANG Ligan

(Anhui Province Key Lab of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

Soil dissolved organic matter (DOM) is a sensitive indicator of dynamic changes in soil organic carbon. Based on a 3-year field-located experiment (2018-2021) under wheat-maize rotation system in lime concretion black soil area, we investigated the response characteristics of dissolved organic matter in lime concretion black soil to straw return with fertilizer application, which will provide a scientific basis for soil fertilization and soil organic matter enhancement in lime concretion black soil area. The field experiment was conducted in four treatments: no fertilizer (CK), straw return alone (S), recommended fertilizer (F), and straw + recommended fertilizer (SF). The changes of dissolved organic carbon content and its components were analyzed by conventional measurement and spectroscopic analysis. The results showed that soil dissolved organic carbon (DOC), dissolved total nitrogen (TDN), NH4+-N and NO3--N contents were significantly higher in the fertilizer treatments compared with those of the control or straw return alone (<0.05). DOC content was significantly higher in the SF treatment than that in the F treatment (<0.05), which increased 18.9%. While TDN, NH4+-N and NO3--N contents were significantly lower than those in the F treatments (<0.05), which decreased 55.0%, 64.1% and 51.3%, respectively. Combined analysis of ultraviolet-visible (UV-Vis), three-dimensional excitation-emission matrix (EEM) and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopies showed that the contents of humus-like substances in soil DOM were improved to different degrees by the treatments of straw return and fertilizer application, in which the percentages of humus-like substances were in the order of SF (59.6%) > S (57.5%) > F (55.9%) > CK (55.1%). While the contents of protein-like substances with relatively simple structure were decreased, in which the percentages of protein-like substances were in the order of CK (44.9%) > F (44.1%) > S (42.5%) > SF (40.4%). Among these four treatments, the effects of straw with chemical fertilizer exhibited obviously, and the structure of humus-like substances in DOM tended to be more complex.

lime concretion black soil; straw returning; dissolved organic matter; UV-Vis; 3D-EEM; FTIR

S153.6

A

1672-352X (2022)06-0971-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230106.015

2023-01-06 20:21:15

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail//34.1162.S.20230106.1208.020.html

2022-03-10

國家自然科學(xué)基金（41907014），安徽省自然科學(xué)基金（1908085QD153）和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)人才基金（yj2018-30）共同資助。

曹 維，碩士研究生。E-mail：769989342@qq.com

齊永波，博士，講師。E-mail：qiyongbo2017@126.com