南亞熱帶多代連栽桉樹人工林根際土壤FTIR特征分析

趙雋宇 ，黃小芮，石媛媛 ，宋賢沖 ，覃祚玉 ，唐健 *

1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西 南寧 530002

桉樹（）是中國南方地區(qū)的主要用材樹種，在帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起到了重要作用（Zhu et al.，2020；王豁然，2010）。然而桉樹在多代連栽后具有明顯的連栽障礙問題，隨著桉樹人工林種植面積的逐年增加，其連載障礙問題日益突出，嚴(yán)重影響林業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展（Zhu et al.，2019）。化感物質(zhì)累積引起自毒作用是造成桉樹多代經(jīng)營后連栽障礙的主要原因之一（Fang et al.，2009；朱宇林等，2011）。研究表明，桉樹根系分泌物中含有烷烴、烯烴、芳香烴、醇、醛、酮、蒽醌、芳香酸酯和含N的萘雜環(huán)等9類29種有機(jī)成分，這些物質(zhì)會抑制種子萌發(fā)和雜草生長（張丹桔，2017；李金金等，2018），但這些物質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)尚不明確。由于土壤中有機(jī)組分及結(jié)構(gòu)差異性大，同時(shí)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜、副反應(yīng)多（Zeng et al.，2015），通過檢測土壤有機(jī)碳組成（陳艷芳等，2016）或是根系分泌物（侯玉平等，2013；朱強(qiáng)等，2014；陳葉等，2020）組分的單一方式對該類化感物質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)解釋有限，目前尚未有研究對多代連栽桉樹人工林土壤有機(jī)環(huán)境特征進(jìn)行全面探討。

近年來，傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR）的快速發(fā)展為表征土壤中有機(jī)微分子組成結(jié)構(gòu)及特征提供了一種高效手段，其通過測量土壤的紅外輻射（400—4000 cm）以達(dá)到表征諸如C?O、C=O、C=C、C?H、N?H等等官能團(tuán)數(shù)量和結(jié)構(gòu)等信息，具有波段寬、分辨率高的特點(diǎn)（Valasi et al.，2015），已有學(xué)者嘗試使用FTIR對不同土壤類型的有機(jī)環(huán)境的演變特征及有機(jī)組分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。Pospí?ilová et al.（2009）利用FTIR分析了施用了5年褐煤的不同類型的土壤，以觀察黃腐酸和腐殖酸組成的變化，結(jié)果表明，各土壤類型的有機(jī)組分中，芳香族占比最高，其指數(shù)0.61—0.73之間，普通黑鈣土透明質(zhì)酸的芳香度和穩(wěn)定性最高，草地中脂肪族和新形成的化合物較多。長期施用褐煤有助于長鏈腐植酸的形成，該腐植酸能吸附更多的有機(jī)碳，從而改善土壤質(zhì)量和土壤健康。吉恒寬等（2020）利用紅外光譜分析熱帶濱海區(qū)不同土地利用背景下土壤溶解性有機(jī)氮組分特征，認(rèn)為水稻、菜園土壤DON芳香物質(zhì)含量較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。大量研究表明（Margenot et al.，2015；李召陽等，2022），F(xiàn)TIR在表征土壤有機(jī)環(huán)境特征具有顯著優(yōu)勢，嘗試?yán)迷摷夹g(shù)對多代連栽桉樹人工林土壤有機(jī)環(huán)境演變特征開展研究。

本研究以南亞熱帶氣候區(qū)不同代次桉樹人工林為研究對象，采集不同代數(shù)桉樹人工林根際土壤，對土壤進(jìn)行前處理后，采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析儀測定其紅外光譜譜圖，分析新造林、萌芽1、2、3代桉樹人工林土壤微環(huán)境紅外光譜特征，采用峰面積積分法對土壤中有機(jī)物進(jìn)行定性以及半定量分析，研究不同代數(shù)桉樹人工林根際土壤微環(huán)境中的有機(jī)物組分是否具有顯著差異性，結(jié)合已被廣泛報(bào)道具有化感作用的組分，深入探討多代經(jīng)營是否造成土壤有機(jī)環(huán)境的改變，旨在探索桉樹連栽障礙的作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

本研究采取空間序列法，以空間替代時(shí)間，在廣西壯族自治區(qū)南寧市國有七坡林場立新分場（21°35′—22°41′N，107°72′—109°56′E）設(shè)置試驗(yàn)地，分場地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，日照時(shí)數(shù)在 1800 h以上，年太陽輻射量 439.53—460.43 kJ·cm，氣溫高，熱量豐富，雨量充沛。全年平均氣溫在 21—22 ℃，近年來觀測的極端高溫38.4 ℃，極端低溫?2.6 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫7500 ℃。全年降雨量1200—1300 mm，年蒸發(fā)量1600—1800 mm，相對濕度為 79%左右。根據(jù)中國土壤發(fā)生學(xué)分類方式，研究區(qū)域土壤類型為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育而來的紅壤，質(zhì)地為壤土。林下植被主要有水茄（）、姬蕨（）、五節(jié)芒（）、鬼針草（）、飛機(jī)草（）。

2020年9月3日進(jìn)行樣地布設(shè)和土壤樣品采集（表1）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組分別包含桉樹新造林 T0（前茬為原生樹種）、萌芽一代（T1）、二代（T2）、三代（T3）等4個(gè)處理，林齡均為2 a，種植行間距為1.5 m×4 m。每個(gè)處理內(nèi)設(shè)置樣方，樣方占地400 m（20 m×20 m）。在樣方內(nèi)測定20株活立木，測定樹高、胸徑，計(jì)算平均值，選取最為接近平均樹高、胸徑的5株活立木為標(biāo)準(zhǔn)木，作為根際土壤取樣點(diǎn)。根際土壤樣品根據(jù)抖落法（Wang et al.，2021；韓芳等，2021），將取樣點(diǎn)植物根系從土中取出后，輕微抖動(dòng)，采集附著在根系上的土壤。每個(gè)區(qū)組采集5株標(biāo)準(zhǔn)木的根際土壤，混合均勻后取其中 500 g，共計(jì)采集樣品20個(gè)，做好標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室備測。

表1 研究區(qū)概況Table 1 Survey of the research area

1.2 土壤紅外光譜數(shù)據(jù)采集

將保鮮袋中的土壤樣品取出，全風(fēng)干后，磨碎，過0.149 mm土篩。將過篩的自然風(fēng)干土樣與干燥的溴化鉀（光譜純）按照質(zhì)量比1?90混勻，用瑪瑙研缽和杵手工研磨，壓片機(jī) 10 kPa壓實(shí)，放入Thermo Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀（ThermoFisher Scientific，美國）待測（Tiernan et al.，2021）。以KBr為背景值，光譜采集范圍為400—4000 cm，分辨率4 cm，掃描頻次64次，每個(gè)樣品重復(fù)測定5次，進(jìn)行相似性比較后取平均值，扣除背景值后即為樣品紅外光譜圖。原始光譜數(shù)據(jù)利用OMNIC自帶的校正功能進(jìn)行校正，除去基線影響，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，去除不同樣本間稱量的差異。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

紅外光譜基礎(chǔ)譜圖解析、查找峰值、標(biāo)準(zhǔn)化處理等通過OMNIC Specta完成，采用Origin 2018對每個(gè)官能團(tuán)特征峰進(jìn)行面積積分并計(jì)算平均值與占比以及制圖，SPSS 19.0進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析單因素方差分析、LSD多重比較，使用Canon 5.0進(jìn)行主成分分析并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤紅外光譜特征

紅外光譜圖顯示（圖1），不同代次桉樹人工林土壤紅外吸收光譜特征基本一致，整體表現(xiàn)為硅酸鹽的吸收特征（相似度 75.31%），但不同代次各波段紅外吸收強(qiáng)度差異較大，其中出現(xiàn)的官能團(tuán)吸收峰共有11個(gè)，波數(shù)分別是469、694、778、800、1088、1165、1631、2361、2929、3423、3620 cm，通過譜圖解析、特征峰、吸收強(qiáng)度等譜圖指標(biāo)特征，查閱相關(guān)文獻(xiàn)（Margenot et al.，2015；Alvarez-Ordóez et al.，2012）將該波數(shù)官能團(tuán)指認(rèn)歸屬（表2）。

表2 紅外光譜吸收峰官能團(tuán)歸屬Table 2 Attribution of functional groups of ir absorption peaks

圖1 不同代次桉樹人工林根際土壤紅外光譜特征Figure 1 Infrared spectrum characteristics of rhizosphere soil of eucalyptus plantations of different generations

對比不同代次桉樹人工林土壤紅外光譜圖，高代次林（T2、T3）在2361 cm處出現(xiàn)酯、多糖類物質(zhì)的新吸收峰。對比不同代次土壤紅外光譜圖，整體呈現(xiàn)代次越高，吸收峰強(qiáng)度越高的變化趨勢，同時(shí)T3在1165 cm波數(shù)處的吸收峰有較為明顯的偏移。通過對比不同代次桉樹人工林土壤的紅外吸收峰強(qiáng)度，T3處理土壤紅外光譜圖在694、1631、2361、3423 cm處吸收峰顯著高于其余代次桉樹人工林土壤，這些區(qū)域主要表征了芳香族（C?H、C=C、C=O）、酯類和多糖中的?C=C=C，?C=C=O以及酚、醇類物質(zhì)中的?OH、?NH、?OH等官能團(tuán)的差異。T3在1088 cm處的吸收峰有較為明顯的紅移，向低波數(shù)移動(dòng)代表振動(dòng)所需能量下降，說明該處基團(tuán)不穩(wěn)定性增加。

2.2 土壤紅外光譜吸收峰面積積分

峰面積積分以主峰的波峰波谷計(jì)算而來，可以對該峰所對應(yīng)的官能團(tuán)含量進(jìn)行半定量分析。不同代次桉樹人工林土壤紅外譜圖主峰的峰面積積分存在顯著差異（表3），峰面積較大的波段主要出現(xiàn)在1088、1165、1631、3423 cm處，在不同處理中占比范圍在86.59%—90.18%，對應(yīng)的官能團(tuán)是酯類、芳香族以及酚醇類物質(zhì)。T0、T1、T2、T3處理紅外光譜相對峰面積積分在694、1088、2361、2929、3423、3620 cm處存在顯著差異（<0.05）。T2、T3處理在 2929、3423、3620 cm處，峰面積積分顯著高于T0、T1處理，說明多代連栽過后，酯類、多糖、脂肪烴、酚醇類物質(zhì)在土壤中富集。T2、T3處理在2361 cm處出現(xiàn)新的吸收峰，同時(shí)T3在2361 cm處的峰面積積分相比T2處理顯著增加了78.37%，該吸收峰歸屬于酯、多糖類物質(zhì)。

表3 土壤紅外光譜圖中主峰的相對峰面積積分Table 3 Integral of relative peak area of main peaks in soil infrared spectra

2.3 土壤FTIR峰面積主成分分析

本研究應(yīng)用主成分分析（PCA）法對不同代次桉樹人工林土壤FTIR峰面積積分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，定性各代次土壤有機(jī)物組分中主效官能團(tuán)及差異，結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果表明，第一、第二主成分（PC1、PC2）共解釋了不同代次桉樹人工林土壤中11個(gè)主要官能團(tuán)峰面積積分的77.59%的方差。新造林 T0在二、三、四象限均有分布，沒有明顯的主效峰；萌芽一代林 T1集中分布在第三象限，與 2361 cm處于同一象限且向量箭頭方向與 T1分布一致，其余峰面積積分與 T1均呈負(fù)向權(quán)重，說明該處官能團(tuán)在 T1土壤中占主要地位；萌芽二代林T2在一、三象限分布，與PC2為正相關(guān)關(guān)系，與 2929、3423、1631、3620、469 cm等峰面積積分具有較強(qiáng)的正向權(quán)重；萌芽三代林T3均分布在第一象限，與 PC1、PC2兩個(gè)主成分均呈正向相關(guān)關(guān)系，主效峰為2929、3423、1631、3620、469 cm，與2361 cm峰面積積分具有較強(qiáng)的負(fù)向權(quán)重。

圖2 FTIR峰面積積分主成分分析Figure 2 Principal component analysis of FTIR peak area integral

3 討論

3.1 桉樹人工林土壤紅外光譜特征

研究區(qū)桉樹人工林土壤中主要存在的有機(jī)官能團(tuán)為酯類、芳香族以及酚醇類，其次為多糖、烯烴、醛類物質(zhì)，長期連栽主要對各有機(jī)組分含量產(chǎn)生顯著影響。本次研究對象土壤類型均為紅壤，含有大量原生、次生硅酸鹽礦物，其主要成分之一為SiO（粘粒中 SiO/AIO約為 2.0—2.4）在 469 cm處表現(xiàn)出強(qiáng)烈的硅酸鹽（Si-O）的吸收特征（Klassen，2009）。從譜圖解析及方差分析結(jié)果來看，不同代次桉樹人工林土壤在469 cm處的紅外吸收特征較為一致，峰面積積分差異不顯著（>0.05），說明其土壤母質(zhì)及發(fā)育狀況基本相同。FTIR譜圖解析結(jié)果表明，不同代次桉樹人工林土壤具有相似的有機(jī)組分，主要存在的有機(jī)官能團(tuán)為酯類（1088 cm）、芳香族（1631 cm）以及酚醇類（3423、3620 cm），其次為多糖（2929 cm）、烯烴（694 cm）、醛類（778 cm）物質(zhì)，這與前人研究結(jié)果一致（He et al.，2018；毛霞麗等，2015），但不同代次土壤中各有機(jī)官能團(tuán)（694、1631、2361、3423 cm）吸收峰強(qiáng)度具有顯著差異（<0.05）。峰面積積分方法可以對土壤中官能團(tuán)進(jìn)行半定量分析，同時(shí)也能用來表征多代連栽對土壤活性組分和穩(wěn)定性組分有機(jī)碳含量的影響（盛明等，2020）。酯類、芳香族以及酚醇類物質(zhì)（1088、1165、1631、3423 cm）官能團(tuán)占比范圍在86.59%—90.18%，說明這些物質(zhì)在土壤有機(jī)組分中含量最多，該結(jié)果與李哲等（2019）的土壤中有機(jī)碳官能團(tuán)主要屬于糖類、脂肪類、氨基酸、酚類，少部分屬于芳香烴、苯類和酮類結(jié)論有所出入，這可能是由于植被類型（王晗光等，2006）及群落結(jié)構(gòu)以及土地利用方式的不同所導(dǎo)致（Comino et al.，2020；李婷，2012）。

3.2 多代連栽桉樹人工林紅外光譜演變特征

多代連栽不利于桉樹人工林土壤中有機(jī)組分的活化，長期單一樹種的連續(xù)種植導(dǎo)致土壤有機(jī)組分中主效官能團(tuán)也趨于單一，芳香族（1631 cm）、酚醇類官能團(tuán)（3620 cm）含量顯著增多，連栽障礙的可能原因是該類物質(zhì)降低了土壤中有機(jī)碳的活性，進(jìn)而影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)換速率（蘆金榮等，2013）。同時(shí)，在高代次 T3土壤中發(fā)現(xiàn)有新的不飽和?。–=C、C=O，2361 cm）產(chǎn)生，說明連續(xù)種植會改變其原生的土壤有機(jī)組分及結(jié)構(gòu)。LSD多重比較結(jié)果表明，隨著連栽代次的增加，T2、T3處理的2929、3423、3620 cm處峰面積積分顯著高于與T0、T1（<0.05），所對應(yīng)的官能團(tuán)歸屬為脂肪族、酚醇類（Zhong et al.，2017）物質(zhì)，同時(shí)2361 cm（多糖類）處出現(xiàn)新的吸收峰，這些官能團(tuán)含量的增加與植物根系吸收和代謝作用（李婷等，2011）顯著相關(guān)，多代連栽過后這些物質(zhì)在土壤有機(jī)組分中逐漸增多，表現(xiàn)出一定程度的富集特征。主成分四象限圖結(jié)果顯示，隨著連栽代次增加，脂肪烴、酚醇類、芳香族（2929、3423、1631、3620、469 cm）在土壤有機(jī)組分中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。不同代次桉樹人工林土壤FTIR官能團(tuán)吸收峰主成分分析結(jié)果顯示，新造林 T0樣本點(diǎn)位在二、三、四象限均有分布，并未表現(xiàn)出一致規(guī)律性，萌芽一代T1、萌芽二代林 T2在二、三象限均有分布，而萌芽三代林 T3樣本點(diǎn)位均分布在第一象限，主效官能團(tuán)1631、3620 cm歸屬于芳香族、酚醇類物質(zhì)，芳香族類物質(zhì)具有一定的毒性，對灌木、雜草等的生長具有一定的抑制性作用（王晗光等，2006）。本次研究利用紅外光譜表征土壤有機(jī)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)隨著連栽代次的增加，人工林群落特征的單一性（張沛健等，2021）造成其有機(jī)組分中主效官能團(tuán)也趨于單一，提高土壤微生物多樣性以及活性以促進(jìn)脂肪烴、酚醇類、芳香族等復(fù)雜有機(jī)物的分解可能是解決桉樹連栽障礙的有效途徑。但本次研究并未分析土壤環(huán)境因子、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及植物自身凋落物、根系分泌物等因素對土壤有機(jī)組分的影響，今后的研究可考慮引入結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)性地闡明土壤-植物-微生物之間的互作關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）紅外光譜分析可以反映土壤中有機(jī)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)與含量信息。結(jié)果表明，不同代次桉樹人工林土壤有機(jī)組分及官能團(tuán)種類大致相同，紅外吸收峰共有11個(gè)，主要以硅酸鹽、酯類、芳香族以及酚醇類物質(zhì)為主，其次為多糖、烯烴和醛類物質(zhì)，這與該區(qū)域立地條件、植被類型及土地利用方式有關(guān)。

（2）峰面積積分反映了吸收峰所對應(yīng)物質(zhì)的含量信息。分析結(jié)果表明，多代連栽后，酯類、多糖、脂肪烴、酚醇類的官能團(tuán)含量呈現(xiàn)增多的趨勢，高代次（T2、T3）人工林土壤在2929、3423、3620 cm處紅外吸收峰面積積分顯著高于新造林（T0）、萌芽1代（T1），同時(shí)，T2、T3處理在2361 cm處出現(xiàn)新的吸收峰，歸屬為酯、多糖類物質(zhì)的不飽和?。–=C、C=O），說明桉樹多代連栽顯著影響了土壤有機(jī)組分的結(jié)構(gòu)與含量。

（3）桉樹多代連栽會促進(jìn)土壤中芳香族和酚醇類物質(zhì)的累積，導(dǎo)致土壤有機(jī)組分逐漸趨于單一，降低了土壤有機(jī)碳源的活性。主成分分析排序圖表明，高代次桉樹人工林（T3）樣點(diǎn)均分布于第一象限，主效官能團(tuán)為469 cm（硅酸鹽）、1631 cm（芳香族）、3620 cm（酚、醇類），與T0相比，分布趨勢更為集中，研究認(rèn)為減少或者阻礙芳香族、酚醇類物質(zhì)的富集可能是解決連栽障礙的有效途徑。