皖北小麥生長過程中土壤腐殖質(zhì)組成與含量變化特征研究

何長茂 孫 偉 程 孜 王卓越 顧 行 姜泉良

（宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

0 引言

土壤腐殖質(zhì)是全球碳循環(huán)中的重要碳庫，在土壤有機碳的循環(huán)和轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用。土壤腐殖質(zhì)具有適度的黏性，可使黏土疏松，使砂土黏結(jié)。它含有植物所必需的營養(yǎng)，可以提高植物和微生物的生理活性，提高土壤蓄水的涵養(yǎng)能力，改善土壤緩沖性。土壤中腐殖質(zhì)的特性差異使得同一地區(qū)不同地塊中農(nóng)作物的產(chǎn)量也可能有明顯差異。不同功能區(qū)的環(huán)境狀況可以改變土壤有機質(zhì)的輸入，影響土壤有機碳的分解，從而影響土壤腐殖質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化，長此以往，不同地區(qū)土壤腐殖質(zhì)特質(zhì)不同，對植物生長產(chǎn)生不同的影響。因此，研究腐殖質(zhì)的特征及其對植物生長的影響對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。皖北地區(qū)作為安徽省最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，小麥種植面積達146.67 hm2左右，占安徽省小麥種植面積的70%左右。在生態(tài)文明建設(shè)中進行科學(xué)種田、精準施肥具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2020年12月使用土壤采樣器針對皖北地區(qū)居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)進行采樣，采樣時期為三個時期，分別為苗期階段、抽穗開花期階段和成熟期階段。每個功能區(qū)使用“S”形采樣法采集0～10 cm的表層土壤，每個功能區(qū)采集5個點，采樣點面積約為5 m×5 m。

1.2 DOM樣品提取

土壤DOM樣品的提取采用水土震蕩法［1］，準確稱取5.00 g土壤樣品（冷凍干燥后）于100 mL離心管中，按10∶1水土比加入相應(yīng)的離子水，在黑暗中恒溫振蕩12 h（25℃，40 r/min），再取樣品上清液放入錐形瓶中，先用Whatman GF/D濾膜過濾，再過Whatman GF/F濾膜，得到DOM溶液，最后儲存在4℃的棕色瓶中檢測。TOC使用島津TOC-L有機碳分析儀進行測定。

1.3 光譜分析

使用島津UV-3600分光光度計測量紫外-可見光譜，以超純水為空白，用1 cm的石英比色皿在200～800 nm范圍內(nèi)掃描，波長間隔為1 nm。三維熒光光譜由F-4500 FL Spectrophotometer熒光分光光度計測定，掃描范圍：激發(fā)波長（Ex）為220～450 nm，發(fā)射波長（Em）為250～650 nm，掃描間隔：Em和Ex均為5 nm，掃描速度為2 400 nm/min，激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫的寬度均為5 nm。使用10 nm的四通石英比色皿。

2 結(jié)果與討論

2.1 功能區(qū)對小麥生長三個階段土壤DOM紫外光譜特征的影響

不同功能區(qū)小麥生長過程中土壤DOM樣品SUVA254箱線圖如圖1所示。紫外參數(shù)SUVA254是指在254 nm波長下的吸光度與DOC的比值，SUVA254可以表征DOM的腐殖化程度，SUVA254越大，DOM的腐殖化程度越高［2-3］。不同功能區(qū)下小麥苗期土壤的DOM紫外參數(shù)SUVA254為0.016～0.026，抽穗開花期土壤的DOM紫外參數(shù)SUVA254為0.005～0.021，成熟期土壤的DOM紫外參數(shù)SUVA254為0.012～0.034。苗期階段，農(nóng)業(yè)區(qū)和交通區(qū)顯著高于居民區(qū)和工業(yè)區(qū)；抽穗開花期階段，交通區(qū)和居民區(qū)顯著高于農(nóng)業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)；成熟期階段，農(nóng)業(yè)區(qū)顯著高于其他三個功能區(qū)。從整體來看，四個功能區(qū)呈現(xiàn)對勾趨勢，可知苗期階段小麥土壤腐殖化程度高于抽穗開花期階段，而抽穗開花期階段低于成熟期階段，可見抽穗開花期階段，小麥對土壤有機質(zhì)需求最多。

圖1 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤DOM樣品SUVA254箱線圖

2.2 功能區(qū)對小麥生長三個階段土壤DOM三維熒光光譜特征的影響

2.2.1 功能區(qū)對小麥生長過程中土壤DOM的三維熒光光譜特征的影響。不同功能區(qū)的小麥生長三個階段的土壤DOM樣品的三維熒光光譜如圖2所示。由圖2可以看出，苗期階段，四個功能區(qū)兼有類富里酸和類蛋白熒光峰，而抽穗開花期階段和成熟期階段，除了工業(yè)區(qū)以外，其他三個功能區(qū)只含有類富里酸峰，四個功能區(qū)的類富里酸峰的強度大體一致，工業(yè)區(qū)小麥三個階段的類蛋白峰的強度比其他三個功能區(qū)要強，且各功能區(qū)的類蛋白峰整體強度低于類富里酸峰。一般認為，類富里酸主要來自陸源性植物代謝或生物殘體，而類蛋白來自土壤中微生物的代謝產(chǎn)物。苗期階段處于四季中的春季，因此，有利于土壤中微生物的繁殖。工業(yè)區(qū)小麥三個階段的土壤微生物代謝產(chǎn)物比其他三個功能區(qū)要多。

圖2 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤DOM樣品的三維熒光光譜

2.2.2 功能區(qū)對小麥生長過程中土壤DOM的三維熒光參數(shù)的影響。不同功能區(qū)的小麥生長過程中土壤DOM三維熒光參數(shù)如圖3所示。熒光指數(shù)（Fluorescence Index，f450nm/500nm）是激發(fā)光波長在370 mm時，熒光發(fā)射光譜中450 nm、500 nm處熒光強度的比值，可用來區(qū)別有機質(zhì)的來源［4］。將熒光指數(shù)值分為1.4、1.9，f450nm/500nm＜1.4表明以陸源有機質(zhì)貢獻為主，f450nm/500nm＞1.9表明來源于土壤中微生物代謝產(chǎn)物［5］。不同功能區(qū)小麥苗期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.51～1.76，抽穗開花期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.46～1.70，成熟期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.44～1.58。不同功能區(qū)小麥生長的三個階段呈現(xiàn)下降趨勢，表明隨著小麥的生長，陸源特征越來越明顯。腐殖化指數(shù)（HIX）可用來表征腐殖化程度，當HIX小于4時，DOM腐殖化程度較弱［2，4］。農(nóng)業(yè)區(qū)小麥生長過程中土壤HIX值為3.7～4.9，居民區(qū)小麥生長過程中土壤HIX值為2.7～4.4，交通區(qū)小麥生長過程中土壤HIX值為1.9～3.2，工業(yè)區(qū)小麥生長過程中土壤HIX值為1.8～2.2，小麥生長的三個階段，HIX值均呈現(xiàn)出農(nóng)業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞交通區(qū)＞工業(yè)區(qū)，這表明小麥生長過程中土壤腐殖化程度可能與當?shù)氐娜丝诿芏?、污染狀況有關(guān)。

圖3 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤DOM三維熒光參數(shù)特征

2.3 土壤總有機碳（TOC）和土壤腐殖質(zhì)含量的耦合關(guān)系

如圖4所示，四個功能區(qū)的土壤總有機碳（TOC）含量均呈現(xiàn)苗期階段小于抽穗開花期階段，抽穗開花期階段大于成熟期階段。四個功能區(qū)TOC的變化趨勢表明，小麥抽穗開花期所處的土壤中，微生物分解了大量的植物凋落物、根和其他腐爛物質(zhì)，釋放了大量的有機碳。農(nóng)業(yè)區(qū)小麥生長的三個階段的UVC類腐殖酸（高分子量）和UVA類腐殖酸（低分子量）之比趨于平衡；居民區(qū)小麥苗期和抽穗開花期階段UVC/UVA的值高于成熟期；交通區(qū)小麥苗期＜成熟期＜抽穗開花期；工業(yè)區(qū)小麥苗期＜抽穗開花期＜成熟期。四個功能區(qū)的苗期UVC/UVA的大小關(guān)系呈現(xiàn)出：農(nóng)業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)；抽穗開花期UVC/UVA的大小關(guān)系呈現(xiàn)出：農(nóng)業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞交通區(qū)＞工業(yè)區(qū)；成熟期UVC/UVA的大小關(guān)系呈現(xiàn)出：農(nóng)業(yè)區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞交通區(qū)。各功能區(qū)小麥三個時期土壤樣品中富里酸的含量隨著小麥的生長而下降。苗期階段交通區(qū)富里酸所占百分比小于其他三個功能區(qū)；抽穗開花期階段農(nóng)業(yè)區(qū)富里酸所占百分比大于其他三個功能區(qū)；成熟期交通區(qū)富里酸所占百分比大于其他三個功能區(qū)。

圖4 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤TOC和UVC、UVA的關(guān)系

3 討論

3.1 功能區(qū)對小麥生長過程中土壤DOM紫外-可見吸收光譜分析

由于紫外可見光譜具有靈敏度高、樣品量少的特點，經(jīng)常使用這種方法來表征DOM的腐殖化程度［6］。由圖5可知，在小麥生長過程的三個階段中，四個功能區(qū)小麥生長發(fā)育期土壤DOM樣品的紫外吸收光譜表現(xiàn)出隨波長的增加而逐漸降低的趨勢，不同土壤DOM樣品的吸收曲線特征也不同，在波長達到550 nm后，小麥生長三個時期的各功能區(qū)吸光度接近于0，三個時期均呈現(xiàn)出一個特點，工業(yè)區(qū)吸光度趨近于0的程度最快，居民區(qū)和交通區(qū)次之，農(nóng)業(yè)區(qū)最慢。從波長200 nm處可看出，各功能區(qū)土壤DOM樣品的吸光度隨著小麥的生長發(fā)育吸光度在不斷下降。由此可以看出，隨著污染程度的不斷上升，吸光度越來越低。

圖5 紫外-可見吸收光譜

如圖6所示，SR值常用來反映DOM的組成特征，包括分子量大小、自生源與陸源特征以及光化學(xué)反應(yīng)活性等，SR值較低說明輸入了高分子量、芳香性強及維管束植物類有機質(zhì)［7］。SR＜1時，DOM主要為外源性；SR＞1時，DOM主要為生物源［7-8］。各功能區(qū)的小麥生長三個階段的土壤SR值均小于1，受外源有機質(zhì)輸入的影響較大，與上述判斷相一致。居民區(qū)的SR值隨著小麥的生長而增加，這表明受外源有機質(zhì)輸入的程度在降低，而交通區(qū)的SR值隨著小麥的生長而降低，這表明受外源有機質(zhì)輸入的程度在增加。

圖6 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤樣品SR值

3.2 功能區(qū)對小麥生長過程中土壤DOM三維熒光光譜分析

BIX可用來反映自生源DOM的生物可利用性的高低。BIX很高代表有新鮮DOM的輸入，且其生物利用性較高。當BIX＞1，表明新生自生源占主要貢獻，BIX為0.6～0.7表示自生源比例較少［9］。由圖7可看出，各功能區(qū)小麥生長的三個階段BIX值都小于1，即皖北地區(qū)四個功能區(qū)土壤DOM的自生源特征不明顯，類蛋白質(zhì)組分產(chǎn)量較少，表明生物可利用性較低。除了居民區(qū)小麥抽穗開花期土壤樣品BIX值大于其他三個功能區(qū)以外，工業(yè)區(qū)小麥三個時期土壤樣品BIX值都大于其他三個功能區(qū)，這表明抽穗開花期居民區(qū)的土壤有機質(zhì)消耗快，工業(yè)區(qū)的陸源特征較其他三個功能區(qū)不明顯，這也恰巧說明了工業(yè)區(qū)小麥生長發(fā)育期土壤DOM樣品三維熒光光譜具有類蛋白峰的緣故。

圖7 各功能區(qū)小麥生長三個階段土壤樣品BIX值

4 結(jié)語

紫外-可見光譜特征參數(shù)表明，農(nóng)業(yè)區(qū)和居民區(qū)以富里酸為主，小麥苗期交通區(qū)和工業(yè)區(qū)以胡敏酸為主、小麥抽穗開花期和成熟期以富里酸為主。

三維熒光光譜顯示，埇橋區(qū)小麥苗期四個功能區(qū)和工業(yè)區(qū)小麥三個時期主要含有3個熒光峰，分別為：兩種類富里酸峰和類蛋白峰，除了工業(yè)區(qū)，其他功能區(qū)小麥抽穗開花期和成熟期主要含有2種類富里酸峰。這表明皖北地區(qū)土壤DOM中的類富里酸占絕對優(yōu)勢。由熒光指數(shù)（FI）和自生源指標（BIX）表明，四個功能區(qū)小麥土壤樣品自生源特征不顯著，而工業(yè)區(qū)較其他三個功能區(qū)自生源特征顯著，這恰巧印證了自生源特征與人為活動有關(guān)。

從土壤總有機碳（TOC）和土壤腐殖質(zhì)含量的耦合關(guān)系可得知，各功能區(qū)小麥三個時期土壤富里酸含量隨著小麥的生長而下降，從總體上來看，農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤富里酸含量比居民區(qū)高，居民區(qū)比交通區(qū)高，交通區(qū)比工業(yè)區(qū)高。同樣地，各功能區(qū)的TOC含量也是如此，而UVC類腐殖酸（高分子量）與UVA類腐殖酸（低分子量）之比的大小關(guān)系是農(nóng)業(yè)區(qū)、居民區(qū)大于交通區(qū)、工業(yè)區(qū)。