土壤有機質(zhì)含量及其紅外光譜特征對甜龍竹不同種植年限的響應(yīng)

趙秀婷，輝朝茂，朱書紅，劉蔚漪，蔡春麗，張文君，涂丹丹，朱禮月

（西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 竹藤科學(xué)研究院/叢生竹工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224）

【研究意義】土壤有機質(zhì)（SOM）是用于評估土壤肥力和養(yǎng)分可用性的重要指標，其分解與轉(zhuǎn)化對土壤的養(yǎng)分循環(huán)與能量傳遞具有重要意義[1]。安顯金等[2]認為未來土壤有機質(zhì)的研究重點應(yīng)放在有機質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)3方面，但有機質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究手段需要對有機質(zhì)進行提取，這對有機質(zhì)的原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響[3]。傅里葉紅外光譜技術(shù)是目前研究有機質(zhì)的重要手段之一，具有高效、無損、清潔和適用范圍廣等特點[4]。甜龍竹（Dendrocalamus brandisii）是筍材兩用的優(yōu)良竹種，具有重要的開發(fā)利用價值，是我國的優(yōu)良竹種[5]，主要分布于滇南地區(qū)的保山、玉溪、西雙版納、普洱等地，在緬甸、越南、泰國等東南亞國家也有分布[6]。具有生長迅速、成林快、筍期長、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，還具有涵養(yǎng)水源、保持水土、美化環(huán)境等極好的生態(tài)效益[7]。種植甜龍竹是云南省農(nóng)戶的傳統(tǒng)習(xí)慣，目前甜龍竹的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)是云南省鄉(xiāng)村的特色產(chǎn)業(yè)項目，甜龍竹逐漸規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化[8]，由此產(chǎn)生的生態(tài)效益也日益成為人們關(guān)注的焦點?！厩叭搜芯窟M展】Kavdir等[9]通過紅外光譜研究發(fā)現(xiàn)，脂肪族、芳香族、碳水化合物是有機質(zhì)的主要組成結(jié)構(gòu)，同時，Lehmann 等[10]在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)中脂肪族和羧基中的碳因其更易吸附在礦物表面從而達到增強有機質(zhì)的穩(wěn)定性的效果。從化學(xué)角度看，脂肪類、芳香類、酚類物質(zhì)等都為難分解物質(zhì)，在有機質(zhì)中占比越高有機質(zhì)穩(wěn)定性越好，而糖類小分子物質(zhì)易分解，在楊傳寶等[11]研究中發(fā)現(xiàn)，糖類物質(zhì)占比越小，穩(wěn)定的有機大分子增加，有利于土壤中有機無機復(fù)合體結(jié)構(gòu)的形成。Artz 等[12]利用FTIR 分析5 個歐洲國家土壤發(fā)現(xiàn)不同來源土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)與有機組分不同。張福韜等[13]對長期種植玉米的土壤有機質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)長期連作玉米后土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸脂肪化與簡單化，穩(wěn)定性降低。李國棟等[14]分析了不同種植年限下雷竹林土壤的有機質(zhì)，發(fā)現(xiàn)雷竹林經(jīng)營中有機質(zhì)可被有效固定在土壤固碳方面具有一定的意義；楊傳寶[15]應(yīng)用傅里葉紅外光譜研究發(fā)現(xiàn)不同經(jīng)營措施對土壤有機碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有顯著影響，認為人為干擾較少的毛竹林土壤有機碳中酚醇、脂肪族、芳香族吸收峰相對強度增強。【本研究切入點】我國對有機質(zhì)的研究起步晚，竹類研究也主要集中在雷竹與毛竹等散生竹類中，而對于叢生竹特別是大型叢生竹土壤有機質(zhì)的研究甚少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以不同種植年限甜龍竹林為研究對象，以空間尺度代替時間尺度，運用傅里葉紅外光譜儀，明確長期種植甜龍竹后有機質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)的變化，探究長期種植甜龍竹對土壤有機質(zhì)變化及其穩(wěn)定性的影響，以期為甜龍竹林的可持續(xù)利用以及揭示有機質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自云南省普洱市瀾滄縣竹塘鄉(xiāng)東主村（22°39′～22°43′N，99°52′～99°59′E），海拔1 630 m，該地屬亞熱帶山地季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫20 ℃，年降水量1 830 mm 左右，生長期年平均340 d，無霜期年平均343 d，年平均日照時數(shù)1 750 h，屬于適宜甜龍竹生長的區(qū)域。

1.2 樣品采集

本試驗土樣于2021年7月采集，選擇成土母質(zhì)相同、位置相對集中且管理措施均為粗放經(jīng)營的甜龍竹林（5，10，20，40 a）土壤為采樣對象，4個種植年限甜龍竹林管理方式一致，人為干擾少，且均已不再進行采筍操作。采樣點設(shè)在竹叢邊緣垂直下方，移除土壤上層凋落物和腐殖質(zhì)層，分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土層樣品，共計60 個土壤樣品。各土層取5 點土樣混合，采用4 分法，保留1 kg 土樣，經(jīng)風(fēng)干研磨后裝袋保存。不同種植年限甜龍竹采樣點基本概況見表1。

表1 不同種植年限甜龍竹采樣點的基本概況Tab.1 Basic overview of the sampling sites in different planting durations

1.3 分析方法

1.3.1 紅外光譜分析 采用KBr壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描32次。

1.3.2 有機質(zhì)穩(wěn)定性計算

式（1）中，Sx代表對應(yīng)波長官能團的擬合峰面積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用OMNIC（9.2）軟件對紅外光譜圖像進行透過率和吸光度轉(zhuǎn)換，以及進行圖像光滑和基線校準；采用Origin（2021）進行尋峰并擬合計算峰面積，繪制相關(guān)圖表，采用Excel（2016）對數(shù)據(jù)進行整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限下有機質(zhì)含量變化

由圖1可知，不同種植年限對有機質(zhì)含量的影響差異顯著。在0～20 cm 土層中，5 a、40 a與10 a、20 a差異顯著，10 a 的有機質(zhì)含量最高，為26.52 g/kg，比5 a 的增加13.04%；在20～40 cm 土層中，不同種植年限有機質(zhì)含量之間差異不顯著；在40～60 cm 土層中，5 a 與10，20，40 a 差異顯著，以40 a 有機質(zhì)含量最高，為26.64 g/kg，比5 a的有機質(zhì)含量增加了46.86%。說明隨種植年限的延長，有機質(zhì)含量有上升趨勢。甜龍竹種植后人為干擾較少，有機質(zhì)主要來源于竹林凋落物和竹蔸，在10 a 時，竹林正處于生長壯林齡階段，故各項指標較高，繼續(xù)延長種植年限淺層土有機質(zhì)上升趨勢減慢，主要在深層土積累。同一種植年限，不同土層之間，前3 個種植年限有機質(zhì)含量為淺層土高于深層土，在種植年限為40 a 時，深層土有機質(zhì)含量高于淺層土，是淺層土的108.42%，說明隨著種植年限的延長，淺層土有機質(zhì)進入深層土，深層土有機質(zhì)不斷積累。

圖1 甜龍竹不同種植年限有機質(zhì)含量Fig.1 Organic matter content of D.brandisii in different planting durations

2.2 不同種植年限有機質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)差異

由圖2 可知，不同種植年限甜龍竹土壤紅外光譜特征峰相似，說明不同種植年限有機質(zhì)官能團種類相似。主要在3 694，3 621，3 445，2 925，2 858，1 634，1 432，1 089，1 031，1 011，916，797，778，694，472 cm-1處。根據(jù)特征峰的歸屬[17]，得到3 694 cm-1和3 445 cm-1是羧酸、碳水化合物和苯酚中-OH伸縮振動，和氨基酸中的N-H振動，且913 cm-1為3 621 cm-1的變形振動頻率，1 634 cm-1為3 445 cm-1的變形振動頻率，同時也有來源于芳香族的酰胺C=O；2 925 cm-1和2 858 cm-1吸收峰來源于脂肪中的CH2和CH3；1 089 cm-1的吸收峰來源于糖類的C-OH 振動；1 031 cm-1和1 011 cm-1來源于多糖的C-O和Si-O-Si；其中472 cm-1是Si-O-Si的變形振動頻率；797 cm-1和778 cm-1是Si-O 的伸縮振動；694 cm-1來源于=C-H 的振動[18]。長期種植甜龍竹土壤有機質(zhì)化學(xué)官能團種類相似，但特征峰面積發(fā)生改變，前人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ITR 特征峰的面積與官能團含量成正比[19]。本實驗用1 011、1 031、1 089 cm-1吸收峰的面積之和代表糖類，1 634 cm-1的面積代表芳香族官能團的含量，2 925 cm-1和2 854 cm-1代表脂肪族，3 694、3 621、3 445 cm-13個峰的面積之和代表醇酚。

圖2 甜龍竹不同種植年限紅外光譜圖Fig.2 FTIR of the different planting durations of D.brandisii

由圖3和表2可知，在0～20 cm土層中，糖類特征峰的面積40 a 和5，10，20 a 差異顯著，種植40 a（最高）的甜龍竹糖類特征峰面積是種植20 a（最低）的206.83%，芳香族特征峰的面積為5 a＞40 a＞10 a＞20 a，其中5 a 與10 a、20 a 差異顯著，與40 a 差異不顯著，脂肪族的特征峰面積不同年限之間差異不顯著；醇酚特征峰面積5 a與10，20，40 a 差異顯著，面積大小為5 a＞40 a＞20 a＞10 a。在20～40 cm土層中，糖類特征峰面積10 a與5，20，40 a 差異顯著，種植10 a（面積最大）比種植5 a（面積最小）增長了74.14%；芳香族特征峰面積不同種植年限之間差異顯著，為10 a＞5 a＞40 a＞20 a。脂肪族特征峰面積20 a與5，10，40 a差異顯著，種植40 a（面積最大）比種植20 a（面積最小）增長了147.14%；醇酚特征峰面積5 a與10，20，40 a差異顯著，種植10 a（面積最小）比種植5 a（面積最大）降低了65.20%。在40～60 cm 土層中，不同種植年限糖類特征峰面積差異顯著，10 a＞40 a＞20 a＞10 a，種植40 a 比5 a 提高了23.06%。芳香族以40 a 特征峰面積最大，5 a 面積最小，40 a 比5 a 增大了98.33%，脂肪族特征峰面積以40 a最大，醇酚特征峰面積5 a＞40 a＞20 a＞10 a。

表2 不同種植年限各土層特征峰擬合面積Tab.2 Characteristic peak fitting area of each soil layer in different planting durations

圖3 不同種植年限各土層紅外光譜Fig.3 FTIR of each soil layer at different planting durations

在同一年限不同土層，5 a 時，隨著土層加深，糖類、脂肪族、醇酚特征峰面積逐漸增大，芳香族面積逐漸減小；10 a 時，糖類、脂肪族、醇酚特征峰逐漸增大，芳香族先增大后減??；20 a 時，糖類、脂肪族醇酚特征峰面積逐漸增大，芳香族先增大后減??；40 a 時糖類、芳香族、脂肪族、醇酚特征峰面積逐漸增大。說明種植年限對有機質(zhì)官能團的含量有顯著影響，且土層的深度也會造成有機質(zhì)各官能團含量的不同。

2.3 種植年限對有機質(zhì)特征峰相對峰強度的影響

不同種植年限各土層有機質(zhì)特征峰相對峰強度的影響差異顯著。表3 表明，糖類擬合面積最大，說明多糖是有機質(zhì)的主要組成成分。隨著種植年限的延長，糖類、芳香族、脂肪族的相對峰強度均有所上升，酚醇呈下降趨勢。在0～20 cm土層中，種植年限40 a的甜龍竹林土壤糖類化合物最高，芳香族和脂肪族相對峰強度在10 a 時最高，醇酚在40 a 時最低；在20～40 cm 土層中，糖類和芳香族相對峰強度在10 a最高，40 a 糖類化合物比5 a 高48.16%，脂肪族化合物相對峰強度在40 a 最高，醇酚化合物在10 a 最低。在40～60 cm土層中，糖類化合物和醇酚相對峰強度分別在10 a最高和最低，芳香族化合物和脂肪族化合物相對峰強度40 a最高，比5 a分別提高79.19%、2.91%。

表3 不同種植年限各土層特征峰相對峰強度Tab.3 Relative peak strength of characteristic peaks of each soil layer in different planting durations

2.4 不同種植年限對有機質(zhì)穩(wěn)定性的影響

如圖4，不同種植年限之間有機質(zhì)穩(wěn)定性差異顯著。在0～20 cm 土層中，穩(wěn)定性排序為10 a＞20 a＞5 a＞40 a，10 a有機質(zhì)穩(wěn)定性最高，比5 a 提高26.32%；在20～40 cm 土層中，種植10 a 與40 a 的有機質(zhì)穩(wěn)定性顯著高于5 a、20 a，整體呈現(xiàn)先升高再降低再升高的趨勢；在40～60 cm 土層中，有機質(zhì)穩(wěn)定性隨著種植時間的延長而逐漸上升，且40 a 與5，10，20 a 差異顯著，種植40 a（穩(wěn)定性最高）比5 a 有機質(zhì)穩(wěn)定性提高了45.45%。在同一種植年限不同土層中，前3個種植年限，3 層土的有機質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異顯著，在40 a時，3 層土穩(wěn)定性趨于一致。說明，隨著種植年限的延長，淺層土的易分解有機質(zhì)分解，難分解有機質(zhì)相對積累并隨時間推移進入深層土，與有機質(zhì)含量變化一致。

圖4 甜龍竹不同種植年限有機質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性Fig.4 Structural stability of organic matter in different planting durations of D.brandisii

3 討論

3.1 種植年限對有機質(zhì)含量及其穩(wěn)定性的影響

林齡、土壤類型、營林措施等是影響有機質(zhì)的主要因素[20]。文章研究表明，長期種植甜龍竹有利于有機質(zhì)含量的增加，但隨著種植年限的延長，3 層土壤中有機質(zhì)含量變化趨勢不一致。造成該有機質(zhì)變化趨勢的原因可能是在甜龍竹種植年限較短時，甜龍竹生長成林需要土壤提供養(yǎng)分，造成土壤中有機質(zhì)含量降低，因種植時間短，竹蔸較小，提供有機質(zhì)的土壤主要為淺層土，對20～40 cm 和40～60 cm 土層中有機質(zhì)含量影響較小，當甜龍竹長成，凋落物增多，造成0～20 cm 土層有機質(zhì)含量上升，又因甜龍竹竹蔸主要生長區(qū)在0～40 cm，40 cm 以下土壤有機質(zhì)積累大于消耗，造成40～60 cm 土層有機質(zhì)含量持續(xù)上升。結(jié)合有機質(zhì)穩(wěn)定性來看，有機質(zhì)的抗分解能力取決于兩方面，一是凋落物植物殘體的化學(xué)成分，二是有機質(zhì)化學(xué)自身結(jié)構(gòu)的抗降解性[21]。試驗中，3層土有機質(zhì)穩(wěn)定性的變化趨勢與有機質(zhì)含量變化趨勢基本一致。該研究在叢生竹中較少，但在散生竹中有類似結(jié)果，楊傳寶[15]研究發(fā)現(xiàn)長期種植毛竹，土壤中碳的積累和化學(xué)穩(wěn)定得到提升。說明竹類種植不管是散生竹還是叢生竹都能顯著提高土壤的固碳能力，增強有機質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性。

3.2 種植年限對有機質(zhì)特征峰面積的影響

由于植物的生長發(fā)育伴隨著有機質(zhì)含量的增加和微生物群落組成的變化，土壤有機質(zhì)的化學(xué)特征可能隨著時間的變化而變化[22]。本研究中，不同種植年限的土壤有機質(zhì)官能團組成基本相同，但特征峰面積有顯著差異。該結(jié)論與人為干擾（施肥、耕作方法、秸稈還田等）對土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)果相同[23-25]。說明土壤有機質(zhì)主要由糖類、碳水化合物、脂肪族、芳香族組成，但官能團數(shù)量卻差異顯著。研究發(fā)現(xiàn)，在3 層土中，來源于糖類、芳香族、脂肪族官能團數(shù)量均有上升再下降的趨勢，但總體種植40 a 的甜龍竹土壤3 個物質(zhì)的特征峰面積均高于5 a，說明長期種植甜龍竹既增加了土壤有機質(zhì)，又增加了有機質(zhì)中的活性物質(zhì)，提高了土壤的脂肪性。其原因可能是長期種植甜龍竹會引起微生物數(shù)量的增加，其殘體因由肽聚糖等成分組成，造成該3 類物質(zhì)增加[26]，也有來源于增加的易分解有機質(zhì)，使其脂肪族，芳香族相對積累[11]。來源于醇酚的官能團數(shù)量隨種植年限延長下降，在種植年限40 a 顯著低于5 a 的甜龍竹林，該研究結(jié)果與常漢達等[27]棄耕地開墾前后醇酚的變化趨勢結(jié)果相反。原因有兩方面，一是甜龍竹對醇酚類等有機物需求大，造成來源于醇酚的官能團含量降低，二是降低的醇酚特征峰的面積有可能是來源于水的羥基振動減小，也就是由土壤含水量引起醇酚的官能團含量降低[13]。長期種植甜龍竹，造成有機質(zhì)含量升高，微生物將糖類和碳水等物質(zhì)快速分解，使其芳香族和脂肪族物質(zhì)長期相對積累，從而提高了有機質(zhì)的穩(wěn)定性。同時芳香族和脂肪族等有機物的積累，造成土壤大量難分解化學(xué)物質(zhì)富集，對微生物群落、功能具有負面影響，降低了微生物對有機質(zhì)的分解速率，更加有利于土壤的固碳功能[28-29]。

3.3 種植年限對有機質(zhì)特征峰相對峰強度的影響

長期種植甜龍竹林糖類特征峰相對強度隨著種植年限延長逐漸增加，表明種植甜龍竹有利于土壤糖類化合物的積累，該研究結(jié)果與張福韜等[13]的研究結(jié)果相似，與常漢達等[25]結(jié)果相反。原因可能是因為甜龍竹與張福韜所研究的玉米殘體中均富含大量的糖類物質(zhì)，造成微生物的分解速率小于土壤凋落物中糖類的積累，使其糖類特征峰相對強度增大；反之，棉花中糖類總量低于甜龍竹，凋落物在土壤中分解，該化合物消耗大于積累，使其與甜龍竹研究結(jié)果相反。芳香族特征峰相對強度隨著種植年限的延長，深層土中芳香化合物得到積累，芳香物質(zhì)因其含有穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)造成微生物分解過程中難以分解，而甜龍竹林凋落物中木質(zhì)素是芳香化合物的主要來源，該結(jié)論與李雯[30]研究毛竹有機碳結(jié)構(gòu)的結(jié)果一致。脂肪族特征峰相對強度在20～40 cm和40～60 cm土層中隨著種植年限先減小再增大，Wang等[31]認為脂肪族物質(zhì)在短期腐解過程中是屬于易分解化合物，而在長期試驗中前人研究發(fā)現(xiàn)脂肪族化合物屬于頑抗性物質(zhì)[7,13,26]，本文研究結(jié)果與該結(jié)論相同，在短期種植時脂肪族特征峰相對強度降低，種植40 a時升高，這表明短期種植甜龍竹的土壤中易分解的脂肪族化合物隨著種植年限被微生物分解，土壤中留下結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的脂肪族化合物從而積累。

4 結(jié)論

種植年限對有機質(zhì)含量有顯著影響，隨著種植年限的延長，有機質(zhì)含量上升，種植10，20，40 a 有機質(zhì)含量顯著高于種植5 a；不同種植年限甜龍竹土壤有機質(zhì)官能團種類基本一致，但各特征峰面積及其相對強度差異顯著，長期種植甜龍竹能夠顯著增加來源于糖類、脂肪族、芳香族、碳水化合物官能團含量，土壤穩(wěn)定性隨著種植年限的延長，3層土（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）穩(wěn)定性趨于一致。以上研究表明，甜龍竹的種植有利于提高土壤中有機質(zhì)的芳香化、脂肪化程度，使其土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，從而提高有機質(zhì)穩(wěn)定性。

致謝：“云南滇南竹林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站”監(jiān)測經(jīng)費資助項目（2022-YN-15），西南林業(yè)大學(xué)竹藤科學(xué)研究院運行經(jīng)費資助項目，中國國家留學(xué)基金項目（20107855018）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！