寒旱區(qū)春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 光譜特征的影響機(jī)制

劉晨，白雪冬，趙海超*，黃智鴻，劉松濤，盧海博,劉子剛，劉雪玲

1. 河北北方學(xué)院河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2. 河北北方學(xué)院/張家口市特色農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000

作物秸稈還田與土壤地力狀況、作物生長發(fā)育等密切相關(guān)，是生態(tài)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一（白偉等，2015）。而寒旱區(qū)低溫、缺水和強(qiáng)蒸發(fā)等氣候條件不僅是限制作物生產(chǎn)的主要因素（牛麗等，2021），同時(shí)使秸稈腐解過程緩慢（Chaudhar et al.，2019；Liu et al.，2021），影響秸稈還田后下茬作物生長。近年來，中國學(xué)者研發(fā)了適應(yīng)不同氣候特征區(qū)域的玉米秸稈還田方式，包括秸稈還田淺旋、秸稈地表覆蓋、秸稈還田翻壓等（和江鵬等，2021）多種還田方式，并對還田效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究。高盼等（2021）研究表明，秸稈翻埋還田有助于增加玉米產(chǎn)量；叢聰（2019）研究表明，秸稈深松和深翻等深耕條件下，能夠改變30 cm 土層的土壤結(jié)構(gòu)，從而對整個(gè)玉米生長發(fā)育過程有促進(jìn)作用；戰(zhàn)秀梅等（2017）研究表明，秸稈粉碎還田配合深翻處理，秸稈通過機(jī)械作用深入土壤，促進(jìn)秸稈腐解釋放更多養(yǎng)分?？傮w來看，不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分和作物的生長促進(jìn)作用存在差異。

玉米秸稈還田能夠增加農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)（soil 99organic matter，SOM）儲量（Zhao et al.，2018），對土壤肥力和生產(chǎn)力的影響具有重要促進(jìn)作用（Bu et al.，2020），同時(shí)也能改善作物產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤溶解性有機(jī)質(zhì)（dissolved organic matter，DOM）是SOM 中活性組分（Bernd et al.，2003），由類腐殖酸、類蛋白、有機(jī)酸和類氨基酸所組成，在土壤養(yǎng)分分解過程、田間微生物生長和代謝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，也能夠反映土壤有機(jī)質(zhì)的腐熟程度及其活性（Welikala et al.，2021），其含量和組分變化對作物的生長也具有重要影響。土壤DOM 主要來源于動(dòng)植物殘?bào)w、植物根系分泌物以及有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)（李帥東等，2017），作物秸稈的腐殖化也是土壤DOM 的來源之一（Chen et al.，2010）。因此探析玉米不同秸稈還田方式下土壤DOM 的特性，對于優(yōu)化秸稈還田技術(shù)具有重要意義。

DOM 組分復(fù)雜、活性較高、含有較多活性官能團(tuán)，對各類環(huán)境條件具有較高的響應(yīng)靈敏度（范春輝等，2015）。隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)者利用紫外光譜、三維熒光光譜、紅外光譜、核磁共振、X 射線光電子能譜和質(zhì)譜技術(shù)對DOM 組分特征進(jìn)行了分析（Gu et al.，2020；繆闖和等，2020；羅德芳等，2021）。三維熒光光譜（EEM）和紫外可見光譜（UVvis）是區(qū)分和量化DOM 中不同組成成分的常用技術(shù)方法（鄧汝樂等，2022），DOM 含有的多環(huán)芳烴類化合物、類腐殖質(zhì)物質(zhì)等官能團(tuán)均具有高度共軛結(jié)構(gòu)，能夠呈現(xiàn)較好的熒光特性（李曉童等，2020），因此熒光光譜法可作為“指紋”識別工具測定DOM，紫外光譜常用于研究DOM 的π-π 共軛雙鍵在紫外光區(qū)的吸光性，能揭示有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)以及判定其來源（梁儉，2016；王鵬等，2021）。與其他技術(shù)相比較，三維熒光光譜和紫外光譜具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、樣品量小等優(yōu)點(diǎn)（Fuentes et al.，2006）。張海洋等（2020）通過紫外-可見和三維熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)秸稈分解后，秸稈源DOM 的芳香性、腐殖化程度及分子量增加，類酪氨酸、類腐殖酸和類富里酸組分逐漸積累。因此聯(lián)合運(yùn)用三維熒光光譜和紫外光譜能夠更加準(zhǔn)確的分析土壤DOM 組分的變化，揭示DOM 的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，指示有機(jī)質(zhì)的來源（Bu et al.，2020）。

冀西北寒旱區(qū)農(nóng)田土壤出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤板結(jié)等土壤退化問題，已引起廣泛關(guān)注。玉米秸稈還田是培肥地力、作物增產(chǎn)的重要措施之一，然而旱作區(qū)春玉米秸稈還田對土壤肥力的影響非常復(fù)雜，特別是旱作區(qū)春玉米秸稈還田對土壤DOM 光譜特征的影響鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)設(shè)置春玉米大壟輪播、翻耕和旋耕3 種還田方式，分析連續(xù)秸稈還田土壤DOM 組分的時(shí)空變化規(guī)律，揭示春玉米生長及微生物活性對DOM 組分的影響機(jī)制，探尋適宜冀西北寒旱區(qū)的春玉米秸稈還田方式。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)域概況

張家口寒旱區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，氣候多變，四季分明，光照充足，熱量較少。研究區(qū)域位于河北省張家口市蔚縣（114°56′E，39°84′N），海拔904 m，年平均氣溫6.8－7.6 ℃，降雨量380.0－482.7 mm，無霜期152 d，是冀西北典型的寒旱區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017－2020 年連續(xù)4 年進(jìn)行春玉米秸稈還田定位試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如參考文獻(xiàn)（和江鵬等，2021）大壟輪播（圖1）、翻耕、旋耕，以不還田為對照。每個(gè)處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積為0.333 hm2，玉米秸稈秋季全部還田，配施紅磷新化肥業(yè)的緩控釋肥料，N∶P2O5∶K2O 質(zhì)量比例為28∶10∶12，各處理田間管理一致。

圖1 春玉米大壟輪播示意圖Figure 1 Schematic diagram of large ridge rotation of spring corn

1.3 土壤樣品采集

2020 年分別于5 月播種前、6 月苗期（玉米對DOM 影響較?。?、7 月拔節(jié)期（玉米快速生長促進(jìn)DOM 降解）、8 月灌漿期（玉米生長旺盛促進(jìn)DOM降解，根系分泌物增加）、9 月收獲后（玉米根系殘?bào)w降解為DOM）利用土壤分層采樣器采集0－20 cm 土層，采集5 月播種前，9 月收獲后壟溝0－100 cm 土壤，每隔20 cm 分隔一層，每個(gè)處理采集3 個(gè)樣點(diǎn)，利用GPS 定位，每個(gè)樣點(diǎn)按“S”形采集5個(gè)土壤柱狀樣，現(xiàn)場混勻置于塑封袋中，風(fēng)干后研磨進(jìn)行土壤DOM 光譜以及土壤理化指標(biāo)的測定。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤DOM 三維熒光光譜測定方法

土壤DOM 熒光光譜分析，取一定量土樣，按土水比1∶10 用 1 mol·L-1的KCl 振蕩提?。?0 ℃、200 r·min-1、24 h），離心后（5 000 r·min-1、15 min）過0.45 μm 玻璃纖維濾膜后，得到DOM 溶液，并將DOM 溶液稀釋10 倍，以降低內(nèi)濾效應(yīng)。DOM三維熒光光譜采用Hitachi F-7000 型熒光光譜分析儀測定。帶通（Bandpass）：激發(fā)波長λEx=5 nm，發(fā)射波長λEm=5 nm；掃描速度：2 400 nm·min-1。三維熒光光譜測定激發(fā)波長（Ex）200－440 nm，發(fā)射波長（Em）250－600 nm，以Milli-Q 超純水做空白（王圣瑞，2014）。運(yùn)用熒光區(qū)域積分（fluorescence regional integration，F(xiàn)RI）進(jìn)行定量分析，根據(jù)Chen et al.（2010）的方法將EEM 譜圖分為5 個(gè)區(qū)域（圖2），以及根據(jù)文獻(xiàn)（周石磊等，2019）計(jì)算各三維熒光光譜參數(shù)（表1）。

圖2 土壤DOM 三維熒光組分區(qū)域Figure 2 Soil DOM 3D fluorescence component area

表1 可溶性有機(jī)物（DOM）的三維熒光光譜特征參數(shù)描述及表征意義Table 1 Description and characterization significance of three-dimensional fluorescence spectral characteristic parameters of soluble organic matter

1.4.2 熒光區(qū)域一體化分析

采用Origin 8.0 軟件計(jì)算出特定的熒光區(qū)域積分體積（Φi），Φi表示具有相似性質(zhì)有機(jī)物的累積熒光強(qiáng)度；再對Φi進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，得到某一熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積（ΦT,n）；最后計(jì)算出某一熒光區(qū)域的特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的積分占總積分的比例（Pi,n）（Chen et al.，2003），公式如下式：

式中：

i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ；

n——每個(gè)區(qū)域積分體積范圍內(nèi)所有熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)；

λEx——激發(fā)波長；

λEm——發(fā)射波長；

IλEx-λEm——相對應(yīng)的熒光強(qiáng)度；

dλEx-λEm——熒光矩陣激發(fā)波長和發(fā)射波長數(shù)據(jù)間隔；

Φi,n——體積Φi與MFi（激發(fā)-發(fā)射矩陣每一區(qū)域面積百分比的倒數(shù)）相乘得到標(biāo)準(zhǔn)化的體積；

ΦT,n——5 個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化體積Φi,n之和；

Pi,n——熒光效應(yīng)百分比。

1.4.3 土壤DOM 紫外光譜測定方法

土壤DOM 紫外光光譜采用雙光束紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行吸收光譜掃描，取2 g 土壤樣品，將10∶1 蒸餾水與土樣混合振蕩提取（連續(xù)振蕩12 h），然后離心10 min（4 000 r·min-1），過0.45 μm 濾膜后取上清液測定DOM。掃描波長范圍為190－1 002 nm，掃描波長間隔為2 nm（王圣瑞，2014）。根據(jù)文獻(xiàn)（龔香宜等，2017）計(jì)算各紫外光譜參數(shù)（表2）。

表2 可溶性有機(jī)物（DOM）的紫外–可見光譜特征參數(shù)描述及表征意義Table 2 Description and significance of characteristic parameters of ultraviolet-visible spectroscopy of dissolved organic matter

1.4.4 DOM 含量測定方法

DOM 的含量以溶解性有機(jī)碳（DOC）的含量來表示，使用Eelementar Vario TOC 總有機(jī)碳分析儀測定（繆闖和等，2020）。

1.4.5 土壤微生物生物量及酶活性測定方法

土壤微生物生物量碳、氮、磷（MBC、MBN、MBP）均采用三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法測定；蔗糖酶（SUC）活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶（URE）活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定（劉子剛等，2022）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007 和SPSS 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析，三維熒光使用Matlab 2007 軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果分析

2.1 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 含量的影響

土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠反映DOM 含量，秸稈還田方式下土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂向變化如圖3所示。土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在240－325 mg·kg-1之間。DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層加深呈先降后升趨勢，秸稈還田增加0－40 cm 土層的DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低60－80 cm 土層DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；不同秸稈還田方式相比，大壟輪播有利于增加0－20 cm 土層DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，旋耕有利于增加20－40 cm 土層DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 不同秸稈還田方式下土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂向分布特征Figure 3 Vertical distribution characteristics of soil DOM content in different straw returning methods

春玉米不同秸稈還田方式土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化如圖4 所示。0－20 cm 土層DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在202－364 mg·kg-1之間。隨玉米生育期的延長，DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先升后降趨勢，除旋耕苗期之外，各處理玉米各生育期均高于對照。大壟輪播和翻耕在苗期出現(xiàn)峰值，旋耕在播種前出現(xiàn)峰值?？梢?，秸稈還田增加玉米各生育時(shí)期DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，旋耕促進(jìn)秸稈腐解成DOC，同時(shí)也有利于土壤DOC的降解。

圖4 不同秸稈還田方式下土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)生育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化特征Figure 4 Dynamic changes of soil DOC mass fraction during growth period under different straw returning methods

2.2 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 三維熒光特征的影響

2.2.1 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 三維熒光組分的影響

不同秸稈還田方式下土壤DOM 組分垂向變化如圖5 所示。隨著土壤深度的增加，土壤DOM 的P(I,n)在4.02%－11.0%之間，大壟輪播和對照呈上升趨勢，翻耕和旋耕呈下降趨勢；P(II,n)在5.16%－21.0%之間，P(Ⅳ,n)在7.62%－26.9%之間，各處理均呈上升趨勢；P(III,n)在23.6%－31.6%之間，大壟輪播和對照呈下降趨勢，翻耕和旋耕呈上升趨勢；P(V,n)在23.6%－54.3%之間，各處理均呈下降趨勢?？傮w來看，熒光各組分均在40－60 cm 土層出現(xiàn)拐點(diǎn)，秸稈還田方式主要影響0－40 cm 土層DOM 熒光組分的占比，且秸稈還田能夠增加土壤DOM 類絡(luò)氨酸組分占比，降低微生物代謝產(chǎn)物占比，翻耕、旋耕有利于增加土壤DOM 類胡敏酸組分占比，大壟輪播增加土壤DOM 類富里酸組分占比。

圖5 不同秸稈還田方式下土壤DOM 三維熒光Pi,n百分比垂向分布特征Figure 5 Vertical distribution characteristics of soil DOM three-dimensional fluorescence Pi, n percentage under different straw returning methods

0－20 cm 土壤DOM 組分隨著玉米生育期的動(dòng)態(tài)變化如圖6 所示。隨著玉米生育期的延長，土壤DOM 的P(I,n)、P(II,n)、P(III,n)、P(Ⅳ,n)均呈波動(dòng)式上升趨勢、P(V,n)呈波動(dòng)式下降趨勢，玉米的生長能夠促進(jìn)土壤DOM 中類胡敏酸組分占比。秸稈還田與對照相比，苗期增加土壤DOM 的P(I,n)，降低P(II,n)、P(III,n)、P(Ⅳ,n)；拔節(jié)期增加P(Ⅳ,n)、降低P(III,n)；灌漿期降低P(V,n)，在玉米生長前期秸稈還田主要增加土壤DOM 中類胡敏酸組分，在玉米旺盛生長期（拔節(jié)期-灌漿期）秸稈還田有利于促進(jìn)土壤DOM 微生物代謝產(chǎn)物占比，降低DOM 類富里酸組分占比。不同秸稈還田方式相比，大壟輪播增加玉米灌漿期土壤DOM 的P(III,n)，翻耕降低苗期土壤DOM 的P(III,n)，旋耕增加苗期和拔節(jié)期土壤DOM 的P(III,n)，大壟輪播、翻耕降低灌漿期土壤DOM 的P(V,n)。可見，大壟輪播有利于促進(jìn)玉米旺盛生長期土壤類富里酸組分，增加土壤肥力同步供給，翻耕和旋耕有利于促進(jìn)玉米生長前期土壤類富里酸組分，有利于DOM 降解。

圖6 不同秸稈還田方式下土壤DOM 三維熒光Pi, n百分比生育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化特征Figure 6 Dynamic changes of soil DOM three-dimensional fluorescence Pi, n percentage during growth period under different straw returning methods

2.2.2 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 熒光光譜參數(shù)的影響

不同秸稈還田方式下土壤DOM 熒光光譜參數(shù)垂向變化如圖7 所示。熒光指數(shù)FI 可指示DOM 的來源以及降解程度，當(dāng)FI 小于1.4 表明來源于外來輸入，F(xiàn)I 大于1.9 表明來源于土壤中微生物代謝產(chǎn)物（McKnight et al.，2001）。不同秸稈還田方式下DOM 的FI 值在1.56－1.99 之間，隨土層的加深FI呈波動(dòng)式下降趨勢，大壟輪播在20－40 cm 土層出現(xiàn)波峰，且高于對照，旋耕和翻耕各土層均低于對照。腐殖化指數(shù)HIX 表征土壤DOM 的腐殖化程度，當(dāng)HIX 小于4 時(shí)，DOM 腐殖化程度較弱，自生源特征明顯（肖隆庚等，2014）。不同秸稈還田方式下DOM 的HIX 值在1.36－7.22 之間，各處理均高于對照，HIX 隨土壤加深呈波動(dòng)式下降趨勢，大壟輪播、翻耕在20－40 cm 土層高于對照，旋耕在0－20 cm 土層最高。自生源指數(shù)BIX 指示DOM 自生源特征強(qiáng)弱，當(dāng)BIX 值在0.6－0.8 范圍時(shí)，表明微生物活性較弱，陸源特征強(qiáng)（李帥東等，2017）。不同秸稈還田方式下的DOM 的BIX 值在0.56－0.99 之間，且隨土層的加深，BIX 呈先升后降趨勢，各處理0－40 cm 土層各處理變化幅度較大，旋耕在20－40 cm 土層出現(xiàn)波峰，大壟輪播在40－80 cm 土層最高。大壟輪播、翻耕增加20－40 cm 土層生物源特征，旋耕增加20－40 cm 土層DOM 陸源特征?？傮w來看，秸稈還田增加0－40 cm 土層DOM腐殖化程度。

圖7 不同秸稈還田方式下土壤DOM 熒光指數(shù)FI、腐殖化指數(shù)HIX、自生源指數(shù)BIX 垂向變化特征Figure 7 Vertical variation characteristics of soil DOM fluorescence index, humification index and autochthonous index under different straw returning methods

0－20 cm 土壤DOM 熒光光譜參數(shù)隨著玉米生育期的動(dòng)態(tài)變化如圖8 所示。隨著春玉米生育期的延長，各處理土壤DOM 的FI 和HIX 均呈波動(dòng)式下降趨勢，BIX 均呈波動(dòng)式上升趨勢。大壟輪播FI在灌漿期最低、在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值，翻耕在苗期FI出現(xiàn)波峰；各秸稈還田處理灌漿期土壤HIX 均高于對照；大壟輪播BIX 在玉米灌漿期出現(xiàn)波峰，旋耕在收獲期BIX 最高，各秸稈還田處理BIX 在苗期低于對照?？梢?，隨著玉米的生長土壤DOM 的微生物源特征降低、腐殖化程度減弱、自生源特征增強(qiáng)。秸稈還田增加土壤DOM 的腐殖化程度，增加玉米生長后期土壤DOM 生物源特征。

圖8 不同秸稈還田方式下土壤DOM 熒光指數(shù)FI、腐殖化指數(shù)HIX、自生源指數(shù)BIX 生育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化特征Figure 8 Dynamic changes in soil DOM fluorescence index, humification index, and autochthonous index during growth period under different straw returning methods

2.3 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 紫外光譜特征的影響

2.3.1 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM紫外光譜參數(shù)垂向分布的影響

不同秸稈還田方式下土壤DOM 紫外光譜參數(shù)垂向變化如圖9 所示。SUVA254nm的大小可以反映DOM 的腐殖化程度，SUVA254nm的值越大則腐殖化程度越大。隨著土壤深度增加，各處理SUVA254nm呈波動(dòng)式下降趨勢，秸稈還田有利于增加0－20 cm土層SUVA254nm；SUVA260nm與DOM 中疏水性有機(jī)組分含量成正比。各處理SUVA260nm呈波動(dòng)式下降趨勢，大壟輪播降低20－40 cm 土層SUVA260nm，翻耕增加0－40 cm 土層SUVA260nm，旋耕增加20－40 cm 土層SUVA260nm?？梢?，DOM 腐殖化程度和疏水性組分含量隨著土壤深度的增加而降低，秸稈還田有利于增加DOM 腐殖化程度和疏水性組分含量，其中大壟輪播對耕作層增幅較大，旋耕則較小，而翻耕有利于增加0－40 cm 土層DOM 腐殖化程度和疏水性組分含量；A253nm/A203nm能夠反映分子結(jié)構(gòu)和取代基情況，與取代基的復(fù)雜程度呈正相關(guān)。各處理A253nm/A203nm呈波動(dòng)式下降趨勢，0－80 cm 土層秸稈還田處理均高于對照，A250nm/A365nm與有機(jī)質(zhì)的芳香性及分子量大小呈負(fù)相關(guān)。A250nm/A365nm值呈波動(dòng)式上升趨勢，0－20 cm 土層秸稈還田處理均低于對照。土壤深度增加，DOM 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性降低，芳香性和分子量增加，秸稈還田有利于促進(jìn)土壤DOM 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低表層土壤DOM芳香性和分子量，其中大壟輪播的影響大于其他兩個(gè)處理。光譜斜率比值SR反映DOM 的結(jié)構(gòu)特征。各處理SR（范圍為1.334－2.033）呈波動(dòng)式上升趨勢，秸稈還田處理0－20 cm 土層均高于對照，20－40 cm 土層均小于對照?？梢娡寥乐蠨OM 主要為生物源（范之馨等，2021），且隨著深度的增加腐殖化程度下降、生物源增強(qiáng)，秸稈還田有利于增強(qiáng)0－20 cm 土層DOM 生物源特征，降低腐殖化程度。

圖9 不同秸稈還田方式下土壤DOM 紫外光譜參數(shù)SUVA254 nm、SUVA260 nm、A253 nm/A203 nm、A250 nm/A365 nm及光譜斜率SR垂向變化特征Figure 9 Vertical variation characteristics of soil DOM UV spectral parameters SUVA254 nm, SUVA260 nm,A253 nm/A203 nm, A250 nm/A365 nm and spectral slope SR under different straw returning methods

2.3.2 春玉米秸稈還田方式對土壤DOM 紫外光譜參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的影響

不同處理土壤DOM 紫外光譜參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征如圖10 所示。隨玉米生育期延長，土壤DOM 的SUVA254nm和SUVA260nm呈先升后降趨勢，在苗期秸稈還田處理均低于對照，在拔節(jié)期各處理均高于對照。可見前期隨著玉米的生長增加土壤DOM 腐殖化程度、芳香性和疏水組分含量，特別是在玉米拔節(jié)期作用較強(qiáng)，其中大壟輪播作用高于其他兩種秸稈處理方式，后期隨著玉米的衰退降低土壤DOM腐殖化程度、芳香性和疏水組分含量；土壤DOM 的A250nm/A365nm呈波動(dòng)式上升趨勢，A253nm/A203nm呈先升后降趨勢，秸稈還田處理在苗期均低于對照，在灌漿期均高于對照，另外，各處理A253nm/A203nm在玉米拔節(jié)期均高于對照，且大壟輪播出現(xiàn)波峰。可見，玉米生長促進(jìn)土壤中的DOM 苯環(huán)結(jié)構(gòu)上取代基羥基、羧基、羰基等極性官能團(tuán)增加，土壤中DOM向富里酸等小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化。大壟輪播增加播種前期土壤DOM 芳香性，提高玉米旺盛生長期DOM極性官能團(tuán)，旋耕降低收獲期土壤DOM 芳香性，翻耕有利于提高玉米全生育期土壤DOM 極性官能團(tuán)。隨著玉米生育期的延長，土壤DOM 的SR呈先降后升趨勢，苗期秸稈還田處理均低于對照，大壟輪播拔節(jié)期和灌漿期低于對照?？梢?，隨著玉米的生長土壤DOM 生物源特征降低，后期玉米衰亡增加土壤DOM 的生物源特征，即秸稈還田增加玉米苗期土壤DOM 生物源特征，降低收獲期土壤DOM生物源特征，大壟輪播與其他兩個(gè)秸稈還田方式相比增強(qiáng)苗期之前土壤DOM 生物源特征，降低拔節(jié)期-灌漿期土壤DOM 生物源特征。

圖10 不同秸稈還田方式下土壤DOM 紫外光譜參數(shù)SUVA254 nm、SUVA260 nm、A253 nm/A203 nm、A250 nm/A365 nm及光譜斜率SR生育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化特征Figure 10 Dynamic changes of soil DOM UV spectral parameters SUVA 254 nm, SUVA 260 nm, A253 nm/A203 nm,A250 nm/A365 nm and spectral slope SR during the growth period of different straw returning methods

3 討論

3.1 春玉米秸稈還田耕作措施對DOM 光譜組分的影響機(jī)制

春玉米秸稈粉碎還田是提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的重要措施（周向軍，2020），土壤中SOM 需要轉(zhuǎn)化為DOM 才能進(jìn)一步被生物所利用形成土壤肥力，但秸稈還田后秸稈殘茬是否能轉(zhuǎn)化為DOM，主要受土壤微生物活性及秸稈腐解程度的影響。根據(jù)劉子剛等（2022）的研究進(jìn)行相關(guān)分析（表3）可見，w(MBC)與A250nm/A365nm呈極顯著負(fù)相關(guān)，w(MBN)與區(qū)域IV 呈極顯著負(fù)相關(guān)，與SUVA254nm、w(DOC)呈顯著正相關(guān)，w(MBP)與A253nm/A203nm呈顯著負(fù)相關(guān)，w(SUC)與A250nm/A365nm呈顯著負(fù)相關(guān)，與SUVA254nm呈極顯著正相關(guān)，w(URE)與區(qū)域IV 呈顯著負(fù)相關(guān)，與w(DOC)呈顯著正相關(guān)，與SUVA254nm、SUVA260nm呈極顯著正相關(guān)，與區(qū)域V 呈顯著正相關(guān)。隨著w(MBN)的增加，DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，微生物代謝產(chǎn)物占比降低；w(MBP)增加，DOM 腐殖化程度增加，DOM 苯環(huán)結(jié)構(gòu)上的羥基、羧基、羰基等極性官能團(tuán)較多；隨著w(URE)增加DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、類胡敏酸組分占比、腐殖化程度增加。即土壤微生物及酶活性的增加土壤DOM 芳香性增強(qiáng)，類胡敏酸組分占比增加，微生物代謝產(chǎn)物占比降低。秸稈還田后土壤耕作措施能夠影響土壤理化性狀進(jìn)而改變土壤微生物及酶活性（劉子剛等，2022），進(jìn)一步促進(jìn)土壤DOM 組分的轉(zhuǎn)化，特別是對于溫度低、降雨量少的冀西北寒旱區(qū)，不同耕作措施對秸稈殘茬的腐解差異更大。春玉米秸稈還田后翻耕、旋耕通過機(jī)械破碎作用，促進(jìn)微生物生長和秸稈腐解（蔡影等，2022），增加土壤SOM 及DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)有利于增加土壤微生物及酶活性（蔡麗君等，2015；劉子剛等，2022），提高土壤中DOM 類胡敏酸組分占比，但翻耕主要使秸稈翻壓在20－40 cm 土層，所以秸稈還田翻耕對20－40 cm 土層DOM 影響較大，使該層DOM 腐殖化程度增加，絡(luò)氨酸類蛋白質(zhì)組分和微生物代謝產(chǎn)物占比高于其他處理。旋耕使秸稈與0－20 cm 表層土壤混合，所以秸稈還田旋耕主要促進(jìn)耕層DOM 組分變化，但表層土壤氧含量高，微生物及酶活性強(qiáng)，因此該處理降低0－20 cm 土層DOM 腐殖化程度和疏水性組分含量，增加DOM 類胡敏酸組分占比。大壟輪播秸稈還田到10－20 cm 深度，土壤DOC 借助于土壤中土著微生物的作用提高，加快了土壤腐殖質(zhì)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化速度，玉米種植在上一年的壟背處，該處秸稈經(jīng)過一年的腐熟，土壤DOM 主要受前一年秸稈腐解的影響，因此秸稈腐解程度高于秸稈還田翻耕和旋耕處理，但其SOM 含量有所降低，因此該處理0－20 cm 土層DOM 類胡敏酸組分占比低于其他處理，DOM 腐殖化程度和疏水性組分含量高于其他處理，20－40 cm 土層DOM 類胡敏酸組分占比高于其他兩種處理?？傮w來看，秸稈還田能夠增加土壤DOM 類胡敏酸組分占比，但不同耕作方式對DOM組分的影響存在差異，主要受耕作方式對土壤微生物及酶活性和秸稈腐解作用的調(diào)控，腐解程度高及時(shí)間長有利于土壤 DOM 向小分子組分轉(zhuǎn)化（Maestre et al.，2015），增加腐殖化程度，秸稈破碎有利于土壤DOM 增加類胡敏酸組分占比；耕作措施促進(jìn)土壤微生物及酶活性（高日平等，2019），消耗小分子DOM，有利于DOM 降低腐殖化程度，增加類胡敏酸組分占比。

表3 土壤DOM 熒光組分、熒光光譜參數(shù)和紫外光譜參數(shù)垂向變化特征與微生物量和酶活性相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of vertical variation characteristics of soil DOM fluorescence components, fluorescence spectral parameters and ultraviolet spectral parameters with microbial biomass and enzyme activity

3.2 秸稈還田方式下春玉米產(chǎn)量對土壤DOM 光譜特征的影響機(jī)制

春玉米既能夠降解利用土壤中DOM，又通過根系分泌物及殘?bào)w脫落向土壤中輸入DOM，還可以通過影響土壤微生物生物量、酶活性及土壤理化性狀改變土壤DOM 含量和組分結(jié)構(gòu)（馬俊永等，2007；張雅潔等，2015；尤錦偉等，2020）。同時(shí)土壤中DOM 含量是影響土壤營養(yǎng)供給能力的重要因素，在土壤中，DOM 可以參與土壤養(yǎng)分循環(huán)過程，通過與礦物質(zhì)和微生物共生代謝（高日平等，2019；徐敏等，2023），將其中攜帶的營養(yǎng)元素釋放出來，供給植物的生長和發(fā)育，因此春玉米生長與土壤DOM 之間存在相互作用關(guān)系。不同秸稈還田方式對土壤DOM 含量和組分的影響存在差異，秸稈還田后通過微生物降解，將秸稈中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為小分子DOM（伍玉鵬等，2014），在此過程中，粉碎秸稈中易分解有機(jī)碳首先促進(jìn)了微生物的生長，并促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解，即引發(fā)“激發(fā)效應(yīng)”，并進(jìn)一步促進(jìn)秸稈有機(jī)碳的降解，提高土壤肥力和養(yǎng)分供應(yīng)能力，進(jìn)而影響春玉米的產(chǎn)量。春玉米產(chǎn)量與土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈正比關(guān)系，隨著產(chǎn)量的提高連年向土壤中輸入的土壤DOM 含量也呈增加趨勢，秸稈還田增加土壤SOM、w(TP)和w(TN)含量對土壤DOM 的含量、組分和腐殖化程度、芳香性具有重要的影響（表4）。本試驗(yàn)不同處理連續(xù)4 年產(chǎn)量平均值總體來看大壟輪播＞旋耕＞翻耕＞對照，可見寒旱區(qū)春玉米秸稈還田處理能通過增加土壤DOM含量，促進(jìn)玉米生長，提高玉米產(chǎn)量，同時(shí)玉米收獲期根系殘?bào)w腐解增加DOM 含量。本試驗(yàn)中隨春玉米生育期的延長土壤DOM 含量降低，主要是玉米生長過程中降解土壤中DOM，苗期玉米對土壤DOM 影響較小，土壤中DOM 主要受秸稈腐解影響，拔節(jié)期玉米根系生長旺盛，促進(jìn)土壤DOM 降解，土壤DOM 腐殖化程度、芳香性和疏水組分含量增加、生物源特征下降，因此大壟輪播高于其他兩種秸稈還田處理。根據(jù)相關(guān)性分析（表5）可見，w(MBC)與區(qū)域Ⅱ、BIX、SR呈極顯著正相關(guān)，與區(qū)域V 呈顯著負(fù)相關(guān)，w(MBN)與區(qū)域Ⅲ呈顯著正相關(guān)，與w(DOC)呈顯著負(fù)相關(guān)，w(URE)、w(SOM)與w(DOC)呈極顯著正相關(guān)。秸稈還田可以向土壤中大量補(bǔ)充有機(jī)物質(zhì)，春玉米生長過程中促進(jìn)土壤SOM 的降解和轉(zhuǎn)化，通過改善土壤理化性狀提高土壤中微生物生物量及酶活性（Ge et al.，2010；劉子剛等，2022），促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收。

表4 土壤DOM 熒光組分、熒光光譜參數(shù)和紫外光譜參數(shù)生育時(shí)期動(dòng)態(tài)變化特征與微生物量和酶活性相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of dynamic changes in soil DOM fluorescence components, fluorescence spectral parameters, and ultraviolet spectral parameters during growth period with microbial biomass and enzyme activity

表5 不同秸稈還田方式對玉米產(chǎn)量的影響Table 5 Effect of different straw return methods on maize yield

玉米產(chǎn)量高向土壤中輸入的DOM 含量增加，秸稈量也相對增加，秸稈中養(yǎng)分是提高土壤有機(jī)碳的重要來源，促進(jìn)秸稈中碳在土壤中的積累（王學(xué)敏等，2020），在旱作區(qū)持續(xù)秸稈還田對土壤的影響更加顯著（劉子剛等，2022）。DOM 作為土壤中活性有機(jī)碳組分對產(chǎn)量更加敏感。秸稈還田旋耕能夠快速提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，因此在春玉米苗期對0－20 cm 土層DOM 的影響較大，DOM 類富里酸組分占比高于其他處理；秸稈還田翻耕將秸稈翻壓在下層，不利于秸稈快速向DOM 轉(zhuǎn)化和降解，因此翻耕處理在玉米苗期對DOM 的影響較小，DOM 類胡敏酸組分占比小于其他兩個(gè)處理；大壟輪播處理秸稈經(jīng)過1 年的腐解使SOM 降解速率和DOM 供肥能力增強(qiáng)，因此在春玉米苗期大壟輪播處理的DOM 含量、腐殖化程度、芳香性、生物源特征、類胡敏酸組分占比均高于其他兩個(gè)處理。在寒旱區(qū)春玉米種植區(qū)進(jìn)行秸稈還田，因受低溫和缺水的影響，為了使秸稈還田養(yǎng)分供給達(dá)到最佳狀態(tài)，一方面應(yīng)延長玉米秸稈在土壤中腐解時(shí)間，另一方面可以增強(qiáng)秸稈的機(jī)械破碎強(qiáng)度，促進(jìn)秸稈腐解，但其會增加土壤DOM 的損失，秸稈的肥力供給能力降低，因此本研究結(jié)果表明在寒旱區(qū)進(jìn)行春玉米大壟輪播秸稈還田措施優(yōu)于秸稈還田翻耕和旋耕。

4 結(jié)論

1）隨土壤深度的增加土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、類胡敏酸組分占比、腐殖化程度、生物源降低，疏水性分子增加。秸稈還田增加0－40 cm 土層DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，大壟輪播提高耕層DOM 類胡敏酸組分占比、腐殖化程度及芳香性，翻耕提高20－40 cm 土層DOM 類蛋白組分、疏水性組分占比，旋耕增加0－20 cm 土層DOM 類富里酸組分占比、腐殖化程度及芳香性。

2）隨玉米的生長土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先升后降趨勢，類胡敏酸組分呈先降后升趨勢，DOM 小分子占比增加，生物源增強(qiáng)，腐殖化程度減弱。各處理均增加生育期土壤DOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，大壟輪播提高灌漿期DOM 類富里酸組分占比，翻耕降低拔節(jié)期-灌漿期DOM 類胡敏酸組分占比及芳香性，旋耕增加苗期類蛋白組分占比、拔節(jié)期類富里酸組分占比。

3）秸稈還田促進(jìn)土壤DOM 向小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化，調(diào)控土壤微生物及酶活性、促進(jìn)玉米生長影響土壤DOM 含量和組分變化。寒旱區(qū)春玉米秸稈還田大壟輪播提高土壤DOM 的供肥能力，提高春玉米產(chǎn)量。