種植模式對土壤溶解性有機質(zhì)光譜特征的影響

趙海超 王炯琪 李璠 李艷平 黃智鴻 魏東 盧海博

摘要：溶解性有機質(zhì)（DOM）是土壤中重要的活性有機質(zhì)組分，對種植模式及人類活動反應敏感。采集冀北壩上7種種植模式的農(nóng)田土壤樣本，運行三維熒光結(jié)合區(qū)域積分（FRI）和紫外光譜對土壤DOM進行解析，探討土壤DOM與種植模式的響應關系。結(jié)果表明，冀北壩上地區(qū)土壤三維熒光光譜均有5個區(qū)域，其中以類腐殖酸組分（P（V，n）：58.95%～69.79%）含量最高，大小順序為露地菜地>大棚菜地>草地>青貯玉米地>燕麥地>林地>馬鈴薯地;富里酸組分（P（Ⅲ，n）：17.97%～23.82%）次之，大小順序為青貯玉米地>燕麥地>林地>草地>馬鈴薯地>大棚菜地>露地菜地;SUVD254 nm在0.02～1.31之間，青貯玉米地和露地菜地顯著高于其他種植模式，草地顯著低于其他種植模式。土壤總磷與類富里酸呈顯著負相關，與類腐殖酸呈極顯著正相關。施用有機肥能增加DOM的腐殖化程度、腐熟程度和微生物源特征;增溫灌溉等改善土壤環(huán)境的措施能增加DOM芳香性和陸源特征;施用化肥能增加DOM自生源及芳香性;種植飼草作物能增加DOM的腐殖化程度和陸源特征;粗放經(jīng)營能增加土壤DOM小分子組分。水源涵養(yǎng)區(qū)土壤應增加DOM類腐殖酸組分含量，以增加土壤保肥供肥能力，冀北壩上地區(qū)農(nóng)田應增施有機肥，適度灌溉，減小利用強度，擴大飼草作物面積，以增強涵養(yǎng)水肥能力。

關鍵詞：溶解性有機質(zhì);種植模式;三維熒光光譜;紫外光譜

中圖分類號：S181 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0232-07

收稿日期：2021-03-25

基金項目：河北省教育廳重大項目（編號：ZD2019097）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系項目（編號：HBCT2018020203）;河北省創(chuàng)新能力提升計劃（編號：20526401D）;河北北方學院博士基金（編號：12995543）。

作者簡介：趙海超（1974—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學研究。E-mail：haichaozhao19@163.com。

土壤溶解性有機質(zhì)（dissolved organic matter，DOM）作為土壤有機質(zhì)中最重要、最活躍的組成部分，在土壤一系列生物化學過程中發(fā)揮著重要作用[1-2]，同時對施肥、灌溉及作物類型及耕作栽培方式等農(nóng)藝措施具有敏感反應。近年來土壤DOM組分成為土壤有機質(zhì)研究的熱點，國內(nèi)外有許多學者對土壤DOM的組分、結(jié)構以及來源進行了大量的研究[3-4]。隨著光譜等技術的發(fā)展，紫外光譜、三維熒光光譜、紅外光譜、核磁共振、質(zhì)譜等技術成為現(xiàn)今研究DOM組分特征的主要技術手段[5-6]，與其他技術相比較，紫外光譜和三維熒光光譜具有靈敏度高、所用樣品量少和監(jiān)測速度快等優(yōu)點[7]，廣泛用于研究土壤DOM的組成、來源和生物地球化學循環(huán)[8-9]。楊威杉等利用三維熒光光譜技術研究表明，氣候條件變化對青海草甸土中DOM的來源、性質(zhì)和組成的差異均有重要影響[10];梁儉等利用紫外-可見光譜技術，研究三峽庫區(qū)消落地帶土壤 DOM的釋放特征[11]。結(jié)合紫外光譜和三維熒光光譜技術能夠更加準確地揭示土壤DOM組分的農(nóng)藝措施響應機制，然而運用多種光譜技術揭示土壤DOM對不同種植模式農(nóng)田的反應研究相對較少。

冀西北壩上地區(qū)是我國北方典型的干旱半干旱氣候區(qū)[12]，作為京津冀主要的水源涵養(yǎng)區(qū)，該區(qū)域近年來土壤沙化趨勢明顯，生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展勢在必行。土壤DOM是有機質(zhì)中易于遷移的組分，研究其組分特征及其對農(nóng)田種植模式的響應機制，對于制定該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展模式具有重要的意義。2000年來，壩上開始實施大規(guī)模的退耕還林還草工程和京津風沙治理工程，該地區(qū)植被得到一定恢復[13]。農(nóng)田由傳統(tǒng)的粗放種植模式為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植反季節(jié)蔬菜等高附加值作物、集約化種植馬鈴薯和粗放管理的飼草作物等，導致該區(qū)域呈現(xiàn)農(nóng)田、林地、草地并存，溫室大棚、不同肥水管理農(nóng)田、粗放經(jīng)營農(nóng)田等種植模式多樣化[14-15]，且由于地理及土壤肥力存在空間差異性，不同種植模式長期分化并存。研究冀西北壩上區(qū)域不同種植模式下土壤溶解性營養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及機制，有利于明確京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)應采用的農(nóng)業(yè)種植模式，可為保護京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)、建設沙壤土可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與土壤采樣

研究區(qū)域位于河北省張家口壩上地區(qū)的張北縣（114°75′～115°29′E，41°17′～41°38′N），海拔高度1 700～2 100 m，年降水量350～450 mm，年平均日照2 897.8 h，土壤為栗鈣土、沙壤質(zhì)。根據(jù)喬趙崇等的研究[16]，在壩上選擇大棚蔬菜地[架豆角（Vigna unguiculata）]、露地蔬菜地[萵筍（Asparagus officinalis）]、馬鈴薯（Solanum tuberosum）地、青貯玉米（Zea mays）地、燕麥（Avena sativa）地、林地[4～50樹齡楊樹（Populus）]、草地7種種植模式農(nóng)田，各類型地塊總體理化指標如表1所示。利用前人研究方法[17]每種模式選擇2個地塊，于2017年進行土樣采集，每個樣地選擇3個樣方，每個樣方4 m2，每個樣方按“S”形采集5個點，采集0～20 cm土壤?，F(xiàn)場混勻，去除土壤中雜質(zhì)置于塑封袋中，帶回實驗室風干。分成2個部分，分別進行土壤DOM三維熒光和土壤微生物生物量等理化指標的測定。

1.2 樣品分析方法

土壤DOM熒光光譜分析，取一定量的土壤，按照土水比1：10用KCl溶液（1 moL/L）振蕩提?。?5 ℃、200 r/min、24 h），離心后（5 000 r/min、15 min）過0.45 μm玻璃纖維濾膜后獲得待測定DOM溶液，并將DOM溶液稀釋10倍，以降低內(nèi)部濾波器效應[18]。DOM三維熒光光譜利用Hitachi F-7000型熒光光譜分析儀掃描，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。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超純水作CK[19]。

土壤DOM紫外光光譜采用島津UV-2450紫外-可見分光光度計進行吸收光譜掃描[20]，取2 g土壤樣品，以蒸餾水為浸提液，土水比為1 ∶10;在振動器上連續(xù)振蕩12 h，離心10 min（4 000 r/min），過0.45 μm玻璃纖維濾膜，濾液即為土壤DOM儲備液[21]。掃描波長范圍為190～900 nm，掃描波長間隔為2 nm。SUVD254 nm為254 nm 的紫外吸光度與溶解性有機碳濃度（dissolved organic carbon，DOC）的比值;E4/E6為465 nm和665 nm的紫外吸光度之比;D253 nm/D203 nm為253 nm和203 nm的紫外吸光度之比[19-20]。土壤DOC采用島津TOC-5000A測定。土壤理化指標采用常規(guī)分析法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析，三維熒光光譜特征使用Matlab 2007軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植模式對土壤溶解性有機質(zhì)三維熒光光譜特征的影響

2.1.1 不同種植模式下土壤DOM三維熒光光譜特征 不同種植模式下土壤DOM的三維熒光光譜（EEM）區(qū)域積分（fluorescence regional integration，F(xiàn)RI）定量分析如圖1所示。對EEM進行熒光光譜FRI定量分析，能對EEM的細微變化進行定量區(qū)分，進而提高譜圖的識別能力[21-23]。根據(jù)Chen等的方法[24]，將EEM譜圖分為5個區(qū)域：區(qū)域Ⅰ[P（1，n） ，Ex/Em=（220～250） nm/（280～330） nm]是絡氨酸類蛋白質(zhì)區(qū);區(qū)域Ⅱ[P（Ⅱ，n），Ex/Em=（220～250） nm/（330～380） nm]是色氨酸類蛋白質(zhì)區(qū);區(qū)域Ⅲ[P（Ⅲ，n），Ex/Em=（220～250） nm/（380～550） nm]是類富里酸區(qū);區(qū)域Ⅳ[P（Ⅳ，n），Ex/Em=（250～400） nm/（280～380） nm]是溶解性微生物代謝產(chǎn)物區(qū);區(qū)域Ⅴ[P（Ⅴ，n），Ex/Em=（250～400） nm/（380～550） nm]是類腐殖酸區(qū)[25]。通過FRI定量分析，不同種植模式農(nóng)田土壤DOM的EEM均可分為5個區(qū)域，且各農(nóng)田土壤DOM區(qū)域存在較大差異。

2.1.2 種植模式對土壤DOM組分影響 不同種植模式下土壤DOM的組分變化如圖2所示。土壤DOM的P（Ⅰ，n）在0.94%～4.08%之間，大小順序為燕麥地>林地>馬鈴薯地>青貯玉米地>草地>露地菜地>大棚菜地。P（Ⅱ，n）在2.52%～6.68%之間，大小順序為馬鈴薯地>林地>燕麥地>青貯玉米地>草地>大棚菜地>露地菜地。P（Ⅲ，n）在17.97%～23.82%之間，大小順序為青貯玉米地>燕麥地>林地>草地>馬鈴薯地>大棚菜地>露地菜地。P（Ⅳ，n）在7.03%～8.64%之間，大小順序為露地菜地>馬鈴薯地>林地>青貯玉米地>大棚菜地>草地>燕麥地。P（Ⅴ，n）在58.95%～69.79%之間，大小順序為露地菜地>大棚菜地>草地>青貯玉米地>燕麥地>林地>馬鈴薯地?？梢娂轿鞅眽紊系貐^(qū)土壤DOM主要以類腐殖酸為主，其次為類富里酸[20]。粗放式經(jīng)營的燕麥地絡氨酸蛋白質(zhì)類組分含量較高，充分灌溉并大量施用化肥的馬鈴薯地色氨酸蛋白質(zhì)類組分含量較高，歸還率較高的青貯玉米地類富里酸組分含量較高，增施有機肥并充分灌溉的蔬菜地類腐殖酸和溶解性微生物代謝產(chǎn)物組分含量較高，林地類蛋白組分含量較高，草地類腐殖酸含量較高。

2.1.3 種植模式對土壤DOM三維熒光參數(shù)的影響 不同種植模式下土壤DOM三維熒光參數(shù)如圖3所示。熒光指數(shù)（fluorescence index，f450 nm/500 nm）是激發(fā)光波長370 nm時，熒光發(fā)射光譜中450、500 nm處熒光強度比值， 可用來區(qū)別有機質(zhì)的來源[25]。可將熒光指數(shù)值分為1. 4、1. 9， f450 nm/500 nm<1.4表明來源于外來輸入， f450 nm/500 nm>1.9表明來源于土壤中微生物代謝產(chǎn)物[26]。一般f450 nm/500 nm值越高，溶解性有機質(zhì)的芳香性越低。不同種植模式農(nóng)田土壤DOM的f450 nm/500 nm在1.32～1.64之間，露地菜地最高，大棚菜地次之，燕麥地顯著低于其他種植模式，表明增施有機肥和增加農(nóng)作物的歸還率能夠增加土壤DOM的微生物源，并使其芳香性降低，而施用化肥及粗放式經(jīng)營增加土壤DOM外源特性，并增加其芳香性。自生源指數(shù)（biological index，BIX）是激發(fā)波長 254 nm 下，發(fā)射波長在380、430 nm處的熒光強度比值[20，27]，當BIX>1時，表明微生物活性強，自生源特征強;BIX值在0.6～0.7范圍，表明微生物活性較弱，陸源特征強[27]。不同種植模式農(nóng)田土壤DOM的熒光參數(shù)BIX值在0.43～0.62之間，馬鈴薯地最高，且顯著高于其他種植模式，可見冀西北壩上土壤DOM陸源特征較強，特別是粗放式經(jīng)營將進一步增加土壤DOM的陸源特征。腐殖化指數(shù)（humification index，HIX）是表征土壤DOM的腐殖化程度，當HIX小于4時，DOM腐殖化程度較弱;當HIX高到10～16時，DOM具有顯著的腐殖質(zhì)特征，主要為陸源輸入[20-21，28]。不同種植模式農(nóng)田土壤HIX值在5.28～13.65之間，大棚菜地最高，草地次之，馬鈴薯地最低，燕麥地、林地和馬鈴薯地顯著低于其他種植模式，可見施用有機肥和種植歸還率較高的作物能夠明顯增加土壤DOM腐殖化程度，而施用化肥和粗放經(jīng)營能夠顯著降低土壤DOM腐殖化程度。

2.2 種植模式對土壤DOM紫外光譜特征的影響

不同種植模式下土壤DOM紫外光譜參數(shù)如圖4所示。紫外參數(shù)SUVD254 nm是指在254 nm波長下的吸光度與DOC的比值，SUVD254 nm可以表征DOM的腐殖化程度，SUVD254 nm越大，DOM的腐殖化程度越高[20，29]。不同種植模式下土壤的DOM紫外參數(shù)SUVD254 nm在0.02～1.31之間，青貯玉米地和露地菜地顯著高于除大棚菜地外的其他種植模式，草地顯著低于其他種植模式，可見施用有機肥和種植歸還率較高的作物能夠明顯增加土壤DOM腐殖化程度。紫外參數(shù)E4/E6反映土壤DOM腐熟度，不同種植模式下E4/E6在4.7～10.7之間，大棚菜地和露地菜地顯著高于其他種植模式，燕麥地顯著低于其他種植模式，可見增施有機肥能夠促進土壤DOM腐熟程度，粗放管理降低土壤DOM腐熟程度。紫外參數(shù)D253 nm/D203 nm比值較小時，取代基主要是由不可取代的芳香環(huán)構成;比值越大，DOM的芳香性則越小，芳環(huán)取代基中的羧基、羰基、羥基、脂肪含量較高[20，30] 。不同種植模式下土壤的DOM紫外參數(shù)D253 nm/D203 nm在0.10～0.45之間，燕麥地顯著高于其他種植模式，大棚菜地和露地菜地顯著低于其他種植模式。可見粗放式經(jīng)營使土壤DOM芳環(huán)上的取代基中的羧基、羥基、羰基、脂肪含量較高，施用有機肥充分灌溉增加土壤DOM的芳香性。

3 討論

3.1 土壤DOM光譜特征對土壤肥力的響應

DOM是土壤中較為活躍的有機質(zhì)組分，既能夠被生物降解成為無機物被生物所利用，其中小分子DOM又能夠被植物直接吸收利用[29]。DOM組分轉(zhuǎn)化及其降解既是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的關鍵環(huán)節(jié)，也是反映土壤養(yǎng)分釋放的關鍵過程，同時由于DOM易溶于水，因此其遷移規(guī)律又能夠反映土壤養(yǎng)分的遷移規(guī)律。根據(jù)土壤DOM與土壤養(yǎng)分間的相關性分析（表2），土壤類富里酸與總氮、總磷和活性磷均呈顯著或極顯著負相關，絡氨酸蛋白和色氨酸類蛋白組分與總磷呈極顯著負相關，類腐殖酸與總磷呈極顯著正相關。表明隨著土壤總磷含量的增加，土壤DOM中富里酸、類蛋白等小分子組分含量降低，而土壤DOM類腐殖酸大分子組分含量增加，即土壤總磷主要分布在大分子DOM組分中，土壤中小分子DOM中的磷易于被生物吸收利用;隨著總氮的增加，DOM中類富里酸含量降低，該區(qū)域土壤DOM組分對磷素的影響大于氮素，特別是DOM有利于促進活性磷遷移轉(zhuǎn)化，因此大量施用有機肥的蔬菜田土壤中DOM類腐殖酸組分含量較高，大量施用化肥的馬鈴薯田土壤中DOM類富里酸組分含量較低。根據(jù)熒光參數(shù)、紫外參數(shù)與土壤養(yǎng)分間的相關性分析，HIX與總磷呈極顯著性正相關，E4/E6與總有機碳和總磷呈極顯著、顯著正相關，D253 nm/D203 nm與總磷和活性磷呈顯著性負相關。表明隨著土壤磷含量的增加，DOM腐殖化程度、腐熟程度和芳香性增加，即土壤中磷素特別是活性磷的增加使土壤中DOM穩(wěn)定性增強，可見DOM能夠較好地固定磷素，大分子DOM降低磷素的遷移轉(zhuǎn)化。因此冀西北壩上地區(qū)應該采用增加土壤大分子DOM的種植模式，以提高和保持土壤肥力。

土壤微生物及酶活性能夠反映農(nóng)田土壤的供肥能力[31]，而土壤微生物又是DOM的主要來源。根據(jù)喬趙崇等的研究[31]，冀北壩上地區(qū)土壤DOM光譜特征與微生物量碳氮磷及酶活性間相關性分析如表3所示。絡氨酸蛋白和色氨酸類蛋白組分與蔗糖酶（sucrase，SUC）活性和微生物量碳呈顯著負相關，與脲酶（urease，URE）活性呈極顯著負相關;類富里酸組分與微生物量碳氮比呈顯著負相關;類腐殖酸組分與蔗糖酶活性和微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）呈顯著正相關，與脲酶活性呈極顯著正相關。可見土壤DOM類腐殖酸組分含量越高，蔗糖酶和脲酶活性越強，而類蛋白組分含量高則會抑制蔗糖酶和脲酶活性。脲酶是反映土壤氮素可利用性的主要酶類[32]，蔗糖酶是反映土壤生物活性的主要酶類[33]，脲酶和蔗糖酶主要是降解土壤DOM小中類蛋白組分。土壤DOM熒光參數(shù)f450 nm/500 nm與蔗糖酶、脲酶活性呈顯著正相關;HIX與脲酶活性呈顯著正相關，與微生物量碳呈極顯著正相關;土壤DOM紫外參數(shù)E4/E6與微生物量碳呈顯著正相關?？梢婋S著土壤酶活性的增強，微生物源DOM增加;隨著土壤DOM腐熟程度和芳香性的增加，土壤中微生物的生物量增加。表明土壤DOM類腐殖酸含量的增加提高了土壤酶活性及微生物生物量，進而促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，而土壤DOM小分子類蛋白組分則被微生物降解轉(zhuǎn)化。

3.2 土壤DOM光譜特征對種植模式的響應機制

種植模式是人類對農(nóng)田的管理方式，通過人類干擾及外源輸入對農(nóng)田土壤理化環(huán)境產(chǎn)生影響，進而達到農(nóng)作物高產(chǎn)高效的目標。土壤中DOM是活躍的有機質(zhì)組分，對人類擾動和外源輸入較為敏感。冀西北壩上地區(qū)土壤以沙壤土為主，其理化性狀對種植模式的反應更加敏感。與殘存草地土壤相比，設施農(nóng)業(yè)大棚菜地通過改善土壤環(huán)境，增施肥料和充分灌溉，增加土壤氮磷有機質(zhì)含量，提高土壤微生物量及酶活性，從而增加土壤DOM類腐殖酸和微生物產(chǎn)物組分含量[34];露地菜地通過施用有機肥和灌溉，使土壤DOM類腐殖酸和微生物產(chǎn)物組分含量增加[34]，但與大棚菜地相比，由于不能提高土壤溫度等氣候環(huán)境，土壤微生物及酶活性略低，土壤DOM降解能力減弱，土壤DOM色氨酸和類富里酸組分含量降低，類腐殖酸和微生物代謝產(chǎn)物含量增加，可見改善農(nóng)田環(huán)境增加溫度可促進土壤中DOM大分子組分降解;大量施用化肥并充分灌溉的馬鈴薯地，增加了土壤氮磷含量，土壤擾動頻率高，土壤通氣性好，提高了土壤微生物活性，加快土壤有機物降解，使土壤DOM類蛋白和微生物產(chǎn)物含量增加，類富里酸和類腐殖酸組分含量降低，增加了DOM自生源及芳香性;青貯玉米地及林地根系發(fā)達，作物對有機物降解作用較強，土壤DOM類腐殖酸組分含量降低;粗放經(jīng)營的燕麥地以保護土壤、恢復地力為主，對土壤擾動較少，土壤DOM類蛋白和類富里酸組分含量明顯增加?？傮w來看，施用有機肥和作物殘落物，能夠增加DOM類腐殖酸組分和微生物產(chǎn)物含量，增加DOM的腐殖化程度、腐熟程度和微生物源特征，降低芳香性;增施化肥可增加DOM小分子組分和微生物產(chǎn)物含量，增加DOM自生源及芳香性;灌溉能夠增加DOM微生物產(chǎn)物含量，促進DOM芳環(huán)的降解，增強DOM的腐熟程度;粗放經(jīng)營使土壤DOM小分子組分增加，降低DOM的腐殖化程度、腐熟程度，改善農(nóng)田環(huán)境、增加溫度可促進土壤中DOM降解，降低腐熟程度，增加芳香性，增加陸源特征。得出結(jié)論，農(nóng)田土壤在加大利用強度時，使DOM小分子組分含量增加;而在保護性耕作過程中使DOM大分子組分含量增加。因此冀西北壩上地區(qū)作為京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)，應降低土壤小分子DOM含量，增加類腐殖酸組分，降低面源污染，增施有機肥，適度灌溉，減小利用強度，擴大種植飼草作物面積，以保持土壤肥力及增強保肥能力，提高水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)效益。

4 結(jié)論

冀西北壩上不同種植模式下土壤DOM的三維熒光光譜在不同區(qū)域存在較大的差異，土壤DOM以類腐殖酸組分為主，P（V，n）在58.95%～69.79%之間，大小順序為露地菜地>大棚菜地>草地>青貯玉米地>燕麥地>林地>馬鈴薯地;其次為類富里酸組分，P（III，n）在17.97%～23.82%之間，大小順序為青貯玉米地>燕麥地>林地>草地>馬鈴薯地>大棚菜地>露地菜地。

通過不同種植模式下土壤DOM三維熒光光譜和紫外光譜特征可知，施用有機肥能增加DOM的腐殖化程度、腐熟程度和微生物源特征;增溫灌溉等改善土壤環(huán)境措施能增加DOM芳香性和陸源特征;施用化肥能增加DOM自生源及芳香性;種植飼草作物能增加土壤DOM小分子組分，增加DOM的腐殖化程度和陸源特征。

土壤DOM的光譜特征能夠指示土壤供肥能力，隨著土壤DOM類腐殖酸組分含量的增加，土壤供肥能力增強，保肥能力增加。冀西北壩上地區(qū)欲增強水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)功能，農(nóng)田應增施有機肥，適度灌溉，減小利用強度，擴大種植飼草作物面積。

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