长期施用堆肥处理下潮土剖面...性有机物的三维荧光光谱研究_柳夏艳.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究柳夏艳，曹浩轩，缪闯和，李丽君，周虎，吕贻忠中国农业大学土地科学与技术学院，北京 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 摘要为了研究长期施用堆肥对潮土剖面土壤水溶性有机物（）的来源和组分特征的影响，研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的试验田为研究对象，利用三维荧光光谱技术研究了在长期施用高量生物堆肥（）、常量生物堆肥（）、高量传统堆肥（）、常量传统堆肥（）和化肥（）下不同深度土壤水溶性有机物在来源和组成的差异。研究结果表明，不同施肥处理的土壤水溶性有机碳（）含量在土壤剖面的分布规律有较大差异，堆肥使 和 土层的 分别显著提高了 和 。荧光光谱指数表明，来源为微生物和植物混合源，堆肥施用量的增加使 腐殖化程度加强，造成表层土壤中 由陆源向生物源迁移，随着土壤深度的增加，由陆源向生物源迁移。三维荧光光谱和荧光区域积分表明，生物堆肥和传统堆肥增加了类腐殖酸物质的含量，且随着施用量的增加而增加；高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量；施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。类腐殖酸含量、类富里酸含量和类溶解性微生物代谢产物数量随着土壤深度的增加整体呈降低趋势；类酪氨酸随着土壤深度的增加呈增加趋势；类色氨酸随着土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势，且在 含量最高。相关性分析表明，全磷（）、全氮（）、阳离子交换量（）、速效钾（）、有机碳（）和 等土壤理化指标与类酪氨酸物质呈显著负相关，与类富里酸、类溶解性微生物产物和类腐殖酸含量呈显著正相关，硝态氮（）、与类色氨酸物质呈显著正相关。总之，长期施用堆肥增加了潮土表层 的含量，显著改变了土壤中 的组成和剖面上的分布特征。关键词潮土；堆肥；水溶性有机物；三维荧光光谱中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家重点研发项目（）和国家重点研发项目（）资助作者简介：柳夏艳，女，年生，中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生 ：通讯作者 ：引言土壤水溶性有机物（）是土壤碳库的重要组成部分，对土壤生物地球化学过程具有重要作用。主要由生物活性物质和腐殖质部分组成；生物活性物质主要是氨基酸、碳水化合物等易被微生物分解利用的物质；腐殖质主要包括腐殖 酸和富 里 酸，难 以 被 微 生 物 分 解 利 用。由 于 组分复杂，是土壤中重要的养分库，在微生物作用下积极参与土壤生态系统养分转化与循环，同时其具有流动性，可通过离子交换、吸附、氧化还原反应影响土壤有机污染物、重金属的迁移转化和空间分布等，所以它在土壤形成、土壤生物活性、金属和有机污染物的运输等方面更敏感，能较好地反映土壤质量变化，是评价土壤质量的重要指标。而施肥是管理土壤的重要措施之一，能显著地提升土壤有机质含量。因此，可用作评价不同施肥制度对土壤碳动态的影响。一般认为短期施用有机肥能快速增加土壤，且随着时间而下降。等认为长期施用有机肥可显著提高土壤 ，但长期施用化肥对其无影响。这些结果表明施肥对土壤 含量的影响不一致，受施肥种类、水平和时间的制约。有研究发现施用有机肥提高了各土层 ，但连续施氮显著增加了表层土壤 ，降低了下层土壤 。而不同施肥制度对土壤 垂直分布的影响机理尚不清楚。因此，有必要了解 在土壤剖面上的分布是如何受到施肥的影响。的结构和组分影响其在土壤中的功能。土壤 的结构可能受其难溶组分的沉积和易溶组分输入与输出的平衡控制。芳香化和腐殖化指数高的 更稳定、生物可利用性低、容易被土壤吸附。彭志刚等 认为不同土层 荧光光谱特征相似，但是表层 荧光强度高于下层。研究 发现不同施肥对 和腐殖质浓度没有显著影响，但是堆肥施用增加了类酪氨酸物质。目前关于不同堆肥和化肥不同土层 结构和组分特征的研究较少。因此，本研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的土壤为研究对象，旨在研究不同施肥处理下不同深度土壤 的来源和组成差异，进一步揭示堆肥施用对土壤 的作用机制。实验部分 研究区概况研究区位于河北省邯郸市曲周县中国农业大学曲周实验站（，）（图），土壤类型为潮土。该地区属温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温 ，年平均降水量 ，降雨主要集中在月月。土壤背景值见表。图研究区 表土壤背景值 有机质（）全磷（）全氮（）碱解氮（）速效磷（）速效钾（）容重（）阳离子交换量（）试验设计与样品采集长期定位实验开始于 年，采用随机区组设计，设个施肥处理，每个处理个重复，小区面积为。种植制度为冬小麦和夏玉米轮作。在每年月和 月收获冬小麦和夏玉米，其秸秆粉碎还田，翻耕深度为 。所施用的肥料均匀撒在地表，而后旋入土壤。试验共设个施肥处理：不施肥，化肥，高量生物堆肥 ，常量生物堆肥 ，高量传统堆肥 ，常量传统堆肥 。化肥处理：采用当地一般施肥，碳酸氢铵（）、尿素（）和过磷酸钙（）的施用量分别为 ，和 。生物堆肥和传统堆肥的高施用量和常规施用量分别为 和 。生物堆肥堆 制方法：将 秸秆、鸡粪、麦麸、棉 粕 按干 重 比（:）混合均匀成堆，然后在原料堆上喷洒（）有效微生物（）菌剂溶液，搅拌均匀，按微生态工程技术进行堆肥发酵而成。堆肥高温期隔一天翻一次，温度不超过。当低于，即为腐熟。传统堆肥除不含菌剂外，其余原料与堆制方法均与生物堆肥相同。菌剂由北京沃土天地生物科技有限公司提供。在 年 月冬小麦苗期采集土样，每个小区随机取点采集，和 土层样品，去除石砾和根系，混合土样。测定方法 提取水溶性有机物（）提取采用水土振荡提取法，取过 的鲜土于离心管中，按土水比:加入 去离子水后振荡，离心 后过 滤膜，滤液即为 溶液，溶液保存于冰箱用于 浓度测定和三维荧光光谱分析。三维荧光光谱测定第期 柳夏艳等：长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究利用 型荧光光 度 计 测 定土 壤 中 的三维荧光光谱。狭缝宽带：，；响应时间：；激发波长范围为 ，间隔为，发射波长为 ，间隔为，扫描速度为 。计 算 荧 光 指 数（）、自 生 源 指 标（）和腐殖化指数。土壤性质分析土壤理化参数按照文献 测定，浓度用 有机碳分析仪测定。数据处理采用 和 软件分别进行数据统计分析、三维荧光光谱图的绘制和荧光区域积分。试验结果为三个重复的平均值。结果与讨论 不同施肥处理下 土壤水溶性有机碳含量长期施用堆肥显著影响不同土层 的含量（图）。施用堆肥使 和 土层 含量分别显著提高了 和 。不同施肥处理土壤 含量在土壤剖面的分布有较大差异，主 要与 的生物降解或吸附等因素有关。在 和 处理下，随土层深度的增加呈先增加后降低趋势，土层含量最高，其原因可能与 和 处理的土壤 来源主要是植物凋落物、作物秸秆和根系，其经过腐殖化、淋溶、生物降解或吸附作用使 土层 含量较高。在图不同施肥处理下 土壤 含量，和 注：大写字母表示相同土层不同处理间达到显著差异，小写字母表示相同处理不同土层间达到显著差异（），下同 ，光谱学与光谱分析第 卷，和 处理下，随土层深度的增加呈先减少后增加趋势；处理下，随土层深度的增加呈先减少后增加再降低趋势，在 土层含量最高。我们的结果与一些研究的结果相反，这可能是微生物、降水淋溶作用、温度、根系分布等因素共同作用的结果，一方面可能是由于采样时间为冬小麦苗期，气温较低，影响微生物活动，导致下层土壤 降解减少，含量较高，另一方面可能是因为堆肥施用改善了土壤结构，建立了更多的孔隙通道有助于 向下层土壤迁移，具体深入的原因还需进一步探究。不同施肥处理下 土壤水溶性有机物三维荧光特性 不同施肥处理下 土壤水溶性有机物三维荧光光谱指数荧光指数 常被用来表征 来源，当 时，来源于植物根茎叶，为陆源；时，主要来源于微生物的代谢及降解产物，为内源；介于 时，为微生物和植物混合源。本研究土壤 的 为 （图），说明 来源为微生物和植物混合源。土层 的 均值为 ，更接近陆源特征值 ，说明表层土壤 主要来源于植物根茎叶；底层土壤 和 土层 的 均值为 和 ，更接近内源特征值 ，说明底层土壤 主要来源于微生物代谢及降解产物。在土壤剖面上，由陆源向生物源迁移。土层 随堆肥施用量的增加而增加，表明堆肥施用量的增加使 由陆源向生物源迁移，芳香性减弱。其主要原因是有机肥为微生物提供能量来源，微生物频繁的活动使有机质被彻底的分解利用。表征 自生源相对贡献，时，说明生物或细菌引起的自生来源；为 时，说明陆源输入或受人类影响较大。和 土层 的 均值为 ，说明 土层 主要来源于陆源输入或受人类影响较大，与 表明的结果一致。产生这些结果的原因可能是堆肥为土壤带入了大量的碳。随土壤深度增加而上升，这说明越往下层土壤新生成的 越多。表征 的腐殖化程度。时，表明 腐殖化程度低，在 时，说明 有显著的腐殖质特征 。堆肥处理的各层土壤 值均高于 和 ，表明施用堆肥促进土壤 腐殖化。土层 值高于下层土壤，为 ，表明表层土壤 腐殖化特征明显，可能是由于表土具有较高的腐殖质作用，且积累的腐殖质随土层深度增加被土壤中微生物逐渐分解转化，另外表土中大土壤颗粒优先吸附具有高芳香性、高分子量的疏水 成分，而亲水性成分易在底土中逐渐积累。土层的 值随堆肥施用量而增加，可能是因为堆肥施用会对土壤有机碳产生激发效应，使微生物分解利用的蛋白类物质向更稳定的腐殖质类物质转化。不同施肥处理下 土壤水溶性有机物三维荧光光谱特征长期施肥会影响土壤有机碳，进一步影响土壤 的组成。根据 等 描述，三维荧光光谱图可分为个区域：区域（：，：）为类酪氨酸蛋白质，可为微生物提供碳源和氮源，也是有机氮的重要来源；区域（：，：）为类色氨酸蛋白质，是天然氨基酸中的重要发光组分；区域（：，：）为类溶解性微生物代谢产物，与 土 壤 微 生 物 代 谢 过 程 密 切 相 关；区 域（：，：）为类富里酸，是一种含有大量羧基、碳水化合物和少量芳香基和烷烃的物质；区域（：，：）为类腐殖酸，一类含有大量长链烷烃和少量芳香基和碳水化合物的物质，土壤中的腐殖酸和富里酸是土壤腐殖质的重要组成部分，与腐殖质结构中的羰基和羧基等有关。的荧光峰能够表征其结构和组成特点。土壤样品 的三维荧光光谱共出现了个荧光峰（图、图和图），和峰分别属于类酪氨酸和类色氨酸，和峰属于类腐殖酸，峰属于类溶解性微生物代谢产物。在 和 处理下，共有，和峰出现；随着土壤深度增加，峰位置基本不变，荧光强度增加，说明类酪氨酸含量增加；随着土壤深度增加，峰位置不变，荧光强度先增加后降低，在 最高；随着土壤深度增加，峰类腐殖酸的激发波长从 蓝移到 ，说明腐殖质等芳香化族化合物 减 少，有机物质的芳香度和分子量降低。在 和 处理下，共有，和峰出现；与 和 处理相比，峰在 土层消失，在 土层位置没有变化，说明生物堆肥施用降低 土层类酪氨酸含量；峰的变化规律与 和 处理相似；与 和 处理相比，在，和 土层出现了峰，说明施用生物堆肥可能增加了类腐殖酸含量；在 处理下，土层峰出现。在 和 处理下，共有，和峰出现；与 和 处理相比，峰在 土层消失，在 土层位置没有变化，说明传统堆肥施用降低 土层类酪氨酸含量；峰和峰变化与生物堆肥处理相似。综上，类酪氨酸峰在 和 处理中一直存 在，在 和 处理下 土层消失，可能是由于 和 处理的土壤有机碳含量较低，而 和 处理的土壤有机碳含量高，其中易被微生物利用的蛋白质类物质大部分已经发生了转化，即使有新的有机物进入土壤也很难再激发其继续转化。不同施肥处理下 的结构和组成在土壤剖面上的差异可能和土壤 含量高低有密切关系。从荧光图谱看到的信息是定性的，通过荧光区域积分能定量的去比较不同施肥处理下 的结构和组成在土壤剖面上的差异。不同施肥处理下 土壤水溶性有机物组分特征为定量揭示长期施用堆肥对 土壤 的影响，对不同 荧光区域进行积分，各区域积分值如表所示。在同一土层，类腐殖酸的荧光区域积分值最高，类酪氨酸蛋白质的荧光区域积分值最小，说明类腐殖酸是 的主要组分，与等 研究结果一致。类腐殖酸随土壤深第期 柳夏艳等：长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究图对照和施用化肥处理下 土壤 的三维荧光光谱图 光谱学与光谱分析第 卷图长期施用生物堆肥下 土壤 的三维荧光光谱图 第期 柳夏艳等：长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究图长期施用传统堆肥下 土壤水溶性有机物的三维荧光光谱图 光谱学与光谱分析第 卷度的增加而降低；堆肥施用增加了类腐殖酸物质，且随着施用量的增加而增加。类富里酸含量随土壤深度的增加整体呈降低趋势；高量生物堆肥和传统堆肥的施用增加了类富里酸物质的含量。表明堆肥的施用增加了土壤腐殖质的含量。这可能是由于脂肪族化合物和低极性化合物优先溶解在土壤溶液中，而不饱和化合物、芳香族化合物和高极性化合物倾向于吸附在土壤颗粒上，而施用堆肥促进土壤团聚体的形成，使腐殖质类物质积累。类酪氨酸蛋白质随土壤深度的增加呈增加趋势。类色氨酸随土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势，在 含量最高。可能是因为蛋白质是微生物分解利用的主要物质，在下层土壤微生物活性降低，导致蛋白类物质降解减少，造成物质富集。施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量，是由于有机碳含量高的土壤有着更高的微生物活性，使得类蛋白质类物质被分解利用。类溶解性微生物代谢产物随土壤深度增加整体呈降低趋势，高量生物堆肥和传统堆肥的施用增加了类溶解性微生物代谢产物。类溶解性微生物产物与有机碳含量和微生物活性有着密切的关系，有机碳含量随着土壤深度增加而降低可能导致了类溶解性产物的降低，堆肥的输入增加了土壤有机碳和微生物活性，进而增加了类溶解性微生物代谢产物的含量。表不同施肥处理下 土壤 荧光区域积分 土壤深度 处理荧光区域积分（）图所示，在同一土层类酪氨酸蛋白质所占百分比最少，类腐殖酸占比最高，与上述结果一致。随着土壤深度增加，类腐殖酸占比下降，类溶解性微生物代谢产物占比增加，说明随着土壤深度增加，有一部分来源于微生物分解代谢。堆肥的施用使得类腐殖酸占比增加，类色氨酸占比减少，表明堆肥的施用会激发蛋白质类物质向稳定的腐殖质类物质转化，分子结构变得更复杂。在腐殖质多元酚形成理论中，微生物代谢产生的多元酚和醌有机化合物参与土壤腐殖质的形成。由于采样时间在冬小麦苗期，温度低，土壤含水量较少，有助于有机化合物聚合为芳香度高、分子量大、结构复杂、腐殖化程度高的物质。研究表明，土壤 的各种组分有一定的转化机制。所以施用堆肥的土壤 可能的转化机制是在有机碳含量高的土壤中堆肥施用增加了微生物活性，加快有机碳的分解释放出一部分 与类蛋白质类物质相互作用并转化为较稳定的腐殖质类物质保存在土壤中，另一部分则以 形式存在于土壤中供微生物分解利用。长期不同施肥处理下 各组分与土壤理化参数的相关性分析 的种组分之间呈显著相关（表），其中类色氨酸、类富里酸、类溶解性微生物产物、类腐殖酸之间均呈显著正相关，类酪氨酸与其余四个组分呈显著负相关，表明种组分之间来源和结构有一定的联系，可能存在转化关系。组分与土壤理化参数有不同程度的相关性。大部分土壤理化参数（除 和 外）与类酪氨酸物质呈显著负相关，与类富里酸物质、类溶解性微生物产物和类腐殖酸呈第期 柳夏艳等：长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究图不同施肥处理下 土壤 组分分布情况 表 各组分与土壤理化参数之间的相关性分析 各区域积分值 注：；光谱学与光谱分析第 卷显著正相关，与类色氨酸物质呈显著正相关，另外，长期施用堆肥增加了土壤养分、类富里酸、类溶解性微生物产物和类腐殖酸的含量，降低了类色氨酸的含量也解释了这一点。另一方面也表明土壤 组分与土壤营养元素的迁移转化密切相关，可提高土壤养分的有效性，原因可能是由于 的有机酸可以活化土壤养分，有丰富的营养功能，同时土壤 可改善微生物营养条件，增强微生物活性，促进有机质矿化，其对土壤养分库的贡献很大。类蛋白质更易受 的影响，对腐殖质类物质无影响，可能与腐殖质分子结构复杂有关。总之，土壤 组分对长期施用堆肥具有良好的响应机制。结论长期施用堆肥处理的土壤 在土壤剖面的分布有较大差异。主要结论如下：（）来源为微生物和植物混合源，堆肥施用量的增加使 腐殖化程度加强，造成表层土壤中 由陆源向生物源迁移，随着土壤深度的增加，由陆源向生物源迁移。（）类腐殖酸物质随堆肥施用量的增加而增加；高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量；施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。（）在土壤剖面上，类腐殖酸、类富里酸和类溶解性微生物代谢产物含量随土壤深度的增加整体呈降低趋势；类酪氨酸蛋白质随土壤深度的增加呈增加趋势；类色氨酸随土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势，在 含量最高。（）的种组分与土壤理化参数有不同程度的相关性。总之，长期施用堆肥增加了潮土剖面表层 的含量，并使 组分在剖面上分异增强，不同土壤层次的 组成具有显著的差异，土壤剖面下层 的微生物来源性增强，说明长期施用不同的有机肥和化肥种类可显著改变土壤中 的组成和立体分布特征。，：，：，：，（）：，：，：，（常单娜，曹卫东，包兴国，等）（光谱学与光谱分析），（）：，：，：，（彭志刚，刘晓庆）（现代农业科技），（）：，（）：，：，（高洁，江韬，李璐璐，等）（环境科学），（）：，（訾园园，孔范龙，郗敏，等）（应用生态学报），（）：（鲍士旦）（土壤农化分析）（版）：（北京：中国农业出版社），（高颖，鲍勇，胡伟芳，等）（亚热带资源与环境学报），（）：，（）：，（石坤，夏昕，关强，等）（水土保持学报），（）：第期 柳夏艳等：长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究 ，（），（），（），（）（）（），；，；（，；，）光谱学与光谱分析第 卷