宝鸡城郊农田土壤水溶性有机碳含量分布及紫外-可见光谱特征分析

李美娟

(1.陕西省灾害监测与机理模拟省级重点实验室,陕西 宝鸡 721013;2.宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013)

宝鸡城郊农田土壤水溶性有机碳含量分布及紫外-可见光谱特征分析

李美娟1,2

(1.陕西省灾害监测与机理模拟省级重点实验室,陕西 宝鸡 721013;2.宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013)

测定了宝鸡市城郊麦田和油菜田土壤的水溶性有机碳含量,分析了它们的紫外-可见光谱特征。研究结果表明：油菜田土壤水溶性有机碳含量明显高于麦田土壤的；麦田和油菜田土壤水溶性有机碳含量分别在20～30 cm、10～20 cm土层中最高,但均在30～50 cm土层中最低；随着土层深度在0～50 cm间增加,两种农田土壤的pH值均增大；在190～800 nm波长区间,随着波长增加,两种农田土壤样品水溶性有机碳的吸光度均降低,最大吸收峰出现在200 nm左右,而且在240～280 nm波长区间存在明显的肩峰吸收。

农田；土壤;水溶性有机碳;分布；紫外-可见光谱；特征

土壤水溶性有机物(Dissolved organic matter, DOM)是指经过无CO2蒸馏水浸提,能通过 0.45 μm水系滤膜的具有不同结构和大小的有机分子混合体,主要包括水溶性有机碳(Dissolved organic carbon, DOC)、水溶性有机氮(Dissolved organic nitrogen, DON)和水溶性有机磷(Dissolved organic phosphorus, DOP)等。DOM在全球陆地生态系统的C、N、P循环和收支平衡中具有重要作用。其中DOC是土壤有机质中最为活跃的一部分,主要来源有植物凋落物、有机肥、微生物代谢等,是土壤质量的重要评价指标,对土壤肥力研究具有重要的参考价值[1-4]。不同的土地利用/覆被会影响DOC的垂直迁移和土壤对DOC的截留。DOC对土壤剖面碳分布的影响依赖于气候(降雨的数量、时间)、土壤条件(土壤结构/质地、营养状态和pH值)、植被类型(根分布和残体数量、质量),而土地利用/覆被变化会对这些因素造成影响[5-9]。

目前土壤水溶性有机物的研究多着眼于森林生态系统,而较少针对农田土壤系统,且研究土壤吸附性水溶性碳含量较多,而较少结合光谱技术分析土壤吸附性水溶性碳的化学结构[10-14]。鉴于此，我们以地处黄土丘陵区的宝鸡城郊王家河、赵家庄塬区的麦田和油菜田土壤为研究对象,测定了其水溶性有机碳的含量,研究了不同农田土壤类型水溶性有机碳含量的垂直分布特征及分布差异,同时结合紫外-可见光谱技术,以图形方式分析了该地土壤水溶性有机碳的化学结构特征及其来源,以期为当地土壤肥力评价后续研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

2016年5月12～13日(天气晴好)在位于宝鸡城郊王家河、赵家庄塬区(E107°8′57″～107°9′7″、N34°19′38″～34°19′54″,海拔660～810 m)的麦田(成熟扬花期)、油菜田(成熟结籽期),按网格法设置样点,用土钻分层取样,将编号标记的密封袋带回实验室。所取样品按5个小样方按层分别混合,置于编号标记的牛皮纸上,按1～2 cm厚平摊晾开,除去碎石块、树根等杂物,置于实验室阴凉通风处自然风干(比较粘的土质比如油菜田土壤需要在半干时用擀杖将土块擀碎或用手捏碎)。共计麦田样地10个,依次记为sw1、sw2、sw3、…、sw10,每个样地取4层土样，共获各层混合土样40个；油菜田样地10个,依次记为sr1、sr2、sr3、…、sr10，获各层混合土样40个。

1.2 样品前处理(浸提液制备)

对自然风干后的土样,按四分法进行筛选，留取约1 kg土样,每个样地留5个混合样做平行。土样先经擀杖粗擀,再用研钵粗磨之后过10目(孔径2 mm)筛；将过10目筛的土样再按四分法逐次取样,留取适量(200 g左右)做标记，待用。称取10 g过筛土样于100 mL离心管中,加超纯水(美国pull公司)50 mL,拧紧离心管盖,在恒温振荡培养箱(上海新仪)中以200 r/min的转速在25 ℃下振荡24 h；然后取出浸提样品，静置15 min,在离心机上以8000 r/min离心10 min；最后将离心后的上清液用0.45 μm水系针式过滤器(上海新亚)过滤。对处理好的样品及时进行分析；未测完的样品需要在冰箱(4 ℃)中保存,保存期限最多7 d。

1.3 测定与分析

pH值测定:称取自然风干后过10目筛的土壤样品10 g，置于100 mL烧杯中,之后加入25 mL超纯水以1∶2.5的比例[11-12]混合、搅拌均匀，最后用雷磁pH-3C型pH计测定其pH值。每个样测定2次，求平均值。pH计在使用前须用校准液(根据预测的酸碱度选取不同的校准液)校准。

DOC含量测定:将制得的土壤浸提液按1∶10的比例稀释,用德国元素公司的liquidⅡTOC仪测定。每个样测定2次，求平均值。

DOC的紫外-可见光谱测定:将制得的土壤浸提液按1∶10的比例稀释,用哈希公司的DR6000波长扫描模式进行紫外-可见波长扫描,扫描波长范围设置为190～800 nm(为了很好地观察200 nm处的吸光度,设置紫外波长范围至190 nm)。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值测定结果

由图1可见：麦田与油菜田土壤pH值在土壤深度0～50 cm范围内均随着土壤深度的增加而逐渐增大；麦田土壤pH值呈弱碱性,分布在7.6～8.5之间；油菜田土壤pH值呈弱酸性,分布在6.5～7.4之间。之所以在同样的立地条件下,麦田土壤pH值大于油菜田土壤pH值,这是因为油菜田施用的基肥以有机肥及难溶性矿质磷肥为主,其中有机肥主要是牲畜粪、土杂肥、塘泥、饼肥等,其有机质含量丰富,有机质在微生物的作用下形成吸附性较强的腐殖质,而腐殖质对土壤中H离子的影响较大,从而会对土壤酸度产生较大的影响。

图1 不同类型农田土壤pH值随土壤深度的变化

2.2 土壤DOC测定结果

由图2～图4可以看出：油菜田土壤在0～10、10～20、20～30、30～50 cm四个不同深度,其DOC含量分布规律表现为10～20 cm>20～30 cm>0～10 cm>30～50 cm；麦田土壤在4个不同深度,其DOC含量分布表现为20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm>30～50 cm。这与张四伟等[10,13]的研究结果一致。这是因为塬区农田多以翻耕播种为主,所以在翻耕层(0～20 cm)两种农田土壤的DOC含量都较高。此外，油菜田各土层土壤的DOC含量均远远高于麦田相应土层土壤的,这可能也与油菜田施用较多的有机肥有关。

由图3可知：油菜田土壤与麦田土壤的DOC含量均以30～50 cm土层最低,而且在此土层中两种农田间DOC含量差距明显缩小,这也与已有的研究结果相一致。DOC在土壤迁移中大分子物质、芳香化合物能被优先吸附[14],所以在30～50 cm土层中DOC含量因为上层土壤层吸附、消耗等作用而最低。

图2 麦田土壤水溶性有机碳含量的分布

图3 油菜田土壤水溶性有机碳含量的分布

图4 麦田与油菜田土壤水溶性有机碳平均含量的分布

2.3 紫外-可见光谱测定结果及特征分析

紫外-可见光谱具有灵敏度高、检测所需样品少、样品不需要特殊分离等优点,为研究样品的有机物来源、腐殖化程度等提供了便利快捷的方法[15]。紫外-可见光谱与有机物的不饱和键及芳香性结构有关,在紫外-可见光谱表征中常用部分光谱特征值研究其基础特性,文献中最常用的表征参数有SUVA254、SUVA280、SUVA254/DOC×100、A240/A420、A253/A203等,其中SUVA254表征芳香族化合物的结构,SUVA280表征芳香性、疏水碳容量、腐殖化等,SUVA280还可间接反映DOM的相对分子量大小,与相对复杂的芳香类化合物含量有关[16-23]。A253/A203可以反映芳香环的取代程度和取代基种类,若A253/A203增大,则说明芳香环含有较多的羰基、羧基、羟基、脂类；若A253/A203减小,则说明样品主要由不可取代的芳香环构成。A240/A420代表紫外光和可见光吸收能力的相对关系,表征腐殖质的团聚化程度和分子量的大小,该比值与土壤中天然有机质的团聚化和分子量呈负相关[1,15,17-23]。

由麦田土壤和油菜田土壤水溶性有机碳的紫外-可见光谱扫描曲线(图5～图6)可见：吸光度均随着波长在190～800 nm间增加而呈现降低的趋势；最大吸收峰或者端吸收均出现在200 nm左右，而且在240～280 nm波长区间存在明显的肩峰吸收。这与山地土壤DOM及格氏栲凋落物淋出液的紫外-可见光谱[1]相似,其240～280 nm处于B吸收带,该吸收带由苯环的π-π跃迁引起[15],这说明油菜田和麦田土壤样品中都可能存在芳香环结构。由图5还可以看到，油菜田土壤紫外-可见光谱曲线在300～380 nm之间还存在次肩峰,这说明在油菜田土壤样品中存在芳香族或脂肪族醛酮化合物,或者不饱和的羰基化合物[19]。

由表1及表2可以看出：油菜田土层的腐殖化程度、芳构化程度要高于同层麦田土壤的；油菜田土层土壤水溶性有机碳的结构比麦田相同土层土壤水溶性有机碳的结构要复杂些；油菜田土层有机碳的分子量也要比麦田土壤相同土层有机碳的分子量大，在耕种层(10～30 cm)尤为明显。推测这与麦田和油菜田的人为施肥干预有很大关系,在油菜田施用了较多的有机肥底肥是主要原因。此外，油菜田土壤芳香环上取代基的复杂程度高于麦田土壤的,说明油菜田中芳香环上取代基以羰基、羧基、羟基及酯类较多,以油菜田土壤20～30、10～20 cm土层的取代基最为复杂；对比而言,麦田土壤样品水溶性有机碳分子结构中分子取代基主要由更简单一些的脂肪链构成。根据本实验结果结合相同土层DOC含量分析,可推断出紫外-可见光谱的部分特征值与土壤DOC含量有很大的相关性。这也得到了相关研究[1-2]的证实；只是由于DOC来源不同,相关性的程度也有所不同[17,19,21-22]。

图5 油菜田土壤水溶性有机碳的紫外-可见光谱

图6 麦田土壤水溶性有机碳的紫外-可见光谱

土层深度/cmA254A280A240/A420A253/A2030～100.4810.3735.9330.37510～203.1412.4036.8400.84620～303.5462.7766.4340.96230～501.3791.0238.0160.596

表2 麦田(sw1)土壤紫外-可见光谱特征值

3 小结

本研究结果表明：宝鸡地区城郊塬区麦田土壤水溶性有机碳含量在20～30 cm土层中最高,平均为317 mg/kg，在30～50 cm土层中最低,平均为170 mg/kg;油菜田土壤水溶性有机碳含量在10～20 cm土层中最高,平均为1342 mg/kg, 在30～50 cm土层中最低,平均为535 mg/kg;油菜田土壤水溶性有机碳含量明显高于麦田土壤的；油菜田土壤pH值呈弱酸性,麦田土壤pH值呈弱碱性；随着土层深度增加,两种农田土壤的pH值均增大；土壤pH值与土壤水溶性有机碳含量间无显著的相关性。

由紫外-可见光谱可见，油菜田和麦田土壤样品中都可能存在芳香环结构,且油菜田土壤样品中存在芳香族或脂肪族醛酮化合物,或者不饱和的羰基化合物。油菜田土壤样品有机质腐殖化程度、芳构化程度高于麦田土壤样品的；油菜田土壤样品有机碳分子结构中取代基比麦田土壤样品更复杂些。

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DistributionofSoilDissolvedOrganicCarboninFarmlandofBaojiSuburbandAnalysisofItsUltraviolet-VisibleSpectralCharacteristics

LI Mei-juan1,2

(1. Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation of Shaanxi Province, Baoji 721013, China; 2. College of Geographic & Environment, Baoji University of Arts and Science, Baoji 721013, China)

The contents of soil dissolved organic carbon in wheat field and oilseed rape field of Baoji suburb were determined, and their ultraviolet-visible spectral characteristics were analyzed. The results showed that: the content of soil dissolved organic carbon in oilseed rape field was obviously higher than that in wheat field; the content of dissolved organic carbon in wheat field and oilseed rape field was the highest in 20～30-cm-deep and 10～20-cm-deep soil layer, respectively, while the content of dissolved organic carbon was the lowest in 30～50-cm-deep soil layer of both wheat field and oilseed rape field; the soil pH-value of two types of farmlands increased with the increase in soil layer depth within 0～50 cm; as the wavelength increased from 190 nm to 800 nm, the absorbance of dissolved organic carbon in soil samples of both wheat field and oilseed rape field decreased, the maximum absorption peak appeared at about 200 nm, and an apparent acromion-absorption existed within 240～280 nm.

Farmland; Soil; Dissolved organic carbon; Distribution; Ultraviolet-Visible spectrum; Characteristics

2017-08-15

陕西省教育厅专项科学研究项目(16JK1042);陕西省科技计划项目自然科学基础研究计划(2015JQ4114);陕西省教育厅项目(14JS008)。

李美娟(1981─),女,陕西户县人,实验师,研究方向为环境科学。

S153.62

A

1001-8581(2017)11-0033-05

(责任编辑:黄荣华)