不同施肥处理对春玉米土壤溶解性有机质的影响

赵海超，黄智鸿，罗永华，田再民

(河北北方学院，河北张家口 075000)

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是陆地生态系统生物地球化学循环的重要组分[1]。DOM是广泛存在于土壤中的一类结构复杂、性质稳定的有机高分子混合物[2]，是土壤样品在室温及天然pH值条件下，用水提取能通过0.45 μm微孔滤膜的土壤有机物质[3-4]。DOM中含有大量的溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)、溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)和溶解性有机磷(dissolved organic phosphorus，DOP)等生物潜在可利用碳、氮、磷。然而，与可溶解无机氮磷相比，溶解性有机氮磷很少受到人们的关注，但近年来，关于土壤中DOM的功能和动态研究取得了较大的进展[5]。随着酶学、微生物学及光谱技术的发展，溶解性有机质成为国内外研究的热点问题，三维荧光光谱法(three dimensional excitation emission matrix fluorescence spectrum，3DEEM)分析技术具有灵敏度高、选择性高、信息量高、所需样品量少且不破坏样品结构的优点，逐渐成为研究自然界DOM的普遍方法[6-7]。荧光光谱图中Ex/Em特征峰值是描述DOM来源和组成的重要参数[8]。特征荧光强度综合指标(∑Fex/em)表示溶解性有机物的综合含量[8-9]，荧光峰的强度越强，所代表的组分含量越高。荧光参数r(A/C)是一个与有机质结构和成熟度有关的指标[10]。荧光指数(fluorescence intensity ratio，FI)是表征DOM中腐殖质来源的参数[11]。自生源指数(autochthonous index，BIX)表征DOM自生源相对贡献[12]。

土壤中溶解性有机质主要来源于土壤微生物对土壤有机质的降解和施肥、植物枯枝落叶残体等外源输入[5-13]。因此，施肥等农艺活动是影响土壤DOM含量及结构的主要因素。Ge等研究表明，有机农业与常规耕作相比，不施用化肥能够增加土壤DON含量[14]。笔者前期研究表明，施肥对DOM具有双重作用，施肥不仅是土壤DOM的重要来源，还可通过影响微生物及作物根系活力促进土壤DOM的耗损，DOM荧光强度与产量呈显著正相关关系[15]。有机肥可以向土壤输入DOM，而化肥等肥料可以通过影响土壤微生物活性及作物生长而影响土壤DOM含量及其结构。DOM是土壤肥力及土壤养分流失的重要组分，探讨施肥配比对土壤DOM的影响，能够深入揭示施肥处理对土壤有机养分影响的重要机制。本研究通过连续4年的田间定位试验，分析不同肥料配比对春玉米(Zeamaysssp.maysL.)农田土壤DOM、DOC、DON、DOP含量的影响，为该区域建立农田土壤培肥技术体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于我国北部河北省张家口市宣化县沙岭子镇南兴渠村(40°36′11.56″ N，115°08′05.74″E)，该区春玉米种植面积近70万hm2，占全河北省春玉米种植面积的近1/3。试验地点的无霜期为100～150 d，年降水量为350～450 mm，主要集中在7～8月。试验区土壤主要为褐土，土壤质地为壤质土，2014年土壤理化性状如表1所示。

1.2 试验处理

试验处理设单施氮(N)、单施磷(P)、氮磷配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、单施有机肥(O)、有机肥+N(ON)、有机肥+P(OP)、有机肥+NP(ONP)、有机肥+NPK(ONPK)9个处理，以不施肥为对照(CK)，以上9个处理与对照分别用1～10表示；其中施N 180 kg/hm2，施P(P2O5)150 kg/hm2，施K(K2O)120 kg/hm2，施有机肥 7 500 kg/hm2。N肥用尿素(含46%氮)、P肥用过磷酸钙(含12% P2O5)、K肥用硫酸钾(含50% K2O)、有机肥用牛粪(含14.7%有机质、0.42%氮、0.22%磷)，牛粪用量 7 500 kg/hm2(用量略高于当地习惯用量)。为减少土壤扰动等引起的差异，肥料均以基肥一次性施入土壤。重复3次，共30个小区，小区面积为6 m×10 m=60 m2。田间管理、种植密度同当地传统种植。2010—2014年连续4年采用田间定位施肥，种植玉米品种为郑丹958，种植密度为75 000株/hm2，田间管理同当地传统种植。

表1 土壤0～40 cm土层理化性质

1.3 土壤样品采集

2014年于玉米成熟期(9月20日)，在田间试验小区内按“S”形采样法随机采集5点，3个土层采样深度分别为0～10、10～20、20～40 cm，现场混匀，去除土壤中植物残体和根系，置于塑封袋中带回实验室，4 ℃保存。进行土壤有机质组分和土壤微生物生物量的测定，产量指标采用4年的平均值。

1.4 分析方法

土壤DOM浸提液制备：土壤冷冻干燥后，过100目筛，利用超纯水浸提[水土质量比为10 ∶1，200 r/min、(20±1)℃下振荡16 h，在10 000 r/min、20 ℃下离心30 min，使固液分离，上清液过0.45 μm滤膜]获得土壤DOM浸提液。DOM采用三维荧光光谱法测定[6-8]，利用Hitachi F-7000型荧光光谱分析仪测定其三维荧光光谱(3DEEM)。激发和发射波长狭缝宽度为5 nm，扫描速度为2 400 nm/min，激发波长(Ex)为200～450 nm，发射波长(Em)为250～600 nm。DOC含量采用 TOC-5000A 测定；土壤中溶解性有机氮含量采用溶解性总氮(DTN)含量与氨态氮(NH3-N)、硝态氮(NO3--N)含量的差减法测定[16]，DTN和NO3--N含量采用紫外分光光度计法测定，NH3-N含量采用纳氏试剂分光光度计法测定，计算公式为DON=DTN-NH3-N-NO3--N；土壤溶解性有机磷含量采用溶解性总磷(DTP)与活性磷(SRP)的差减法测定，DTP、SRP含量采用紫外分光光度计法测定，计算公式为DOP=DTP-SRP。土壤微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)、微生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)含量采用三氯甲烷熏蒸培养法测定[17-18]，MBC采用multi N/C 3100分析仪测定，MBN采用Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪(FOSS)测定。土壤微生物量碳含量采用熏蒸提取-容量分析法测定；土壤微生物量氮含量采用熏蒸提取-茚三酮比色法测定。土壤基本理化性状采用常规分析法测定。0～40 cm 土层各指标值为分层土壤指标的平均值。

1.5 数据处理

试验数据统计与作图采用Excel 2003软件，数据差异显著性分析、相关分析和回归分析采用SPSS 17.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 施肥对春玉米农田土壤DOM的影响

DOM是土壤主要的活性有机质组分，不同施肥措施对春玉米农田土壤DOM影响如图1所示。通过土壤DOM的3DEEM可见，与前人研究结果对比，各处理不同层次土壤3DEEM均出现Peak-A(紫外区类腐殖质荧光峰)、Peak-C(可见区类腐殖质荧光峰)和Peak-E(类蛋白荧光峰)3个荧光峰[6-9]。不同处理0～40 cm土壤DOM的∑Fex/em在46.04～78.24之间，大小顺序为NPK>O>OP>N>ONP>P>CK>NP>ON>ONPK，而且NPK和O处理显著高于ONPK处理，可见有机肥和无机肥配施可降低土壤中DOM含量，但不同处理对各土层DOM影响不同，玉米根系主要活动层在10～20 cm，该层DOM的∑Fex/em大小顺序为O>N>NPK>OP>ONP>P>CK>ONPK>ON>NP，而且O和N处理明显高于其他处理，0～10 cm土层∑Fex/em以NP处理最高，20～40 cm 土层∑Fex/em以NPK处理最高。可见单施有机肥和氮肥能够增加土壤10～20 cm土层DOM，氮磷肥配施有利于增加0～10 cm土层DOM，氮磷钾肥配施有利于增加20～40 cm土层DOM含量，不同施肥措施能够显著影响土壤DOM含量。

2.2 施肥对春玉米农田土壤DOC的影响

DOC是指在一定的时空条件下，受植物和微生物影响强烈、具有一定溶解性的土壤碳素[15]，它能够反映土壤DOM的含量。不同处理0～40 cm土壤DOC含量在101.24～253.48 mg/kg 之间，大小顺序为ONPK>N>ON>ONP>P>NP>O>OP>NPK>CK，而且ONPK和N处理明显高于其他处理，施肥处理均显著高于CK，可见施肥能够增加土壤DOC含量，施用有机肥和氮肥有利于增加土壤DOC含量。10～20 cm 土层DOC含量大小顺序为ONPK>N>NP>P>O>OP>ONP>NPK>ON>CK，而且ONPK和N处理明显高于其他处理，施肥处理均显著高于CK。0～10 cm土层DOC含量以ONP处理最高，且各施肥处理均显著高于CK。20～40 cm 土层DOC含量以ONPK处理最高，且ONPK和O处理均明显高于其他处理(图2)。由此可见，有机无机肥配施、单施氮肥和有机肥能够显著提高土壤DOC含量。

2.3 施肥对春玉米农田土壤DON的影响

DON是土壤氮素生物地球化学循环的关键组成部分[19]，是限制陆地生态系统生产力的重要元素[20]。不同处理0～40 cm土壤DON含量在26.81～54.87 mg/kg之间，大小顺序为CK>ON>NP>ONPK>ONP>P>O>OP>NPK>N，而且NPK和N处理明显低于其他处理，施肥处理均明显低于CK，总体来看，施肥能够降低0～40 cm土层土壤DON含量，因为施肥增加土壤微生物活性[21]，加速DON的降解而使DON含量下降。10～20 cm土层DON含量大小顺序为ON>NP>ONPK>CK>N>NPK>OP>ONP>P>O，而且ON处理显著高于其他处理。0～10 cm土层DON含量以O处理最高，且与CK显著高于其他处理，20～40 cm土层DON含量以CK最高，且明显高于施肥处理(图3)。可见施肥能够降低0～40 cm 土层土壤DON含量，但氮肥和有机肥配施比其他施肥处理有利于增加耕层(10～20 cm)土壤DON含量，主要是由于氮肥的施入抑制微生物对DON的降解，同时施用有机肥有利于防止DON的流失[22]，而增施有机肥有利于增加0～10 cm土层土壤DON含量，主要是由于有机肥撒施于表层，耕翻后进入土壤，表层留存较多。而配合施肥有利于促进微生物活性，加速DON的降解而使DON含量下降。

2.4 施肥对春玉米农田土壤DOP的影响

土壤有机磷(organic phosphorus)对土壤磷的矿化及磷循环具有重要的作用[23]，DOP是土壤浸提液中容易被生物利用的有机磷[24]。不同处理0～40 cm土壤DOP含量在26.81～54.87 mg/kg之间，大小顺序为NPK>CK>ONPK>P>ONP>ON>OP>N>O>NP，总体来看，平衡施肥有利于增加土壤DOP含量，不施肥使土壤微生物活性降低，减少了DOP的降解量，缺施磷肥促进土壤中DOP向无机磷转化以被玉米吸收利用，使土壤中DOP含量降低。10～20 cm土层DOP含量大小顺序为ONPK>NPK>ONP>CK>ON>OP>NP>P>N>O，而且ONPK处理显著高于其他处理。0～10 cm土层DOP含量以CK最高，且明显高于其他处理，20～40 cm土层DOP含量以P处理最高，且显著高于其他处理(图4)。可见配合施肥有利于增加土壤DOP含量，且主要增加肥料施入层土壤DOP含量，单施磷肥有利于增加底层土壤DOP含量，缺施磷肥会降低土壤中DOP含量，但不施肥能够使土壤保有较高的DOP含量。

3 讨论

3.1 施肥对土壤DOM来源的影响

土壤中DOM主要来源于有机质降解和生物分泌物以及外源有机肥输入，同时DOM是土壤微生物及作物根系利用的主要有机质形态，因此土壤中DOM既受生物的影响，同时又受有机肥和植物残体输入的影响。DOM荧光参数能够表征土壤DOM的来源，r(A/C)值可以用来反映DOM中类腐殖组分发育程度[10]，如图5所示，不同施肥处理土壤DOM的r(A/C) 变化范围在1.10～2.07之间，O、OP和ONP处理明显高于其他处理，表明其腐殖化程度较高，而NP和ONPK处理显著低于其他处理，表明其腐殖化程度较低。荧光指数(FI)可表征DOM来源，FI>1.9表示DOM主要来源于微生物活动，FI<1.4则表示以陆源输入为主[25]，不同处理土壤DOM的FI在1.53～1.71之间，CK最高且显著高于施肥处理，可见不施肥土壤中微生物活动对DOM的贡献率较大。BIX反映DOM自生源相对贡献，BIX值越大，自生源特征越明显，类蛋白组分贡献越大，生物可利用性越高[12]，不同处理相比CK的BIX最高，且显著高于施肥处理，施肥处理中单施氮肥处理最高，可见不施肥或单施氮肥土壤DOM自生源特征明显。根据不同处理土壤中DOM、DOC、DON和DOP含量变化可见，CK土壤中DON和DOP含量较高，表明土壤中DON和DOP主要来源于土壤微生物活动，具有较强的土壤自生性，而土壤中DOM和DOC主要来源于外源输入，陆源性较强。当单施氮肥和磷肥时，在微生物活动的作用下DON和DOP含量增加；当单施有机肥时，虽然外源有机质增加，在土壤微生物作用下转化成DOM，降解产生的N、P容易被作物吸收利用，因此DON和DOP含量不高，而DOC含量较高；增施有机肥，能够增强土壤中DOM的腐殖化程度和陆源性；在均衡施肥特别是氮磷钾有机肥配合施用时，微生物及玉米主要利用施入的无机养分，对有机质的降解作用减弱，使DOM含量降低，腐殖化程度较低，陆源性增加；在氮磷钾无机肥配合施用时，由于微生物活动增加，土壤中原有的有机质降解增多，虽然使DOM、DOP增加，因无外源碳输入，DOC、DON降低，DOM的自生性增加，腐殖化程度下降。

3.2 生物对土壤DOM的影响

微生物和农作物的活动不仅是土壤中DOM的重要来源，同时也分解消耗土壤中的DOM[26-27]。不同施肥措施土壤中微生物碳氮含量及玉米产量和千粒质量如图6-a所示。总体来看施用有机肥和有机无机肥配合施用能够增加土壤微生物活性及玉米产量。进行相关性分析可知，DOM和DOP与微生物和产量指标相关性较小，DON和DOC与微生物和产量指标的相关性如表2所示，0～10 cm土层DON与产量、MBN呈显著负相关，DOC与产量、MBN呈显著正相关，10～20 cm土层DOC与产量、MBC和MBN呈显著正相关，20～40 cm土层DON与产量、千粒质量呈显著负相关，0～40 cm土层DON与产量呈显著负相关，DOC与产量、MBN呈显著正相关。可见微生物和玉米根系主要降解土壤中的DON，且随着玉米产量的增加，土壤DON含量下降，而随着微生物活动的增加和玉米产量的增加，有利于提高土壤中DOC的含量。DOM是土壤中复杂的溶解性有机质，肥料及生物对其影响是多方面的，因此本试验中DOM与产量和微生物指标相关性较小。土壤中磷的转化能力比氮、碳小，因此施肥对DON的影响主要是表现在0～10 cm土层，而DOP表现在20～40 cm土层，在外源磷输入的条件下，DOP在土壤受微生物和根系对有机质降解作用和吸收作用的多重影响，因此本试验中DOP与产量和微生物指标相关性较小。微生物能够降解土壤中DON，使其转化为无机氮被微生物及玉米吸收利用，同时微生物活动能够降解有机质，根系分泌物能产生DON，因此在微生物活动剧烈的0～10 cm土层，DON以降解为主，在根系主要活动层10～20 cm土层，DON与微生物及产量指标相关性较小，而受根系吸收作用为主的20～40 cm土层，DON与产量指标呈显著负相关。卢萍等研究表明，土壤溶液中DON浓度与施肥量呈负相关关系[26]。DOC同样受微生物及玉米生长的多重影响，但总体来看微生物活动和玉米生长对土壤中DOC含量主要起增加作用，可见DOC能够作为土壤肥力指标，指示土壤肥力及玉米产量。

4 结论

(1)关于各处理DOM的∑Fex/em，0～40 cm土壤在46.04～78.24 之间，大小顺序为NPK>O>OP>N>ONP>P>CK>NP>ON>ONPK，0～10 cm土层以NP处理最高，10～20 cm土层以O处理最高，20～40 cm土层以NPK处理最高。

(2)关于各处理DOC含量，0～40 cm土壤在101.24～253.48 mg/kg 之间，大小顺序为ONPK>N>ON>ONP>P>NP>O>OP>NPK>CK，0～10 cm土层以ONP处理最高，10～20 cm 和20～40 cm土层以ONPK处理最高。

(3)关于各处理DON含量，0～40cm土壤在26.81～54.87 mg/kg 之间，大小顺序为CK>ON>NP>ONPK>ONP>P>O>OP>NPK>N，0～10 cm土层DON含量以O处理最高，10～20 cm土层DON含量以ON处理最高，20～40 cm土层DON含量以CK最高。

表2 不同土层土壤中DON和DOC与微生物和产量指标的相关性

注：n=10，“*”为显著相关；“**”为极显著相关。

(4)关于各处理DOP含量，0～40 cm土壤在26.81～54.87 mg/kg 之间，大小顺序为NPK>CK>ONPK>P>ONP>ON>OP>N>O>NP，0～10 cm土层以CK最高，10～20 cm土层以ONPK处理最高，20～40 cm土层以DOP处理最高。

(5)土壤中DOM和DOC主要来自外源，DON和DOP主要来自内源，土壤微生物和玉米生长对土壤DOM和DOP影响具有多重性相关性较小，土壤微生物活性的增加和玉米产量的提高，有利于增加土壤DOC含量，降低土壤DON含量。

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