春玉米覆膜对土壤溶解性有机质光谱特征的影响

武佳颖，武敏桦，闫静琪，刘子刚，黄智鸿，赵海超，李艳平，魏 东，贺东刚

(1.河北北方学院 农林科技学院，河北 张家口 075000；2.河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室，河北 张家口 075000；3.中国环境科学研究院，北京 100012；4.石家庄蠡玉科技开发有限公司，河北 石家庄 050000)

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是存在于土壤中对气候变化较为敏感的一类结构复杂、性质稳定的有机高分子混合物[1]，也是土壤中最为活跃的有机组分之一[2]。近几年来，土壤DOM对环境的响应机制成为研究的热点。随着光谱等技术的发展，测定土壤中DOM技术的研究有了很大进展，测定技术包括红外光谱、核磁共振、紫外扫描和三维荧光光谱技术等。其中三维荧光光谱技术可以测定DOM中各天然有机化合物的荧光特征，从而识别出DOM中的有机组分，如：类富里酸、类胡敏酸、类蛋白等。紫外扫描和三维荧光光谱技术具有灵敏度高、选择性高、所需样品量少、成本低、信息量丰富、不破坏天然有机物结构的优点，成功应用于表征土壤等环境中DOM的有机组成[3]，逐渐成为研究自然界DOM的普遍方法[4-5]。张苗苗等[6]利用紫外扫描和三维荧光光谱技术，表明天然放牧地在0～20 cm土层土壤DOM的结构更为复杂，稳定性更强，地膜覆盖既能提高春玉米产量，同时能提高土壤温度和水分，进而改变土壤理化环境，逐渐成为国内北方旱作区主要的高产栽培技术。目前覆膜对土壤DOM荧光光谱特征的研究鲜有报道。

寒旱区早春地温低，降雨量少，传统的种植方式不能满足玉米生长的需求，提水增温技术成为该区域春玉米高产稳产的关键技术。张永涛等[7]研究表明，地膜覆盖与无膜相比具有显著的水分生理生态效应，据测定，地膜覆盖比不铺设地膜的土壤水分增加20%～50%，贮水量增加10%～50%，蒸散量降低50%以上，水分亏缺减少5%～70%。水温等环境因素是影响土壤DOM的重要因子，地膜覆盖作为一种有效的增温保墒技术，改变了土壤温度、水分等要素，使得土壤环境发生变化[8]，近年来地膜覆盖技术得到了广泛认可，研究者对地膜覆盖技术进行了大量的研究，覆膜方式分为全膜覆盖和半膜覆盖，地膜颜色有黑色地膜和白色地膜。而农田土壤水温变化影响养分转化，进而影响土壤DOM组分特征。庞艳华等[9]利用紫外扫描和三维荧光光谱技术测定土壤DOM光谱特性，表明随着温度的增加，DOM的芳香性降低脂肪含量增加。李瑞鑫[10]研究表明高水分管理种植模式的农田土壤DOM中类腐殖酸组分较高，腐殖化程度较高，芳香性较低，主要来源于陆源。DOM是土壤中养分变化最重要的组分，探讨覆膜土壤DOM光谱特征与水温变化的关系，能够深入揭示覆膜处理对土壤DOM的影响，为寒旱区玉米地膜覆盖栽培技术提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在河北省张家口市宣化区(东经115°03′，北纬40°63′)春玉米试验基地进行，该地区属于温带半干旱大陆性季风气候，年平均日照时数2 800～3 300 h，年平均气温6 ℃左右，年均降水量370～400 mm，全年﹥10 ℃有效积温为3 000 ℃左右，无霜期130～150 d。0～20 cm土层总氮0.73 g·kg-1，总磷0.48 g·kg-1，有机质18.6 g·kg-1。

1.2 试验材料与设计

供试品种为玉丰613，试验采用随机区组设计，设白色全膜覆盖(C1)、白色半膜覆盖(C2)、黑色全膜覆盖(C3)、黑色半膜覆盖(C4)、不覆膜(CK)5个处理。覆膜处理采用平垄覆膜，全膜幅宽1.1 m，半膜幅宽0.55 m，膜厚0.008 mm，按照45 cm∶55 cm的大小行种植，株距28 cm，70 500株/hm2。

1.3 土壤样品采集

在春玉米苗期采集不同处理土壤样品，利用土壤分层采样器每个处理取3个柱状样，采样深度为1 m，按20 cm分层。去除土壤中植物残体和根系，现场混匀放在塑封带中，带回实验室4 ℃下保存。分成两部分，分别进行土壤DOM三维荧光光谱和紫外光谱测定。

1.4 测定指标与测定方法

土壤DOM浸提液提取。土壤冷冻干燥后，过100目筛。称取土样2 g，利用超纯水浸提(水与土质量比为10∶1，在200 rpm、(20±1)℃条件下放入振荡器连续振荡12 h，取出后在4000 rpm、20 ℃条件下离心10 min，使固液分离，上清液过0.45 μm滤膜)获得土壤DOM浸提液。

土壤DOM三维荧光光谱法测定[11]。利用荧光光谱分析仪测定其三维荧光光谱。激发狭缝宽度为5 nm，发射狭缝宽度为10 nm，扫描速度2 400 nm/min，扫描间隔9.1 min，激发波长(Ex)200～450 nm，发射波长(Em)250～600 nm。滤出液测量控制在(20±1)，测定的三维荧光光谱利用蒸馏水矫正，所得的数据为除去空白后的结果。运用荧光光谱FRI对EEM进行定量分析，能定量区分EEM的细微变化，进而提高谱图的识别能力[12-13]。不同覆膜方式下土壤DOM三维荧光光谱均可分为5个区域：区域Ⅰ(PI)为酪氨酸类蛋白质(Ex/Em=220～250/280～330 nm)；区域Ⅱ(PII)为色氨酸类蛋白质(Ex/Em=220～250/330～380 nm)；区域Ⅲ(PIII)为类富里酸(Ex/Em=220～250/380～550 nm)；区域Ⅳ(PⅣ)为溶解性微生物代谢产物(Ex/Em=250～400/280～380 nm)；区域Ⅴ(PV)为类腐殖酸(Ex/Em=250～400/380～550 nm)[14]。荧光指数(fluorescence index，f450/500)用来表征微生物来源有机质占总有机质的比例，可对DOM中腐殖质进行溯源，通过λEx为370 nm、λEm为470和520 nm处的荧光强度比值得到[15-16]。根据Mcknight等的分类[17]，将f450/500分为1.4和1.9，f450/500<1.4表明来源是植物，f450/500>1.9表明来源是微生物，在其中间范围则是混合来源。自生源指数(biological index，BIX)是激发波长254 nm下，发射波长在380和430 nm处的荧光强度比值，Huguet等[18]研究表明，随着BIX的增加，土壤DOM自生源特征增强，陆源特性降低。腐殖化指数(humification index，HIX)是表征土壤DOM的腐殖化程度，可通过λEx为254 nm时，λEm从435～480 nm以及300～345 nm时荧光峰值面积比值计算。当HIX小于4时，DOM腐殖化程度较弱；当HIX高到10～16时，DOM具有显著的腐殖质特征，主要为陆源输入[19]。

土壤DOM紫外光谱扫描测定[20]。扫描波长范围190～900 nm，扫描波长间隔2 nm。紫外参数A250/A365是指DOM在250 nm和365 nm处的吸光值，用来表征DOM的腐殖化程度及其来源。比值小于3.5表明DOM中的胡敏酸含量大于富里酸含量，并且DOM是以相对分子较大的有机质为主；比值大于3.5则相反。紫外参数A253/A203是指DOM在253 nm和203 nm处的吸光值，该值越大，DOM的芳香性越小,说明芳环取代基中的羧基、羰基、羟基、脂肪含量较高；比值越小，说明样品的取代基主要是由不可取代的芳香环构成[21]。紫外参数SR是275～295 nm波段与350～400 nm波段吸收光谱斜率的比值。

1.5 数据处理

试验数据取2年的平均值。试验数据统计与作图采用Excel 2010，数据相关分析采用SPSS 17.0，三维荧光使用MATLAB 2007处理生成。

2 结果与分析

2.1 覆膜对土壤DOM三维荧光光谱特征的影响

(1)覆膜土壤DOM三维荧光光谱特征

运用荧光区域积分(fluorescence regional integration,FRI)对不同覆膜方式下玉米苗期土壤DOM的三维荧光光谱(EEM)进行定量分析(图1)。可见，不同覆膜方式农田土壤DOM荧光光谱均可以分为5个区域，但不同覆膜方式农田土壤DOM组分存在较大的差异。

(2)覆膜对土壤DOM组分的影响

对不同覆膜方式下春玉米农田土壤DOM进行定量分析，占比如图2所示。不同覆膜土壤DOM各组分所占比重大小顺序为P(V,n)>P(III,n)>P(Ⅳ,n)>P(II,n)>P(I,n)。可见，不同覆膜方式下土壤DOM主要以类腐殖酸为主，其次为类富里酸。地膜覆盖有利于提高土壤DOM中类富里酸和微生物代谢产物的占比，降低酪氨酸类蛋白质组分占比。黑色地膜比白色地膜有利于提高土壤色氨酸类蛋白和微生物代谢产物占比，降低类腐殖酸占比。

白色全膜覆盖(C1)土壤DOM组分垂向变化，随着深度的增加P(I,n)、P(II,n)呈上升趋势，P(III,n)、

图1 不同覆膜方式下DOM三维荧光光谱

P(Ⅳ,n)呈波动式下降，P(V,n)呈先降后升趋势，40～60 cm出现最低值。白色半膜覆盖(C2)土壤DOM组分垂向变化，随着深度的增加P(I,n)、P(II,n)呈上升趋势，P(Ⅳ,n)呈先升后降趋势，40～60 cm出现最高值，P(III,n)、P(V,n)呈先降后升趋势，40～60 cm出现最低值。黑色全膜覆盖(C3)土壤DOM组分垂向变化，随着深度的增加P(I,n)、P(II,n)、P(Ⅳ,n)呈上升趋势，P(III,n)、P(V,n)呈先降后升趋势，40～60 cm出现最低值。黑色半膜覆盖(C4)土壤DOM组分垂向变化，随着深度的增加P(I,n)、P(II,n)、P(Ⅳ,n)呈波动式下降趋势，P(III,n)、P(V,n)呈波动式上升趋势。CK土壤DOM组分垂向变化，随着深度的增加P(I,n)、P(II,n)、P(Ⅳ,n)呈先升后降趋势，20～40 cm出现最高值，P(III,n)、P(V,n)呈先降后升趋势，60～80 cm出现最低值。总体而言随着深度增加，类蛋白组分和类富里酸组分占比增加，类腐殖酸组分占比降低。

(3)覆膜对土壤DOM三维荧光参数的影响

不同覆膜方式下土壤DOM三维荧光光谱参数如图3所示，不同覆膜方式下土壤DOM荧光参数f450/500、BIX和HIX存在显著性差异。土壤DOM的f450/500值在1.5～1.6，大小顺序为C1>C3>C2>C4>CK，可见覆膜能够提高土壤DOM微生物源特征，芳香性降低。土壤DOM的BIX值在0.57～0.64，大小顺序为C1>C3>C2>C4>CK。可见覆膜使土壤DOM自生源特征增强，白色膜作用高于黑色膜，全膜作用高于半膜。土壤DOM的HIX值在4.0～6.55，大小顺序为C3>C1>C4>C2>CK。可见覆膜能够增加土壤DOM的腐殖化程度，黑膜与白膜相比能够促进土壤DOM的腐殖化程度。

图2 不同覆膜方式下DOM组分特征

2.2 覆膜对土壤DOM紫外光谱特征的影响

不同覆膜方式下土壤DOM紫外光谱特征如图4，不同覆膜方式下土壤DOM紫外参数A250/A365、A253/A203和SR之间存在显著性差异。土壤DOM紫外参数A250/A365在3.77～4.54，大小顺序为C3>C1>C2>C4>CK。可见覆膜使土壤DOM中胡敏酸组分小于富里酸组分，使土壤DOM以相对分子较小的有机质为主。土壤DOM紫外参数A253/A203在0.4～0.5，其大小顺序为C1>C3>C2>C4>CK，可见覆膜使土壤DOM芳环降解，芳香性降低，脂肪含量增加，白膜作用高于黑膜，全膜覆盖作用高于半膜覆盖。土壤DOM紫外参数SR在3.07～4.26，其大小顺序为C1>C3>C2>C4>CK，可见覆膜促进土壤DOM的生物源特征，白膜作用高于黑膜，全膜覆盖作用高于半膜覆盖。

图3 不同覆膜方式苗期土壤DOM荧光光谱指数

图4 不同覆膜方式苗期土壤DOM紫外光谱特征

3 讨 论

通过对不同覆膜方式下土壤DOM光谱特征的研究发现，覆膜使土壤DOM芳环降解，土壤DOM芳香性降低，脂肪含量增加，腐殖化程度增加，自生源特性增强，是由于覆膜增加了土壤水分，提高了土壤温度，进而促进了土壤DOM的转化。随着覆膜技术的推广应用，为了更好地保持土壤水分增加温度，在旱作区全膜覆盖逐步替代半膜覆盖，景东田等[22]研究表明全膜覆盖能更好地提高土壤水分和温度。全膜覆盖与半膜覆盖相比，土壤DOM中的类腐殖酸组分和类富里酸组分占比高，土壤DOM芳香性低，脂肪含量高，腐殖化程度高，自生源特性强，是因为全膜覆盖能够有效增加地温，增加含水量。随着工业的发展，不同颜色地膜逐步得到广泛应用，但其对土壤DOM光谱特性的研究较少，白膜覆盖与黑膜覆盖相比，白色地膜透光能力强，由于DOM具有光解性，使土壤DOM中类腐殖酸组分降解，增加类富里酸组分占比，土壤DOM脂肪含量高，促进土壤DOM向微生物源靠近，自生源特征强；黑色地膜覆盖土壤水分充足，进而提高DOM芳环降解，增加腐殖化程度。总体来看，白色全膜覆盖土壤DOM脂肪含量高，腐殖化程度高，自生源特性强。因此冀西北旱作区实际应用生产中应采取白色全膜覆盖，从而提高土壤温度，增加水分，促进作物生长，提高产量。

4 结 论

不同覆膜方式春玉米农田土壤DOM主要以类腐殖酸为主，P(V,n)在45.42%～49.58%，其次为类富里酸，P(III,n)在27.1%～30.3%。随着土壤深度增加，类蛋白组分和类富里酸组分增加，类腐殖酸组分降低，土壤DOM芳香性降低，脂肪含量增加。覆膜有利于提高土壤DOM中类富里酸和微生物代谢产物的占比，降低络氨酸类蛋白质组分占比。覆膜使土壤DOM小分子组分占比较高，腐殖化程度、腐熟程度和微生物源特征增强。覆膜能够促进土壤DOM芳环降解，使其芳香性降低，增加脂肪含量。

土壤水分增加、温度提高使土壤DOM芳环降解能力增强，DOM羧基、羰基、羟基、脂肪含量增加，促进土壤DOM微生物源特征。白色地膜有利于土壤增温，黑色地膜有利于土壤保水，全膜覆盖比半膜覆盖增温提水效果好。白色地膜有利于土壤DOM中类腐殖酸组分降解，增加类富里酸组分占比，土壤DOM脂肪含量高，DOM微生物源、自生源特征强；黑色地膜有利于提高土壤色氨酸类蛋白和微生物代谢产物占比，降低类腐殖酸占比。全膜覆盖与半膜覆盖相比，土壤DOM中的类腐殖酸组分和类富里酸组分占比高，土壤DOM芳香性低，脂肪含量高，腐殖化程度高，自生源特性强。总体来看，白色全膜覆盖有利于提高冀北寒旱区土壤DOM供肥能力。