南亚热带多代连栽桉树人工林根际土壤FTIR特征分析

赵隽宇 ，黄小芮，石媛媛 ，宋贤冲 ，覃祚玉 ，唐健 *

1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西林用新型肥料研发中心，广西 南宁 530002

桉树（）是中国南方地区的主要用材树种，在带动地区经济发展方面起到了重要作用（Zhu et al.，2020；王豁然，2010）。然而桉树在多代连栽后具有明显的连栽障碍问题，随着桉树人工林种植面积的逐年增加，其连载障碍问题日益突出，严重影响林业经济的可持续发展（Zhu et al.，2019）。化感物质累积引起自毒作用是造成桉树多代经营后连栽障碍的主要原因之一（Fang et al.，2009；朱宇林等，2011）。研究表明，桉树根系分泌物中含有烷烃、烯烃、芳香烃、醇、醛、酮、蒽醌、芳香酸酯和含N的萘杂环等9类29种有机成分，这些物质会抑制种子萌发和杂草生长（张丹桔，2017；李金金等，2018），但这些物质的环境效应尚不明确。由于土壤中有机组分及结构差异性大，同时有机化学反应过程复杂、副反应多（Zeng et al.，2015），通过检测土壤有机碳组成（陈艳芳等，2016）或是根系分泌物（侯玉平等，2013；朱强等，2014；陈叶等，2020）组分的单一方式对该类化感物质的环境效应解释有限，目前尚未有研究对多代连栽桉树人工林土壤有机环境特征进行全面探讨。

近年来，傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared，FTIR）的快速发展为表征土壤中有机微分子组成结构及特征提供了一种高效手段，其通过测量土壤的红外辐射（400—4000 cm）以达到表征诸如C‒O、C=O、C=C、C‒H、N‒H等等官能团数量和结构等信息，具有波段宽、分辨率高的特点（Valasi et al.，2015），已有学者尝试使用FTIR对不同土壤类型的有机环境的演变特征及有机组分结构进行研究。Pospíšilová et al.（2009）利用FTIR分析了施用了5年褐煤的不同类型的土壤，以观察黄腐酸和腐殖酸组成的变化，结果表明，各土壤类型的有机组分中，芳香族占比最高，其指数0.61—0.73之间，普通黑钙土透明质酸的芳香度和稳定性最高，草地中脂肪族和新形成的化合物较多。长期施用褐煤有助于长链腐植酸的形成，该腐植酸能吸附更多的有机碳，从而改善土壤质量和土壤健康。吉恒宽等（2020）利用红外光谱分析热带滨海区不同土地利用背景下土壤溶解性有机氮组分特征，认为水稻、菜园土壤DON芳香物质含量较高，结构较复杂。大量研究表明（Margenot et al.，2015；李召阳等，2022），FTIR在表征土壤有机环境特征具有显著优势，尝试利用该技术对多代连栽桉树人工林土壤有机环境演变特征开展研究。

本研究以南亚热带气候区不同代次桉树人工林为研究对象，采集不同代数桉树人工林根际土壤，对土壤进行前处理后，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析仪测定其红外光谱谱图，分析新造林、萌芽1、2、3代桉树人工林土壤微环境红外光谱特征，采用峰面积积分法对土壤中有机物进行定性以及半定量分析，研究不同代数桉树人工林根际土壤微环境中的有机物组分是否具有显著差异性，结合已被广泛报道具有化感作用的组分，深入探讨多代经营是否造成土壤有机环境的改变，旨在探索桉树连栽障碍的作用机制。

1 材料与方法

1.1 试验设计与样品采集

本研究采取空间序列法，以空间替代时间，在广西壮族自治区南宁市国有七坡林场立新分场（21°35′—22°41′N，107°72′—109°56′E）设置试验地，分场地处亚热带季风气候区，日照时数在 1800 h以上，年太阳辐射量 439.53—460.43 kJ·cm，气温高，热量丰富，雨量充沛。全年平均气温在 21—22 ℃，近年来观测的极端高温38.4 ℃，极端低温−2.6 ℃，≥10 ℃的活动积温7500 ℃。全年降雨量1200—1300 mm，年蒸发量1600—1800 mm，相对湿度为 79%左右。根据中国土壤发生学分类方式，研究区域土壤类型为第四纪红土母质发育而来的红壤，质地为壤土。林下植被主要有水茄（）、姬蕨（）、五节芒（）、鬼针草（）、飞机草（）。

2020年9月3日进行样地布设和土壤样品采集（表1）。试验采用随机区组设计，共设置5个区组，每个区组分别包含桉树新造林 T0（前茬为原生树种）、萌芽一代（T1）、二代（T2）、三代（T3）等4个处理，林龄均为2 a，种植行间距为1.5 m×4 m。每个处理内设置样方，样方占地400 m（20 m×20 m）。在样方内测定20株活立木，测定树高、胸径，计算平均值，选取最为接近平均树高、胸径的5株活立木为标准木，作为根际土壤取样点。根际土壤样品根据抖落法（Wang et al.，2021；韩芳等，2021），将取样点植物根系从土中取出后，轻微抖动，采集附着在根系上的土壤。每个区组采集5株标准木的根际土壤，混合均匀后取其中 500 g，共计采集样品20个，做好标记后带回实验室备测。

表1 研究区概况Table 1 Survey of the research area

1.2 土壤红外光谱数据采集

将保鲜袋中的土壤样品取出，全风干后，磨碎，过0.149 mm土筛。将过筛的自然风干土样与干燥的溴化钾（光谱纯）按照质量比1꞉90混匀，用玛瑙研钵和杵手工研磨，压片机 10 kPa压实，放入Thermo Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪（ThermoFisher Scientific，美国）待测（Tiernan et al.，2021）。以KBr为背景值，光谱采集范围为400—4000 cm，分辨率4 cm，扫描频次64次，每个样品重复测定5次，进行相似性比较后取平均值，扣除背景值后即为样品红外光谱图。原始光谱数据利用OMNIC自带的校正功能进行校正，除去基线影响，然后进行标准归一化处理，去除不同样本间称量的差异。

1.3 数据分析与处理

红外光谱基础谱图解析、查找峰值、标准化处理等通过OMNIC Specta完成，采用Origin 2018对每个官能团特征峰进行面积积分并计算平均值与占比以及制图，SPSS 19.0进行基础数据分析单因素方差分析、LSD多重比较，使用Canon 5.0进行主成分分析并制图。

2 结果与分析

2.1 土壤红外光谱特征

红外光谱图显示（图1），不同代次桉树人工林土壤红外吸收光谱特征基本一致，整体表现为硅酸盐的吸收特征（相似度 75.31%），但不同代次各波段红外吸收强度差异较大，其中出现的官能团吸收峰共有11个，波数分别是469、694、778、800、1088、1165、1631、2361、2929、3423、3620 cm，通过谱图解析、特征峰、吸收强度等谱图指标特征，查阅相关文献（Margenot et al.，2015；Alvarez-Ordóez et al.，2012）将该波数官能团指认归属（表2）。

表2 红外光谱吸收峰官能团归属Table 2 Attribution of functional groups of ir absorption peaks

图1 不同代次桉树人工林根际土壤红外光谱特征Figure 1 Infrared spectrum characteristics of rhizosphere soil of eucalyptus plantations of different generations

对比不同代次桉树人工林土壤红外光谱图，高代次林（T2、T3）在2361 cm处出现酯、多糖类物质的新吸收峰。对比不同代次土壤红外光谱图，整体呈现代次越高，吸收峰强度越高的变化趋势，同时T3在1165 cm波数处的吸收峰有较为明显的偏移。通过对比不同代次桉树人工林土壤的红外吸收峰强度，T3处理土壤红外光谱图在694、1631、2361、3423 cm处吸收峰显著高于其余代次桉树人工林土壤，这些区域主要表征了芳香族（C‒H、C=C、C=O）、酯类和多糖中的‒C=C=C，‒C=C=O以及酚、醇类物质中的‒OH、‒NH、‒OH等官能团的差异。T3在1088 cm处的吸收峰有较为明显的红移，向低波数移动代表振动所需能量下降，说明该处基团不稳定性增加。

2.2 土壤红外光谱吸收峰面积积分

峰面积积分以主峰的波峰波谷计算而来，可以对该峰所对应的官能团含量进行半定量分析。不同代次桉树人工林土壤红外谱图主峰的峰面积积分存在显著差异（表3），峰面积较大的波段主要出现在1088、1165、1631、3423 cm处，在不同处理中占比范围在86.59%—90.18%，对应的官能团是酯类、芳香族以及酚醇类物质。T0、T1、T2、T3处理红外光谱相对峰面积积分在694、1088、2361、2929、3423、3620 cm处存在显著差异（<0.05）。T2、T3处理在 2929、3423、3620 cm处，峰面积积分显著高于T0、T1处理，说明多代连栽过后，酯类、多糖、脂肪烃、酚醇类物质在土壤中富集。T2、T3处理在2361 cm处出现新的吸收峰，同时T3在2361 cm处的峰面积积分相比T2处理显著增加了78.37%，该吸收峰归属于酯、多糖类物质。

表3 土壤红外光谱图中主峰的相对峰面积积分Table 3 Integral of relative peak area of main peaks in soil infrared spectra

2.3 土壤FTIR峰面积主成分分析

本研究应用主成分分析（PCA）法对不同代次桉树人工林土壤FTIR峰面积积分数据进行分析，定性各代次土壤有机物组分中主效官能团及差异，结果如图2所示。分析结果表明，第一、第二主成分（PC1、PC2）共解释了不同代次桉树人工林土壤中11个主要官能团峰面积积分的77.59%的方差。新造林 T0在二、三、四象限均有分布，没有明显的主效峰；萌芽一代林 T1集中分布在第三象限，与 2361 cm处于同一象限且向量箭头方向与 T1分布一致，其余峰面积积分与 T1均呈负向权重，说明该处官能团在 T1土壤中占主要地位；萌芽二代林T2在一、三象限分布，与PC2为正相关关系，与 2929、3423、1631、3620、469 cm等峰面积积分具有较强的正向权重；萌芽三代林T3均分布在第一象限，与 PC1、PC2两个主成分均呈正向相关关系，主效峰为2929、3423、1631、3620、469 cm，与2361 cm峰面积积分具有较强的负向权重。

图2 FTIR峰面积积分主成分分析Figure 2 Principal component analysis of FTIR peak area integral

3 讨论

3.1 桉树人工林土壤红外光谱特征

研究区桉树人工林土壤中主要存在的有机官能团为酯类、芳香族以及酚醇类，其次为多糖、烯烃、醛类物质，长期连栽主要对各有机组分含量产生显著影响。本次研究对象土壤类型均为红壤，含有大量原生、次生硅酸盐矿物，其主要成分之一为SiO（粘粒中 SiO/AIO约为 2.0—2.4）在 469 cm处表现出强烈的硅酸盐（Si-O）的吸收特征（Klassen，2009）。从谱图解析及方差分析结果来看，不同代次桉树人工林土壤在469 cm处的红外吸收特征较为一致，峰面积积分差异不显著（>0.05），说明其土壤母质及发育状况基本相同。FTIR谱图解析结果表明，不同代次桉树人工林土壤具有相似的有机组分，主要存在的有机官能团为酯类（1088 cm）、芳香族（1631 cm）以及酚醇类（3423、3620 cm），其次为多糖（2929 cm）、烯烃（694 cm）、醛类（778 cm）物质，这与前人研究结果一致（He et al.，2018；毛霞丽等，2015），但不同代次土壤中各有机官能团（694、1631、2361、3423 cm）吸收峰强度具有显著差异（<0.05）。峰面积积分方法可以对土壤中官能团进行半定量分析，同时也能用来表征多代连栽对土壤活性组分和稳定性组分有机碳含量的影响（盛明等，2020）。酯类、芳香族以及酚醇类物质（1088、1165、1631、3423 cm）官能团占比范围在86.59%—90.18%，说明这些物质在土壤有机组分中含量最多，该结果与李哲等（2019）的土壤中有机碳官能团主要属于糖类、脂肪类、氨基酸、酚类，少部分属于芳香烃、苯类和酮类结论有所出入，这可能是由于植被类型（王晗光等，2006）及群落结构以及土地利用方式的不同所导致（Comino et al.，2020；李婷，2012）。

3.2 多代连栽桉树人工林红外光谱演变特征

多代连栽不利于桉树人工林土壤中有机组分的活化，长期单一树种的连续种植导致土壤有机组分中主效官能团也趋于单一，芳香族（1631 cm）、酚醇类官能团（3620 cm）含量显著增多，连栽障碍的可能原因是该类物质降低了土壤中有机碳的活性，进而影响养分转换速率（芦金荣等，2013）。同时，在高代次 T3土壤中发现有新的不饱和健（C=C、C=O，2361 cm）产生，说明连续种植会改变其原生的土壤有机组分及结构。LSD多重比较结果表明，随着连栽代次的增加，T2、T3处理的2929、3423、3620 cm处峰面积积分显著高于与T0、T1（<0.05），所对应的官能团归属为脂肪族、酚醇类（Zhong et al.，2017）物质，同时2361 cm（多糖类）处出现新的吸收峰，这些官能团含量的增加与植物根系吸收和代谢作用（李婷等，2011）显著相关，多代连栽过后这些物质在土壤有机组分中逐渐增多，表现出一定程度的富集特征。主成分四象限图结果显示，随着连栽代次增加，脂肪烃、酚醇类、芳香族（2929、3423、1631、3620、469 cm）在土壤有机组分中逐渐占据主导地位。不同代次桉树人工林土壤FTIR官能团吸收峰主成分分析结果显示，新造林 T0样本点位在二、三、四象限均有分布，并未表现出一致规律性，萌芽一代T1、萌芽二代林 T2在二、三象限均有分布，而萌芽三代林 T3样本点位均分布在第一象限，主效官能团1631、3620 cm归属于芳香族、酚醇类物质，芳香族类物质具有一定的毒性，对灌木、杂草等的生长具有一定的抑制性作用（王晗光等，2006）。本次研究利用红外光谱表征土壤有机官能团结构特征，发现随着连栽代次的增加，人工林群落特征的单一性（张沛健等，2021）造成其有机组分中主效官能团也趋于单一，提高土壤微生物多样性以及活性以促进脂肪烃、酚醇类、芳香族等复杂有机物的分解可能是解决桉树连栽障碍的有效途径。但本次研究并未分析土壤环境因子、土壤微生物群落结构以及植物自身凋落物、根系分泌物等因素对土壤有机组分的影响，今后的研究可考虑引入结构方程模型，系统性地阐明土壤-植物-微生物之间的互作关系。

4 结论

（1）红外光谱分析可以反映土壤中有机官能团结构与含量信息。结果表明，不同代次桉树人工林土壤有机组分及官能团种类大致相同，红外吸收峰共有11个，主要以硅酸盐、酯类、芳香族以及酚醇类物质为主，其次为多糖、烯烃和醛类物质，这与该区域立地条件、植被类型及土地利用方式有关。

（2）峰面积积分反映了吸收峰所对应物质的含量信息。分析结果表明，多代连栽后，酯类、多糖、脂肪烃、酚醇类的官能团含量呈现增多的趋势，高代次（T2、T3）人工林土壤在2929、3423、3620 cm处红外吸收峰面积积分显著高于新造林（T0）、萌芽1代（T1），同时，T2、T3处理在2361 cm处出现新的吸收峰，归属为酯、多糖类物质的不饱和健（C=C、C=O），说明桉树多代连栽显著影响了土壤有机组分的结构与含量。

（3）桉树多代连栽会促进土壤中芳香族和酚醇类物质的累积，导致土壤有机组分逐渐趋于单一，降低了土壤有机碳源的活性。主成分分析排序图表明，高代次桉树人工林（T3）样点均分布于第一象限，主效官能团为469 cm（硅酸盐）、1631 cm（芳香族）、3620 cm（酚、醇类），与T0相比，分布趋势更为集中，研究认为减少或者阻碍芳香族、酚醇类物质的富集可能是解决连栽障碍的有效途径。