不同施肥处理对草甸型水稻土溶解性有机物荧光特性的影响

王伟光郭永霞谢修鸿

(1.长春大学园林学院，吉林 长春 130022；2.集安市头道镇综合服务中心，吉林 集安 134200)

土壤中溶解性有机物(DOM)是指土壤样品在室温及天然pH值条件下，用水提取能通过0.45μm微孔滤膜的土壤有机物质[1，2],包括腐殖质、蛋白质和其它芳族或脂族有机化合物的复杂混合体[3]。在土壤溶液中DOM含量比较低，一般在0～80mg·L-1范围内[4]。其含量常用溶解性有机碳(DOC)的含量表示。DOC是土壤活性有机碳组分之一，其水溶性强、活性高、周转快，容易被微生物利用；对改善土壤肥力、土壤结构等有重要的作用；由于施肥、耕作等农艺措施对其敏感性高，常被作为评价土壤质量的重要指标之一。目前对土壤DOM的含量、结构特征以及研究其内容、结构与功能等所采用的相应技术手段等都取得长足进展。相对吉林省东部地区施肥对不同类型土壤DOM的含量、结构特征等方面的研究较少，本文主要采用三维荧光光谱分析技术初步探讨吉林省东部地区施用化肥、有机肥与化肥配施、生物有机肥等对草甸型水稻土溶解性有机物质组成与结构的影响，为合理施肥提供相应的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验地位于吉林省集安市头道镇四新村(E125°87′75′′，N41°53′34′′)，该区域年均气温6.5℃，年均降水量900mm，≥10℃有效积温3200℃，无霜期150d。土壤类型为冷浆草甸型水稻土。试验前土壤表层(0～20cm)化学性质为pH值5.8、土壤有机质35.4g·kg-1、碱解氮90.9mg·kg-1、速效磷21.23mg·kg-1、速效钾43.71mg·kg-1。

供试肥料：控释肥料(金正大水稻专用肥,N∶P2O5∶K2O=23∶11∶12，总养分≥46%)、水稻专用生物有机肥(金正大金菌冠，有效活菌数≥5.0亿·g-1，有机质≥45.0%)由山东金正大生态工程股份有限生产；尿素(含N46.4%)由山东龙晟泽化工科技有限公司生产。猪粪有机肥，由集安市头道镇综合服务中心提供。

供试水稻品种“稻花香2号”，由集安市头道镇综合服务中心提供。

1.2 试验设计

田间试验开始于2018年5月，设置4个处理，分别为单施化肥(水稻收割后稻秆离田)处理(CF)、稻秆全量还田与化肥配施处理(OCF)、有机肥与化肥配施处理(OF)、水稻专用生物有机肥处理(OMF)；每个处理试验面积为1.0hm2，不设重复，单排单灌。CF处理以控释肥料作底肥，每年施肥量一致，用量为400kg·hm-2，并以尿素作分蘖肥，用量80kg·hm-2；OCF处理为每年秋季水稻收获后，将当季稻秆机械粉碎直接抛洒全量还田(稻秆还田量约为7500kg·hm-2)，其中2018年处理为2017年秋季稻秆还田，化肥施用同CF处理；OF处理为第1年(鲜猪粪)为12t·hm-2，后续2a施用量(猪粪，鲜重)为8t·hm-2，均为春季施入，化肥施用同CF处理；OMF处理以水稻专用生物有机肥作底肥，施用量2000kg·hm-2，期间不施用分蘖肥。各个处理田间与水分管理一致。

1.3 样品采集与测定

土壤样品采集于2020年11月20日水稻收获后稻秆未还田前。采用对角线蛇形取样法，每个处理按同样面积划分5个样方，每个样方(10m×10m)分别采集5个点混合成1个样本，采样深度为0～20cm。采集的土壤样品密封运回实验室，在阴凉处自然风干，风干后剔除大根茎以及肉眼可见的动植物残体等杂质，过2mm筛保存备用。供试土壤样品的基本化学性质见表1。

溶解性有机物(DOM)的提取与含量测定[5]：称取过0.25mm筛的风干土样5.00g于100mL塑料离心管中，然后加入30mL蒸馏水充分搅拌，经恒温水浴70℃提取1h后，以3500r·min-1离心15min，将得到的上清液过孔径为0.45μm的滤膜后，将其移至50mL的容量瓶中，离心管内的残渣接着添加蒸馏水20mL搅拌均匀，再次离心过滤膜，与前次合并用蒸馏水定容，定容后的溶液即为溶解性有机物(DOM)。溶解性有机碳(DOC)采用有机碳分析仪(TOC)测定。

表1 供试土壤的基本化学性质

溶解性有机物(DOM)三维荧光光谱的测定：三维荧光光谱采用HATACHIF-7000型荧光分光光度计测定，测定条件：PMT电压为700V，发射光波长(Em)范围为220～600nm，波长间隔为1nm，激发光波长(Ex)范围为200～450nm，波长间隔为5nm，激发光和发射光的狭缝宽度均为5nm。

溶解性有机物(DOM)紫外吸光度值的测定：利用岛津紫外分光光度计(UVmini-1280)测定滤液在254nm的光密度D(cm-1)，计算单位质量浓度下DOM的比紫外吸收值(L·mg-1·m-1)，即SUV254nm[6]。

土壤基本化学性质测定：均采用常规测定方法。

1.4 数据处理

采用Excel 2016与SPSS 22.0软件进行数据统计分析；Origin 8.5软件绘制三维荧光光谱图；MatlabR2013a软件进行荧光区域积分。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理土壤有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机物(DOM)紫外吸光特征

由表2可见，不同施肥处理水稻土有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)含量以及溶解性有机物(DOM)紫外吸光存在差异；与CF比较，OCF、OF及OMF处理SOC含量分别提高5.33%、30.88%、30.34%，CF与OCF处理间差异不显著，CF与OF、OMF处理间差异显著，OF与OMF处理间差异不显著。与CF比较，不同处理均提高了DOC含量，OMF处理提高幅度最大，达28.23%，其次为OF处理，提高18.75%，OCF处理提高10.08%；DOC/SOC(%)以OCF处理最高；OF处理最低且与CF、OCF、OMF处理间差异显著，CF、OCF、OMF处理间差异不显著。DOM比紫外吸收值(SUV254nm)的大小顺序为OMF﹥OF﹥CF﹥OCF。

表2 不同施肥处理土壤有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机物(DOM)紫外吸光特征

2.2 不同施肥处理土壤DOM的三维荧光光谱分析

利用荧光激发-发射矩阵光谱法(EEMs)研究DOM的组分，通过荧光光谱中不同激发/发射光波长区域范围将DOM组分分为5个区域，区域Ⅰ(220～250nm/280～330nm)为类酪氨酸蛋白质，区域Ⅱ(220～250nm/330～380nm)为类色氨酸蛋白质，区域Ⅲ(220～250nm/380～480nm)为类富里酸，区域Ⅳ(250～360nm/280～380nm)为类溶解性微生物代谢产物，区域Ⅴ(250～360nm/380～520nm)为类腐殖酸[7]。不同施肥处理水稻土DOM的三维荧光光谱图见图1，由图1可见，不同处理三维荧光指纹图谱相似；荧光强度有明显差异；CF处理的荧光强度较弱；OMF处理的荧光强度最强，其次为OF处理，尤其区域Ⅲ、区域Ⅴ三维荧光线密度增强，即施肥增加了土壤类富里酸、类腐殖酸物质。

2.3 不同施肥处理土壤DOM的荧光峰位置与荧光强度分析

DOM的荧光强度与所对应的激发/发射光波长能够表征其组成与结构特征。据相关研究表明[8]如果荧光峰所对应的激发/发射光波长变长，则表示出现红移现象，说明对应区域荧光物质的芳香度和分子量增加，如果对应区域为类腐殖酸，同时还说明腐殖酸物质的缩聚度也增加；反之，则表示发生蓝移现象。不同施肥处理对土壤DOM荧光强度以及对应激发/发射光波长影响见表3，由表3可见，与CF处理比较，OCF、OF、OMF处理土壤中荧光区域Ⅰ的发射光波长由327nm红移330nm，类酪氨酸蛋白质增加；荧光区域Ⅲ的发射光波长由465nm红移476nm，类富里酸增加；荧光区域Ⅳ的发射光波长由303nm红移318nm，类溶解性微生物代谢产物增加；荧光区域Ⅴ的发射光波长由505nm蓝移383nm，OCF处理荧光物质的芳香度和分子量明显减小。

图1 不同施肥处理土壤溶解性有机物的三维荧光光谱图

表3 不同施肥处理土壤溶解性有机物荧光峰的光谱特征

2.4 不同施肥处理土壤DOM的三维荧光区域的积分特征

三维荧光区域积分可以定量区分DOM的荧光组分，以此可以探究施肥对DOM荧光物质影响的效果，采用matlab软件对4个处理的DOM荧光数据积分，并计算各区域积分值占总积分值的百分比，结果见图2、图3。由图2可见,4个处理不同区域的荧光积分值有差异，CF与OCF处理DOM中各类物质含量的变化为类腐殖酸物质>溶解性微生物代谢产物>富里酸类物质>类色氨酸蛋白质物质>类酪氨酸蛋白质物质，OCF处理的5个区域中荧光物质含量均大于CF处理，区域Ⅳ与区域Ⅴ积分值差异显著；OF与OMF处理的5个区域中荧光物质含量变化趋势一致，即OF与OMF处理DOM中各类物质含量的变化为类腐殖酸物质>富里酸类物质>溶解性微生物代谢产物>类色氨酸蛋白质物质>类酪氨酸蛋白质物质，OMF处理的5个区域积分值均大于OF处理，区域Ⅲ与区域Ⅴ积分值差异显著。4个处理中区域Ⅴ积分值差异明显，均达到差异显著水平；区域Ⅰ积分值差异不显著；CF、OCF处理与OF、OMF处理区域Ⅱ积分值差异显著；CF、OCF与OF处理区域Ⅲ积分值差异不显著，而CF、OCF、OF与OMF处理区域Ⅲ积分值差异显著；CF、OF、OMF处理区域Ⅳ积分值差异不显著，而CF、OF、OMF与OCF处理差异显著。由图3可见，各区域积分值占总积分值的百分比与4个处理不同区域的荧光积分值的变化趋势不一致，4个处理区域Ⅰ的百分比为CF>OCF>OF>OMF处理，CF、OCF、OF处理间差异不显著，OCF、OF与OMF处理差异不显著，CF与OMF处理差异显著；区域Ⅱ的百分比为OF>CF>OMF>OCF处理，处理间差异显著；区域Ⅲ的百分比为OMF>CF>OF>OCF处理，OMF与CF处理差异不显著，OMF、CF处理与CF、OCF间差异显著；区域Ⅳ的百分比为OCF>CF>OF>OMF处理，CF、OCF、OMF处理间差异显著而CF与OF间、OF与OMF间差异不显著；区域Ⅴ的百分比为OMF>OF>CF>OCF处理，CF、OCF、OF处理间差异不显著，CF、OCF与OMF间差异显著，OF与OMF间差异不显著。

图2 各区域荧光区域积分特征

3 讨论与结论

与施用化肥比较，施用有机肥料等能够改变土壤的SOC、DOC含量及DOM的荧光组分含量与结构特征等，可能是秸秆等外源有机物施入土壤后产生激发效应，使土壤微生物获得充足的碳源，加速生长与代谢活动，促进了土壤有机碳矿化及作物残体分解[9]，提高DOC含量；秸秆等有机物腐烂分解过程中改变了微生物的种群，提高了微生物及相关酶的活性，从而使土壤非活性有机碳向活性有机碳的转变，导致DOC含量的增加[10-12]；秸秆配施化肥、有机肥配施化肥或生物有机肥等能够改善土壤理化性质，土壤结构，增加微生物活性，提高作物产量，从而提高凋落物和根系的分泌物；土壤中的有机物能够吸附和螯合施入的无机氮形成溶解性总氮和溶解性有机氮[13]，从而使土壤溶解性有机质含量增加。有机肥含有大量的可溶性有机物和具有易于分解的特点[13]，进而增加土壤溶解性有机质含量。溶解性有机质是土壤微生物的重要碳源及养分来源，能够显著影响土壤微生物的活性及群落组成[14]，由于外源有机物料的添加能够产生不同的真菌群落的组成，改变了功能微生物丰度及相关酶活性[15]，从而改变了土壤腐殖化程度，改变DOM的组成与结构特征等。SUVD254nm可以表征DOM的腐殖化程度，SUVD254nm越大，DOM的腐殖化程度越高[16]。梁远宇等研究结果表明：长期施有机肥土壤对DOC中的类腐殖酸等高聚合度的芳香性大分子物质的吸附比例相对较高，而长期单施化肥土壤对分子量较小、聚合程度较低的类酪氨酸蛋白物质吸附量较高[17]。

图3 各区域积分占总积分的比例

本文研究结果表明，与CF处理比较，OCF、OF与OMF处理提高了土壤SOC、DOC含量；OF处理SOC含量提高幅度最大，达30.88%、30.34%，OMF处理提高DOC含量幅度最大，达28.23%，OCF处理增加DOC累积，而OF与OMF处理加强DOC矿化。

不同施肥处理的三维荧光指纹图谱形状相似；荧光线密度有明显差异；CF处理的荧光强度较弱；OMF处理的荧光强度最强，其次为OF处理，尤其区域Ⅲ、区域Ⅴ三维荧光线密度增强，即施肥增加了土壤类富里酸、类腐殖酸物质含量。与CF处理比较，OCF、OF、OMF处理土壤中不同区域发射光波长发生红移和蓝移现象，OCF处理荧光物质的芳香度和分子量减小，与SUV254nm结果一致。各区域积分值占总积分值的百分比显示，不同处理土壤中类腐殖酸物质为主，类酪氨酸蛋白质物质最少，CF与OCF处理溶解性微生物代谢产物>富里酸类物质；OF与OMF处理富里酸类物质>溶解性微生物代谢产物。试验结果显示，稻秆配施化肥、有机肥配施化肥以及生物有机肥都提高了土壤质量，有机肥配施化肥以及生物有机肥培肥土壤效果更佳。