基于荧光光谱分析秸秆深埋还田黑土剖面DOC组分结构变化特征

匡恩俊，迟凤琴，张久明，徐明岗，Gilles Colinet，宿庆瑞，郝小雨，朱宝国

1.黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081 3.Department of Biosystems Engineering(BIOSE)，Gembloux Agro-Bio Tech of Université de Liège, Jean Bru, Belgium 4.黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154007

引 言

可溶性有机碳(DOC)是土壤养分库中较活跃的组分，仅占土壤总有机碳的0.04%～0.22%[1]，也是土壤环境健康和土壤质量变化的重要指标，所以，进一步研究DOC的现状，对于认识土壤碳循环过程有着重要意义。DOC含量受土地利用及施入的有机物料[2]、土壤环境等条件影响明显[3]。秸秆还田能显著提高耕层土壤DOC含量[4]，其荧光组分类腐殖质中结构相对简单的富里酸含量增加、结构简化，DOC的疏水性组分与芳香类分子具有较强的吸附能力[5]。将秸秆配合深翻等耕作措施，对40 cm以下深层有机碳库也有影响[6]，还能提高深层土壤养分含量[7]。

近年来高强度的土地利用引起植被的快速转变和土壤碳输入的差异，已经显著影响到深层有机碳库蓄积[8]，在有效分析土壤DOC表征上，三维荧光光谱技术具有重现性好、灵敏度高的特点，应用此技术，发现在低碳和高碳土壤上三维荧光光谱图也有差异，低碳土壤主要有3个荧光峰，类蛋白质荧光峰、类富里酸荧光峰和类胡敏酸荧光峰，而高碳土壤上只有类富里酸和类胡敏酸2个荧光峰[9]。从DOC的角度理解不同深度秸秆还田后对土壤的固碳机制，解析DOC和土壤固碳的作用，并通过三维荧光光谱技术结合平行因子分析，进一步分析秸秆腐解过程中DOC的物质组成结构变化特征，以期为黑土区农田土壤固碳机制提供科学理论依据。

1 实验部分

1.1 研究区概况

试验在黑龙江省农科院的框栽场(哈尔滨)进行，该区年平均气温3.6 ℃，降雨期集中在7月—8月份，年平均降雨量为553.5 mm；年平均日照为2 500 h，无霜期135～140 d。土壤类型为典型黑土，土壤有机碳18.5 g·kg-1，全氮2.4 g·kg-1、全磷2.0 g·kg-1、全钾21.3 g·kg-1、碱解氮103.1 mg·kg-1、有效磷70.8 mg·kg-1、速效钾167.7 mg·kg-1、pH 6.6。

1.2 试验处理

本试验始于2016年，在黑龙江省农科院的框栽试验地内进行，框栽面积4 m2。将玉米秸秆粉碎(长度约2 cm)后，按照田间秸秆全部还田量约7 500 kg·hm-2)施入到土壤不同深度，并调节C/N比到25、田间持水量到60%，秸秆还田深度为：0～2，3～10，11～20，21～30和31～40 cm，分别用T1，T2，T3，T4和T5表示，同时设置秸秆不还田为对照(CK)。具体操作如下所示：

T1处理：0～2 cm的土层挖开，将秸秆与土壤充分混合后回填到原土壤中；

T2处理：土壤0～2 cm土层挖开后单独放置，将3～10 cm土层与秸秆充分混合后回填原土层，然后将0～2 cm土壤回填至表面；

T3处理：土壤0～10 cm土层挖开后单独放置，将11～20 cm土层与秸秆充分混合后回填原土层，然后将0～10 cm土壤按原位回填；

T4处理：0～10和 11～20 cm按照层次挖出，单独放置，将21～30 cm土层与秸秆充分混合后回填原土层，各层次土壤按原始位置回填；

T5处理：依次将0～10，11～20和20～30 cm土壤分层次挖出，单独放置，31～40 cm土层与秸秆充分混合后回填原土层，各层次土壤按原始位置回填。

各处理于2019年按剖面层次取土壤样品(0～2，3～10，11～20，21～30，31～40和41～50 cm)，剔除根系及多余秸秆，风干后过2 mm筛，用于测定土壤DOC及荧光结构。

1.3 样品处理和测定方法

称取风干土样0.01 g，加2 mol·L-1的盐酸溶液酸解，用总有机碳分析仪测定(Multi N/C 2100型，德国)土壤SOC含量。

取风干土壤5 g样品，加水后(干土重与水体积比为1∶10)在室温条件下200 r·min-1水平振荡24 h，然后在4 ℃条件下12 000 r·min-1离心 20 min，上清液过0.45 μm的滤膜，上机测定(Multi N/C 2100型TOC仪)浓度，即为DOC；所有样品的DOC浓度调至15 mg·L-1，用荧光光谱仪(日立F-7000型，日本)测定三维荧光光谱，激发波长(Ex)和发射波长(Em)的扫描范围均为200～500 nm，带宽10 nm，扫描速度为1 200 nm·min-1。应用平行因子(PARAFAC)分析时，消除拉曼散射对荧光数据的影响。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 17.0进行处理分析，三维荧光图谱绘制和平行因子分析用Matlab 2013 软件，荧光光谱指数的区域积分用origin 2019。

2 结果与讨论

2.1 不同处理土壤剖面DOC含量变化

土壤DOC活性较强，但也最易损失，秸秆的输入会影响其含量[2]。由图1可知，秸秆还田后，均能提高不同土壤深度DOC含量，且在土壤中垂直分布呈现逐渐降低趋势，这与前人研究结果一致[10]。0～2 cm土层DOC含量高于其他土层，这是由于地表土壤受秸秆还田的影响而使DOC的浓度偏高，随着深度的加深，DOC含量逐渐降低，这是因为深层土壤黏粒增加，对DOC的吸附也增加，土壤微生物对有机质分解作用减弱[4]。T1和T2处理DOC含量最高，平均超过了30 mg·kg-1，T5处理DOC含量最低。从秸秆还田深度看DOC浓度，T3处理11～20 cm比3～10 cm高8.4%，T4处理的21～30 cm比11～20 cm高3.0%，T5处理31～40 cm比21～30 cm高7.6%，虽然差异并没有达到显著水平，但施入秸秆的土层DOC含量均有提升。秸秆还田为微生物生长提供了良好的物质和能量，进一步激发了土壤本身易分解有机质的分解；另外，秸秆碳矿化也增加了土壤可溶性碳的含量。

图1 不同深度土壤DOC含量及DOC与SOC的百分比

DOC/SOC%的比值越大，表征SOC的活性越大、越易被微生物分解，对管理措施的响应敏感[11]。DOC含量所占SOC的比例在10 cm以下的土层，以T1处理最高，各处理均有随着土壤剖面的加深而增加的趋势。

2.2 不同深度秸秆还田对土壤DOC组分荧光指数分析

荧光光谱指数FI，BIX和HIX经常用来表征土壤腐殖质结构特性[12]，其中，FI可反映腐殖质的来源，从表1可以看出，无论秸秆还田与否，各处理FI的值均在1.4～1.6之间，说明土壤DOC来源于植物和微生物的混合物特征明显。各处理的FI平均值以T3略高为1.54±0.03，秸秆还田到10～20 cm深度，土壤DOC借助于土壤中土著微生物的作用提高，加快了土壤腐殖质物质间的转化速度。在更深的土层，由于土壤水分和温度的影响，土壤受外源物质的影响逐渐降低，进程也会变慢，但不同深度间差异不明显。

BIX通常作为衡量自生源有机质的贡献大小，BIX在0.6～0.7，0.7～0.8和0.8～1.0之间时，分别代表了溶解性有机质具有较少、中等、较强的自生源特征；当BIX大于1时，物质由生物细菌活动产生。在本研究中，除了T5处理外，各处理的BIX均在0.8～1.0之间，表示出现较强的自生源特征；而T5处理BIX<0.7，表明具有较小的自生成分。

土壤有机质腐殖化的程度用HIX来表示[12]，HIX值越高，表征土壤DOC的腐殖化程度越高，其稳定性越好，也说明存在的时间较长。当HIX小于1.5时，属于生物或细菌来源，当HIX大于3.0才属于强腐殖质特征。由表1可知，各处理的HIX均小于1.5，CK和T1处理的HIX值最低为0.72，而T5处理最高为0.83，秸秆表层覆盖或者浅还田不利于腐殖化的进程，深埋腐殖化程度较高。这可能是秸秆还田到31～40 cm深度的土壤中，土壤的通气透水性较差，微生物活动也较弱，分解完土壤中简单的易降解物质，微生物只能利用土壤中较难分解的物质合成更加复杂而稳定的腐殖酸物质，故土壤DOC的腐殖化程度增加。土壤的腐殖化程度随着还田年限的增加，差异越来越显著[13]。

表1 不同处理土壤DOC的平均荧光光谱指数

2.3 不同处理土壤DOC组分的荧光光谱特征

通过PARAFAC分析不同处理土壤DOC的三维荧光光谱数据，如图2所示，从6组样品中解析出2个荧光组分，CK～T4分别为类腐殖质物质组分C1(Ex/Em=250～275/455 nm)和类色氨酸物质组分C2(Ex/Em=225～237/340～350 nm)，其中，C1组分包含1个激发峰和1个发射峰，对应着A峰，是紫外光区的类富里酸，代表了可降解物质较低、分子质量较大的有机物，它体现了土壤肥力的供应缓冲能力；C2组分包含有2个激发峰和1个发射峰，对应着主峰T峰(类色氨酸物质)，T峰主要是细菌和微生物降解的代谢产物，结合或者游离在蛋白质中；而T5处理分别为类腐殖质物质组分C1(250～275/455 nm)和类酪氨酸物质组分C2(Ex/Em=225/304 nm)，其中，C1组分包含1个激发峰和1个发射峰，对应着主峰A峰；C2组分包含1个激发峰和1个发射峰，对应着B峰，B峰是比类色氨酸更易降解的分子量小的类酪氨酸物质[8]。

图2 不同深度秸秆还田处理土壤DOC三维荧光组分

秸秆还田到0～30 cm荧光组分分别与羧基和羟基相关，常用来表示输入到土壤的外源有机质; 当秸秆还田到31～40 cm时，出现了更易降解的类酪氨酸物质，Kuang[14]等的研究结果表明深埋有助提高秸秆生物量在土壤中的分解速率，降低残留率。同时荧光强度增强，促进类腐殖酸、类富里酸等物质的积累，也促进了类溶性微生物代谢产物的降解。有研究表明，在DOC含量未发生明显变化的时，对其结构的影响却很明显[9]。

2.4 秸秆深还田对土壤DOC的荧光强度分析

土壤DOC不同组分的荧光强度在不同深度土层表现不同，各组分的荧光强度值反映了其相对含量，可用来表征土壤DOC的结构变化。秸秆还田后类富里酸的荧光强度增强，且随着还田深度的加深而增大，植物残体的腐解产生了高分子量有机物。C1组分随着土壤深度的加深有增大趋势，秸秆深还田荧光强度增强；C2组分荧光强度先增强再减弱，呈连续波动的状态。总荧光强度(C1+C2)以T4处理最高，比CK高26.5%，其次是T1，比CK处理高9.0%。秸秆还田到土壤不同深度，C1和C2组分占比不同(见表2)，各处理C1的百分比均高于C2，只有T1处理C2组分荧光强度增强。T5处理的C1组分的荧光强度超过了67%，类腐殖质物质增强，类蛋白质物质降低。随着秸秆还田深度的增加，土壤中DOC的荧光组分以类富里酸为主，类色氨酸相对百分比低。

表2 不同处理土壤DOC组分荧光强度及其相对百分比

2.5 秸秆还田后土壤DOC的相关性分析

将各处理的DOC及其荧光组分、DOC/SOC%值进行显著性分析(表3)，土壤深度、处理及二者的交互作用对DOC及其荧光组分的影响均为极显著水平(p<0.01)。土壤环境的微小变化就可影响DOC含量。土壤微生物活性是影响土壤DOC的重要因素，深层土壤微生物活性减弱，另外，土壤养分和pH条件也可以影响到DOC含量，从而也促使了蛋白类物质向类胡敏酸与类富里酸的转化[9]。

表3 不同处理、深度及其交互作用对DOC结构的显著性分析

3 结 论

(1)秸秆还田后土壤DOC含量增加，其来源受自生源和外生源共同作用的影响；秸秆还田到31～40 cm有较小的自生成分，且腐殖化系数最高。

(2)秸秆还田到0～30 cm深度时，土壤DOC的荧光组分包含类富里酸物质和类色氨酸物质，类富里酸荧光强度有随着土层深度的加深而增大，类色氨酸物质则呈波动性的状态；31～40 cm深度秸秆还田，其荧光组分包含类富里酸和类酪氨酸。DOC含量及其荧光组分受到秸秆还田、土壤深度及二者的交互作用影响显著。

综上，秸秆深还田为深层土壤提供更多的可储存的碳，在农田生产中起到了固碳减排的作用。