添加有机肥对滨海盐渍土壤溶解性有机碳特征的影响

范之馨，王艮梅，张焕朝，陈 捷

(南京林业大学林学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037)

土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)[1]作为土壤总有机碳(total organic carbon，TOC)的组成部分，能快速感应有机碳库的变化，直接影响着C、N、P、S等营养物质在生态系统中的功效和流动，是评价土壤质量的指标之一，在全球碳循环中发挥着巨大的作用，对全球气候变暖有着深远的影响[2-3]，成为土壤学和环境学领域的研究热点[4]。有学者运用极性和电荷特性[5]、超滤膜技术[6]对DOC亲疏水性及分子量大小进行分组表征，并运用DOC含量[7]进行表征，但这些不能反映出DOC更多组成、来源等特征。近年来，紫外-可见光谱技术与三维荧光光谱技术被广泛应用于表征DOC的特征，具有灵敏度高、测定快速且不破坏样品等优点[8]，三维荧光光谱往往与荧光区域积分方法(FRI)[9]或平行因子分析法(PARAFAC)[10]相结合，对研究对象的DOC结构、组分来源进行详细研究。但利用上述技术与方法对DOC的研究大部分集中在水体[11]和沉积物[12]中，对土壤DOC的关注相对较少，仅在三峡库区[13]和环滇池土壤[14]中有相关研究。滨海盐渍土壤在我国分布广泛，具有土壤盐分含量高、结构差、有机质含量低等特点，是我国重要的潜在土壤资源，也是不可忽视的碳汇[15]，添加外源有机物料是改良滨海盐渍土常用的农艺措施，不仅可以改良盐渍土，同时也是增加盐渍土壤碳储量的有效方法之一，其中有机肥应用最为广泛[16-17]。众多研究表明，外源有机物质的添加对土壤DOC的特征具有明显的影响[18-20]，外源有机物料的加入使土壤环境因子发生变化，进而改变土壤有机质的转化及DOC的性质[20]，土壤DOC微小的变化便会引起土壤有机碳库的巨大变化，从而影响土壤碳库的稳定[21]。已有研究发现，有机肥作为外源有机物质施入土壤可以改变土壤DOC含量及其组分[22]。

基于此，本研究利用紫外-可见光谱和三维荧光光谱技术手段，结合平行因子分析方法，研究不同盐分含量的滨海盐渍土添加有机物料后土壤DOC的特征变化，探究土壤DOC的组分来源，以期为滨海盐渍土壤碳库稳定性的深入研究及滨海盐渍土的改良提供理论依据，发挥滨海盐渍土壤碳汇作用及减缓温室效应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验材料

本研究试验地设置在江苏省沿海地区农业科学研究所下属的沿海农业科技示范园(120°48′～120°49′E，33°00′～33°01′N)，位于北亚热带季风气候区，四季分明，寒暑显著，日照充足，雨量充沛，多年平均气温14.1 ℃，无霜期220 d，日照2 169.6 h，平均降水量1 051.0 mm。该地区是典型的淤积平原，土壤质地为海相沉积物发育而成的砂质壤土。

供试有机肥为商品牛粪有机肥(江苏东台田娘农业生态有机肥有限公司)，有机质含量为524.70 g/kg，全氮含量为20.46 g/kg，全磷含量为16.75 g/kg，全钾含量为13.41 g/kg，pH为7.87。

1.2 试验设计

在试验区内分别选取盐分含量不同、具有代表性的两块样地，每一样地的面积约1 000 m2，其中样地1的盐分含量为5.57 g/kg(高盐土壤H)，其pH为8.10，有机质含量为12.11 g/kg，全氮含量为0.83 g/kg，有效磷含量为10.68 mg/kg，速效钾含量为181.67 mg/kg，土壤未被利用过；样地2的盐分含量为1.95 g/kg(低盐土壤L)，其pH为8.56，有机质含量为16.03 g/kg，全氮含量为1.03 g/kg，有效磷含量为14.79 mg/kg，速效钾含量为251.64 mg/kg，本试验开始前该样地种植过田菁(Sesbaniacannabina)3年。2019年7月上旬在预先选取的两块样地上布置野外试验，试验开始时两块样地均无植被覆盖。设置添加有机肥(C)和不添加有机肥(CK)两种处理，共4种处理(编号HC、HCK、LC、LCK)，每个处理3个重复，共计12个试验小区，每个小区面积为4 m×8 m，各小区之间设置2 m宽的保护行及宽0.5 m、深0.3 m的地沟。有机肥添加量为3×104kg/hm2，相当于每处理小区添加96 kg物料(按耕层土壤质量的1.3%添加)。

于处理后第3、7、15、60天，在每个处理小区按照“S”形随机设置5个取样点分别采集表层土壤，混合后装入密封塑料袋中带回实验室，于4 ℃冰箱保存待测。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤DOC的测定

称取过孔径2 mm筛的鲜土(折算为10 g干土)于100 mL离心管中，按照水土质量比5∶1加入去离子水，在25℃条件下连续振荡4 h，8 000 r/min的高速离心机上低温离心10 min，上清液过0.45 μm微孔滤膜，得到DOC溶液[23]，最后于4 ℃冰箱保存待测。DOC含量采用TOC仪(TOC-L，Shimadzu公司)测定。

1.3.2 紫外-可见光谱分析

采用紫外-可见分光光度计(SP-2100UV，Spectrum公司)测定DOC溶液的吸光值，以超纯水为空白，用光程10 mm的石英比色皿在波长为200～800 nm范围内扫描，波段间隔为1 nm[24]。计算特征波长254 nm单位吸光值SUVA254(公式中以ASUV254表示)，具体计算公式如下：

a254= 2.303A254/r；

(1)

ASUV254=a254/CDOC。

(2)

式中：a254为在254 nm下测量的吸收系数，m-1；A254为波长254 nm处吸光度；r为光程的路径，m；CDOC为溶解性有机碳含量，mg/kg；ASUV254表示单位DOC含量在波长254 nm处的吸收系数，kg/(mg·m)。

1.3.3 三维荧光光谱分析

采用荧光分光光度计(F-4600，Hitachi公司)测定DOC溶液的荧光激发-发射矩阵(EEM)，光谱的激发波长(Ex)220～450 nm，扫描间隔5 nm；发射波长(Em)260～600 nm，扫描间隔1 nm；激发与发射波长的狭缝宽度均为5 nm；扫描速度1 200 nm/min，扫描光谱仪器自动进行校正[25]。所得结果应用Matlab软件去除杂峰及散射。

1.3.4 平行因子分析

平行因子法(PARAFAC)是采用交替最小二乘原理的迭代类型的一种三线性分解模型。将单个DOC三维荧光光谱数据看成一个j×k的矩阵，其中，j为发射波长，k为激发波长。因此i个DOC三维荧光数据就可以构成维数大小为i×j×k的三维矩阵X，分解模型可表示为：

(3)

式中:Xijk为第i个样品在发射波长j、激发波长k处的荧光强度值；aif为第f个组分的浓度占i个样品浓度的比例；bjf为第f个组分在发射波长j处荧光量子效率的线性相关；ckf为第f个组分在激发波长k处荧光量子效率的线性相关；eijk为模型残差矩阵；F为载荷矩阵列数，代表模型中组分个数[26]。

1.4 数据分析

土壤DOC、荧光光谱特征参数指标等数据均采用SPSS 19.0软件进行统计分析，在独立样本t检验、单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)方法下进行不同处理之间的比较，分析处理间差异显著性；运用Matlab 2017软件的DOMFluor及Dreem工具包进行三维荧光光谱的绘制和平行因子分析；采用Origin 2018软件进行其余图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤DOC含量的动态变化

在整个试验周期内，4种处理土壤的DOC含量变化如图1。

由图1可知，有机肥的添加显著增加了土壤DOC含量(P<0.05)，随时间的延长，4种处理土壤的DOC含量变化趋势基本一致。试验第3～7天，土壤DOC含量从较高的水平急剧降低；试验第7～15天，土壤DOC含量降低速率变缓；试验第15～60天，添加有机肥(LC、HC)的两种土壤DOC含量缓慢上升，未添加有机肥(LCK、HCK)的两种土壤DOC含量呈缓慢下降趋势。同时间内，与未添加有机肥(CK)的土壤比较，添加有机肥处理(C)后的土壤DOC含量均有不同程度增加，并且差异显著(P<0.05)。其中，试验第3、15、60天高盐土壤上的增幅相比低盐土壤上的较高，分别为116.81%、46.71%、64.85%，低盐有机肥处理下第7天增幅较高为70.67%。

2.2 不同处理土壤DOC紫外特征参数变化特征

两种土壤DOC的SUVA254值[27]动态变化见图2。由图2可知，试验第60天各处理土壤DOC的SUVA254值均显著高于试验第3天的值(P<0.05)。与未添加有机肥的土壤(CK)相比，试验第3、7天，添加有机肥后低盐土壤(LC)的SUVA254值增幅高于高盐土壤(HC)的值，试验第15、60天则表现出相反的变化，添加有机肥后高盐土壤(HC)的SUVA254值增幅高于低盐土壤(LC)的值，除第3天外，添加有机肥后的低盐(LC)、高盐(HC)土壤SUVA254值均有显著差异(P<0.05)。由此说明，有机肥的添加提高了土壤DOC的腐殖化程度，且第15、60天高盐土壤DOC的腐殖化程度高于低盐土壤DOC的腐殖化程度。

图2 添加有机肥处理对土壤DOC的SUVA254值的影响

2.3 不同处理土壤DOC的三维荧光光谱及特征参数分析

由于DOC的结构含有大量带有各种官能团的芳香化结构及不饱和脂肪链，仅应用紫外-可见光谱技术并不能完全反映DOC的特征，因此采用三维荧光光谱技术对DOC特征进行更深入的分析。依据Chen等[26]提出的对三维荧光光谱划分区域，分为5个区域：区域Ⅰ(Ex<250 nm，Em<330 nm)，代表芳香族蛋白Ⅰ；区域Ⅱ(Ex<250 nm，330 nm≤Em<380 nm)，代表芳香族蛋白Ⅱ；区域Ⅲ(Ex<250 nm，Em≥380 nm)，代表紫外区类富里酸；区域Ⅳ(Ex≥250 nm，Em<380 nm)，代表类溶性微生物代谢产物；区域Ⅴ(Ex≥250 nm，Em≥380 nm)，代表可见光区类富里酸。4种处理所提取的土壤DOC荧光光谱图见图3。结果表明，同一处理中，与试验第60天相比，试验第3天各区域荧光强度均较高；添加有机肥后的土壤DOC荧光光谱与未添加有机肥的具有较大差异。对于未添加有机肥的土壤(LCK和HCK)而言，类蛋白荧光峰与溶解性代谢产物荧光峰较为明显，添加了有机肥的土壤(LC和HC)DOC三维荧光光谱图中则是类富里酸峰更为明显。

图3 添加有机肥处理对土壤DOC的三维荧光光谱的影响

荧光指数FI(式中记为IF)可以表征DOC中腐殖质来源的参数，FI定义为激发波长370 nm处，荧光发射光谱强度在450 nm和500 nm处的比值[28]。有研究表明：当IF≤1.4时，环境中DOC的主要来源为外源；当1.4

图4 添加有机肥处理对土壤DOC的BIX和FI值的影响

自生源指标BIX(式中记为IBIX)能够反映出DOC自生源的贡献程度，是指在激发波长310 nm时，发射波长在380 nm和430 nm处的荧光强度比值[30]。BIX值与自生源贡献度呈反比，BIX值越大表明DOC的自生源特征显著，自生源贡献大，BIX值越小表示受外源输入的影响越大，其自生源特征不显著，自生源贡献较小。当IBIX<0.8时，DOC组分中自生源的贡献较小；0.8≤IBIX≤1.0时，自生源贡献较大；当IBIX>1.0时，DOC自生源特征显著[31]。由图4还可以看出，总体而言，4种处理的土壤自生源贡献小，受外源影响较大。自身源指标BIX的结果与荧光指数FI表现出的结果相一致。

以腐殖化指数HIX(式中记为IHIX)可以评估土壤DOC的腐殖化程度，且其值与DOC腐殖化程度呈现正相关关系[32]。HIX定义为在特定激发波长254 nm处，发射波长435～480 nm范围内荧光强度总和与发射波长300～345 nn范围内荧光强度总和的比值[33]。如图5所示，随时间增加，4种处理的土壤HIX值变化趋势基本一致。试验第3～7天，HIX值急剧升高；试验第7～15天，HIX又从较高水平急剧降低；试验第15～60天，高盐土壤HIX值缓慢上升(HC、HCK)，低盐土壤HIX值呈缓慢下降趋势(LC、LCK)。与未添加有机肥的土壤(CK)相比，试验第3、7天，添加有机肥后低盐土壤(LC)HIX的值增幅高于高盐土壤(HC)的值，试验第15、60天则表现出相反的变化，添加有机肥后高盐(HC)土壤HIX的值增幅高于低盐土壤(LC)的值，且除试验第7天外，添加有机肥后的低盐(LC)、高盐(HC)土壤HIX值均有显著差异(P<0.05)。由此说明，有机肥的添加提高了土壤DOC的腐殖化程度，且试验第15、60天高盐土壤DOC的腐殖化程度高于低盐土壤DOC的腐殖化程度。HIX值的增幅变化规律与土壤DOC的SUVA254值的增幅表现出相似的规律。

图5 添加有机肥处理对土壤DOC的HIX值的影响

2.4 土壤DOC组分的PARAFAC分析

通过EEM光谱的平行因子三线性分解法，分析了添加有机肥处理后两种滨海盐渍土壤DOC的组成特征。从平行因子模型原理出发的分析表明，分量越多，误差平方和越小，核心一致性越差。对本次数据进行模型分析，通过分析残差曲线的变化及模型运行时间得知，组分3、4变化特征明显，但组分4模型的核心一致性更好，因此确定组分4为最优模型。图6为模型拟合出的4个荧光组分的EEM图谱，分别以C1、C2、C3、C4表示。由图6可见，1、2、3组分均有2个最大激发峰和1个最大发射峰，组分4有1个最大激发峰及1个最大发射峰，4种组分相应的Ex/Em荧光峰位置分别为235(310)nm/404 nm,250(365)nm/455 nm,225(275)nm/326 nm,270 nm/284 nm。C1位于传统的峰A和峰M区域，荧光峰A(Ex/Em为230～260 nm/380～460 nm)为紫外光区类富里酸峰，荧光峰M(Ex/Em为290～310 nm/370～420 nm)为海洋类富里酸峰，两者均为短波类腐殖质，以外源输入为主[34]；C2位于传统的峰A和峰C区域，荧光峰C(Ex/Em为320～360 nm/420～480 nm)称为可见光区富里酸峰，峰A主要是由一些分子量较小的、高荧光效率的有机物引起的，峰C主要是由分子量较大、相对稳定的有机物产生的，峰A和峰C一般指示外源输入[35]；C3位于传统的B、T峰之间，荧光峰B(Ex/Em为275 nm/310 nm)称为类络氨酸峰，荧光峰T(Ex/Em为275 nm/340 nm)为类色氨酸峰，主要为类蛋白物质，主要由内源或微生物分解过程产生[36]；C4相对于传统的B峰而言，激发波长与发射波长均发生蓝移。与C3一样，均为类蛋白物质，但C4以类络氨酸为代表，主要由内源产生[37]。

图6 基于平行因子分析得到的荧光特征组分

平行因子分析结果表明，供试土壤中含有两种类腐殖质(C1和C2)及两种类蛋白物质(C3和C4)组分，添加不同处理后的两种土壤中各荧光组分的最大荧光强度(Fmax)值占比见图7。

图7 添加有机肥处理后各区域荧光组分占比变化

由图7可知，随时间变化，不同处理各组分占比的拐点均出现在第7天。在试验第3～7天，组分1、2占比急剧升高，组3、4分占比迅速降低；试验第7～15天，组分1、2占比从一个较高水平迅速降低，组分3、4占比则迅速升高；试验第15～60天，各组分变化均不明显。相同时间内，与未添加有机肥的(CK)土壤比较，添加牛粪有机肥(C)的两种土壤的组分1、2占比均有不同程度的增加，组分4的占比有不同程度的降低，且均达到显著水平(P<0.05)。且整体而言，组分1、2占比在高盐土壤上的增幅相比低盐土壤上的较高，组分4占比在高盐土壤上的降幅相比低盐土壤上也更高，组分3占比的增幅与降幅在两种土壤上均无显著变化(P>0.05)。由此说明，有机肥的添加显著增加了土壤DOC的腐殖化程度，显著降低了土壤DOC组分中类络氨酸的占比。

3 讨 论

3.1 添加有机肥对土壤DOC含量的影响

有机肥的添加显著增加了土壤DOC的含量，主要是由于外源有机物质的添加会增加土壤中可利用性的碳，激发土壤中原有有机质的矿化[38]，增加了土壤DOC含量。随时间增加，各处理土壤DOC的含量在试验的第7天出现拐点。添加处理后土壤DOC特征出现拐点，这与现有研究的结果基本一致。韦梦雪等[39]的研究发现，在添加处理后第3天出现拐点；王瑞[40]对添加有机物物料后土壤DOC的变化中也发现，在培养第5天出现拐点。产生这种现象的原因可能与土壤水分变化有关[41]，在加入有机肥后的初期，微生物活性还处在较低水平，土壤中绝大部分DOC未能被微生物完全利用，且有机肥的添加会导致本身活性有机质的溶出，所以在试验开始阶段DOC含量呈现较高水平，之后在试验第1、2、7天受到雨水的影响，造成了表层土壤DOC的流失[42]，表现出各处理土壤DOC含量均在第7天显著降低。

3.2 添加有机肥对土壤DOC光谱特征的影响

添加有机肥后的土壤SUVA254值、荧光指数FI、自生源指标BIX值、腐殖化指数HIX值以及组分1、2占比均高于未添加有机肥土壤的。谷思玉等[43]研究发现施用有机肥能显著增加土壤腐殖化程度，还有研究发现添加生物炭能显著增加土壤DOC各项特征参数的值[44-45]。这主要是因为在微生物的作用下，有机肥分解释放出DOC，DOC的一部分与类蛋白类物质作用并转化为较为稳定的富里酸物质，并以该形态保存在土壤中，剩余DOC则主要由微生物代谢消耗[46]，因此添加有机肥后的SUVA254值、腐殖化指数HIX值以及组分1、2占比均显著增加。SUVA254值、腐殖化指数HIX值在试验周期出现波动性变化，原因是随着试验的进行微生物活性增强，微生物能够利用土壤中简单物质进行代谢活动，因此DOC的腐殖化程度在初期升高，之后由于易生物降解的物质被微生物分解利用完毕，从而造成微生物代谢活性的明显降低，因此腐殖化程度之后又呈现降低趋势。

而荧光指数FI、自生源指标BIX值从不同角度说明了该试验地土壤中的DOC主要来源于牛粪有机肥的添加，进一步验证了有机肥添加对土壤DOC特征的影响。

3.3 盐分对土壤DOC特征的影响

整体而言，试验第15、60天，与未添加有机肥的土壤相比，添加有机肥处理的土壤，在高盐土壤上的DOC含量、SUVA254值、腐殖化指数HIX值及组分1、2占比的增幅均高于低盐土壤的值。曾阿莹等[47]对不同盐度枯落物溶解性有机质研究也有类似发现。试验前期，低盐土壤有机质含量较高，其更有利于微生物代谢分解，对有机肥的响应效应较快[48]，从而造成低盐土壤DOC各项特征值更高。试验末期，低盐土壤中易于利用的物质已经被利用殆尽，微生物则主要利用较难分解的物质为主，则分解速率降低，高盐土壤的微生物此时还未分解完较易分解的物质[49]，于是出现高盐土壤上DOC各项参数值增幅较大的现象。

4 结 论

牛粪有机肥的添加显著增加了土壤DOC含量，与未添加有机肥的土壤相比，试验第15、60天高盐土壤上的增幅更高为46.71%和64.85%。从三维荧光光谱来看，未添加有机肥的土壤，类蛋白峰和溶解性有代谢产物荧光峰较为明显；添加有机肥后的土壤，类富里酸峰较为明显。根据紫外-可见光谱参数及荧光光谱特征参数可知，牛粪有机肥的添加提高了土壤DOC的腐殖化程度，且试验第15、60天高盐土壤DOC的腐殖化程度更高，本研究区内的土壤DOC主要来源于有机肥的添加。三维荧光光谱结合平行因子分析表明，该盐碱土壤DOC中有4个荧光组分：C1为外源类短波类腐殖质组分(紫外光区类富里酸、海洋类富里酸)，C2为外源类腐殖质组分(紫外光区、可见光区均为类富里酸)，C3为内源类蛋白质组分(类络氨酸、类色氨酸)，C4为内源类蛋白质组分(类络氨酸)。有机肥的添加显著增加了土壤中类腐殖质组分的占比，显著降低了类络氨酸组分的占比。