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。

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。

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 μ m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。

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。

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

Fig.1

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	图1 不同深度土壤DOC含量及DOC与SOC的百分比Fig.1 The content of DOC and percentage of DOC and SOC in different treatments

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。

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。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同处理土壤DOC的平均荧光光谱指数 Table 1 Average fluorescence spectral index of soil DOC in different treatments 处理 FI BIX HIX CK 1.49± 0.02 0.89± 0.20a 0.72± 0.16 T1 1.49± 0.04 0.97± 0.06a 0.72± 0.04 T2 1.50± 0.06 0.83± 0.15ab 0.76± 0.09 T3 1.54± 0.03 0.88± 0.17a 0.76± 0.09 T4 1.51± 0.05 0.91± 0.17a 0.75± 0.06 T5 1.52± 0.05 0.68± 0.03b 0.83± 0.04 注: 表中所列数据为平均值± 标准差; 小写字母代表差异显著(p< 0.05), 未标记部分为不显著, 下同 Note: The values are mean± standard deviation; Different lowercase represent very significant difference(p< 0.05); The unmarked part is not significant, the same below

表1 不同处理土壤DOC的平均荧光光谱指数 Table 1 Average fluorescence spectral index of soil DOC in different treatments

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]。

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

Fig.2

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	图2 不同深度秸秆还田处理土壤DOC三维荧光组分 注: A峰: 紫外光区类富里酸; T峰: 短波类色氨酸(类蛋白质); B峰: 类酪氨酸(类蛋白质)Fig.2 Three dimensional fluorescence components of soil DOC in different treatments Note: Peak A: fulvic-acid-like in UV region; Peak T: short wave tryptophan-like (protein-like); Peak B: Tyrosine-like (protein-like)

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]。

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

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同处理土壤DOC组分荧光强度及其相对百分比 Table 2 Fluorescence intensity and relative percentage of soil DOC fluorescence components 处理 C1 C2 C1+C2 相对百分比/% C1 C2 CK 1 191.21± 571.61 827.41± 416.34ab 2 018.62± 860.58 55.79 44.21 T1 1 129.28± 529.87 1 143.47± 176.79a 2 272.75± 567.54 46.84 53.16 T2 1 253.68± 562.98 794.99± 273.44ab 2 048.67± 768.88 57.77 42.23 T3 1 269.22± 418.39 932.04± 127.29ab 2 201.26± 407.54 56.24 43.76 T4 1 396.80± 145.95 1 156.04± 418.43a 2 552.84± 498.05 55.87 44.13 T5 1 404.37± 144.76 697.19± 209.51b 2 101.56± 276.95 67.19 32.81 注: 荧光组分数据为平均值± 标准差; 小写字母代表差异显著(p< 0.05) Note: The fluorescence component values are mean± standard deviation; Different lowercase represent very significant difference(p< 0.05)

表2 不同处理土壤DOC组分荧光强度及其相对百分比 Table 2 Fluorescence intensity and relative percentage of soil DOC fluorescence components

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

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同处理、 深度及其交互作用对DOC结构的显著性分析 Table 3 Average fluorescence spectral index of soil DOC under different treatment DOC DOC/SOC /% C1 (类腐殖质) C2 (类蛋白质) 处理 0.000 0.000 0.000 0.000 土壤深度 0.000 0.000 0.000 0.000 处理× 土壤深度 0.000 0.000 0.000 0.000 R-Sq 94.08% 95.41% 99.68% 99.05%

表3 不同处理、 深度及其交互作用对DOC结构的显著性分析 Table 3 Average fluorescence spectral index of soil DOC under different treatment