引用本文
柳夏艳, 曹浩轩, 缪闯和, 李丽君, 周虎, 吕贻忠. 长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(3): 674-684.
LIU Xia-yan, CAO Hao-xuan, MIAO Chuang-he, LI Li-jun, ZHOU Hu, LÜ Yi-zhong. Three-Dimensional Fluorescence Spectra of Dissolved Organic Matter in Fluvo-Aquic Soil Profile Under Long-Term Composting Treatment[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(3): 674-684.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0674-11  
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长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维荧光光谱研究
柳夏艳1, 曹浩轩1, 缪闯和1, 李丽君2, 周虎1, 吕贻忠1,*
1.中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193
2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081
*通讯作者 e-mail: lyz@cau.edu.cn

作者简介: 柳夏艳, 女, 1994年生, 中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生 e-mail: liuxiayan@cau.edu.cn

收稿日期: 2022-02-07 修回日期: 2022-06-11 接受日期: 2022-06-11
基金: 国家重点研发项目(2021YFD1500802)和国家重点研发项目(2018YFD0500202)资助
摘要

为了研究长期施用堆肥对潮土剖面土壤水溶性有机物(DOM)的来源和组分特征的影响, 研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的试验田为研究对象, 利用三维荧光光谱技术研究了在长期施用高量生物堆肥(EMI)、 常量生物堆肥(EMII)、 高量传统堆肥(TCI)、 常量传统堆肥(TCII)和化肥(CF)下不同深度土壤水溶性有机物在来源和组成的差异。 研究结果表明, 不同施肥处理的土壤水溶性有机碳(DOC)含量在土壤剖面的分布规律有较大差异, 堆肥使0~20和60~80 cm土层的DOC分别显著提高了81.94%~171.33%和61.18%~152.18%。 荧光光谱指数表明, DOM来源为微生物和植物混合源, 堆肥施用量的增加使DOM腐殖化程度加强, 造成表层土壤中DOM由陆源向生物源迁移, 随着土壤深度的增加, DOM由陆源向生物源迁移。 三维荧光光谱和荧光区域积分表明, 生物堆肥和传统堆肥增加了类腐殖酸物质的含量, 且随着施用量的增加而增加; 高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量; 施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。 类腐殖酸含量、 类富里酸含量和类溶解性微生物代谢产物数量随着土壤深度的增加整体呈降低趋势; 类酪氨酸随着土壤深度的增加呈增加趋势; 类色氨酸随着土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势, 且在20~40 cm含量最高。 相关性分析表明, 全磷(TP)、 全氮(TN)、 阳离子交换量(CEC)、 速效钾(AK)、 有机碳(SOC)和DOC等土壤理化指标与类酪氨酸物质呈显著负相关, 与类富里酸、 类溶解性微生物产物和类腐殖酸含量呈显著正相关, 硝态氮($NO_{3}^{-}-N$)、 TN、 pH、 SOC与类色氨酸物质呈显著正相关。 总之, 长期施用堆肥增加了潮土表层DOM的含量, 显著改变了土壤中DOM的组成和剖面上的分布特征。

关键词: 潮土; 堆肥; 水溶性有机物; 三维荧光光谱
中图分类号:O657.3 文献标志码:R
Three-Dimensional Fluorescence Spectra of Dissolved Organic Matter in Fluvo-Aquic Soil Profile Under Long-Term Composting Treatment
LIU Xia-yan1, CAO Hao-xuan1, MIAO Chuang-he1, LI Li-jun2, ZHOU Hu1, LÜ Yi-zhong1,*
1. Department of Soil and Water Sciences, College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
*Corresponding author
Abstract

In order to study the effects of the long-term application of compost on the source and composition characteristics of soil DOM in fluvo-aquic soil, this study took the experimental field of long-term application of compost at Quzhou Experimental Station in Hebei Province as the research object. It used three-dimensional fluorescence spectroscopy to explore the differences of the source and composition characteristics of DOM in the soil profile under long-term application of the high dosage of bio-compost (EMI), the conventional dosage of bio-compost (EMII), high dosage of traditional compost (TCI), the conventional dosage of traditional compost (TCII) and chemical fertilizers (CF). The results showed that the distribution of soil dissolved organic carbon (DOC) in soil profiles under different fertilization treatments was quite different, and the application of compost significantly increased the DOC in the 0~20 and 60~80 cm soil layers by 81.94%~171.33% and 61.18%~152.18%, respectively. The fluorescence spectrum index showed that the source of DOM is a mixed source of microorganisms and plants. The increase of compost dosage will increase the degree of DOM’s humification, causing the surface soil’s DOM to migrate from land source to biological source. As the soil depth increased, DOM migrated from land to biological sources. Three-dimensional fluorescence spectroscopy and fluorescence area integration showed that bio-compost and traditional compost increased the content of humic acid-like substances, which increased with the increase of application rate. High-dosage bio-compost and traditional compost increased fulvic acid-like and soluble microbial byproduct-like substances. The application of chemical fertilizers and compost reduced the content of tryptophan-like. The contents of humic acid-like, fulvic acid-like, and soluble microbial byproduct-like substances showed an overall decreasing trend with soil depth; Tyrosine-like protein increased with soil depth; Tryptophan-like substance first increased and then decreased with the increase of soil depth, and the content of tryptophan-like substance was the highest in 20~40 cm. Correlation analysis showed that soil physical and chemical indexes such as TP, TN, CEC, AK, SOC and DOC were negatively correlated with tyrosine-like substances, positively correlated with fulvic acid-like substances, soluble microbial products and humic acid-like substances. Moreover, $NO_{3}^{-}-N$, TN, pH and SOC were significantly positively correlated with tryptophan-like substances. In a word, long-term application of compost increased the DOM content in the surface layer of fluvo-aquic soil and significantly changed the composition of DOM in the soil and the distribution characteristics on the profile.

Keyword: Fluvo-aquic soil; Compost; DOM; Three-dimensional fluorescence spectrum
引言

土壤水溶性有机物(DOM)是土壤碳库的重要组成部分, 对土壤生物地球化学过程具有重要作用[1]。 DOM主要由生物活性物质和腐殖质部分组成[2]; 生物活性物质主要是氨基酸、 碳水化合物等易被微生物分解利用的物质; 腐殖质主要包括腐殖酸和富里酸[3, 4], 难以被微生物分解利用。 由于DOM组分复杂, 是土壤中重要的养分库, 在微生物作用下积极参与土壤生态系统养分转化与循环, 同时其具有流动性, 可通过离子交换、 吸附、 氧化还原反应影响土壤有机污染物、 重金属的迁移转化和空间分布等, 所以它在土壤形成、 土壤生物活性、 金属和有机污染物的运输等方面更敏感[5, 6], 能较好地反映土壤质量变化, 是评价土壤质量的重要指标。 而施肥是管理土壤的重要措施之一[7], 能显著地提升土壤有机质含量。 因此, DOM可用作评价不同施肥制度对土壤碳动态的影响。

一般认为短期施用有机肥能快速增加土壤DOM, 且随着时间而下降。 Qi等[8]认为长期施用有机肥可显著提高土壤DOC, 但长期施用化肥对其无影响。 这些结果表明施肥对土壤DOM含量的影响不一致, 受施肥种类、 水平和时间的制约。 有研究[9]发现施用有机肥提高了各土层DOC, 但连续施氮显著增加了表层土壤DOC, 降低了下层土壤DOC。 而不同施肥制度对土壤DOM垂直分布的影响机理尚不清楚。 因此, 有必要了解DOM在土壤剖面上的分布是如何受到施肥的影响。

DOM的结构和组分影响其在土壤中的功能。 土壤DOM的结构可能受其难溶组分的沉积和易溶组分输入与输出的平衡控制。 芳香化和腐殖化指数高的DOM更稳定、 生物可利用性低、 容易被土壤吸附。 彭志刚等[10]认为不同土层DOM荧光光谱特征相似, 但是表层DOM荧光强度高于下层。 研究[11]发现不同施肥对DOM和腐殖质浓度没有显著影响, 但是堆肥施用增加了类酪氨酸物质。 目前关于不同堆肥和化肥不同土层DOM结构和组分特征的研究较少。 因此, 本研究以河北省曲周实验站长期施用堆肥的土壤为研究对象, 旨在研究不同施肥处理下不同深度土壤DOM的来源和组成差异, 进一步揭示堆肥施用对土壤DOM的作用机制。

1 实验部分
1.1 研究区概况

研究区位于河北省邯郸市曲周县中国农业大学曲周实验站(115° 02'E, 36° 87'N)(图1), 土壤类型为潮土。 该地区属温带半湿润大陆性季风气候, 年平均气温13.1 ℃, 年平均降水量556.2 mm, 降雨主要集中在7月— 9月。 土壤背景值见表1。

图1 研究区Fig.1 The study area

表1 土壤背景值 Table 1 Soil background values
1.2 试验设计与样品采集

长期定位实验开始于1996年, 采用随机区组设计, 设6个施肥处理, 每个处理3个重复, 小区面积为32 m2。 种植制度为冬小麦和夏玉米轮作。 在每年6月和10月收获冬小麦和夏玉米, 其秸秆粉碎还田, 翻耕深度为20 cm。 所施用的肥料均匀撒在地表, 而后旋入土壤。

试验共设6个施肥处理: 不施肥CK, 化肥CF, 高量生物堆肥EMI, 常量生物堆肥EMII, 高量传统堆肥TCI, 常量传统堆肥TCII。 化肥处理CF: 采用当地一般施肥, 碳酸氢铵(18% N)、 尿素(46% N)和过磷酸钙(16% P2O5)的施用量分别为1 125, 600和1 125 kg· ha-1。 生物堆肥和传统堆肥的高施用量和常规施用量分别为15 000和7 500 kg· ha-1。 生物堆肥堆制方法: 将秸秆、 鸡粪、 麦麸、 棉粕按干重比(6∶ 3∶ 0.5∶ 0.5)混合均匀成堆, 然后在原料堆上喷洒2‰ (V/W)有效微生物(EM)菌剂溶液, 搅拌均匀, 按EM微生态工程技术进行堆肥发酵而成。 堆肥高温期隔一天翻一次, 温度不超过60 ℃。 当C/N低于20, 即为腐熟。 传统堆肥除不含EM菌剂外, 其余原料与堆制方法均与EM生物堆肥相同。 EM菌剂由北京沃土天地生物科技有限公司提供。

在2018年11月冬小麦苗期采集土样, 每个小区随机取5点采集0~20, 20~40, 40~60和60~80 cm土层样品, 去除石砾和根系, 混合土样。

1.3 测定方法

1.3.1 DOM提取

水溶性有机物(DOM)提取采用水土振荡提取法[12], 取3 g过2 mm的鲜土于离心管中, 按土水比1∶ 10加入30 mL去离子水后振荡1 h, 离心10 min后过0.45 μ m滤膜, 滤液即为DOM溶液, 溶液保存于-4 ℃冰箱用于DOC浓度测定和三维荧光光谱分析。

1.3.2 DOM三维荧光光谱测定

利用HITACHI F-7000 FL型荧光光度计测定土壤中DOM的三维荧光光谱。 狭缝宽带: Em=5 nm, Ex=5 nm; 响应时间: 0.5 s; 激发波长范围为200~450 nm, 间隔为5 nm, 发射波长为220~600 nm, 间隔为1 nm, 扫描速度为1 200 nm· min-1。 计算荧光指数(FI)[13] 、 自生源指标(BIX)[13]和腐殖化指数[14]。

1.3.3 土壤性质分析

土壤理化参数按照文献[15]测定, DOC浓度用Elementar Vario 有机碳分析仪测定。

1.4 数据处理

采用SPSS和Origin软件分别进行数据统计分析、 三维荧光光谱图的绘制和荧光区域积分。 试验结果为三个重复的平均值。

2 结果与讨论
2.1 不同施肥处理下0~80 cm土壤水溶性有机碳含量

长期施用堆肥显著影响不同土层DOC的含量(图2)。 施用堆肥使0~20和60~80 cm土层DOC含量分别显著提高了81.94%~171.33%和61.18%~152.18%。 不同施肥处理土壤DOC含量在土壤剖面的分布有较大差异, 主要与DOC的生物降解或吸附等因素有关。 在CK和CF处理下, DOC随土层深度的增加呈先增加后降低趋势, 20~40 cm土层含量最高, 其原因可能与CK和CF处理的土壤DOC来源主要是植物凋落物、 作物秸秆和根系, 其经过腐殖化、 淋溶、 生物降解或吸附作用使20~40 cm土层DOC含量较高。 在EMI, EMII和TCI处理下, DOC随土层深度的增加呈先减少后增加趋势; TCII处理下, DOC随土层深度的增加呈先减少后增加再降低趋势, DOC在40~60 cm土层含量最高。 我们的结果与一些研究的结果相反, 这可能是微生物、 降水淋溶作用、 温度、 根系分布等因素共同作用的结果, 一方面可能是由于采样时间为冬小麦苗期, 气温较低, 影响微生物活动, 导致下层土壤DOC降解减少, 含量较高, 另一方面可能是因为堆肥施用改善了土壤结构, 建立了更多的孔隙通道有助于DOC向下层土壤迁移, 具体深入的原因还需进一步探究。

图2 不同施肥处理下0~80 cm土壤DOC含量, FI, BIX和HIX
注: 大写字母表示相同土层不同处理间达到显著差异, 小写字母表示相同处理不同土层间达到显著差异(p< 0.05), n=3, 下同Fig.2 The content of DOC, FI, BIX and HIX in 0~80 cm soil layer under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理下0~80 cm土壤水溶性有机物三维荧光特性

2.2.1 不同施肥处理下0~80 cm土壤水溶性有机物三维荧光光谱指数

荧光指数FI常被用来表征DOM来源, 当FI≤ 1.4时, DOM来源于植物根茎叶, 为陆源DOM; FI≥ 1.9时, 主要来源于微生物的代谢及降解产物, 为内源DOM; FI介于1.4~1.9时, 为微生物和植物混合源[16]。 本研究土壤DOM的FI为1.53~1.83(图2), 说明DOM来源为微生物和植物混合源。 0~20 cm土层DOM的FI均值为1.60, 更接近陆源特征值1.4, 说明表层土壤DOM主要来源于植物根茎叶; 底层土壤40~60和60~80 cm土层DOM的FI均值为1.79和1.84, 更接近内源特征值1.9, 说明底层土壤DOM主要来源于微生物代谢及降解产物。 在土壤剖面上, DOM由陆源向生物源迁移。 0~20 cm土层FI随堆肥施用量的增加而增加, 表明堆肥施用量的增加使DOM由陆源向生物源迁移, 芳香性减弱。 其主要原因是有机肥为微生物提供能量来源, 微生物频繁的活动使有机质被彻底的分解利用。

BIX表征DOM自生源相对贡献, BIX> 1时, 说明生物或细菌引起的自生来源; BIX为0.6~0.7时, 说明陆源输入或受人类影响较大[14]。 0~20和20~40 cm土层DOM的BIX均值为0.66, 说明0~40 cm土层DOM主要来源于陆源输入或受人类影响较大, 与FI表明的结果一致。 产生这些结果的原因可能是堆肥为土壤带入了大量的碳[2]。 BIX随土壤深度增加而上升, 这说明越往下层土壤新生成的DOM越多。

HIX表征DOM的腐殖化程度。 HIX< 4时, 表明DOM腐殖化程度低, 在10~16时, 说明DOM有显著的腐殖质特征[13, 14]。 堆肥处理的各层土壤HIX值均高于CK和CF, 表明施用堆肥促进土壤DOM腐殖化。 0~20 cm土层HIX值高于下层土壤, 为4.14~7.87, 表明表层土壤DOM腐殖化特征明显, 可能是由于表土具有较高的腐殖质作用, 且积累的腐殖质随土层深度增加被土壤中微生物逐渐分解转化, 另外表土中大土壤颗粒优先吸附具有高芳香性、 高分子量的疏水DOM成分, 而亲水性成分易在底土中逐渐积累[5]。 0~20 cm土层的HIX值随堆肥施用量而增加, 可能是因为堆肥施用会对土壤有机碳产生激发效应, 使微生物分解利用的蛋白类物质向更稳定的腐殖质类物质转化[17]。

2.2.2 不同施肥处理下0~80 cm土壤水溶性有机物三维荧光光谱特征

长期施肥会影响土壤有机碳, 进一步影响土壤DOM的组成。 根据Cerdá n等[12]描述, 三维荧光光谱图可分为5个区域: 区域Ⅰ (Ex: 220~250 nm, Em: 280~330 nm)为类酪氨酸蛋白质, 可为微生物提供碳源和氮源, 也是有机氮的重要来源; 区域Ⅱ (Ex: 220~250 nm, Em: 330~380 nm)为类色氨酸蛋白质, 是天然氨基酸中的重要发光组分; 区域Ⅳ (Ex: 250~360 nm, Em: 280~380 nm)为类溶解性微生物代谢产物, 与土壤微生物代谢过程密切相关; 区域Ⅲ (Ex: 220~250 nm, Em: 380~480 nm)为类富里酸, 是一种含有大量羧基、 碳水化合物和少量芳香基和烷烃的物质; 区域Ⅴ (Ex: 250~450 nm, Em: 380~600 nm)为类腐殖酸, 一类含有大量长链烷烃和少量芳香基和碳水化合物的物质, 土壤中的腐殖酸和富里酸是土壤腐殖质的重要组成部分, 与腐殖质结构中的羰基和羧基等有关。

DOM的荧光峰能够表征其结构和组成特点。 土壤样品DOM的三维荧光光谱共出现了5个荧光峰(图3、 图4 和图5), A和B峰分别属于类酪氨酸和类色氨酸, C和D峰属于类腐殖酸, E峰属于类溶解性微生物代谢产物。 在CK和CF处理下, 共有A, B和C峰出现; 随着土壤深度增加, A峰位置基本不变, 荧光强度增加, 说明类酪氨酸含量增加; 随着土壤深度增加, B峰位置不变, 荧光强度先增加后降低, 在20~40 cm最高; 随着土壤深度增加, C峰类腐殖酸的激发波长从265 nm蓝移到260 nm, 说明腐殖质等芳香化族化合物减少, 有机物质的芳香度和分子量降低。 在EMI和EMII处理下, 共有A, B, C, D和E峰出现; 与CK和CF处理相比, A峰在0~40 cm土层消失, 在40~80 cm土层位置没有变化, 说明生物堆肥施用降低0~40 cm土层类酪氨酸含量; B峰的变化规律与CK和CF处理相似; 与CK和CF处理相比, 在0~20, 40~60和60~80 cm土层出现了D峰, 说明施用生物堆肥可能增加了类腐殖酸含量; 在EMI处理下, 60~80 cm土层E峰出现。 在TCI和TCII处理下, 共有A, B, C和D峰出现; 与CK和CF处理相比, A峰在0~20 cm土层消失, 在20~80 cm土层位置没有变化, 说明传统堆肥施用降低0~20 cm土层类酪氨酸含量; B峰和D峰变化与生物堆肥处理相似。

图3 对照和施用化肥处理下0~80 cm土壤DOM的三维荧光光谱图Fig.3 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM in 0~80 cm soil under CK and CF treatments

图4 长期施用生物堆肥下0~80 cm土壤DOM的三维荧光光谱图Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectrum of DOM in 0~80 cm soil under long-term application of bio-compost treatments

图5 长期施用传统堆肥下0~80 cm土壤水溶性有机物的三维荧光光谱图Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectrum of DOM in 0~80 cm soil under long-term application of traditional compost treatments

综上, 类酪氨酸峰在CK和CF处理中一直存在, 在EMI和EMII处理下0~40 cm土层消失, 可能是由于CK和CF处理的土壤有机碳含量较低, 而EMI和EMII处理的土壤有机碳含量高, 其中易被微生物利用的蛋白质类物质大部分已经发生了转化, 即使有新的有机物进入土壤也很难再激发其继续转化[18]。 不同施肥处理下DOM的结构和组成在土壤剖面上的差异可能和土壤SOC含量高低有密切关系。 从荧光图谱看到的信息是定性的, 通过荧光区域积分能定量的去比较不同施肥处理下DOM的结构和组成在土壤剖面上的差异。

2.3 不同施肥处理下0~80 cm土壤水溶性有机物组分特征

为定量揭示长期施用堆肥对0~80 cm土壤DOM的影响, 对不同DOM荧光区域进行积分, 各区域积分值如表2所示。 在同一土层, 类腐殖酸的荧光区域积分值最高, 类酪氨酸蛋白质的荧光区域积分值最小, 说明类腐殖酸是DOM的主要组分, 与Wu等[11]研究结果一致。 类腐殖酸随土壤深度的增加而降低; 堆肥施用增加了类腐殖酸物质, 且随着施用量的增加而增加。 类富里酸含量随土壤深度的增加整体呈降低趋势; 高量生物堆肥和传统堆肥的施用增加了类富里酸物质的含量。 表明堆肥的施用增加了土壤腐殖质的含量。 这可能是由于脂肪族化合物和低极性化合物优先溶解在土壤溶液中, 而不饱和化合物、 芳香族化合物和高极性化合物倾向于吸附在土壤颗粒上, 而施用堆肥促进土壤团聚体的形成, 使腐殖质类物质积累。 类酪氨酸蛋白质随土壤深度的增加呈增加趋势。 类色氨酸随土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势, 在20~40 cm含量最高。 可能是因为蛋白质是微生物分解利用的主要物质, 在下层土壤微生物活性降低, 导致蛋白类物质降解减少, 造成物质富集。 施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量, 是由于有机碳含量高的土壤有着更高的微生物活性, 使得类蛋白质类物质被分解利用。 类溶解性微生物代谢产物随土壤深度增加整体呈降低趋势, 高量生物堆肥和传统堆肥的施用增加了类溶解性微生物代谢产物。 类溶解性微生物产物与有机碳含量和微生物活性有着密切的关系, 有机碳含量随着土壤深度增加而降低可能导致了类溶解性产物的降低, 堆肥的输入增加了土壤有机碳和微生物活性, 进而增加了类溶解性微生物代谢产物的含量。

表2 不同施肥处理下0~80 cm土壤DOM荧光区域积分 Table 2 DOM fluorescence regional integration in 0~80 cm soil under different fertilization treatments

图6所示, 在同一土层类酪氨酸蛋白质所占百分比最少, 类腐殖酸占比最高, 与上述结果一致。 随着土壤深度增加, 类腐殖酸占比下降, 类溶解性微生物代谢产物占比增加, 说明随着土壤深度增加, DOM有一部分来源于微生物分解代谢。 堆肥的施用使得类腐殖酸占比增加, 类色氨酸占比减少, 表明堆肥的施用会激发蛋白质类物质向稳定的腐殖质类物质转化, DOM分子结构变得更复杂。 在腐殖质多元酚形成理论中, 微生物代谢产生的多元酚和醌有机化合物参与土壤腐殖质的形成。 由于采样时间在冬小麦苗期, 温度低, 土壤含水量较少, 有助于有机化合物聚合为芳香度高、 分子量大、 结构复杂、 腐殖化程度高的物质。 研究表明, 土壤DOM的各种组分有一定的转化机制。 所以施用堆肥的土壤DOM可能的转化机制是在有机碳含量高的土壤中堆肥施用增加了微生物活性, 加快有机碳的分解释放出一部分DOC与类蛋白质类物质相互作用并转化为较稳定的腐殖质类物质保存在土壤中, 另一部分则以DOC形式存在于土壤中供微生物分解利用。

图6 不同施肥处理下0~80 cm土壤DOM组分分布情况Fig.6 Distribution of DOM components in 0~80 cm soil under different fertilization treatments

2.4 长期不同施肥处理下DOM各组分与土壤理化参数的相关性分析

DOM的5种组分之间呈显著相关(表3), 其中类色氨酸、 类富里酸、 类溶解性微生物产物、 类腐殖酸之间均呈显著正相关, 类酪氨酸与其余四个组分呈显著负相关, 表明5种组分之间来源和结构有一定的联系, 可能存在转化关系。 DOM组分与土壤理化参数有不同程度的相关性。 大部分土壤理化参数(除NH4+-N和pH外)与类酪氨酸物质呈显著负相关, 与类富里酸物质、 类溶解性微生物产物和类腐殖酸呈显著正相关, NO3--N, TN, pH, SOC与类色氨酸物质呈显著正相关, 另外, 长期施用堆肥增加了土壤养分、 类富里酸、 类溶解性微生物产物和类腐殖酸的含量, 降低了类色氨酸的含量也解释了这一点。 另一方面也表明土壤DOM组分与土壤营养元素的迁移转化密切相关, 可提高土壤养分的有效性, 原因可能是由于DOM的有机酸可以活化土壤养分, 有丰富的营养功能, 同时土壤DOM可改善微生物营养条件, 增强微生物活性, 促进有机质矿化, 其对土壤养分库的贡献很大。 类蛋白质更易受pH的影响, 对腐殖质类物质无影响, 可能与腐殖质分子结构复杂有关。 总之, 土壤DOM组分对长期施用堆肥具有良好的响应机制。

表3 DOM各组分与土壤理化参数之间的相关性分析 Table 3 Correlation analysis between DOM components and soil physical and chemical parameters
3 结论

长期施用堆肥处理的土壤DOC在土壤剖面的分布有较大差异。 主要结论如下: (1)DOM来源为微生物和植物混合源, 堆肥施用量的增加使DOM腐殖化程度加强, 造成表层土壤中DOM由陆源向生物源迁移, 随着土壤深度的增加, DOM由陆源向生物源迁移。 (2)类腐殖酸物质随堆肥施用量的增加而增加; 高量生物堆肥和传统堆肥增加了类富里酸物质和类溶解性微生物代谢产物的含量; 施用化肥和堆肥均降低了类色氨酸的含量。 (3)在土壤剖面上, 类腐殖酸、 类富里酸和类溶解性微生物代谢产物含量随土壤深度的增加整体呈降低趋势; 类酪氨酸蛋白质随土壤深度的增加呈增加趋势; 类色氨酸随土壤深度增加整体呈先增加后降低趋势, 在20~40 cm含量最高。 (4)DOM的5种组分与土壤理化参数有不同程度的相关性。 总之, 长期施用堆肥增加了潮土剖面表层DOM的含量, 并使DOM组分在剖面上分异增强, 不同土壤层次的DOM组成具有显著的差异, 土壤剖面下层DOM的微生物来源性增强, 说明长期施用不同的有机肥和化肥种类可显著改变土壤中DOM的组成和立体分布特征。

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