供试玉米秸秆采集后, 于恒温烘箱烘干至恒重, 经粉碎后过0.15 mm筛, 密封保存备用, 取200 g秸秆样品, 按秸秆∶ 水=1∶ 2(w∶ v)的比例加入400 mL超纯水, 在25 ℃恒温培养箱中避光腐解30 d。 冻融循环和干湿交替实验设计参照He等^[17]和Li等^[25]的方法。 冻融循环处理组(FT): 东北地区年均土壤冻融循环次数为(15± 5)次^[18], 多年平均冻土深度近2 m^[26], 可完全覆盖秸秆还田深度。 因此将样品在-16 ℃下完全冻结12 h, 随后于20 ℃解冻12 h, 以模拟1个冻融循环周期(24 h), 并分别在0、 3、 5、 7。 10、 15、 20、 30、 45和60 d取样(每个时间点设置3个重复), 进而模拟秸秆在土壤中的长期老化过程。 干湿交替处理组(WD): 样品在超纯水中完全浸润12 h, 随后于70 ℃烘箱干燥12 h至恒重, 构成1个干湿交替周期(24 h)。 为保证两种老化过程的可比性, WD处理组取样时间点与FT组一致, 每个处理设3个重复。

按预设时间节点取样后, 称取0.35 g秸秆样品, 按土∶ 水=1∶ 100(w∶ v)加入35 mL超纯水, 于25 ℃恒温摇床(220 r· min^-1)振荡24 h。 随后以6 000 r· min^-1离心10 min, 上清液经0.45 μ m滤膜过滤后, 获得DOM溶液, 4 ℃ 避光保存待测^[27]。 DOC含量使用总碳分析仪(Vario TOC, Elementar, 德国)测定。

1.3.1 紫外-可见吸收光谱及参数分析

实验采用分光光度计(Aqualog, Horiba, 美国)进行紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱测定, 激发光源为150 W无臭氧氙弧灯。 仪器分析前, 使用了Milli-Q超纯水进行了基线校正。 紫外-可见吸收光谱用10 mm石英比色皿, 在200~800 nm激发波长(excitation, Ex)范围内以5 nm步长进行扫描, 紫外-可见光谱特征参数的描述见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 紫外-可见吸收光谱参数 Table 1 UV-Vis absorption spectrum parameter description 参数名称 公式 参数描述 SUVA254 SUVA254=α g(254)/DOC 反映DOM芳香化程度, 值越高表明芳香性越强[28] SUVA260 SUVA260=α g(260)/DOC 表征DOM疏水组分占比, 值越高疏水性越强[28] E2/E3 E2/E3=A250/A365 指示DOM分子量大小, 比值越大分子量越小[29]

表1 紫外-可见吸收光谱参数 Table 1 UV-Vis absorption spectrum parameter description

吸收系数描述了样品每单位光程长度吸收紫外-可见光的能力, 计算公式为

αg(λ)=2.303×A/l(1)

式(1)中, λ 为波长(nm); α _g(λ )为波长λ 处的吸收系数(m^-1), 反映有色溶解性有机质(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)相对含量; A为吸光度; l为光程路径(m)。 选取α _g(355)表示CDOM的相对浓度。

1.3.2 三维荧光光谱与参数及参数分析

三维荧光光谱测定条件: 激发波长200~600 nm(5 nm间隔), 积分时间0.5 s。 仪器自动校正内滤效应, 荧光强度(A.U.)以Milli-Q超纯水在350 nm激发下的Raman峰强度归一化, 结果以Raman单位(R.U.)表示。

平行因子分析(parallel factor analysis, PARAFAC)采用MATLAB R2022a中的dr EEM工具箱进行, 解析激发-发射矩阵(excitation-emission matrix, EEM)数据。 剔除异常值并去除瑞利散射和拉曼散射后, 通过2~6组分模型拟合, 结合裂半分析和残差分析确定最佳荧光组分数^[28]。 输出各组分最大荧光强度(F_max)及其占比^[30], 荧光光谱特征参数的描述见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 三维荧光光谱参数 Table 2 Three-dimensional fluorescence spectrum parameter description 参数名称 计算方式 参数描述 荧光指数 (fluorescence index, FI) FI=I450 nm/I500 nm (激发波长: 370 nm) 反映DOM中芳香物质对其荧光强度的贡献率, DOM的芳香程度与FI值呈负相关关系, 同时FI可以指示DOM的来源情况, 当FI< 1.4时, DOM以外源为主, 当FI> 1.9时, DOM以生物源为主[31] 腐殖化指数 (humification index, HIX) HIX=∑I470~520nm/(∑I300~345nm+∑I435~480nm) (激发波长: 254 nm) HIX可以表征DOM的腐殖化特征, 当HIX< 0.8时表明其腐殖化程度较低, 并且HIX值越小则DOM的腐殖化程度越弱[31]

表2 三维荧光光谱参数 Table 2 Three-dimensional fluorescence spectrum parameter description

采用Microsoft Excel 2016 进行试验数据处理; 各指标之间的相关性利用Pearson相关系数表示; 应用Mann-Kendall检验法(即M-K检验)对光谱特征参数做突变检验, UF与UB是分别按正时间序列与逆时间序列构造统计量序列。 通过计算UF和UB, 确定显著性水平α =0.05, 进而明确序列突变时间并找出突变区域。 若UF值大于0, 则表明序列呈上升趋势; 若UF值小于0, 表明序列呈下降趋势, 当UF值超过上、 下信度线(U_0.05=1.96)时, 表明序列升降趋势显著, 如果上、 下信度线内出现UF与UB交点, 则交点对应时刻发生突变, 详细计算过程可参考课题组前期研究成果^[32]; Origin 2025用于数据分析及绘图。

DOC是表征DOM含量的重要指标。 本研究对比了冻融循环和干湿交替两种老化方式下玉米秸秆DOC含量的动态变化(图1), 并探讨了其潜在影响机制。 (1)冻融循环的影响: 在FT处理下, DOC含量总体呈上升趋势(6.08→ 9.14 g· kg^-1), 但变化并非线性, 而是在不同阶段表现出异质性特征。 在初期(0~3 d), DOC含量短暂下降, 可能是由于冻融作用促使耐寒微生物群落建立, 短期内消耗了部分可利用的DOC^{[33, 34]}; 中后期(20~60 d), DOC含量开始上升, 冻融循环可能造成了细胞壁的膨胀和破裂, 并引起水解反应, 导致有机物更容易溶解和释放^{[35, 36]}。 (2)干湿交替的影响: 在WD处理中, DOC含量增幅更显著(6.42→ 12.39 g· kg^-1), 其变化机制与FT不同, 即初期, 干湿交替导致秸秆细胞壁膨胀-收缩, 加速小分子有机物溶解释放, DOC浓度快速上升^[37]; 后期, 易降解组分减少, DOM释放速率减缓, 反映剩余有机质的降解阻力增加。 (3)两种处理的对比: WD处理的DOC含量始终高于FT, 且后期差距扩大(图1), 这一差异可能归因于WD较高的温度和水分变化增强了微生物代谢, 从而促进了秸秆中DOM的释放和转化^[38]。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 冻融循环和干湿交替过程中秸秆DOC浓度的动态变化Fig.1 Dynamic changes in DOC concentration during freeze-thaw cycles and wet-dry alternation

紫外-可见吸收光谱是表征DOM化学组成和结构特征的重要技术手段。 该方法通过测定特定波长下的吸光度, 可对DOM中的发色团组分进行半定量分析。 已有研究表明, 190~400 nm(近紫外区)和400~800 nm(可见光区)的吸收特征能够有效反映DOM中共轭有机分子的结构信息^[39]。 特别是226~400 nm范围内的吸收系数对DOM分子中芳香性、 共轭结构以及分子量等因素较为敏感^[40]。 本研究系统分析了冻融循环和干湿交替两种老化方式对秸秆源CDOM紫外-可见吸收光谱的影响(图2)。 结果显示, 两种老化处理均显著改变了CDOM的分子结构特征, 但其作用机制和影响程度存在明显差异。 所有样品在250~300 nm范围内均出现特征性肩峰(图2), 表明DOM中存在含C═C、C═O和N═N等双键的芳香族或不饱和化合物^[40]。 在FT处理中, 该肩峰呈现变宽趋势[图2(a)], 表示芳香族不饱和化合物发生聚合效应, DOM腐殖化程度逐步提高; 而WD处理则表现出不同的变化模式, 即与初始样品(0 d)相比, 250~300 nm范围内的肩峰宽度减小[图2(b)], 表明腐殖化程度降低。 同时, 与FT处理相比, WD处理中该波段的吸收强度显著增加, 说明该条件下芳香族化合物和不饱和共轭双键结构含量较高。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 老化过程中秸秆源DOM的紫外-可见吸收光谱 (a): 冻融循环; (b): 干湿交替Fig.2 UV-Vis absorption spectra of DOM from straw during (a): Freeze-thaw cycles; (b): Wet-dry alternation

为阐明秸秆源DOM的组分特征及其在老化过程中的动态变化, 本研究采用EEM-PARAFAC方法, 对冻融循环和干湿交替处理下的秸秆源DOM进行了组分表征。 结果表明, 两种老化过程中均鉴定出3个类腐殖质荧光组分(C1、 C2、 C3), 其光学特性与文献报道的类腐殖质物质具有一致性(表3, 图3)。 荧光组分C1(Ex/Em: 345/445 nm)呈现典型C峰特征, 属于类腐殖酸物质, 其激发/发射波长与文献报道的陆源腐殖质(350/440 nm)高度吻合^{[41, 42]}。 荧光组分C2(Ex/Em: 425/515 nm)具有单一D峰特征, 为类富里酸物质。 值得注意的是, 其发射波长较传统D峰(410/520 nm)出现显著红移^{[41, 43, 44]}, 表明该组分具有更高的共轭芳香基团丰度和更复杂的分子结构, 可能含有扩展的π -电子共轭体系^[45]。 荧光组分C3(Ex/Em: 260(305)/394.5 nm)呈现双峰特征(A峰和M峰), 其中A峰(Ex < 260 nm)为类腐殖酸物质, M峰(Ex=305 nm)通常为微生物活动产生的类腐殖质物质, 其波长范围与既往研究(285~305/390~415 nm)一致^{[41, 46]}。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 秸秆源DOM的荧光组分特征与以往研究对比 Table 3 Characteristics of the components identified in the present study compared with those previously identified 组分 Ex/Em(nm) 荧光物质类型 荧光峰 以往的研究Ex/Em(nm) C1 345/445 类腐殖质物质 Peak C 350/440[41, 42] C2 425/515 类富里酸物质 Peak D 410/520[41, 44] C3 260(305)/394.5 类腐殖质物质 Peak A/Peak M 285~305/390~415[41, 46]

表3 秸秆源DOM的荧光组分特征与以往研究对比 Table 3 Characteristics of the components identified in the present study compared with those previously identified

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 冻融循环和干湿交替过程中秸秆源DOM的三维荧光组分及组分激发/发射波长分布 (a): C1; (b): C2; (c): C3Fig.3 Fluorescence components of straw-derived DOM during freeze-thaw cycles and wet-dry alternation (a): C1; (b): C2; (c): C3

本研究深入探究了老化过程中秸秆源DOM荧光组分比例的动态变化, 结果如图4所示。 在FT处理中, 随着循环次数增加, C2组分相对含量从初始的31%逐渐降低至26%, 此现象揭示了冻融作用可诱发秸秆源DOM中芳香性较强的类腐殖酸物质降解或转化。 在WD处理下, C2组分占比总体也呈下降趋势, 相较于冻融循环结果, 其对C2组分的影响展现出不同的时间动态特征。 在WD处理前期(0~15 d), C2组分占比由27%上升至30%, 这可能源于干湿交替初期秸秆中易降解组分优先被分解, 致使难降解的芳香类物质相对富集^[47]。 而在第15~60 d的处理过程中, C2组分占比逐步降低后趋于稳定。 这一趋势与紫外-可见光谱研究结果一致, 即随着冻融循环、 干湿交替频次增多, 玉米秸秆源DOM的芳香性逐渐减弱。 值得注意的是, 干湿交替作用下C2组分的降幅高于冻融循环过程, 表明干湿交替对DOM稳定性的扰动更为强烈。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 (a)冻融循环和(b)干湿交替期间秸秆源DOM荧光组分的相对贡献率Fig.4 Relative contribution rate of fluorescence components of straw-derived DOM during (a) freeze-thaw cycles and (b) wet-dry alternation

本研究借助计算不同时间节点下的SUVA₂₅₄、 SUVA₂₆₀及E2/E3比值, 深入探究了冻融与干湿交替处理对玉米秸秆腐解过程中DOM性质的影响。 研究结果(图5)显示, 不同处理改变了DOM的芳香性及分子量分布状况。 在冻融循环作用下, SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀于不同时间点呈现波动变化趋势, 且均维持在较高水平(> 4.5), 说明腐解产物中芳香性化合物含量较高。 老化初期(0~15 d), DOM中的芳香性成分相对稳定, 冻融循环对DOM结构变化影响较为微弱。 随着老化时间的延长, SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀值总体呈下降趋势。 通过Mann-Kendall趋势检验进一步发现, SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀的UF与UB曲线在20 d左右发生交叉, 表明冻融循环20次开始出现突变点, 并且交点之后的UF值未超过信度线, 表明20次冻融循环后SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀的变化趋势不再显著。 E2/E3值在前期(0~3 d)变化不明显, 随后逐步上升(第5 d至第60 d), 表明随着冻融过程的反复进行, DOM中高分子量物质逐渐降解为小分子组分。 以上结果表明, 冻融循环作用下秸秆优先释放小分子化合物, 后期则以大分子化合物降解为主^[47]。 干湿交替作用下, SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀同样呈下降趋势, 尤其在第15 d至第30 d显著降低, 表明随着干湿交替的反复进行, DOM中的芳香性物质逐渐减少, 其原因可能是高温干燥条件下芳香化合物被分解^[37]。 Mann-Kendall趋势检验结果显示, UF曲线处于负值区间, 并且UF与UB曲线在10 d左右发生交叉, 并且在10 d 后UF曲线超过信度线, 进一步表明了干湿循环10次后SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀呈显著下降趋势。 E2/E3值总体呈上升趋势, 并在干湿交替老化后期(第30~60 d)趋于平稳, 表明干湿交替显著促进了高分子量DOM组分的分解, 致使小分子成分占比增加。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 秸秆源DOM的紫外-可见光谱特征值 (a): 冻融循环; (b): 干湿交替Fig.5 UV-Vis characteristic values of straw-derived DOM (a): Freeze-thaw cycles; (b): Wet-dry alternation

FI是表征DOM中芳香族化合物对其荧光特性贡献程度的重要指标^[31]。 本研究运用平行因子分析法对秸秆源DOM的荧光特性进行了分析(表4), 结果显示, 经历不同频次冻融和干湿交替处理后, 秸秆源DOM的FI指数总体呈上升趋势(FT: 1.435→ 1.446; WD: 1.436→ 1.456)。 整体而言, 冻融循环与干湿交替作用下秸秆源DOM的FI值介于1.4~1.9之间, 表明其来源受外源与内源(微生物代谢活动)的共同影响^[31]。 相较而言, 干湿交替作用对FI指数影响更为明显, 相对较高的环境温度有利于提升微生物的活性。 这一变化趋势表明, 随着环境胁迫程度的加剧, DOM中芳香族化合物的相对含量逐渐降低, 分子结构趋于简单化。 这一发现与前文紫外吸收光谱分析结果相互印证, SUVA₂₅₄值同样呈下降趋势, 进一步证实了环境胁迫会导致秸秆源DOM芳香性降低的结论。 这种变化可能与冻融和干湿交替过程中, 芳香族化合物更容易发生降解有关, 同时也反映了DOM在环境胁迫下的转化特征。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 三维荧光光谱参数描述 Table 4 Description of three-dimensional fluorescence spectrum parameters 时间/d FT WD FI HIX FI HIX 0 1.435 0.867 1.436 0.869 3 1.436 0.874 1.412 0.676 5 1.436 0.879 1.448 0.747 10 1.432 0.883 1.421 0.770 15 1.429 0.886 1.438 0.736 20 1.445 0.884 1.461 0.670 30 1.446 0.888 1.453 0.668 45 1.439 0.897 1.449 0.806 60 1.446 0.899 1.456 0.820

表4 三维荧光光谱参数描述 Table 4 Description of three-dimensional fluorescence spectrum parameters

HIX是反映DOM腐殖化程度的荧光指数, 当HIX低于0.8时, 表明DOM腐殖化程度较低, 且HIX值越小, DOM的腐殖化程度越弱^[31]。 在冻融循环作用下, HIX值从第0 d的0.867持续上升至60 d的0.899, 这一趋势说明, 随着冻融老化次数的增加, FT处理下DOM的腐殖化程度逐渐增强。 而干湿交替作用下, HIX值总体呈下降趋势, 即干湿交替作用使秸秆源DOM腐殖化程度降低, 该结果与紫外-可见光谱特征一致。 此外, HIX值在0 d时为0.869, 第3 d时骤降至0.676, 之后逐渐回升至第60 d的0.820。 这种趋势表明, WD处理初期可能加速了小分子有机物的释放(导致HIX下降), 而后期腐殖化过程重新占据主导^[47]。 WD处理的HIX变化幅度更大(0.676→ 0.820), 而FT处理下HIX值仅增加了0.032(0.867→ 0.899)。 这表明与冻融循环作用相比, 干湿交替作用可能加速了DOM组分的动态转化。

为深入剖析秸秆源DOM中发色部分和荧光部分的内在联系, 本研究针对老化作用下秸秆源DOM的三维荧光光谱特征参数、 紫外-可见吸收光谱参数以及DOC含量进行了相关性分析, 结果如图6所示。 研究发现, 无论老化类型如何, FI与E2/E3始终呈正相关关系。 这一结果表明, 在秸秆老化过程中, DOM的大分子芳香性结构遭到逐步破坏, 进而致使其分子量减小。 同时, FI与CDOM含量呈显著负相关关系(p< 0.05), 且与SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀同样呈负相关, 这表明DOM中荧光团与发色团性质相近。 随着CDOM含量的增加, DOM中具有荧光特性的部分, 通常与DOM的芳香性密切相关^[48]。 在表征DOM特性方面, 紫外-可见光谱借助SUVA₂₅₄、 E2/E3等参数, 能够有效表征DOM的芳香性程度及分子量分布, 进而揭示发色团, 如共轭双键、 芳香族化合物的结构演变过程。 而三维荧光光谱则通过FI、 HIX及组分解析, 实现对DOM中类腐殖质等荧光组分来源与转化的区分。 因此, 将紫外-可见光谱与三维荧光光谱进行协同分析, 具有重要意义。 一方面, 能够明晰老化作用对秸秆源DOM降解及腐殖化程度的影响; 另一方面, 可通过光谱参数间的相关性, 揭示DOM发色团与荧光团的结构关联性, 全面阐明不同老化作用对秸秆源DOM含量、 组分及结构特性的影响。 然而, 实验室环境在温度、 水分及基质组成上相对单一, 难以反映出实际农田环境的复杂性特征。 东北黑土区作为典型的季节性冻土区和雨养农业区, 其DOM的周转不仅受控于冻融频率和干湿交替强度, 还受到降雨事件、 土壤结构异质性及微生物群落多样性等多重因子的耦合调控。 因此, 未来研究仍需结合野外长期定位观测, 获取黑土区典型冻融、 降雨事件驱动下的秸秆还田土壤DOM含量与组分演变的实测数据, 结合水热传输模型进一步量化温度与湿度变化对秸秆还田土壤DOM的耦合影响, 进而为秸秆资源化利用提供更加全面的理论支撑。 此外, DOM作为土壤有机碳库中最为活跃的组分, 深入分析其在变化环境条件影响下的生物化学循环过程机制, 可为构建土壤碳循环过程模型, 提升秸秆还田碳汇潜力评估精度提供重要的基础参数支撑。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 (a)冻融循环和(b)干湿交替作用下紫外-可见光谱与三维荧光光谱参数的相关性 注: “ * * ” 表示显著性水平为: p< 0.01(双侧); “ * ” 表示显著性水平为: p< 0.05(双侧)Fig.6 Correlation between UV-Vis absorption and three-dimensional fluorescence spectral parameters of straw under (a) freeze-thaw cycles and (b) wet-dry alternation