长期施用堆肥处理下潮土剖面...性有机物的三维荧光光谱研究_柳夏艳.pdf
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1、第 卷,第期 光谱学与光谱分析 ,年月 ,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,曹浩轩,缪闯和,李丽君,周虎,吕贻忠中国农业大学土地科学与技术学院,北京 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 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()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()、常量生物堆肥()、高量传统堆肥()、常量传统堆肥()和化肥()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()含量在土壤剖面的分布规律有较大差
2、异,堆肥使 和 土层的 分别显著提高了 和 。荧光光谱指数表明,来源为微生物和植物混合源,堆肥施用量的增加使 腐殖化程度加强,造成表层土壤中 由陆源向生物源迁移,随着土壤深度的增加,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 含量最
3、高。相关性分析表明,全磷()、全氮()、阳离子交换量()、速效钾()、有机碳()和 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()、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 的含量,显著改变了土壤中 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:文献标识码:()收稿日期:,修订日期:基金项目:国家重点研发项目()和国家重点研发项目()资助作者简介:柳夏艳,女,年生,中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生 :通讯作者 :引言土壤水溶性有机物()是土壤碳库的重要组成部分,对土壤
4、生物地球化学过程具有重要作用。主要由生物活性物质和腐殖质部分组成;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,难 以 被 微 生 物 分 解 利 用。由 于 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,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,能显著地提升土壤有机质含量。因此,可用作评价不同施
5、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,且随着时间而下降。等认为长期施用有机肥可显著提高土壤 ,但长期施用化肥对其无影响。这些结果表明施肥对土壤 含量的影响不一致,受施肥种类、水平和时间的制约。有研究发现施用有机肥提高了各土层 ,但连续施氮显著增加了表层土壤 ,降低了下层土壤 。而不同施肥制度对土壤 垂直分布的影响机理尚不清楚。因此,有必要了解 在土壤剖面上的分布是如何受到施肥的影响。的结构和组分影响其在土壤中的功能。土壤 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 更稳定、生物可利用性低、容易被土壤吸附。彭志刚等 认为不同土层
6、荧光光谱特征相似,但是表层 荧光强度高于下层。研究 发现不同施肥对 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 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 的来源和组成差异,进一步揭示堆肥施用对土壤 的作用机制。实验部分 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(,)(图),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 ,年平均降水量 ,降雨主要集中在月月。土壤背景值见表。图研究区 表土壤背景值 有机质()全磷()全氮()碱解氮()速效
7、磷()速效钾()容重()阳离子交换量()试验设计与样品采集长期定位实验开始于 年,采用随机区组设计,设个施肥处理,每个处理个重复,小区面积为。种植制度为冬小麦和夏玉米轮作。在每年月和 月收获冬小麦和夏玉米,其秸秆粉碎还田,翻耕深度为 。所施用的肥料均匀撒在地表,而后旋入土壤。试验共设个施肥处理:不施肥,化肥,高量生物堆肥 ,常量生物堆肥 ,高量传统堆肥 ,常量传统堆肥 。化肥处理:采用当地一般施肥,碳酸氢铵()、尿素()和过磷酸钙()的施用量分别为 ,和 。生物堆肥和传统堆肥的高施用量和常规施用量分别为 和 。生物堆肥堆 制方法:将 秸秆、鸡粪、麦麸、棉 粕 按干 重 比(:)混合均匀成堆,然
8、后在原料堆上喷洒()有效微生物()菌剂溶液,搅拌均匀,按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。当低于,即为腐熟。传统堆肥除不含菌剂外,其余原料与堆制方法均与生物堆肥相同。菌剂由北京沃土天地生物科技有限公司提供。在 年 月冬小麦苗期采集土样,每个小区随机取点采集,和 土层样品,去除石砾和根系,混合土样。测定方法 提取水溶性有机物()提取采用水土振荡提取法,取过 的鲜土于离心管中,按土水比:加入 去离子水后振荡,离心 后过 滤膜,滤液即为 溶液,溶液保存于冰箱用于 浓度测定和三维荧光光谱分析。三维荧光光谱测定第期 柳夏艳等:长期施用堆肥处理下潮土剖面水溶性有机物的三维
9、荧光光谱研究利用 型荧光光 度 计 测 定土 壤 中 的三维荧光光谱。狭缝宽带:,;响应时间:;激发波长范围为 ,间隔为,发射波长为 ,间隔为,扫描速度为 。计 算 荧 光 指 数()、自 生 源 指 标()和腐殖化指数。土壤性质分析土壤理化参数按照文献 测定,浓度用 有机碳分析仪测定。数据处理采用 和 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。结果与讨论 不同施肥处理下 土壤水溶性有机碳含量长期施用堆肥显著影响不同土层 的含量(图)。施用堆肥使 和 土层 含量分别显著提高了 和 。不同施肥处理土壤 含量在土壤剖面的分布有较大差异,主 要与 的生
10、物降解或吸附等因素有关。在 和 处理下,随土层深度的增加呈先增加后降低趋势,土层含量最高,其原因可能与 和 处理的土壤 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 土层 含量较高。在图不同施肥处理下 土壤 含量,和 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(),下同 ,光谱学与光谱分析第 卷,和 处理下,随土层深度的增加呈先减少后增加趋势;处理下,随土层深度的增加呈先减少后增加再降低趋势,在 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
11、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 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 向下层土壤迁移,具体深入的原因还需进一步探究。不同施肥处理下 土壤水溶性有机物三维荧光特性 不同施肥处理下 土壤水溶性有机物三维荧光光谱指数荧光指数 常被用来表征 来源,当 时,来源于植物根茎叶,为陆源;时,主要来源于微生物的代谢及降解产物,为内源;介于 时,为微生物和植物混合源。本研究土壤 的 为 (图),说明 来源为微生物和植物混合源。土层 的 均值为 ,更接近陆源特征值 ,说明表层土壤 主要来源于植物根茎叶;底层土壤 和 土层
12、的 均值为 和 ,更接近内源特征值 ,说明底层土壤 主要来源于微生物代谢及降解产物。在土壤剖面上,由陆源向生物源迁移。土层 随堆肥施用量的增加而增加,表明堆肥施用量的增加使 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。表征 自生源相对贡献,时,说明生物或细菌引起的自生来源;为 时,说明陆源输入或受人类影响较大。和 土层 的 均值为 ,说明 土层 主要来源于陆源输入或受人类影响较大,与 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。随土壤深度增加而上升,这说明越往下层土壤新生成的 越多。表征 的腐殖化程度。
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