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  土壤  2025, Vol. 57 Issue (5): 1013-1024  DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2025.05.008
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引用本文  

王涵, 刘宗岳, 窦圣龙, 刘畅, 窦九九, 刘钰钦, 陈淼. 不同施肥处理下砖红壤溶解性有机质含量和光谱特性的剖面分布特征. 土壤, 2025, 57(5): 1013-1024.
WANG Han, LIU Zongyue, DOU Shenglong, LIU Chang, DOU Jiujiu, LIU Yuqin, CHEN Miao. Profile Distribution Characteristics of Latosol Dissolved Organic Matter Content and Spectral Properties Under Different Fertilization Treatments. Soils, 2025, 57(5): 1013-1024.

基金项目

中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队项目(CATASCXTD202411)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1630042022001,1630042023006)资助

通讯作者

陈淼, (cataseppiael@163.com)

作者简介

王涵(2000—),女,海南乐东人,硕士研究生,主要研究方向为土壤碳循环。E-mail:1183310476@qq.com
不同施肥处理下砖红壤溶解性有机质含量和光谱特性的剖面分布特征
王涵1,2,3 , 刘宗岳1,2,3 , 窦圣龙1,2,3 , 刘畅1,2,3 , 窦九九2,3,4 , 刘钰钦2,3 , 陈淼2,3     
1. 海南大学环境科学与工程学院, 海口 570228;
2. 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所, 海口 571101;
3. 海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站, 海南儋州 571737;
4. 华中农业大学资源与环境学院, 武汉 430070
摘要:以海南省儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站长期定位试验为依托,选择不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)和有机无机配施(NPKOM)3种施肥处理模式,利用多光谱技术(紫外–可见光谱和三维荧光光谱技术)结合平行因子分析(PARAFAC)研究不同施肥模式对热区砖红壤剖面溶解性有机质(DOM)含量及光谱特征的影响。结果表明:与CK处理相比,NPK和NPKOM处理均降低了砖红壤DOM的含量。在剖面分布上,表层(0 ~ 20 cm)土壤DOM的含量显著高于其他层(20 ~ 100 cm)土壤。PARAFAC分析结果显示,砖红壤DOM主要由陆源类腐殖质(Ex/Em=355 nm/428 nm,C1)、天然富里酸(Ex/Em=420 nm/471 nm,C2)和类蛋白质(Ex/Em=310 nm/346 nm)3个荧光组分组成,NPK和NPKOM处理均显著增加了C1组分和C2组分的相对丰度,而降低了C3组分的相对丰度;C1和C2组分的相对丰度均随着土层深度呈现降低趋势,而C3组分则呈现增加趋势。综上,由于施肥增加农作物残体累积及根系分泌物释放,加上有机肥自身源DOM的释放,与CK处理相比,NPK和NPKOM处理土壤DOM腐殖化程度增加而自生源特征降低,NPK和NPKOM处理耕层(0 ~ 40 cm)土壤DOM的芳香性及疏水性显著低于CK处理。
关键词施肥模式    砖红壤    溶解性有机质(DOM)    光谱特性    剖面特征    

土壤是粮食的基础,具有维持土壤肥力、促进生态系统稳定、调节气候变化等多种功能[1]。众所周知,人为干扰和管理制度极大地影响了土壤性质和生化过程,特别是在集约化农业过程中。因此,有必要根据不同的农业管理制度对土壤特征进行批判性评估,以设计和实施更可持续的管理措施。热区农田土壤由于高温高湿气候条件以及高复种指数,土壤养分流失严重、肥力低下[2]。为提高土壤肥力、提升作物产量,施肥成为该地区的重要管理措施[3-4]。一般来说,无机肥(化肥)营养丰富,极易被植物吸收利用,但其可持续时间短[5]。为提高作物产量,农户加大化肥施用量,通常达到推荐施肥量的5倍~ 10倍[6]。相比之下,有机肥(如秸秆、生物质炭、禽畜粪便等)可以为植物生长提供持续的养分。然而,过量和长期施用无机或有机肥料均会导致土壤退化,如土壤肥力下降、土壤酸化及微生物失衡,最终导致作物产量下降[7-8]。研究表明,有机无机配施能够提高土壤有机碳含量和养分库容、改善土壤结构,实现作物产量与品质的提升,是实现化肥减量增效、提高土壤肥力的重要途径[9]

土壤溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是土壤有机碳中最活跃的碳库,是全球碳循环的关键组成之一,在碳循环中发挥着重要作用,极易受农艺措施的影响[10]。其中,施肥作为最重要的农艺措施,是影响土壤DOM的关键因素[11]。已有大量研究表明,施肥会不同程度地影响土壤DOM含量[3]。然而,目前关于不同施肥模式对土壤DOM影响的研究主要集中在表层土壤,对土壤剖面上DOM组成、分布及结构特征的变化关注较少。而研究表明,全球一半的土壤有机质储存在深层土壤中,深层土壤中的DOM在固碳过程中起着至关重要的作用[12]。DOM最初从降解的植物材料及所施肥料中溶出,或直接源自植物根系分泌,其在土壤中的迁移过程中,性质发生改变[13]。在植被到地下水这一关键带中,发生着有机质的产生、降解、再加工、储存和向下运输等过程。这些过程使得土壤DOM通过土壤剖面并最终进入地下水时性质发生显著变化,进而影响其生态功能及环境效应。因此,明确不同施肥模式下剖面土壤DOM含量、组成成分及结构特征,对理解不同施肥模式下土壤DOM动态变化及其生态环境效益具有重要意义。

由此,本研究基于海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站(简称“儋州站”)长期定位试验,选择不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)和有机无机配施(NPKOM)3种施肥模式(耕作等管理措施保持一致),将紫外–可见光吸收光谱(ultraviolet-visible spectrum,UV-vis)、三维荧光光谱(three-dimensional fluorescence excitation-emission matrix,3D-EEMs)等多光谱学技术与平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC)等统计学分析方法相结合,考察不同施肥模式下热区砖红壤DOM含量、荧光组分、分子结构及来源的垂直剖面分布特征,并探讨控制不同施肥模式下DOM垂直分布的关键因子及其指示作用,以期为热区农田土壤地力提升提供重要的理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本研究中的长期定位试验田位于海南省儋州市那大镇宝岛新村(19°31′ N,109°34′ E)海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站。试验田所在地区属于热带季风气候,年平均温度23.5℃,年均降水量1 815.0 mm,年均日照时数1 701.6 h,土壤为花岗岩母质风化所形成的砖红壤,由质量占比18.6% 的黏土、8.8% 的细粉土、6.4% 的粗粉砂、14.7% 的细砂和51.5% 的粗砂组成。

1.2 试验设计及土壤样品采集

长期定位试验开始于2017年,本研究选择的3个施肥处理分别为:①对照(CK):不施加任何肥料;②单施无机肥(NPK):N、P2O5和K2O年施用量分别为345、273和417 kg/hm2;③有机无机配施(NPKOM),施用的有机肥为蚯蚓粪,蚯蚓粪施用量2 000 kg/hm2,N、P2O5和K2O的施用量与单施无机肥处理一致。每个处理3个重复。试验小区面积为60 m2(7.5 m×8 m),所有试验田种植制度均为辣椒–玉米轮作。土壤样品采集于2023年9月,通过五点采样法采集各小区0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80和80 ~ 100 cm土层的土壤样品,采集后的土样运回实验室风干过2 mm筛并保存备用。表 1为不同处理土壤作物产量和生物量信息,表 2为不同处理土壤基本理化性质。

表 1 不同处理作物产量和生物量 Table 1 Crop yields and biomass under different fertilization patterns

表 2 不同处理土壤基本理化性质 Table 2 Latosol basic physiochemical properties under different fertilization patterns
1.3 土壤理化性质测定

土壤pH采用电位法(FiveEasy Plus,Mettler Toledo,瑞士)进行测定。土壤DOM的含量采用溶解性有机碳含量(dissolved organic carbon,DOC)表示,采用水土振荡法测定,即以土水质量比1∶5混合后,在振荡器(HZ-9610KB,华利达,中国)中避光振荡24 h,振荡后的混合液置于冷冻离心机(Centrifuge 5810R,Eppendorf,德国)中离心15 min,将获取的上清液过0.45 μm滤膜后用总有机碳/氮分析仪(Multi N/C 3100/1,耶拿,德国)进行测定[14]。土壤全氮用半微量凯氏定氮法通过全自动凯氏定氮仪测定(K9860,海能,山东)[15]。土壤全磷运用碱溶–钼锑抗分光光度法进行测定[16]。土壤全钾采用碱熔法进行测定[17]。土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法–外加热法和硫酸亚铁滴定法测定[18]

1.4 土壤DOM光谱分析

土壤DOM样品的UV-Vis吸光度通过紫外光分光光度计(UV2600,岛津,日本)进行测定。检测过程中,以超纯水作为空白对照,在200 ~ 700 nm波长下以1 nm的间隔扫描获得UV-Vis光谱[19]。为进一步表征DOM的光谱特征,采用UV-Vis光谱参数对DOM的芳香度、分子量、疏水性组分含量等进行表征,各光谱参数计算方法及含义见表 3

表 3 紫外–可见光吸收光谱参数描述 Table 3 Description of ultraviolet-visible absorption spectrum parameters

DOM样品的三维荧光光谱(3D-EEMs)通过荧光分光光度计(F97 pro,棱光技术,中国)测量:激发波长(Ex)为200 ~ 500 nm,发射波长(Em)为250 ~ 550 nm,扫描间隔均为5 nm,扫描速度为6 000 nm/min。为消除内滤效应,所有DOM样品荧光光谱图均扣除以超纯水扫描获得的光谱图,并进行瑞丽散射去除[24]。为进一步表征DOM的光谱特性,荧光指数(fluorescence index,FI)、腐殖化指数(humification index,HIX)、自生源指数(biological index,BIX)及新鲜度指数(β/α)等荧光光谱参数被用于表征DOM的腐殖化程度、自生源特性等特征,各光谱参数计算方法及含义见表 4

表 4 荧光光谱参数描述 Table 4 Description of fluorescence spectrum parameters
1.5 平行因子分析

利用Matlab 2020a中的DOMFluor工具箱,对3种施肥处理、3个重复、5个土层共45个土样的DOM的3D-EEMs数据进行PARAFAC建模,以识别土壤DOM的荧光组分[29]

1.6 数据处理与统计分析

利用单因素方差分析方法分析不同施肥模式下土壤DOM光谱特征指标和相同施肥模式下不同土层DOM光谱特征指标的差异显著性(P < 0.05);运用Pearson相关系数法分析土壤DOM样品光谱特征指标与土壤理化性质间的相关性。所用统计分析均采用SPSS 27软件进行,绘图均采用Origin 2021软件进行。

2 结果与分析 2.1 不同施肥模式下砖红壤DOM含量垂直分布特征

图 1A可知,热区农田砖红壤呈微酸性(pH 6.3),施肥降低砖红壤pH,尤其是单施无机肥。不同施肥模式下,砖红壤pH随土壤深度变化趋势不一致,CK处理土壤pH随土壤深度增加呈现微弱降低趋势,而NPK和NPKOM处理土壤pH随土壤深度增加呈现增加的趋势。不同施肥模式下砖红壤DOC含量的垂直变化如图 1B所示。与CK处理相比,NPK及NPKOM处理均降低了土壤DOC含量,其中NPK处理降低更为显著。所有处理中,表层土壤(0 ~ 20 cm)DOC含量显著高于下层土壤(20 ~ 100 cm)。值得注意的是,CK处理土壤中DOC含量在20 ~ 100 cm内呈现逐渐增加的趋势,而NPK和NPKOM处理呈现逐渐降低的趋势。此外,不同施肥处理下砖红壤同一深度DOC含量存在不同的变化趋势。

(图中不同小写字母表示同一土层不同施肥处理之间差异显著(P < 0.05);下同) 图 1 不同施肥模式下砖红壤pH和DOC含量 Fig. 1 Latosol pH and DOC contents under different fertilization patterns
2.2 不同施肥模式下砖红壤DOM紫外–可见光吸收光谱特性

通常,SUVA254值用以表征DOM的芳香性组分含量[20],SUVA260值用以表征DOM中疏水组分含量,其值越大表明DOM中疏水组分比例越高[21]。由图 2A2B可知,不同施肥模式下砖红壤DOM的SUVA254和SUVA260值变化趋势一致。随着土壤深度的增加,CK处理中SUVA254和SUVA260值呈下降趋势,而在NPK和NPKOM处理中均呈波动上升趋势。在0 ~ 20 cm浅层土壤中,CK处理土壤DOM的芳香性组分及疏水组分含量显著高于NPK和NPKOM处理。然而,相比于0 ~ 20 cm层,NPK和NPKOM处理中20 ~ 40 cm土层土壤DOM的SUVA254和SUVA260值增加,表明其芳香性和疏水组分含量增加;随着深度继续增加至(60 ~ 100 cm),NPK和NPKOM处理土壤中DOM的SUVA254和SUVA260值显著高于CK处理。

图 2 不同施肥模式下砖红壤DOM的紫外光谱参数 Fig. 2 UV-vis spectral parameters of latosol DOM under different fertilization patterns

E2/E3SR值均用以表征DOM分子量大小,其中SR值与DOM分子量成反比[22]。由图 2C2D可知,CK及NPK处理中土壤DOM的E2/E3SR值随着土壤深度增加呈波动上升趋势,而NPKOM处理中土壤DOM的E2/E3SR值随土壤深度增加则呈先升后降的趋势(在中间层40 ~ 60 cm处呈现最大值)。该结果表明,CK和NPK处理土壤DOM分子量随土壤深度增加呈现降低趋势,而NPKOM处理土壤中DOM分子量在40 ~ 60 cm处最大。

E3/E4可以表征DOM的来源,该值> 3.5表示DOM是以富里酸为主的来源,该值< 3.5表示DOM是以胡敏酸为主的来源[22]。由图 2E可知,不同施肥模式土壤DOM的E3/E4变化范围处于1.4 ~ 3.1,表明土壤DOM中荧光组分主要以胡敏酸为主。值得注意的是,在表层0 ~ 20 cm土壤中,NPK处理的E3/E4值显著低于CK和NPKOM处理,而在其他层土壤中该值表现为高于CK和NPKOM处理的趋势。总体上,NPKOM处理土壤中DOM的E3/E4值低于CK处理。

α(355)通常用来表示有色溶解性有机质CDOM的相对浓度[23]。由图 2F可知,CK处理表层(0 ~ 20 cm)土壤DOM的α(355)值显著高于其他样品,表明其CDOM相对浓度较高,该结果与不同处理土壤样品DOM提取液显示结果一致(CK处理表层土壤DOM提取液呈棕褐色,而其他样品几乎呈无色透明)。总体上,CDOM含量随土壤深度增加呈现降低趋势。

2.3 不同施肥模式下砖红壤DOM三维荧光光谱特征

FI反映DOM的来源情况,FI > 1.9表示微生物降解的内源性来源;FI < 1.4表示陆地输入的外源性来源,1.4 < FI < 1.9表示内源和外源共同贡献[25]。由图 3A可知,CK处理表层(0 ~ 20 cm)土壤DOM的FI值低于1.4,表明其以外源性来源为主,在20 ~ 100 cm土层土壤DOM的内源性特征在20 ~ 40 cm处最为显著,且随着土壤深度增加其逐渐转化为内外源共同作用为主;而NPK和NPKOM处理土壤DOM由表层的内源性来源随着土壤深度增加逐渐转化为内外源共同作用,但主要以内源为主。

图 3 不同施肥模式下砖红壤DOM的荧光光谱参数 Fig. 3 Fluorescencet spectral parameters of latosol DOM under different fertilization patterns

HIX用以表征DOM的腐殖化程度[26]。如图 3B所示,施肥促进了土壤DOM腐殖化,尤其是NPKOM处理。随着土壤深度增加,NPK和NPKOM处理土壤DOM的腐殖化程度呈现降低趋势,而CK处理土壤DOM腐殖化程度呈现波动增加趋势。

BIX用以表征DOM的自身来源贡献情况,当BIX > 0.8时,表示自生源显著;当BIX < 0.8时,表示自生源不显著[27]。不同施肥模式土壤DOM的BIX值变化趋势如图 3C所示,CK处理土壤DOM的BIX值随着土壤深度增加呈先降后升的趋势,且值均高于0.8,表明其自生源显著。然而,NPK和NPKOM处理土壤DOM的BIX值变化较小且值均小于0.8,表明NPK和NPKOM处理土壤DOM自生源特征不显著。β/α为用以表征新生成的DOM占总DOM的比例[28]。如图 3D所示,不同施肥处理模式下土壤β/α值变化趋势与BIX值变化一致,表明施肥降低了土壤中新生成DOM的相对丰度。

2.4 不同施肥模式下砖红壤DOM荧光组分特征

将所有处理土壤DOM样品的3D-EEMs矩阵数据进行PARAFAC分析,共鉴定出3个荧光组分,分别为2个类腐殖质组分(C1和C2)和1个类蛋白组分(C3)(表 5图 4):C1组分的激发波长和发射波长分别为355 nm和428 nm,为陆源类腐殖质[30];C2组分的激发波长和发射波长分别为420 nm和471 nm,为天然土壤富里酸[31];C3组分的激发波长和发射波长分别为310 nm和346 nm,为微生物源类蛋白质(类色氨酸)[32]

表 5 PARAFAC分析得到的3种荧光组分位置及来源鉴别 Table 5 Locations and source identifications of three fluorescent components by PARAFAC

图 4 PARAFAC分离出的3个荧光组分及其激发/发射载荷 Fig. 4 Three fluorescent components isolated by PARAFAC and their exeitation/emission loads

不同施肥模式下土壤DOM中EEM-PARAFAC组分的荧光强度及相对丰度如图 5所示。C1组分的荧光强度最大,其次为C3组分,C2组分的荧光强度最低,CK处理中所有组分的变化趋势均随土壤深度的增加呈现下降的趋势,而NPK处理中随土壤深度的增加呈现先升后降的趋势,NPKOM处理中C1和C2组分变化趋势一致,均随土壤深度增加呈现先降后升的趋势,而C3组分呈现波动上升的趋势。施肥显著增加了陆源类腐殖质C1组分(57.29% ~ 71.16%)及天然土壤富里酸C2组分(11.84% ~ 27.65%)的相对丰度,显著降低了类蛋白组分C3的相对丰度(3.50% ~ 29.75%)。总体上,不同施肥模式下土壤DOM的类腐殖质组分C1和C2组分的相对丰度随土壤深度呈现降低趋势,而类蛋白组分C3相对丰度呈现逐渐增加趋势。

(图中不同小写字母表示相同施肥处理下不同土层之间差异显著(P < 0.05)) 图 5 不同施肥模式下砖红壤DOM荧光组分强度及相对丰度 Fig. 5 Intensities and relative abundance of fluorescent components of latosol DOM under different fertilization patterns
2.5 土壤DOM含量与其光谱特征参数指标的相关性

不同施肥模式下土壤DOM含量及其光谱参数特征的Pearson相关性分析结果如图 6所示。土壤pH与类蛋白组分C3(R2=0.69,P≤0.01)和新鲜度指数β/α(R2=0.65,P≤0.01)呈显著正相关;土壤DOC含量与CDOM含量α(355)值(R2=0.80,P≤0.001)和3个荧光组分均呈显著正相关(C1:R2=0.55,P≤0.05;C2:R2=0.91,P≤0.001;C3:R2=0.53,P≤0.05)。芳香度指数SUVA254和SUVA260均与CDOM含量α(355)(R2=0.79,P≤0.001;R2=0.77,P≤0.001)、天然土壤富里酸组分C2(R2=0.53,P≤0.05;R2=0.55,P≤0.05)和类蛋白组分C3(R2=0.66,P≤0.01;R2=0.65,P≤0.01)呈显著正相关。SRE2/E3 (R2=0.97,P≤0.001)和E3/E4(R2=0.89,P≤0.001)均呈显著正相关;类腐殖质组分C1与天然土壤富里酸组分C2 (R2= 0.78,P≤0.001)和腐殖化指数HIX(R2=0.70,P≤0.01)均呈显著正相关,而与自生源指数BIX呈显著负相关(R2= –0.53,P≤0.05);类蛋白质C3组分与新鲜度指数β/α呈显著正相关(R2=0.59,P≤0.05),而与腐殖化指数HIX呈显著负相关(R2= –0.52,P≤0.05)。

(*、**、***分别表示在P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001水平显著相关;每个椭圆的偏向及颜色表示对应行与列的相关性,椭圆偏向为右表示正相关,偏向为左表示负相关,且椭圆越扁颜色越红表示正相关性越强,椭圆越扁颜色越绿表示负相关性越强) 图 6 砖红壤DOM含量与其光谱参数的Pearson相关性分析 Fig. 6 Pearson correlation analysis between DOM contents and spectral parameters
3 讨论 3.1 施肥模式对热区砖红壤DOM含量的影响

DOM是土壤有机质中高活性组分,在土壤养分生物地球化学循环、污染物迁移转化、土壤矿物质活化及肥力保持等过程中发挥着重要作用[11]。施肥作为重要的农艺措施,是影响土壤DOM的关键因素,可改变土壤DOM的含量和性质。张方方等[33]研究表明,长期施氮肥可显著提高0 ~ 40 cm土层土壤DOM的含量。谢军等[34]研究发现,长期施用无机肥对土壤DOM的含量影响较小,有机无机配施则显著提高耕层(0 ~ 40 cm)土壤DOM的含量。然而,本研究结果显示,单施无机肥和有机无机配施处理均降低了热区砖红壤剖面中DOM的含量(图 1B)。其原因可能与土壤类型、气候条件以及肥料施用类型有关[34]。首先,海南岛具有典型的热带季风气候,频繁降雨导致土壤DOM向下淋失严重[35]。近年来,海南极端气候事件频率和强度的普遍上升[36],使得该地区土壤DOM向下淋失更为严重。此外,海南岛热区土壤富含铁矿物,高温高湿气候使得该地区土壤氧化还原状况波动频繁,促进了土壤DOM的矿化作用[37]。Chen等[37]研究表明,湿润土壤中铁矿物介导的有机碳分解可抵消其保护作用。由表 1可知,施肥处理土壤作物产量及生物量显著高于对照土壤,表明施肥处理土壤作物根系生长、根系分泌物及微生物活性显著强于对照土壤。因此,施肥可通过显著促进土壤微生物活性和作物生长(表 1)而加剧土壤中DOM的消耗和分解,并促进DOM向非溶解性有机碳库的转化[38],施肥处理土壤中SOC含量较对照土壤增加也进一步证实了该现象(表 2)。同时,施肥处理作物生长茂盛及根系发达可促进土壤孔隙结构发展,进而增加孔隙水与土壤颗粒接触面积而强化DOM的淋失。进一步地,发达的土壤孔隙结构可改变土壤颗粒微环境,增加其持水量及含氧量,进而强化DOM的矿化作用。与前人研究结果[39]一致的是,与单施无机肥相比,有机无机配施可以显著提升热区砖红壤DOM含量,尤其是耕层(0 ~ 40 cm)土壤(图 1B)。这主要是由于:①有机肥含有大量的可溶性有机物和具有易分解的特点,进而增加土壤DOM含量;②有机无机配施更能提高微生物活性,加快土壤有机化合物的分解和转化,促进DOM的生成;③有机无机配施可改善土壤理化性质,增加微生物活性、作物凋落物和根系分泌物,产生大量DOM。然而,由于有机肥施用及大量的作物残茬主要发生在耕层土壤,使得有机无机配施处理中耕层土壤DOM含量较单施无机肥处理显著增加[40]。在剖面上,砖红壤DOM含量由表层(0 ~ 20 cm)开始显著降低,该结果与Peng等[41]研究结果一致。该现象受土壤剖面上作物根系和残茬的处置分布、淋溶过程、矿物黏土吸附和微生物降解程度的综合影响[42]。例如,表层土壤中积累了丰富的有机质,同时微生物分解了大量的植物凋落物、根系等腐烂物质,释放出大量DOM[43]

3.2 施肥模式对热区砖红壤DOM结构特征的影响

由于海南岛高温高湿气候,土壤风化严重,热区砖红壤DOM主要由结构复杂的大分子类腐殖质(C1)及天然土壤富里酸(C2)化合物组成(36.20% ~96.50%)(图 6)。与不施肥处理相比,单施无机肥和有机无机配施处理均增加了热区砖红壤中陆源类腐殖酸组分C1的相对丰度,而降低了微生物源类蛋白组分C3的相对丰度(图 5)。如前所述,施肥可促进作物生长(表 1),产生更多的凋落物及根系分泌物,这些化合物在微生物作用下转化为腐殖酸类化合物,而外源增施的有机肥还能够直接提高DOM的陆源性。同时,这些外源腐殖质也使得施肥处理砖红壤DOM的腐殖化程度增加,而自生源特性降低(图 3C),尤其是有机无机配施处理。类腐殖酸组分C1与HIX指数呈显著正相关关系(R2=0.70,P≤0.01)(图 6),表明砖红壤DOM的腐殖化程度主要由C1组分贡献。类蛋白组分C3与新鲜度指数β/α呈显著正相关(R2=0.59,P≤0.05)(图 6),进一步表明了其微生物来源特性。随着土壤深度增加,C1和C2组分相对丰度呈降低趋势,而类蛋白组分C3相对丰度呈增加趋势(图 5),该结果与Han等[29]研究结果一致。以往研究表明,微生物多样性随着土壤深度的增加而降低,且上层土壤群落稳定性较高,而深层土壤群落稳定性则相反,导致微生物对深层土壤中类蛋白小分子吸收及高分子量腐殖质的释放减少[44]。通常情况下,施用有机肥能使DOM的芳香度和腐殖化程度均增加[34],然而,本研究中增施有机肥降低了表层(0 ~ 40 cm)土壤DOM的芳香度(SUVA254、SUVA260)(图 2A2B)。Angst等[45]研究发现,施肥处理可显著促进作物产量和生物量增加,提升土壤中凋落物含量,改变微生物群落结构,促进芳烃类化合物向不可溶性有机质转变,施肥处理促进土壤固碳也进一步证明了该现象(表 2)。此外,陈丽铭等[46]研究发现,有机肥处理土壤中DOM的烯烃或多糖类碳先于芳香性或羧酸碳发生分解反应,导致芳香类化合物更容易向下迁移至底层土壤。此外,底层土壤中富含铁铝矿物,这些矿物更易吸附芳香类化合物[47],进一步促进了底层土壤中芳香类化合物相对丰度的增加。施肥处理深层土壤中DOM的SUVA254、SUVA260值显著高于不施肥处理进一步证明了该现象(图 2A2B)。然而,施用无机肥降低DOM的芳香性和疏水性,主要是因为无机肥中的磷肥可以降低DOM的结构复杂性,提高DOM的生物可降解性,该现象在较高的无机肥施用水平下更为显著[48]。此外,不施肥处理表层0 ~ 20 cm土壤中CDOM含量(α(355)值)显著高于施肥处理(图 2F),这可能与表层植物覆盖度有关[49]。施肥处理可促进土壤中农作物生长(表 1),降低表层土壤光照强度,进而减少CDOM含量的生成[50]。相关性结果显示,α(355)值与C2和C3组分呈显著正相关(图 6),表明其主要由天然类富里酸和微生物源类蛋白物质贡献。

4 结论

1) 与不施肥处理相比,单施无机肥和有机无机配施均降低了砖红壤DOM含量,其中单施无机肥处理土壤中降低更为显著。表层(0 ~ 20 cm)砖红壤DOM的含量最高,且土壤DOM的含量随土壤深度增加呈现显著降低趋势。

2) 不同施肥模式下砖红壤DOM共解析出3个荧光组分,分别为陆源类腐殖酸(C1)、天然土壤富里酸(C2)和类蛋白(C3),C1组分占主体地位,C3组分次之,C2组分占比最小。相比于不施肥处理,单施无机肥和有机无机配施处理均提升了砖红壤DOM中C1和C2组分的相对丰度,降低了C3组分的相对丰度。随着土壤剖面深度的增加,C1和C2组分相对丰度逐渐降低,而C3组分相对丰度逐渐增加。

3) 光谱特征参数分析结果表明,相比于不施肥处理,单施无机肥和有机无机配施处理均强化了砖红壤DOM的腐殖化程度,降低了其自生源特征。总体上,砖红壤DOM的腐殖化程度随土壤深度增加呈现逐渐降低趋势,不施肥处理表层(0 ~ 20 cm)土壤DOM的芳香性及疏水性显著高于其他处理,而其他土层(60 ~ 100 cm)DOM的芳香性与疏水性与之相反。

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Profile Distribution Characteristics of Latosol Dissolved Organic Matter Content and Spectral Properties Under Different Fertilization Treatments
WANG Han1,2,3 , LIU Zongyue1,2,3 , DOU Shenglong1,2,3 , LIU Chang1,2,3 , DOU Jiujiu2,3,4 , LIU Yuqin2,3 , CHEN Miao2,3     
1. School of Environmental Science and Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China;
2. Environment and Plant Protection Institute, Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences, Haikou 571101, China;
3. Hainan Danzhou Tropical Agro-ecosystem Nation Observation and Research Station, Danzhou, Hainan 571737, China;
4. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
Abstract: This study was conducted at the long-term positioning experimental field of the Hainan Danzhou Tropical Agro-ecosystem Nation Observation and Research Station, China. Three treatments, including no fertilization (CK), inorganic fertilization (NPK), and combined inorganic-organic fertilization (NPKOM), were selected to investigate the impacts of different fertilization patterns on DOM concentration and spectral characteristics in the latosol profile using multiple spectral techniques (ultraviolet-visible spectroscopy, and three-dimensional fluorescence spectroscopy) and parallel factor analysis (PARAFAC). The results showed that compared with CK, DOM contents were reduced under NPK and NPKOM, and DOM contents in the surface layer (0–20 cm) were significantly higher than those in other layers (20–100 cm). PARAFAC analysis results suggested that DOM was mainly composed of three fluorescent components: terrestrial humic-like substances (Ex/Em=355 nm/428 nm, C1), natural fulvic acid (Ex/Em=420 nm/471 nm, C2), and protein-like substances (Ex/Em=310 nm/346 nm, C3). NPK and NPKOM significantly increased the relative abundances of C1 and C2 components but decreased that of C3 component. With the increase of soil depth, the relative abundances of C1 and C2 components decreased, whereas that of C3 component increased. In conclusion, due to fertilization increasing the accumulation of crop residues and the release of root exudates, coupled with the release of DOM from organic fertilizer itself, the humification degree of DOM under NPK and NPKOM increased while the autochtonous source characteristics decreased in contrast with CK. Furthermore, the aromaticity and hydrophobicity of DOM in the cultivated soil layer (0–40 cm) under NPK and NPKOM were significantly lower than those under CK.
Key words: Fertilization pattern    Latosol    Dissolved organic matter (DOM)    Spectral characteristics    Profile features