施肥對不同肥力春玉米田土壤溶解性有機質的影響

趙海超，劉景輝，趙寶平，張星杰

1. 內蒙古農業大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 河北北方學院農林科技學院，河北 張家口 075131

施肥對不同肥力春玉米田土壤溶解性有機質的影響

趙海超1,2，劉景輝1*，趙寶平1，張星杰1

1. 內蒙古農業大學農學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 河北北方學院農林科技學院，河北 張家口 075131

選取遼河灌區不同肥力水平春玉米(Zea mays ssp. mays L.)農田土壤為研究對象，通過連續3年田間定位試驗，采用三維熒光光譜法分析了不同層次土壤溶解性有機質組分含量，研究施肥對不同肥力農田土壤溶解性有機質組分（DOM、DOC、DON、DOP）的影響，分析土壤DOM及其組分的土壤肥力效應。結果表明，施肥使高（產量12.75±0.75 t·hm-2）、中（產量10.50±0.75 t·hm-2）、低（產量8.25±0.75 t·hm-2）產田土壤DOM的∑Fex/em分別增加了2.84%、3.56%和-1.52%，平均增加了1.08%，土壤w(DOC)分別增加了20.43%、16.43%和-29.11%，平均增加了9.36%，土壤w(DOP)分別增加了-22.87%、10.30%和4.15%，平均增加了-3.39%，土壤w(DON)分別增加了-20.63%、6.97%和-8.41%，平均增加了-7.54%。施肥顯著增加中產田土壤中w(DOM)，中產田底層（20～40 cm）和高產田表層（0～10 cm）、中層（10～20 cm）土壤w(DOC)，中產田中層和低產田表層土壤w(DOP)，中產田中層土壤w(DON)。施肥增加了低產田土壤FI值（熒光指數），降低了高產田土壤FI值，施肥增加了高產田土壤HIX（腐殖化指數），降低了中低產田土壤HIX。施肥顯著增加中產田土壤DOM組分含量，降低高、低產田土壤DOM組分含量。施肥主要增加10～20 cm土壤DOM組分含量，耗損20～40 cm土壤DOM組分。施肥促進高產田土壤DOM陸源化，低產田土壤DOM生物源化，施肥使中低產田土壤DOM腐殖化程度降低。施肥不僅是土壤DOM的重要來源，同時通過影響微生物及作物根系活力促進土壤DOM的耗損，因農田土壤質地的差異，施肥對土壤DOM的影響不同。DOM熒光強度與產量呈顯著正相關，具有土壤肥力指示作用。

施肥；土壤；溶解性有機質；產量；玉米

土壤中DOM（dissolved organic matter）指的是土壤樣品在室溫及天然pH條件下，用水提取能通過 0.45 μm微孔濾膜的土壤有機物質（蔣疆等，2001；李淑芬等，2002），是土壤中生物利用的最主要的有機質組分（Bernd和Kalbitz，2003），因其能增加土壤養分、金屬離子和有機物質的流動性和溶解性（畢冉等，2013；Ros等a，2010），故對土壤肥力及作物產量具有重要影響。近年來，關于土壤中 DOM的功能和動態研究取得了較大的進展（Zsolnay，1996）。隨著酶學、微生物學和分析手段的發展，農作物對土壤養分吸收和利用的研究將從無機養分向有機養分轉移。DOM是具有不同結構及分子量（如低分子量的游離氨基酸、碳水化合物、有機酸及大分子量的酶、氨基糖、多酚和腐殖質等）的連續體或混合體（Kalbitz等，2000），它包含親水氧基、氮和硫族官能團集團。土壤中DOM主要包含土壤溶解有機碳（dissolved organic carbon DOC）、溶解有機氮（dissolved organic nitrogen DON）和溶解有機磷（dissolved organic phosphorus DOP）等[6]（Zsolnay，1996）。三維熒光光譜法（Three Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum，3DEEM）分析技術的產生從微觀上能為揭示土壤中DOM的功能結構和官能團等化學性質提供重要的信息（Coble等，1990）。近年來3DEEM逐漸成為研究自然界DOM的普遍方法（Liu等，2009；Baker，2001）。熒光光譜圖中Ex/Em特征峰值是描述DOM來源和組成的重要參數（Wu和Tanoue，2001）。特征熒光強度（Fex/em）可以表示浸提液中某一類溶解性有機物含量的多少，特征熒光強度綜合指標（各類溶解性有機物的熒光強度之和，∑Fex/em）表示溶解性有機物的綜合含量（Wu和Tanoue，2001；Chen等，2003），熒光峰的強度越強其所代表的組分含量越高。

土壤中溶解性有機質主要來源可以分為2種：一種是土壤內源產生的，主要是通過土壤微生物對土壤有機質降解產生的；另一種是外源進入土壤的，主要途徑有施用有機肥等農事活動以及近期的植物枯枝落葉等殘體帶入土壤（Zsolnay，1996；Kalbitz等，2000）。施肥不僅通過施入有機肥料增加土壤DOM的含量，同時通過改變土壤生物及理化性狀，改善作物的生長、根系活動、殘體輸入等影響土壤中DOM的含量、結構及生物有效性。土壤理化性狀通過影響土壤微生物活性及群落結構間接影響土壤中DOM的含量及其組分，以及改善施肥等農事活動對土壤DOM的影響。土壤中DOM雖然含量相對較少，但它是土壤微生物的能量和物質來源，在微生物的作用下為作物生長提供營養，在植物養分供應中起著重要的作用（張志丹和趙蘭坡，2006；Cookson等，2005；McLauchlan和Hobbie，2004），同時對土壤養分的流失，礦物元素的遷移及生物活性具有重要的影響。因此研究土壤 DOM的變化對于培肥地力改善土壤理化性狀具有重要的理論意義。近年來西遼河灌區土壤肥力有所下降，急需培肥地力，本文針對該區不同質地土壤，通過定位試驗，分析施肥對不同質地春玉米（Zea mays ssp. mays L.）農田土壤中DOM、DOC、DON、DOP含量的影響，為該區域不同質地農田土壤建立培肥技術體系提供理論依據。

1.材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗研究在內蒙古自治區通遼市科爾沁區（北緯42°15′～45°41′、東經119°15′～123°43′之間）進行，該地區屬于中國東北部西遼河平原，春玉米是該區主要農作物。試驗區無霜期100～150 d，年降雨量350～450 mm，主要集中在7─8月。試驗區為遼河灌區，土壤類型主要為灌淤土（irrigation-silting soil），土壤質地主要有沙質土和壤質土。不同農田土壤理化性狀如表1所示。

1.2 試驗處理

試驗于 2009─2011年間完成，在試驗區選肥力低（low-yielding fields LYF，沙質土為主，產量(8.25±0.75)t·hm-2）、中（middle-yielding fields MYF，沙壤質土，產量(10.50±0.75) t·hm-2）、高（high-yielding fields HYF，壤質土，產量12.75±0.75 t·hm-2）3個春玉米田塊，在3種質地田塊分別設施肥（FY）和不施肥處理（CK）。施肥處理模式設計為肥料N：202 kg·hm-2（尿素，含氮46%）、P2O5：67.5 kg·hm-2（磷酸二銨，含P2O546%，含N 18%）、K2O：67.5 kg·hm-2（硫酸鉀，含K2O50%）和有機肥：22.5 t·hm-2[牛糞，含有機質14.7%、氮（N）0.42%、磷（P2O5）0.22%]。施用肥料以基肥和追肥2種方式施入土壤（1/4 N肥用于基肥，3/4用于追肥，其他肥料均用于基肥）。共6個處理，重復3次，共18個小區；小區面積為：10×20=200 m2。小區處理連續3年，種植玉米品種：2009和2010年為金山27，2011年為鄭丹 958，種植密度均為 75000株·hm-2，田間管理同當地傳統種植。

1.3 土壤樣品采集

各小區于試驗后（2011年9月29日）采集不同層次（表層0～10 cm、中層10～20 cm、底層20～40 cm土層）土壤樣品，每個小區隨機采集5個點位，現場同層次混勻，放入塑封袋中帶回實驗室，4 ℃保存備用。

1.4 測定方法

土壤DOM浸提液制備：土壤冷凍干燥后，過100目篩，利用超純水浸提（水土比：10∶1，200 r·min-120±1 ℃下振蕩16 h，在10000 r·min-120 ℃下離心30 min固液分離，上清液過0.45 μm濾膜）獲得土壤DOM浸提液。DOM采用三維熒光光譜法測定（Liu等，2009；Baker，2001；Wu和Tanoue，2001），利用Hitachi F-7000型熒光光譜分析儀測定其三維熒光光譜（3DEEM）。激發和發射波長狹縫寬度為每隔5 nm，掃描速度：2400 nm·min-1，激發波長（Ex）200～450 nm，發射波長（Em）250～600 nm。DOC采用TOC-5000A測定；土壤中溶解性有機氮（DON）采用溶解性總氮（DTN）與氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）的差減法測定（Ros等b，2010），DTN和NO3--N采用紫外分光光度計法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度計法測定，計算公式為DON=DTN-NH4+-N-NO3--N；土壤溶解性有機磷（DOP）采用溶解性總磷（DTP）與活性磷（SRP）的差減法測定，DTP、SRP采用紫外分光光度計法測定（中國環境保護總局，2002），計算公式為DOP=DTP-SRP。土壤微生物量碳（Cmic）、氮（Nmic）采用氯仿熏蒸培養法測定（吳金水等，2006；Calbri等，2007），MBC采用multi N/C 3100分析儀測定，MBN采用FOSS 800-810-3363分析儀測定。

表1 不同質地土壤理化性狀Table 1 The physical and chemical properties of different soil in test fields

1.5 數據處理

試驗數據采用SPSS17.0和EXCEL2003軟件進行分析，差異顯著性分析采用LSD分析。

2 結果與分析

2.1 施肥對高、中、低產田土壤DOM的影響

通過土壤DOM的3DEEM可見，根據前人研究結果對比，各田塊不同層次土壤3DEEM均出現Peak-A（腐植酸）、Peak-B（富里酸）和Peak-E（類蛋白）3個熒光峰（Liu等，2009；Wu和Tanoue，2001；Chen等，2003）。施肥對高、中、低產田土壤∑Fex/em的影響如圖1所示。施肥處理土壤DOM的∑Fex/em為5440～6710，平均值為6104，總體呈中產田＞高產田＞低產田；不施肥處理土壤 DOM的∑Fex/em為5394～6499，平均值為6001，總體呈中產田＞高產田＞低產田。處理間相比，施肥比不施肥處理高、中、低產田土壤DOM的∑Fex/em分別增加了2.84%、3.56%和-1.52%，平均增加了1.08%。中、低產田底層和高、中產田表層土壤 DOM的∑Fex/em顯著增加，低產田表層、中層和高產田中層、底層顯著降低。表明，施肥增加中產田土壤中DOM含量，降低低產田土壤 DOM含量，且主要降低10～20 cm層土壤DOM含量。

圖1 不同產田土壤DOM熒光∑Fex/em變化Fig. 1 The variation of DOM contents and ∑Fex/emin different yielding soils

2.2 施肥對不同肥力田塊土壤DOC含量的影響

DOC是指在一定的時空條件下，受植物和微生物影響強烈、具有一定溶解性的土壤碳素（沈宏等，1999）。施肥對高、中、低產田土壤DOC含量的影響如圖2所示。施肥處理各農田土壤DOC含量為70.41～173.14 mg·kg-1，平均值為117.48 mg·kg-1，總體呈中產田＞高產田＞低產田；不施肥處理各農田土壤DOC含量為73.48～188.46 mg·kg-1，平均值為113.88 mg·kg-1，總體呈低產田＞中產田＞高產田。處理間相比，施肥比不施肥高、中、低產田土壤DOC含量分別增加了20.43%、16.43%和-29.11%，平均增加了9.36%。中產田底層和高產田表層、中層土壤DOC含量顯著增加，低產田中層土壤DOC含量顯著降低。表明，施肥能夠增加高、中產田土壤中DOC含量，降低低產田土壤DOC含量。

圖2 不同產田土壤DOC含量變化Fig. 2 The variation of DOC contents in different yielding soils

2.3 施肥對不同產田土壤DOP含量的影響

土壤有機磷（organic phosphorus）對土壤磷的礦化及磷循環具有重要的作用（Oehl等，2004；Achat等，2010），DOP是土壤浸提液中容易被生物利用的有機磷（McDowell R和Koopmans，2006）。施肥對高、中、低產田土壤DOP含量的影響如圖3所示。施肥處理各農田土壤DOP含量為5.92～9.75 mg·kg-1，平均值為7.34 mg·kg-1，總體呈中產田＞低產田＞高產田；不施肥處理各農田土壤 DOP含量為4.65～11.59 mg·kg-1，平均值為7.48 mg·kg-1，總體呈高產田＞低產田＞中產田。處理間相比，施肥比不施肥處理高、中、低產田土壤 DOP含量分別增加了-22.87%、10.30%和 4.15%，平均增加了-3.39%。中產田中層和低產田表層土壤DOP含量顯著增加，高產田底層土壤 DOP含量顯著降低。表明，施肥增加了中、低產田土壤 DOP含量，降低了高產田土壤DOP含量。

2.4 施肥對不同產田土壤DON含量的影響

圖3 不同產田土壤DOP含量變化Fig. 3 The variation of DOP contents in different yielding soils

DON是土壤氮素生物地球化學循環的關鍵組成部分（Jones和Willett，2006），是限制陸地生態系統生產力的重要元素（Qualls和 Richardson，2003）。施肥對高、中、低產田土壤DON含量的影響如圖4所示。施肥處理各農田土壤DON含量為25.83～54.59 mg·kg-1，平均值為44.34 mg·kg-1，總體呈中產田＞低產田＞高產田；不施肥處理各農田土壤DON含量為34.89～65.75 mg·kg-1，平均值為46.83 mg·kg-1，總體呈低產田＞中產田＞高產田。處理間相比，施肥比不施肥高、中、低產田土壤DON含量分別增加了-20.63%、6.97%和-8.41%，平均增加了-7.54%。中產田中層土壤DON含量顯著增加，高產田中層土壤DON含量顯著降低。表明，施肥增加了中產田土壤DON含量，降低了高產田土壤DON含量。

圖4 不同產田土壤DON含量變化Fig. 4 The variation of DON contents in different yielding soils

2.5 施肥對高、中、低產田土壤DOM來源的影響

熒光指數（Fluorescence intensity ratio, FI）是表征DOM的不同來源的參數（McKnight等，2001），FI定義為激發光波長為370 nm時，熒光發射光譜強度在 450 nm與 500 nm處的比值，已有研究（McKnight等，2001；Jaffé等，2004）表明，陸地輸入來源 DOM 和微生物活動引起的自生來源DOM這2個端源FI值分別為1.4和1.9。不同農田土壤各層次FI值為1.46～1.52，表明土壤中DOM以陸源為主。FI值高產田＞中產田＞低產田，不同層次總體呈隨著土壤深度的增加呈上升趨勢，表明由高產田至低產田土壤中DOM由生物源向陸源遷移，隨著深度的增加土壤中生物源DOM增加。施肥增加了低產田土壤FI值，明顯地降低了高產田土壤FI值，表明施肥使低產田土壤生物源DOM增加，使高產田陸源DOM增加。主要是因為低產田孔隙度大，含氧量高，微生物活性高，施入有機肥被微生物分解利用，而高產田粘粒含量高，微生物活性弱，施入有機肥被粘粒吸附在膠體表面。

腐殖化指數（humification index, HIX）表征DOM的腐殖化程度或成熟度，定義為波長254 nm激發下，發射波長在435～480 nm與300～345 nm波段內的熒光強度平均值的比值（吳華勇等，2012）。HIX小于4時，表明DOM腐殖化程度較弱，而高達10～16時，則表明DOM具有明顯的腐殖化特征。HIX值中產田＞低產田＞高產田，表明中產田腐殖化程度較高。不同層次土壤 HIX相比，中低產田10～20 cm土層最高，高產田該層最低（圖5）。施肥使高產田土壤 HIX略有升高，使中低產田土壤HIX降低。可見施肥使中低產田土壤DOM腐殖化程度降低，對高產田影響較小。主要是因為施肥對中低產田玉米生長的促進作用較大，玉米在生長的過程中促進微生物分解大量的腐殖質，使土壤中DOM 的腐殖化程度降低，而施肥對高產田玉米土壤微生物影響相對較小。

3 討論

土壤中DOM組分含量受外源輸入和土壤生物耗損以及微生物轉化作用的影響（盧萍等，2006）。施入的有機肥中含有大量DOM是增加土壤DOM的重要途徑，同時土壤中的有機物可以通過吸附和螯合施入的無機氮、磷而形成 DON和 DOP等DOM，因此施肥與不施肥相比各農田土壤DOM平均有所增加。但是施肥同時改善土壤理化環境增加土壤微生物活性（馬曉霞等，2012），一方面促進了土壤中DOM組分的耗損，另一方面微生物促進其他碳、氮、磷形態向溶解性有機態轉化（馬曉霞等，2012）。根據相關性分析可見 DOC、DOP和DON與微生物碳（Cmic）呈顯著負相關，表明在本試驗中微生物活性的增加主要是促進溶解性有機碳、氮、磷的耗損。同時施肥增加了玉米根系對土壤氮、磷養分的吸收利用，因此施肥與不施肥處理相比DOP和DON含量總體呈下降趨勢，盧萍等（2006）研究表明土壤溶液中DON濃度與施肥量呈負相關。可見長期施肥主要增加了土壤中DOC組分的DOM，而降低土壤中DOP和DON含量。

圖5 不同產田土壤DOM熒光指數FI和腐殖化指數HIX變化Fig. 5 The variation of FI and HIX of in different yielding soils

表2 土壤溶解性有機質組分與土壤微生物和養分含量的相關性Table 2 The correlations of the components of soil DOM and the content of soil microorganism and nutrition

由于高、中、低產田及不同層次土壤理化特性的差異，施肥對DOM的影響也不盡相同。高產田因其土壤粘粒含量較高，使有機質穩定性高，可溶性較低，在高產田中施肥，一方面肥料中的 DOM被土壤粘粒所固定，另一方面施肥后土壤孔隙度增加，促進土壤中DOM的耗損，使DOM含量下降，特別是底層下降較明顯。低產田土壤含氧量高，微生物活性較高，在低產田中施肥，一方面施肥增加土壤中DOM含量，主要表現在表層土壤，另一方面施肥增加土壤養分含量，促進土壤微生物活性、提高根系活力，增加生物對土壤DOP和DON的轉化和吸收量，增加DOM的耗損降低DOC含量，但促進土壤磷素活化使 DOP含量增加。中產田土壤養分充足、粘粒含量適中，施肥主要表現為增加土壤中DOM含量。中層是肥料施入的主要層次及根系主要分布層，因此施肥對中層土壤DOM組分增加作用顯著。土壤中DOM是土壤微生物的主要能源及作物氮、磷的潛在供給者，對土壤肥力具有重要的影響。根據相關性分析（表2）可見，DOM熒光強度與產量和千粒重均呈顯著正相關，與土壤中速效磷、堿解氮均呈顯著正相關；DOP和DON與產量均呈顯著負相關。可見玉米產量與土壤DOM呈正相關，DOM熒光強度可以作為土壤肥力指標（汪景寬等，2008）。

4 結論

（1）施肥使土壤中DOM熒光強度和DOC、DOP和DON含量平均增加了1.08%、9.36%、-3.39%和-7.54%，施肥主要提高土壤 DOC含量，降低了土壤 DON含量。有機無機肥配施不僅增加土壤DOM 及其組分的輸入，同時通過影響微生物活性根系活力促進有機質的耗損。

（2）施肥使中產田土壤DOM熒光強度和DOC、DOP、DON含量分別增加了3.56%、16.43%、10.30%、6.97%，使高、低產田土壤DOM及其組分含量有所下降，使高產田土壤DOM向陸源化，使低產田土壤DOM生物源化。

（3）施肥主要增加10～20 cm土層土壤DOM及其組分含量，促進犁底層土壤DOM的耗損，對表層土壤影響相對較小。

（4）DOM熒光強度與產量及土壤有效養分呈顯著相關，DOM熒光強度具有土壤肥力指示意義。

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Effect of Fertilization on Soil Dissolved Organic Matter under Different Yield Levels of Spring Corn

ZHAO Haichao1,2, LIU Jinghui1*, ZHAO Baoping1, ZHANG Xingjie1

1. College of Agronomy, Inner Mongolia Agriculture University, Huhhot 010018, China;
2. Department of Agricultural Science, Hebei North University, Zhangjiakou 075131, China

This article investigated the effects of fertilization on dissolved organic matter (DOM), dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic phosphorus (DOP) of the spring corn soil from Liaohe Irrigation with three-dimensional excitation-emission matrix spectroscopy. Through three years field experiment, the soil fertility effects of soil DOM and its components were analyzed. The experimental results indicated that the average ∑Fex/em of DOM, DOC, DON and DOP in fertilizing soil increased by1.08%, 9.36%, -3.39% and -7.54%, respectively. According to the high yielding field, middle yielding field and low yielding field, the increased ∑Fex/em of DOM were 2.84%、3.56% and -1.52%, that of DOC were 20.43%、16.43% and -29.11%, that of DON were -20.63%、6.97% and -8.41%, and that of DOP were -22.87%、10.30% and 4.15%. The increasing of w (DOM) mainly occurred in middle yielding field soil. The increasing w (DOC) mainly occurred in middle plow ground floor (20～40 cm depth) soil of middle yielding field and in the surface layer (0～10 cm depth) and the plow layer (10～20 cm depth) soil of high yielding field. That of w (DOP) mainly occurred in the plow layer of middle yielding field and the surface layer of low yielding field. That of w (DON) mainly occurred in the plow layer of middle yielding field. By fertilizing treatment，in low yielding field soil, the fluorescence index (FI) was increased and the humification index (HIX) was decreased, in high yielding field soil the FI was decreased and HIX was increased. The content of DOM was significantly increased in the soil of middle yielding field, but it decreased in low and high yielding fields by fertilizing treatment. Although the DOM content in fertilizing soil increased in middle plow ground floor (10～20 cm depth), it decreased in middle plow ground floor (20～40 cm depth). The fertilizing treatment increased the percentage of terrigenous DOM in high-yielding field and the percentage of biological source DOM in low-yielding field. The fertilizing treatment mainly increased the contents of DOM in plow layer (10～20 cm depth) soil, and depleted the DOM in plow ground floor (20～40 cm depth) soil. The fertilizing treatment promoted the percentage of terrigenous DOM in high yielding field and the percentage of biological source DOM in low yielding field, and reduced the humification degree of DOM in middle and low yielding field soil. The fertilizing treatment is not only an important source of soil DOM, and also the depletion of soil DOM was promoted by influencing the activity of microbe and root. The impact of DOM on soil fertilizing treatment is different due to the differences in soil texture. DOM fluorescence intensity and yield and soil available nutrients were significantly correlated. DOM fluorescence intensity has the indicative effect on soil fertilization.

the fertilizing treatment; soil; dissolved organic matter (DOM); yield; corn

S153.6

：A

：1674-5906（2014）08-1286-06

趙海超，劉景輝，趙寶平，張星杰. 施肥對不同肥力春玉米田土壤溶解性有機質的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(8): 1286-1291.

ZHAO Haichao, LIU Jinghui, ZHAO Baoping, ZHANG Xingjie. Effect of Fertilization on Soil Dissolved Organic Matter under Different Yield Levels of Spring Corn [J].Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1286-1291.

國家公益性行業（農業）科研專項經費資助項目（201303126）；河北北方學院青年基金項目

趙海超（1974年生），男，博士，主要研究方向為作物耕作與農業生態。E-mail: haichaozhao19@163.com

*通信作者：劉景輝（1965年生），男。E-mail: cauljh@yahoo.com.cn

2014-05-14