有機物料施用下原生鹽堿土胡敏酸結構特征*

陳曉東，吳景貴，李建明，范 圍，李曉航，朱文悅

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

隨著我國耕地資源的不斷減少，后備耕地資源的開發與利用顯得尤為重要，而我國鹽堿地面積廣闊，被認為是重要的后備耕地資源，因此，鹽堿地的改良與利用是很有必要的，其對于保障糧食安全和滿足人們對美好生活的需求也具有重要意義[1]。同時，伴隨著我國集約化農業的發展，農業廢棄物的量在不斷增加。據估算，通過合理的農業廢棄物還田，每年可實現100～400 Mhm2的農田土壤有機碳固定[2]。腐殖質碳是土壤有機碳庫的重要組分，并且在碳截獲、土壤理化性狀、土壤養分保持、生物化學循環等方面均有十分重要的作用。許多研究表明有機物料的施用可增加土壤有機碳含量[3]，提高土壤有機碳活性[4]。胡敏酸作為土壤腐殖質的重要組成部分，通過研究原生鹽堿土胡敏酸結構性質對有機物料施用的響應，可較直觀地反映土壤碳庫的變化。

胡敏酸的邊緣含有許多官能團如羧基、羥基、甲氧基、氨基等，這些官能團通常決定胡敏酸的酸度、吸收容量及其與無機物形成有機-無機復合體的能力[5]。目前研究胡敏酸官能團組成常用的分析手段主要有核磁共振、熒光光譜、紅外光譜等[6-8]，由于腐殖物質和其衍生物的紅外光譜具有專性分子結構特征的譜帶，故利用紅外光譜可較好地分析土壤胡敏酸的官能團組成[9]。許多學者利用紅外光譜技術對土壤有機培肥后胡敏酸特征進行了研究，張久明等[10]通過研究有機無機肥配施下土壤胡敏酸分子結構特征，發現有機無機肥配施可增加土壤胡敏酸分子脂族碳的含量，從而增加作物產量，培肥地力。蓋艷雙和竇森[11]研究不同CO2濃度培養條件下所獲得的玉米秸稈還田對土壤胡敏酸結構的影響，得出8%～12%濃度CO2處理后的玉米秸稈還田更有利于土壤胡敏酸的形成和穩定，有利于增加土壤胡敏酸脂族鏈烴比例。于孝東等[12]發現稻草的還田施用可促進土壤胡敏酸氧化程度和芳構化程度的加強，同時得出土壤胡敏酸的形成是官能團從還原性轉化為氧化性的過程。但是目前的研究主要集中于單一的物料還田或某一物料配施化肥等對土壤胡敏酸性質的影響，對于對比不同有機物料的施用以及不同形態的同種有機物料對土壤胡敏酸性質影響方面的報道卻較少。

主成分分析（PCA）技術是將多個變量通過線性變換以選出較少個數重要變量的一種多元統計分析方法，利用 PCA 技術結合紅外光譜可以更加全面、方便地分析土壤胡敏酸的官能團組成[13]，二者的結合更有利于表征土壤胡敏酸的結構特征。土壤有機培肥后，測定土壤胡敏酸的含量和化學結構性質常被認為是評價土壤有機質及腐殖質質量、熟化度和穩定性的良好指標[14]。

本研究以原生鹽堿地土壤胡敏酸為研究對象，探討在不同種類有機物料及不同形態的同種有機物料處理條件下胡敏酸結構特征變化，采用紅外光譜及PCA 進行研究，評價不同有機物料還田施用下土壤胡敏酸結構與性質的差異性變化，以期更好地理解胡敏酸的分子結構對有機物料施用的響應，為鹽堿地土壤有機培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于吉林省大安市海坨鄉姜家村（45°19′47″ N，124°1′48″ E），屬于中溫帶季風氣候，四季分明，全年日照時數平均為3 012 h，年均氣溫4.3 ℃，年均積溫2 921 ℃，年均降水量413.7 mm。本次試驗區面積為1 550 m2。供試土壤為原生鹽堿土，耕層土壤基本肥力性狀如下：有機質2.91 g·kg-1，堿解氮 11.28 g·kg-1，有效磷 20.61 g·kg-1，速效鉀143.3 g·kg-1。

1.2 試驗設計

本次試驗始于2016 年6 月，試驗選取未開墾的原生鹽堿地，按照隨機區組原則，設置顆粒秸稈（KL）、正常玉米秸稈（JG）、牧草（MC）、羊糞（YF）、不施用有機物料的對照（CK）5 個處理，每個處理3 次重復，共15 個試驗小區，每個小區面積為30 m2（6 m×5 m），各小區單排單灌。有機物料的施入量按照等碳原則計算，以全量還田為標準，有機物料基本性質及各小區施用有機物料量見表1。各有機物料中，正常秸稈（20 cm）、牧草（5 cm）和羊糞（自然風干，呈塊狀）均取自當地，顆粒秸稈則是由當地正常秸稈經過機器粉碎后，高溫高壓處理，最后壓模出長2 cm、直徑0.5 cm 的圓柱形顆粒?；适┯昧堪凑．數氐氖┯昧?，其中施 N 量為 270 kg·hm-2，施P2O5量為 120 kg·hm-2，施 K2O 量為 180 kg·hm-2，各處理一致。 本次試驗在稻作條件下以未改良的原生鹽堿地為試驗田，于土壤表層0～20 cm 處均勻施入有機物料后灌水漚田2 d。在進行插秧前對各小區進行耙地攪拌，保證各物料與表層土壤充分混合均勻，使各有機物料均勻分布于小區各處。以后每年除不施用有機物料外，其他操作不變。

表1 有機物料基本性質Table 1 Basic properties of organic materials

1.3 樣品采集與測定

于2018 年10 月對0～20 cm 土層進行取樣，各試驗小區采取5 點取樣后用四分法取混合樣。將混合樣密封保存，帶回實驗室自然風干。

從土壤中提取胡敏酸步驟：取風干土適量，調節土壤與水的比例（1︰10，0.1 mol·L-1HCl），然后反復堿提（0.1 mol·L-1NaOH）得到土壤腐殖質提取液，將土壤腐殖質提取液經酸化（6 mol L-1HCl）至pH=1.0 得到粗胡敏酸，粗胡敏酸經過純化（高速離心，電滲析，旋轉蒸發并凍干）后得到土壤胡敏酸樣品[15]。

紅外光譜（FTIR）分析：用瑪瑙研缽將烘干的土壤胡敏酸樣品研磨至細粉狀，加入KBr 混勻壓片，通過傅里葉變換紅外光譜儀（AVATAR 360，美國）測定，在 4 000～500 cm-1范圍收集光譜，測定以KBr 為空白。

1.4 數據處理

使用Omnic 8 對紅外譜圖進行處理，數據差異性統計分析與紅外數據的 PCA 分析則采用 SPSS 18.0 軟件。PCA 分析步驟如下：通過降維，以處理樣品在所有波數段上的吸光度為變量，采用主成分分析，對所有樣品數據進行聚類，將多個指標轉化為少數指標，使個體之間在少數指標內相互獨立，消除多重指標間的相關性，使其彼此之間具有獨立性。最后利用Excel 2016 和Origin 9.0 進行數據整理、計算和繪圖。

2 結 果

2.1 不同有機物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜特征

圖1 為原生鹽堿地土壤胡敏酸紅外譜圖，每個處理的紅外光譜在形狀上相似，并且它們的結構基本上是相同的，但也有一些關鍵官能團的吸收峰強度存在差異。這些紅外光譜吸收峰的相對強度差異性也表明不同的有機物料在鹽堿土中的應用存在差異性。其中，3 400 cm-1處代表氨基化合物N-H 伸縮振動峰，2 920 cm-1處代表不對稱脂族C-H 伸縮振動峰，2 850 cm-1處代表-CH2-對稱脂族 C-H 伸縮振動峰，1 720 cm-1處代表羧基C=O 伸縮振動的吸收峰，1 620 cm-1處代表芳香C=C 伸縮振動的吸收峰[16]。

2.2 不同有機物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜吸收峰的貢獻

PCA 分析結果如表 2。由表 2 可知，主成分 1占總的方差貢獻率的86.53%，主成分2 占12.25%，這兩個主成分累計貢獻率占總的方差貢獻率的98.78%，表明利用這兩個主成分能夠較好地表現原始光譜。圖2a）可以看出各處理光譜之間差異顯著，不同形態同種有機物料的光譜差異顯著，即 KL 處理和 JG 處理差異顯著。其中，各處理 PC1 得分均為正值，PC2 得分的正值包括KL 和MC 處理，PC2得分的負值包括CK、YF 和JG 處理。圖2b）中PC1的主要正值峰為 3 400 cm-1、2 920 cm-1、1 620 cm-1，分別為氨基化合物、不對稱性脂族性碳、芳香族碳的吸收峰；圖2c）中PC2 的主要正值峰為3 400 cm-1、2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 720 cm-1、1 620 cm-1，分別為氨基化合物、不對稱性脂族性碳、對稱性脂族性碳、羧基、芳香族碳的吸收峰。說明有機物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來源之一。

圖1 不同有機物料對原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜的影響Fig. 1 Effect of application of organic material on infrared spectrum of humic acid in primary saline-alkaline soil relative to type of organic material

表2 主成分特征值和貢獻率Table 2 Principal component（PC） eigenvalues and contribution rate

2.3 不同有機物料施用下原生鹽堿土胡敏酸紅外光譜吸收峰的相對強度變化

圖2 胡敏酸紅外光譜的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of humin acid infrared spectra

表3 不同有機物料施用下原生鹽堿土胡敏酸的紅外光譜主要吸收峰相對強度的半定量分析Table 3 Semi-quantitative analysis of relative strength of the main absorption peaks in the infrerad spectra of the humic acid in the primary saline-alkaline soil relative to type of organic material

為進一步分析各處理的紅外光譜，采用半定量分析[17]。通過半定量分析（表3）可知，在3 400 cm-1處各處理吸收峰相對強度順序為：JG＞YF＞MC＞CK＞KL，這表明除 KL 處理較 CK 處理減少了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對含量外，其他處理增加了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對含量，以JG 處理增幅最高，這也表征著不同形態的同種有機物料對于土壤胡敏酸中氨基化合物的相對含量的影響不同。施用有機物料各處理在2 920 cm-1吸收峰的相對強度均高于 CK 處理，各處理吸收峰相對強度順序為：JG＞MC＞KL＞YF＞CK?？梢娪袡C物料施用提高了土壤胡敏酸中不對稱性脂族碳的相對含量，尤其是正常秸稈，其次是牧草，而羊糞對其影響較小。同種有機物料的不同形態對土壤胡敏酸中不對稱性脂族碳的相對含量的影響也存在差異性，其中正常秸稈提高的幅度優于顆粒秸稈。2 850 cm-1處各處理吸收峰相對強度順序為：KL＞MC＞JG＞YF＞CK，說明有機物料施用均提高了土壤胡敏酸中對稱性脂族碳的相對含量，顆粒秸稈對于對稱性脂族碳含量的增幅高于正常秸稈。1 720 cm-1處各處理吸收峰相對強度均小于 CK 處理，各處理吸收峰相對強度順序為：CK＞JG＞YF＞MC＞KL，表征著有機物料的施用減少了土壤胡敏酸中羧基的相對含量，其中顆粒秸稈降幅最高，其次是 MC 處理，降幅最低的是 JG處理，而不同形態的同種有機物料差異不同，顆粒秸稈的降幅高于正常秸稈。1 620 cm-1處各處理吸收峰相對強度順序為：JG＞MC＞YF＞KL＞CK，可見有機物料施用增加了土壤胡敏酸中芳香碳的含量，其中正常秸稈處理增幅高于顆粒秸稈處理，也表明不同形態的同種有機物料對于土壤胡敏酸中芳香碳含量作用的差別性。

I2920/I1720和I2920/I1620比值通常用來反映胡敏酸結構氧化度、脂族性以及芳香性的強弱變化。有機物料施用后各處理的I2920/I1720及I2920/I1620均高于CK 處理，其高低排序均為：KL＞MC＞JG＞YF＞CK，說明土壤胡敏酸的脂族碳/羧基碳和脂族碳/芳香碳增加，表征著有機物料的施用使得土壤胡敏酸結構縮合度和氧化度下降，脂族性增強，芳香性降低，胡敏酸結構趨于脂族化、簡單化、年輕化。正常秸稈和顆粒秸稈處理的I2920/I1720和I2920/I1620的差異性則再次表明不同形態的同種有機物料作用存在差別。

3 討 論

胡敏酸作為土壤腐殖質的重要組成部分之一，通?？梢员碚魍寥栏迟|新老程度，也與土壤的肥力性狀、物理結構等息息相關。本研究有機物料的施用使得土壤胡敏酸結構縮合度和氧化度下降，脂族性增強，芳香性降低，胡敏酸結構趨于脂族化、簡單化、年輕化。許多研究也得出了類似的結果：徐基勝等[18]研究水稻秸稈還田，結果表明稻草還田后提高了土壤胡敏酸的脂類、芳香族物質，使其分子結構簡單化、年輕化。Fan 等[19]利用玉米秸稈進行田間有機培肥，認為玉米秸稈有機培肥增加了土壤有機碳（SOC）、土壤可浸提腐殖質碳（HEC）、土壤腐殖酸碳（HAC）和富里酸碳（FAC）。脂肪族碳/芳香族碳的比例增加，表明秸稈還至土壤中使土壤胡敏酸結構變得脂族化、簡單化、年輕化。本研究得出類似的結論其主要原因可能是有機物料的施用向土壤中歸還了大量的碳源物質，經過腐解以后新形成大量的胡敏酸分子[20]，另一方面，有機物料的施用增加了土壤微生物的豐度及其活性，促進了土壤微生物的新陳代謝，有研究認為土壤微生物殘體含有大量的碳源物質，與胡敏酸的形成息息相關[21]，同時土壤微生物也積極參與有機物料的分解，大大加快物料分解這一進程。胡敏酸分子結構的改變進一步改善土壤有機碳庫的質量，研究[22]表明，土壤腐殖質結構中如脂族鏈烴的增加有利于增加其結構活性，對農田固碳和土壤培肥具有重要影響。不同有機物料施用后，每個處理的紅外光譜在形狀上相似，但在一些關鍵官能團的吸收峰強度略有差別，但是整體趨勢一致（圖1），其中官能團含量的不同主要是由于不同物料的性質結構不同，其在土壤中的分解速度也不同所引起的[23]。

此外，本研究對比了不同形態的同種有機物料作用的差別，發現二者對土壤胡敏酸分子結構的作用差異顯著。孟安華等[24]發現同一種牛糞經過不同處理后，以不同形態還田施用，其對于土壤胡敏酸分子組成的影響產生差異性，也說明了不同形態的同種物料作用存在差異性。本次試驗得出類似的結果主要原因可能是，一方面在秸稈粉碎過程中，秸稈表層難分解的木質部和韌皮部被破壞，使其較正常秸稈相比更易分解[25]；另一方面，顆粒秸稈通過被粉碎后壓密造粒，當其吸水后會膨脹形成疏松的多孔結構，增加了接觸面積，為微生物創造了更好的生長發育條件，極大地促進了微生物的活性，有利于微生物對于顆粒秸稈的分解與轉化[26]。

PCA 被認為是建立最小數據集的重要方法，通過對紅外數據的主成分分析，本研究發現有機物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來源之一，該結果與半定量分析一致。這也表明利用 PCA 技術對土壤胡敏酸紅外光譜進行分析的可行性，利用該技術可以有效便捷的分析土壤紅外光譜。朱青藤等[27]發現有機肥以及秸稈在白土上施用，可使得土壤的脂族性增強；同時張葛等[28]發現玉米秸稈生物碳的還田是土壤中脂族性碳、芳香族碳的來源之一，這與本研究一致。

4 結 論

不同有機物料施用下土壤胡敏酸光譜特征研究表明，有機物料的施用，改變了土壤胡敏酸的官能團組成。通過主成分分析，發現有機物料的施用是土壤中脂族性碳、芳香族碳以及氨基化合物的主要來源之一。有機物料的施用增加了土壤胡敏酸中脂肪碳和芳香碳的相對含量，減少了羧基碳的含量。除顆粒狀秸稈處理外，其他處理均增加了土壤胡敏酸中氨基化合物的相對含量。有機物料的施用使得土壤胡敏酸結構縮合度和氧化度下降，脂族性增強，芳香性降低，胡敏酸結構趨于脂族化、簡單化、年輕化。不同形態的同種有機物料對土壤胡敏酸官能團組成影響存在差別，總體而言，顆粒秸稈更有利于土壤新形成結構年輕化、簡單化、脂族性強的胡敏酸分子。紅外光譜結合主成分分析，可以較好地研究有機物料的施用對土壤中胡敏酸官能團的影響。