南亞熱帶多代連栽桉樹人工林根際土壤FTIR特征分析

趙雋宇 ，黃小芮，石媛媛 ，宋賢沖 ，覃祚玉 ，唐健 *

1.廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西林用新型肥料研發中心，廣西 南寧 530002

桉樹（）是中國南方地區的主要用材樹種，在帶動地區經濟發展方面起到了重要作用（Zhu et al.，2020；王豁然，2010）。然而桉樹在多代連栽后具有明顯的連栽障礙問題，隨著桉樹人工林種植面積的逐年增加，其連載障礙問題日益突出，嚴重影響林業經濟的可持續發展（Zhu et al.，2019）。化感物質累積引起自毒作用是造成桉樹多代經營后連栽障礙的主要原因之一（Fang et al.，2009；朱宇林等，2011）。研究表明，桉樹根系分泌物中含有烷烴、烯烴、芳香烴、醇、醛、酮、蒽醌、芳香酸酯和含N的萘雜環等9類29種有機成分，這些物質會抑制種子萌發和雜草生長（張丹桔，2017；李金金等，2018），但這些物質的環境效應尚不明確。由于土壤中有機組分及結構差異性大，同時有機化學反應過程復雜、副反應多（Zeng et al.，2015），通過檢測土壤有機碳組成（陳艷芳等，2016）或是根系分泌物（侯玉平等，2013；朱強等，2014；陳葉等，2020）組分的單一方式對該類化感物質的環境效應解釋有限，目前尚未有研究對多代連栽桉樹人工林土壤有機環境特征進行全面探討。

近年來，傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared，FTIR）的快速發展為表征土壤中有機微分子組成結構及特征提供了一種高效手段，其通過測量土壤的紅外輻射（400—4000 cm）以達到表征諸如C?O、C=O、C=C、C?H、N?H等等官能團數量和結構等信息，具有波段寬、分辨率高的特點（Valasi et al.，2015），已有學者嘗試使用FTIR對不同土壤類型的有機環境的演變特征及有機組分結構進行研究。Pospí?ilová et al.（2009）利用FTIR分析了施用了5年褐煤的不同類型的土壤，以觀察黃腐酸和腐殖酸組成的變化，結果表明，各土壤類型的有機組分中，芳香族占比最高，其指數0.61—0.73之間，普通黑鈣土透明質酸的芳香度和穩定性最高，草地中脂肪族和新形成的化合物較多。長期施用褐煤有助于長鏈腐植酸的形成，該腐植酸能吸附更多的有機碳，從而改善土壤質量和土壤健康。吉恒寬等（2020）利用紅外光譜分析熱帶濱海區不同土地利用背景下土壤溶解性有機氮組分特征，認為水稻、菜園土壤DON芳香物質含量較高，結構較復雜。大量研究表明（Margenot et al.，2015；李召陽等，2022），FTIR在表征土壤有機環境特征具有顯著優勢，嘗試利用該技術對多代連栽桉樹人工林土壤有機環境演變特征開展研究。

本研究以南亞熱帶氣候區不同代次桉樹人工林為研究對象，采集不同代數桉樹人工林根際土壤，對土壤進行前處理后，采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析儀測定其紅外光譜譜圖，分析新造林、萌芽1、2、3代桉樹人工林土壤微環境紅外光譜特征，采用峰面積積分法對土壤中有機物進行定性以及半定量分析，研究不同代數桉樹人工林根際土壤微環境中的有機物組分是否具有顯著差異性，結合已被廣泛報道具有化感作用的組分，深入探討多代經營是否造成土壤有機環境的改變，旨在探索桉樹連栽障礙的作用機制。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與樣品采集

本研究采取空間序列法，以空間替代時間，在廣西壯族自治區南寧市國有七坡林場立新分場（21°35′—22°41′N，107°72′—109°56′E）設置試驗地，分場地處亞熱帶季風氣候區，日照時數在 1800 h以上，年太陽輻射量 439.53—460.43 kJ·cm，氣溫高，熱量豐富，雨量充沛。全年平均氣溫在 21—22 ℃，近年來觀測的極端高溫38.4 ℃，極端低溫?2.6 ℃，≥10 ℃的活動積溫7500 ℃。全年降雨量1200—1300 mm，年蒸發量1600—1800 mm，相對濕度為 79%左右。根據中國土壤發生學分類方式，研究區域土壤類型為第四紀紅土母質發育而來的紅壤，質地為壤土。林下植被主要有水茄（）、姬蕨（）、五節芒（）、鬼針草（）、飛機草（）。

2020年9月3日進行樣地布設和土壤樣品采集（表1）。試驗采用隨機區組設計，共設置5個區組，每個區組分別包含桉樹新造林 T0（前茬為原生樹種）、萌芽一代（T1）、二代（T2）、三代（T3）等4個處理，林齡均為2 a，種植行間距為1.5 m×4 m。每個處理內設置樣方，樣方占地400 m（20 m×20 m）。在樣方內測定20株活立木，測定樹高、胸徑，計算平均值，選取最為接近平均樹高、胸徑的5株活立木為標準木，作為根際土壤取樣點。根際土壤樣品根據抖落法（Wang et al.，2021；韓芳等，2021），將取樣點植物根系從土中取出后，輕微抖動，采集附著在根系上的土壤。每個區組采集5株標準木的根際土壤，混合均勻后取其中 500 g，共計采集樣品20個，做好標記后帶回實驗室備測。

表1 研究區概況Table 1 Survey of the research area

1.2 土壤紅外光譜數據采集

將保鮮袋中的土壤樣品取出，全風干后，磨碎，過0.149 mm土篩。將過篩的自然風干土樣與干燥的溴化鉀（光譜純）按照質量比1?90混勻，用瑪瑙研缽和杵手工研磨，壓片機 10 kPa壓實，放入Thermo Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀（ThermoFisher Scientific，美國）待測（Tiernan et al.，2021）。以KBr為背景值，光譜采集范圍為400—4000 cm，分辨率4 cm，掃描頻次64次，每個樣品重復測定5次，進行相似性比較后取平均值，扣除背景值后即為樣品紅外光譜圖。原始光譜數據利用OMNIC自帶的校正功能進行校正，除去基線影響，然后進行標準歸一化處理，去除不同樣本間稱量的差異。

1.3 數據分析與處理

紅外光譜基礎譜圖解析、查找峰值、標準化處理等通過OMNIC Specta完成，采用Origin 2018對每個官能團特征峰進行面積積分并計算平均值與占比以及制圖，SPSS 19.0進行基礎數據分析單因素方差分析、LSD多重比較，使用Canon 5.0進行主成分分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤紅外光譜特征

紅外光譜圖顯示（圖1），不同代次桉樹人工林土壤紅外吸收光譜特征基本一致，整體表現為硅酸鹽的吸收特征（相似度 75.31%），但不同代次各波段紅外吸收強度差異較大，其中出現的官能團吸收峰共有11個，波數分別是469、694、778、800、1088、1165、1631、2361、2929、3423、3620 cm，通過譜圖解析、特征峰、吸收強度等譜圖指標特征，查閱相關文獻（Margenot et al.，2015；Alvarez-Ordóez et al.，2012）將該波數官能團指認歸屬（表2）。

表2 紅外光譜吸收峰官能團歸屬Table 2 Attribution of functional groups of ir absorption peaks

圖1 不同代次桉樹人工林根際土壤紅外光譜特征Figure 1 Infrared spectrum characteristics of rhizosphere soil of eucalyptus plantations of different generations

對比不同代次桉樹人工林土壤紅外光譜圖，高代次林（T2、T3）在2361 cm處出現酯、多糖類物質的新吸收峰。對比不同代次土壤紅外光譜圖，整體呈現代次越高，吸收峰強度越高的變化趨勢，同時T3在1165 cm波數處的吸收峰有較為明顯的偏移。通過對比不同代次桉樹人工林土壤的紅外吸收峰強度，T3處理土壤紅外光譜圖在694、1631、2361、3423 cm處吸收峰顯著高于其余代次桉樹人工林土壤，這些區域主要表征了芳香族（C?H、C=C、C=O）、酯類和多糖中的?C=C=C，?C=C=O以及酚、醇類物質中的?OH、?NH、?OH等官能團的差異。T3在1088 cm處的吸收峰有較為明顯的紅移，向低波數移動代表振動所需能量下降，說明該處基團不穩定性增加。

2.2 土壤紅外光譜吸收峰面積積分

峰面積積分以主峰的波峰波谷計算而來，可以對該峰所對應的官能團含量進行半定量分析。不同代次桉樹人工林土壤紅外譜圖主峰的峰面積積分存在顯著差異（表3），峰面積較大的波段主要出現在1088、1165、1631、3423 cm處，在不同處理中占比范圍在86.59%—90.18%，對應的官能團是酯類、芳香族以及酚醇類物質。T0、T1、T2、T3處理紅外光譜相對峰面積積分在694、1088、2361、2929、3423、3620 cm處存在顯著差異（<0.05）。T2、T3處理在 2929、3423、3620 cm處，峰面積積分顯著高于T0、T1處理，說明多代連栽過后，酯類、多糖、脂肪烴、酚醇類物質在土壤中富集。T2、T3處理在2361 cm處出現新的吸收峰，同時T3在2361 cm處的峰面積積分相比T2處理顯著增加了78.37%，該吸收峰歸屬于酯、多糖類物質。

表3 土壤紅外光譜圖中主峰的相對峰面積積分Table 3 Integral of relative peak area of main peaks in soil infrared spectra

2.3 土壤FTIR峰面積主成分分析

本研究應用主成分分析（PCA）法對不同代次桉樹人工林土壤FTIR峰面積積分數據進行分析，定性各代次土壤有機物組分中主效官能團及差異，結果如圖2所示。分析結果表明，第一、第二主成分（PC1、PC2）共解釋了不同代次桉樹人工林土壤中11個主要官能團峰面積積分的77.59%的方差。新造林 T0在二、三、四象限均有分布，沒有明顯的主效峰；萌芽一代林 T1集中分布在第三象限，與 2361 cm處于同一象限且向量箭頭方向與 T1分布一致，其余峰面積積分與 T1均呈負向權重，說明該處官能團在 T1土壤中占主要地位；萌芽二代林T2在一、三象限分布，與PC2為正相關關系，與 2929、3423、1631、3620、469 cm等峰面積積分具有較強的正向權重；萌芽三代林T3均分布在第一象限，與 PC1、PC2兩個主成分均呈正向相關關系，主效峰為2929、3423、1631、3620、469 cm，與2361 cm峰面積積分具有較強的負向權重。

圖2 FTIR峰面積積分主成分分析Figure 2 Principal component analysis of FTIR peak area integral

3 討論

3.1 桉樹人工林土壤紅外光譜特征

研究區桉樹人工林土壤中主要存在的有機官能團為酯類、芳香族以及酚醇類，其次為多糖、烯烴、醛類物質，長期連栽主要對各有機組分含量產生顯著影響。本次研究對象土壤類型均為紅壤，含有大量原生、次生硅酸鹽礦物，其主要成分之一為SiO（粘粒中 SiO/AIO約為 2.0—2.4）在 469 cm處表現出強烈的硅酸鹽（Si-O）的吸收特征（Klassen，2009）。從譜圖解析及方差分析結果來看，不同代次桉樹人工林土壤在469 cm處的紅外吸收特征較為一致，峰面積積分差異不顯著（>0.05），說明其土壤母質及發育狀況基本相同。FTIR譜圖解析結果表明，不同代次桉樹人工林土壤具有相似的有機組分，主要存在的有機官能團為酯類（1088 cm）、芳香族（1631 cm）以及酚醇類（3423、3620 cm），其次為多糖（2929 cm）、烯烴（694 cm）、醛類（778 cm）物質，這與前人研究結果一致（He et al.，2018；毛霞麗等，2015），但不同代次土壤中各有機官能團（694、1631、2361、3423 cm）吸收峰強度具有顯著差異（<0.05）。峰面積積分方法可以對土壤中官能團進行半定量分析，同時也能用來表征多代連栽對土壤活性組分和穩定性組分有機碳含量的影響（盛明等，2020）。酯類、芳香族以及酚醇類物質（1088、1165、1631、3423 cm）官能團占比范圍在86.59%—90.18%，說明這些物質在土壤有機組分中含量最多，該結果與李哲等（2019）的土壤中有機碳官能團主要屬于糖類、脂肪類、氨基酸、酚類，少部分屬于芳香烴、苯類和酮類結論有所出入，這可能是由于植被類型（王晗光等，2006）及群落結構以及土地利用方式的不同所導致（Comino et al.，2020；李婷，2012）。

3.2 多代連栽桉樹人工林紅外光譜演變特征

多代連栽不利于桉樹人工林土壤中有機組分的活化，長期單一樹種的連續種植導致土壤有機組分中主效官能團也趨于單一，芳香族（1631 cm）、酚醇類官能團（3620 cm）含量顯著增多，連栽障礙的可能原因是該類物質降低了土壤中有機碳的活性，進而影響養分轉換速率（蘆金榮等，2013）。同時，在高代次 T3土壤中發現有新的不飽和健（C=C、C=O，2361 cm）產生，說明連續種植會改變其原生的土壤有機組分及結構。LSD多重比較結果表明，隨著連栽代次的增加，T2、T3處理的2929、3423、3620 cm處峰面積積分顯著高于與T0、T1（<0.05），所對應的官能團歸屬為脂肪族、酚醇類（Zhong et al.，2017）物質，同時2361 cm（多糖類）處出現新的吸收峰，這些官能團含量的增加與植物根系吸收和代謝作用（李婷等，2011）顯著相關，多代連栽過后這些物質在土壤有機組分中逐漸增多，表現出一定程度的富集特征。主成分四象限圖結果顯示，隨著連栽代次增加，脂肪烴、酚醇類、芳香族（2929、3423、1631、3620、469 cm）在土壤有機組分中逐漸占據主導地位。不同代次桉樹人工林土壤FTIR官能團吸收峰主成分分析結果顯示，新造林 T0樣本點位在二、三、四象限均有分布，并未表現出一致規律性，萌芽一代T1、萌芽二代林 T2在二、三象限均有分布，而萌芽三代林 T3樣本點位均分布在第一象限，主效官能團1631、3620 cm歸屬于芳香族、酚醇類物質，芳香族類物質具有一定的毒性，對灌木、雜草等的生長具有一定的抑制性作用（王晗光等，2006）。本次研究利用紅外光譜表征土壤有機官能團結構特征，發現隨著連栽代次的增加，人工林群落特征的單一性（張沛健等，2021）造成其有機組分中主效官能團也趨于單一，提高土壤微生物多樣性以及活性以促進脂肪烴、酚醇類、芳香族等復雜有機物的分解可能是解決桉樹連栽障礙的有效途徑。但本次研究并未分析土壤環境因子、土壤微生物群落結構以及植物自身凋落物、根系分泌物等因素對土壤有機組分的影響，今后的研究可考慮引入結構方程模型，系統性地闡明土壤-植物-微生物之間的互作關系。

4 結論

（1）紅外光譜分析可以反映土壤中有機官能團結構與含量信息。結果表明，不同代次桉樹人工林土壤有機組分及官能團種類大致相同，紅外吸收峰共有11個，主要以硅酸鹽、酯類、芳香族以及酚醇類物質為主，其次為多糖、烯烴和醛類物質，這與該區域立地條件、植被類型及土地利用方式有關。

（2）峰面積積分反映了吸收峰所對應物質的含量信息。分析結果表明，多代連栽后，酯類、多糖、脂肪烴、酚醇類的官能團含量呈現增多的趨勢，高代次（T2、T3）人工林土壤在2929、3423、3620 cm處紅外吸收峰面積積分顯著高于新造林（T0）、萌芽1代（T1），同時，T2、T3處理在2361 cm處出現新的吸收峰，歸屬為酯、多糖類物質的不飽和健（C=C、C=O），說明桉樹多代連栽顯著影響了土壤有機組分的結構與含量。

（3）桉樹多代連栽會促進土壤中芳香族和酚醇類物質的累積，導致土壤有機組分逐漸趨于單一，降低了土壤有機碳源的活性。主成分分析排序圖表明，高代次桉樹人工林（T3）樣點均分布于第一象限，主效官能團為469 cm（硅酸鹽）、1631 cm（芳香族）、3620 cm（酚、醇類），與T0相比，分布趨勢更為集中，研究認為減少或者阻礙芳香族、酚醇類物質的富集可能是解決連栽障礙的有效途徑。