開墾對黑土有機質化學結構的影響

鐘 鑫，苗淑杰，郝翔翔，李 娜，喬云發*

（1．南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044； 2．中國科學院東北地理與農業生態研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

土壤有機質是土壤的重要組成部分，也是土壤中化學性質最活躍的組分，控制土壤質量，影響土壤水分養分保持及供應的調控能力。土壤有機質穩定性在土壤質量中占據重要地位[1-2］，其在土壤中的動態平衡狀況決定了土壤肥力水平[3-4］，也決定了土壤結構的穩定[5］。土壤有機質穩定性的核心是有機質化學結構表征的綜合表現，有機質結構特征影響其在土壤中的積累與轉化[6］。有機質積累量的增加有利于土壤生產力的提高及土壤生態系統的健康[7］，有機質結構穩定性成為土壤結構穩定的重要因素。有機質化學結構所含官能團眾多，結構較為復雜[8］，為了能更細致地了解外部干擾對土壤各組分有機質結構的影響，研究各組分有機質化學結構成為當今研究領域的一個熱點。Barberi 等[9］將黑土進行密度分組研究有機質的穩定性，結果發現，全土中有機質穩定性高于游離態輕組（LF）、閉蓄態輕組（OF）和＜0.053 mm粉粒、粘粒。有機質穩定性主要與有機物質對礦物的吸附與固定有關，Margenot等[10］在對加利福利亞番茄地土壤不穩定有機質官能團分析后發現，脂肪族-CH與有機質穩定性呈正相關關系。張苗苗[11］研究青海省主要草地有機質光譜特性時發現，草甸土壤有機質結構更為復雜，含有較多的多環芳香烴類物質，而有機質含量較少的荒漠性沙地，有機質的芳香化程度較低，結構簡單，有機質易于分解流失。常漢達等[12］也發現，有機質中芳香族含量的提高是結構穩定性增加的重要原因。Steffens等[13］研究不同放牧程度草原沙質土壤后指出，輕組有機質較閉蓄態有機質烷基碳含量較少，而含有較多的烷氧碳，且游離態輕組有機質中烷氧碳含量約占總量的一半，其次為烷基碳和芳香碳，芳香碳含量隨著土壤粒級的減小而上升，在微團聚體中聚集。此外，土壤有機質結構差異與土壤類型也有關系[14］，棕壤土有機質中芳香碳和烷氧碳比例較多，而灰化土有機質中烷基碳含量較高[15］。將土壤有機質結構進行分組研究，可以了解到不同組分中有機質結構變化對土壤整體有機質結構變化的貢獻程度，同時探明各官能團有機物對有機質結構的影響程度，研究較為細致深入，能夠從本質上解釋有機質結構穩定性變化的原因。

東北黑土區是我國最大的糧食生產基地，開墾僅有百年歷史，通常情況下，開墾前10年，有機質穩定性處于快速變化期，平均每年有機質含量以0.0293%速度降低[16］。以往有機質結構的研究主要集中在開墾百年后土壤有機質穩定性變化方 面[17］，而對于東北黑土開墾前期，有機質結構快速變化期，從土壤團聚體和密度組分方面來研究有機質結構特征鮮見報道。為探明開墾農田有機質穩定性下降的根本原因，本研究黑土依據濕篩法分成不同的團聚體（＞0.25、0.25～0.053、＜0.053 mm）和不同密度組分（游離態輕組LF、閉蓄態輕組OF、礦質結合態重組MF），利用傅里葉紅外光譜分析對比開墾前后不同水穩性團聚體以及不同密度組分有機質主要官能團變化特征，從土壤水穩性團粒和干旱土壤不同密度團粒角度探討東北黑土區開墾有機質結構變化特征，完善黑土有機質結構主要官能團動態變化理論。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黑龍江省海倫市西郊（126°09′～ 127°25′ E，47°00′～47°43′ N）的中國科學院海倫農業生態試驗站，自然植被是以橘梗、問荊、野火球、拂子茅為主的草原化草甸植物，俗稱“五花草塘”。屬中溫帶大陸性季風氣候型，四季分明，雨熱同季，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～600 mm，年平均氣溫1.5℃，≥10℃活動積溫2600～2800℃，無霜期130 d，日照時數2600～2800 h，總輻射量為466 kJ/cm2。一年一熟制，土壤類型為黑土，基礎理化性質見 表1。

表1 供試土壤基礎理化性質

1.2 試驗設計

2011年10月在自然植被草地“五花草塘”上以自然草地為對照處理，沒有人為干擾，以開墾成農田為開墾處理，設3次重復，每個小區面積6 m×8 m，小區隨機排列。種植耕作方式與當地傳統耕作方式相同，翻耕深度為0～20 cm，種植作物為玉米，品種為德美亞1號，每年玉米收獲后秸稈不還田。

1.3 樣品采集

2019年10月玉米收獲后采用“S”形5點取樣法，采取0～20 cm耕層土壤1 kg，室內陰干，剔除雜物，備用。

1.4 試驗與分析方法

團聚體篩分：稱50.00 g風干土樣放進三角瓶中，沿瓶壁緩慢加入蒸餾水至沒過土樣2～3 cm，10 min后轉入套篩（自上而下篩孔分別為0.25、0.053 mm）上層，桶內水面沒過套篩最上層。濕篩10 min（振幅4 cm，頻率30次/min），篩好后將套篩 中各個篩子里的土樣洗入燒杯中，50℃烘至恒重[18］。

密度分組：稱取10.000 g置于100 mL離心管中，倒入密度為1.7 g/cm3的碘化鈉（NaI）重液至80 mL，上下翻轉5～6次使之混勻，3500 r/min離心15 min，緩慢取出后，用吸液器吸出懸液，置于0.45 μm濾膜上抽濾，濾膜上的物質先用0.01 mol/L CaCl2洗滌1～2次，再用蒸餾水洗滌2～3次，最后將濾膜放入120 mL塑料燒杯中，在烘箱內50℃烘至恒重，記為LF。繼續向離心管內加入NaI重液至80 mL，搖勻放入超聲波破碎儀中破碎15 min（100 W，40 Hz）后3500 r/min離心15 min，緩慢取出，將土壤懸液全部吸出抽濾，最后將濾膜放入120 mL塑料燒杯中，50℃烘至恒重，記為OF。繼續向離心管內加入50 mL蒸餾水，混勻成泥漿后放入往復式振蕩機振蕩20 min，取出后4000 r/min離心15 min，輕輕倒掉懸液，重復3次，再向離心管中加入50 mL 95%酒精，搖勻后4000 r/min離心 2 min，倒掉上清液，按此操作反復洗滌3～4次至上清液無色，最后將土樣轉入塑料燒杯中，50℃烘干至恒重，記為MF[19］。

有機質紅外光譜測定：利用傅里葉紅外光譜儀（Nicolet IS10，美國）測定。將樣品在50℃去潮12 h，減小水氣對光譜的影響。精確稱取各組分土樣0.7 mg放入瑪瑙研缽中，加入70 mg光譜純溴化鉀與土樣混合均勻，放入壓片機中75 kPa制成壓片，光譜儀分辨率為4 cm-1，測量范圍為4000～400 cm-1，掃描16次，測定光譜時減去了溴化鉀的背景光譜值。

特征峰相對強度=某一特征峰面積/總特征峰面積有機質抗分解能力F=（芳香族特征峰面積+脂肪族—CH特征峰面積）/（多糖C—O特征峰面 積+醇酚—OH特征峰面積）

1.5 數據分析

用Excel 2018進行數據收集整理，用OMNIC進行有機質紅外光譜分析，Origin 2018進行數據的統計分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 黑土有機質紅外光譜特征

開墾前后全土及各粒級團聚體、密度組分有機質紅外結構特征峰相似（圖1、圖2），主要在3619、3415、2922、2846、1880、1634和1034 cm-1附近有吸收峰，由紅外光譜圖解析可知，3619 cm-1是自由羥基—OH伸縮振動的吸收峰（3650～3600 cm-1），主要來自土壤中的碳水化合物；3415 cm-1是分子間氫鍵—OH伸縮振動吸收峰（3500～3200 cm-1）；2922和2846 cm-1是脂肪中—CH3和—CH2的伸縮振動吸收峰（3000～2850 cm-1）；1880 cm-1是羰基的吸收峰（1900～1600 cm-1）； 1634 cm-1主要來自芳香族的振動吸收峰（1500～1650 cm-1）；1034 cm-1為多糖中C—O的伸縮振動吸收峰（1300～1000 cm-1）。本試驗中，將3619和3415 cm-1附近吸收峰面積加和代表醇酚—OH，2922和2846 cm-1附近吸收峰面積加和代表脂肪族—CH。由此可知，與開墾前土壤相比，開墾不影響土壤有機質主要官能團種類（表2、表3），主要有醇酚—OH、脂肪族—CH、羰基芳香族和多糖C—O，以醇酚—OH和多糖C—O兩種官能團為主，相對強度分別為27.70%～28.33%和58.75%～60.01%，累積強度86%以上。

圖1 全土及各粒級團聚體有機質紅外光譜

表3 全土及各密度組分特征峰相對強度（%）

2.2 各粒級團聚體有機質紅外光譜特征

紅外特征峰相對強度是指各特征峰面積在總特征峰面積當中的占比，可以用于表示有機質中對應官能團含量。開墾后有機質主要官能團種類沒有差異（圖1），均以多糖C—O和醇酚—OH為主，其次是芳香族和脂肪族—CH，羰基含量最少。由表2可知，與自然草地土壤相比，全土多糖C—O相對強度較開墾前增加2.14%，而醇酚—OH、脂肪族—CH、羰基和芳香族相對強度分別降低2.22%、5.02%、5.63%和4.77%。就各粒級團聚體而言，開墾處理，在＞0.25 mm粒級團聚體內多糖C—O含量減少，其余粒級中含量增加。醇酚—OH和脂肪族—CH含量變化趨勢與多糖C—O相反，其含量在＞0.25 mm粒級團聚體中增加，且增加了8.00%～15.60%，而在其余粒級中含量減少。羰基和芳香族含量在各粒級團聚體中變化趨勢相同，在＞0.053 mm團聚體中較開墾前降低，在＜0.053 mm團聚體中上升。比值在＞0.25 mm團聚體中增加了24.00%；在全土、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm團聚體中有減少趨勢，且在0.25～0.053 mm團聚體中減小程度最大，達20.51%。說明開墾使團聚體有機質中多糖類物質增加，芳香族、羰基、醇酚和脂肪族類物質減少。

表2 全土及各粒級團聚體有機質紅外特征峰相對強度（%）

2.3 各密度組分有機質紅外光譜特征

圖2 各密度組分有機質紅外光譜

2.4 開墾對黑土有機質穩定性的影響

從圖3中可以看出，開墾降低了全土、各粒級團聚體以及各密度組分有機質結構穩定性，全土有機質結構穩定性下降6.32%。開墾前各粒級團聚體中有機質結構穩定性隨著團聚體粒級的減小逐漸降低，開墾以后有機質穩定性與團聚體粒級的關系呈現相反的趨勢，各粒級團聚體有機質穩定性下降3.89%～25.00%，＞0.25 mm團聚體下降最多。密度組分中，無論開墾前后，LF和OF中有機質結構穩定性相差不顯著，但比MF高26.80%～54.12%，開墾后，LF、OF中有機質穩定性下降幅度要高于MF，LF中有機質結構穩定性下降23.49%，OF穩定性下降21.65%，MF下降7.00%，這也說明MF是密度組分中最穩定的部分。這表明，從有機質穩定性變化幅度來看，＞0.25 mm團聚體、LF和OF中有機質結構穩定性對于開墾的響應最為 顯著。

圖3 開墾前后黑土有機質穩定性

2.5 主成分分析

2.5.1 各粒級團聚體有機質結構分析

根據特征值大于0.5，總貢獻率大于85%選取主成分，選載荷值大于0.5表示為主成分顯著因素。分析結果顯示共選取兩個主成分，PC1特征值為2.84，貢獻率為56.74%；PC2特征值為1.48，貢獻率為29.68%，二者累積貢獻率為86.42%，表明兩個主成分對開墾前后有機質結構差異顯著解釋度達86.42%，可以選為主成分。圖4為全土及各粒級團聚體有機質結構主成分分析平面坐標，從圖4的成分分析圖中可以看出，開墾前PC1主要由＞0.25 mm團聚體決定，PC2主要由0.25～0.053 mm團聚體決定，說明開墾使黑土有機質結構發生變化的團粒結構主要為＞0.053 mm團聚體。從圖4的成分載荷圖中可以看出，開墾前PC1主要決定因素為芳香族和多糖C—O，PC2主要決定因素為羰基但開墾后PC2主要決定因素仍是羰基故羰基變化不顯著，所以開墾前后，全土及各粒級團聚體有機質結構變化顯著的主要官能團為芳香族和多糖C—O。

圖4 各粒級團聚體有機質主要官能團主成分分析

2.5.2 各密度組分有機質結構分析

圖5為開墾前后密度組分有機質結構主成分分析平面坐標圖，從圖5中可以看出共選取2個主成分，PC1特征值為4.24，貢獻率為84.86%；PC2特征值為0.60，貢獻率為11.99%，二者累積貢獻率為96.85%，可以較好地解釋各密度組分有機質結構變化。圖5的成分分析圖表明，開墾前PC1主要由OF決定，PC2主要由LF決定，故開墾主要影響LF和OF的有機質結構。圖5的成分載荷圖表明，PC1主要由開墾后的羰基和多糖C—O決定，PC2的主要決定因素是開墾前后的芳香族綜上，開墾主要影響LF和OF中羰基和多糖C—O的相對含量。

圖5 各密度組分有機質主要官能團主成分分析

3 討論

3.1 各粒級團聚體有機質結構變化

草地開墾為農田且不施用有機物料的情況下，有機質化學結構主要官能團雖沒有發生變化，但各官能團特征峰相對強度改變了，說明開墾改變了有機質中各官能團相對含量。開墾后，全土中較為活躍的多糖類物質增多，芳香族物質減少，這可能與每年玉米收獲后秸稈不還田有關[20-22］，土壤中有機質得不到補充，穩定的芳香類物質含量下降，同時，秸稈移除減少了土壤微生物需要的碳源[23］，微生物殘體也是土壤有機質中相應官能團有機物質的來源[24］，所以開墾后全土有機質穩定性下降。有研究表明，農田土壤有機質穩定性普遍比草地低，可能是因為草地生態系統凋落物含量較高[14］。在各團聚體中，開墾后＞0.25 mm團聚體中多糖類物質增多，而芳香族物質和羰基在＜0.053 mm團聚體中含量增加，這一研究結果與Baldock等[25］的研究結果相一致，其研究結果表明，土壤類型和團聚體粒級對有機質的影響有所不同，多糖碳、脂肪碳等活性較高的碳大多富集在大團聚體內，而微團聚體中主要含有穩定的芳香碳。經典腐殖質形成理論表明，腐殖質形成的核心就是含氧芳香烴，降解過程的中間產物與其結合形成大分子多聚體，最終形成以芳香族化合物為基礎，外接不同活躍有機物質的有機質分子[26］。主成分分析表明發生變化的主要是＞0.25 mm團聚體，5～0.25 mm粒徑團聚體與有機質顯著相關[27］，而在＞0.25 mm團聚體中芳香族特征峰相對強度顯著降低，故有機質穩定性下降。

3.2 各密度組分有機質結構變化

開墾后，MF中芳香族物質含量增加，多糖、脂肪類物質減少，LF、OF中多糖類物質增加，芳香族、脂肪族和醇酚類物質減少，且變化幅度比MF大。每年玉米收獲后秸稈不還田，土壤缺少了秸稈分解帶來的碳水化合物以及脂肪族碳的補充，所以有機質中脂肪族、多糖族峰相對強度在開墾后有所減弱[27］。有機質穩定性方面，開墾后，LF、OF中有機質穩定性下降21.65%～23.49%，而MF僅下降7.00%，這是因為LF、OF大多在土壤表層，動植物殘體易于在表層分解，所含活性物質含量較高[28］，同時與MF相比，LF微生物產物信號較弱，土壤碳更容易分解，芳香度沒有MF 高[29］，所以MF是密度組分中穩定性最高的組分[30］。 Helfrich等[31］研究表明，與草地相比，玉米凋落物的烷基—O—C含量最高，烷基—C、芳基—C和羰基—C含量最低，草原和種植玉米土壤中的有機質主要與MF中有機質有關，占全土有機質的86%～91%[32］，其中芳基—C和羰基—C相對比例較大，玉米種植引起的有機質含量下降導致MF有機質中芳香族物質的相對積累，芳香族物質與土壤中的鐵氧化物之間有較強的吸引力[33］，二者在土壤有機質中絡合成穩定性較強的團聚物，這種保護機制使得芳香族物質較難被土壤微生物分解，故土壤中的有機質平均轉換時間隨著芳香性的增加而增加，順序為MF＞OF＞LF，這一結果與本試驗結果基本一致。

3.3 黑土保護意義

多數研究結果顯示，草地開墾為農田后，有機質含量不斷下降，特別是開墾后的前10年，有機質含量劇烈下降[16］。本研究對開墾初期黑土各組分有機質化學結構進行分析，表明開墾使黑土有機質結構中芳香類物質減少，有機質結構穩定性下降，這是由于草地開墾為農田后，土壤微生物生態系統遭到破壞，微生物種類和數量大大降低，易被微生物分解的糖類等物質積累下來；此外，秸稈移除使土壤中頑抗性較強的木質素難以積累，而木質素是芳香族類物質的主要來源，玉米收獲后，裸露的地表暴露在空氣中，導致芳香族類物質下降[34］。為應對有機質結構穩定性下降的問題，研究中較為常見的解決方法為留茬和秸稈還田，秸稈以及植物凋落物是農田土壤有機質的主要來源，秸稈的分解可以提供大量的芳香族碳和脂肪族碳[12］，為土壤不斷輸入芳香族物質，同時避免土壤過多暴露使芳香族物質分解，土壤微生物活動旺盛，分解有機質中多糖類物質，有利于增強有機質結構穩定性，緩解有機質下降程度。故在以后的農業活動中，可以增加留茬和秸稈還田培肥土壤，對黑土有機質保護具有現實意義。

4 結論