皖北小麥生長過程中土壤腐殖質組成與含量變化特征研究

何長茂 孫 偉 程 孜 王卓越 顧 行 姜泉良

（宿州學院環境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000）

0 引言

土壤腐殖質是全球碳循環中的重要碳庫，在土壤有機碳的循環和轉化中發揮著重要作用。土壤腐殖質具有適度的黏性，可使黏土疏松，使砂土黏結。它含有植物所必需的營養，可以提高植物和微生物的生理活性，提高土壤蓄水的涵養能力，改善土壤緩沖性。土壤中腐殖質的特性差異使得同一地區不同地塊中農作物的產量也可能有明顯差異。不同功能區的環境狀況可以改變土壤有機質的輸入，影響土壤有機碳的分解，從而影響土壤腐殖質的形成和轉化，長此以往，不同地區土壤腐殖質特質不同，對植物生長產生不同的影響。因此，研究腐殖質的特征及其對植物生長的影響對農業生產具有重要意義。皖北地區作為安徽省最大的小麥主產區，小麥種植面積達146.67 hm2左右，占安徽省小麥種植面積的70%左右。在生態文明建設中進行科學種田、精準施肥具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2020年12月使用土壤采樣器針對皖北地區居民區、工業區、交通區、農業區進行采樣，采樣時期為三個時期，分別為苗期階段、抽穗開花期階段和成熟期階段。每個功能區使用“S”形采樣法采集0～10 cm的表層土壤，每個功能區采集5個點，采樣點面積約為5 m×5 m。

1.2 DOM樣品提取

土壤DOM樣品的提取采用水土震蕩法［1］，準確稱取5.00 g土壤樣品（冷凍干燥后）于100 mL離心管中，按10∶1水土比加入相應的離子水，在黑暗中恒溫振蕩12 h（25℃，40 r/min），再取樣品上清液放入錐形瓶中，先用Whatman GF/D濾膜過濾，再過Whatman GF/F濾膜，得到DOM溶液，最后儲存在4℃的棕色瓶中檢測。TOC使用島津TOC-L有機碳分析儀進行測定。

1.3 光譜分析

使用島津UV-3600分光光度計測量紫外-可見光譜，以超純水為空白，用1 cm的石英比色皿在200～800 nm范圍內掃描，波長間隔為1 nm。三維熒光光譜由F-4500 FL Spectrophotometer熒光分光光度計測定，掃描范圍：激發波長（Ex）為220～450 nm，發射波長（Em）為250～650 nm，掃描間隔：Em和Ex均為5 nm，掃描速度為2 400 nm/min，激發狹縫和發射狹縫的寬度均為5 nm。使用10 nm的四通石英比色皿。

2 結果與討論

2.1 功能區對小麥生長三個階段土壤DOM紫外光譜特征的影響

不同功能區小麥生長過程中土壤DOM樣品SUVA254箱線圖如圖1所示。紫外參數SUVA254是指在254 nm波長下的吸光度與DOC的比值，SUVA254可以表征DOM的腐殖化程度，SUVA254越大，DOM的腐殖化程度越高［2-3］。不同功能區下小麥苗期土壤的DOM紫外參數SUVA254為0.016～0.026，抽穗開花期土壤的DOM紫外參數SUVA254為0.005～0.021，成熟期土壤的DOM紫外參數SUVA254為0.012～0.034。苗期階段，農業區和交通區顯著高于居民區和工業區；抽穗開花期階段，交通區和居民區顯著高于農業區和工業區；成熟期階段，農業區顯著高于其他三個功能區。從整體來看，四個功能區呈現對勾趨勢，可知苗期階段小麥土壤腐殖化程度高于抽穗開花期階段，而抽穗開花期階段低于成熟期階段，可見抽穗開花期階段，小麥對土壤有機質需求最多。

圖1 各功能區小麥生長三個階段土壤DOM樣品SUVA254箱線圖

2.2 功能區對小麥生長三個階段土壤DOM三維熒光光譜特征的影響

2.2.1 功能區對小麥生長過程中土壤DOM的三維熒光光譜特征的影響。不同功能區的小麥生長三個階段的土壤DOM樣品的三維熒光光譜如圖2所示。由圖2可以看出，苗期階段，四個功能區兼有類富里酸和類蛋白熒光峰，而抽穗開花期階段和成熟期階段，除了工業區以外，其他三個功能區只含有類富里酸峰，四個功能區的類富里酸峰的強度大體一致，工業區小麥三個階段的類蛋白峰的強度比其他三個功能區要強，且各功能區的類蛋白峰整體強度低于類富里酸峰。一般認為，類富里酸主要來自陸源性植物代謝或生物殘體，而類蛋白來自土壤中微生物的代謝產物。苗期階段處于四季中的春季，因此，有利于土壤中微生物的繁殖。工業區小麥三個階段的土壤微生物代謝產物比其他三個功能區要多。

圖2 各功能區小麥生長三個階段土壤DOM樣品的三維熒光光譜

2.2.2 功能區對小麥生長過程中土壤DOM的三維熒光參數的影響。不同功能區的小麥生長過程中土壤DOM三維熒光參數如圖3所示。熒光指數（Fluorescence Index，f450nm/500nm）是激發光波長在370 mm時，熒光發射光譜中450 nm、500 nm處熒光強度的比值，可用來區別有機質的來源［4］。將熒光指數值分為1.4、1.9，f450nm/500nm＜1.4表明以陸源有機質貢獻為主，f450nm/500nm＞1.9表明來源于土壤中微生物代謝產物［5］。不同功能區小麥苗期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.51～1.76，抽穗開花期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.46～1.70，成熟期階段土壤DOM的f450nm/500nm為1.44～1.58。不同功能區小麥生長的三個階段呈現下降趨勢，表明隨著小麥的生長，陸源特征越來越明顯。腐殖化指數（HIX）可用來表征腐殖化程度，當HIX小于4時，DOM腐殖化程度較弱［2，4］。農業區小麥生長過程中土壤HIX值為3.7～4.9，居民區小麥生長過程中土壤HIX值為2.7～4.4，交通區小麥生長過程中土壤HIX值為1.9～3.2，工業區小麥生長過程中土壤HIX值為1.8～2.2，小麥生長的三個階段，HIX值均呈現出農業區＞居民區＞交通區＞工業區，這表明小麥生長過程中土壤腐殖化程度可能與當地的人口密度、污染狀況有關。

圖3 各功能區小麥生長三個階段土壤DOM三維熒光參數特征

2.3 土壤總有機碳（TOC）和土壤腐殖質含量的耦合關系

如圖4所示，四個功能區的土壤總有機碳（TOC）含量均呈現苗期階段小于抽穗開花期階段，抽穗開花期階段大于成熟期階段。四個功能區TOC的變化趨勢表明，小麥抽穗開花期所處的土壤中，微生物分解了大量的植物凋落物、根和其他腐爛物質，釋放了大量的有機碳。農業區小麥生長的三個階段的UVC類腐殖酸（高分子量）和UVA類腐殖酸（低分子量）之比趨于平衡；居民區小麥苗期和抽穗開花期階段UVC/UVA的值高于成熟期；交通區小麥苗期＜成熟期＜抽穗開花期；工業區小麥苗期＜抽穗開花期＜成熟期。四個功能區的苗期UVC/UVA的大小關系呈現出：農業區＞居民區＞工業區＞交通區；抽穗開花期UVC/UVA的大小關系呈現出：農業區＞居民區＞交通區＞工業區；成熟期UVC/UVA的大小關系呈現出：農業區＞工業區＞居民區＞交通區。各功能區小麥三個時期土壤樣品中富里酸的含量隨著小麥的生長而下降。苗期階段交通區富里酸所占百分比小于其他三個功能區；抽穗開花期階段農業區富里酸所占百分比大于其他三個功能區；成熟期交通區富里酸所占百分比大于其他三個功能區。

圖4 各功能區小麥生長三個階段土壤TOC和UVC、UVA的關系

3 討論

3.1 功能區對小麥生長過程中土壤DOM紫外-可見吸收光譜分析

由于紫外可見光譜具有靈敏度高、樣品量少的特點，經常使用這種方法來表征DOM的腐殖化程度［6］。由圖5可知，在小麥生長過程的三個階段中，四個功能區小麥生長發育期土壤DOM樣品的紫外吸收光譜表現出隨波長的增加而逐漸降低的趨勢，不同土壤DOM樣品的吸收曲線特征也不同，在波長達到550 nm后，小麥生長三個時期的各功能區吸光度接近于0，三個時期均呈現出一個特點，工業區吸光度趨近于0的程度最快，居民區和交通區次之，農業區最慢。從波長200 nm處可看出，各功能區土壤DOM樣品的吸光度隨著小麥的生長發育吸光度在不斷下降。由此可以看出，隨著污染程度的不斷上升，吸光度越來越低。

圖5 紫外-可見吸收光譜

如圖6所示，SR值常用來反映DOM的組成特征，包括分子量大小、自生源與陸源特征以及光化學反應活性等，SR值較低說明輸入了高分子量、芳香性強及維管束植物類有機質［7］。SR＜1時，DOM主要為外源性；SR＞1時，DOM主要為生物源［7-8］。各功能區的小麥生長三個階段的土壤SR值均小于1，受外源有機質輸入的影響較大，與上述判斷相一致。居民區的SR值隨著小麥的生長而增加，這表明受外源有機質輸入的程度在降低，而交通區的SR值隨著小麥的生長而降低，這表明受外源有機質輸入的程度在增加。

圖6 各功能區小麥生長三個階段土壤樣品SR值

3.2 功能區對小麥生長過程中土壤DOM三維熒光光譜分析

BIX可用來反映自生源DOM的生物可利用性的高低。BIX很高代表有新鮮DOM的輸入，且其生物利用性較高。當BIX＞1，表明新生自生源占主要貢獻，BIX為0.6～0.7表示自生源比例較少［9］。由圖7可看出，各功能區小麥生長的三個階段BIX值都小于1，即皖北地區四個功能區土壤DOM的自生源特征不明顯，類蛋白質組分產量較少，表明生物可利用性較低。除了居民區小麥抽穗開花期土壤樣品BIX值大于其他三個功能區以外，工業區小麥三個時期土壤樣品BIX值都大于其他三個功能區，這表明抽穗開花期居民區的土壤有機質消耗快，工業區的陸源特征較其他三個功能區不明顯，這也恰巧說明了工業區小麥生長發育期土壤DOM樣品三維熒光光譜具有類蛋白峰的緣故。

圖7 各功能區小麥生長三個階段土壤樣品BIX值

4 結語

紫外-可見光譜特征參數表明，農業區和居民區以富里酸為主，小麥苗期交通區和工業區以胡敏酸為主、小麥抽穗開花期和成熟期以富里酸為主。

三維熒光光譜顯示，埇橋區小麥苗期四個功能區和工業區小麥三個時期主要含有3個熒光峰，分別為：兩種類富里酸峰和類蛋白峰，除了工業區，其他功能區小麥抽穗開花期和成熟期主要含有2種類富里酸峰。這表明皖北地區土壤DOM中的類富里酸占絕對優勢。由熒光指數（FI）和自生源指標（BIX）表明，四個功能區小麥土壤樣品自生源特征不顯著，而工業區較其他三個功能區自生源特征顯著，這恰巧印證了自生源特征與人為活動有關。

從土壤總有機碳（TOC）和土壤腐殖質含量的耦合關系可得知，各功能區小麥三個時期土壤富里酸含量隨著小麥的生長而下降，從總體上來看，農業區的土壤富里酸含量比居民區高，居民區比交通區高，交通區比工業區高。同樣地，各功能區的TOC含量也是如此，而UVC類腐殖酸（高分子量）與UVA類腐殖酸（低分子量）之比的大小關系是農業區、居民區大于交通區、工業區。