2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 农业农村部盐碱土改良与利用(滨海盐碱地)重点实验室, 南京 210014;
3. 南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095
2. Key Laboratory of Saline-Alkali Soil Improvement and Utilization(Coastal Saline-Alkali Lands), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing 210014, China;
3. College of Resources and Environmental Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
生物质炭是一种优越的土壤改良剂，在缓解土壤酸化、提升耕地质量和提高作物产量等方面效果显著。生物质炭类型多样且各类型间理化特征和稳定性能各不相同，具有稳定碳链结构的生物质炭在土壤中可保存几十年甚至上百年[1]。溶解性有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）是土壤有机质中的活性组分，具有较强的流动性和生物有效性。DOM是土壤微生物的重要碳源，对微生物群落结构和土壤碳循环起到重要作用。生物质炭DOM的分子量较高，生物可利用性低，腐殖化程度较高，且分子结构较复杂。生物质炭DOM中的荧光组分含量表现为富里酸类大于腐殖酸类和蛋白类[2]；同时，生物质炭在土壤中受到物理、化学和微生物等作用发生降解和老化，还可分解产生新的DOM[3]。DOM在生物质炭有机质中仅占很小一部分，但对生物质炭在土壤中的稳定性能有较大影响。近年来，研究发现生物质炭在土壤中发生横向和纵向迁移[4]，势必会影响土壤本底有机碳的转化，进而改变土壤活性有机碳的组成和结构。有机肥可有效提高旱区土壤质量，增强土壤碳“汇”功能[5]。有机肥施用可增加黄土高原褐土DOM含量和分子结构复杂的芳香化物质比例[6]。有机物料的腐熟过程主要发生在耕层，并且增加了根际微生物的活性，因此耕层土壤DOM含量和组分对施肥反应最为敏感[7]。土壤中DOM具有高亲和力，可与钙、铜和铁等离子形成络合物。有机肥对DOM的影响主要取决于有机肥用量和类型、土壤类型、土壤环境等条件[8]。而目前，关于生物质炭协同有机肥施用对水稻土DOM的影响机制尚缺乏深入研究。
紫外-可见光谱（Ultraviolet-Visible spectrum，UV-Vis）可用于分析土壤DOM的芳香化和腐殖化程度及分子量大小。三维荧光光谱（Excitation-emission fluorescence spectrum，EEM）可精准分析土壤DOM中的荧光强度，结合平行因子分析法（Parallel Factor Analysis，PARAFAC），将复杂叠加荧光强度分解为独立的荧光组分，进而定性和相对定量化分析DOM的组成和特征。本研究基于施用生物质炭的长期野外定位试验，通过分析生物质炭与化肥及有机肥协同施用对水稻产量、土壤养分、有机碳组分、DOM的UV-Vis光谱和EEM光谱特征及组分的影响，探讨生物质炭和有机肥对土壤DOM的长期效应，为生物质炭和有机肥在水稻种植中协同施用提供理论依据和数据参考。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验点位于江苏省溧阳市南渡镇长期野外定位试验站（31°29′17″N，119°19′57″E）。该区域位于长江三角洲平原，为亚热带季风气候，日平均温度14.5~17.6℃，年降水量992~1 200 mm。试验土壤属于水稻土。2016年5月试验开始，耕层土壤基本理化性质为：pH 6.64，有机碳19.5 g·kg–1，全氮1.36 g·kg–1，有效磷18.6 mg·kg–1，速效钾124 mg·kg–1。试验所用生物质炭为樟树缺氧高温（450~550℃）热解所得。生物质炭的基本理化性质为：大于2 mm的颗粒大小占65%以上，pH 9.43，总碳685 g·kg–1，总氮4.61 g·kg–1，总磷13.2 g·kg–1和总钾24.1 g·kg–1。
1.2 试验设计试验共设置6个处理，分别为：（1）对照，不施用生物质炭和肥料（CK）；（2）仅施用生物质炭但不施用化肥（BC）；（3）仅施用化肥（F）；（4）施用化肥和生物质炭（F+BC）；（5）施用化肥和有机肥（MF）；（6）施用化肥和有机肥及生物质炭（MF+BC）。3次重复，小区面积为30 m2。生物质炭仅在2016年5月施入，其余年份不施用，施用量为30 t·hm–2，均匀撒施于小区地表，人工翻耕于0~20 cm土层。供试氮肥为尿素，施氮量为270 kg·hm–2，水稻氮肥运筹为“基肥：分蘖肥：拔节肥=4：3：3”。磷、钾肥分别为过磷酸钙、氯化钾，全部用于基肥，施用量为P2O5 60 kg·hm–2和K2O 90 kg·hm–2。有机肥为猪粪与秸秆堆肥产品，有机肥各指标含量分别为：有机质大于350 g·kg–1，N、P2O5和K2O含量分别为20.3 g·kg–1、42.1 g·kg–1和23.4 g·kg–1。施用有机肥的处理中，有机肥氮替代尿素25%，基肥施用。有机肥施用前测定养分含量，根据养分施用总量一致原则，磷和钾不足部分用化肥补充作为基肥一次施入。水稻品种选用南粳46。每年5—11月仅耕种一季水稻，其余时间休耕。秸秆离田处理。
1.3 土壤样品采集与分析2021年11月水稻收获，每个小区测实产后，采集0~20 cm的耕层土壤，自然风干、研磨、过2 mm筛，在实验室避光保存，备用。pH按水土比5︰1用pH计测定；土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）采用重铬酸钾—外加热法测定；土壤全氮（Total Nitrogen，TN）采用凯氏定氮法测定；土壤易氧化有机碳（Readily Oxidizable Organic Carbon，ROC）采用高锰酸钾氧化法测定；土壤有效磷（Available Phosphorus，AP）采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾（Available Potassium，AK）采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定。
土壤溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）提取及测定：称取3.00 g过0.15 mm筛的土壤样品于50 mL离心管，以1：10的土水比添加30 mL蒸馏水后在摇床300 r·min–1振荡30 min，静置1 h，后取上清液过0.45 μm滤膜，收集滤液采用总有机碳（TOC）分析仪（multi N/C 2100，耶拿有限公司，德国）测定。
1.4 紫外-可见光谱（UV-Vis）特征分析将上述土壤DOC滤液在250~400 nm范围内进行光谱扫描，以超纯水为空白。特征紫外光吸收系数（Specific Ultraviolet Absorbance，SUVA）SUVA254（芳香化程度）和SUVA260（疏水性）分别以A254和A260吸光度与DOC浓度的比值表示；紫外光斜率系数（Ultraviolet Slope Ratio，SR）（分子量大小）由275~295 nm波长区域斜率与350~400波长区域斜率的比值获得。
1.5 三维荧光光谱（EEM）特征参数分析将上述滤液采用荧光光谱仪（F-7000，日立，日本）进行三维荧光光谱（EEM）扫描。激发光谱（Excitation spectrum，Ex）波长范围为200~500 nm，采集间隔5 nm；发射光谱（Emission spectrum，Em）波长范围为250~550 nm，采样间隔2 nm。激发波长为370 nm时在470、520 nm两处荧光发射强度的比值即荧光指数（Fluorescence Index，FIX）；激发波长为254 nm时，发射波长在435~480 nm范围与300~345 nm范围的积分值的比值即腐殖化指数（Humification Index，HIX）；激发波长为310 nm时在380 nm和430 nm两处的荧光发射强度的比值即生物指数（Biological Index，BIX）。
1.6 数据分析利用DOM Fluor v1.7工具箱在MATLAB 2019进行三维荧光光谱图的绘制和平行因子（PARAFAC）分析。采用Origin 12.0软件作图。用SPSS 20.0进行皮尔逊相关性分析和双因素方差分析，以P＜0.05为差异显著，P＜0.01为差异极显著。
2 结果 2.1 生物质炭和有机肥对水稻产量和土壤肥力的影响不同施肥处理的水稻产量和土壤肥力指标见表 1。施肥和生物质炭分别极显著提高水稻产量（P＜0.01），并且施肥和生物质炭具有协同促进作用（P＜0.01）。各处理较CK提高水稻产量10.7%~113%，达到显著水平。MF+BC产量最高，达到9.36 t·hm–2，较F处理产量增加6.33%。长期施用化肥导致土壤酸化加剧，施用生物质炭和有机肥显著缓解土壤酸化。F+BC、MF和MF+BC较F处理（pH 5.61）土壤pH分别提高至5.90、5.95和6.14。各处理TN、AP和AK含量分别较CK提高7.40%~30.6%、7.58%~38.6%和7.0%~82.1%。其中TN、AP和AK含量最高的处理分别为F+BC、MF+BC和MF+BC。
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表 1 不同处理下水稻产量和土壤肥力指标 Table 1 Rice yield and soil fertility index under different treatments |
土壤DOM浓度通常用DOC浓度表示。不同处理对土壤不同有机碳组分（SOC、ROC和DOC）的影响见图 1。施肥和生物质炭分别显著影响SOC、ROC和DOC（P＜0.001），并且施肥和生物质炭对ROC和DOC的影响具有交互作用（P＜0.001）。各处理SOC含量较CK分别显著提高31.9%~46.5%，其中MF+BC处理SOC最高，达到28.6 g·kg–1。BC、F和F+BC处理ROC较CK降低6.01%~10.1%，而MF和MF+BC处理ROC分别较CK提高11.0%和12.5%，其中MF+BC处理ROC含量最高，达到7.33 g·kg–1。各处理DOC较CK提高13.8%~28.4%，其中F+BC处理DOC最高，达到30.7 mg·kg–1。
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注：不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同。 Note: Different letters indicate significant differences between the treatments(P < 0.05). The same as below. 图 1 不同处理下土壤有机碳、易氧化有机碳和溶解性有机碳含量 Fig. 1 The content of soil organic carbon, readily oxidizable organic carbon and dissolved organic carbon under different treatments |
SUVA254、SUVA260和SR分别用于表征DOM分子芳香性程度（正比）、疏水性程度（正比）和分子量（反比）[9-11]。不同处理对DOM的UV-Vis光谱参数的影响见图 2。施肥和生物质炭均极显著影响DOM的SUVA254、SUVA260和SR（P＜0.01），并且施肥和生物质炭对SUVA254（P＜0.05）和SR（P＜0.01）的影响具有交互作用。各处理SUVA254较CK显著提高77.6%~196%，其中MF+BC处理SUVA254值最高，达到1.24。各处理SUVA260较CK显著降低13.1%~57.6%，其中MF+BC处理SUVA260最低，达到0.479。F、MF和MF+BC处理SR与CK差异不显著，而BC和F+BC处理SR较CK降低13.8%和21.9%。
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图 2 不同处理下土壤溶解性有机质的紫外-可见光谱特征值 Fig. 2 Characteristic values of Ultraviolet-Visible spectrum of dissolved organic matter under different treatments |
DOM的EEM光谱FI值可用来评估DOM来源，FI＜1.4时，DOM主要为外源输入[12]。BIX和HIX可表征DOM生物可利用性和腐殖化程度[13]。由图 3可知，施肥显著影响DOM的FI、BIX和HIX，生物质炭显著影响DOM的FI和HIX，并且施肥和生物质炭对FI、BIX和HIX的影响具有交互作用。生物质炭对BIX影响不显著，可能是因为生物质炭生物可利用性低且本身不含有微生物。各处理的FI＜1.4，说明DOM主要为外源输入，与CK相比，F和MF处理FI分别显著降低3.57%和2.23%。各处理BIX和HIX较CK分别提高20.1%~56.5%和28.1%~141%，其中MF处理的BIX最高，达到2.04；MF+BC处理的HIX最高，达到4.33。
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图 3 不同处理下土壤溶解性有机质的荧光光谱参数特征 Fig. 3 Characteristics of fluorescence spectrum of dissolved organic matter under different treatments |
根据平行因子分析法（PAPAFAC）将土壤DOM分为三个荧光组分（图 4），各组分的荧光强度可相对定量表征对应的物质含量高低（图 5）。C1、C2和C3组分分别表征富里酸类、蛋白类和胡敏酸类物质。C1特征峰位置Ex：235（310）nm，Em：426 nm，该峰荧光特征类似于富里酸类物质，是一种相对分子量较小的腐殖质，通常来源于有机质的分解，腐殖化程度较低[14]。C1含量顺序为：BC＞MF、MF+BC＞F+BC＞F＞CK。C2特征峰位置Ex：235（290）nm，Em：350 nm，该峰表示蛋白类物质，主要为游离或与蛋白质结合的氨基酸，其荧光特征类似于色氨酸，是植物或土壤有机物的分解、内源性产物和微生物代谢产生的DOM[15]。C2含量顺序为：MF＞MF+BC、BC＞F+BC＞F、CK。C3特征峰位置Ex：269（360）nm，Em：465 nm，该峰荧光特征类似于胡敏酸类物质，分子量较大，主要来源于陆生植物或土壤有机物[16]。BC、F和F+BC处理C3含量较CK显著降低。施肥显著影响C1、C2和C3的含量（P＜0.05），生物质炭极显著影响C1和C2含量（P＜0.01），并且施肥和生物质炭对C1和C2的影响具有协同促进作用（P＜0.05）。
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图 4 基于平行因子法分析的溶解性有机质的3种荧光组分 Fig. 4 Three fluorescence components of dissolved organic matter identified by parallel factor analysis |
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图 5 不同处理下溶解性有机质组分1（C1，a）、组分2（C2，b）和组分3（C3，c）的最大荧光强度 Fig. 5 Maximum fluorescence intensity of dissolved organic matter component 1(C1, a), component 2(C2, b)and component 3(C3, c)under different treatments |
不同参数间的相关性分析见表 2。水稻产量与DOC、SOC、SUVA254、BIX、HIX、C2显著正相关（P＜0.05），而与SUVA260显著负相关（P＜0.05）。DOC与SOC、SUVA254、BIX显著正相关（P＜0.01），并且DOC与SUVA260显著负相关（P＜0.01）。SOC与HIX和C2显著正相关（P＜0.01）。ROC与SUVA254、SR、BIX、HIX、C3组分显著正相关（P＜0.05）。SUVA254与BIX、HIX、C1、C2组分显著正相关（P＜0.05）。SUVA260与BIX、HIX、C1、C2组分显著负相关（P＜0.05）。BIX与HIX、C2显著正相关（P＜0.01）。HIX与C2、C3显著正相关（P＜0.05）。
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表 2 水稻产量与土壤有机碳含量、溶解性有机质光谱参数的相关性 Table 2 Correlation between rice yield, soil organic carbon content and spectral parameters of dissolved organic matter |
本研究中，生物质炭和有机肥处理水稻产量最高（表 1）。生物质炭和有机肥通过提供养分和改善土壤环境而提高养分利用。施用生物质炭可显著降低土壤容重，提高土壤通气性和保水能力，提高土壤团聚体稳定性[17]。
生物质炭和有机肥配施较单独施用在提高土壤pH、DOC、碱解氮、速效磷和速效钾含量方面效果更显著[18]，并且生物质炭与有机肥配施可有效减少养分淋失，提高养分有效性。而本研究发现，生物质炭和有机肥单独施用均显著影响土壤养分指标（表 1）。生物质炭中氮和磷含量低，而钾含量高；有机肥中，磷含量相对较高。在提升土壤全氮和有效磷方面表现为有机肥优于生物质炭，而在提升土壤速效钾方面表现为生物质炭大于有机肥。在提高水稻土pH方面，生物质炭优于有机肥。因此，生物质炭和有机肥配施可协同提高土壤养分有效性，可能减少土壤养分流失。同样有研究表明，生物质炭配施有机肥通过提高土壤碳、氮和磷的有效性，减少养分流失，进而增加玉米产量[19]。有研究表明，短期内生物质炭和牛粪施用对旱地砂性黏土的全氮和有机质具有交互作用[20]；而也有研究表明生物质炭和牛粪施用在盐碱土壤中对水稻产量的增加不存在交互作用[21]，这可能与土壤属性、有机肥和生物质炭特性、种植模式等因素有关。
相关性分析表明生物质炭和有机肥施用通过提高SOC含量，增加DOC，提高DOM中芳香性物质分子量、生物可利用性、腐殖化程度、色氨酸组分含量和亲水性，进而增加水稻产量（表 2）。以上结果表明，生物质炭和有机肥配施较单独施用可提高水稻产量，缓解土壤酸化，增加土壤养分有效性，并且生物质炭和有机肥对水稻产量和水稻土的DOM组分的影响具有交互作用和积极的长期效应（表 1，图 2，图 3和图 5）。
3.2 生物质炭和有机肥对水稻土不同形态有机碳的影响生物质炭可在土壤中长期稳定存在，对土壤固碳和质量提升具有重要意义。本研究表明，水稻土中施用生物质炭5年后对SOC和DOC仍有提升作用（图 1）。生物质炭可增加土壤孔隙水中DOC含量，并且生物质炭投入量越大，旱地土壤SOC含量越高[22]。表 2可知，水稻土ROC含量越高，DOM芳香性程度越大，分子量越小，生物可利用性越高，腐殖化程度越高，腐殖酸类物质越多。本研究中水稻土ROC占SOC总量的20.8%~33.3%之间，生物质炭增加了土壤SOC，减少了ROC，而有机肥同时增加了SOC和ROC（图 1）。在提升土壤SOC和ROC方面，有机肥优于生物质炭（图 1），这可能是因为生物质炭中的碳是惰性的稳定性碳，分解缓慢，而有机肥中含有丰富的养分和ROC，并且有机肥作为活性碳源促进了ROC的生成。在酸性土壤中，生物质炭与无机和有机肥料配施可增加土壤pH、孔隙度和团聚体稳定性，并改变土壤微生物群落的组成[23]。本研究中，生物质炭添加促进了水稻土中ROC向难氧化有机碳转化，而有机肥施用增加了土壤中ROC含量（图 1）。生物质炭和有机肥配施较单独施用增加了土壤SOC、ROC和DOM等碳形态的丰富度（图 1，图 2，图 3和图 5）。
3.3 生物质炭和有机肥对水稻土DOM组分及其光谱特征的影响本研究中，MN+BC处理SUVA254最高且SUVA260最低，但与MN处理差异不显著（图 2）。生物质炭和有机肥均提高了DOM分子的芳香化程度和亲水性能，但是有机肥的影响作用大于生物质炭（图 2）。同样有研究表明有机肥可增加中性紫色水稻土DOM腐殖化程度、芳香度和平均分子量[24]。
有研究表明，有机肥中的DOM主要以小粒径为主，其腐殖化程度高，蛋白组分含量较低[25]。而在东北旱地玉米种植中，施用生物质炭降低DOM腐殖化程度和复杂性[26]，这可能与土壤理化属性和微生物活性差异有关。在SR方面，CK、MF、MF+BC＞F＞BC＞F+BC（图 2），这说明生物质炭增加了DOM大分子物质，而有机肥增加了DOM中小分子物质，这可能是因为生物质炭释放的DOM分子量大且较难被分解，有机肥中含有丰富的溶解性小分子物质[27]。同样有研究发现，在旱地中施用生物质炭，增强了DOM的生物可利用性，并且随着年限延长，DOM芳香化程度和分子量增大[14]。本研究中，生物质炭和有机肥配施与单独施用相比，DOM芳香性分子增多，亲水性增强，小分子和大分子物质增加。
各处理FI＜1.4表明水稻土DOM以外源输入为主，且芳香化程度较高。在BIX方面表现为：MF＞MF+BC＞F和F+BC＞CK和BC（图 3），说明在提升水稻土DOM生物可利用性方面，有机肥、化肥、生物质炭依次降低。有研究表明，猪粪配合秸秆施用显著增加了水稻土DOM的微生物群落多样性和碳源代谢能力，促进了微生物碳源偏好向多元化转变[28]。
在HIX方面，MF+BC＞MF＞F+BC＞BC＞CK＞F（图 3），说明在提升水稻土DOM腐殖化程度方面，有机肥、生物质炭、化肥依次下降，并且生物质炭和有机肥施用可协同增加DOM腐殖化程度。
生物质炭DOM的分子量较高，生物可利用性低，腐殖化程度较高，且分子结构较复杂[8]。生物质炭DOM中的荧光组分含量表现为富里酸类大于腐殖酸类和蛋白类[3]。采用PARAFAC方法分析土壤DOM中荧光组分的定量信息，发现水稻土各组分的含量整体表现为富里酸类和蛋白类大于胡敏酸类（图 5）。相关性分析表明DOM中富里酸类含量越高，芳香化程度越高，亲水性越强（表 2）。生物质炭中含有丰富的富里酸类物质[3]，而施肥增加了土壤微生物的活性，由生物质炭释放的富里酸类可能被土壤微生物分解利用[25]。生物质炭施用增加DOM中蛋白类组分，但是MF处理蛋白类组分含量最高（图 5），说明有机肥中含有大量蛋白类组分。相关性分析表明DOM蛋白类含量提高有利于提高水稻产量，增加DOM芳香化程度、生物可利用性、腐殖化程度和富里酸类含量（表 2）。DOM中胡敏酸类含量与HIX呈显著正相关（表 2），有机肥处理水稻土DOM中胡敏酸类组分浓度越高，腐殖化程度越高。有研究表明，小麦秸秆生物质炭DOM的生物稳定性要高于其他有机肥，生物可利用性低，腐殖酸含量低于有机肥[27]。施用化肥和生物质炭减少了胡敏酸组分，而施用有机肥增加了胡敏酸组分，这可能是因为化肥和生物质炭促进了DOM中胡敏酸的分解，而有机肥中含有大量胡敏酸类物质。本研究中，生物质炭和有机肥配施与单独施用相比，DOM胡敏酸类物质增加（图 5）。生物质炭和有机肥对水稻土DOM组分转化的微生物学机制和固碳效应尚需深入研究。
4 结论本研究通过长期定位试验，探究了生物质炭和有机肥配施对水稻产量、土壤理化性质、DOM碳组分含量、紫外和荧光光谱学特征的影响。主要结论如下：（1）生物质炭在水稻土中具有长期效应，施用生物质炭5年后，仍然可显著提高水稻产量，缓解土壤酸化，提高土壤SOC和DOC含量，增加土壤TN、AP和AK养分含量，并且生物质炭与有机肥共同施用处理水稻产量最高。（2）生物质炭促进了水稻土ROC向难氧化有机碳的转化，而有机肥施用可增加土壤ROC含量。生物质炭+有机肥处理的DOM芳香化程度和亲水性能最高，富里酸和色氨酸类物质量最多。在提升水稻土DOM生物可利用性方面，有机肥、化肥、生物质炭依次降低，在提高DOM腐殖化程度方面，有机肥、生物质炭、化肥依次降低。（3）生物质炭和有机肥协同施用在提升水稻产量、增加土壤ROC和DOC含量、提高DOM芳香化和腐殖化程度、增加水稻富里酸和色氨酸含量方面均具有交互作用。
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