黑龙江省半干旱区秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构特征的影响.pdf
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1、黑龙江农业科学 ():H e i l o n g j i a n gA g r i c u l t u r a lS c i e n c e sh t t p:/h l j n y k x h a a s e p c nD O I:/j i s s n 高盼,刘玉涛,王宇先,等黑龙江省半干旱区秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构特征的影响J黑龙江农业科学,():黑龙江省半干旱区秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构特征的影响高盼,刘玉涛,王宇先,徐莹莹,杨慧莹,王晨,张巩亮高盼,刘玉涛,王宇先,徐莹莹,杨慧莹,王晨,张巩亮(黑龙江省农业科学院 齐齐哈尔分院,黑龙江 齐齐哈尔
2、)摘要:为促进黑龙江省西部半干旱区地力提升和秸秆综合利用,以黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院秸秆长期定位试验田为研究对象,对C K(常规种植)、FM(秸秆翻埋还田)和F G(秸秆覆盖还田)种处理下胡敏酸碳(HA C)含量和荧光结构进行分析.结果表明,FM和F G处理下土壤胡敏酸碳含量和胡富比(HA/F A)均表现为随着土层加深呈下降趋势,而富里酸碳(F A C)变化无明显规律.各处理土壤胡敏酸三维荧光光谱具有类似指纹图谱特征,均出现个主要荧光特征峰.与C K相比,F G和FM处理HA荧光峰波长均有红移现象(激发/发射波长变大).C 和C 组分包含的物质均为类腐殖酸物质.比较各处理C 组分和C 组
3、分类腐殖酸物质的F m a x值可知,FMF GC K.其中FM处理下的类腐殖酸组分F m a x值最大,但不同处理间无显著差异.综上所述,秸秆翻埋还田和覆盖还田均可通过提升土壤胡敏酸碳含量,提升腐殖酸类物质含量增强土壤的保肥能力,其中以秸秆翻埋处理效果最佳.关键词:秸秆翻埋还田;秸秆覆盖还田;土壤;胡敏酸碳;荧光结构;富里酸碳收稿日期:基金项目:黑龙江省省属科研 院所科研业务费 项目(C Z K Y F C );齐 齐 哈 尔 市 科 技 计 划 创 新 激 励 项 目(C N Y G G ,C N Y G G ).第一作者:高盼(),女,硕士,助理研究员,从事土壤培肥与改良研究.E m a
4、 i l:q q c o m.通信作者:刘玉涛(),男,学士,研究员,从事耕作与栽培研究.E m a i l:q q c o m.土壤环境的合理生产能力补偿与良性循环利用是确保雨养旱作区农业增产的关键技术.黑龙江省西部半干旱区具有丰富的秸秆资源,每年可产生玉米秸秆亿t以上,秸秆含有丰富的C、N、P、K等营养元素,又具有改善土壤的理化性状、提高土壤有机碳含量、改善土壤保肥能力和缓冲性能的重要作用.随着机械化水平的提高,秸秆还田作为农业生产中广泛采用的土壤培肥措施已被广泛推广和应用.张艳鸿等研究结果表明,玉米秸秆深还可改善腐殖质组成,增加表层和亚表层土壤有机碳含量和P Q值,且显著提高了胡敏酸碳含
5、量及胡敏酸色调系数.魏丹等认为有机物料还田可以增加土壤活性有机碳组分,促进养分释放、使大团聚体HA在化学结构上芳香性较强且结构趋于简单化.还有学者研究了不同秸秆还田模式对腐殖酸含量的影响,结果表明在土壤亚表层中,土壤富里酸(F A)和胡敏酸(HA)的含量均有所增加 .但HA的组成结 构复杂,传统的HA表征方法仅能从HA元素组成等基本层面进行分析,无法准确地描述和分析HA分子结构、空间构型等信息,也无法有效追踪和分析HA在环境介质中的动态环境行为.随着光谱技术的发展,表征技术开始由简单的元素定量向分子组成层面发展.基于此,本研究以秸秆还田定位年的农田土壤为研究对象,利用三维荧光光谱技术和平行因子
6、分析方法(P a r a l l e lF a c t o rA n a l y s i s,P A R A F A C)探究秸秆翻埋还田和覆盖还田对胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构的影响,为黑龙江省西部半干旱地区地力提升和秸秆综合利用提供科学依据.材料与方法 试验地概况试验设在黑龙江省农业科学院齐齐哈分院长期定位试验基地(N,E),地势平坦,肥力中等,为碳酸盐黑钙土,属于中温带大陆性季风气候,年平均降水量 mm.秸秆还田定位试验始于 年,至 年本试验已持续年.年试验区土壤的基本理化性质:土壤碱解氮 m gk g,有 效磷 m gk g,速 效 钾 m gk g,有机质 gk g,p H .材料供
7、试玉米品种为嫩单.供试肥料为金正大牌控释肥,总养分 ,氮磷钾 .方法 试验设计采用大区对比试验,本试验设置C K(对照)、秸秆覆盖还田,秸秆翻埋还田,个处理,每个处理用地 h m,不设重复,各处理具体操作见表.试验为全量秸秆还田,还田量为 k gh m.试验在 年月 月期高盼等:黑龙江省半干旱区秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构特征的影响玉米生长季进行调查.调查项目为土壤胡敏酸碳和富里酸碳含量.采用免耕播种一体机深施金正大牌控释肥,施肥量为 k gh m.供试玉米月 日机械精量播种,密度 万株h m,播后喷灌,灌水量 mm,玉米叶期化学除草,化除后d,免耕生育期内土壤不翻耕犁耙,直
8、接在前茬地上开穴、施肥、播种.表不同处理具体操作处理秸秆处理播种C K秸秆不还田,机械打包移出田外按照常规播种方式播种FM秸秆翻埋还田机械收获时秸秆粉碎,长度小于 c m,土壤结冻前用栅栏式五铧犁深翻还田 c m,翻耕后重耙次播种前再耙次,机械平播同时一次性施入底肥F G秸秆覆盖还田机械收获时秸秆粉碎,长度小于 c m,全部覆盖地表免耕播种同时一次性施入底肥 土样采集 年月对各处理小区土壤进行采集,采用S形取样法,按 c m、c m、c m、c m不同土层深度进行取 样,重 复次.采 集 样 品 自 然 风 干 后 过 mm分样筛,常温保存备用.富里酸碳的分离提取称取 g土样,加入 m L的氢
9、氧化钠和焦磷酸钠 混合溶液(p H),摇匀后振荡浸提 h,取出后离心 m i n,过 m滤膜,收集上清液即为富里酸溶液.用HS O调节p H(p H),静置 h后再离心 m i n,得上清液滤液定容.胡敏酸碳的分离提取用稀碳酸氢钠溶液溶解 中的沉淀,定容后过滤膜,即为胡敏酸组分.取部分胡敏酸溶液于三角瓶中,用HS O调节p H(p H),静置 h.然后离心 m i n,去除上清液,沉淀以蒸馏水用稀HS O洗涤离心次.将沉淀物用水洗过滤,过 m滤膜,纯化后的胡敏酸用于荧光光谱测定.胡敏酸荧光光谱测定待测样品经T O C分析仪(m u l t iN/C )测 定 其 浓 度,将 所 有HA样品碳含
10、量稀释至 m gL,采用三维荧光光谱仪(日立F )测定荧光光谱参数.数据分析采用S P S S 分析差异显著性.E x c e l 进行数据分析,利用MA T L A B 消除三维荧光图谱的拉曼散射并进行P A R A F A C分析,计算F m a x值.结果与分析 不同秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳及富里酸碳含量的影响由表可知,不同秸秆还田处理土壤胡敏酸碳(HA C)含量均表现为随着土层加深逐渐降低.在 c m、c m和 c m土层时,不同处理胡敏酸碳含量差异达到显著水平.c m和 c m土层土壤胡敏酸碳含量顺序为F GFMC K,其中F G较C K分别增加了 和 ,较FM增加了 和 .F M
11、较C K分 别 增 加 了 和 .而 c m胡敏酸碳含量高低为F MF GC K,F M较F G和C K分别增加了 和 .c m土层则是F MC KF G,F M处理胡敏酸碳含量较C K和F G处理分别提高了 和 .由表可知,各处理 c m土层中富里酸碳(F A C)含量从高到低为F MC KF G,其中F M处理富里酸碳含量较C K增加了 ,F G处理则较C K降低了 .F M处理较F G提高了 .不同耕作措施对富里酸碳含量影响不显著.表不同秸秆还田处理对土壤胡敏酸碳(HA C)含量的影响处理胡敏酸碳/(gk g)c m c m c m c m平均值FM b b a a aF G a a a
12、 c aC K c c a b b注:不同小写字母代表同一土层不同处理间各组分含量在P 水平差异显著.下同.表不同秸秆还田处理对土壤富里酸碳(F A C)含量的影响处理富里酸碳/(gk g)c m c m c m c m平均值FM a b a a b a aF G a a b a aC K b a a a a黑龙江农业科学期 不同秸秆还田方式对土壤胡富比(H A/F A)的影响由图可知,随着土层的加深,不同处理的胡富比(HA/F A)呈下降趋势,c m土层F M、F G处理的胡富比(HA/F A)较C K增加了 和 .而在 c m土层F M、F G处理的胡富 比(HA/F A)较C K增 加
13、了 和 .F G处 理 的 胡 富 比(HA/F A)在 c m和 c m土层较F M处理增加了 和 ,在 c m土层降低了 .两种还田方式对胡敏酸荧光结构的影响由图可知,c m混合土样,秸秆还田土壤胡敏酸三维荧光光谱具有类似指纹图谱特征,均出现个主要荧光特征峰.与C K(E x/E m n m/n m)相 比,F G(E x/E m n m/n m)和FM(E x/E m n m/n m)处理HA荧光峰波长均有红移现象,说明HA芳香度和分子量增加,腐殖化程度提升.图不同秸秆还田处理对土壤胡富比的影响区域类酪氨酸E x(n m)、E m(n m);区域类色氨酸芳香蛋白质类物质E x(n m)、
14、E m(n m);区域富里酸类物质E x(n m)、E m(n m);区域溶解性微生物代谢产物E x(n m)、E m(n m);区域腐殖酸类物质E x(n m)、E m(n m).E x为激发峰,E m为发射峰,下同.图不同处理的HA有机碳荧光结构图谱 P A R A F A C分析方法运用P A R A F A C分析方法,对秸秆还田下的土壤胡敏酸三维荧光数据进行解析,识别出两个荧光组分,如图所示.其中,组分C 包含个激发峰、个发射峰(E x/E m n m/n m),为类腐殖酸物质,主要来源于高等植物腐解产生的有机物.组分C 包含一个激发峰、个发射峰(E x/E m n m/n m),同
15、为类腐殖酸物质.两个荧光峰处,类腐殖酸组分C 的激发(E x n m)与发射(E m n m)波长均高于类腐殖酸组分C 的激发和发射波长(E x n m和E m n m),说明该组分中含有更高分子量和更高芳香度的有机物质.两种还田方式的F m a x值F m a x代表了C 和C 组分的相对含量.由图可知,F G和FM处理下的胡敏酸碳均以类腐殖酸物质为主,各组分相对含量说明不同处理均以C 组分为主,C 组分为辅.且F m a x值高于C K,C 组分顺序为:FMF GC K,所占比例为 、和 .其中FM处理下的类腐殖酸组分F m a x值最大,土壤腐殖化程度最高.图不同秸秆还田处理的C 和C
16、组分期高盼等:黑龙江省半干旱区秸秆还田方式对土壤胡敏酸碳含量及胡敏酸荧光结构特征的影响图不同秸秆还田处理的F m a x值讨论 两种还田方式对土壤胡敏酸碳及富里酸碳含量的影响胡敏酸在土壤中既可促进土壤团聚体的形成,同时又起到提高土壤保水保肥能力以及增强吸水性的作用,富里酸在土壤中起到促进矿物分解转化的作用,既可转化形成胡敏酸,也是胡敏酸分解后的一级产物,它的分子结构没有胡敏酸复杂,在土壤中起到更新累积胡敏酸的作用.本研究结果表明在 c m和 c m土层时,不同处理胡敏酸碳含量差异达到显著水平.土壤胡敏酸含量顺序为:F GF MC K,而 c m和 c m土层则是FM处理胡敏碳酸含量最高,这是因
17、为F G处理秸秆为农田土壤提供大量的外源有 机 碳 输 入,但 只 覆 盖 在 土 壤 表 层,而FM处理可将秸秆与土壤均匀混拌至亚表层,改善了土壤结构,有助于秸秆胡敏酸碳含量的增加.这与张博文等 研究结果一致.个土层富里酸碳的平均值为FMC KF G,可能是秸秆分解利用过程中,土壤中的一部分F A逐渐转化为分子结构更为复杂的HA,从而提高了土壤腐殖质品质.两种还田方式对土壤胡富比的影响土壤胡富比是胡敏酸与富里酸的比值,它表征着土壤腐殖质的活性状况.与胡敏酸和富里酸的绝对含量相比,胡富比所反映出的土壤腐殖质活性及肥力状况更加全面而直观.一般认为,土壤胡富比越大,即胡敏酸在腐殖质中的相对分数越高
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