土壤溶解性有机质分子特征对不同来源有机肥分解的响应.pdf
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1、第 60 卷 第 4 期 土 壤 学 报 Vol.60,No.4 2023 年 7 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Jul.,2023 *海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才基金项目(2019RC022)和海南省自然科学基金(322MS017)资助 Supported by the Natural Science Foundation for High-level Talents from Basic and Applied Basic Research Programs of Hainan Province,China(No.2019RC022)and t
2、he Natural Science Foundation of Hainan Province,China(No.322MS017)通讯作者 Corresponding author,E-mail: 作者简介:陈丽铭(1996),女,广西合浦人,硕士研究生,主要从事热带土壤物质循环与土壤定向培肥等方面研究。E-mail: 收稿日期:20211129;收到修改稿日期:20220428;网络首发日期():20220711 http:/ DOI:10.11766/trxb202111290519 陈丽铭,吴月颖,李财生,吴治澎,黄成,吉恒宽,侯正伟,符传良,赵屹东,吴蔚东.土壤溶解性有机质分子特征
3、对不同来源有机肥分解的响应J.土壤学报,2023,60(4):11011112.CHEN Liming,WU Yueying,LI Caisheng,WU Zhipeng,HUANG Cheng,JI Hengkuan,HOU Zhengwei,FU Chuanliang,ZHAO Yidong,WU Weidong.Molecular Characteristics of Soil Dissolved Organic Matter in Response to Decomposition of Organic Fertilizers from Different SourcesJ.Acta
4、Pedologica Sinica,2023,60(4):11011112.土壤溶解性有机质分子特征对不同来源有机肥分解的响应*陈丽铭1,吴月颖1,李财生1,吴治澎1,黄 成1,吉恒宽1,侯正伟1,符传良2,赵屹东3,吴蔚东1(1.海南大学热带作物学院,海口 570100;2.海南省农业科学院农业环境与土壤研究所/农业农村部海南耕地保育科学观测实验站/海南省耕地保育重点实验室,海口 571100;3.中国科学院高能物理研究所软 X 射线实验站,北京 100049)摘 要:从有机肥料中提取的溶解性有机质(DOM)可为不同的商业有机肥料的潜在应用提供新的见解。选用四种不同来源有机肥(生物质炭肥,W
5、SB;羊粪有机肥,SM;海藻有机肥,SW;虾肽有机肥,SP)与昌化矿区周边土壤为研究材料,进行为期三个月的培养试验,采用多元光谱分析研究土壤 DOM 分子特征对有机肥分解的响应。与对照组相比,在培养过程中添加四种有机肥均增加土壤 DOM 的含量,WSB 处理增加量最低,SW 处理增加最高。激发发射矩阵结合平行因子分析(EEM-PARAFAC)表明培养过程中添加 WSB 提高了土壤 DOM 中类胡敏酸组分,减少了类富里酸组分;添加 SM、SW 和 SP 在 045 d 内降低了土壤 DOM 中微生物转化的类胡敏酸组分的比例而提高类富里酸组分,在 4590 d 内增加难降解的类胡敏酸组分的比例。二
6、维红外相关分析(2D-FTIR-COS)表明 CK 和 SP 处理中土壤DOM 的芳香性或羧酸碳优先对分解时间发生响应;而添加 WSB、SW 和 SM 处理组中土壤 DOM 的烯烃或多糖类碳优先对分解时间发生响应;添加 WSB 和 SP 处理土壤提取液中也出现了 Si-O-Al 等土壤纳米矿物类官能团响应信号。碳近边 X 射线吸收精细结构(C 1s NEXAFS)分析结果表明:培养结束后,与未添加有机肥处理相比,WSB 处理提高土壤 DOM 中含氧脂肪族碳组分比例,而减少芳香与酚类碳比例;SW 处理主要增加了芳香碳、羰基碳的比例,而减少了脂族碳和氧烷基碳含量;SM、SP 处理增加了酚类碳、芳香
7、碳以及脂族碳比例,减少了羧基碳、氧烷基碳和羰基碳比例。本研究结果可增强对不同来源有机肥分解影响土壤 DOM 分子特征的了解,对于评估土壤中施用商品有机肥料的生态环境效应至关重要。关键词:有机肥;土壤溶解性有机质;分子特征;多元光谱分析 中图分类号:S158.5 文献标志码:A 1102 土 壤 学 报 60 卷 http:/ Molecular Characteristics of Soil Dissolved Organic Matter in Response to Decomposition of Organic Fertilizers from Different Sources CH
8、EN Liming1,WU Yueying1,LI Caisheng1,WU Zhipeng1,HUANG Cheng1,JI Hengkuan1,HOU Zhengwei1,FU Chuanliang2,ZHAO Yidong3,WU Weidong1(1.College of Tropical Crops,Hainan University,Haikou 570100,China;2.Institute of Agricultural Environment and Soil,Hainan Academy of Agricultural Sciences/Hainan Scientific
9、 Observation Station of Cultivated Land Conservation of Ministry of Agriculture and Rural Areas/Key Laboratory of Cultivated Land Conservation in Hainan Province,Haikou 571100,China;3.Soft X-ray Experimental Station,Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Ab
10、stract:【Objective】Dissolved organic matter(DOM)derived from organic fertilizers may provide new insights into the potential applications of different commercial organic fertilizers.【Method】Herein,four different sources of organic fertilizers(biochar,WSB;sheep manure,SM;seaweed,SW;shrimp peptide,SP)w
11、ith soils around the Changhua mine site were used to carry out a three-month incubation experiment.The subsequent effect of organic fertilizer amendment on molecular characteristics of soil DOM was investigated using multivariate spectral analysis.【Result】Compared to the control,soil DOM concentrati
12、ons significantly increased in response to organic fertilizers amendment during the whole incubation period,exhibiting the lowest increment in WSB treatment and the highest increment in SW treatment,respectively.The excitation-emission matrix with parallel factor(EEM-PARAFAC)showed that WSB increase
13、d the proportion of humic-like fluorophore of soil DOM while fulvic acid-like fluorophore decreased during the whole incubation period.Also,SM,SW and SP amendments lowered the proportion of microbially-transformed humic-like fluorophore and increased the proportion of fulvic-acid like fluorophore du
14、ring 0-45 days,but increased the proportion of refractory humic-like fluorophore during 4590 days.Two-dimensional correlation spectroscopy analysis on Fourier-transform infrared(2D-FTIR-COS)spectroscopy revealed that aromatic/carboxylic acid groups of soil DOM in the control and SP treatments and al
15、kene/polysaccharide groups in the added WSB,SW and SM treatments had the fastest responses over time,respectively.In addition,Si-O-Al signals from soil nano-minerals functional groups exhibited a distinct response over time in the added WSB and SP treatments.The carbon near-edge X-ray absorption fin
16、e structure(C 1s NEXAFS)analysis showed that compared to control,the added WSB increased the proportion of oxygenated aliphatic fractions but reduced aromatic/phenolic fractions of soil DOM after incubation.Also,SW increased the proportion of aromatic and carbonyl fractions but reduced aliphatic and
17、 oxyalkyl fractions while SM and SP increased the proportion of phenolic,aromatic and aliphatic fractions but reduced the proportion of carboxyl,oxyalkyl and carbonyl fractions.【Conclusion】The results of this study can enhance our understanding of how the decomposition of different sources of organi
18、c fertilisers affects the molecular characteristics of soil DOM.This is essential for assessing the ecological effects of the application of commercial organic fertilisers in soils.Key words:Organic fertilizer;Soil dissolved organic matter;Molecular characteristic;Multivariate spectral analysis 将农业和
19、城市有机废弃物加工为有机肥料是处理这些废物的一种具有成本效益和生态友好的方式1。已有研究表明有机(类)肥料的施用显著改变了土壤物理化学性质,如显著增加土壤总孔隙度,促进土壤中大团聚体颗粒的形成;还有改善土壤综合肥力、增加土壤碳固存2-3和修复土壤污染问题等功能4。我国有机肥料的年产量达到 1.63107 t,占整个肥料产业的 30%以上5。因此,有机肥已在我国农业生产中发挥着重要作用。土壤溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)是指土壤中能够溶于水、酸、碱、盐溶液等,并能通过一定孔径滤膜(如 0.45 m),含碳、氮、磷等元素且具有不同结构及分子量大小的有机物的
20、连续体6-7。DOM 作为土壤有机质最活跃的组成部分,在土壤养分有效性、温室气体排放以及污染物迁移等方面起着极为重要的作用8-9。施入土壤的有机肥料在分解过程中也深刻影响土壤 DOM 的含量与组成10-11。早期已有研究表明,施用有机肥能使4 期 陈丽铭等:土壤溶解性有机质分子特征对不同来源有机肥分解的响应 1103 http:/ 土壤 DOM 的含量迅速升高,而后慢慢降低12,而且可通过增加土壤 DOM中复杂芳香化合物的含量,从而显著提高 DOM 的芳香性13-14。此外,生物质炭添加至土壤中可提高土壤 pH,使 DOM 溶解度增加,导致 DOM 吸附物释放至土壤中,从而增加土壤中活性碳通量
21、和 DOM 的生物利用度。这一过程最终会影响污染物的归趋、养分的可利用性以及全球温室气体排放的调节15。但鲜有研究从分子层面解析不同来源有机肥分解对土壤 DOM 分子特征的影响。各种光谱技术已被应用于确定 DOM 的组成和结构,如傅里叶变换红外光谱(FTIR)16、激发射激发矩阵(EEM)结合平行因子分析(PARAFAC)4,17。但由于来自有机肥料的 DOM 官能团具有高度的异质性和不均匀性,上述光谱方法的可用性也受到限制。近年来,二维相关光谱(2DCOS)可通过沿二维扩展光谱来解析重叠峰,从而深入了解 DOM 中分子结构的变化。2DCOS 与 FTIR 结合可提供响应外部扰动的结构变化的相
22、对方向和顺序信息18。此外,碳近边 X 射线吸收精细结构光谱(C 1s NEXAFS)在表征有机碳的官能团结构与组成方面具有巨大的优势和潜力19。因此,结合 EEM-PARAFAC、2D-FTIR-COS 和 C 1s NEXAFS 的方法有望深入了解施肥引起的土壤 DOM 分子变化,并有助于解决有机肥分解过程中土壤 DOM 响应的分 子机制,为扩展对商业有机肥料应用潜力的理解提供理论指导。海南昌江县昌化矿区于 1991 年闭矿后对矿区周边生态环境造成严重破坏,2006 年针对昌化矿区的生态环境修复治理后,周边农田土壤质量得到良好恢复,但土壤有机质等肥力特征依然较低且有轻度的污染。有机肥料的施
23、用可促进土壤中大团聚体颗粒的形成,提升土壤肥力和环境质量20。因此,本研究以昌化矿区周边的土壤为对象,通过室内培养试验,并采用多元光谱分析研究不同来源有机肥不同分解时期土壤 DOM 的含量、分子组成变化,从分子水平解析土壤 DOM 分子特征对不同来源有机肥分解的响应,为进一步理解施入有机肥对土壤碳固存的影响以及修复土壤污染物等问题提供理论指导。1 材料与方法 1.1 有机肥样品采集及基本理化性质测定 在前期对海南省有机肥市场全面取样调查21的基础上,选择具有代表性的四种不同来源商品有机肥。样品经风干、磨细,过 1 mm 筛,装入自封袋置于阴凉干燥处保存备用。供试有机肥的基本理化性质测试参照有机
24、肥国标 NY525-201222,四种有机肥的具体来源及基本理化性质如表 1 所示。表 1 四种商品有机肥的基本理化性质 Table 1 Basic properties of tested organic fertilizers 来源 Sources 简称 Name 酸碱度 pH 有机碳 OC/%总氮 TN/%总磷 TP/%总钾 TK/%植物来源的海藻有机肥 SW 7.290.01 25.200.63 2.170.18 1.300.31 0.700.14 动物来源的羊粪有机肥 SM 7.12 0.00 14.855.41 1.220.14 1.430.19 2.410.25 蛋白来源的虾肽有
25、机肥 SP 7.210.01 14.550.97 1.090.07 1.030.05 2.720.08 小麦秸秆 500制生物炭肥 WSB 10.400.01 58.950.97 0.870.12 0.450.03 4.520.10 Seaweed,Sheep manure,Shrimp peptide,Wheat straw derived biochar.1.2 土壤样品采集及基本理化性质测定 采集成土母质为花岗岩的海南省昌江县昌化矿区周边(191938N,108420E)的表层土壤(020 cm)。采用“S”采样法采集土壤样品,混合均匀后去除大颗粒杂物后自然风干,过 2 mm 筛备用。供
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