不同施肥處理下我國典型農(nóng)田土壤對可溶性有機碳的吸附特征

　　摘要：為分析不同施肥處理下我國典型農(nóng)田土壤對可溶性有機碳(DOC)的吸附特征及其影響因素，選取黑土、灰漠土、潮土、紅壤4種典型農(nóng)田土壤，在不施肥(CK)、單施氮肥(N)、施氮磷肥(NP)、施化學氮磷鉀肥(NPK)、有機肥配施化學氮磷鉀肥(NPKM)5種施肥處理下，運用平衡吸附法測定DOC的吸附量。結(jié)果表明，不同土壤類型在同一平衡濃度下對DOC的吸附量有較大差異，整體表現(xiàn)為灰漠土、紅壤>黑土>潮土。最大吸附量(Qmax)在各類土壤中表現(xiàn)為灰漠土>紅壤>黑土>潮土。

　　其中，各土壤類型的吸附特征在不同施肥處理下具有較大差異：灰漠土和紅壤中各處理下Qmax總體趨勢為NPKM>NPK>NP>N>CK;黑土表現(xiàn)為NPKM與NPK處理大于其他處理，其中NPKM處理的Qmax比CK增加15.2%;潮土總體表現(xiàn)為NPKM>CK。4種土壤的吸附親和力常數(shù)(K)在不同施肥處理下均表現(xiàn)為CK>N、NP>NPK、NPKM。

　　4種土壤的解吸勢(b)隨著初始有機質(zhì)含量的增加而增加，其中黑土的解吸勢遠大于其他3類土壤。通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，土壤性質(zhì)能解釋DOC吸附特征參數(shù)全部變異的90.6%。第一冗余因子解釋了DOC吸附特征參數(shù)全部變異的82.8%，主要與粉粒含量、黏粒含量、pH等有關(guān);第二冗余因子解釋了全部變異的7.8%，主要與SOM含量有關(guān)。不同土壤類型下，灰漠土對DOC吸附能力最強，紅壤、黑土次之，潮土最弱。同一類型土壤中，不同施肥處理土壤對DOC吸附能力存在顯著差異，最大吸附量總體趨勢為NPKM>NPK>NP>N>CK;而土壤親和力常數(shù)在不同施肥處理中差異較小。研究表明，不同類型土壤中，黏粉粒含量較高的土壤對DOC的吸附量更大，同一土壤類型下，有機質(zhì)含量較高的土壤對DOC的吸附量更大。

　　關(guān)鍵詞：典型農(nóng)田土壤;施肥處理;可溶性有機碳;吸附特征;冗余分析

　　可溶性有機碳(Dissolvedorganiccarbon，DOC)是土壤有機碳庫中最活躍的部分，雖然含量較少，但由于其自身具有高生物活性[1,2]，在整個土壤碳庫循環(huán)系統(tǒng)中至關(guān)緊要，同時DOC在土壤中營養(yǎng)元素的有效釋放、重金屬污染及微生物活動等多個方面也有重要作用[3-6]。據(jù)報道，土壤膠體及礦物可以通過吸附作用，將DOC有效地固定到土壤中，增加DOC在土壤中的穩(wěn)定性[7]。有研究表明，土壤中大部分DOC會通過吸附作用固定在土壤中，這也是土壤有機碳的重要來源之一[8]。

　　然而，DOC具有易氧化礦化分解等不穩(wěn)定特性，因此，探究不同農(nóng)田土壤對DOC的吸附特性及其差異，對土壤固碳潛力的衡量和碳庫循環(huán)都具有重要意義。國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)，理化性質(zhì)不同的土壤對DOC的吸附有很大差異，黏粒含量較高的土壤可以吸附較多的DOC[9,10]，因為這類土壤有較大的比表面積可為DOC提供更多的吸附位點。但是粉粒含量對土壤DOC吸附影響的相關(guān)研究鮮有報道。土壤理化性質(zhì)對土壤DOC的吸附影響因素比較復雜，目前尚未有統(tǒng)一的觀點。就pH而言，李太魁等[11]與梁承明等[12]分別對紫色土與紅壤的吸附研究表明，pH值較低的土壤對DOC吸附更強，酸性會促進土壤對DOC的吸附;但Klaus等[13]研究認為pH對土壤吸附DOC沒有顯著影響。

　　韓成衛(wèi)等[14]與吳萌等[15]研究認為，土壤有機質(zhì)(SOM)含量降低，土壤DOC的吸附量增加，當土壤中SOM含量較高時會包裹在礦物表面，與DOC競爭土壤表面的活性吸附位點，抑制土壤對DOC的吸附。也有研究表明，土壤對DOC的吸附與SOM含量呈正相關(guān)，主要由于土壤的SOM覆蓋層能為DOC提供更多的疏水性吸附點位，利于土壤對DOC的固持[9]。我國幅員遼闊，氣候、土壤類型與種植制度多樣，造成我國不同地區(qū)農(nóng)田土壤母質(zhì)成分差異較大，這勢必會影響土壤對DOC的吸附能力[16]。

　　而在同一土壤下長期不同施肥也會極大地改變土壤理化性質(zhì)，從而間接影響土壤對DOC的吸附[17]，如：長期施用有機肥可明顯提高土壤有機質(zhì)含量[18];長期單施氮肥會顯著降低土壤pH[19]，有機質(zhì)與pH也是土壤吸附DOC的重要影響因子。但是，我國對于農(nóng)田土壤DOC的吸附研究尚處在多選擇單一的土壤類型研究階段[12,15]，對不同類型與土壤肥力差異較大的土壤相關(guān)研究較少。因此，本研究依托我國四個典型農(nóng)田長期定位試驗，探討不同施肥處理土壤對DOC的吸附特征，并運用相關(guān)分析、冗余分析等方法探討土壤理化性質(zhì)與DOC吸附特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，定性定量評價我國農(nóng)田土壤對DOC吸附特征差異，為土壤固碳潛力計算提供科學依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1土壤類型及供試土壤性質(zhì)

　　供試土壤樣品采自國家土壤肥力與肥料效益長期定位監(jiān)測的4個試驗站，分別為東北地區(qū)哈爾濱黑土(126°51ʹE，45°40ʹN)、西北地區(qū)烏魯木齊灰漠土(87°46ʹE，43°95ʹN)、華北地區(qū)新鄉(xiāng)潮土(113°40ʹE，34°47ʹN)、華南地區(qū)祁陽紅壤(111°51ʹE，26°45ʹN)。

　　各試驗站基本情況及試驗初始的土壤基本性質(zhì)等詳見文獻[20]。2014年從各試驗站現(xiàn)有處理中(3次重復)，選擇不施肥(CK)、單施氮肥(N)、施氮磷肥(NP)、施化學氮磷鉀肥(NPK)、有機肥配施化學氮磷鉀肥(NPKM)5個處理的土壤樣品為介質(zhì)，進行等溫吸附實驗，采用“S”形布點采集0-20cm土層5-7點的混合土壤，帶回實驗室充分混勻后風干，去除其中的作物根系及小石塊等異物，過2mm篩，混勻備用。

　　1.2DOC母液的提取

　　從中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所昌平實驗基地采集干豬糞，從中提取實驗所需的DOC母液。具體提取方法如下：恒溫(25℃)下稱取干豬糞30g置于1L塑料瓶中，加入450mL去離子水混合后，于恒溫振蕩器(IS-RDS3)上振蕩(200r·min-1)1h。結(jié)束后將塑料瓶內(nèi)溶液分批轉(zhuǎn)移至100mL的離心管中在高速冷凍離心機(GL-21M)內(nèi)離心15min，將離心后的上清液過0.45μm濾膜，收集到的濾液即為DOC母液(DOC濃度大致為2400mg·L-1)，保存在4℃冰箱備用(保存時間不超過一周)。

　　1.3等溫吸附實驗

　　恒溫(25℃)下將已提取的DOC母液(以TOC分析儀multiN/C3100實際測量為準)分別稀釋成7個不同濃度梯度(0、50、100、200、400、600、800mg·L-1)溶液。稱取2g土壤樣品于100mL離心管中，加入50mL不同濃度梯度的DOC溶液，并添加25mmol·L-1的NaN3溶液1mL用于抑制微生物活動。將離心管密封轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速為200r·min-1恒溫振蕩器上振蕩24h(預實驗證明已達到吸附平衡)，振蕩完成后取出離心管置于高速冷凍離心機內(nèi)離心15min，將上清液過0.45μm濾膜，用TOC分析儀測定濾液濃度。根據(jù)公式計算出土壤對DOC的吸附量。所有處理重復3次且均在相同條件下完成。

　　1.4數(shù)據(jù)處理與分析方法

　　土壤對DOC的吸附量Q(Adsorptioncapacity)運用下面公式進行計算:Q=(C1+C0−C)×V/m(1)式中:Q為土壤對DOC的吸附量(g·kg-1);C1為添加的DOC溶液初始濃度(mg·L-1);C0為添加的DOC濃度為0mg·L-1時的平衡濃度(mg·L-1);C為吸附實驗平衡時的濃度(mg·L-1);V為添加的DOC溶液體積(mL);m為土壤的質(zhì)量(g)。

　　根據(jù)吸附等溫方程的原理，采用非線性的Langmuir等溫吸附方程[21]來擬合試驗土壤對DOC的吸附特征，其方程式為:Q=K×Qmax×C/(1+K×C)−b(2)式中：Q為土壤對DOC的吸附量(g·kg-1);K為土壤對DOC的親和力常數(shù);Qmax為土壤對DOC的最大吸附量(g·kg-1);Qmax和K可以直觀展示出土壤膠體對DOC的吸附潛力。C是吸附平衡時的DOC溶液濃度(mg·L-1);b是土壤自身(DOC添加濃度為0mg·L-1時)DOC解吸量(g·kg-1)，稱之為解吸勢。為比較不同農(nóng)田土壤對DOC吸附參數(shù)的差異顯著性，采用SPSS20對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。使用Origin9.0繪制等溫吸附趨勢圖。為深入了解土壤性質(zhì)對DOC吸附過程的影響，用土壤性質(zhì)來解釋吸附參數(shù)變異，采用Canoco5將DOC吸附特征參數(shù)設(shè)為自變量，土壤性質(zhì)設(shè)為因變量進行冗余分析(RDA)分析。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1典型農(nóng)田不同類型土壤對DOC吸附

　　土壤對DOC的吸附量在不同平衡濃度下有所差異。四種土壤對DOC的吸附量趨勢整體表現(xiàn)為隨DOC平衡濃度的增加而增大，當土壤平衡溶液中DOC濃度小于300mg·L-1，土壤對DOC的吸附量增長速率較大，隨著平衡濃度不斷增加，土壤對DOC的吸附量增長速率逐漸變小，吸附過程趨于飽和。不同類型土壤在CK和NPKM處理下同一平衡濃度下對DOC的吸附量有較大差異，整體表現(xiàn)為灰漠土>紅壤>黑土>潮土的趨勢。NP、NPK處理中總體趨勢為灰漠土、紅壤>黑土>潮土。

　　2.2不同施肥處理農(nóng)田土壤對DOC吸附特征差異

　　Langmuir方程決定系數(shù)均在0.95以上(P<0.012doc5qmax10.8912.55gkg-111.79gkg-1npkmqmaxck15.2qmaxnpkmnpk>其他施肥處理。親和力常數(shù)K平均值為0.0036，整體趨勢表現(xiàn)為CK處理>NPKM處理>NPK處理>NP處理、N處理。5種施肥處理土壤的解吸勢b平均為0.2901g·kg-1，不同肥力土壤間有顯著差異，NPKM處理與CK處理相比增加了89.0%，處理間的總體趨勢為：NPKM、NPK>NP>N>CK。在灰漠土的5種不同施肥處理下，Qmax在11.98～16.69g·kg-1，平均值為14.29g·kg-1，在不同施肥處理上有明顯差異，Qmax值最大的為NPKM處理，其余處理的Qmax從大到小依次為NPK>NP>N>CK。

　　CK處理的Qmax值為11.98g·kg-1，N、NP、NPK、NPKM處理分別增加了16.3%、20.2%、20.7%、39.3%。親和力常數(shù)K平均值為0.0036，整體趨勢不顯著，解吸勢b平均值為0.1661g·kg-1，除NPKM土壤b為0.3085，遠高于其他處理，而其他施肥處理間吸附勢b無顯著差異。潮土5種不同施肥處理Qmax的值在6.55～7.11g·kg-1范圍內(nèi)，平均值為6.85g·kg-1。NPKM處理土壤的Qmax相較于CK處理增加了8.5%，處理間總體趨勢為NPKM>NPK>NP>N>CK。潮土不同施肥處理下吸附親和力常數(shù)K平均值為0.00131，整體趨勢為CK>NP>NPKM;解吸勢平均為0.0182g·kg-1，NPKM處理與NPK處理的解吸勢顯著大于其他施肥處理。

　　2.3土壤DOC吸附特征參數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)系

　　相關(guān)分析可知，Qmax與粉粒、黏粒呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與SOM、呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01);K與pH表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與SOM、粉粒含量、黏粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，吸附參數(shù)b與SOM、黏粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。冗余分析表明，土壤性質(zhì)能解釋DOC吸附特征參數(shù)全部變異的90.61%。其中第一冗余因子解釋了全部變異的82.79%，主要與粉粒含量、黏粒含量、pH等有關(guān);第二冗余因子解釋了DOC吸附特征參數(shù)全部變異的7.82%，主要SOM含量有關(guān)。

　　3討論

　　本研究結(jié)果表現(xiàn)為在吸附過程中隨平衡濃度的增加吸附量增長速率先迅速增大隨后變緩，且不同類型土壤在同一平衡濃度下對DOC的吸附量有較大差異。通過Langmuir方程擬合得到，灰漠土與紅壤的Qmax約為潮土的2倍，各不同類型土壤的Qmax大致順序為灰漠土>紅壤>黑土>潮土，且Qmax越大的土壤其親和力常數(shù)K越小，這一結(jié)果與徐基勝等[22]選取河南地區(qū)三種質(zhì)地的潮土、江蘇的黃泥土、江西的紅黏土和海南的磚紅壤研究土壤吸附DOC的結(jié)果一致。

　　這是由于我國橫跨幾個不同的溫度帶，不同的氣候條件影響了土壤形成發(fā)育過程，使土壤顆粒組成(黏粒、粉粒、砂粒)、有機碳含量、pH值等[3,23]土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，進而導致不同土壤對DOC的吸附能力存在顯著差異[4,14]。在本研究的相關(guān)分析結(jié)果中，pH與Qmax顯著負相關(guān)(P<0.01)，與俞元春等[24]的研究結(jié)果pH值降低時會增加土壤對DOC的吸附一致。祁陽紅壤較其他土壤pH較低酸化嚴重，可能致使土壤的礦物與有機物表面電荷發(fā)生改變，使土壤表面帶較多的正電荷，增加了土壤對負電荷DOC的吸附[25]。

　　據(jù)報道，土壤黏粒含量越高，越有利于土壤對有機碳的固持和截獲[26]，Borken等[27]研究表明黏�？墒雇寥谰哂休^大的比表面積從而暴露出更多的表面電荷，提供了更多的吸附點位，因此使土壤吸附更多DOC。但本研究中冗余分析結(jié)果表明，粉粒貢獻值遠大于黏粒及其他因素，粉粒含量較多的灰漠土對DOC吸附的Qmax遠大于除紅壤外其他土壤，可能是由于本研究選擇的土壤多為沙質(zhì)土和壤土，粘質(zhì)土較少，導致與李太魁[25]研究結(jié)果黏粒含量與土壤吸附量成正比結(jié)果不一致。

　　土壤論文范例：土壤環(huán)境質(zhì)量新標準評價應(yīng)用誤區(qū)探討

　　4結(jié)論

　　(1)不同土壤類型下，灰漠土對DOC吸附能力最強，紅壤、黑土次之，潮土最弱。同一類型土壤中，不同施肥處理土壤對DOC吸附能力存在顯著差異，總體趨勢為NPKM>NPK>NP>N>CK;而土壤親和力常數(shù)K在不同施肥處理中差異較小。

　　(2)土壤對DOC的吸附能力與土壤性質(zhì)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，粉粒、黏粒和SOM均與Qmax呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而pH值與Qmax呈顯著負相關(guān)關(guān)系;且粉粒、黏粒、SOM、pH值可解釋土壤吸附參數(shù)全部變異的90.61%，其中第一冗余因子解釋了全部變異的82.79%，主要與粉粒含量、黏粒含量、pH等有關(guān);第二冗余因子解釋了DOC吸附特征參數(shù)全部變異的7.82%，主要與SOM含量有關(guān)。

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　　作者：1梁遠宇1,2，王小利2*，徐明崗1,3*，蔡岸冬1,3，孫楠1，呂艷超2

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