李美娟

(1.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721013;2.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院,陜西 寶雞 721013)

寶雞城郊農(nóng)田土壤水溶性有機(jī)碳含量分布及紫外-可見光譜特征分析

李美娟1,2

(1.陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721013;2.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院,陜西 寶雞 721013)

測(cè)定了寶雞市城郊麥田和油菜田土壤的水溶性有機(jī)碳含量,分析了它們的紫外-可見光譜特征。研究結(jié)果表明：油菜田土壤水溶性有機(jī)碳含量明顯高于麥田土壤的；麥田和油菜田土壤水溶性有機(jī)碳含量分別在20～30 cm、10～20 cm土層中最高,但均在30～50 cm土層中最低；隨著土層深度在0～50 cm間增加,兩種農(nóng)田土壤的pH值均增大；在190～800 nm波長(zhǎng)區(qū)間,隨著波長(zhǎng)增加,兩種農(nóng)田土壤樣品水溶性有機(jī)碳的吸光度均降低,最大吸收峰出現(xiàn)在200 nm左右,而且在240～280 nm波長(zhǎng)區(qū)間存在明顯的肩峰吸收。

農(nóng)田；土壤;水溶性有機(jī)碳;分布；紫外-可見光譜；特征

土壤水溶性有機(jī)物(Dissolved organic matter, DOM)是指經(jīng)過無CO2蒸餾水浸提,能通過 0.45 μm水系濾膜的具有不同結(jié)構(gòu)和大小的有機(jī)分子混合體,主要包括水溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon, DOC)、水溶性有機(jī)氮(Dissolved organic nitrogen, DON)和水溶性有機(jī)磷(Dissolved organic phosphorus, DOP)等。DOM在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的C、N、P循環(huán)和收支平衡中具有重要作用。其中DOC是土壤有機(jī)質(zhì)中最為活躍的一部分,主要來源有植物凋落物、有機(jī)肥、微生物代謝等,是土壤質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)土壤肥力研究具有重要的參考價(jià)值[1-4]。不同的土地利用/覆被會(huì)影響DOC的垂直遷移和土壤對(duì)DOC的截留。DOC對(duì)土壤剖面碳分布的影響依賴于氣候(降雨的數(shù)量、時(shí)間)、土壤條件(土壤結(jié)構(gòu)/質(zhì)地、營養(yǎng)狀態(tài)和pH值)、植被類型(根分布和殘?bào)w數(shù)量、質(zhì)量),而土地利用/覆被變化會(huì)對(duì)這些因素造成影響[5-9]。

目前土壤水溶性有機(jī)物的研究多著眼于森林生態(tài)系統(tǒng),而較少針對(duì)農(nóng)田土壤系統(tǒng),且研究土壤吸附性水溶性碳含量較多,而較少結(jié)合光譜技術(shù)分析土壤吸附性水溶性碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)[10-14]。鑒于此，我們以地處黃土丘陵區(qū)的寶雞城郊王家河、趙家莊塬區(qū)的麥田和油菜田土壤為研究對(duì)象,測(cè)定了其水溶性有機(jī)碳的含量,研究了不同農(nóng)田土壤類型水溶性有機(jī)碳含量的垂直分布特征及分布差異,同時(shí)結(jié)合紫外-可見光譜技術(shù),以圖形方式分析了該地土壤水溶性有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及其來源,以期為當(dāng)?shù)赝寥婪柿υu(píng)價(jià)后續(xù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2016年5月12～13日(天氣晴好)在位于寶雞城郊王家河、趙家莊塬區(qū)(E107°8′57″～107°9′7″、N34°19′38″～34°19′54″,海拔660～810 m)的麥田(成熟揚(yáng)花期)、油菜田(成熟結(jié)籽期),按網(wǎng)格法設(shè)置樣點(diǎn),用土鉆分層取樣,將編號(hào)標(biāo)記的密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。所取樣品按5個(gè)小樣方按層分別混合,置于編號(hào)標(biāo)記的牛皮紙上,按1～2 cm厚平攤晾開,除去碎石塊、樹根等雜物,置于實(shí)驗(yàn)室陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干(比較粘的土質(zhì)比如油菜田土壤需要在半干時(shí)用搟杖將土塊搟碎或用手捏碎)。共計(jì)麥田樣地10個(gè),依次記為sw1、sw2、sw3、…、sw10,每個(gè)樣地取4層土樣，共獲各層混合土樣40個(gè)；油菜田樣地10個(gè),依次記為sr1、sr2、sr3、…、sr10，獲各層混合土樣40個(gè)。

1.2 樣品前處理(浸提液制備)

對(duì)自然風(fēng)干后的土樣,按四分法進(jìn)行篩選，留取約1 kg土樣,每個(gè)樣地留5個(gè)混合樣做平行。土樣先經(jīng)搟杖粗搟,再用研缽粗磨之后過10目(孔徑2 mm)篩；將過10目篩的土樣再按四分法逐次取樣,留取適量(200 g左右)做標(biāo)記，待用。稱取10 g過篩土樣于100 mL離心管中,加超純水(美國pull公司)50 mL,擰緊離心管蓋,在恒溫振蕩培養(yǎng)箱(上海新儀)中以200 r/min的轉(zhuǎn)速在25 ℃下振蕩24 h；然后取出浸提樣品，靜置15 min,在離心機(jī)上以8000 r/min離心10 min；最后將離心后的上清液用0.45 μm水系針式過濾器(上海新亞)過濾。對(duì)處理好的樣品及時(shí)進(jìn)行分析；未測(cè)完的樣品需要在冰箱(4 ℃)中保存,保存期限最多7 d。

1.3 測(cè)定與分析

pH值測(cè)定:稱取自然風(fēng)干后過10目篩的土壤樣品10 g，置于100 mL燒杯中,之后加入25 mL超純水以1∶2.5的比例[11-12]混合、攪拌均勻，最后用雷磁pH-3C型pH計(jì)測(cè)定其pH值。每個(gè)樣測(cè)定2次，求平均值。pH計(jì)在使用前須用校準(zhǔn)液(根據(jù)預(yù)測(cè)的酸堿度選取不同的校準(zhǔn)液)校準(zhǔn)。

DOC含量測(cè)定:將制得的土壤浸提液按1∶10的比例稀釋,用德國元素公司的liquidⅡTOC儀測(cè)定。每個(gè)樣測(cè)定2次，求平均值。

DOC的紫外-可見光譜測(cè)定:將制得的土壤浸提液按1∶10的比例稀釋,用哈希公司的DR6000波長(zhǎng)掃描模式進(jìn)行紫外-可見波長(zhǎng)掃描,掃描波長(zhǎng)范圍設(shè)置為190～800 nm(為了很好地觀察200 nm處的吸光度,設(shè)置紫外波長(zhǎng)范圍至190 nm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值測(cè)定結(jié)果

由圖1可見：麥田與油菜田土壤pH值在土壤深度0～50 cm范圍內(nèi)均隨著土壤深度的增加而逐漸增大；麥田土壤pH值呈弱堿性,分布在7.6～8.5之間；油菜田土壤pH值呈弱酸性,分布在6.5～7.4之間。之所以在同樣的立地條件下,麥田土壤pH值大于油菜田土壤pH值,這是因?yàn)橛筒颂锸┯玫幕室杂袡C(jī)肥及難溶性礦質(zhì)磷肥為主,其中有機(jī)肥主要是牲畜糞、土雜肥、塘泥、餅肥等,其有機(jī)質(zhì)含量豐富,有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下形成吸附性較強(qiáng)的腐殖質(zhì),而腐殖質(zhì)對(duì)土壤中H離子的影響較大,從而會(huì)對(duì)土壤酸度產(chǎn)生較大的影響。

圖1 不同類型農(nóng)田土壤pH值隨土壤深度的變化

2.2 土壤DOC測(cè)定結(jié)果

由圖2～圖4可以看出：油菜田土壤在0～10、10～20、20～30、30～50 cm四個(gè)不同深度,其DOC含量分布規(guī)律表現(xiàn)為10～20 cm>20～30 cm>0～10 cm>30～50 cm；麥田土壤在4個(gè)不同深度,其DOC含量分布表現(xiàn)為20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm>30～50 cm。這與張四偉等[10,13]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)檐珔^(qū)農(nóng)田多以翻耕播種為主,所以在翻耕層(0～20 cm)兩種農(nóng)田土壤的DOC含量都較高。此外，油菜田各土層土壤的DOC含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于麥田相應(yīng)土層土壤的,這可能也與油菜田施用較多的有機(jī)肥有關(guān)。

由圖3可知：油菜田土壤與麥田土壤的DOC含量均以30～50 cm土層最低,而且在此土層中兩種農(nóng)田間DOC含量差距明顯縮小,這也與已有的研究結(jié)果相一致。DOC在土壤遷移中大分子物質(zhì)、芳香化合物能被優(yōu)先吸附[14],所以在30～50 cm土層中DOC含量因?yàn)樯蠈油寥缹游?、消耗等作用而最低?/p>

圖2 麥田土壤水溶性有機(jī)碳含量的分布

圖3 油菜田土壤水溶性有機(jī)碳含量的分布

圖4 麥田與油菜田土壤水溶性有機(jī)碳平均含量的分布

2.3 紫外-可見光譜測(cè)定結(jié)果及特征分析

紫外-可見光譜具有靈敏度高、檢測(cè)所需樣品少、樣品不需要特殊分離等優(yōu)點(diǎn),為研究樣品的有機(jī)物來源、腐殖化程度等提供了便利快捷的方法[15]。紫外-可見光譜與有機(jī)物的不飽和鍵及芳香性結(jié)構(gòu)有關(guān),在紫外-可見光譜表征中常用部分光譜特征值研究其基礎(chǔ)特性,文獻(xiàn)中最常用的表征參數(shù)有SUVA254、SUVA280、SUVA254/DOC×100、A240/A420、A253/A203等,其中SUVA254表征芳香族化合物的結(jié)構(gòu),SUVA280表征芳香性、疏水碳容量、腐殖化等,SUVA280還可間接反映DOM的相對(duì)分子量大小,與相對(duì)復(fù)雜的芳香類化合物含量有關(guān)[16-23]。A253/A203可以反映芳香環(huán)的取代程度和取代基種類,若A253/A203增大,則說明芳香環(huán)含有較多的羰基、羧基、羥基、脂類；若A253/A203減小,則說明樣品主要由不可取代的芳香環(huán)構(gòu)成。A240/A420代表紫外光和可見光吸收能力的相對(duì)關(guān)系,表征腐殖質(zhì)的團(tuán)聚化程度和分子量的大小,該比值與土壤中天然有機(jī)質(zhì)的團(tuán)聚化和分子量呈負(fù)相關(guān)[1,15,17-23]。

由麥田土壤和油菜田土壤水溶性有機(jī)碳的紫外-可見光譜掃描曲線(圖5～圖6)可見：吸光度均隨著波長(zhǎng)在190～800 nm間增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；最大吸收峰或者端吸收均出現(xiàn)在200 nm左右，而且在240～280 nm波長(zhǎng)區(qū)間存在明顯的肩峰吸收。這與山地土壤DOM及格氏栲凋落物淋出液的紫外-可見光譜[1]相似,其240～280 nm處于B吸收帶,該吸收帶由苯環(huán)的π-π躍遷引起[15],這說明油菜田和麥田土壤樣品中都可能存在芳香環(huán)結(jié)構(gòu)。由圖5還可以看到，油菜田土壤紫外-可見光譜曲線在300～380 nm之間還存在次肩峰,這說明在油菜田土壤樣品中存在芳香族或脂肪族醛酮化合物,或者不飽和的羰基化合物[19]。

由表1及表2可以看出：油菜田土層的腐殖化程度、芳構(gòu)化程度要高于同層麥田土壤的；油菜田土層土壤水溶性有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)比麥田相同土層土壤水溶性有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些；油菜田土層有機(jī)碳的分子量也要比麥田土壤相同土層有機(jī)碳的分子量大，在耕種層(10～30 cm)尤為明顯。推測(cè)這與麥田和油菜田的人為施肥干預(yù)有很大關(guān)系,在油菜田施用了較多的有機(jī)肥底肥是主要原因。此外，油菜田土壤芳香環(huán)上取代基的復(fù)雜程度高于麥田土壤的,說明油菜田中芳香環(huán)上取代基以羰基、羧基、羥基及酯類較多,以油菜田土壤20～30、10～20 cm土層的取代基最為復(fù)雜；對(duì)比而言,麥田土壤樣品水溶性有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)中分子取代基主要由更簡(jiǎn)單一些的脂肪鏈構(gòu)成。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合相同土層DOC含量分析,可推斷出紫外-可見光譜的部分特征值與土壤DOC含量有很大的相關(guān)性。這也得到了相關(guān)研究[1-2]的證實(shí)；只是由于DOC來源不同,相關(guān)性的程度也有所不同[17,19,21-22]。

圖5 油菜田土壤水溶性有機(jī)碳的紫外-可見光譜

圖6 麥田土壤水溶性有機(jī)碳的紫外-可見光譜

土層深度/cmA254A280A240/A420A253/A2030～100.4810.3735.9330.37510～203.1412.4036.8400.84620～303.5462.7766.4340.96230～501.3791.0238.0160.596

表2 麥田(sw1)土壤紫外-可見光譜特征值

3 小結(jié)

本研究結(jié)果表明：寶雞地區(qū)城郊塬區(qū)麥田土壤水溶性有機(jī)碳含量在20～30 cm土層中最高,平均為317 mg/kg，在30～50 cm土層中最低,平均為170 mg/kg;油菜田土壤水溶性有機(jī)碳含量在10～20 cm土層中最高,平均為1342 mg/kg, 在30～50 cm土層中最低,平均為535 mg/kg;油菜田土壤水溶性有機(jī)碳含量明顯高于麥田土壤的；油菜田土壤pH值呈弱酸性,麥田土壤pH值呈弱堿性；隨著土層深度增加,兩種農(nóng)田土壤的pH值均增大；土壤pH值與土壤水溶性有機(jī)碳含量間無顯著的相關(guān)性。

由紫外-可見光譜可見，油菜田和麥田土壤樣品中都可能存在芳香環(huán)結(jié)構(gòu),且油菜田土壤樣品中存在芳香族或脂肪族醛酮化合物,或者不飽和的羰基化合物。油菜田土壤樣品有機(jī)質(zhì)腐殖化程度、芳構(gòu)化程度高于麥田土壤樣品的；油菜田土壤樣品有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)中取代基比麥田土壤樣品更復(fù)雜些。

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DistributionofSoilDissolvedOrganicCarboninFarmlandofBaojiSuburbandAnalysisofItsUltraviolet-VisibleSpectralCharacteristics

LI Mei-juan1,2

(1. Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation of Shaanxi Province, Baoji 721013, China; 2. College of Geographic & Environment, Baoji University of Arts and Science, Baoji 721013, China)

The contents of soil dissolved organic carbon in wheat field and oilseed rape field of Baoji suburb were determined, and their ultraviolet-visible spectral characteristics were analyzed. The results showed that: the content of soil dissolved organic carbon in oilseed rape field was obviously higher than that in wheat field; the content of dissolved organic carbon in wheat field and oilseed rape field was the highest in 20～30-cm-deep and 10～20-cm-deep soil layer, respectively, while the content of dissolved organic carbon was the lowest in 30～50-cm-deep soil layer of both wheat field and oilseed rape field; the soil pH-value of two types of farmlands increased with the increase in soil layer depth within 0～50 cm; as the wavelength increased from 190 nm to 800 nm, the absorbance of dissolved organic carbon in soil samples of both wheat field and oilseed rape field decreased, the maximum absorption peak appeared at about 200 nm, and an apparent acromion-absorption existed within 240～280 nm.

Farmland; Soil; Dissolved organic carbon; Distribution; Ultraviolet-Visible spectrum; Characteristics

2017-08-15

陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目(16JK1042);陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015JQ4114);陜西省教育廳項(xiàng)目(14JS008)。

李美娟(1981─),女,陜西戶縣人,實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)。

S153.62

A

1001-8581(2017)11-0033-05

(責(zé)任編輯:黃榮華)