全 文 ：长期施肥下亚热带典型农田（旱地）
土壤木质素的积累特性∗
冯书珍１，２，３ 陈香碧１，３ 何寻阳１，３ 董明哲１，２ 邱虎森１，２ 苏以荣１，３∗∗
（ １中国科学院亚热带农业生态研究所， 亚热带农业生态重点实验室， 长沙 ４１０１２５； ２中国科学院大学， 北京 １０００３９； ３中国科
学院环江喀斯特生态系统观测研究站， 广西环江 ５４７１００）
摘 要 以广西环江（石灰土）、湖南桃源（红壤）两个亚热带典型农田（旱地）长期定位试验
为平台，采用碱性氧化铜⁃固相萃取⁃气相色谱法，分析两种长期施肥制度［化肥（ＮＰＫ）、秸秆
还田配施化肥（ＮＰＫＳ）］下土壤中木质素 Ｖ、Ｓ、Ｃ 等 ３ 类单体含量及组成的变化，并阐明影响
旱地土壤中木质素积累的主要因子．结果表明： 长期施用化肥（ＮＰＫ）对石灰土木质素总量
（ＳｕｍＶＳＣ）无显著影响，而红壤木质素总量显著增加（５５±１）％；秸秆还田配施化肥（ＮＰＫＳ）均
显著增加了两种土壤木质素总含量（Ｐ＜０．０１），增加比例分别为（３２８±４）％、（４５６±９）％．长期
施肥处理增加了红壤木质素单体 Ｃ的比例，石灰土则表现为单体 Ｖ 的比例增加，表明农田土
壤中木质素的转化具有单体特异性；长期施肥后木质素单体的酸醛比（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ和（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ
均有所降低，其中石灰土高于红壤，说明石灰土的木质素分解矿化程度较红壤高．有机质、全
氮与木质素单体含量无显著相关，而对木质素单体 Ｖ、Ｓ、Ｃ 组成有显著影响；木质素 Ｖ、Ｓ 和 Ｃ
类单体含量及组成均与土壤速效养分（碱解氮、速效磷、速效钾）显著相关（Ｐ＜０．０５），由此认
为土壤速效养分是木质素积累特性的关键影响因子．
关键词 长期施肥； 秸秆还田； 木质素； 积累特性； 土壤酶活性
∗国家自然科学基金青年科学基金项目（４１３０１２７３）、国家自然科学基金重点项目（４１４３０８６０）、国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＤ０５Ｂ０３⁃６）和
中国科学院“西部之光”人才培养计划“西部博士项目”资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｒｓｕ＠ ｉｓａ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０７⁃２５收稿，２０１４⁃１１⁃２８接受．
文章编号 １００１－９３３２（２０１５）０１－００９３－０８ 中图分类号 Ｓ１５１．１ 文献标识码 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｌｉｇｎｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ｕｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ．
ＦＥＮＧ Ｓｈｕ⁃ｚｈｅｎ１，２，３， ＣＨＥＮ Ｘｉａｎｇ⁃ｂｉ１，３， ＨＥ Ｘｕｎ⁃ｙａｎｇ１，３， ＤＯＮＧ Ｍｉｎｇ⁃ｚｈｅ１，２， ＱＩＵ Ｈｕ⁃ｓｅｎ１，２，
ＳＵ Ｙｉ⁃ｒｏｎｇ１，３ （ １Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｇｒｏ⁃ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ｒｅｇｉｏｎ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｂ⁃
ｔｒｏｐｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２５， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９， Ｃｈｉｎａ； ３Ｈｕａｎｊｉａｎｇ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ
Ｋａｒｓｔ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｈｕａｎｊｉａｎｇ ５４７１００， Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ） ．⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１）： ９３－１００．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｌｉｇｎｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌａｒｉｆｙ ｉｔｓ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｕｐｌａｎｄ ｓｏｉｌｓ， ａｌｋａｌｉｎｅ ＣｕＯ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａ⁃
ｔｏｇｒａｐｈｙ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ （Ｖ， Ｓ ａｎｄ
Ｃ）． Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｏｆ ＮＰＫ ａｎｄ ＮＰＫＳ （ＮＰＫ ｃｏｍ⁃
ｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｗ） ｉｎ Ｈｕａｎｊｉａｎｇ Ｃｏｕｎｔｙ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ （ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓｏｉｌ） ａｎｄ Ｔａｏｙｕａｎ Ｃｏｕｎｔｙ，
Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ （ｒｅｄ ｓｏｉｌ） ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＮＰＫ ｈａｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｇｎｉｎ ｃｏｎ⁃
ｔｅｎｔ （ＳｕｍＶＳＣ） ｏｆ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓｏｉｌ， ｗｈｅｒｅａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｒｅｄ ｓｏｉｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ （５５±
１）％． Ｆｏｒ ｔｈｅ ＮＰＫＳ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｌｉｇｎｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ａｎｄ ｒｅｄ ｓｏｉｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ （３２８±
４）％ ａｎｄ （４５６±９）％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｎ⁃
ｎａｍｙｌ （Ｃ）⁃ｔｙｐｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｒｅｄ ｓｏｉｌ， ｗｈｉｌｅ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｖａｎｉｌｌｙｌ （Ｖ）⁃ｔｙｐｅ
ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓｏｉｌ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｌｉｇｎｉｎ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌｓ ｗａｓ
ｍｏｎｏｍｅｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ａｃｉｄ⁃ｔｏ⁃ａｌｄｅｈｙｄｅ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｓｙｒｉｎｇｙｌ⁃ｔｙｐｅ ［（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ］ ｏｒ ｖａ⁃
ｎｉｌｌｙｌ⁃ｔｙｐｅ ［（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ］ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ
应 用 生 态 学 报 ２０１５年 １月 第 ２６卷 第 １期
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊａｎ． ２０１５， ２６（１）： ９３－１００
ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓｏｉｌ， ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ
ｔｈａｔ ｉｎ ｒｅｄ ｓｏｉｌ． Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｇｎｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｂｕｔ
ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＶＳＣ ｍｏｎｏｍｅｒｓ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ， ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｎｕｔｒｉ⁃
ｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ （ａｖａｉｌａｂｌｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ， ａｎｄ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ） ｗａｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ Ｖ， Ｓ， ａｎｄ Ｃ⁃ｔｙｐｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ （Ｐ＜０．０５）． Ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｉｌｉ⁃
ｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ； ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｓｔｒａｗ ｔｏ ｆｉｅｌｄ； ｌｉｇｎｉｎ； ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；
ｓｏｉｌ ｅｎｚｙｍｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ．
农田土壤固碳作为《京都议定书》 ［１］认可的固
碳减排途径之一，拥有巨大的固碳潜力．施肥是维持
和增加农田土壤有机质的重要管理措施，而木质素
作为土壤有机质的重要组分之一，其积累特征影响
土壤有机碳的周转速率和碳库的大小［２］ ．有相当一
部分木质素来源的碳以未分解的木质素结构存在于
土壤中，利于土壤有机碳的积累［２］ ．土壤中的木质素
受作物来源、施肥措施、土壤酶活性及微生物等的影
响［３－４］，不同研究者得到的木质素在土壤中的分解
特征和积累特性存在较大差异［５－７］ ．研究表明，不同
施肥措施对木质素在土壤中的降解和积累特性的影
响不同，施用有机肥有利于农田中木质素的积
累［８－９］，而施用化肥对农田土壤木质素积累的影响
结论不同［８，１０］：化肥的长期施用对木质素在黑土表
层全土中的积累没有产生显著影响，但能够显著增
加在棕壤表层全土及各粒级中的积累［８，１１］ ．前人用
于研究的土壤多是地带性土壤，喀斯特石灰土作为
一种特殊的非地带性土壤，有可能成为一个重要的
碳汇，但目前在喀斯特土壤有机碳稳定性方面的研
究还较为缺乏．前期研究显示，从土壤有机碳矿化的
角度，石灰土较红壤稳定［１２］，但木质素积累对有机
碳稳定性的影响尚不清楚．
目前，国内外对土壤中木质素的测定主要有温
和氧化分解法（硝基苯或氧化铜氧化）以及四甲基
氢氧化铵（ＴＭＡＨ）或三甲基氢氧化硫（ＴＭＳＨ）高温
热解法［１３－１５］ ．在温和氧化分解法中，木质素经氧化
铜氧化分解后生成四大类单环酚类单体，分别为 Ｈ
类（即苯酰基类）、Ｓ 类（即紫丁香基酚类，包括丁香
醛、丁香酮和丁香酸）、Ｖ 类（即香草基酚类，包括香
草醛、香草酮和香草酸）以及 Ｃ 类（即肉桂基酚类，
包括对香豆酸和阿魏酸） ［６］ ．通常人们用木质素的 ８
种分子标识物的总和 ＶＳＣ 指示土壤中木质素的含
量及其在土壤中的积累特性；Ｖ 类和 Ｓ 类单体的酸
醛比［（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ和（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ］一般被用来指示土壤
中木质素的降解程度，其值越大表明木质素的降解
程度越高［２］；Ｓ类和 Ｖ类单体以及 Ｃ 类与 Ｖ类单体
的比值可指示木质素在土壤中被微生物分解和利用
的程度，该比值随着木质素氧化程度的降低而增
加［１６－１７］ ．一般来说，土壤中 （ Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ值为 ０ １６ ～
４ ３６，（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ值为 ０．２２～ ４．６７，且与土地利用类型
密切相关［２］；生物的选择性降解导致了参数 Ｓ ／ Ｖ、
Ｃ ／ Ｖ值的降低［１８－１９］ ．
本文以亚热带典型农田（旱地）土壤（石灰土、
红壤）为对象，研究长期施肥［单施化肥（ＮＰＫ）、秸
秆还田配施化肥（ＮＰＫＳ）］下土壤中木质素的积累
特性（各单体含量及组成），并探讨木质素积累的主
要影响因子，以期为亚热带农田土壤固碳和有机碳
调控提供数据支撑及理论依据．
１ 研究地区与研究方法
１ １ 长期定位试验概况
中国科学院亚热带农业生态研究所分别于
２０００年在湖南桃源（盘塘）建立红壤改良长期定位
试验、２００４年在广西环江建立喀斯特农田土壤养分
循环长期定位试验．桃源（盘塘）长期定位试验点位
于中亚热带北缘的红壤丘陵区（２９°１３′４８″ Ｎ，１１１°
３１′３６″ Ｅ），属亚热带湿润季风气候，年均气温为
１６ ８ ℃，年均降雨量为 １２３０ ｍｍ，成土母质为第四纪
红土，土壤肥力水平较低．环江长期定位试验点位于
西南典型喀斯特区广西环江县大才乡同进村木连屯
（２４°４４′３２″ Ｎ，１０８°１９′３４″ Ｅ），属中亚热带季风气候
区，年均气温为 １９．９ ℃，年均降雨量为 １３８９．１ ｍｍ，土
壤为棕色石灰土．
每个试验点选取单施化肥（ＮＰＫ）及秸秆还田
配施化肥（ＮＰＫＳ）两个处理，施肥处理间保持氮、
磷、钾总量一致，每个处理 ４次重复，随机排列，小区
间用水泥板隔离（埋入深度≥３０ ｃｍ）．根据当地农业
生产的实际情况，红壤的种植制度为红薯⁃油菜，在
种植油菜后覆盖稻草，油菜收获后翻耕入土，每个小
区面积为 ２３．３ ｍ２；石灰土的种植制度为玉米⁃大豆，
在种植玉米后覆盖大豆秸秆，大豆收获后翻耕入土，
每个小区面积为 ３０ ｍ２ ．
４９ 应 用 生 态 学 报 ２６卷
１ ２ 土壤样品采集与处理
于定位试验开始前 （红壤，２０００ 年；石灰土，
２００４年）和长期施肥后（２０１３ 年）采集土壤样品．每
个小区按“之”字采集五点并混合均匀，挑去可见植
物残体及砾石，自然风干保存，用于木质素、土壤理
化性质和酶活性分析．
１ ３ 测定方法
１ ３ １土壤理化性质测定 土壤理化性质按常规方
法测定：土壤 ｐＨ 值用 ｐＨ 计测定 （土水比为
１ ∶ ２ ５）；有机质用重铬酸钾容量法⁃外加热法测定；
全氮用半微量开氏法测定；全磷用 ＮａＯＨ 熔融⁃钼锑
抗比色法测定；全钾用 ＮａＯＨ 熔融⁃火焰光度法测
定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用 ＮａＨＣＯ３浸
提⁃钼锑抗比色法测定；速效钾用 ＮＨ４Ａｃ 浸提⁃火焰
光度法测定；含水量用烘干法测定［２０］ ．
１ ３ ２土壤酶活性测定 过氧化物酶和多酚氧化酶
活性采用文献［２１］中的方法测定．
１ ３ ３ 木质素单体的提取与分析 参照刘宁等［２２］
的方法．甲硅烷基化的木质素衍生酚利用气相色谱
分离（７８９０Ａ，美国 Ａｇｌｉｅｎｔ 公司），火焰离子化检测
器检测．气相色谱条件如下：色谱柱为 ＨＰ⁃５ 毛细管
柱（３０ ｍ×０．３２ ｍｍ×０．２５ μｍ），载气为高纯氮气（纯
度为 ９９．９９９％），采用恒压模式，压力为 ８．５８９ ｐｓｉ；进
样口温度 ３００ ℃，进样量 １ μＬ，分流比 ５ ∶ １．检测器
温度 ３００ ℃，氢气流速为 ３０ ｍＬ·ｍｉｎ－１，空气流速为
３５０ ｍＬ · ｍｉｎ－１ ．色谱柱升温程序为：初始温度
１００ ℃，以 ８ ℃ · ｍｉｎ－１ 升温至 １４０ ℃，再以 ４
℃·ｍｉｎ－１升温至 １７０ ℃，保持 ５ ｍｉｎ，最后以 １０
℃·ｍｉｎ－１升到 ３００ ℃，保持 １０ ｍｉｎ．其中，试验回收
率一般在 ８７％ ～ ９５％．木质素各单体在标准样品以
及土壤样品中的色谱图见图 １．
１ ４ 数据处理
以长期施肥前后、施肥处理（ＮＰＫ、ＮＰＫＳ）作为
处理因子分别对木质素、土壤理化性质、酶活性进行
单因素方差分析（置信水平 ９５％、９９％），处理间的
多重比较用 Ｓ⁃Ｎ⁃Ｋ法；以土壤理化性质、酶活性及木
质素各单体为变量做 Ｐｅａｒｓｏｎ 相关性分析；以土壤
理化性质、酶活性作为环境因子对木质素单体组成
进行冗余分析（ＲＤＡ分析），其中第 ２ 轴在第 １ 轴构
建基础上，以便能解释尽可能多的变量．采用 Ｅｘｃｅｌ
２０１０、ＳＰＳＳ ２０． ０、Ｏｒｉｇｉｎ ８． ０ 以及 Ｃａｎｏｃｏ ４． ５ 软件
制图．
图 １ 木质素各单体气相色谱分离
Ｆｉｇ．１ Ｇａｓｃｈｒｏｍ ａｕｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ｍｏｎｏｍｅｒｓ．
Ａ： 标准样品 Ｓｔａｎｄａｒｄ ｓａｍｐｌｅ； Ｂ： 土壤样品 Ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅ． １）苯甲酸 Ｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄ； ２）对羟基苯甲醛 ｐ⁃ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚａｌｄｅｈｙｄｅ； ３）对羟基苯乙酮
ｐ⁃ｈｙｄｒｏｘｙａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ； ４）香草醛 Ｖａｎｉｌｌｉｎ； ５）间羟基苯甲酸ｍ⁃ｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄ； ６）乙基香兰素 Ｅｈｙｌｖａｎｉｌｌｉｎ； ７）香草乙酮 Ａｃｅｔｏｖａｎｉｌｌｏｎｅ； ８）对
羟基苯甲酸 ｐ⁃ｈｙｄｒｏｘｙ⁃ｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄ； ９）丁香醛 Ｓｙｒｉｎｇａｌｄｅｈｙｄｅ； １０）乙酰丁香酮 Ａｃｅｔｏｓｙｒｉｎｇｏｎｅ； １１）香草酸 Ｖａｎｉｌｌｉｃ ａｃｉｄ； １２）３，５⁃二羟基苯甲酸 ３，
５⁃ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｉｃ ａｃｉｄ； １３）丁香酸 Ｓｙｒｉｎｇｉｃ ａｃｉｄ； １４）对香豆酸 Ｔｒａｎｓ⁃ｐ⁃ｃｏｕｍａｒｉｃ ａｃｉｄ； １５）反式阿魏酸 Ｔｒａｎｓ⁃ｆｅｒｕｌｉｃ ａｃｉｄ； １６）十七烷酸 ｎ⁃ｈｅｐｔａｄｅ⁃
ｃａｎｏｉｃ ａｃｉｄ； １７）苯乙酸 Ｐｈｅｎｙｌａｃｅｔｉｃ ａｃｉｄ．
５９１期 冯书珍等： 长期施肥下亚热带典型农田（旱地）土壤木质素的积累特性
２ 结果与分析
２ １ 施肥对土壤理化性质的影响
长期施肥后石灰土和红壤 ｐＨ 均有所升高，其
中红壤差异达显著水平（Ｐ＜０．０５）；长期施肥后红壤
的有机质含量显著增加，增幅为 （ ０． ５６ ± ０． ０２） ～
（０ ７４±０．０３） ｇ·ｋｇ－１·ａ－１，而石灰土的有机质显著
降低，降低幅度达 （ ０． ５９ ± ０． ０１） ～ （ ０ ６１ ± ０ ０３）
ｇ·ｋｇ－１·ａ－１；土壤全量养分（全氮、全磷、全钾）长
期施肥前后无显著差异；土壤速效养分（碱解氮、速
效磷、速效钾）均在长期施肥后显著高于试验前（Ｐ＜
０．０１），其中 ＮＰＫＳ 处理的碱解氮、速效磷显著高于
ＮＰＫ处理，速效钾表现为 ＮＰＫ 处理显著高于 ＮＰＫＳ
处理（Ｐ＜０．０５）（表 １）．
２ ２ 施肥对土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性的
影响
长期施肥前后不同土壤的多酚氧化酶活性变化
趋势不同，长期施肥后，石灰土 ＮＰＫ 和 ＮＰＫＳ 处理
均显著高于试验前，而红壤则显著降低（Ｐ＜０．０５）．
长期施肥后，石灰土和红壤中过氧化物酶活性均呈
现显著降低趋势（Ｐ＜０．０５）．长期施肥前后，石灰土
中多酚氧化酶和过氧化物酶活性均显著高于红壤
（Ｐ＜０．０１）（图 ２）．
２ ３ 施肥对土壤木质素积累的影响
石灰土与红壤木质素含量在试验前无显著差
异，分别为 （ ３２６． ４５ ± ２４． ２６） 和 （ ４１４． ４６ ± ４６ ５９）
μｇ·ｇ－１ ．与试验前相比，长期施用 ＮＰＫ 对石灰土中
木质素各单体含量无显著影响，长期施用ＮＰＫＳ石
表 １ 长期施肥对土壤理化性质的影响
Ｔａｂｌｅ １ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｏｉｌ ｂａｓｉｃ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ （ｍｅａｎ±ＳＤ）
土壤类型
Ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｐＨ 有机质
ＳＯＭ
（ｇ·ｋｇ－１）
全氮
ＴＮ
（ｇ·ｋｇ－１）
全磷
ＴＰ
（ｇ·ｋｇ－１）
全钾
ＴＫ
（ｇ·ｋｇ－１）
碱解氮
ＡＮ
（ｍｇ·ｋｇ－１）
速效磷
ＡＰ
（ｍｇ·ｋｇ－１）
速效钾
ＡＫ
（ｍｇ·ｋｇ－１）
石灰土 试验前 Ｂｅｆｏｒｅ ｔｅｓｔ ７．１３±０．００Ａ ４３．０４±０．００Ａ ２．２４±０．００Ａ １．３５±０．００Ａ １３．３９±０．００Ａ １５３．８６±１０．０７Ｂ ５．４７±０．００Ｂ ６４．０２±０．００Ｂ
Ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ＮＰＫ ７．４１±０．０８Ａａ ３７．６５±０．０３Ｂｂ １．８７±０．０８Ａａ １．２９±０．０４Ａａ １２．７９±０．２０Ａａ ５６８．９９±４４．１６Ａａ ８．７２±１．２５Ａｂ １９０．９３±１７．８６Ａａ
ｓｏｉｌ ＮＰＫＳ ７．３９±０．０５Ａａ ３７．６２±０．０１Ｂｂ ２．０５±０．０７Ａａ １．２７±０．０６Ａａ １３．０９±０．０８Ａａ ５６６．７６±２０．０２Ａａ １０．０７±０．７５Ａａ １４６．９０±９．４２Ａｂ
红壤 试验前 Ｂｅｆｏｒｅ ｔｅｓｔ ４．９６±０．０９Ｂ １１．８９±０．０４Ｂ ０．６７±０．０３Ａ ０．４８±０．０１Ａ ２０．５０±０．３１Ａ １５０．４６±４．３６Ｂ ５．０２±０．４１Ｂ ６９．８４±４．０９Ｂ
Ｒｅｄ ｓｏｉｌ ＮＰＫ ５．２１±０．０２Ａａ １７．５１±０．０２Ａａ ０．９１±０．１５Ａａ ０．５４±０．０２Ａａ ２０．６５±０．５０Ａａ ４０１．９５±３３．８５Ａｂ ７．２１±０．３９Ａａ ２３８．４２±４．７８Ａａ
ＮＰＫＳ ５．３３±０．１０Ａａ １９．２７±０．０３Ａａ １．０２±０．１３Ａａ ０．４８±０．０２Ａａ １９．８７±０．６８Ａａ ６２８．４８±１９．２９Ａａ ７．９６±０．９０Ａａ １３９．１７±７．７４Ａｂ
不同大写字母表示长期施肥后与试验前差异显著（Ｐ＜０．０５），不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｐｉｔａｌ ｌｅｔｔｅｒｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｆｔｅｒ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｅｆｏｒｅ ｔｅｓｔ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ， ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｍａｌｌ ｌｅｔｔｅｒｓ ｓｈｏｗｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｅｒｔｉｌｉｚａ⁃
ｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
图 ２ 长期施肥对土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性的影响
Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｏｉｌ ｐｏｌｙｐｈｅｎｏｌ ｏｘｉｄａｓｅ （ＰＰＯ） ａｎｄ ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ （ＰＯＤ） ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ．
Ⅰ： 石灰土 Ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓｏｉｌ； Ⅱ： 红壤 Ｒｅｄ ｓｏｉｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
６９ 应 用 生 态 学 报 ２６卷
灰土木质素显著增加（Ｐ＜０．０１），为（２１９７．４±２４５ ３）
μｇ·ｇ－１干土，比试验前提高了（４５６±９）％；红壤长期
施用 ＮＰＫ和 ＮＰＫＳ 后木质素含量均显著高于试验
前（Ｐ＜０．０５），分别为（５２８．５９±６６．０３）和（２０９２．４０±
４３．４０） μｇ·ｇ－１，比试验前分别提高了（５５±１）％和
（３２８±４）％．石灰土和红壤试验前木质素均以 Ｖ 类
单体占优势，分别占所有单体总和的（４２±８）％和
（６６±５）％．长期施肥后，石灰土中木质素仍以 Ｖ 类
单体为主导，在 ＮＰＫ和 ＮＰＫＳ处理中分别占所有单
体总和的（５９±２）％和（７５±２）％，而红壤地区则以 Ｃ
类单体为主导，在 ＮＰＫ和 ＮＰＫＳ 处理中分别占所有
单体总和的（５５±１）％和（６３±１）％（图 ３）．
石灰土与红壤在试验前木质素单体无显著性差
异，而长期施肥后，红壤的 Ｃ ／ Ｖ显著升高，显著高于
石灰土．总体上，长期施用 ＮＰＫ 和 ＮＰＫＳ 后，土壤中
木质素单体的酸醛比（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ与（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ均有所
降低，且表现为石灰土显著高于红壤（图 ４）．
２ ４ 木质素积累的影响因子
土壤理化性质、酶活性与木质素的相关性分析
结果（表 ２）表明，土壤中木质素单体 Ｖ、Ｓ、Ｃ 及总含
量 ＳｕｍＶＳＣ均与有机质、全氮无显著相关性 （未列
出）．木质素单体 Ｃ 与 ｐＨ、全磷呈显著负相关关系，
与全钾、碱解氮、速效磷、速效钾呈显著正相关关系
（Ｐ＜０．０１）；单体 Ｓ除与 ｐＨ呈显著负相关外，与碱解
氮、速效磷、速效钾呈显著正相关关系（Ｐ＜０．０５）；单
体 Ｖ仅与碱解氮、速效磷有显著相关性（Ｐ＜０ ０１）；
图 ３ 长期施肥前后土壤中木质素（ＶＳＣ）含量
Ｆｉｇ．３ Ｌｉｇｎｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ （ＶＳＣ） ｉｎ ｓｏｉｌｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ⁃
ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．
图 ４ 土壤中木质素的降解特征
Ｆｉｇ．４ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌｓ （ ｎ ＝
２４）．
Ａ： 试验前 Ｂｅｆｏｒｅ ｔｅｓｔ； Ｂ： 长期施肥 Ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ． 下同 Ｔｈｅ
ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
ＳｕｍＶＳＣ与速效氮、速效磷、速效钾呈显著正相关
（Ｐ＜０．０５）．木质素单体 Ｖ、Ｓ、Ｃ及 ＳｕｍＶＳＣ含量均与过
氧化物酶呈显著负相关关系，同时单体 Ｃ 也与多酚
氧化酶呈显著负相关关系（Ｐ＜０．０１）．
木质素单体组成与环境因子的冗余分析结果
（图 ５）表明，不论是试验前还是长期施肥后，ＮＰＫ
和 ＮＰＫＳ处理能较好地分开，表明不同驱动因素下
环境响应的差异性．其中，试验前土壤理化性质、多
酚氧化酶及过氧化物酶对木质素单体组成的第 １ 轴
解释率为８６ ． ６％，长期施肥后第１轴的解释率为
表 ２ 土壤理化性质、酶活性与木质素的相关系数
Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｍｏｎｇ ｓｏｉｌ ｌｉｇｎｉｎ， ｂａｓｉｃ
ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｅｎｚｙｍｅ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ （ｎ＝２４）
项目
Ｉｔｅｍ
木质素 Ｌｉｇｎｉｎ
Ｖ Ｓ Ｃ ＳｕｍＶＳＣ
ｐＨ －０．４０６∗ －０．５６７∗∗
全磷 ＴＰ －０．４７７∗∗
全钾 ＴＫ ０．４２９∗
碱解氮 ＡＮ ０．４８２∗∗ ０．６４９∗∗ ０．６１５∗∗ ０．７１０∗∗
速效磷 ＡＰ ０．６３０∗∗ ０．４４８∗ ０．６１５∗∗
速效钾 ＡＫ ０．６１８∗∗ ０．５０９∗∗ ０．４４８∗
多酚氧化酶 ＰＰＯ －０．４９７∗∗
过氧化物酶 ＰＯＤ －０．７４４∗∗ －０．７４６∗∗ －０．６９１∗∗
木质素 Ｌｉｇｎｉｎ Ｖ ０．７６２∗∗
Ｓ ０．８７１∗∗ ０．８０２∗∗
Ｃ ０．８０２∗∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗Ｐ＜０．０１． ＳｕｍＶＳＣ： Ｖ、Ｓ、Ｃ总量 Ｓｕｍ ｏｆ Ｖ， Ｓ ａｎｄ Ｃ．下
同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
７９１期 冯书珍等： 长期施肥下亚热带典型农田（旱地）土壤木质素的积累特性
图 ５ 木质素单体组成与环境因子的冗余分析图
Ｆｉｇ．５ ＲＤＡ ｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ｗｉｔｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ
ｖａｒｉａｂｌｅｓ （ａｒｒｏｗｓ）．
表 ３ ＲＤＡ分析的蒙特卡罗检验指数
Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｔｅｓｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ＲＤＡ
项目
Ｉｔｅｍ
试验前
Ｂｅｆｏｒｅ ｔｅｓｔ
第 １轴
Ａｘｉｓ １
长期施肥
Ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
第 １轴
Ａｘｉｓ １
第 ２轴
Ａｘｉｓ ２
ｐＨ －０．６３５∗∗
有机质 ＳＯＭ －０．６５３∗∗
全氮 ＴＮ ０．５３１∗
全磷 ＴＰ －０．７１５∗∗
全钾 ＴＫ ０．６１４∗∗
速效磷 ＡＰ －０．８１２∗∗ ０．５６７∗
速效钾 ＡＫ ０．７５７∗ －０．７３２∗∗
多酚氧化酶 ＰＰＯ －０．６８３∗∗
过氧化物酶 ＰＯＤ －０．５６２∗
６０ ６％．ＲＤＡ分析的蒙特卡罗检验指数（表 ３）表明，
对试验前土壤木质素单体组成影响较为显著的因子
为速效磷和速效钾（Ｐ＜０．０５）；长期施肥后木质素单
体组成的影响因子较为复杂，第 １ 轴主要表现为全
氮、速效磷、速效钾，第 ２ 轴主要表现为有机碳、ｐＨ、
全磷、全钾（Ｐ＜０．０１），其中过氧化物酶及多酚氧化
酶仅在第 ２轴对长期施肥后的木质素单体组成有解
释率（Ｐ＜０．０５）．
３ 讨 论
施肥是农业生产中提高土壤有机碳含量最直接
有效的措施，作为土壤有机质的重要组分，明确施肥
对木质素的影响对深入了解有机碳周转具有重要意
义．施肥对亚热带典型（旱地）红壤及石灰土木质素
积累特性的影响既有共性又有区别．秸秆还田配施
无机肥利于农田中木质素的积累［８－９］，均使红壤及
石灰土中木质素含量显著增加，且显著高于单施化
肥所引起的木质素变化（图 ３）．两种施肥处理的土
壤中木质素来源有所差异：一般农田土壤中长期施
用化肥主要通过作物根系输入；秸秆还田方式则以
植物地上部残体为主，地下根系为辅，直接输入大量
有机物质，使其土壤中木质素的增量显著高于单施
化肥．与试验前相比，红壤和石灰土木质素单体的酸
醛比（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｖ与（Ａｃ ／ Ａｌ） Ｓ均有所降低，说明施肥导
致木质素在土壤中被微生物分解矿化的程度降低．
本研究表明，石灰土施用化肥后木质素总含量
与试验前无显著差异［１０］，红壤则显著增加（图 ３）．
长期施用化肥可以通过促进作物根系生长并增加残
茬输入，影响土壤有机质及其组分在土壤中的积累
动态［１０，１４－２４］ ．石灰土的木质素单体酸醛比高于红壤
（图 ４），说明其木质素分解矿化程度高于石灰土．有
研究发现，在陆地生态系统中，地表和地下枯枝落叶
产物与年均温和年降水量有关，土壤有机质转化也
随着土壤温度和湿度的增加而增加［２５－２６］ ．石灰土地
区的温度及水分条件均优于红壤，土壤微生物的生
物周转速度较快，通过农作物根茬进入土壤中的木
质素增量与转化无显著差异，最终表现为石灰土单
施化肥后木质素总含量无显著增加．
农田土壤木质素含量主要取决于植物来源木质
素的输入以及土壤中微生物对木质素的分解速度，
而其组成主要取决于来源木质素的类型以及土壤微
生物种群结构．本长期定位试验中，因农作物秸秆种
类不同，其木质素各单体含量有所差异，总体上均以
Ｃ类为主（数据未列出），但施肥导致的土壤中木质
素各单体增量有所差异，长期相同施肥处理均增加
了红壤木质素单体 Ｃ 的比例，石灰土则表现为单体
Ｖ的比例增加，表明农田土壤中木质素的转化具有
单体特异性［２，２７］ ．作物秸秆中不同的单体差量并不
是引起不同土壤类型下不同单体显著增加的主要原
因，可能是农作物残体输入后，由于不同土壤类型引
发的土壤微生物分解能力的差异而导致木质素在单
体组成上发生变化．土壤微生物分解能力可用酶活
性大小表示，其受 ｐＨ 等的影响．研究表明，ｐＨ 主要
通过影响土壤微生物（真菌、细菌、放线菌）群落结
构影响酶活性，进而影响对木质素的转化作
用［２８－２９］ ．石灰土 ｐＨ偏碱性，红壤酸性，且 ｐＨ与木质
素的 Ｓ和 Ｃ类单体含量显著相关（表 ２，图 ５）．木质
８９ 应 用 生 态 学 报 ２６卷
素降解酶主要包括过氧化物酶（锰过氧化物酶、木
质素过氧化物酶）及多酚氧化酶⁃漆酶［３０］，多酚氧化
酶对木质素单体组成有显著影响，与 Ｃ 类单体含量
显著相关（表 ２，图 ５）．本研究中施肥后多酚氧化酶
表现为在石灰土中显著增加，红壤中显著降低，最终
表现为石灰土单体 Ｖ显著增加．
利用 Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析及冗余分析综合探讨
亚热带典型（旱地）农田土壤中木质素积累特性的
影响因子，结果表明：与大部分研究结果不同，受土
壤类型及施肥等多因素影响，在亚热带典型（旱地）
土壤中有机质、全氮与木质素单体含量无显著相关，
而对木质素单体组成有显著影响．与木质素绝对含
量相比，土壤有机碳含量及全氮是影响木质素来源
碳占土壤有机碳相对比例的一个更为重要的因
素［２，６，１０，２６－２７］（ ｒ＝ －０．５０８，Ｐ＜０．０１；ｒ＝ －０．４８８，Ｐ＜０．０１；
数据未列出）．木质素 Ｖ、Ｓ、Ｃ 类单体含量均在不同
程度上与土壤速效养分（碱解氮、速效磷、速效钾）
显著相关（表 ２）．对试验前土壤中木质素单体组成
影响较大的为速效磷和速效钾，而长期施肥后其影
响因子较为复杂，第 １ 轴的解释量最大的仍是速效
磷、速效钾（表 ３，图 ５）．同时，木质素是一类由苯丙
烷结构单元构成的高分子物质，有较多的酚羟基和
醇羟基，并含有许多负电基团，使其具有较大的阳离
子交换量，氮、磷、钾离子态养分形成氢键和离子交
换作用的同时影响了木质素单体含量及其组成，是
木质素积累特性的主要影响因子［３１］ ．
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作者简介 冯书珍，女，１９８７ 年生，博士．主要从事环境生态
学研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｆｅｎｇｓｈｕｚｈｅｎｂｅｓｔ＠ １２６．ｃｏｍ
责任编辑 张凤丽
００１ 应 用 生 态 学 报 ２６卷