全 文 :收稿日期:!""#$"#$%& 接受日期:!""#$%!$%"
基金项目:国家自然科学基金(’"(")"%();浙江省自然科学基金项目(*+"#"),)资助。
作者简介:周江敏(%+—),女,浙江永康人,博士,副教授,主要从事土壤有机质化学及其环境效应方面的研究。
-./:"(##$,,+!""&),01234/:567.89/:%)+; 862
秸秆施用后土壤溶解性有机质的动态变化
周江敏%,陈华林%,唐东民%,!,祝 亮%,!
(%温州大学生命与环境科学学院,浙江温州 +!("!#;! 四川农业大学资环学院,四川雅安 )!(""")
摘要:采用室内培养方法研究了水稻秸秆腐解对土壤溶解性有机质(<4776/=.> ?5@3A48 B3CC.5,成的动态影响。结果表明,秸秆腐解的前 # >显著增加了土壤溶解性有机碳(后则无明显影响;同
时,秸秆腐解增加了土壤中溶解性糖(
中图分类号:E%’%;’;E%(,;! 文献标识码:H 文章编号:%"",$("(I(!"",)"’$")#,$"#
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溶解性有机质(<4776/=.> 65@3A48 23CC.5,由于其水溶性的特点,被认为是陆地生态系统和水
生生态系统中的一种重要的、活跃的化学组分。它
与土壤有效养分库大小、土壤碳、氮、磷、硫的生物化
学循环、微生物的生长代谢以及成土过程均有密切
关系[%]。
水稻是世界上最重要的农作物之一,全球每年
产量达 (;&+ Y %", 吨[!]。我国水稻种植面积占世界
水稻种植总面积的 !"Z左右,产量占世界稻米总产
量的 +(Z[+]。水稻秸秆还田是我国普遍推行的秸
秆综合利用的一种有效方法,既改良土壤、培肥地
力,稳定耕地生产能力,又减少了环境污染(秸秆焚
烧)。近年研究发现,秸秆还田是土壤溶解性有机碳
(<4776/=.> 65@3A48 835Q6A,仅能增加土壤 性,增强土壤固相有机质的溶解[’]。目前,国内外
植物营养与肥料学报 !"",,%’(’):)#, $ ),’
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
F/3AC GNC54C46A 3A> [.5C4/4X.5 E84.A8.
此方面的研究主要集中在森林生态系统中不同树种
和地上植被凋落物对土壤 !"#和非溶解性有机质
化学组成和生物活性的影响[$%&],至今关于水稻秸
秆对农田土壤 !"#含量及化学组成的影响报道还
不多。为此,采用室内培养方法研究水稻秸秆腐解
对南方几种典型水稻土 !"’的影响,并通过溶解性
糖(!()、溶解性酚酸(!))、溶解性总氮(*!+)以及紫
外吸收值的变化揭示腐解过程 !"#化学组成的动
态变化,为水稻土持续利用战略的选择提供依据。
! 材料与方法
!"! 试验材料
供试土壤采自浙江省不同母质发育的水稻土,
分别为发育于第四纪滨海相沉积物的温州青紫泥田
土(,-./ 0-12/3 41332 567-5,,’)、发育于第四纪红壤
母质的金华黄筋泥田土()1332 87/-3 69 :.1;/<91<2 3
567-5,=>)以及发育于近期浅海沉积物的温州淡涂
泥田土()1332 87/-3 69 3/51-;79? @.3 46-3/<,!#)的耕
层(A—B$ 0@)。新鲜土样一部分过 C @@筛后,立即
供培养用;另一部分风干后测理化性质。4D采用
土水比 B ECF$浸提电位法测定;总有机碳、总氮、阳
离子交换量(’G’)、粘粒含量等采用标准方法测定;
!"’采用 B E C水浸提 *"’仪(G-/@/9;1<2! *"’,德
国元素分析系统公司)测定;富里酸、胡敏酸采用
HD((法[I]分离制备。供试土壤的基本理化性质见
表 B。
供试水稻秸秆为成熟收割后新鲜秸秆的地上部
分,风干粉碎后,过 B @@筛,供培养用。经测定,总
有机碳 JKKFBL ? M N?,总氮 KFAA ? M N?,’ M +为 KBFAJ,
!"’为 BCFK& ? M N?。
表 ! 供试土壤基本理化性质
#$%&’ ! #(’ %$)*+ ,-.,’-/*’) .0 /(’ ).*&) 1)’2 *3 /(*) )/124
土壤
(67-5 4D
总有机碳
*6;1- ’
(? M N?)
总氮
*6;1- +
(? M N?)
溶解性有机碳
!"’
(@? M N?)
富里酸
O.-P70 1073
(? M N?)
胡敏酸
D.@70 1073
(? M N?)
’G’
[0@6-( Q)M N?]
R AFAB@@
粘粒含量
’-12
(S)
,’ KFCA CTFIT BFJI BKF&AB AFLI$ BF$AB CF&B &FCL
=> TFLK B&FCL AFLC BCLFBI AFLII BF&L$ JFLT TFBB
!# $FLC CBFTJ BFBL BCAFCB CFCTT BFKJ$ JFTA &FJC
注(+6;/):,’—青紫泥 ,-./ 0-12/3 41332 567-5;=>—黄筋泥 )1332 87/-3 69 :.1;/<91<2 3 567-5;!#—淡涂泥 )1332 87/-3 69 3/51-;79? @.3 46-3/<;
下同 *U/ 51@/ V/-6WX
!"5 秸秆腐解试验
腐解试验设 J种土壤加与不加秸秆和石英砂加
秸秆等 &个处理,分别用 ,’ Q (、,’、=> Q (、=>、!#
Q (、!#、=( Q (表示,每个处理重复 J 次。加秸秆
处理按秸秆与土壤(干重)B E BA进行,两者混匀后将
含水量调至田间持水量的 $AS,放入培养箱中,在
C$ Y BZ恒温培养 LB 3,每隔 $ 3用称重法补充水分。
不加秸秆处理除无秸秆外,其它方法同加秸秆处理;
石英砂加秸秆处理(=.1<;[ 5193,=()以石英砂代替
土壤进行培养,混合比例与土壤相同。培养初始加
入 J种土壤混合提取液 BA @\作为接种液(分别取
新鲜供试土壤 BA ?,与 T$A @\ 蒸馏水混合,振荡 C
U,静置过夜,上清液用定量滤纸过滤,即为接种液),
并加入足量的去离子水使秸秆湿度达最大持水量的
$AS。
!"6 789的提取及分析测定
在第 A、J、&、BT、CB、J$、TL、KJ、LB 3,以土水比 B E
C(]M])加入蒸馏水,CAA < M @79 振荡 C U,BCAAA
< M @79 TZ下离心 B$ @79,上清液过 AFT$"@滤膜,滤
液用于 !"’、!(、!) 和 *!+ 等项目测定。!"’ 用
*"’仪测定;!(用蒽酮比色法测定,用溶解性糖%’
表示,以葡萄糖换算,即每单位葡萄糖含 ’的克数;
!)用磷钼酸%磷钨酸盐比色法测定[L],以溶解性酚
酸 % ’表示,以没食子酸换算,即每单位没食子酸含
’的克数;*!+用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度
法测定。用 ^+H’_#^‘T%BAA紫外%可见光光度计测
定滤液 BLA!IAA 9@吸光度值,高浓度样品需进行
适当稀释,其中 CIA 9@吸光度值作为研究指标。
数据用 (455BAFA软件进行数据统计分析,其中
不同处理秸秆腐解产生 !"’ 的差异采用 69/aW12
_+"‘G过程进行分析(! b AFA$);!"’与 *!+的相
关性采用二元变量相关分析。
5 结果分析
5"! 秸秆腐解过程中 78:的变化
图 B 看出,三种土壤 !"’ 的变化趋势基本相
L&KT期 周江敏,等:秸秆施用后土壤溶解性有机质的动态变化
同,即腐解开始时(! ")施用秸秆显著增加了土壤
#$%含量,青紫泥、黄筋泥、淡涂泥加秸秆分别是不
加秸秆(对照)处理的 &’()、*(+ 和 ,() 倍;随后,
#$%含量迅速降低,&, "后与对照无显著差异(! -
!(!*),这与王艮梅[&!]研究结果类似。./01"等[&&]研
究表明,新鲜有机物料含有大量水溶性物质,但不同
物种之间差异较大。这些物质主要是氨基酸、氨基
糖、单糖、多糖以及蛋白质等,它们均为极具生物有
效性的低分子量化合物。本试验表明,腐解初期
#$%含量很高,2 "之内 #$%迅速降低是由微生物
大量繁殖消耗所致,2 种土壤和石英砂中变化趋势
均一致。但 2 "之后土壤处理与石英砂处理出现相
反趋势:土壤处理 #$%含量始终维持在较低水平,
而石英砂处理 #$%含量则表现出逐渐积累的过程。
其原因是大量繁殖的微生物开始分解秸秆中半纤维
素、纤维素等成分产生大量溶解性物质,土壤处理中
#$%未升高是由于 #$3在土壤中发生吸附[&+]、络
合、螯合、絮凝、沉淀[&2]等物理化学作用,形成非溶
解性有机质,使得进入溶液的 #$%减少,因而导致
土壤处理与石英砂处理在整个试验期间 #$%含量
有显著差异。由此可推断,秸秆腐解产生 #$3在 )
"前对土壤 #$%含量有显著影响(! - !(!*),) "后
则影响不大。
图 &还可看出,2种土壤处理之间 #$%含量虽
有差异,但变化趋势基本一致,均为随着时间的进
行,#$%迅速降低并趋于稳定。可见,尽管土壤理
化性质差异会影响 #$% 含量,但并不影响 #$% 的
动态变化。土壤中 #$%的动态变化趋势主要受有
机物料化学组成的影响[&,],氮素[&*]、45[&6]、温度[&&]
对其影响不大。
图 ! 秸秆腐解过程中 "#$的动态变化
%&’(! ")*+,&- -.+*’/0 12 "#$ 345&*’ 6./ 3/-1,710&6&1* 12 5&-/ 065+8
[注(789/):.% : ;—青紫泥 :秸秆 .<=/ >@/" 4?""@ A8B#3: ;—淡涂泥 :秸秆 F?""@ GB/<" 81 "/A?<9B1I J=" 48<"/0 : A90?CA;D; : ;—石英砂 :秸秆 D=?09K A?1" : A90?CA,下同 LM/ A?J/ N/<8C]
9:9 "#$组成中溶解性糖(";)、溶解性酚酸("<)
以及紫外吸收值的变化
#;、#F是秸秆腐解产生 #$3的组成物质之一。
#;容易被微生物分解利用而损失;#F是化感作用
研究的代表物质,低浓度时能促进作物生长,而浓度
较高时则抑制生长[&];特定波长的紫外 O可见(PQ O
QR;)吸收常被用来指示腐殖酸的腐殖化、团聚化程
度和分子量的大小。考察 #;、#F以及紫外吸收值
的变化可以了解秸秆腐解对 #$3化学组成的影响。
+(+(& #; 由图 +可以看出,2种土壤和石英砂处
理中秸秆腐解产生 #; 的变化规律相似,即腐解开
始时(! ")#;的含量最高,2 "内迅速降低,此后逐
渐维持在较低水平。秸秆腐解明显增加了土壤 #;
含量,青紫泥、黄筋泥、淡涂泥秸秆腐解开始时(! ")
产生的 #; 分别是不加秸秆对照处理的 )(!、&2,(2
和 &)6()倍,直至试验结束时(’& "),仍分别比对照
高 +(6、&+(&和 &(&倍。#;是秸秆腐解开始时(! ")
#$%的主要组成成分,其含量占 #$%总量的 +)(&S
!*!(+S,但在第 2 "所占比例则迅速下降到 &&(&S
!2!(6S,自 &, 至 ,’ " 略有升高,到试验结束各
处理都下降到 &!S以下(图 2)。可见,在秸秆腐解
不同阶段产生 #$%的化学组成不同。
!T6 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 &,卷
图 ! 秸秆腐解过程中 "#的动态变化
$%&’! "()*+%, ,-*)&./ 01 "# 234%)& 5-. 2.,0+60/%5%0) 01 4%,. /54*7
图 8 秸秆腐解过程中 "# 9 ":;的动态变化
$%&’8 "()*+%, ,-*)&./ 01 "# 9 ":; 234%)& 5-.
2.,0+60/%5%0) 01 4%,. /54*7
!"!"! #$ 秸秆腐解产生 #$的变化趋势如图 %所
示。对比 #&’和 #$的变化趋势可以看出,虽然秸
秆腐解过程产生的 #$占 #&’的比例较低,不超过
()*,但腐解开始时() +)加秸秆处理土壤中 #$是
对照的 ,"-!((". 倍,此后下降,但仍明显高于对
照。说明土壤中的 #$主要来自有机肥料和植物残
体,这与倪进治等[(,]的报道一致。石英砂处理中
#$的变化与土壤不同,表现为逐渐升高的趋势,其
最高值出现在第 /- +。与石英砂处理中 #0的变化
趋势相反,其原因是 #$较 #0 稳定,不易被微生物
利用[(.],在石英砂处理下容易逐渐积累。土壤环境
下 #$的降低可能是土壤吸附作用所致[(.],也可能
是由于多酚氧化酶作用下被氧化成醌,甚至进一步
转变成腐殖质[(1]。
图 < 秸秆腐解过程中 "=的动态变化
$%&’< "()*+%, ,-*)&./ 01 "= 234%)& 5-. 2.,0+60/%5%0) 01 4%,. /54*7
!"!"- 紫外吸收值 研究有机质的组成结构中应
用最广泛的紫外 2可见吸收值是 3!.) 和 3% 2 3/
(3%/4 2 3//4)。由于对照样品 #&5浓度较低,在 //4
67处的吸收值过低,仪器本身的波动对 3% 2 3/结果
(./%期 周江敏,等:秸秆施用后土壤溶解性有机质的动态变化
有较大的影响,而在 !"# $%左右处各样品均有稳定
的紫外吸收值,因而选择 !"# $%处吸光度值与 &’(
浓度的比值作研究指标,其结果见表 !。
)!"#值主要反映有机质组成中芳香化合物的
含量,两者成正相关关系[!#]。由表 ! 可见,加秸秆
处理 )!"# 值明显高于对照,而且不同处理培养后
)!"#均有较大提高。可见,秸秆施用增加土壤 &’(
芳香族化合物含量,而且到腐解后期阶段,随着木质
素多酚类物质降解,芳香族化合物进一步增多。相
比之下,黄筋泥 )!"#差值无论在培养前和培养后均
较大,对照中 )!"#值培养前后都很低。在无外源有
机物质情况下,土壤 &’*主要来自自身腐殖酸的腐
表 ! 培养前后不同处理 "#$光谱性质(%!&’,$ () * +)
,-./0 ! 1203456736283 2562054807 69 "#$ .09650 -:;
-9405 8:3<.-486:
土壤
+,-./
培养前
012,31 -$45678-,$
培养 9:天后
9: ;7 72813 -$45678-,$
对照
(=
加秸秆
>-8? /837@
对照
(=
加秸秆
>-8? /837@
0( ABCC AB9# !#B## :#ABC9
DE #BAC ABFC GB:A !9B!A
&* GB!F AB"9 :CB:: :CB"C
D+ 9BH# :ABFC
解,说明黄筋泥腐殖酸化学组成较为简单。
!=> ,"?的变化与 "#$的产生
I&J由溶解性无机氮(&KJ)和溶解性有机氮
(&’J)组成,是土壤微生物的有效氮库[!:],因而关
系到秸秆的腐解以及 &’(的消长。G种土壤处理中
I&J的变化相似(图 C),腐解开始时最高,随后急速
降低并逐渐维持稳定,:F ;前高于对照,:F ;后则由
于对照中 I&J的逐渐升高而低于对照。添加秸秆
土壤中 I&J的降低是由于微生物固定作用所致[!!],
与 L/%13等[!G]研究结果相似;也与腐解初期 &’(
的迅速降低一致;而对照中 I&J的升高很可能与土
壤有效氮含量较高有关[A]。
石英砂处理中 I&J的变化表现为迅速降低后
升高并逐渐稳定。整个腐解过程中 &’(与 I&J的
相关分析表明,土壤处理中 &’(的释放与 I&J的变
化呈显著甚至极显著相关,而石英砂处理中两者无
相关性(青紫泥 3 M #B9!!!,黄筋泥 3 M #B9!!!,淡涂
泥 3 M #BHA!,石英砂 #BFC)。N73O等[A]指出,&’(与
I&J产生机制不同,I&J主要受碳源有效性和微生
物活性控制,与易矿化碳呈负相关关系;而 &’(的
产生则与微生物活性之间无因果关系,土壤 &’(含
量是 &’(产生、微生物消耗、吸附等很多因素复杂
作用的结果。
图 @ 秸秆腐解过程中 ,"?的动态变化
A8)B@ "C:-(83 3D-:)07 69 ,"? ;<58:) 4D0 ;036(2678486: 69 5830 745-E
> 讨论
>=F 有机物料腐解对土壤 "#G含量的影响
植物凋落物、农作物秸秆、垃圾堆肥等有机物料
是土壤 &’*的重要来源之一。土壤施用秸秆等有
机物料将大大提高土壤 &’(含量。提高程度、影响
时间与有机物料的化学组成[:C]以及土壤本身的理
化性质有关。王艮梅[:#]采用盆栽试验研究表明,绿
肥、猪粪在腐解前 G周均能显著提高红壤、潮土 &’(
含量,提高的效果为绿肥高于猪粪,而施用相同有机
物料则潮土 &’(增加效果较为显著;腐解期间土
!"A 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 :F卷
壤 !"#变化趋势表现为迅速降低并趋于稳定。卢
萍等[$%]采用田间试验研究表明,麦秸施用的前 &周
显著增加了土壤溶液中 !"#浓度,&周后无显著差
异。!’(等[$)]指出,阔叶植被凋落物腐解前期释放
!"#含量多于针叶植被凋落物,腐解 *$个月后则少
于针叶植被凋落物,原因为两者之间化学组成和组
织结构差异所致。在本研究中,水稻秸秆腐解的前
+ ,显著增加了土壤 !"#含量,但 + ,后则无显著影
响,在含量上表现为影响时间较短。这与水稻秸秆
本身化学组成与结构有关。水稻秸秆 # - .值和木
质素含量较高、水溶性物质较少[%],同时木质素与半
纤维对纤维素的空间阻隔和纤维素本身的紧密结晶
结构都影响其降解的速率和程度;也与土壤理化性
质有关。!"/可以通过静电吸附、配位体交换 0表
面络合作用、疏水作用、熵值效应、氢键作用和阳离
子键桥作用等被土壤颗粒所吸附[*1],同时也可以通
过络合、螯合、絮凝、沉淀等作用形成非溶解性有机
质。王艮梅[*1]认为,阳离子可与 !"/ 表面负电荷
中和,降低 !"/表面电荷密度,改变 !"/的结构,
进而降低其在土壤中的溶解度。2345 和 !’567(8[$9]
研究表明,#3$ :对土壤溶液高分子量 !"/有絮凝作
用,当 #3$ :达到 91 ;;’5 - <时,絮凝作用使土壤溶液
中 !"/浓度降低近 )1=。由此可推断,!"/在土
壤中的沉淀和吸附作用将导致土壤 !"#含量降低,
从而缩短有机物料腐解对土壤 !"#含量上的影响
时间。笔者还发现,石英砂处理中 !"/随着腐解时
间的延长,可降解性越来越小,土壤吸附能力则越来
越强(待发表),由此可进一步说明土壤处理 !"#含
量显著低于石英砂处理并非为微生物降解所致,而
是土壤吸附和沉淀作用的结果。不同土壤由于粘粒
含量、有机质含量、>?、离子组成等理化性质不同,
对 !"/吸附沉淀能力有较大差异。本研究 @ 种土
壤可能由于各种因素的综合作用相互抵消并未表现
出吸附沉淀作用的差异。
!"# 有机物料腐解对土壤 $%&化学组成和结构
的影响
由于 !"/化学组成和结构特征鉴定困难,关于
有机物料腐解对土壤 !"/化学组成和结构特征方
面的研究较少。有机物料腐解初期 !"/的主要成
分为极具生物有效性的物质,如单糖、氨基酸、氨基
糖等,这些物质将诱导微生物大量繁殖,从而导致土
壤 !"#含量迅速降低。因此有机物料腐解初期产
生 !"#主要以 #"$形式释放,很少以 !"#形式长时
间存在土壤中[9]。但随着微生物活性增强,微生物
代谢产物、微生物死亡残骸、有机物料中纤维素和木
质素等的降解都将增加土壤 !"#含量,从而使土壤
原有 !"/的组成结构发生变化[$+]。有机物料旺盛
分解期 !"/主要来源于纤维素和木质素等的降解
产物以及微生物代谢产物,此时 !"/含丰富的羧酸
类物质、强氧化木质多酚类物质以及芳香族和脂肪
族物质,碳水化合物和氨基糖减少,糖醛酸和半乳糖
增多,疏水性较强;而来源于微生物残骸的 !"/则
含有丰富的己糖、碳水化合物、氨基糖,亲水性较
强[$)]。在有机物料腐解后期阶段,!"/中木质素多
酚类物质降解产物大大增加[$A]。本研究从 !B、!2
以及 C$A1值的变化考察秸秆腐解对土壤 !"/化学
组成的影响,虽然不足以全面了解 !"/的变化,但
仍可看出秸秆腐解改变了土壤 !"/的化学组成,而
且不同腐解阶段 !"/的化学组成有差异。!B是秸
秆腐解初期 !"#的主要成分,随腐解时间延长迅速
减少,但在 $* ,左右又呈现一个小高峰,主要为纤
维素等多糖类物质降解所致;虽然秸秆腐解产生
!2占 !"#的比例较少,但明显增加了土壤中 !2含
量。C$A1值的变化表明秸秆腐解过程土壤 !"/中
芳香族化合物含量增加,且腐解后芳香族化合物多
于腐解前,其原因是木质素多酚类物质降解所致,与
DEF(,[**]、GHE5[$)]等研究结果一致。
综上所述,虽然水稻秸秆仅在腐解的前 + , 显
著增加土壤 !"#含量,但直到 &* ,,!"/化学组成
和性质仍较对照有较大改变。这对于研究秸秆还田
环境效应具有重要的理论与实践意义;同时,也应
注意秸秆腐解引起的土壤非溶解性有机质变化所导
致的污染物迁移行为的改变。随着仪器分析技术的
进步以及有机化学结构鉴定科学的发展,有机物料
对土壤 !"/的影响有望取得进一步成果。另外,本
研究 I!.的变化表明,秸秆腐解增加了土壤氮素的
固定。
参 考 文 献:
[*] 27JJE8KE55’ !,L3(E553 G,#3F5EMM7 2,.3F,7 BN #KE;7O35 3(, P7’5’87Q
O35 OK3F3OMEF7J3M7’( ’6 ,7RR’5SE, ’F83(7O ;3MMEF 6F’; R75SEF 67F 3(, PEEOK
6’FERM R’75R[T]N #KE;’R>KEFE,$119,9)($):*&10$11U
[$] VG"N VG" P455EM7( ’6 RM3M7RM7OR[W]N X(6’F;3M7’( !7S7R7’(,VG",Y7Q
3P5E ,E55E IEF;E ,7 #3F3O3553,W’;E,$11*U $10@*U
[@] 农业部办公厅 N 全国水稻生产机械化十年发展规划($1190$1*)
年)[CD - "<]N 中国农业信息网(KMM>:- - ZZZN 38F7 N 8’SN O( - JO68 -
P;8J - M $119***+Q+$@%$$UKM;),$1190**0*+U
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!BC 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 @!卷