渭北果园绿肥腐解溶解性有机物的释放特征

张荣琴，刘 辰，李夏浩祺，杨剑锋，李会科

（西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100）

绿肥作为一种重要的有机肥，常以经济作物间套作、绿肥田间翻压等形式广泛用于有机农业，进而改善土壤物理结构，提高土壤保水能力，并缓解单纯使用化肥造成的土壤有机质下降等问题[1-2]。不同生草物质绿肥的腐解过程中养分的释放、吸收和利用因生草物质的植物特性而有所不同，绿肥能否有效的腐解，对改良土壤和植物提供生长所需的养分起着关键的作用[3]。相关研究认为绿肥迅速腐解，不仅能够提高土壤微生物的活性，增强土壤微生物的活动度，而且加速土壤微生物的繁殖[4]。绿肥腐解的程度直接影响自身所释放的、能够被作物吸收利用的养分，腐解程度越高越有利于土壤肥力的提升。基于上述分析发现不同生草物质绿肥生产能力和养分释放能力上存在着明显差异，绿肥的腐解为土壤质量的改善注入新的契机。因此，研究不同生草物质绿肥在果园土壤腐解的释放特征，对了解果园土壤有机质的变化及果园土壤管理具有非常重要的意义。

目前，多数研究对绿肥间作覆盖或翻压过程中自身腐解特性和养分释放规律等较为关注。如宁东峰等[5]研究了翻压禾本科植物黑麦草(Lolium perenne)等在15−20 cm 土层生草物质腐解过程中养分释放规律。潘福霞等[6]研究旱地条件下箭筈豌豆(Vicia sativa)、苕子(V.villosa)、山黧豆(Lathyrus palustris)3种绿肥的腐解和养分释放，结果均表明在翻压15 d内腐解速率较快，能够达到50%以上。杨洪晓等[7]对鼠茅草(Vulpia myuros)的腐烂分解的研究发现，一些基本养分如碳、氮、磷会随鼠茅草的腐解而释放出来。尽管这些研究对绿肥腐解过程养分释放的特征做了详细的报道，仍然没有揭示出不同生草物质的腐解过程中溶解性有机物(DOM)的释放规律。

DOM 是土壤最具活性有机质组分，是土壤质量评价重要的参考指数。不同的外源有机物的输入势必会改变DOM 的含量、组分和光谱特征。此外，在同一生外源有机物输入的条件下，发现随着生物覆盖年限的增加，草种对土壤DOM的贡献效果越来越好，但是生草12 年后草种处于衰败期，这使得向土壤中输入养分的贡献能力减弱，所以亟需探索一种长期可持续、可循环的生草模式，来最大化利用绿肥作物在农业土壤环境质量改善方面的效益，即：如何将退化后的生草物质作为植物残渣分解用于土壤有机养分的输入，进而改善土壤DOM含量。研究认为植物残体是土壤养分的重要来源，而且也作为重要的有机质，对维持土壤生产力有着非常重要的作用[8]，所以进一步明确生草分解过程中DOM的释放特征，对揭示养分的释放和积累、探索适宜的果园绿肥腐解模式具有重要的理论指导作用。

本研究以白三叶(Trifolium repens)、鸡脚草(Dactylis glomerata)、小冠花(Securigera varia)作为腐解材料，探究不同种类生草物质在腐解过程中释放所固持的溶解性有机养分能力，为后期生草物质的翻压分解提供理论指导，以期改善土壤质量，科学经营果园，进而促进苹果产业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验位于陕西省白水县西北农林科技大学苹果试验站，于2019年6月6日釆集苹果园行间生草自然条件下12年生白三叶(WC)、鸡脚草(OG)和小冠花(CV)。采集前在果树各草种行间生草区间隔处划分出1 m2小区，每种生草行间设置3个同类小区，然后在小区内用铁锹依次将3种草的地上和地下部分全部挖出，轻轻抖掉附着表面的土壤，之后将各草种鲜样地上和地下部分剪成约2 cm 长的片段，充分混合均匀后置于长25 cm、宽16 cm、网眼大小为75μm 的尼龙网袋中，每个网袋称取混合后的样品50 g 待埋，每个处理18袋，总计54袋样品。

1.2 腐解试验设计与样品采集

采用完全随机区组设计，将事先处理好的置于尼龙网袋中的样品就地埋于清除杂草后试验田块的果树行间，深度15～20 cm，各草种处理设置3个重复，总计9小区。将尼龙网袋水平放置无重叠，每袋间隔20 cm 做好标签，覆土使其与地面平齐，在自然田间环境条件下分解。分别于10、20、30、40、50、60 d 取样，每次每个处理随机挖取3个样品，去除表面的浮土杂物，联合网袋置于塑封袋后一起带回实验室。样品拿到实验室后，处理掉袋上的杂草和土后置于60℃烘箱烘48 h，将烘干的样品经过粉碎机粉碎，一部分过0.25 mm筛子用于测定植物全氮、全磷、全钾；另一部分过0.15 mm 筛子用于提取溶解性有机物（DOM）。每一个草种随机选择1 m×1 m样地的样本进行生物量评估，每个处理设置3个重复。对各处理地上部分生物量进行称重，地下部分生物量采集深度分别为0− 20、20 − 40和40− 60 cm，并依次称重。各生草草种地上和地下部分生物量的参考Yang 等测定值[9]。绿肥在腐解过程降水量和气温如图1所示。

图1 各生草物质在腐解过程中的降水量和温度Figure 1 Precipitation and temperature during decomposition of different grasses

1.3 测定指标与方法

植物全氮测定方法为样品经浓硫酸–双氧水消煮后，用凯氏定氮法测定；植物全磷测定方法为钒钼黄比色法；植物钾采用原子吸收光谱仪(PE-PinAAcle 900F,PerkinElmer)进行测定，溶解性有机碳(DOC)含量采用岛津TOC分析仪测定[10]。DOM的提取：称取3 g 过0.15 mm 筛子的腐解样品于50 mL离心管中，加入30 mL 蒸馏水，恒温(60℃)摇床180 r·min−1振 荡30 min 之 后，将 样 品 以8 000 r·min−1的速度离心6 min，然后通过0.45μm 过滤器过滤即得到测定滤液[11]。所得滤液用于后期溶解性有机碳含量以及紫外、荧光光谱的测定。各处理鲜样木质素、纤维素和半纤维素含量采用Van Soest[12]方法进行测定。可溶性糖和淀粉用蒽酮比色法，其中可溶性糖用无水乙醇法提取，淀粉用高氯酸法提取[13]。

1.4 光谱指标与PARAFAC模型

为了评估DOM的组成，应用EEMs(F97 Pro,棱光技术,中国)分析样品的荧光组分。荧光激发波长范围为200～500 nm，激发采样间隔为5 nm，发射波长范围为250～550 nm，发射采样间隔为2 nm，扫描速度为1 200 nm·min−1。用平行因子(PARAFAC)方法对三维荧光光谱分析结果进行分组和鉴定。PARAFAC过程使用MATLAB 7.0(Mathworks，Natick，MA)和DOM Fluor 工具箱。

腐殖化指标(HIX)描述的是DOM的腐殖化程度，HIX 值越高腐殖化程度越高[14]。以激发波长为254 nm 时，发射波长分别为435～480和300～345 nm荧光积分的比值。荧光指数(FI)作为DOM来源指标，当FI>1.8，微生物来源；当FI<1.2，植物残留物和有机物。该值是激发波长为370 nm 时，发射波长为470和520 nm 荧光强度的比值。紫外可见吸收光谱(SUVA254)是254 nm 波长处的紫外可见吸光系数与样品的溶解性有机碳浓度的比值，表征溶解性有机物的芳香性强弱，其值越大芳香化程度越高[15]。斜率比(SR)表示为275～295 nm 总吸光值与在350～400 nm 处总吸光度值的比值，其值与有机物分子量变化成反比[16]。

1.5 数据分析

采用Excel 2010 分析平均值和标准差，SPSS20.0进行数据分析，其中，不同处理在腐解过程中溶解性有机物含量和特征参数指标、各草种基本养分指标、品质以及生物量指标差异显著性采用单因素方差分析，不同草种之间为Duncan 比较(P< 0.05)。采用Origin 9.0进行主成分分析(PCA)，Sigmaplot 12.0绘图。

2 结果

2.1 不同生草物质腐解过程中溶解性有机碳含量变化

通常DOM的含量一般用DOC来表示。不同生草物质新鲜样品DOC 含量大小依次为小冠花> 鸡脚草> 白三叶，其值分别为71.64±8.76、67.22 ±2.32和64.33±5.30 g·kg−1(表1)。绿肥腐解过程中DOC的释放规律的变化趋势相同，随着腐解天数的增加溶解性有机碳的含量逐渐减少(图2)。腐解初期，各生草物质迅速分解，之后进入缓慢分解阶段，释放逐渐趋于稳定。各生草物质前期，腐解速率大小为白三叶> 小冠花>鸡脚草。白三叶处理显著高于小冠花和鸡脚草(P< 0.05)。

图2 不同生草物质腐解过程中溶解性有机碳含量的变化Figure 2 Variation of dissolved organic carbon in different grass species during decomposition

表1 不同生草物质养分指标和品质指标Table1 Nutrient and quality indicatorsof different herbagespecies

2.2 不同生草物质腐解过程中溶解性有机物的特性

2.2.1 EEM-PARAFAC分析确定的3个组分物质图

利用EEM-PARAFAC分析以及与前人研究对比分析，鉴定出1个类腐殖酸组分(C1)和2个类蛋白质组分(C2、C3)(图3和表2)。C1的激发波长和发射波长分别为325和440 nm，类似于陆生类腐殖质成分，存在于湿地和各种农业环境领域。C2的激发波长为285 nm，发射波长为340 nm，属于类蛋白质组分。C3激发波长小于240，发射波长为320 nm，是一种微生物衍生的DOM类酪氨酸物质。各个物质组分的物质特性的描述如表2所列。

表2 本研究所鉴定的各组分荧光特性与前人研究的比较Table2 Spectral characteristicsof the fivecomponentsidentified by PARAFAC in the present study and comparisons with previousstudies

图3 草种腐解溶解性有机物中3种组分荧光光谱等值线Figure 3 Contour plotsof thethree componentsidentified by EEM-PARAFAC analysis

2.2.2 不同生草物质腐解过程中荧光强度的变化

不同生草物质腐解样品EEM-PARAFAC组分的荧光强度如图4所示。60 d 的腐解过程中，不同生草物质DOM 的荧光强度依次递减，且各生草物质类蛋白质组分的荧光强度远高于类腐殖酸组分。总荧光强度的值豆科植物白三叶和小冠花高于禾本科鸡脚草。各生草物质腐解中3个组分中C2组分占主导地位，且荧光强度占比最高。白三叶生草物质含有3种组分物质，而小冠花和鸡脚草在腐解后期C3组分基本消失，主要含有C1和C2两种组分。

图4 不同生草物质腐解过程中溶解性有机物的5个组分的荧光强度Figure4 Fluorescence intensitiesof dissolved organic matter componentsin different grassspeciesduring decomposition

2.2.3 不同生草物质腐解过程中溶解性有机物的质量指标变化

不同生草物质腐解过程中荧光指标(FI)、腐殖化指标(HIX)、紫外指标(SUVA254)和斜率比(SR)值的变化如图5所示。各生草物质在腐解的过程中FI值大小依次为小冠花> 白三叶>鸡脚草。其中小冠花处理FI值大于1.8，WC和鸡脚草处理FI值小于1.8；HIX 值大小依次为小冠花> 鸡脚草> 白三叶，随着腐解天数的增加小冠花和鸡脚草处理HIX增加，而白三叶处理基本无明显变化；SUVA254值大小依次为鸡脚草> 小冠花> 白三叶，且随着腐解天数依次增大；SR值无明显变化趋势。

图5 不同生草物质腐解过程中荧光指标、腐殖化系数、紫外可见吸收光谱和斜率比的变化Figure5 Changesin thefluorescenceindex,humification index, UV-Vis spectral parameter,and sloperatio in different grassspeciesduring decomposition

2.3 溶解性有机物含量、组分和光谱特征的主成分分析

为进一步综合探讨禾本科和豆科之间溶解性有机物各指标之间的差异，采用主成分分析(PCA)对能反映土壤溶解性有机物的含量、组分以及紫外光谱的8个指标进行降维。结果表明，白三叶处理提取出3个主成分，反映了91.83%的原始数据信息量；而小冠花和鸡脚草处理提取2个主成分，分别反映了73.98%和78.78%的原始数据信息量(表3)。其中白三叶处理在第1主成分中溶解性有机碳、C1、C2、C3组分具有较大的正系数，表明第1主成分主要反映了溶解性有机物的含量及组分的特征，第2主成分中腐殖质化程度值具有较大的正系数，说明第2主成分主要反映各草种腐解过程中微生物活性差异。鸡脚草和小冠华处理第1主成分和第2主成分所反映的结果类似。

表3 不同指标的主成分分析Table 3 Principal component analysis on different indicators

本研究进一步以第1主成分为横坐标，第2主成分为纵坐标做散点图(图6)。值得注意的是，从主成分得分的散点图可以看出豆科植物与禾本科植物差异明显，白三叶处理对第1主成分解释得分最高，而小冠花处理对第2主成分的解释得分最高。

图6 不同处理2个主成分的散点图Figure 6 Scatterplot of two principal components in different grass species

3 讨论与结论

绿肥腐解过程受到自身性质如绿肥含水量、化学组成和含量等的影响[27-29]。本研究结果显示，不同种类草种腐解过程中DOM的释放变化趋于一致。腐解初期，各生草物质迅速分解，之后进入缓慢分解阶段，所释放的溶解性有机物的含量逐渐趋于稳定，这是由于各生草物质在腐解前期含有大量丰富的可溶性有机物以及无机养分，能够满足微生物生长所需的能源和养分，大量微生物繁殖进而加速生草物质的腐解过程[29-30]；腐解前期，各生草物质腐解速率大小为白三叶> 小冠花> 鸡脚草，且白三叶处理显著高于小冠花处理和鸡脚草处理。这可能是因为白三叶草含有较低的纤维素含量，且其碳氮比值利于微生物的分解，所以腐解时易于释放溶解性有机物，而小冠花和鸡脚草处理的纤维素含量较高，对溶解性有机物含量释放较为缓慢。所以，前期豆科植物白三叶腐解速率大于小冠华和鸡脚草[31-32]。

总荧光强度的值白三叶处理高于小冠花和鸡脚草。这可能是因为白三叶草及其根系环境对微生物功能的影响较大[33]，进而在微生物的作用下更有利于分解，释放出更多的溶解性有机物，所以荧光强度的值高于小冠花和鸡脚草处理。此外，本研究结果发现白三叶生草物质鉴定出3种组分物质，小冠花和鸡脚草在腐解后期C3组分基本消失。这主要归因于白三叶草生物量较大、碳氮比值利于微生物的分解，在微生物的作用下分解很多较难且分子量较大的一些溶解性有机物[34]。各生草物质类蛋白质组分的荧光强度远高于类腐殖酸组分，这与绿肥作物含有大量多糖、氨基酸、有机酸和粗蛋白物质有关，这些物质大都是水溶性有机物等易分解的物质，可以较快腐解为蛋白质类物质[35-36]。

FI能够区别溶解性有机物(DOM)的陆生植物来源和微生物来源相对比重[11]。本研究结果显示小冠花处理FI> 1.8，说明在腐解的过程中微生物源为DOM的主要来源，而白三叶和鸡脚草是混合来源，即陆生植物腐殖质和微生物源。白三叶处理殖质化系数值显著低于小冠花和鸡脚草处理，这可能是随着腐解天数白三叶草在较强的微生物的作用下腐解后，剩余的残留物中主要是难分解的一些大分子量的有机物，而这些有机物很难被微生物分解[26,37]。不同生草物质腐解过程中紫外指标SUVA254和SR值在各种草腐解的过程中的变化趋势说明随着生草物质的腐解，物质的芳香性越来越高，易分解的物质在腐解的过程中被逐渐消耗，芳香类物质所占的比例越来越高，最后成为越来越稳定的物质[11]。腐殖化系数随生草物质腐解增大的趋势也进一步阐明该结果，这种绿肥腐解过程中伴随着腐殖化作用非常有益于改良土壤。主成分分析的结果表明，以反映溶解性有机物的含量和组分为主要贡献的白三叶处理的主成分综合得分最佳。

综合溶解性有机物含量、组分和光谱参数变化特征以及主成分分析的结果，本研究发现与小冠花和鸡脚草相比，豆科植物白三叶作为腐解材料时更易于分解释放溶解性有机养分，故果园生草后翻压腐解建议以豆科植物白三叶作为绿肥腐解，后期将就白三叶腐解模式以及对溶解性有机物影响等方面做进一步的研究，以期为黄土高原果园土壤质量的改善和评价提供理论支撑。