黑土长期不同施肥处理土壤Hu的光谱学特征

土壤有机质的重要性和复杂性一直是国内外学者研究的热点。土壤腐殖质作为土壤有机质的主体,是土壤肥力的重要物质基础,在土壤养分循环和土壤结构方面发挥着重要作用。胡敏素是土壤腐殖质重要组分,它占土壤有机C和有机N的绝大部分,同时也是较稳定的腐殖质组分,对营养元素(C, N, S等)固持和有效性,以及在土壤肥力和生态环境等方面起着重要作用。以黑土长期定位试验(始于1979年)为基础,利用差热分析、红外光谱和核磁共振光谱分析Hu分子结构变化特征。结果表明,各施肥处理可以明显增加土壤有机碳含量,以有机无机肥配施增加效果最为显著,各施肥处理土壤Hu含量之间有差异,但不显著。土壤Hu的热性质表明,土壤施入有机肥后具有较高的可分解有机质和脂族结构,而单施化肥处理具有较高可分解有机质的同时,芳香结构较多。Hu的红外光谱也表明,单施有机肥和有机无机肥配施均可提高土壤Hu的2 920/1 620比值,其脂族性增强,芳香性减弱,单施有机肥处理增加土壤Hu分子中脂族链烃的比例效果高于其他处理。~(13)C核磁共振波谱分析显示,与CK相比有机无机肥配施可以提高土壤有机碳稳定性,而单施化肥处理有机质分解程度增加,稳定性降低。     

同步辐射软X射线近边吸收谱方法研究长期施肥对黑土有机碳官能团的影响

以定位20年的黑土肥料试验为平台,利用同步辐射软X射线近边吸收谱(C-1s NEXAFS)方法,研究了长期施用化肥以及化肥配施玉米秸秆对土壤有机碳官能团的影响。结果表明：与不施肥的空白处理(CK)相比,单施化肥(N,NPK)后土壤的芳香C和羧基C含量增加,脂族C和羰基C含量下降,脂族C/芳香C比值降低;与单施化肥处理相比,化肥配施玉米秸秆后芳香C含量下降而脂族C含量增加,脂族C/芳香C比值增加,并随玉米秸秆用量增加表现的更为明显;无论配施玉米秸秆与否,NPK肥混施处理的芳香C、脂族C以及脂族C/芳香C比值均高于单施N肥处理。上述结果说明,单施化肥比不施肥使土壤有机碳官能团中芳香类化合物的相对比例增加,而脂肪烃类化合物的相对比例下降;化肥配施玉米秸秆则比单施化肥增加了脂肪烃类化合物的相对比例,配施高量比低量玉米秸秆的增加趋势更为明显,同时NPK肥混施比单施N肥有利于提高脂肪烃类化合物的相对比例。C-1s NEXAFS方法能够原位表征长期定位施肥条件下土壤有机碳官能团组成的变化。     

不同比例有机无机肥配施条件下黑土富里酸荧光光谱特征

富里酸(FA)是土壤腐殖质的重要组成成分,是土壤腐殖化过程中的中间物质,其结构特性对提高土壤有机质具有重要的指示作用。有机无机肥配施是实现土壤培肥、秸秆资源利用、减少无机肥施用的有效措施。为探讨黑龙江省黑土区秸秆有机肥替代无机肥对土壤FA的影响,设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、有机肥替代无机氮肥25% (NPKM1)、有机肥替代无机氮肥50% (NPKM2)、有机肥替代无机氮肥75% (NPKM3)及有机肥替代无机氮肥100% (NPKM4)6个处理,测定土壤有机碳(SOC)和FA含量。利用荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)表征土壤FA的来源,腐殖化指数(HIX)指示土壤的腐殖化程度。采用三维荧光光谱-平行因子分析法,分析土壤FA的荧光组分及最大荧光强度(F_max),并利用冗余分析(RDA)探讨荧光强度、土壤有机碳和试验处理间的响应关系。结果表明：与NPK处理相比,有机无机肥配施处理均显著提高了SOC和土壤FA含量,其中对NPKM2处理影响最大,SOC含量提高8.06%,土壤FA含量提高13.84%。土壤FA受自生源和外生源共同作用的影响(FI>1.4,0.8F_max值先升高后降低,类蛋白质F_max值逐渐降低。NPKM2处理类富里酸和类胡敏酸的F_max值最高,类富里酸的相对百分比最高。RDA结果表明NPKM2处理对SOC、土壤FA含量和F_max值的影响最大。因此,基于土壤FA荧光光谱特性分析可知,为提高土壤有机质含量、增加秸秆利用率、减施无机肥,秸秆有机肥替代无机氮肥50%处理为最佳有机无机肥配比。     

长期定位施肥对黑土养分平衡和胡敏素分子结构动态变化的影响

以黑土长期定位试验(始于1979年)为基础,根据土壤养分的输入和输出分析长期不同施肥处理的土壤养分收支状况。利用红外光谱和核磁共振光谱分析胡敏素(Humin,Hu)分子结构的动态变化特征并分析土壤养分收支状况与Hu结构变化之间的关系。结果表明：不同施肥措施在改变黑土养分含量的同时,影响了土壤中惰性组分Hu的分子结构。1980年-2014年有机无机肥配施(MNPK)处理可以满足作物对养分的吸收,土壤总养分含量有盈余,且较不施肥(CK)处理增加土壤有机碳含量,降低土壤C/N比,同时土壤Hu的2 920/1 620和2 920/2 850、脂族C/芳香C、烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值均增加,表明黑土Hu分子结构变得脂族化、简单化,施肥可以增加土壤活性有机碳,减少惰性有机碳组分含量。有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理不能满足作物对养分的吸收,土壤养分出现亏缺状况。红外光谱显示,施肥年限增加,有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理土壤Hu的2 920/1 620下降,表明其脂族C含量降低;核磁共振光谱显示,氮磷钾化肥(NPK)和不施肥(CK)处理烷基C/烷氧C降低,表明其活性有机碳含量下降。虽然各施肥处理较不施肥(CK)处理整体增加土壤Hu的脂族C含量,降低芳香C含量,但随着施肥年限的增加,氮磷钾化肥(NPK)处理使土壤Hu结构有变复杂化的趋势。各养分盈亏量与土壤Hu的结构特征参数之间具有相关性,N,P₂O₅和K₂O养分盈亏量和总养分盈亏量与2 920/1 620、脂族C呈正相关,与芳香C呈负相关,表明养分状况可以影响土壤Hu的结构。节约经济成本情况下,轮作周期内施入一次有机肥,每年结合氮磷钾化肥的施入可以满足作物对养分的吸收,在提高作物产量的同时,改善土壤腐殖质惰性组分结构,培肥地力。     

不同比例有机无机肥配施土壤腐殖质组分的光谱学特征

以16年长期定位试验为基础,探讨不同比例有机无机肥配施对土壤腐殖质特征的影响。通过分离纯化腐殖质中的胡敏酸（HA）和富里酸（FA）组分,并利用元素分析、红外光谱和核磁共振研究分析了F1（70%化肥+30%有机肥）、F2（50%有机肥+50%化肥）和F3（100%有机肥）三种施肥方式下的HA和FA含量及结构变化。结果表明,F3对于提升HA和FA含量的效果优于F1和F2处理,说明有机肥的施用量越高,土壤腐殖质组分的含量就越高。元素分析表明,不同配比的有机无机肥对HA和FA各元素含量及原子比影响不同。F2和F3都提高了HA的缩合度,降低了氧化度和极性,其中F3的效果更加明显;有机肥的施用还能促进HA中含氮化合物的形成,并且在F2中的效果最好;有机肥的施用同样提高了FA的缩合度而降低了氧化度和极性并促进了含氮化合物的形成,尤其在F2处理中尤为明显。腐殖质红外光谱分析表明,与F1相比,F2和F3提高了HA中脂肪族化合物、碳水化合物物质的含量,FA的羧基基团、脂肪基团含量也增加,且在F3处理中表现最为显著;F2处理则降低了HA中脂肪烃物质的含量,FA中的碳水化合物则达到最高。13C核磁共振波谱分析显示,在三种处理中,有机肥的施用提高了HA和FA的脂化度而降低其芳化度,其中F2处理中HA官能团变化更加显著,FA在F3处理中则变化更加明显。综上所述,有机肥显著提高了土壤腐殖质组分含量,并且提高了HA和FA的脂化度降低其芳化度,但是不同用量有机肥下HA和FA的形成机制不同。     

化学氮肥有机替代条件下黑土DOC荧光光谱特征

有机无机肥配施是实现土壤培肥、减少无机肥施用的有效措施。为探讨黑土区有机肥替代无机肥(氮肥)对土壤溶解性有机碳（DOC）含量及结构的影响,本研究采用有机肥不同比例替代化学氮肥,分析土壤DOC的含量及荧光光谱特征。结果表明,M(100%有机替代化学氮肥)处理土壤DOC显著高于其他处理,其含量为325.97 mg·kg-1。与CK(不施肥)处理相比,各施肥处理荧光峰各波长均有不同程度蓝移,各处理土壤DOC的荧光指数(FI)分布在1.54~1.59范围内,腐殖化指数(HIX)均小于0.85,表明DOC来源受自生源和陆生源共同作用的影响,土壤腐质化程度均较低。平行因子分析法分析识别出3个荧光组分,分别为2个腐殖质类组分（富里酸类物质和腐殖酸类物质) 及1个类蛋白组分(类酪氨酸蛋白质物质)。各施肥处理3个组分荧光强度均高于CK处理,其中M和M₂N₂(25%有机替代化学氮肥)处理下土壤DOC总荧光强度较高,C3组分荧光强度以M₂N₂处理最高,土壤DOC中3个有机组分的相对比重以荧光组分C1最高,接近50%,表明该地区土壤中小分子物质占有较大比例,施肥能够提高土壤腐质化程度,有利于土壤DOC固定,合理的有机肥配施化学氮肥能增加DOC的有效性,提升土壤供肥能力。     

长期不同施肥处理对黑土根际土壤有机碳结构组分的影响

土壤有机碳是农业生态系统的关键驱动和调节者,特别是根际微域有机碳动态对土壤碳素循环和矿质营养元素释放起着重要作用。研究长期不同化肥和有机肥施用下大豆根际土壤有机碳、活性有机碳以及有机碳结构的变化规律,深入了解根际有机碳固持和稳定机制,为完善农田生态系统碳固持和农田可持续发展提供科学依据和理论支撑。该研究依托黑土长期定位试验,采用化学分析、固态¹³C-核磁共振(¹³C-NMR)等方法研究大豆根际土壤有机碳含量、活性有机碳含量和有机碳结构组分变化规律。结果表明,与非根际土壤相比,大豆根际土壤有机碳含量显著增加,长期施肥处理能够显著增加根际土壤有机碳和低活性有机碳含量,以常量有机肥加氮磷钾(MNPK)处理提升效果最好。核磁共振实验结果表明,与不施肥处理相比,MNPK处理明显增加根际土壤烷基碳、烷氧基碳比例以及烷基碳/烷氧基碳比值,降低芳香基碳和芳香碳/总碳比值,在非根际土壤中尤其显著;常量氮磷钾(NPK)处理增加芳香基碳比例和芳香碳/总碳比值,在根际土壤中烷基碳比例和烷基碳/烷氧基碳比值增加,烷氧基碳比例降低,非根际土壤测试结果相反。综上所述,MN...     

同步辐射软X射线近边吸收谱方法研究长期施肥对黑土有机氮官能团的影响

有机态氮是土壤氮素的主要存在形式,在农田生态系统氮循环中占有重要地位。了解土壤有机氮官能团组成,可为制定合理的农田管理措施提供科学依据。同步辐射软X射线近边吸收谱(N K-edge XANES)技术,是原位测定土壤有机氮官能团组成最有效的方法,但利用该技术对长期施肥条件下土壤有机氮官能团组成的研究尚未见报道。本试验利用N K-edge XANES方法,研究了长期(18年)不同施肥措施[即休闲(Fallow)、不施肥(CK)、施氮磷钾化肥(NPK)、有机肥配施化肥(NPKM)、1.5倍量的有机肥配施化肥(1.5NPKM)和玉米秸秆配施化肥(NPKS)]对黑土全土及粘粒中有机氮官能团的影响。结果表明：各处理均在401.2～401.6和402.7～403.1 eV范围内出现特征吸收峰,分别归属为酰胺/胺和吡咯类化合物,粘粒中特征吸收峰通常较全土更为明显。半定量分析结果指出,全土和粘粒均以酰胺/胺的相对比例最高,是有机氮官能团的主要存在形态;与休闲处理相比,对照处理中酰胺/胺的相对比例较低,而吡咯类氮的相对比例较高;有机无机配施条件下,酰胺/胺的相对比例随有机肥量的增加而下降,而吡咯类氮的相对比例则呈相反的变化趋势;全土中以NPKS处理的酰胺/胺相对比例最高,而粘粒中则以休闲处理的腈类/芳香氮相对比例最高。利用N K-edge XANES方法原位测定不同施肥措施下土壤有机氮官能团组成的变化是可行的。     

长期不同施肥对土壤溶解性有机质含量及其结构特征的影响

以长期定位试验为研究平台,并结合紫外-可见吸收光谱,探求长期不同施肥管理措施：(1)CK(不施肥);(2)NPK(氮磷钾);(3) NPKS(化肥+稻草还田);(4)1.5NPKS(1.5倍化肥+稻草还田);(5)NPKM(化肥+猪粪)下0～20,20～40和40～60 cm土层的溶解性有机质(DOM)含量和结构特征。结果表明,长期施用化肥对土壤DOM的影响较小,化肥配施秸秆NPKS和化肥配施有机肥NPKM均显著提高了耕层土壤DOM的含量,在0～20 cm耕层土层DOM含量比化肥NPK处理分别提高39.1和12.1 mg·kg-1。相比不施肥和氮磷钾处理,化肥配施秸秆或配施有机肥明显降低0～20和20～40 cm土层溶解性有机质碳与有机氮的比值,提高了土壤供氮能力。长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和溶解性有机质碳氮比没有明显影响,不同处理间差异不显著。在0～20和20～40 cm土层,相对于不施肥和氮磷钾处理,NPKM,NPKS和1.5NPKS处理能提高土壤DOM的共轭结构和腐殖化程度;在40～60 cm土层,提升效果不明显。化肥配施秸秆或有机肥能增加0～20 cm土层的紫外光谱吸收值(SUVA₂₅₄,SUVA₂₆₀和SUVA₂₈₀)和吸收系数α(355),降低吸光度比值(A₂₅₀/A₃₆₅),表明0～20 cm土层DOM的芳香度、疏水性、分子量和CDOM含量增加,在20～40和40～60 cm表现不明显。不同土层的A₃₀₀/A₄₀₀值均大于3.5,表明土壤中主要以富里酸为主。综上,长期化肥配施秸秆或配施有机肥能够提高0～20和20～40 cm土壤溶解性有机质的含量,降低溶解性有机质碳氮比,提升土壤肥力;同时增加0～20 cm土壤DOM共轭结构、腐殖化程度、芳香度、疏水部分比例和平均分子量。长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和结构影响较小。     

砂姜黑土有机无机复合体结构特征及其对土壤颜色的影响机制

土壤颜色是反映土壤发生、形成环境及肥力特征的一项重要物理性状。通常高有机质含量土壤的颜色比较黑,但我国典型低有机质含量的砂姜黑土土壤颜色也很黑。基于传统化学方法的研究认为高度芳构化的腐殖质成分与土粒结合使砂姜黑土呈现黑色。然而采用化学方法只能提取部分腐殖质成分,且破坏了有机质及有机无机复合体的化学结构,其结果不具有代表性。通过不破坏土壤有机无机复合体结构的物理方法从砂姜黑土中提取黑色物质的研究发现蒙皂石吸附有机质形成的黑色有机无机复合体是砂姜黑土呈现黑色的决定性成分。但是,这些黑色有机无机复合体的有机质结构及复合体呈现黑色的机制还不清楚。本研究旨在通过物理方法从砂姜黑土中提取黑色组分,从有机质结构及其与蒙皂石矿物作用方面研究这些黑色有机无机复合体的特征,探讨其呈现黑色的机理。首先采用物理方法从黄淮海平原三个地点的典型砂姜黑土表土层(0～40 cm)土壤中提取浅色组分[53μm颗粒、白(W)和浅白(LW)]和黑色组分[浅黑(LB)、黑(B)和纳米黑(NB)]。然后采用分光测色仪、固态~(13)C核磁共振谱仪和X射线衍射仪分别测定不同提取组分的黑度、有机质结构和蒙皂石含量。相关分析和通径分析结果表明,提取组分有机质的羧基碳、氨基碳、烷基碳和烷氧碳对砂姜黑土黑度的直接影响效应和间接效应都较大,芳香碳含量和芳香度对土壤黑度的影响则较小,蒙皂石对土壤黑度的直接影响效应及其通过羧基碳、氨基碳和烷基碳对土壤黑度的间接效应都较大。因此,砂姜黑土中大量存在的蒙皂石通过吸附有机质中含有生/助色团的羧基碳、氨基碳、烷氧碳及烷基碳形成有机-无机复合体是其呈现黑色的主要机制,并不是传统观点认为的芳香碳及高芳香度。     

红外光谱法测定肥料施用26年土壤的腐殖质组分特征

采用红外光谱法探讨了有机肥以及有机肥与化学肥料配合施用26年对棕壤腐殖质及其组分富里酸和胡敏酸的结构变化。结果表明,采用红外光谱仪测定肥料施用对腐殖质及腐殖质组分富里酸和胡敏酸结构的影响是可行的。施肥26年后,不同处理肥料施用后腐殖质具有基本一致的结构;在某些特征峰吸收强度上有不同程度的差异,反映了不同肥料处理对土壤腐殖质的结构单元和官能团数量及组成有明显的影响。不同施肥处理胡敏酸也存在一些差别。红外光谱解析表明,与CK相比,施用有机肥或氮磷钾配合施用后,土壤腐殖质中小分子糖类物质减少,芳族类物质增加。试验结果证实,施用有机肥可明显增加土壤水溶性有机物芳构化程度。利用不同肥料处理腐殖质的红外光谱,可以判断土壤有机质的演变程度。     

施加有机肥对农田有机质和氮素演化影响的光谱学分析

施用有机肥是改善土壤物理结构、提升土壤肥力、调控养分平衡的的有效手段之一,但目前有机肥施用对农田有机质和氮素演化的影响尚不清楚。研究了施入有机肥后土壤总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)、无机氮含量的变化特征,并利用三维荧光光谱分析了施加有机肥后土壤DOM光谱学特性的变化规律,结合PARAFAC分析法分析了施加有机肥后不同时期土壤水溶性有机物(DOM)各组分相对含量的变化,利用2D-COS技术分析各荧光组分随时间的变化顺序,此外采用典型相关度分析法研究了DOM各组分相对含量与土壤氮素的响应关系,以探究施入有机肥对土壤有机质和氮素演变的影响。结果表明：(1)施加有机肥提高了土壤总有机碳、水溶性有机碳和硝态氮含量,降低了铵态氮含量;(2)土壤DOM三维荧光光谱图出现了A峰(UV类腐殖酸)、 M峰(UVA类腐殖酸)、 T峰(类色氨酸), PARAFAC分析结果显示试验土壤DOM主要由陆地源类腐殖酸(C1)、典型类腐殖酸(C2)、类色氨酸(C3)组成。结果还显示,施加有机肥能提高土壤C1, C2和C3组分的相对含量,试验期间,施加有机肥处理后土壤C1, C2和C3组分的相对含量均呈现先上...     

基于紫外-可见光光谱法研究长期不同施肥对砖红壤溶解性有机质化学性质的影响

溶解性有机质（DOM）是土壤中最为活跃的一部分,具有重要的生态环境意义。明确不同施肥方式对DOM化学性质的影响,可为土壤肥力管理提供依据。因此,该试验以连续四年的不同施肥管理为基础,结合紫外-可见吸收光谱,探求不同施肥方式下,土壤中溶解性有机质的含量和化学性质的变化情况。试验共设置4个处理：CK（不施肥）;CF（化肥）;OG（有机肥）;ST（秸秆）。结果表明,与CK组相比,OG和ST的DOC(溶解性有机碳)含量为95.97和104.89 mg·kg-1,分别是CK组的129%和141%。相反,CF的DOC含量为15.32 mg·kg-1,仅为CK组的21%。OG显著提高了有色溶解性有机质[CDOM,以α（355）表征]含量,是CK组的2.76倍,ST无明显变化;CF则显著降低CDOM含量,仅为CK组的0.55倍。施用OG导致土壤紫外吸收曲线红移,表明有机肥的施用能够提高土壤DOM的共轭双键物质含量和腐殖化程度;与CK相比,OG中DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度的特征常数SUVA₂₅₄,SUVA₂₆₀和SUVA₂₈₀增大,揭示了有机肥的施用能够提高DOM的芳香性、疏水性组分以及腐殖化程度,秸秆处理增加不明显。施用化肥则出现明显降低。吸光度比值A₂₅₀/A₃₅₄,相比CK,CF显著增加,表明施用化肥使DOM分子变小,OG和ST处理无明显变化;秸秆施用导致A₄₆₅/A₆₆₅显著增加,表明秸秆能够有效提高DOM中蛋白质和碳水化合物含量;施用有机肥和秸秆A₃₀₀/A₄₀₀均大于3.5,表明土壤中DOM主要以富里酸为主,而施用化肥A₃₀₀/A₄₀₀明显低于3.5,表明土壤中DOM主要以胡敏酸为主。施用化肥出现S_R＞1,不施肥、有机肥、秸秆三者的S_R＜1,也表明了有机肥、秸秆能够增加分子量。有机肥和秸秆能有效增加土壤DOM含量,提升土壤肥力。尤其是施用有机肥,更能显著增加土壤DOM的共轭物质、腐殖化程度、疏水比例、芳香性以及分子量。而长期施用化肥则导致耕层土壤肥力降低。     

可见光-近红外、中红外光谱的土壤有机质组分反演

土壤有机质是土壤肥力的物质基础,其含量的高低是评价土壤肥力的重要标志。土壤有机质组分根据其溶解性可分为胡敏素(HM)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA),不同组分的肥力特性差异显著,因此,土壤有机质组分数据可更加全面、客观的反映土壤肥力状况。传统土壤土壤有机质及组分的测定工序繁杂,效率低下且时效性差,大量研究表明高光谱技术能有效提高土壤属性的检测效率并降低测试成本,但关于可见光-近红外、中红外光谱检测土壤有机质组分的报道鲜见。为了探索中红外光谱及可见光-近红外-中红外组合光谱对土壤有机质组分检测的可行性,并对比有机质单一光谱模型与有机质不同组分的组合光谱模型的预测精度,以南疆地区农田土壤为例,在阿克苏及和田地区共采集93个土样,进行有机质、胡敏素、胡敏酸、富里酸含量及光谱数据的测定。其次,利用可见-近红外(VNIR)、中红外(MIR)及其组合光谱(VNIR-MIR)三种光谱数据集,采用偏最小二乘(PLSR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)三种建模方式对土壤有机质、胡敏素、胡敏酸、富里酸含量进行组合模型分析预测。结果表明：(1)土壤有机质及各组分均与光谱反射率有较好的相关性,土壤有机质及组分在MIR谱段的特征波段数量明显多于VNIR谱段。(2)有机质最优预测模型的模式为VNIR-MIR-RF,该模型的决定系数R2为0.90;胡敏素与胡敏酸最优预测模型的模式均为VNIR-RF模型,R2均为0.92;富里酸最优预测模型的模式为MIR-RF模型,R2为0.94。(3) 基于胡敏素、胡敏酸和富里酸的有机质组合光谱模型的预测精度明显高于有机质单一光谱模型,两种模型的R2分别为0.93和0.90。实现了土壤有机质组分的高效快速反演,且基于有机质组分的组合模型提高了土壤有机质预测精度,为南疆地区大尺度土壤肥力的鉴定与精准施肥提供重要的参考价值。