闫代红，吉春阳，何云华，马亚培，马红亮，高 人，尹云锋

(1.福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州 350007；2.福建师范大学地理科学学院，福州 350007；3.福清市现代农业发展中心，福建 福清 350300)

设施蔬菜地易受高复种指数、高肥料农药投入等影响发生土壤酸化、次生盐渍化、土传病害频发等连作障碍问题，影响设施蔬菜的可持续发展。而强还原处理(RSD)是一种作物种植前的修复方法，该方法在土壤中添加有机物料，淹水或覆膜创造强还原环境，借助有机物料厌氧分解的产物及还原条件有效修复退化土壤理化性状、快速杀灭土传病原菌、改善土壤微生物区系等，目前已成功用于实践。然而RSD过程中有机物料的添加使土壤中可溶性有机质(DOM)增加，而淹水亦会引起DOM淋溶，可能对地下水环境产生不利影响。DOM是陆地生态系统中极为活跃的化学组分，能敏感反映土壤有机质的早期变化，参与土壤有机质腐殖化、吸附—解吸、微生物代谢活动等一系列生物地球化学过程，对调节土壤养分循环和稳定土壤微生态起重要作用。

生物炭是生物质材料在缺氧或限氧条件下经高温热解产生富含碳素、高度芳香化的一类物质。近年来，利用生物炭修复连作障碍土壤的研究日益增多，其不仅能缓解土壤酸化、改善土壤通气性、提高土壤肥力，亦能防控番茄枯萎病、辣椒疫病和黄瓜猝倒病等。如吕伟静等在苹果连作土壤中添加生物炭后，细菌和放线菌数量增加、真菌数量减少，影响微生物群落结构，减轻苹果连作障碍。有研究表明，生物炭减少土壤DOM淋失，添加生物炭可使土壤pH增加，进而影响土壤DOM的吸附、解吸附过程；生物炭亦影响DOM性质，其微孔结构能够吸附粒径较小的脂肪族物质，从而将DOM改变为具有更大尺寸和更高芳香性的分子。然而，生物炭与RSD联用又对土壤DOM产生怎样的影响需要进一步探究。

目前，已有利用室内培养试验研究RSD与生物炭联用对土壤DOM含量和结构特征的影响报道，但研究结论还需野外原位试验进一步验证。由于光学分析方法具有灵敏度高、不破坏样品结构和检测快速等特点，紫外—可见吸收光谱、荧光光谱和红外光谱已被广泛应用于DOM组成、来源及结构特征分析。因此，本研究基于田间试验，探讨RSD、生物炭以及二者联合修复对不同土层DOM含量和结构特征的影响，以期为退化设施蔬菜地土壤修复和环境风险评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验位于福建省福清市沙埔镇圣禾现代农业有限公司蔬菜生产基地，已连续种植蔬菜10年，连作障碍较为严重。供试土壤为砂质壤土(黏粒4.1%，粉粒26.7%，砂粒69.2%)，采集研究小区0—20 cm土壤，去除杂质，过2 mm筛后备用。选取紫花苜蓿()为RSD处理有机物料。生物炭以玉米秸秆450 ℃制备。供试土壤、苜蓿和生物炭的基本性质见表1。

表1 供试土壤、苜蓿和生物炭的基本性质

1.2 试验设计

试验于2020年7月25日开始进行，试验设置6个处理：(1)CK对照(土壤、水分为正常田间持水量，不覆膜)；(2)BC(土壤+1%生物炭，水分为正常田间持水量，不覆膜)；(3)SF(土壤，淹水，不覆膜)；(4)SFF(土壤，淹水，覆膜)；(5)RSD(土壤+1%苜蓿，淹水，覆膜)；(6)RSD+BC(土壤+1%苜蓿+1%生物炭，淹水，覆膜)。每个处理3次重复，随机区组设计。每小区面积为5.28 m(4.4 m×1.2 m)。苜蓿与生物炭的添加量相当于25 t/hm。

试验前将土壤表层杂物清理，对0—20 cm土层翻耕后将称重好的苜蓿和生物炭按处理设置均匀撒于各小区，与土壤混匀后将地面整平。之后铺设滴灌水管，并在土壤上部覆盖薄膜(透明，厚度0.1 mm)，四周用土壤压实，滴灌浇水至0—20 cm土层饱和，修复15天。

2020年8月9日采集土壤样品，各小区按“S”形路线采样，用土钻(直径2.5 cm)分别采取0—20，20—40 cm的土芯各10个，然后混匀，样品置于干冰中运回实验室。土壤样品剔除植物残体和石砾等杂质，过2 mm筛，部分风干测定土壤基本性质，部分于4 ℃冰柜保存。

1.3 测定指标与方法

pH采用pH计(Mettler FE28，上海)测定，土壤的水土比()为2.5∶1，水与秸秆或生物炭比()为15∶1。DOM用去离子水浸提，水土比()为2∶1，振荡30 min后离心，使用0.45 μm滤膜过滤，用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/CPN，Shimadzu，日本)测定溶液中DOC含量，用连续流动分析仪(SANSYSTEM，Skalar Analytical B.V，荷兰)测定DON的含量。土壤NH—N和NO—N含量用去离子水浸提，水土比()为4∶1，振荡30 min后离心过滤，所得溶液用连续流动分析仪测定。土壤全碳(TC)和全氮(TN)含量用元素分析仪(Vario EL Ⅲ，Elementar，德国)测定。

紫外—可见吸收光谱采用紫外可见光分光光度计(Shimadzu UV-2450，日本)测定，使用光程为1 cm的石英比色皿，以Mill-Q水为空白，波长范围为200～700 nm，步长为1 nm。用待测液在254 nm处的吸光度值计算DOM芳香化指数(SUVA)：

SUVA=(/)×100

(1)

式中：为波长254 nm处的吸光度值(cm)；为DOC浓度(mg/L)。

三维荧光光谱采用荧光分光光度计(Hitachi F-7000，日本)测定，设置荧光激发和发射光谱狭缝宽度为5 nm，扫描速度为1 200 nm/min，其中激发波长和发射波长的范围分别为200～400，220～600 nm。根据Chen等提出的荧光区域积分法，将三维荧光光谱划分为5个区域(表2)。荧光同步光谱腐殖化指数(Humification index，synchronous mode，HIXsyn)的计算公式为：

表2 三维荧光峰的主要归属

HIXsyn=/

(2)

式中：和分别为同步光谱中波长460 nm和345 nm处的荧光强度。

红外光谱用傅里叶变换红外光谱仪(Agilent Cary 660-FTIR，日本)测定，设置扫描范围为4 000～400 cm，将1 mg冷冻干燥的DOM样品与400 mg干燥的溴化钾(KBr)磨细混匀，在10 t/cm压强下压制30 s，压成透明薄片，后上机测定并记录其光谱。表3为红外吸收峰的主要归属。

表3 红外吸收峰的主要归属

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0软件对数据进行整理和统计分析。采用Origin 2017和SigmaPlot 12.5软件进行作图。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤基本性质

从表4可以看出，在0—20 cm土层，相较CK，各处理均显著提高土壤pH；BC、SF、SFF和RSD处理的NO—N含量分别显著降低31.9%，59.4%，40.0%和22.3%，RSD+BC处理则无显著变化；BC和RSD+BC处理的TC显著增加(<0.05)。在20—40 cm中，相较CK，RSD和RSD+BC处理NO—N显著提高，RSD+BC处理TC和TN显著提高(<0.05)，其余各处理则无显著差异。此外，2个土层处理间NH—N含量均无显著差异。20—40 cm土层的RSD和RSD+BC处理的pH、NO—N和TC值显著低于0—20 cm的(<0.05)。

表4 不同处理土壤的基本性质

2.2 土壤DOC和DON含量及DOC/DON的变化

由图1a可知，与CK相比，0—20 cm土层BC、SF和SFF处理的DOC含量无显著差异，而RSD与RSD+BC处理的DOC含量分别显著提高188.2%和201.4%；RSD处理DON含量显著高于CK、SF和SFF(<0.05)，但与BC和RSD+BC处理间无显著差异(图1b)；从图1c可以看出，BC处理显著降低土壤DOC/DON值(<0.05)，而SFF、RSD和RSD+BC则有不同程度的增加。20—40 cm土层中，RSD处理的DON含量显著高于BC和RSD+BC处理，相比CK，BC和RSD+BC处理的分别降低1.91，0.39 mg/kg。此外，各处理在0—20 cm的DOC含量显著高于20—40 cm的(<0.05)，而DON含量在2个土层间的差异并不显著(BC处理除外)。

注：不同大写字母表示同一处理在不同土层间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一土层在不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 土壤DOM光谱特征的变化

从图2a可以看出，在0—20 cm土层中，相较CK，BC处理的SUVA值显著提高(<0.05)，其余处理则无显著变化；BC、SF和SFF处理HIXsyn值无显著变化(图2b)，但RSD和RSD+BC处理则显著降低(<0.05)。20—40 cm土层中，各处理间的SUVA值无显著差异，而BC处理的HIXsyn值显著高于RSD和RSD+BC处理(<0.05)。

图2 不同处理土壤DOM的光谱指数

本研究中，不同处理DOM荧光峰主要位于2个区域，即A峰类富里酸物质和B峰类腐殖酸物质(图3)，但各处理的荧光强度和峰面积存在差异。0—20 cm土层中，相较CK，BC处理的2类物质的荧光强度显著增强，而RSD与RSD+BC处理的A、B峰荧光强度均又进一步增强，SF和SFF处理对其影响并不显著。此外，在20—40 cm土层各处理DOM荧光强度均显著低于0—20 cm土层的。

图3 不同处理土壤DOM的三维荧光光谱

红外光谱中，2个土层各处理均在3 440 cm附近处出现较强的吸收峰(图4)。0—20 cm土层中，相比CK，BC处理在2 915 cm附近处吸收峰无显著变化，而RSD和RSD+BC处理的吸收峰逐渐消失。对比其他处理发现，RSD和RSD+BC处理在1 649 cm附近处的振动峰峰位发生红移，同样在1 425 cm附近处也发生红移。在757 cm附近处，BC处理吸收峰显著强于RSD和RSD+BC处理。相比0—20 cm，20—40 cm土层中各处理吸收峰位置基本一致，但吸收率有所差异，如RSD+BC处理在3 440，1 120 cm附近的红外峰吸收率明显增强。

图4 不同处理土壤的DOM红外光谱

2.4 土壤基本性质和DOM的相关分析

从表5可以看出，土壤DOC含量与NH—N、TC和TN含量呈极显著正相关，土壤DOM的SUVA值与pH呈极显著负相关(<0.01)，HIXsyn值与DOC、DON呈显著负相关，与SUVA值呈显著正相关(<0.05)。

表5 土壤基本性质和DOM的相关性分析

3 讨 论

3.1 RSD与生物炭对土壤基本性质的影响

本研究发现，0—20 cm土层中，BC处理显著提高土壤pH，王军等研究不同生物炭添加量(1%和5%)对退化蔬菜土壤修复效果时得到类似结论。由于生物炭施入土壤后其含有的灰分元素如Ca、Mg、K和Na等溶于水中，提高土壤盐基饱和度，进而pH提高。RSD与RSD+BC处理的pH增幅显著大于BC处理，这是微生物在淹水或覆膜所创造的厌氧条件下通过反硝化等氧化还原反应消耗掉H的结果。另外，由于BC本身含有大量的碳元素施入土壤短期难以被微生物降解，所以BC和RSD+BC处理的TC含量显著提高。

3.2 RSD与生物炭对土壤DOM含量的影响

由于生物炭为芳香性的惰性碳，短时间内难以被矿化分解，所以BC处理DOC含量仅小幅度增加。而RSD与RSD+BC处理的DOC含量增幅显著大于BC处理，这与苜蓿和生物炭两者自身性质的巨大差异有关。苜蓿中可被微生物利用的碳源如脂肪族碳、羟基碳等远高于生物炭，其中易降解组分如糖类、纤维素、半纤维素经微生物分泌的胞外酶的催化降解形成单糖、氨基酸和氨基糖等，从而提高DOC含量。另外，硝酸盐和铁锰氧化物的厌氧还原导致pH升高，有利于矿物对有机物的解吸，这也是影响RSD和RSD+BC处理DOC含量的原因之一。有机碳源和水分的添加，使表层的DOC向下淋溶迁移，增加深层土壤DOC含量。SF和SFF处理DOM含量无显著差异。可见，苜蓿或生物炭的输入是造成本研究DOM含量变化的主要原因。

RSD处理中苜蓿作为一种低C/N的有机物料施入土壤后为微生物提供充足的氮源，有机氮在矿化过程中产生大量的小分子含氮化合物如氨基酸、氨基糖、蛋白质等，增加DON含量。而生物炭虽然有机氮含量低，但可以促进土壤氮素转化，进而也影响DON含量。此外，在20—40 cm土层中，相较CK，RSD处理DON含量显著升高，而BC和RSD+BC处理中DON含量则显著低于RSD处理，Zhu等研究发现，单独添加生物炭(玉米秸秆烧制)与同时添加玉米秸秆和生物炭均减少DON淋溶，可能是生物炭吸附土壤中的有机质等营养物质，加速对土壤DOM的固持。

研究DOC/DON比值变化有利于深入了解土壤中DOC及DON的来源及转化，对于调节农田土壤中DOC和DON等有机养分具有重要意义。在修复期间，0—20 cm土层BC处理较对照DON含量有一定增加，使得土壤DOC/DON降低，而RSD和RSD+BC处理则不同程度提高土壤DOC/DON值，且处理间DOC/DON比值存在差异。芮绍云等研究改良剂(生物炭、过氧化钙)对旱地红壤DOC和DON的影响，发现，各处理在1周内DOC/DON波动较大，63天后各处理DOC/DON值较平稳。本研究短期修复15天，苜蓿的添加可使得土壤微生物活性增强，进而增加土壤中DOC、DON，但随着修复时间的延长，可能土壤微生物消耗或利用的DOC、DON含量与土壤中有机物质分解增加DOC、DON含量近似同等程度的改变，从而使DOC/DON差异不大。

3.3 RSD与生物炭对土壤DOM光谱特征的影响

SUVA值可表征DOM中难分解的芳香类化合物，数值越大，表示DOM中大分子腐殖酸物质越多，芳香性化合物比例越大。由于生物炭本身含有可溶的DOM组分可作为土壤DOM中芳香类物质的直接来源，所以本研究中0—20 cm土层中BC处理显著增加SUVA值。而RSD与RSD+BC处理的SUVA值则低于BC处理。本研究相关分析显示，SUVA值与土壤pH呈极显著负相关，高洁等研究认为，由于pH高，有机质矿化速率加快，土壤DOM保留的芳香性结构更少。另外，较高的pH难以导致土壤中有机物—金属体系溶解，原来通过内层结合等方式作用的芳香性结构释放降低；也可能与苜蓿添加微生物大量繁殖促进具有芳香族结构的腐殖质降解有关。HIX值可表征DOM中不饱和脂族链的共轭程度或芳香族化合物的缩合程度。本研究表明，HIX值与SUVA值呈显著正相关，说明DOM腐殖化程度取决于其芳香族化合物的含量，含量越高DOM分子的腐殖化程度越大，分子结构越复杂。BC处理的芳香化指数显著高于RSD和RSD+BC处理的，这也是影响HIX值变化的原因。

本研究中土壤DOM组分以类富里酸和类腐殖酸为主，但不同处理间荧光强度存在差异。0—20 cm土层中，相比CK，BC处理中2类物质荧光强度有所增强，这是因为生物质在热解过程中可生成的类腐殖酸等有机物会吸附到生物炭表面，进入土壤后可直接影响土壤腐殖物质的数量及结构。此外，有研究表明，生物炭微孔的尺寸排阻效应限制较大的芳香族DOM分子进入到生物炭中，较小的脂肪族分子更易吸附到生物炭上，这也可能影响DOM组分荧光强度变化。而RSD和RSD+BC处理的类富里酸和类腐殖质物质显著高于BC处理的，除苜蓿会向土壤中输入结构稳定、难降解的腐殖酸类大分子物质外，范春辉等也认为，pH影响DOM荧光光谱特征，偏碱性环境使DOM部分基团羧基质子化加强，大分子构型发生伸展，更多的荧光基团暴露于腐殖化溶液体系中，导致DOM荧光强度有所增强。20—40 cm土层中，各处理DOM组分的荧光强度较上层均显著减弱，这表明上层土壤DOM中含有更多分子量大、结构复杂的物质，这类物质不易向下迁移，因为土壤类似于一个层析系统，流动性高的物质更易向下迁移。也有研究表明，DOM在向下迁移过程中容易与金属离子等形成络合物，络合物中的氢键可能导致荧光物质淬灭，进而影响其荧光强度。

在0—20 cm土层中，RSD和RSD+BC处理在3 440 cm附近处DOM中官能团较多，主要包括—OH和N—H键伸缩振动，是形成物质氢键的基础，主要来源于土壤中所添加的苜蓿中的纤维素、醇类、酚类及碳水化合物，而DOM中氨基酸的N—H伸缩振动峰的出现，说明苜蓿的添加有助于土壤有机氮的增加，这与RSD和RSD+BC处理的DON含量增加一致。在1 649 cm附近处是苯环、烯烃类和分子间或分子内形成氢键的羧酸中—C=O的伸缩振动，对比其余处理发现RSD和RSD+BC处理在此处的振动峰峰位发生红移，同样在1 425 cm附近处的苯环上C=C骨架振动峰也发生红移，说明RSD和RSD+BC处理土壤DOM的共轭体系减少，分子结构更为简单。本研究还发现，RSD和RSD+BC处理在2 915 cm附近处脂肪族C—H、C—H、C—H以及757 cm处芳烃C—H的伸缩振动显著弱于BC处理，这是由于苜蓿的添加为微生物提供碳源，促进土壤中脂肪族化合物逐渐分解。在易分解组分逐渐消耗殆尽后微生物开始转向消耗难分解物质组分(如木质素、酚类等)，使得RSD和RSD+BC处理芳香化减弱，这与本文SUVA值的变化一致。虽然20—40 cm土壤DOM的特征峰没有0—20 cm土壤的丰富，但与CK相比，RSD和RSD+BC处理的土壤DOM含有更多的羟基、羧基类以及碳水化合物等结构简单且易迁移的物质。

4 结 论

(1)RSD、BC及RSD+BC处理均显著提高土壤pH，BC和RSD修复显著降低土壤NO—N含量。RSD和RSD+BC修复的DOC含量显著高于BC处理的，且0—20 cm土层的DOC含量高于20—40 cm的。RSD修复显著增加了0—20 cm土层DON含量，而BC和RSD+BC修复使20—40 cm土层DON含量降低。RSD和RSD+BC处理提高了0—20 cm土层DOC/DON比值。

(2)本研究中土壤DOM组分以类富里酸和类腐殖酸为主，RSD+BC联合修复的荧光强度显著强于RSD和BC单独修复的。BC单独施用增加DOM的芳香化和腐殖化程度，而RSD与RSD+BC修复则相反。此外，各处理在20—40 cm土层的荧光强度显著低于0—20 cm土层。

(3)相关分析表明，TC和TN含量显著影响土壤DOC含量，而pH是影响土壤DOM芳香化结构的重要因素。