论文部分内容阅读
我国是农业大国，有丰富的秸秆资源，秸秆还田对减少环境污染、培肥地力有着非常重要的作用。土壤胡敏酸(HA)是一类高分子有机物,是土壤有机质的主体,是动、植物残体通过微生物分解、合成的产物,是土壤肥力的重要标志。目前在土壤学领域研究秸秆还田对土壤影响的报道很多，多数集中在对土壤理化性质、腐殖质组成、有机碳含量等基础研究方面，而针对腐殖质中HA结构做详细研究的很少。从研究HA结构的分析手段来看，现阶段关于土壤HA结构的研究多集中在利用几种常用分析手段如红外光谱和核磁共振波谱分析相结合等，而针对其结构较为系统的采用多种光谱分析手段相结合的研究报道并不多。本文首先针对土壤HA选择了5种光谱分析手段，系统连贯的对土壤HA结构进行分析方法的探讨，并在3种不同类型HA结构分析中应用并得到验证。接下来分别从两个角度包括秸秆还田方式和秸秆用量对不同土壤层HA结构的影响展开研究。第一部分田间实验是将秸秆用量设置在全量秸秆还田基础上，设立了未施用秸秆(CK)、秸秆浅施入土壤表层(CSs)、秸秆深还入土壤亚表层(CSd)、秸秆与表层土混合浅施(CSms)、秸秆与亚表层土均匀混合深施(CSmd)5个处理，研究了玉米秸秆不同还田方式对不同深度黑土HA结构特征的影响。第二部分田间试验是固定1种秸秆还田方式对秸秆用量进行讨论，设立未施用秸秆(CK)、半量玉米秸秆深还(0.5CSd)，全量玉米秸秆秸秆深还(1CSd)，二倍量玉米秸秆秸秆深还(2CSd)，三倍量玉米秸秆深还(3CSd)5个处理，研究不同用量秸秆还田对不同深度黑土HA结构特征的影响。以上仪器分析方法性试验和田间试验相结合为探讨土壤HA结构的光谱特征和秸秆还田对于土壤HA腐殖化程度的改善和提高土壤肥力提供理论依据。研究结果表明：
(1)等离子体发射光谱在光源功率1.5kW下得到的18种金属元素的检出限最优，各元素标准曲线线性良好，得出土壤HA中金属元素含量数据真实可靠。红外光谱称样量在0.8mg下谱图效果最好，拉曼光谱在激光器功率2mW时谱图效果好，紫外可见吸收光谱分析浓度选择10mgL-1最佳，荧光光谱应固定激发波长为360nm、发射波长520nm获得荧光的发射光谱和激发光谱，同步荧光光谱在△λ=55nm时有利于分析，综合荧光激发、发射、同步和三维光谱来看HA浓度在20-40mgL-1最为合适。
(2)总的金属元素含量上猪粪HA>黑土HA>泥炭HA，拉曼光谱显示黑土HA中芳环的无序化程度最低；吸收光谱得出猪粪HA和泥炭HA较比土壤HA更为初期化，黑土HA分子量较大；荧光光谱分析猪粪HA中含有类色氨酸结构，泥炭和猪粪HA都有带羧基的简单芳环型荧光基团，泥炭HA中含有少量酚醛类结构物质，黑土HA中除了含有较多萘酚类物质外，还含有伸展的、聚合度较高的线形芳香环结构，其中含有供电子基团如-OH、-NH2。上述结果与前人研究结果一致，证明所选方法可用，结论真实可靠。
(3)4种秸秆还田方式均使表层土壤HA中的C元素和N元素含量高于未施加秸秆处理，表层土壤HA的氧化度和脂族化程度提高，芳构化程度降低，在亚表层土壤CSd和CSmd处理的HA氧化度降低，而芳构化程度反而提高。CSd和CSmd处理的表层土壤HA结构中的总金属元素含量较未施加秸秆处理提高，在亚表层土壤中，只有CSd处理的土壤HA中总金属元素含量高于未施加秸秆处理。红外光谱显示秸秆深还处理最有利于增加亚表层土壤HA的芳构化程度；4种秸秆还田处理均有助于表层土壤HA芳环结构的有序化，只有CSd和秸秆与CSmd处理有助于亚表层土壤HA芳环结构有序化和石墨化；吸收光谱研究得出各秸秆还田处理均使表层和亚表层土壤HA分子量增大；荧光光谱分析得出在亚表层土壤中，CSd处理增加了HA结构中木质素上的供电子基团数量，同时萘酚类结构的数量也有所增加，腐殖化程度得以提高。4种秸秆还田方式中秸秆深还从各分析手段来看最有利于提高HA结构的复杂化和腐殖化程度。
(4)各秸秆深还处理的表层土壤HA结构中的总金属元素含量均低于未施秸秆处理，亚表层土壤中，只有1CSd处理总金属元素含量高于为施加秸秆处理。不同用量秸秆深还均有会导致表层土壤HA缩合度的下降，其中以1CSd处理最为显著。表层土壤除3CSd处理外其余秸秆深还处理HA氧化度均提高，芳构化程度降低。亚表层土壤HA的氧化度皆由于秸秆深还而降低，以1CSd处理土壤HA氧化度最低，但芳构化程度最高。拉曼光谱分析得出表层土壤HA结构随着秸秆施入芳环的有序化和石墨化程度得以提高，以1CSd处理最高，亚表层土壤HA呈相同结果。紫外吸收光谱显示，在亚表层土壤中，HA分子量的大小与秸秆施入量无明显关系，1CSd处理的HA分子量最大。荧光光谱得出2CSd处理能够增加表层土壤HA中萘酚类结构，各用量秸秆深还均使表层土壤中木质素结构上的供电子基团数量下降，各处理之间差异不大。3CSd处理最有助于增加亚表层土壤HA结构中萘酚类物质和木质素上的供电子基团。全量秸秆还田最有利于提高土壤HA结构的复杂性和亚表层土壤HA分子量。
综上所述，秸秆深还方式和全量秸秆还田最有利于土壤HA结构的复杂化，其腐殖化程度得到提高，有助于土壤培肥。
(1)等离子体发射光谱在光源功率1.5kW下得到的18种金属元素的检出限最优，各元素标准曲线线性良好，得出土壤HA中金属元素含量数据真实可靠。红外光谱称样量在0.8mg下谱图效果最好，拉曼光谱在激光器功率2mW时谱图效果好，紫外可见吸收光谱分析浓度选择10mgL-1最佳，荧光光谱应固定激发波长为360nm、发射波长520nm获得荧光的发射光谱和激发光谱，同步荧光光谱在△λ=55nm时有利于分析，综合荧光激发、发射、同步和三维光谱来看HA浓度在20-40mgL-1最为合适。
(2)总的金属元素含量上猪粪HA>黑土HA>泥炭HA，拉曼光谱显示黑土HA中芳环的无序化程度最低；吸收光谱得出猪粪HA和泥炭HA较比土壤HA更为初期化，黑土HA分子量较大；荧光光谱分析猪粪HA中含有类色氨酸结构，泥炭和猪粪HA都有带羧基的简单芳环型荧光基团，泥炭HA中含有少量酚醛类结构物质，黑土HA中除了含有较多萘酚类物质外，还含有伸展的、聚合度较高的线形芳香环结构，其中含有供电子基团如-OH、-NH2。上述结果与前人研究结果一致，证明所选方法可用，结论真实可靠。
(3)4种秸秆还田方式均使表层土壤HA中的C元素和N元素含量高于未施加秸秆处理，表层土壤HA的氧化度和脂族化程度提高，芳构化程度降低，在亚表层土壤CSd和CSmd处理的HA氧化度降低，而芳构化程度反而提高。CSd和CSmd处理的表层土壤HA结构中的总金属元素含量较未施加秸秆处理提高，在亚表层土壤中，只有CSd处理的土壤HA中总金属元素含量高于未施加秸秆处理。红外光谱显示秸秆深还处理最有利于增加亚表层土壤HA的芳构化程度；4种秸秆还田处理均有助于表层土壤HA芳环结构的有序化，只有CSd和秸秆与CSmd处理有助于亚表层土壤HA芳环结构有序化和石墨化；吸收光谱研究得出各秸秆还田处理均使表层和亚表层土壤HA分子量增大；荧光光谱分析得出在亚表层土壤中，CSd处理增加了HA结构中木质素上的供电子基团数量，同时萘酚类结构的数量也有所增加，腐殖化程度得以提高。4种秸秆还田方式中秸秆深还从各分析手段来看最有利于提高HA结构的复杂化和腐殖化程度。
(4)各秸秆深还处理的表层土壤HA结构中的总金属元素含量均低于未施秸秆处理，亚表层土壤中，只有1CSd处理总金属元素含量高于为施加秸秆处理。不同用量秸秆深还均有会导致表层土壤HA缩合度的下降，其中以1CSd处理最为显著。表层土壤除3CSd处理外其余秸秆深还处理HA氧化度均提高，芳构化程度降低。亚表层土壤HA的氧化度皆由于秸秆深还而降低，以1CSd处理土壤HA氧化度最低，但芳构化程度最高。拉曼光谱分析得出表层土壤HA结构随着秸秆施入芳环的有序化和石墨化程度得以提高，以1CSd处理最高，亚表层土壤HA呈相同结果。紫外吸收光谱显示，在亚表层土壤中，HA分子量的大小与秸秆施入量无明显关系，1CSd处理的HA分子量最大。荧光光谱得出2CSd处理能够增加表层土壤HA中萘酚类结构，各用量秸秆深还均使表层土壤中木质素结构上的供电子基团数量下降，各处理之间差异不大。3CSd处理最有助于增加亚表层土壤HA结构中萘酚类物质和木质素上的供电子基团。全量秸秆还田最有利于提高土壤HA结构的复杂性和亚表层土壤HA分子量。
综上所述，秸秆深还方式和全量秸秆还田最有利于土壤HA结构的复杂化，其腐殖化程度得到提高，有助于土壤培肥。