玉米秸秆还田后土壤胡敏酸变化的谱学研究

 采用红外示差光谱、13C-核磁共振波谱和激光解吸质谱对玉米秸秆施入土壤后土壤胡敏酸（HA）的谱学特征的动态变化进行了研究。结果表明，在玉米秸秆施入土壤后土壤HA的变化具有阶段性，在开始的60 d，主要是以秸秆含有的类胡敏酸物质（秸秆HA）为基础，腐解产物发生聚合作用形成新的与秸秆HA相类似的HA，并且秸秆分解形成的小分子中间产物与土壤原有的HA发生作用而进入HA结构中。而在施入60 d后，碳水化合物和酰胺化合物以木质素分解的残体为核心发生聚合作用形成新HA，且在90 d后进入HA中的亚甲基成分发生了转化，并伴随有甲氧基和甲基的产生。玉米秸秆分解形成的中间产物与土壤HA发生聚合反应，一部分形成为亚稳态的聚合体。玉米秸秆施入土壤后，土壤HA的芳香度降低，芳香碳减少，而烷基碳和烷氧碳增加，HA的脂肪族特性增强，同时，羧基碳减少，土壤HA的氧化程度下降，HA的平均分子量降低。     

玉米植株残体还田后土壤胡敏酸理化性质变化的动态研究

玉米植株残体施入土壤后,土壤胡敏酸的一系列理化性质发生了改变：胡敏酸的阳离子交换量增加,色调系数提高,相对色度降低,抗絮凝能力增强,电泳速度加快,并且胡敏酸由A型向B型、P型和Rp型转变。这些性质发生改变最大的时期皆发生在玉米植株残体施入土壤后的第60～75天。就玉米植株残体不同部分施入土壤后对上述性质变化的影响而言,玉米秸秆的作用大于玉米根茬。     

添加玉米秸秆和根茬对不同肥力黑土微生物残体碳氮的影响

【目的】作物秸秆和根茬是农田土壤有机质的重要来源之一,经微生物作用以微生物残体形式累积在土壤中,是稳定土壤有机质的重要组成部分。明确不同肥力土壤作物秸秆和根茬还田后微生物残体在土壤中的累积及其对土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）的贡献,以期为增加土壤碳氮的库容和稳定性提供依据。【方法】基于黑土长期定位试验站不同肥力水平土壤,利用¹³C¹⁵N双标记方法和氨基糖生物标识物技术,土壤中分别添加玉米秸秆和根茬后进行室内培养,在培养第30天和第180天采样,分析土壤中外源碳（秸秆碳和根茬碳）的残留率、外源氮（秸秆氮和根茬氮）的残留率、微生物残体碳氮的含量及其对土壤有机碳（SOC）和土壤全氮（TN）的贡献率。【结果】培养第180天,秸秆碳和根茬碳在土壤中的平均残留率分别为36.3%和31.7%,秸秆氮和根茬氮的残留率平均分别为95.8%和79.3%。添加秸秆和根茬处理SOC中外源碳含量与TN中外源氮含量的比值（¹³C-SOC/¹⁵N-TN）在培养第180天平均分别为17.6和28.5,与培养第30天相比平均分别下降了47.9%和28.2%。培养期间,高肥土壤真菌残体碳氮含量是低肥土壤的1.17倍左右,细菌残体碳氮含量是低肥土壤的1.31倍。第180天,添加秸秆处理土壤微生物残体（真菌和细菌）碳和氮含量平均比添加根茬处理增加了8.5%左右。培养结束后（第180天）,真菌残体碳对高肥和低肥土壤SOC的贡献率平均分别为37.0%和33.8%,细菌残体碳的贡献率平均分别为11.2%和9.2%;添加秸秆和根茬的处理真菌残体碳对SOC的贡献率平均分别为36.0%和34.7%,细菌残体碳的贡献率平均分别为10.8%和9.6%。第30天,真菌残体氮和细菌残体氮对TN的贡献率平均分别为55.2%和16.3%;培养第180天,真菌残体氮对低肥和高肥土壤TN的贡献率平均分别为63.5%和60.5%,细菌残体氮的贡献率平均分别为16.4%和17.5%。培养180天与初始土壤相比,细菌残体碳和氮对高肥土壤SOC和TN的贡献率平均分别增加了4.8%和7.4%,对低肥土壤平均分别增加了20.3%和32.5%。【结论】真菌残体对土壤有机碳库的稳定和氮库的扩容起着重要的作用。添加玉米秸秆较根茬更有利于微生物残体碳氮在土壤中的累积。低肥土壤添加秸秆和根茬有利于细菌残体碳和氮向土壤有机碳库和氮库的转化。     

施用玉米残体对土壤有机氮组分特征的影响

研究了施用玉米残体对土壤有机氮组分特征的影响。结果表明：与对照相比，玉米残体(秸秆和根茬)配施化学氮肥，可增加玉米生育前期土壤酸解氨态氮和氨基糖氮含量及整个生育期内土壤酸解氨基酸氮的含量；与单施氮肥相比，可增加玉米整个生育期内土壤酸解氨基糖氮和氨基酸氮含量，同时对酸解未知氮亦产生不同的影响。玉米残体还田改变了土壤有机氮的分布。玉米整个生育期间土壤酸解未知氮的变异系数在土壤有机氮组分中最大，它在土壤供氮潜力中的作用仍需深入研究。     

不同氧气条件对玉米秸秆在土壤中腐殖化的影响

研究了实验室模拟条件下添加玉米秸秆对土壤中各有机质组分数量的影响以及不同氧气体积分数对玉米秸秆在土壤中腐殖化进程的影响.结果表明:添加玉米秸秆对土壤有机碳(SOC)、水溶性有机碳(wSOC)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)数量的增加有明显作用;高氧和低氧环境均有利于玉米秸秆在土壤中腐殖化的进行;高氧条件有利于腐殖化初期FA的生成,但持续高氧环境不利于FA的积累;在腐殖化后期,高氧条件使FA大量转化为HA并使得HA大量积累.     

不同CO_2浓度长期培养玉米秸秆对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响

通过室内模拟试验,采用元素分析和红外光谱等技术手段,研究添加玉米秸秆1 440 d后,不同CO_2浓度培养条件下,玉米秸秆对水稻土腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响。试验共设6个处理:CO_2浓度分别为48%~52%(C)、8%~12%(F)和2%(G)添加秸秆的处理及不同CO_2浓度条件下不添加秸秆的对照,分别记为CKC、CKF、CKG。结果表明:在培养1 440 d后,不同CO_2浓度条件下,秸秆处理的土壤有机碳(SOC)和腐殖质各组分有机碳(水溶性碳、富里酸、胡敏酸、胡敏素)含量均高于对照,且在F处理下最高; PQ值的大小顺序是F C G;与对照相比,玉米秸秆培养1 440 d H/C和2920/1620增加,(O+S)/C下降,也是F处理最明显。上述结果表明:8%~12%CO_2浓度有利于土壤HA的形成和稳定;有利于降低土壤HA结构的缩合度和氧化度,增加脂族链烃比例。     

温度对玉米秸秆腐解期间腐殖质消长动态的影响

【目的】研究不同培养温度下玉米秸秆分解期间土壤有机碳(SOC)、水溶性物质(WSS)、可提取腐殖物质(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量的动态变化。【方法】采用室内培养试验,以不添加玉米秸秆为对照,将添加玉米秸秆的土壤于10,25,40,55℃培养360d,研究温度对玉米秸秆腐解期间(0~360d)土壤有机碳(SOC)、水溶性物质(WSS)、可提取腐殖物质(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量及可提取腐殖物质中HA相对比例(PQ)的影响。【结果】在同一培养温度和时间下,随着培养时间延长,玉米秸秆处理土壤SOC和WSS的含量总体降低,HE和FA含量总体则表现为先增加后下降的趋势;添加玉米秸秆土壤PQ值先呈逐渐下降的趋势,到105d时降至最低,之后随着时间延长,PQ总体增加。从不同温度条件看,40℃下培养105~210d时,PQ值均较低。【结论】培养温度越高越利于土壤中SOC、HE和HA的分解与转化,40℃培养条件下玉米秸秆腐解生成的FA最多。     

长期微区试验模拟不同土地利用方式对黑土有机碳与腐殖质组成的影响

为了研究裸地（BS）、植被自然生长地（NG）、秸秆还田裸地（BS+CS）和秸秆还田玉米用地（CS）土壤有机碳和腐殖质组分的变化,以吉林农业大学试验田黑土区12年长期微区试验处理下的土壤为研究对象,研究不同土地利用方式对黑土有机碳及腐殖质组分的影响。结果表明：土壤有机碳含量为NG>CS>BS>BS+CS,植被自然生长地和秸秆还田玉米用地有利于提高土壤有机碳含量。NG土壤可提取腐殖质（HE）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）含量较高,CS土壤HA次之。不同土地利用方式土壤中各腐殖质组分占有机碳的比例为富里酸碳（FAC）<胡敏酸碳（HAC）<胡敏素碳（HMC）。CS土壤腐殖化程度在表层最大,BS在亚表层土壤腐殖化程度明显加快。NG有利于表层土壤HA在土壤有机碳比例的增加,NG不利于表层土壤FA相对含量的增加,CS处理较BS高。植被自然生长地（NG）亚表层土壤FA相对含量降低,秸秆还田玉米用地（CS）提高了土壤HM的相对含量。总的来说,植被自然生长地和秸秆还田用地有利于土壤有机碳和腐殖质组分碳含量的增加,土壤腐殖质化进程加快,但不利于增加土壤腐殖质在...     

不同肥力棕壤玉米根茬和茎叶残体碳氮的固定特征

目的 秸秆还田是增加土壤碳固定和改善土壤养分状况的重要措施之一。研究玉米不同部位残体碳、氮在土壤中的固定特征,明确秸秆还田的土壤增碳培肥机制。方法 以沈阳农业大学棕壤长期定位试验站为平台,采集不施肥和有机肥配施化肥处理的土壤分别作为低肥力（LF）和高肥力（HF）土壤,并分别与¹³C和¹⁵N双标记的玉米茎叶（S）、玉米根茬（R）混合,在25℃条件下进行室内培养试验。试验于第1、30、60、180和360 天取样并测定土壤总有机碳（SOC）、全氮（TN）含量及其同位素丰度,分析玉米不同部位残体碳、氮在不同肥力水平土壤中的固定特征。结果 添加玉米残体显著提高土壤SOC,一年后仍能提高14.0%。添加玉米残体后,土壤系统中有一小部分氮素可能以反硝化方式流失,且外源玉米残体氮和土壤原有老氮均有损失。与添加根茬相比,添加茎叶更有利于外源新碳、氮的增加,而且具有更强的激发老碳、氮分解/损失的效应,不利于土壤老碳、氮的固持;根茬残体则更趋向于被分解,使土壤老碳、氮得到相对的保护和固定。外源残体碳虽然在低肥力土壤中的固定较少,但是对低肥力土壤碳库的提升具有更大的贡献。添加残体后低肥力土壤的C/N和¹³C/¹⁵N（代表土壤中来自于外源残体的C/N）显著高于高肥力土壤。但本研究结果表明¹³C/¹⁵N并不是限制低肥力土壤中残体分解和固定的主要因素,其主要原因可能在于底物长期选择条件下的特异性土著土壤微生物群落较为稳定,对于外源有机质加入的干扰具有抵抗力造成的。结论 土壤中添加玉米不同部位残体均可显著提高土壤碳、氮水平,但其内在的残体新碳/氮和土壤老碳/氮的固定策略相异。低肥力土壤较高肥力土壤对外源碳的固定少,其对不同部位残体的固定在本研究中并不受到来自于外源残留残体C/N的影响。     

不同玉米秸秆还田方式对土壤腐殖质结合形态影响

通过微区试验,研究玉米秸秆4种还田方式对土体联合态腐殖质的含量及组成影响。采用熊毅—傅积平改进法对土壤进行不同结合态的腐殖质提取,再分别测定有机碳含量、胡敏酸含量及富里酸含量。结果表明,秸秆不同方式还田对土壤总有机碳、松结态和联结态腐殖质影响显著。总有机碳、松结态、联结态的碳含量和HA、FA的含量以秸秆混合覆盖还田处理最高,玉米秸秆深还田处理总有机碳、FA的含量与松联结合态的HA含量最低,差异显著;稳结态、紧结态的腐殖质碳和HA含量为粉碎混合覆盖处理最高,差异不显著。不同玉米秸秆还田方式,各腐殖质形态含量各异。秸秆一年内还田以粉碎秸秆与土混合覆盖还田方式整体表现最好。     

Study on Humic Acids of the Soil Applied with Corn Stalk by Spectroscopy Measurements

Spectroscopy measurements （Fourier transform infrared differential spectroscopy, Carbon-13 nuclear magnetic resonance spectrometry, Matrix-assisted laser resorption/ionization-time of flight mass spectrometry） were performed to study the humic acids of the soil applied with corn stalk. The results showed that after incorporation of corn stalks into the soil, the soil humic acid （HA） changed significantly in different stages. During first 60 days, new HAs were formed by polymerization and seems to be similar to that of initial HAs from composting corn stalk, some little molecular organic matters also reacted with soil HAs and turned into parts of soil HAs. After 60 days of the corn stalk residue incorporation, new HAs were formed by polymerization of decomposed lignin molecules, some methylenes transformed into methyls and methoxyls since the 90th day. Application of corn stalk led to the increase of aliphatic components in soil HAs, the decrease in aromatic components of soil HAs and the suppression in oxidation degree of soil HAs. The average molecular weight of soil HAs also declined because of application of corn stalk.     

不同来源胡敏酸的结构表征

本文研究了土壤、泥炭和猪粪胡敏酸(HA)的分子量、元素组成、宫能团含量、红外光谱、差热分析、电子能谱、~1H—NMR和~(13)C—NMR波谱等。结果表明,土壤HA的分子量、氧化程度、缩合度和芳香度均较高。泥炭HA的分子量小,氧化程度低,但其缩合度和芳香度比土壤HA还高。猪粪HA具有典型“年轻”胡敏酸的特点,共分子量、氧化程度,缩合度和芳香度均最低。研究结果还表明,3种HA的脂族结构均>50％,特别是猪粪HA达85.3％;而芳香度均<43％,猪粪HA只有12.7％。因此认为所研究HA的脂族性似乎比其芳香性更为重要并不过分。     

白浆土无机纳米粒子对玉米秸秆腐解产物的影响

 以玉米秸秆为材料,通过室内培养法研究了白浆土B层（地表下100cm）提取出的纳米粒子对不同培养时期玉米秸秆腐解形成的可溶性产物组分含量的影响,并采用傅里叶变换红外光谱法对腐解产物结构组成进行了表征。结果表明：土壤纳米粒子的加入在玉米秸秆腐解培养的整个时期皆明显降低了水溶性有机化合物（WOM）的含量,主要是减少了水溶性胡敏酸（WHA）的含量,而对小分子有机化合物（WLOM）生成则有促进作用。在培养的第18天促进了碱溶胡敏酸（AHA）和碱溶富里酸（AFA）含量增加,在32-78d降低了AHA和AFA的含量。纳米粒子施入明显增加了WHA中羟基、甲基、亚甲基和次甲基含量,增加了碳水化合物和氨基化合物组分,即促进了脂族性高的WHA的生成;促进了AHA中碳水化合物组分的增加,降低了AHA的酸性,但对脂肪链结构组分无明显影响。纳米粒子的加入明显增加了WLOM和AFA的抗分解能力。     

秸秆腐解过程中结构的变化特征

应用尼龙网袋法和傅里叶变换红外光谱分析,研究玉米和大豆秸秆在3种不同试验地(葡萄园、桃园、农田)腐解过程中的结构变化特征,为秸秆还田措施提供理论依据。结果表明,玉米和大豆秸秆的官能团组成具有相似之处,但在3400、1640、1400~1460、1310、1000~1100 cm~(-1)处的吸收峰强度不同,稳定成分存在差异。腐解前后作物秸秆红外光谱吸收峰强度有所改变,随着腐解时间的增加,羟基、酰胺基、甲基、亚甲基和次甲基的含量逐渐降低,羧基增多,有机酸形成,碳水化合物、酰胺类化合物、糖类等逐渐分解。易分解的化合物(如脂肪族结构、酰胺类化合物和糖类)可直接进行分解,部分芳香类等难分解化合物则先分解为羧酸酯类(1725~1735 cm~(-1))、脂肪族类(1450~1460 cm~(-1))等中间产物后再进行分解。1560~1732 cm~(-1)处的肩峰与作物残体中有机酸有关。尿素对玉米秸秆的腐解具有促进作用,且与1310 cm~(-1)处的吸收峰变化有关。作物秸秆还田之后,会向腐植酸方向腐解,其结构变化在不同土地利用类型和干湿处理之间无明显区别(P0.05),与还田作物秸秆种类以及N含量有关。     

玉米秸秆不同还田方式对黑土有机碳组成和结构特征的影响

为研究玉米秸秆不同还田方式对黑土有机碳组成和结构特征的影响,以吉林农业大学微区试验田黑土为研究对象,设置CK(未施用秸秆)、C1(秸秆浅施)和C2(秸秆深还)共3种处理,通过腐殖质组成修改法提取富里酸(Fulvic acid,FA)、胡敏酸(Humic acid,HA)和胡敏素(Humin,HM),IHSS方法提取HA样品,并测定其元素组成、红外光谱和差热性质等结构性质。结果表明:秸秆还田有利于土壤和各腐殖质组分有机碳含量提高,土壤腐殖质PQ值(HA在可提取腐殖质中所占的比例)显著增加;与CK相比,C1处理表层(0~20 cm)的SOC、HA、FA和HM有机碳含量明显增加,分别增加了21.8%、27.3%、11.5%和30%;C2处理亚表层(20~40cm)的SOC、HA、FA和HM有机碳含量显著增加,分别增加了26.3%、32%、13.4%和31.9%。C1和C2处理均使HA的氧化度、缩合度和热稳定性降低,脂族链烃和芳香碳含量增加,结构趋于简单化。这些变化在C1处理中主要体现在表层,与CK相比,C1处理表层HA的(O+S)/C比值降低了11.3%,I2920/I1620的比值增加了23.4%;C2处理主要为亚表层HA结构的变化,与CK相比,C2处理亚表层HA的(O+S)/C比值降低了9.1%,I2920/I1620的比值增加了23%。这一研究结果对阐明土壤培肥机理和指导秸秆还田实践有重要意义。     

添加玉米秸秆对黑土团聚体胡敏酸数量和质量的影响

运用元素分析和红外光谱分析法研究了培养条件下添加玉米秸秆对黑土及其大团聚体(2 000μm和2 000~250μm)、微团聚体(250~53μm)和粉粒+黏粒组分(53μm)中胡敏酸(HA)数量和结构特征的影响。结果表明:添加玉米秸秆增加黑土及其各级团聚体HA数量,且2 000~250μm大团聚体中HA含量最多;大团聚体HA的氧化度和芳香-C提高;250~53μm微团聚体与53μm粉粒+黏粒HA的氧化度和芳香-C降低;黑土及其各级团聚体HA分子缩合度下降,脂族链烃-C增加,脂族链烃-C/羧基-C和脂族链烃-C/芳香-C值均较对照增加,脂族性得到提高。不同粒级团聚体之间相比,大团聚体中HA分子结构是以高的缩合度、氧化度、脂族链烃-C、芳香-C含量为特征;53μm粉粒+黏粒中HA分子结构是以最低的脂族链烃-C、芳香-C、羧基-C和最高的多聚糖-C为特征。添加玉米秸秆增加了土壤HA数量,降低了HA分子结构的缩合度和氧化度,脂族性提高,使土壤HA分子结构"年轻化",活性增强,对于土壤固碳、提高土壤质量具有重要作用。     

Elemental composition of humic acids of sod-podzolic clay loam soil of Cisuralia during long-term use of fertilizer systems

The effect of various fertilizer systems on the elemental composition of humic acids of sod-podzolic soil has been studied in a long-term field experiment. The mineral fertilizer system promoted an increase in carbon content in the peripheral part of humic acid molecules and the organic system some increase in the aromatic part of humic acid molecules, their oxidation, and enrichment with nitrogen. With the organomineral fertilizer system, transformation of humic acids occurred toward an increase in the proportion of aromatic structures against the background of a high content of unsaturated aliphatic radicals.     

腐植酸对土壤砷化学形态及生物可给性的影响

利用in vitro方法研究了腐植酸(HAs)的两种活性组分——富里酸(FA)和胡敏酸(HA)及其不同比例(HA/FA)对土壤As在胃与小肠阶段生物可给性的影响,分析了As的生物可给性与HAs影响下As形态转化的关系。结果表明:在添加量≤1%C时FA和HA均可提高交换态As的分配比例,FA能显著促进土壤As由铝型As和铁型As向残渣态As转化,且随用量的增加转化作用增强,而HA的这种作用强度较弱,在HA添加量为5%C时甚至表现出相反的作用;FA和含3%C的HA处理显著增加了土壤As胃阶段生物可给性,FA和HA均显著增加了土壤As肠阶段生物可给性;HAs添加总量为1%C时,不同HA/FA的HAs均增加了土壤As的生物可给性,HA/FA为5/5时胃肠生物可给性最大,HA/FA为7/3时肠阶段生物可给性最小;HAs对土壤As生物可给性的影响与其影响As形态分布密切相关,在胃阶段对土壤生物可给性As具有显著影响的形态是交换态As和钙型As,单位交换态As对生物可给性As的贡献比钙型As大,在肠阶段对生物可给性As影响显著的是钙型As。     

玉米植株残体腐解过程的化学分析

对玉米植株残体 过程中元素和物质组成的变化进行了化学分析。结果表明：玉米植株各部分残体元素含量和化学组成及其在腐解中的变化是有差异的。但大部分的碳水化合物和脂肪族化合物氧化为ＣＯ２和Ｈ２Ｏ而损失掉。Ｎ肥的加入促进了有机残体的腐解过程。