胡敏酸的荧光特征在中国长期施肥下黑土

文摘

腐殖质物质是土壤肥力的重要指标。胡敏酸的荧光性质从黑土壤在哈尔滨,中国东北,后被调查,长期施肥使用治疗有或没有矿物肥料(氮磷钾)和有机肥料。激发和发射矩阵结合平行因子分析被用来研究腐植酸的结构。主成分分析来选择最合适的参数腐殖酸的描述。原始的降维荧光参数提取两个主成分。通过使用这两个主成分得分作为聚类的新指数,得出长期施肥处理在哈尔滨黑土集群分成三组粪便+氮磷钾复合肥和有机肥治疗,氮磷钾治疗,没有任何施肥和土壤。氮磷钾肥料+施肥和肥料施肥导致的腐殖化程度高于氮磷钾只或控制。我们得出这样的结论:长期施肥与有机物或没有氮磷钾可能增加这些土壤的腐殖化程度。

1。介绍

腐殖质物质是最重要的土壤肥力指标,物理、化学和生物特性影响的土壤1- - - - - -3]。土壤中腐殖质的材料被认为是物理化学共聚化合物的结果来自不同来源(例如,蛋白质、木质素和植物和微生物代谢产物)。腐殖质物质分为几个组件在不同pH值条件。胡敏酸的部分被定义为腐殖质物质溶于稀碱和不溶于稀酸。胡敏酸是一种天然聚合物,造成有机质的分解;尤其是植物是土壤的自然成分。腐殖酸具有复杂的化学性质;这种物质的分子量在5000 - 100000道尔顿4]。胡敏酸的组成、结构和性质是直接关系到土壤肥力和作物产量5]。先前的研究表明,长期施肥黑土有机肥料和化学肥料的结合应用是有利于增加在黑色的土壤微生物数量和酶活性,紧随其后的是单个应用程序的有机肥料。有机肥料和化学肥料的联合应用可能导致减少固氮细菌的数量。(6,7]。长期结合有机肥料和化学肥料的应用有利于土壤有机质的积累和土壤腐殖酸含量的增加8,9]。王等人。10)表明,长期应用有机肥料使胡敏酸的分子结构简单,提高了腐殖酸活动及其简单的分数。应用矿物肥料的结果相反。长期施肥可能影响腐殖酸的内容和结构。然而,不同的施肥方法之间的关系和胡敏酸的合成,特别是黑土壤腐殖酸结构在长期施肥下,仍然需要进一步的研究。本研究全面评估了不同施肥方法对结构的影响腐殖酸在中国东北黑土。在这项研究中,激发和发射矩阵平行因子(EEM-PARAFAC)分析是用来调查胡敏酸的荧光性质。主成分分析(PCA)是用于选择关键参数与胡敏酸的结构,从而可以改变一组潜在的相关变量的一组线性无关的变量没有同时失去原来的变量(11,12]。此外,聚类分析被用来区分不同施肥方法对胡敏酸的影响。这种综合评价方法可能有助于确定最优施肥方法对影响腐殖酸结构和功能在中国东北的黑土。

2。材料和方法

2.1。研究网站

实验地点是位于哈尔滨,黑龙江省,中国东北(45.44°N, 126.39°E)。这个地区的气候是温带大陆性季风气候,年平均温度4.2°C,年平均降雨量532毫米。土壤样本中收集重点野外科学观测试验站黑土生态环境的农业部、哈尔滨,成立于1979年。这些黑色的土壤是黑土土壤分类根据方面。

2.2。实验设计

这个实验包括四个受精治疗:控制治疗(CK):土壤没有受精;土壤矿物氮磷钾施肥处理(氮磷钾):只有氮磷钾肥料;有机肥处理(OM):土壤只有肥料应用;和氮磷钾肥料+施肥处理(MNPK):土壤氮磷钾化肥和粪肥。土壤氮磷钾和MNPK治疗,提供150公斤公顷⁻¹N, 75公斤公顷⁻¹P₂O₅,75公斤公顷⁻¹K₂o . OM和MNPK治疗,提供75公斤哈马粪⁻¹N(18600公斤肥料公顷⁻¹)。的治疗被随机安排三个复制;每个情节包括8行,6米长70厘米的行间距。耕作制度是wheat-maize-soybean旋转自1979年以来,与第一批大豆。肥料应用的每个时期wheat-maize-soybean旋转和合并到土壤后立即应用程序。表层土壤样品收集在0-20 cm层收获后从2003年到2013年。

2.3。胡敏酸的提取和检测

吴的腐殖酸后提取方法et al。13]。简单地说,2 g 0.1 Na样本混合解决方案₄P₂O₇h·10₂在1:10 0.1 O和氢氧化钠(w: v)用颤抖的24 h和转速200转。离心(11000转/ 15分钟)后,上层清液过滤是0.45μ米微孔膜。胡敏酸的分离是如下:上层清液的pH值调整到1.5 6 M盐酸和样本被允许代表12 h在4°C。胡敏酸被分离在11000 rpm 15分钟离心分离沉淀的上层的腐殖酸。获得的腐殖酸与0.1 HCl去离子水清洗几次,然后用0.05 NaHCO溶解₃。总有机碳(TOC)分析了腐殖酸的TOC分析仪(N / C 2100年,耶拿公司的德国)。所有的分析进行了一式三份的平均值计算。

2.4。荧光特征参数选择和统计处理

胡敏酸的荧光特性测量使用发光光谱仪LS50B(珀金埃尔默,沃尔瑟姆,妈,美国)。据崔et al。14],胡敏酸的浓度稀释至相同水平的10 mg / L减少的影响样品中不同腐殖酸浓度对荧光强度的贡献和内心的过滤效果。发射波长在250 - 600 nm范围收集2 nm增量,而激发波长从200年到550年逐渐增加10 nm的增量。扫描速度是2400 nm分钟−1。平行因子分析(使用PARAFAC模型)进行了MATLAB 2013 DOMFLuor工具箱。参照之前的研究结果(15),一些荧光特征参数选择评估的腐殖化程度四个治疗方法:荧光指数f450/500,代表排放强度的比率在450 nm和500 nm 370海里激发;I436 / I383,荧光强度的比率在436 - 383海里;荧光强度的比率在454 - 399海里I454 / I399从synchronous-scan激发的光谱模式计算获得;308和363 nm之间的发射光谱带称为fulvic-like地区(FLR),以及363年和595年之间的发射光谱带纳米humic-like地区(HLR);腐殖化指数A4 / A1是比第一季度的最后一个季度370 - 600 nm的发射光谱,而(C2 + C3 / C1的比率PARAFAC组件,C1代表一种蛋白质像物质,C2代表humic-like组件,C3异型生物质组件(16]。

2.5。统计分析

这些荧光特征参数进行分析利用主成分分析和聚类分析与SPSS 19.0软件(美国IBM)。胡敏酸的动力学和起源Pro 2015的腐殖化程度进行了分析。EEM-PARAFAC分析被用来获得腐殖酸特性的详细信息。

3所示。结果与讨论

3.1。胡敏酸的结构特点

PARAFAC模型是基于分半分析和残留分析。三个荧光组件在不同治疗方法被PARAFAC识别模型。如图1、组件C1展出一个荧光峰的激发/发射波长对270 nm / 440 - 490 nm。组件的C2由两个励磁最大值280 - 320和380 - 410 nm的排放最大在460 - 500海里。先前的研究表明,该组件与大奈米和疏水性化合物(17,18]。组件C3激发/发射范围235,290和450 nm / 530海里。从C1到C3,组件的结构变得越来越复杂。虽然胡敏酸的荧光信号成分在不同治疗方法是类似的,各种组件的荧光强度变化与不同的治疗方法。

最大荧光强度(Fmax)每个PARAFAC组件是用来跟踪不同的荧光团团体的行为在腐殖酸(图2)。组件的Fmax值C1和C2 OM,氮磷钾,和MNPK治疗明显高于CK,表明施肥可以提高组件C1和C2的形成。关于组件C1,氮磷钾的Fmax价值显示在所有治疗的最大,而关于组件C2, Fmax MNPK之间没有明显差异,氮磷钾,OM。至于组件C3, Fmax MNPK值略高于CK,而其他两个治疗的Fmax值略低于CK。

3.2。选择荧光参数

大量的参数描述在材料和方法部分,即。f450/500,我_436年/我_383年,我_454年/我_399年FLR HLR,₄/一个₁(C2 + C3 / C1,被用来进一步描述胡敏酸的结构属性。这些参数可以反映胡敏酸的变化例如芳香性及其分子量。荧光光谱的特征之间的相关性,包括意义的水平,如表所示1。尽管有显著的积极或消极的这些参数之间的相关性,可能重叠的信息,如果我们直接使用这些指标进行分析。主成分分析和聚类分析的方法可以避免这些限制和被用来选择关键参数与腐殖酸的结构。

主成分分析的核心是提取和减少数据的维度和复杂的多个指标转化为几个综合指标。这些指标可以最大限度地保留原始数据的信息。正常化的PCA消除数量级差异的影响荧光特征参数,从而使结果更加平衡。得到两个主要组件,分别覆盖79.9%和11.8%的方差(表2);这两个组件包含最原始的索引信息。

我_436年/我_383年,我_454年/我_399年FLR HLR,₄/一个₁,(C2 + C3 / C1是积极相关的第一主成分的主要因素。这些因素反映了向前的腐殖化过程;指标的值越大,腐殖化程度越高。FLR和f_450/500是相关的消极第一主成分的主要因素。我_436年/我_383年和f_450年/_500年有关积极第二主成分。每个特征的特征向量参数(表3)代表了原始指标的重要性程度。特征向量的值也可以用来计算主成分综合评价的价值。

的分数值在每个主成分(图四个治疗3)表明,CK处理最低分数,这是-在两个主成分。其他三个受精治疗显示不同的排名第一和第二主成分,虽然都是积极的:氮磷钾和OM治疗高第一个组件,但低在第二个组件,而MNPK治疗的情况则正好相反。MNPK治疗的综合得分是最高的,这表明MNPK治疗上最伟大的总体影响土壤(图3)。

3.3。聚类分析不同施肥的治疗

聚类分析被用来分类四个治疗组根据腐殖化程度。前两个主成分的得分作为新指标分离四个受精治疗。四个治疗(图被分成三组4(一)):(i) MNPK OM;(2)氮磷钾和(iii) CK基于腐殖化的变化。在受精过程中,A4 / A1的腐殖化指数(C2 + C3 / C1, f450 / f500 FLR, HLR, I436 / I383, I454 / I399改变明显(图4 (b)- - - - - -4 (h))。其中,f450 / f500和FLR呈负和腐殖化程度的关系,而其他人则是积极的。因此,在所有治疗的腐殖化程度增加,但它们之间有差异。A4 / A1,腐殖化度增加了13.4%,29.6%,18.9%,32.7%,治疗CK, MNPK,氮磷钾,OM,分别;即。,the humification degree in MNPK and OM was higher than in CK and NPK. The other humification indices exhibited similar trends, except for (C2+C3)/C1, for which CK was almost equal to OM. Overall, the humification degree in MNPK and OM was higher than in CK and NPK. Combining this result with Figure4(一),我们可以把治疗分成三组根据他们的腐殖化程度:MNPK和OM >氮磷钾复合肥> CK。MNPK和OM治疗从而腐殖化度最高,列为第一级。第二层次是氮磷钾复合肥处理,第三层次是CK处理,这是最低的腐殖化与其他三个受精治疗。

EEM-PARAFAC检测胡敏酸的结构特征进行不同治疗(下2]。结果如图2表明治疗MNPK、氮磷钾和OM显著增加C1和C2的内容与CK相比,这意味着大奈米和土壤中疏水性化合物的内容增加。

的荧光特征参数选择显示一些相关性。本研究减少了尺寸和分析两个主要组件使用PCA的荧光信号。累计贡献是91.5%不丢失原始信息。这两个主成分可能与腐殖化的差异。的腐殖化指数 ,HLR, (C2 + C3 / C1,₄/一个₁是积极影响第一主成分的主要因素,而f_450/500可能有消极和FLR是主要的影响因素。前者可以被视为积极的指标,后者-土壤肥力的指标。第一主成分的变化积极反映土壤腐殖化的过程,并与土壤样本的结构密切相关。胡敏酸的结构越复杂,腐殖化程度越高(19]。

四个治疗可分为三组使用聚类分析基于不同的腐殖化指数的值:MNPK和OM第一组;氮磷钾是第二组;第三组CK。腐殖化指数表明,腐殖化程度最高MNPK或OM受精。有两种治疗方法在第一级,其中MNPK受精导致腐殖化度高于OM受精。结果表明MNPK施肥可以解决问题引起的营养不足OM单独或化学施肥造成的土壤酸化和压实,所以它是更有效地提高土壤质量和土壤肥力(20.- - - - - -22]。

在农田生态系统、农用薄膜、污水、大气沉积的主要来源是土壤中塑料微粒(23]。塑料微粒在土壤吸附有机污染物和重金属在土壤中,但它们的分解也会对生态环境构成威胁(24]。塑料微粒残留在土壤造成农业塑料薄膜可以显著降低土壤中碳和氮循环基因的表达,减少土壤碳和氮含量,降低土壤肥力和作物产量25,26]。一些研究表明,土壤肥力的提高可以减少塑料微粒的污染的土壤中,抑制其迁移(27]。在这项研究中,施肥改变了土壤胡敏酸的荧光特性和腐殖化程度增加。腐殖质含量和腐殖化程度的增加会增加塑料微粒对重金属的吸附能力和减少环境污染28]。

4所示。结论

本研究的维度降低6荧光指标和使用PCA提取的两个主要组件。这些反映了约91.7%的原始信息。EEM-PARAFAC结果表明治疗MNPK,氮磷钾,OM显著增加的内容大奈米和土壤中疏水化合物。聚类分析表明,四个治疗方法分为三个层次:第一层是MNPK OM,第二次是氮磷钾,第三是CK。荧光分析和聚类分析表明,MNPK和OM治疗增加土壤腐殖质与土壤肥力的腐殖化程度和增强土壤迁移的规定和塑料微粒的吸附性能。总之,OM或MNPK施肥更适合在中国东北黑土。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

我们感谢刘Jihong克拉克博士研究教授协调。这部分工作是由中国国家自然科学基金(41771284),国家重点研发计划(2017年2018 yfd0201001 2018 yfd0201004, yfd0200803),大豆产业技术体系(CARS-04-01A)和国家自然科学基金委黑龙江(ZD2017008)。

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