荧光光谱和¹³C NMR光谱特征的HA黑土玉米秸秆不同恢复模式

文摘

进行了一项为期三年的田间试验,分析秸秆的影响浓缩和深度整合的腐殖质组成和结构在黑色的土壤腐殖酸(HA)。HA结构之间的差异不同的稻草返回方法被三维荧光光谱和检测¹³C NMR技术。本文的目的是提供一个理论基础和数据支持改善稻草返回系统。四种不同的治疗方法,包括没有稻草应用(CK),秸秆覆盖(SCR),稻草深耕(MBR),和稻草浓缩和深度整合(基准:收获的玉米秸秆四行一起回转板倾角,然后压碎埋葬在一行20∼40厘米深水平风力的底土输入圆柱犁),被用于这项研究。我们的研究结果表明,与CK处理相比,基准显著增加的内容有机碳(SOC)、土壤腐殖酸碳(HAC),富里酸碳(FAC)和腐殖质C内容(HM-C)地下土层27.47%,34.33%,19.66%,和31.49%,分别。在所有的草治疗,返回基准治疗最重要的影响在增加HEC的内容,HAC和前沿空中管制官。稻草返回不仅减少了HA结构的凝结和氧化程度也增加的比例烷基C和增强地下土壤中HA的疏水性结构。此外,基准处理显著增加脂肪的比例C / HA结构的芳香C在地下土壤和提高了脂肪族的哈,有显著影响HA结构相对于其他治疗方法。

1。介绍

近年来,由于长期密集的农业生产和土壤侵蚀、土壤有机质含量和腐殖质在中国东北的黑土质量大幅下降,导致土壤浅层(1)和穷人cultivability的土地。此外,玉米秸秆整合是有效增加土壤有机碳(2)和腐殖质C内容(3],深化土壤腐殖化的程度[4),和提高HA结构。陈等人表明,稻草返回增加了脂肪族组HA分子结构,减少了HA的凝结和氧化程度的结构,并使HA结构更多的油脂的和简单的5]。

土壤有机碳(SOC)池是最大的陆地碳池,和70 - 80%的SOC是腐殖质组成的6]。胡敏酸(HA)的主要成分是腐殖质(7]。此外,组成,结构,性质的HA与土壤的施肥特点有关。稻草回到这个领域可以提高土壤肥力,增加土壤有机质的含量。不同的稻草返回方法有不同的影响土壤腐殖质的组成和HA的结构。研究表明,秸秆覆盖有利于有机碳的积累和腐殖质物质C含量(8)和增强官能团,如脂肪族羟基、甲氧基、羧基组表面土壤(9),但秸秆覆盖也影响出苗率和使耕作困难10]。稻草回归方法已经被开发出来,也就是说,稻草浓缩和深度整合(基准),包含(1)斜的玉米秸秆在一起的比例进行4:1指式排种盘的倾角;(2)粉碎玉米秸秆,埋到地下,20∼40厘米深与风力输入圆柱犁沿着指定的条;(3)播种到带与带之间没有稻草埋在稻草nontillage播种机埋在一个正常的方式,实现分离的播种条(窄行)(宽行)用稻草埋在一个广义和狭义行交替种植模式。Zuber等人表明,稻草深耕有更好的影响土壤有机质的积累比秸秆覆盖(11),也会增加他和HA的有机碳含量(12]。秸秆深公司也可以显著增加土壤地下活性有机碳的含量(13),深化土壤腐殖化程度(14),减少HA结构缩合、氧化的程度,和增加脂肪链碳氢化合物和芳香族碳的内容。张等人表明,秸秆深公司积累土壤有机碳和土壤腐殖质组分碳含量在不同层和提高了HA的芳香性和疏水性分子(15]。艾尔等人相比土壤胡敏酸的结构的变化在应用农作物秸秆,枣叶,动物粪便固态-¹³C NMR。他们的研究结果表明,作物秸秆的脂肪含量最高和脂肪族最强的内容(16]。陈曦等人表明,稻草返回可能增加烷氧基碳在土壤有机碳的相对含量¹³C NMR研究[17]。

如今,三维荧光光谱和¹³C NMR技术被用来研究秸秆的影响返回腐殖质组成和HA结构。先前的研究主要集中在秸秆覆盖和稻草浅应用土壤有机碳的积累和表层腐殖质C [8]。然而,稻草浓缩和深度整合的影响(基准)对土壤腐殖质组成和HA结构还知之甚少,HA结构基准之间的差异和其他回归的方法。解决这个问题,我们进行了三年的田间试验(i)确定SOC内容,(ii)描述腐殖质组成和C含量,和(3)比较哈结构的变化由三维荧光光谱和不同的回归方法¹³C CPMAS NMR技术。为了提供了理论依据和数据支持的改善稻草返回系统,本文重点讨论的亲水性和疏水性的影响HA对土壤结构的稳定性。

2。材料和方法

2.1。实验地点

的实验是位于试验站在Jiutai区农业技术推广中心,吉林省长春市(44°08年′N, 125°50′E)。实验土壤分为Argiudolls。采样的土壤的基本性质如表所示1。

2.2。实验设计

实验采用广义和狭义行种植。脊高度是12厘米,行距是40厘米。种植密度是65000 /嗯²。四个治疗组随机三个复制。CK:没有稻草应用;可控硅:玉米秸秆是均匀放置在土壤表面;MBR:玉米秸秆是均匀放置在土壤表面,和草深将回到25 - 30厘米土层的领域;基准:玉米秸秆收获从四行指式排种盘耙然后被埋在一行20∼40厘米深水平风力输入圆柱犁深耕。玉米秸秆在所有三个机械粉碎玉米秸秆的治疗方法。实验选择字段种植;每个治疗区域是1334米²。每个情节都有相同的施肥率:200公斤·N·哈⁻¹,100公斤·k·哈⁻¹,100公斤·Pha⁻¹。

2.3。土壤采样和分析

玉米收获后土壤样本收集在2019年11月。对于每一个治疗,收集土壤样本的每个情节复制三分。采样深度0-20厘米,20 - 40厘米。每个土样被风干,经过2毫米筛去除植物中提取土壤的残留公顷。

2.4。实验室分析

使用K SOC决心₂Cr₂O₇外部加热的方法。使用碱碱中毒N测定扩散法;可用P使用bicarbonate-molybdenum锑钠比色法测定;可用K使用火焰光度计测定,由pH值测量仪(18]。

腐殖质组成进行了分析后,国际腐殖质物质社会方法(19]。顺序,5 g的土壤样本中提取与30毫升蒸馏水,然后30毫升为0.1 N混合碱(氢氧化钠+ Na的解决方案₄P₂O₇在70°C)连续晃动一个小时。浮在表面的腐殖质可榨出的(他)的物质。30毫升他酸化pH值1公顷分开腐殖质富啡(FA)。降水是保留HA和FA仍然在解决方案。0.05公顷重新溶解,摩尔·L⁻¹氢氧化钠。

HA隔离和净化处理使用过程国际腐殖质物质社会所描述的过程描述Kuwatsuka et al。20.]。简单地说,50克的土壤样本与盐酸脱钙;然后,残留物被氢氧化钠溶液提取,并允许站在一夜之间。上层清液浸泡在高频的混合物,HCL溶液移除灰,电渗析分离,冻干。

2.5。描述的哈

HA元素成分,如C, H, N, O,是由一个不同的EL三世元素分析仪。荧光光谱得到的浓度100毫克L⁻¹(pH值调整到8.0和0.05 M氢氧化钠)。该EEM光谱是记录的发射波长介于300和600海里,而激发波长顺序从250提高到550纳米。emission-excitation缝固定在5 nm带宽和扫描速度设定在12000 nm分钟⁻¹。的固态¹³C NMR光谱获得的土壤样本的皇冠三世400年世行光谱仪在100.6 MHz的旋转速度8 kHz,收购34女士,5 s的回收时间,接触时间2 ms。化学位移值是外部引用的亚甲基共振金刚烷标准为38.4 ppm。Semiquantification是由集成使用城区新星14.0软件(21]。

2.6。统计分析

使用SPSS 21.0软件进行方差分析。统计学意义差异玉米秸秆返回模式意味着评估使用最少的显著差异水平的测试 。

3所示。结果

3.1。SOC和腐殖质C

土壤C数据内容为每个治疗呈现在图1。与CK处理相比,可控硅,MBR和基准治疗表面土层SOC含量增加了12.65%,10.07%,和8.38%,分别。土壤深度在20 - 40厘米,SOC的内容增加了以下趋势:基准> MBR >可控硅> CK。所有的玉米秸秆处理地下土层中SOC含量增加了2.89%,18.29%,27.47%。因此,它可以看到,对于不同的稻草返回治疗,基准有更重要的累积效应在地下有机碳含量。

腐殖质分数数据展示在表为每个治疗2。腐殖质的分数,基准处理显著增加腐殖质部分的内容(HEC) 20 - 40厘米,土壤腐殖酸碳(HAC),富里酸碳(FAC)和腐殖质C内容(HM-C) 34.33%, 19.66%,和31.49%,分别比CK。PQ值是HA在腐殖物质的比例,这可能反映了SOC的腐殖化程度。与CK相比,稻草返回字段的处理增加了PQ土壤不同程度的价值。地下土壤的基准治疗增加了PQ价值最多,这与CK相比从62.71%上升到65.39%。

3.2。HA的元素成分

从表可以看出3HA的元素主要是由C、O、C的内容范围从482.1 g公斤⁻¹512.9 g公斤⁻¹和O内容范围从422.5 g公斤⁻¹479克公斤⁻¹。玉米秸秆返回后,内容的C, H,公顷增加和N, O减少的内容。在所有的治疗中,基准处理显著增加了C、H和N含量在20 - 40厘米深度。表层土,H / C比值增加趋势的可控硅> MBR >基准> CK,而O / C比下降趋势的CK >基准> MBR >可控硅。底土,H / C比值增加趋势的基准> MBR >可控硅> CK,而O / C比下降趋势的CK >可控硅> MBR >基准。

3.3。三维荧光光谱甚麽公顷

稻草返回模式的三维荧光光谱中显示数据2和3。似乎所有的荧光光谱的HA展出三荧光团(峰a - c)。这三种荧光团都集中在Em /交货的430 - 500/470 - 550 nm波长峰值,峰值B 340 - 370/490 550海里,550 nm和270 - 340/460峰值C,这可能是与腐殖物质的量有关。在所有的治疗,荧光强度最高的山峰得了记录下基准在20 - 40厘米,和最低的CK 0-20厘米。一般来说,更高的荧光强度表明更大比例的羟基,烷氧基的,甲氧基(22]。结果表明,基准治疗在FI与CK相比略有增加,这意味着稻草浓缩和深度整合更有利于提高秸秆分解和土壤HA形成比其他疗法(表4)。

3.4。¹³C NMR光谱公顷

的¹³C NMR谱图HA为每个治疗4。光谱可分为4个主要的共振区域,即烷基C (0∼50 ppm),烷氧基C (50∼110 ppm),芳香C (110∼160 ppm),羧基C (160∼200 ppm) (23]。烷基的山峰30 ppm C地区分配as-CH2 -。达到55∼56 ppm O-alkyl C地区被木质素的甲氧基C。峰值在70∼73 ppm和104∼105 ppm是碳水化合物的C和过氧化氢在多糖,分别。高峰在128∼130 ppm芳香C地区是归因于芳基C .高峰在171∼173 ppm羰基C地区是羧酸的象征,酰胺,酯(24]。所有治疗的HA的光谱的形状显示相似的倾向;然而,吸收峰强度显著不同。表示,尽管哈也有类似的结构,HA结构改变了稻草后返回。

HA组对不同治疗的相对强度如表所示5。与CK相比治疗,所有的草返回治疗增加了烷基C,而O-alkyl C下降。可控硅,MBR和基准治疗是0.77%,4.39%,和16.80%高于CK治疗烷基C和3.11%,5.26%,和8.24%低O-alkyl C。这些结果表明,玉米秸秆返回不利O-alkyl C的积累;不过,基准是有利于形成烷基C .此外,基准治疗降低芳香族C土壤HA含量1.72%。此外,与CK相比,基准羰基C治疗没有显著差异;可控硅治疗比CK高2.10%。然而,MBR处理下降了1.72%。烷基的比例/ O-alkyl和疏水/亲水,玉米秸秆返回治疗都高于CK,和基准有较高的增长率(27.28%和5.87%)。高脂族C /芳香C比率表明,HA更脂肪族,和基准更有利于提高秸秆分解和HA形成比其他治疗方法。

4所示。讨论

4.1。玉米秸秆返回SOC和腐殖质C含量增加

土壤储存大部分生态系统碳有机物的形式(25),腐殖质是最丰富和土壤有机质的重要组成部分7]。因此,腐殖质是一个重要的指标来评价土壤肥力(26]。Zhang et al。27]发现稻草返回可能增加SOC和腐殖质的含量,提高土壤肥力。

三年后,玉米秸秆返回显著提高SOC, HAC, FA-C, HM-C在土壤深处(表内容2),与以前的研究一致28- - - - - -30.]。秸秆含有碳、氮、磷、钾、其他营养物质(31日和一定数量的腐殖质分数1]。因此,它的应用增加了腐殖质含量C通过茎和根分泌物32),降低了土壤有机碳含量的直接矿化。Lhadi等人报道,玉米秸秆的降解导致腐殖质的形成(33]。土壤中的腐殖质C坚持一段时间,然后增加了土壤碳封存和腐殖质组成内容。它导致了HA / FA比的增加,这说明土壤的腐殖化程度进一步深化(3]。在所有的治疗,基准更有利于提高SOC, HAC, FA-C底土(表中内容2)。以前的研究已经表明MBR的有机碳含量高于可控硅的底土(34),由于玉米秸秆不能完全与土壤混合下可控硅治疗,和减少土壤微生物的分解率35]。的过程与MBR相比,深埋下的稻草基准处理扰乱土壤的表层下,刺激微生物活性(36),增加他们的代谢率(22和增加土壤容易可氧化的碳37]。后者过程增加土壤碳源。稻草返回字段可以促进碳含量的显著增加哈,FA,嗯,虽然PQ值略有增加,但变化不显著,表明土壤熟化程度和土壤的肥力状态转换稻草返回后在适当的方向(15]。

4.2。玉米秸秆返回降低氧化程度和缩合程度的哈

结果表明,玉米秸秆返回HA的H / C摩尔比率增加,降低了O / C摩尔比率的HA(表3),这表明,稻草返回降低缩合程度和氧化程度的HA HA的结构和简化了结构。陈等人报道,缩合程度和氧化程度的HA结构在土壤减少秸秆应用程序(5),由于微生物活动的推广秸秆应用程序后,和过程中微生物代谢分解,HA与土壤中复杂结构分解,减少了HA的稳定结构(38]。此外,新成立的HA含氧官能团的数量在秸秆分解的过程中是少39),减少了HA的氧化程度和HA的结构更简单和更年轻。

4.3。玉米秸秆返回增加了HA的疏水性

荧光光谱可以用来测量化合物的结构和性质,确定腐殖质的官能团结构(40,41]。我们的研究表明,HA土壤结构的疏水性增强稻草后返回。在我们的研究中,秸秆应用与CK相比,峰的强度增加到C,这表明玉米秸秆的应用包含更多电子基取代基如羟基、甲氧基、氨基(42),他们可以增加荧光强度通过增加单重态之间的跃迁概率和基态(43]。高等人表明,稻草返回字段可以改善土壤,发现土壤有较高含量的烷氧基碳和甲基碳(22,44),而从木质素聚合甲基C是转换45),是一种疏水性物质。因此,返回稻草增强了疏水性的哈。

考虑到复杂的元素分析和荧光光谱的峰作业哈,我们使用固态HA结构特点进一步评估¹³C CPMAS NMR技术。不同的方式返回稻草领域导致了不同的官能团结构的变化,主要表现为芳香碳的变化,碳烷基,烷氧基碳,羧基碳。烷基C(脂肪族化合物、甲基C等)是土壤碳化合物难以降解。因此,秸秆的应用导致的增加烷基C社区和微生物结构(46]。O-alkyl C的分解纤维素和半纤维素主要是由于这样的事实,在植物残留很容易被微生物代谢利用有机碳官能团。烷氧基C的相对含量略有增加秸秆返回后,虽然在玉米秸秆分解的快速阶段,植物残体中的O-alkyl C将很快失去了进入土壤,导致相对较低的烷氧基C[内容47]。芳香C(主要来自丹宁酸和木质素)相对稳定。结构基准的减少可能是由于有氧降解木质素的白腐病和褐腐病真菌通过脱水、脱甲基,或者乳沟的β-O-4债券(48]。羧基碳主要来自羧酸、酰胺和酯类49]。增加羧基C下可控硅治疗可能与木质素侧链的氧化和多糖(39]。HA的疏水性是由疏水的比值C(烷基芳香C和C)亲水C(烷氧基C和羧基C)。比例越高,疏水性越强,土壤的稳定性越强哈(50]。

4.4。不同的回归方法对土壤的影响HA结构

研究表明,疏水性是有意义的对维持土壤有机碳的稳定性(50]。我们的研究结果表明,秸秆还增强了疏水性的HA结构,和基准的治疗是最有效的(表5)。研究表明,高烷基C和低芳香C的比例使土壤有机质年轻(51]。这意味着HA基准下年轻的治疗。高脂族C /芳香C比率显示(表5),HA高度脂肪族基准下治疗,使HA的结构简单。相反,芳香性是提高MBR和可控硅的治疗下,展示一个更复杂的结构。因此,稻草埋在地下的土壤增加了土壤可氧化的碳,会刺激微生物活性,加速微生物的代谢率,并促进HA的分解。

5。结论

在这三年的学习,¹³C NMR光谱和三维荧光光谱是适应HA稻草后返回分析土壤的结构。这项研究得出结论如下:(我)添加玉米秸秆在土壤显著提高SOC含量和腐殖质组成。与其他治疗方法相比,最大基准积累了大量的SOC和C腐殖酸的内容,特别是在地下土层。(2)在四个治疗,基准是最有利的方式提高HA的疏水性结构,使它更稳定,提高土壤固碳能力。

数据可用性

期间产生的所有数据或分析本研究文章中是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家重点研究和发展项目的中国(2017 yfd0200601),吉林省的主要研究和开发项目(20200402098数控),以及中国的国家自然科学基金(42077022)。作者感谢l·c·明博士和张。y冯对他们有价值的建议¹³C NMR光谱分析。

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