摘要
为明确不同秸秆还田方式下土壤有机碳组分的变化特征，基于 7 年秸秆还田长期定位试验，利用三维荧光光谱技术，对照（CK，无秸秆还田）、FG（秸秆覆盖还田）、FM（秸秆翻埋还田）和 FH（秸秆碎混还田）处理下土壤有机碳含量及富里酸含量及结构特征进行了分析。结果表明：（1）不同秸秆还田方式在表层（0 ～ 10 cm）更有助于土壤有机碳和富里酸含量的积累，其中以秸秆覆盖还田处理最佳，秸秆翻埋还田次之，比 CK 处理的有机碳含量和富里酸含量分别提高 16.86%、16.80% 和 67.30%、57.21%。FG 和 FH 处理在 30 ～ 40 cm 土层土壤有机碳含量分别降低了 7.67% 和 3.68%。FG 处理在亚表层（20 ～ 30 和 30 ～ 40 cm）富里酸含量有所降低，FH 处理在 30 ～ 40 cm 土层土壤富里酸减少了 25.19%；（2）土壤腐殖质中富里酸来源受自生源和外生源共同作用的影响，FM 处理在 4 个土层的荧光指数、生物指数、腐殖化指数分别较 CK 相比均有所提升。说明此处理在不同土层土壤腐殖化程度更高，稳定性更好；（3）三维荧光光谱和荧光区域积分表明，FM、FG 和 FH 处理均使腐植酸类物质增加，腐殖化程度较高，结构较为复杂。本试验区共识别出 3 个荧光组分，其中组分 C1［激发波长（Ex） / 发射波长（Em）=330/410］和 C3（Ex/Em=270，370/460）同为腐植酸类物质，主要来源于高等植物腐解产生的有机物；组分 C2（Ex/Em=230，260/415）为富里酸类物质；组分 C3 含量相对含量越高，土壤腐殖化程度越高。与 CK 相比，FM 处理的 C3 组分含量相对含量在 4 个土层升高了 3.8% ～ 15.44%。综上所述，秸秆翻埋还田在增加土壤腐殖化程度和加强土壤的供肥能力方面最佳。
Abstract
In order to clarify the changes in soil organic carbon components under different straw returning methods，this study was based on a 7-year long-term positioning experiment of straw returning. Three-dimensional fluorescence spectroscopy technology was used to analyze the soil organic carbon content，fulvic acid content，and structural characteristics under CK （no straw returning），FG（straw covering returning），FM（straw burying returning）and FH（straw mixed returning） treatments. The results showed that：（1）Different straw returning methods were more conducive to the accumulation of soil organic carbon and fulvic acid content in the surface layer（0-10 cm）. Among them，straw covering returning treatment was the best，followed by straw burying returning treatment. Compared with CK treatment，the organic carbon and fulvic acid content increased by 16.86%，16.80% and 67.30%，57.21%，respectively. FG and FH treatments reduced soil organic carbon content by 7.67% and 3.68% in the 30-40 cm soil layer，respectively. FG treatment reduced the content of fulvic acid in the sub surface layer（20-30 and 30-40 cm），while FH treatment reduced the content of fulvic acid in the soil layer of 30-40 cm by 25.19%.（2）The sources of fulvic acid in soil humus were influenced by both endogenous and exogenous sources. FM treatment showed an increase in FI，BIX and HIX in the four soil layers compared to CK. This indicated that FM treatment had a higher degree of soil humification and better stability in different soil layers.（3）The three-dimensional fluorescence spectrum and fluorescence region integration indicated that FM，FG and FH treatments all increased humic acid substances，resulting in a higher degree of humification and a more complex structure. Three fluorescent components were identified in this experimental area. Among them，Component 1（Excitation/Emission=330/410）and Component 3 （Excitation/Emission=270，370/460）were both humic acid substances，mainly derived from organic matter produced by the decomposition of higher plants；Component 2（Excitation/Emission=230，260/415）was a fulvic acid substance；The higher the relative content of Component 3，the higher the degree of soil humification. Compared with CK，the relative content of Component 3 in FM treatment increased by 3.8%-15.44% in the four soil layers. In summary，burying and returning straw to the field was the best way to increase soil humification and enhance soil fertility.
土壤富里酸（FA）是土壤腐殖质的重要组成部分，对农田土壤碳循环、提高作物对氮、磷、钾等营养元素的吸收及利用效率和改善土壤理化性质有重要的作用[1]。近年来，玉米秸秆和根系还田作为培肥土壤、增加土壤有机碳和腐殖质的重要措施已经得到广泛推广和应用，李艳等[2]研究表明，秸秆有机肥替代 50% 无机肥提高了土壤富里酸含量和土壤腐殖化程度。周鑫[3]研究认为，麦秸还田配施化肥可以增加土壤富里酸碳含量，并使富里酸结构简单化。陆水凤等[4]研究结果表明，玉米秸秆配施菌剂后可以加速矿物质的分解，促进养分释放，使富里酸在化学结构上的芳香性较强。还有研究结果表明，玉米秸秆深度还田可有效增加土壤肥力，改善腐殖质组成，表层和亚表层富里酸有机碳含量有所增加[5]，且显著提高了富里酸色调系数的值[6]。黑龙江省西部黑土区是我国的主要玉米产区，土壤肥力的保持和提高影响着我国粮食安全。近年来，由于化肥过度施用和不合理的机械耕作，土壤有机碳含量及品质均呈下降趋势，威胁着粮食生产及土壤生态环境[7]。因此， 改善土壤肥力、创造良好的土壤环境对农业生产具有重要意义。有研究表明，在有效分析土壤有机碳的表征上，三维荧光光谱和平行因子分析法可以将复杂的三维荧光光谱分解为单独的荧光成分，并减弱荧光化合物之间的干扰，已成为解析腐植酸类物质结构、组成特性的重要资料和方法[8]。以往研究报道对应用荧光光谱探明不同秸秆还田方式对土壤富里酸荧光特性和结构特征的影响关注较少，基于此，本研究以三维荧光光谱技术和平行因子分析方法对长期秸秆还田下不同耕作方式对土壤有机碳及富里酸含量的影响，探究土壤富里酸的含量和结构对不同秸秆还田方式变化的响应，分析对土壤富里酸结构特性、荧光特性的影响差异，为黑土区地力提升和秸秆综合利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院长期定位试验基地（47°16′N，123°41′E）进行。该地区地势平坦，属于中温带大陆性季风气候，年平均降水量 400 mm，雨热同期，降水主要分布在 5—10 月。试验地土壤类型为碳酸盐黑钙土，0～20 cm 土层土壤基本理化性质：碱解氮 100 mg·kg-1，有效磷 16.9 mg·kg-1，速效钾 134 mg·kg-1，有机质 26.5 g·kg-1，pH 7.82。
1.2 试验设计
秸秆还田定位试验始于 2016 年，至 2022 年已持续 7 年。采用大区对比设计，设置对照（CK，秸秆不还田）、FG（秸秆覆盖还田）、FM（秸秆翻埋还田）、FH（秸秆碎混还田）4 个处理。FM 处理：机械收获时秸秆粉碎，秸秆粉碎长度≤ 10 cm，并在土壤结冻前用栅栏式五铧犁深翻还田 25～35 cm，翻耕后重耙 1 次，播种前再耙 1 次；FG 处理：机械收获时秸秆粉碎，秸秆粉碎长度≤ 10 cm，全部覆盖地表；FH 处理：机械收获时抛撒秸秆、深松、重耙后秸秆碎混还田。
秸秆为全量还田，还田量均为 15000 kg·hm-2。各处理小区面积为 0.35 hm2，供试作物为玉米（嫩单 19），于 4 月 25 日机械精量播种，密度 8.25 万株·hm-2，收获日期为 9 月 29 日，生育期合计 158 d。各处理施肥量均为 750 kg·hm-2，采用免耕播种一体机深施控释肥（总养分≥ 48%，N∶P2O5 ∶K2O=26∶11∶11）； 播后喷灌，各处理灌水量均为 35 mm；玉米四叶期化学除草，生育期不扰动土壤。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土样采集
土壤样品采集于 2022 年 9 月 28 日玉米收获前，采用“S”形取样法在各处理小区的 0～10、 10～20、20～30、30～40 cm 土层采集土壤混合样品（重复 3 次）。土壤样品风干后过 2 mm 筛网，再进行化学分析。
1.3.2 土壤有机碳的测定
重铬酸钾外加热法[9]。
1.3.3 富里酸的分离提取
称取 10 g 土样，加入 100 mL 的氢氧化钠和焦磷酸钠 1∶1 混合溶液（pH=13），摇匀后振荡浸提 24 h，取出后离心 15 min，过 0.5 μm 滤膜，收集上液即为富里酸溶液。用 H2SO4 调节 pH（pH=1），静置 12 h 后再离心 25 min，得上清液滤液定容[10]。
1.3.4 荧光光谱测定
（1）富里酸荧光光谱测定：待测样品经 TOC 分析仪（德国耶拿 multiN/C2100）测定其浓度，将所有 FA 样品碳含量稀释至 10 mg·L-1，采用三维荧光光谱仪（日本日立 F-7000）测定荧光光谱参数。主要性能参数：激发波长（Ex）扫描范围： 200～490 nm，带宽 10 nm；发射波长（Em）扫描范围：250～550 nm，带宽 2 和 3 nm。平行因子分析方法（PARAFAC）分析时，应消除水离子的散射，消除拉曼散射对荧光数据的影响。
（2）荧光强度（Fmax）：PARAFAC 识别出各组分相对含量。
1.3.5 荧光区域积分
为定量揭示秸秆还田对富里酸（FA）的影响，使用 Origin 9.1 对 3 个处理下的土壤 FA 荧光光谱不同区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）的荧光数据进行积分[11]，计算各区域积分值占总区域积分值的百分比。
1.3.6 荧光光谱指数
荧光指数（FI）：Ex 为 370 nm 时，Em 在 450 与 500 nm 条件下的荧光强度比值。
生物指数（BIX）：Ex 为 310 nm 时，Em 在 380 与 430 nm 条件下的荧光强度比值。
腐殖化指数（HIX）：Ex 为 254 nm 时，Em 在 ∑ 435～480 nm 区域与∑ 300～345 nm 区域的峰面积比值[12]。
1.4 数据处理
采用 Excel 2010 进行数据分析，SPSS 19.0 进行方差分析，利用 MATLAB2010 消除三维荧光图谱的拉曼散射和 PARAFAC 分析。
2 结果与分析
2.1 秸秆还田方式对土壤有机碳及富里酸含量的影响
2.1.1 秸秆还田方式对土壤有机碳含量的影响
不同处理下土壤有机碳的含量如图1所示，与 CK 处理相比，FM 处理在 0～40 cm 土层土壤有机碳含量分别提高了 16.80%、31.48%、11.54% 和 7.87%。 FG 和 FH 处理在 0～10、10～20 和 20～30 cm 土层分别增加了 16.86%、18.55%、1.91% 和 13.05%、 25.80%、2.33%，在 30～40 cm 土层土壤有机碳含量分别降低了 7.67% 和 3.68%。FG 处理中土壤表层 （0～10 cm）的有机碳含量高于其他处理，FM 和 FH 处理在 10～20 cm 土层土壤有机碳含量最高。
图1秸秆还田对土壤有机碳的影响
注：小写字母不同代表同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.1.2 秸秆还田方式对土壤富里酸含量的影响
通过对比不同秸秆还田模式对富里酸含量的影响（图2）可以看出，不同处理对 0～40 cm 土层土壤富里酸含量的影响不尽相同。与 CK 相比，FM 处理在 0～10、10～20 和 30～40 cm 土层土壤富里酸含量分别提升了 57.21%、36.33% 和 6.42%，在 20～30 cm 土层富里酸含量降低了 5.50%。FG 处理在表层（0～10 和 10～20 cm）土壤的富里酸含量分别升高了 67.30% 和 14.45%，在亚表层（20～30 和 30～40 cm）分别下降了 7.97% 和 13.33%。FH 处理在 0～30 cm 土层土壤富里酸含量分别增加了 55.29%、27.73% 和 15.52%，在 30～40 cm 土层减少了 25.19%。
图2秸秆还田对土壤富里酸含量的影响
2.2 秸秆还田方式对土壤富里酸三维荧光结构的影响
2.2.1 秸秆还田方式对土壤富里酸荧光光谱指数的影响
荧光光谱指数 FI、BIX 和 HIX 经常用来表征土壤腐殖质结构特性[12]。如表1所示，在 0～10 cm 土层，FI 顺序为 FG>FM>FH>CK，不同处理分别较 CK 增加了 11.92%、7.29% 和 6.62%。 FI 在 10～20 cm 土层为 FM>FH>FG>CK，与 CK 相比，FM、FG、FH 处理分别提高了 5.45%、0.61% 和 2.42%。FM 和 FH 处理的 FI 在 20～30 cm 土层较 CK 分别提升了 3.87% 和 0.65%。FM 和 FG 处理在 30～40 cm 土层较 CK 分别增加了 1.34% 和 2.01%。
表1土壤富里酸荧光光谱指数
注：当 FI<1.4 时，以植物源输入为主；FI 介于 1.4～1.9 时，表示既有植物源又有微生物代谢产物源输入；FI>1.9 时，以微生物代谢产物源为主。BIX 较高表示富里酸以生物源为主，包括浮游植物和细菌的有机体降解产物；低值表示主要来自陆源输入。HIX<1.5 时，属于生物或细菌来源，当 HIX>3.0 属于强腐殖质特征。小写字母不同表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。
在本研究中，BIX 表征在不同土层不同处理间土壤 FA 均呈现出重要的新近自生源特征。与CK 相比，FM 处理在 4 个土层分别提高了 14.81%、 1.12%、3.41% 和 4.60%。FG 处理在 0～10 和 20～30 cm 土层分别升高了 11.11% 和 1.14%。FH 处理在 0～10、10～20 和 20～30 cm 土层分别增加了 13.58%、1.12% 和 1.14%。
土壤有机质腐殖化的程度用 HIX 来表示，由表1可知，FM 处理在 4 个土层分别较 CK 提升了 2.78%、2.86%、1.4% 和 2.78%。在 0～10 cm 土层，FG 和 FH 处理较 CK 分别增加了 4.17% 和 2.86%。FH 处理在 10～20 cm 土层的 HIX 增加了 2.86%。
2.2.2 秸秆还田方式对土壤富里酸三维荧光结构图谱的影响
不同秸秆还田模式下 FA 荧光图谱结果（图3）显示，秸秆还田处理下的 0～40 cm 土壤 FA 三维荧光光谱具有类似指纹图谱特征，CK 和 FG 处理均出现 2 个主要荧光特征峰，即富里酸类物质荧光峰和腐植酸类物质荧光峰。而 FM 和 FH 处理荧光特征峰均为富里酸类物质荧光峰。在 0～10 cm 土层，CK（Ex/Em=330/415）处理荧光特征峰为腐植酸类物质荧光峰，在 10～20、20～30、30～40 cm 土层，CK[（Ex/Em=210/420）、（Ex/Em=230/420）、 （Ex/Em=230/420）]处理特征峰均为富里酸类物质荧光峰。FM[（Ex/Em=240/420）、（Ex/Em=240/ 430）、（Ex/Em=240/425）、（Ex/Em=230/430）] 和 FH[（Ex/Em=240/425）、（Ex/Em=220/420）、 （Ex/Em=230/415）、（Ex/Em=230/420）] 处理在 4 个土层特征峰均为富里酸类物质荧光峰。FG（Ex/ Em=240/425）处理在 0～10 cm 土层特征峰为富里酸类物质，10～20（Ex/Em=330/425）、20～30 （Ex/Em=330/415）、30～40 cm（Ex/Em=270/430） 土层为腐植酸类物质荧光峰。其中腐植酸物质和富里酸物质荧光峰均由结构较为稳定、分子量大的有机物质产生。
2.2.3 秸秆还田方式对土壤富里酸三维荧光区域积分的影响
为定量揭示不同秸秆还田方式对土壤富里酸含量的影响，使用 Origin 9.1 对 4 个处理下的土壤富里酸不同区域的荧光数据进行积分，计算各区域积分值所占总区域积分值的百分比如表2所示，试验区域不同处理各类物质的含量均为类腐植酸类物质 （Ⅴ）>富里酸类物质（Ⅲ）>溶解性微生物代谢产物（Ⅳ）>类色氨酸芳香蛋白质类物质（Ⅱ）>类酪氨酸蛋白质类物质（Ⅰ）。
在0～40 cm 土层，CK 处理的类酪氨酸蛋白质类物质、类色氨酸芳香蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物积分百分比均高于其他秸秆还田处理（ 区域 Ⅰ 4.76%～59.48%、区域 Ⅱ 3.28%～33.24%、区域 Ⅳ 0.20%～33.40%）。 FM、FG、FH 处理在 0～40 cm 土层的类腐植酸类物质较 CK 分别增加了 0.92%～19.09%、 8.08%～24.87% 和 1.16%～5.81%。FM 处理在 0～10 和 10～20 cm 土层的富里酸类物质较 CK 分别提升了 4.73% 和 0.89%，在 20～30 和 30～40 cm 土层分别减少了 15.90% 和 34.19%。FG 处理在 4 个土层富里酸类物质较 CK 降低了 11.06%～51.40%。
2.2.4 土壤富里酸碳荧光组分的 PARAFAC 分析
运用 PARAFAC 分析方法对不同秸秆还田方式的土壤富里酸有机碳三维荧光数据进行分析，共识别出 3 个荧光组分（图4）。其中组分 C1 包含 1 个激发峰，1 个发射峰（Ex/Em=330/410），为腐植酸类物质，主要来源于高等植物腐解产生的有机物； 组分 C2 包含 2 个激发峰，1 个发射峰（Ex/Em=230， 260/415），为富里酸类物质；组分 C3 包含 2 个激发峰，1 个发射峰（Ex/Em=270，370/460），同为腐植酸类物质。C3 的激发（Ex）与发射（Em）波长均高于 C1，说明该组分中含有分子量和芳香度更高的有机物质[13]。
2.2.5 秸秆还田方式对土壤富里酸荧光强度的影响
土壤富里酸不同组分的荧光强度及贡献率如表3所示，各组分的 Fmax 值反映其相对含量，可用来表征土壤富里酸结构变化情况。在 0～40 cm 土层，总荧光强度（C1+C2+C3）以 FM 处理最高，不同处理组分含量顺序为 C1 组分为主，C2、C3 组分为辅。FM 处理的 C1 组分在 0～10、10～20、 20～30 和 30～40 cm 土层相对含量百分比分别升高了 6.43%、3.37%、17.15% 和 13.52%。FG 处理的 C1 组分相对含量百分比在 0～10 和 30～40 cm 土层分别降低了 1.02% 和 0.73%，在 10～20 和 20～30 cm 土层分别增加了 3.5% 和 6.19%；C2 组分为富里酸类物质，本研究中，CK 在 0～10 和 30～40 cm 土层时 C2 组分相对含量百分比最高，在 10～20 和 20～30 cm 土层时以 FH 处理最高。C3 组分含量相对含量越高，土壤腐殖化程度越高。与 CK 相比，FM 处理的 C3 组分含量相对含量在 4 个土层升高了 3.8%～15.44%。
图30～40 cm 土层土壤富里酸三维荧光结构图谱
注：Ex 为激发波长，Em 为发射波长。区域Ⅰ代表类酪氨酸 Ex（200～250 nm）、Em（250～330 nm），Ⅱ代表类色氨酸芳香蛋白质类物质 Ex （200～250 nm）、Em（330～380 nm），区域Ⅲ为富里酸类物质 Ex（200～250 nm）、Em（380～550 nm），区域Ⅳ为溶解性微生物代谢产物 Ex（250～490 nm）、Em（250～380 nm），区域Ⅴ为腐植酸类物质 Ex（250～490 nm）、Em（380～550 nm）[11]。下同。
表20～40 cm 土层荧光区域积分百分比
图4PARAFAC 分析土壤富里酸碳荧光组分
表3土壤富里酸荧光组分荧光强度及相对含量百分比
注：同列不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。
3 讨论
3.1 秸秆还田方式对土壤有机碳和富里酸含量的影响
Sandeep 等[14]和李涵等[15]的研究表明，秸秆还田能够显著提高土壤总有机碳含量，并且土壤总有机碳含量随着土层深度的增加而递减。Xia 等[16] 认为，秸秆覆盖还田可以增加土壤有机碳和全氮含量，提高土壤肥力。本研究中，与 CK 相比，FG 处理在 0～10 cm 土层的土壤有机碳累积含量最佳，为 16.86%。主要是因为秸秆大部分在表层，且还田后产生了激发效应，土壤微生物可获得更充足的碳源，加速了微生物生长代谢活动，从而促进了土壤有机碳矿化及作物残体分解，使土壤碳素转化为缓慢有效的碳源，有利于土壤有机碳积累[17]。FM 和 FH 处理在 10～20 cm 土层土壤有机碳含量最高，原因是翻耕和旋耕可将大量秸秆带入下层土壤，充分形成秸秆层[18]，增加了秸秆与土壤的接触面积，将有机碳带入土壤并使其累积。FG 和 FH 处理在 30～40 cm 土层土壤有机碳含量分别降低了 7.67% 和 3.68%，可能是由于该土层几乎无外源碳的输入，且有机碳长期处于消耗中，土壤有机碳无更新和积累。
土壤富里酸具有提高作物对氮、磷、钾和其他微量营养元素的吸收和利用效率，并达到促进植物生长和改善土壤理化性质的作用[19]。谷思玉等[20] 研究认为，土壤富里酸浓度随着水热梯度的增加而降低。胡钰等[21]研究结果表明，平衡施肥配施增效剂更有助于提升土壤富里酸含量和土壤的供肥水平。本研究发现，FM、FG、FH 处理在 0～10 cm 土层更有助于土壤富里酸的积累，与 CK 相比，分别增加了 57.21%、67.30% 及 55.29%。主要是因为表层土壤环境更有利于秸秆的腐解，且秸秆腐解过程释放大量有机化合物，土壤微生物活跃，从而导致部分的生物量和根系分泌物等的增加[22]，进而诱发土壤中其他的化学和生物过程，导致了表层土壤富里酸含量的增加。FG 处理在亚表层（20～30 和 30～40 cm）富里酸含量有所降低，FH 处理在 30～40 cm 土层土壤富里酸减少了 25.19%。可能亚表层直接输入碳源毕竟有限，而且土壤的通气透水性较差，微生物活动也较弱，所以土壤富里酸含量减少[23]。
3.2 秸秆还田方式对土壤富里酸荧光光谱指数的影响
荧光光谱指数 FI、BIX 和 FIX 经常用来表征土壤腐殖质结构特性。其中 FI 可反映腐殖质的来源。通常作为衡量自生源有机质的贡献大小[12]。本研究中，不同土层不同处理 FI 均介于 1.4～1.9，表明土壤腐殖质中富里酸来源受自生源和外生源共同作用的影响，既有来自土壤有机质转化过程中自身产生的富里酸，也有秸秆施入土壤后通过微生物分解而新近产生的富里酸。秸秆还田后，土壤富里酸受自生源影响更大，与 CK 相比，其中 FG 处理在0～10 cm 土层中富里酸受自生源影响最大，为 11.92%；FM 处理则是在 10～20 cm 土层 FI 增加最多，为 5.45%。FG 处理秸秆主要集中于表层，FM 处理将秸秆翻入下层土壤，而且秸秆养分含量高、微生物群落丰富，在与土壤中土著微生物共同作用的基础上，加快了土壤腐殖质物质间的转化速度，提高了腐殖化速率[24]。
BIX 在 0.6～0.7、0.7～0.8 和 0.8～1.0 时，分别代表了溶解性有机质具有较少、中等、较强的自生源特征[12]。可溶性有机物质含量增加与土壤生物生理分泌、秸秆分解和微生物死亡等过程有关。本研究结果表明，BIX 表征不同处理间均出现较强的新近自生源特征（0.8<BIX<1.0），但以表层 （0～10 cm）BIX 影响最大，可能是 0～10 cm 土层土壤温度较高、水分适宜，秸秆分解后给土壤微生物提供了相对适宜的活动场所，增加了微生物的数量，其他土层较 CK 处理增加不明显，土壤腐殖化是个漫长的过程，因此，自生源有机质处理间差异不显著。
HIX 值越高表征土壤富里酸的腐殖化程度越高，其稳定性越好，也说明存在的时间较长[12]。本研究中，与 CK 相比，不同处理在 0～10 cm 土层的 HIX 均有所增加，表明外援玉米秸秆的输入更有助于提高土壤表层（0～10 cm）的腐殖化程度。FM 处理在 4 个土层的 HIX 均较 CK 有所提升，说明此处理在不同土层土壤腐殖化程度更高，稳定性更好。
3.3 秸秆还田方式对土壤富里酸三维荧光结构特征和各区域积分百分比的影响
在腐殖质的多元酚形成理论中，木质素、非木质素和微生物代谢产生的多元酚和醌有机化合物聚合为大分子腐植酸类物质，进一步形成的是富里酸[25]。本试验中，CK 和 FG 处理均出现 2 个主要荧光特征峰，即富里酸类物质荧光峰和腐植酸类物质荧光峰。而 FM 和 FH 处理荧光特征峰均为富里酸类物质荧光峰。这是因为在含水量低、植物残体较少的黑土农田中，有机化合物易聚合为芳香度高、腐殖化程度高的物质[26]。秸秆还田后，荧光结构分别与羧基和羟基相关，常用来表示输入土壤的外源有机质，有研究表明，秸秆腐解后释放出的有机碳和腐殖质等物质通过微生物代谢进入土壤中，使土壤富里酸中芳香族化合物减少、有机物的芳香度和分子量下降；且结构相对简单的富里酸类物质有简化的趋势[27]。
Corvasce 等[28]认为，土壤微生物代谢缓慢会导致土壤中类酪氨酸蛋白质物质、类色氨酸蛋白质物质的积累，土壤对这两种物质的吸附性强也会降低其微生物可利用性，使其在富里酸中含量增加。本研究结果显示，CK 处理的类酪氨酸蛋白质类物质、类色氨酸芳香蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物积分百分比均高于其他秸秆还田处理（区域 Ⅰ 4.76%～59.48%、区域Ⅱ 3.28%～33.24%、区域Ⅳ 0.20%～33.40%）。可能是 CK 处理下的土壤有机物质来源较少，微生物碳源少，微生物代谢缓慢，导致富里酸中蛋白质类物质积累[29]。FM、 FG、FH 处理在 0～40 cm 土层的类腐植酸类物质较 CK 均有所增加，说明秸秆还田后有助于提升土壤富里酸缩聚度[30]。
3.4 秸秆还田方式对 WSOC 荧光组分特征和荧光强度 Fmax 值的差异性分析
本研究结果显示，组分 C1 和 C3 同为腐植酸类物质，结合三维荧光图谱结果分析，这是因为秸秆还田使土壤中植物残体增加，腐解产生高分子量有机物，芳构化程度高，由于生物直接利用率低，可提高土壤的腐殖化程度[31]。组分 C2 为富里酸类物质，可体现肥料的供肥能力，对土壤培肥起到重要作用[32]。Song 等[33]认为，荧光强度值与富里酸的结构和官能团相关，类富里酸与类胡敏酸物质因芳构化程度较高，含有羟基、氨基、甲氧基等荧光强度较高的基团。本研究中，FM 处理在 4 个土层的 C1 相对含量百分比均有所增加，且 FM 处理的组分 C3 含量相对含量在 4 个土层升高了 3.8%～15.44%。说明秸秆覆盖还田更有助于土壤中营养物质含量增加和形成更高分子量的有机物[34]，这与三维荧光光谱指数结果一致。CK 处理在 0～10 和 30～40 cm 土层时组分 C2 相对含量百分比最高，在 10～20 和 20～30 cm 土层组分时以 FH 处理最高。说明小分子物质相对含量增加，芳香度和土壤腐殖化程度弱化[35]。
4 结论
秸秆还田条件下土壤有机碳的变化已被广泛研究，而不同秸秆还田方式下土壤富里酸光谱学性质鲜有报导。本研究对不同秸秆还田条件下土壤的固碳作用途径提出了新的观点，并揭示了土壤富里酸结构如何随秸秆还田方式而变化。研究结果显示：不同秸秆还田方式在表层（0～10 cm）更有助于土壤有机碳和富里酸含量的积累，其中以秸秆覆盖还田处理最佳，秸秆翻埋还田次之，比 CK 处理的有机碳含量和富里酸含量分别提高 16.86%、 16.80% 和 67.30%、57.21%。秸秆还田后，土壤腐殖质中富里酸来源受自生源和外生源共同作用的影响，呈现强腐殖质和重要的新近自生源特征，秸秆翻埋还田处理在 4 个土层的 FI、BIX、HIX 均较 CK 有所提升，说明此处理在不同土层土壤腐殖化程度更高，稳定性更好。不同秸秆还田方式的土壤富里酸有机碳包含 3 种荧光组分：组分 C1 和 C3 为腐植酸类物质，组分 C2 为富里酸类物质，组分 C3 含量相对含量越高，土壤腐殖化程度越高。与 CK 相比，秸秆翻埋还田处理的组分 C3 含量相对含量在 4 个土层升高了 3.8%～15.44%。综上所述，秸秆翻埋还田在增加土壤腐殖化程度和加强土壤的供肥能力方面最佳。
