Spectral characteristics of soil dissolved organic matter in different rice-crayfish cultivation modes
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摘要: 稻虾种养的农业活动显著改变了田间生物化学因子, 土壤溶解性有机质(DOM)是其中之一。本研究利用紫外-可见吸收光和三维荧光光谱技术, 耦合平行因子分析, 对有环沟式稻虾轮作和共作、无环沟式稻虾共作和传统稻作4种稻虾种养模式土壤DOM的特征进行了研究。结果显示, 不同稻虾种养模式土壤DOM紫外吸光度和比吸收系数均低于传统稻作, 光谱斜率比(SR)均值为0.9~2.0; 254 nm和365 nm处紫外吸光度的比值(E2/E3)在无环沟稻虾共作模式中最小, 水稻单作中E2/E3值相对于稻虾种养模式大; 300 nm和400 nm处紫外吸光度的比值(E3/E4)在稻虾种养模式均<3.5, 水稻单作>3.5。4种模式的荧光指数>1.9, 腐殖化指数<4, 自生源指数为0.6~0.7。不同模式均解析出2个类蛋白质组分(类络氨酸、类蛋白物质)和2个类腐殖质组分(腐殖酸、类腐殖质), 与生物源密切相关的类络氨酸组分占比较高且与其他组分均呈负相关, 其余组分相互呈正相关。上述结果中, 紫外-可见吸收光谱参数表明稻虾种养降低了土壤DOM的腐殖化程度、芳香性和物质组成, 稻虾种养土壤腐殖质类DOM腐殖酸为主, 水稻单作以富里酸为主; 4种模式的土壤DOM既有内源也有外源, 其中无环沟稻虾共作模式土壤DOM分子量最大, 且有一定外源性特征, 说明土壤保肥能力较好, 在4种模式中综合效益最佳; 三维荧光光谱分析表明不同模式下土壤DOM的物质组成无明显差异, 研究认为这与农田管理措施的间接影响等有关, 占比较高的络氨酸组分来源不同于其他组分, 可能与微生物对DOM或其他物质的分解转化有关, 而腐殖酸、类蛋白物质和类腐殖质组分很可能有高度的同源性; 不同种养模式之间的淹水差异通过影响溶解性有机碳(DOC)和DOM的释放, 从而影响种养模式之间DOM光谱特征。
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关键词:
- 稻虾种养 /
- 溶解性有机质(DOM) /
- 平行因子分析 /
- 三维荧光光谱 /
- 紫外-可见吸收光谱
Abstract: Rice and crayfish co-cultivation is the largest cultivation mode in China and is an important part of ecological agriculture. However, in the process of cultivation, the activities changed the physical and chemical properties of field soils, which had a significant effect on the change in organic matter. Dissolved organic matter (DOM), one of the most active components of organic matter, is also the subject of modification, but there are few related studies on the characteristics of modified dissolved organic matter. Therefore, in this study, ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectra and three-dimensional fluorescence spectra were used to calculate different spectral parameters combined with parallel factor analysis (PARAFAC) to study the characteristics of soil DOM under four rice and cultivation modes (integrated rice-crayfish rotation system with ring groove, RS1; integrated rice-crayfish system with ring groove, RS2; integrated rice-crayfish system, RS0; traditional rice monoculture, MR). The results revealed that there were weak shoulder peaks at 260–280 nm in the UV-Vis absorption spectrum of soil DOM in all modes, and the absorbance decreased with increasing wavelength and gradually approached zero. The UV-Vis absorption spectral parameters SUVA254 (specific absorption coefficient) and UV254 (UV absorbance at wavelength 254 nm) of soil DOM in different rice and crayfish cultivation modes (RS1, RS2 and RS0) were lower than those of traditional rice monoculture (MR). The E2/E3 (ratio of UV absorbance at 254 nm to 365 nm) value was smallest in RS0, and the SR (spectral slope ratio) values of the two co-cropping patterns (RS2 and RS0) were averaged from 0.5 to 2.0. For all modes, the mean value of fluorescence index >1.9, humification index < 4, biological index = 0.6−0.7. All rice and crayfish cultivation modes had resolved two protein-like components (C1, C3) and two humic-like components (C2, C4), C1 accounted for a higher proportion and was negatively correlated with other components, and the remaining components were positively correlated with each other. The principal component analysis identified four effective components, which were arranged according to the contribution rate: PC1 represented the concentration and aromaticity of DOM; PC2 represented the biological characteristics, molecular weight and degree of humification of DOM; PC3 represented the protein components and autogenic features in DOM; PC4 represented the molecular structure of DOM. The results showed that many unsaturated aromatic structure molecules existed in the soil DOM of all modes. Rice and crayfish cultivation reduced the degree of humification and aromaticity of soil DOM. The RS0 mode had the largest molecular weight of soil DOM and certain exogenous characteristics; the soil fertilizer retention ability was better, and the comprehensive benefit was the best among the three rice and crayfish farming modes. There was no significant difference in the material composition of soil DOM under different modes, which was related to the indirect effects of agricultural management practices. The source of C1 was different from that of other components, which may be related to the decomposition and transformation of DOM by microorganisms. Additionally, the difference in flooding was one of the main reasons for the difference in soil DOM characteristics; the soil releases DOM and DOC through flooding, which significantly affects the characteristics of soil DOM. In production practice, attention should be paid to the application of organic fertilizers, which can maintain soil fertility, increase DOM and microbial diversity, maintain soil fertility, and monitor the status of contaminants in soil and crops on farmlands. -
近年来, 我国大力实施乡村振兴战略, 生态农业成为了乡村振兴的重要动力, 而稻田综合种养作为稻(Oryza sativa)渔共生的复合生态农业, 具有促进农村经济发展增收, 改善农村生态环境等重要作用, 是推动经济与环境协调发展的重要农作方式[1]。稻虾综合种养经过多年发展, 成为了我国面积最大的种养模式, 主要分布于我国长江中下游地区, 该模式在稻田生态系统中引入了克氏原螯虾(Procambarus clarkii, 称淡水小龙虾), 充分挖掘了农田的使用效益, 实现了“一田双收、一水两用”的效果, 减少农业化肥和药物投入、保护水稻绿色生产的同时, 也能产出经济效益较高的小龙虾[2]。
由于稻虾综合种养增加了生物饲养环节, 克氏原螯虾生产活动、粪便排放、饲料喂养等过程明显地改变了田间的生态结构与物质循环, 其中对土壤有机质的影响重大, 施用化肥和药物、虾的养殖密度、田埂与挖沟的处理等差异, 都会影响田间土壤有机物质组成。溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是由类腐殖酸、类蛋白和有机酸以及类氨基酸所组成, 作为土壤有机质活力最强的组成部分之一, 对土壤营养物质的分解过程、田间微生物生长代谢, 重金属和其他污染物质的络合、迁移和转化等过程具有至关重要的作用, 同时也是土壤碳平衡的重要影响因子, 因此探析稻虾综合种养中土壤DOM的特性, 对于田间的肥力管理、污染防治与控制等具有重要意义[3-4]。
现今关于DOM的研究热点主要集中于不同环境下水和土壤的DOM光谱特征, 也有较多学者利用光谱特征和同步荧光、红外光谱、质谱等技术对DOM与不同类型重金属的络合作用关系进行了研究, 对DOM的分子结构进行研究分析。李海斌等[5]解析了南漪湖上覆水的DOM荧光特征, 结果表明湖中DOM内源性特征明显, 且湖水DOM明显受到了人为因素影响; 罗雪婷等[6]探讨了稻田中秸秆和氧化还原电位(Eh)对DOM及金属释放的影响, 结果表明干湿交替导致Eh变化, 以及秸秆还田措施通过影响DOM的含量和组成进而控制重金属溶出和释放; Zhang等[7]利用三维荧光光谱配合二维相关光谱, 解析了土壤吸附过程中DOM和Pb的配位行为, 结果表明DOM显著提高了土壤对Pb的吸附效率, Pb与DOM先与腐殖酸类组分结合, 再与类蛋白组分结合, 静态猝灭是二者结合的主要猝灭过程。对于DOM光谱的相关研究, 无论是DOM的光谱特征或是DOM与重金属络合作用关系的研究, 主要以三维荧光光谱(3D-EEMs)、紫外-可见吸收光谱(UV-vvis)为基础并扩展增加技术分析所完成。紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术具有对样品破坏小, 需求量小, 灵敏度高和有效性相对较强等特点, 能够定量、定性分析DOM的含量与组成, 对土壤和水环境中DOM组分和含量特征具有较好的解析效果。
目前对稻虾综合种养的研究主要集中在田间水环境[8]、土壤肥力[9]、物质循环[10]、谷物产量与安全[11]、生态与经济效益[12]等方面, 且主要的研究模式集中于稻虾共作模式。王蓉等[13]对比了水稻单作与稻虾共作两种模式土壤的物理化学性质, 表明稻虾共作模式的土壤具有更高含量的总碳和总氮, 但碳氮比和碱解氮并无显著差异性; 佀国涵等[14]对稻虾共作模式的微生物群落多样性与土壤肥力进行了研究, 其结果表明稻虾共作模式中土壤的微生物活性和群落功能多样性更高, 微生物对糖类和酸类物质的利用率更高; 徐荣等[9]研究了稻虾种养对土壤还原性物质及养分积累的影响, 结果表明短期的稻虾种养增加了表层土壤的还原性物质, 这很可能会导致土壤次生潜育化, 但同时稻虾种养也提高了土壤营养元素的供应潜力。在稻虾综合种养模式土壤DOM的相关研究中, 鲜有不同模式的稻虾种养土壤DOM特征差异性的相关报道, 目前国内外仅见苏良湖等[15]对短期稻虾共作模式不同水稻生长期的土壤DOM特征进行了分析, 其研究结果表明不同水稻生长期土壤DOM的荧光组分无明显变化, 但类腐殖质组分的荧光强度在分蘖期或抽穗期出现了明显峰值。
江西省是我国粮食生产大省, 其中稻虾种养面积达1067 km2, 占全省稻田综合种养面积的80%, 其包含了3种技术模式: 挖沟式稻虾轮作模式和共作模式、不挖沟共作模式; 与挖沟式的种养模式相比, 不挖沟模式加高了田埂, 进一步阻止了物质的外源输入和外溢, 同时虾的活动范围、施用化肥、投放饲料的范围也发生了变化, 土壤有机质也相应有所变化; 轮作和共作的差异会导致生物量田间分布的差异, 饲料投放的时间和量以及虾活动的频率也不一致, 因而对土壤有机物质组成也具有重要影响。因此, 本研究选择江西省南昌市恒湖垦殖场开展田间试验, 结合紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术耦合平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC), 以传统水稻单作为对照, 分析了挖沟式稻虾共作、轮作模式和不挖沟式稻虾共作模式土壤DOM组分特征及组成, 利用相关的光谱参数表征DOM的来源及腐殖化特征, 为当地综合种养土壤肥力监测、污染防控、污染机理的进一步探究等提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 田间试验与样品采集处理
田间试验开展于恒湖垦殖场, 地处江西省南昌市北郊的鄱阳湖畔, 该地区土地平整, 土壤性状相对一致, 截至2022年, 稻虾种养面积达2667 hm2, 管理措施与技术相对成熟。本研究于当地设置面积均为0.4 hm2的4种技术模式试验田块各一块, 具体处理操作如下: 1)有环沟式稻虾轮作(integrated rice-crayfish rotation system with ring groove, RS1)设置井字沟, 挖沟深度0.8 m, 宽度2.0 m, 11月初放虾(300 kg∙hm−2), 次年4月初开始收虾, 6月种植水稻, 10月上旬收割, 淹水设置高度约高于田面20~40 cm; 2)有环沟式稻虾共作模式(integrated rice-crayfish system with ring groove, RS2)环沟和淹水设置与挖沟式保持与轮作模式相同, 11月初放虾(300 kg∙hm−2, 虾苗每尾约7~12 g), 次年4月初收虾, 6月种植水稻, 10月上旬收割, 为保证水稻幼苗生长及虾存活率, 收虾时保留部分亲虾苗, 5月中下旬多放一季虾苗(300 kg∙hm−2), 水稻收割后收虾; 3)不挖沟式稻虾共作模式(integrated rice-crayfish system, RS0), 不设置环沟, 田间虾苗放养、水稻种植与挖沟式共作模式相同, 田埂加高加固, 高度约为1.8 m, 宽度约1.2 m, 淹水设置约为0.8 m; 4)传统水稻单作(traditional rice monoculture, MR; 对照), 无环沟设置, 淹水深度约20 cm, 水稻种植、收割时间与稻虾种养模式相同; 详细布局如图1所示。
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图 1 不同稻虾种养模式与传统水稻单作田间试验布局示意图Figure 1. Schematic diagrams of the field trails of different integrated rice-crayfish cultivation patterns and traditional rice monoculture所有田块灌排实行高灌低排, 利用道路两侧的水渠(0.4 m×1 m)设置管道与田块相连进行灌水, 同时结合井水引水灌溉, 管口高于田面约1 m, 连接口两侧设置尼龙网以防其他生物和杂物等流入田块。排水设置于田块另一侧, 利用带可封闭接口的水管与田外自然沟渠连接排水, 田块内侧连接口设置尼龙网阻拦, 防止小龙虾逃逸; 其中无环沟田块直接设置排水管道口于一角, 高于田面约0.1 m; 有环沟的田块排水接口位于环沟转角, 排水口高于环沟底部约0.2 m, 以保留亲虾培育所需环境。所有稻虾种养田块统一使用小龙虾配合饲料(伏龙牌), 饲料喂养保持平均两天一喂, 田块内侧边缘均设置拦虾网, 下埋深度30~50 cm, 供试水稻品种为‘黄华占’, 统一使用复合肥料(河南农心肥业有限公司)。
水稻成熟期, 依据梅花点采样法, 用不锈钢取土器于每个试验田块采集表层0~20 cm土层土样20 (4×5) 个, 于低温保存于样品袋中运回实验室, 去除杂质并风干混匀, 磨碎过100目筛并封装于聚乙烯自封袋备用。
1.2 测定与分析方法
1.2.1 DOM样品制备
为避免根系、杂质和水分差异带来的影响, DOM制样采用风干土[16], 采用水土震荡法提取土壤中DOM: 准确称取3 g土样置于100 mL离心管中, 按水土比20∶1加入超纯水60 mL (Millipore, 电阻率18.25 MΩ·cm), 避光且室温≤26 ℃条件下以200 r∙min−1震荡16 h, 后再经过4000 r∙min−1离心30 min, 取上层清液过0.45 μm水系滤膜(上海新亚), 得到DOM溶液, 于4 ℃保存于避光样品瓶中, 用于光谱测定和溶解性有机碳(DOC)含量测定。其中DOC的测定参照占新华等[17]所描述的比色法。在荧光光谱测定前, 已确保DOM样品UV254低于0.3, 以免去内滤效应带来的影响[18]。
1.2.2 光谱测定与参数计算
紫外-可见吸收光谱利用TU-1900 (普析, 北京)双光束紫外分光光度计进行扫描测定, 所采用的比色皿为10 mm光程石英比色皿, 光谱扫描范围为200~800 nm, 步长设置为1 nm, 以超纯水作为空白对照。
三维荧光光谱利用F-7000 (日立)三维荧光光谱仪进行扫描测定, 光源采用450 W氙弧灯, 扫描速度30 000 nm∙min−1, 发射波长和激发波长扫描带宽均为5 nm, 发射波长(Em)扫描范围: 250~550 nm, 激发波长(Ex)扫描范围: 200~450 nm。
本研究中紫外-可见光谱相关参数包括UV254、 E2/E3、E3/E4、a(355)、SUVA254和SR; 三维荧光参数包括荧光指数(FI)、自生源指数(HIX)、生物源指数(BIX); 详情描述如表1所示。
表 1 紫外-可见光吸收光谱与荧光光谱参数描述Table 1. Description of parameters of UV-Vis absorption spectrum and fluorescence spectrum光谱参数名称
Spectral parameter name定义与计算方法
Definition and calculation method参数指示意义
Idicative meaningUV254 波长254 nm处的紫外吸光度
UV absorbance at wavelength 254 nm表征溶解性有机质(DOM)的浓度和芳香性[19]
To characterize the concentration and aromaticity of dissolved organic matter (DOM)[19]吸收系数
Absorption coefficient (aλ)αλ=2.303×Aλ/r; Aλ为波长λ处的吸光度, r为光程路径(m)
αλ=2.303×Aλ/r; Aλ is the absorbance at wavelength λ, r is the optical path (m)表征样品中CDOM (有色可溶性有机质)相对浓度[20]
To characterize the relative concentration of colored DOM in samples[20]E2/E3 254 nm和365 nm处紫外吸光度的比值
Ratio of UV absorbance at 254 nm to 365 nm估算DOM分子量的相对大小, 与分子量呈反比[21]
To estimate the relative size of DOM molecular, which inversely proportional to the molecular weight[21]E3/E4 300 nm和400 nm处紫外吸光度的比值
Ratio of UV absorbance at 300 nm to 400 nm衡量腐殖质的腐殖化程度及其芳香性[21]
To characterize the degree of humification and aromaticity of humus[21]比吸收系数
Specific absorption coefficient (SUVA254)UV254与可溶性有机碳(DOC)浓度的比值
Ratio of UV254 to concentration of dissolved organic carbon (DOC)与DOM芳香度密切相关, 表征DOM的芳香性, 值越大, 芳香性越高[22]
Closely positively correlated to DOM aromaticity, and represent the aromaticity of DOM[22]光谱斜率比
Spectral slope ratio (SR)275~295 nm波长和350~400 nm波长吸光度指数函数曲线光谱斜率的比值, 即
SR=S(275~295)/S(350~400)
Ratio of the spectral slope of the absorbance index function curve for the wavelength of 275 nm to 295 nm and the wavelength of 350−400 nm, SR=S(275−295)/S(350−400)反映DOM的来源与分子量大小: 当SR>1, 表示以生物源为主; SR<1则为外源。SR越大表明DOM 分子量越小[23]
Reflect the source and molecular weight of DOM. When SR>1, the DOM is mainly from biological sources; while when SR<1, it is exogenous. The larger the value, the smaller the DOM molecular weight[23]荧光指数
Fluorescence index (FI)指激发波(Ex)在370 nm处, 发射波长(Em)在
450 nm与500 nm处的荧光强度比值
Refers to the fluorescence intensity ratio between excitation wavelength at 370 nm and emission wavelength at 450 nm and 500 nm反映芳香氨基酸和其他物质对荧光强度的贡献, 可作为来源指示。FI>1.9, 生物代谢和释放为主要来源, 自生源突出; FI<1.4, 植物和土壤有机物贡献为主, 外源性突出[24]
Reflect the contribution of aromatic amino acids and other substances to fluorescence intensity, it can be used as source indicator. If FI >1.9, the biological metabolism and release are the main sources, autogenesis is prominent. if FI<1.4, the plant and soil organic matter are the main source, showing exogenous featuer[24]腐殖化指数
Humification index (HIX)激发波长(Ex)在254 nm处, 发射波长(Em)在435~480 nm与300~345 nm之间的积分值比值
Ratio of the integral value between the excitation wavelength at 254 nm and the emission wavelength at 435−480 nm and 300−345 nm衡量DOM的腐殖化程度, 指数值越高, 腐殖化程度越高。其中, HIX> 6表示高度腐殖化且陆源贡献较大; 4~6表示高度腐殖化具有微弱的自生源特性; HIX<4则表示腐殖化程度弱, 以自生源为主[25]
Measure the degree of humification of DOM. The higher the index value, the higher the degree of humification. HIX>6 indicates high humification with large terrestrial contribution. 4−6 HIX indicates high humification with weak autobiographical characteristics. HIX<4 indicates humification degree is weak and autogenous[25]自生源指数
Biologcal index (BIX)指激发波长(Ex)在310 nm处, 发射波长(Em)在380 nm与430 nm处的荧光强度比值
Fluorescence intensity ratio between excitation wavelength at 310 nm and emission wavelength at 380 nm and 430 nm反映DOM中新鲜产生的物质比例, 可评估DOM所在环境中的生物活性程度。BIX>1为生物源, BIX<0.7则表示低本土成分, 0.7~0.8为中等本土成分, 0.8~1.0为强本土成分[26]
Reflect the proportion of freshly produced substances in DOM, the degree of biological activity in the environment. BIX>1 is biogenic, BIX<0.7 is low native component, 0.7−0.8 is moderate native component, and 0.8−1.0 is strong native component[26]1.2.3 平行因子分析方法
平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC)是在三线性理论的基础上用交替最小二乘法实现的数学模型, 能够将多个荧光信号所形成的数据矩阵分解成相对独立的荧光信息团, 表征DOM中组分的荧光特征并提供溯源信息[27]。本研究利用MATLAB R2021a中的DOMFlour工具箱对其进行平行因子分析, 通过了拆半分析验证, 将建立的组分模型上传至OpenFluor在线数据库进行了比较, 以进一步鉴定模型中的组分来源与特性。
1.3 数据与图像处理
使用Excel 2021、Origin 2021 pro、Matlab R2021a软件对紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱数据进行参数计算、分析处理, 文中所有差异分析均为各参数值不同模式之间的差异分析。
2. 结果与分析
2.1 土壤DOM紫外-可见吸收光谱及参数特征分析
紫外-可见吸收光谱能够指示DOM分子结构组成。图2显示了不同稻虾模式下土壤DOM的紫外-可见吸收光谱, DOM的吸光度在200~300 nm区间光谱随着波长增加迅速下降, 后在300~800 nm趋于平缓并接近0, 在260~280 nm有微弱肩峰。
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图 2 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质紫外-可见光吸收光谱图RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 2. UV-Vis absorption spectra of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patternsUV254可表征芳香性结构和DOM的浓度。从图3a可知, 土壤UV254值为0.025~0.250; 不同稻虾种养模式和传统稻作间均存在显著性差异(P<0.05): 稻虾轮作模式(RS1)和两种共作模式(RS2、RS0)也存在显著性差异(P<0.05), 而两种共作模式之间无显著性差异(P<0.05); MR的UV254均值MR为0.121, 显著高于3种稻虾种养模式(P<0.05); RS1的UV254为0.088, RS2和RS0为0.067和0.063, 4个处理为MR>RS1>RS2>RS0, 说明MR和RS1模式下的DOM浓度及其芳香性相对于共作模式的RS2和RS0更高, DOM的共轭结构或芳香性物质更多, 这与紫外吸收光谱特征的结果吻合。
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图 3 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的紫外-可见吸收光谱相关参数[UV254、SUVA254、SR、α(355)、E2/E3、E3/E4]各参数的具体解释见表1。不同小写字母表示不同模式在P<0.05水平差异显著; RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。The description of each parameter is shown in the table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among different modes at P<0.05 level. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 3. Parameters of UV-Vis absorption spectral [UV254, SUVA254, SR, α(355), E2/E3, E3/E4] of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patternsSUVA254可表征DOM的芳香性结构和腐殖化程度。从图3b可知, 不同稻虾模式DOM的SUVA254差异特征与UV254相似(P<0.05), 其中SUVA254均值MR为2.04, RS1为1.61, RS2和RS0为1.11和1.174, 依次为MR>RS1>RS0>RS2。表明在MR模式和RS1模式的土壤腐殖化程度更高, 芳香性物质更多, 这与UV254得出的分析结果相似。
光谱斜率(SR)是判断DOM来源的重要依据, SR>1表示以生物源为主, SR<1则为外源。由图3c可知, 各模式稻田土壤中DOM的SR值为0.5~3.0, 既有生物源, 也有外源。不同模式间SR均存在显著性差异(P<0.05), 均值依次为MR>RS0>RS1>RS2, 对应平均值分别为1.70、1.12、0.99和0.91, 其中MR、RS0模式SR>1的样品占比分别为95%和60%, 说明该两种模式DOM主要来源以生物源为主; RS1和RS2模式的DOM来源则更倾向于外源。
a(355)可表征有色可溶性有机物(CDOM)的浓度。由图3d可知, MR模式下CDOM的浓度最高, a(355)均值为7.39, 其次是RS1模式, 均值为7.0, 二者无显著差异(P>0.05), CDOM浓度相近; RS2和RS0模式下的CDOM浓度相对较低, a(355)均值为5.18和5.23, 二者无显著差异(P<0.05), CDOM浓度水平相近且相对较低。
E2/E3与DOM的分子量大小呈反比。从图3e可知, 不同稻虾模式中, 水稻单作(MR)和稻虾轮作(RS1)、稻虾共作(RS2、RS0)之间存在显著性差异(P<0.05), 两种共作模式不存在显著性差异(P<0.05)。MR的E2/E3值高于3种稻虾种养模式, 均值为4.69, 表明MR模式土壤DOM分子量较小; 而稻虾种养模式土壤中DOM的E2/E3值整体较低, 其中RS1均值为2.92, RS2和RS0为3.42, 表明稻虾种养土壤中DOM整体分子量相对较大。
E3/E4可进行腐殖质类DOM的物质类型判断, >3.5以富里酸为主, <3.5以腐殖酸为主。从图3f中可知, 在不同的模式下, E3/E4的显著性差异特征与E2/E3相似(P<0.05); MR模式下E3/E4相对较高, 平均值为4.20; 其次为共作模式的RS2和RS0, 二者差异不显著(P<0.05), 均值分别为3.34和3.15; 而RS1为2.71。表明稻虾种养模式产生的DOM主要以胡敏酸为主, 而传统稻作以富里酸为主。
2.2 土壤DOM三维荧光光谱及参数特征
2.2.1 三维荧光组分与荧光强度特征
对80 (4×20)个不同的稻虾模式的土壤DOM三维荧光光谱数据进行了平行因子分析(PARAFAC), 解析出不同的稻虾技术模式土壤DOM荧光组分4个(图4), 通过对比发现不同的模式之间组分物质并无明显差异, 这与苏良湖等[15]的研究结果较为相似。将得到的物质组分置于OpenFluor数据库中进行了判别, 得到以下4个组分: C1荧光峰位于发射波长(λEm)/激发波长(λEx)=280 nm/260 nm; C2、C3和C4都存在两个具有相同发射波长的荧光峰, 其中C2主峰λEm/λEx=405 nm/310 nm, 次级峰λEm/λEx=405 nm/260 nm; C3主峰λEm/λEx=370 nm/200 nm, 次级峰λEm/λEx=370 nm/275 nm; C4主峰λEm/λEx=455 nm/275 nm, 次级峰λEm/λEx=455 nm/365 nm。4种荧光组分都具有不同的特性, C1组分属于蛋白质中类络氨酸组分, 对应传统B峰, 该类物质主要来源为生物源和陆源, 在水体中易受光降解[28]; C2属于广泛常见的腐殖酸组分, 为传统A峰和M峰的组合, 广泛存在于陆生植物生长的土壤中, 具有芳香性高、腐殖化程度高等特点[29]; C3属于较少见的类蛋白物质, 属于传统T峰和Tuv峰的组合, 有研究表明其有可能与类蛋白和多环芳烃的混合物有关[30-32]; C4属于类腐殖质组分, 由类腐殖质的传统A峰和C峰组合而成, 是陆地环境和低盐度沿海水域代表性荧光团, 其表现出较高的植物源相似特征, 且与微生物对有机质的分解活动关系密切[33]。
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图 4 平行因子解析得出的不同稻虾种养模式土壤可溶性有机质中4个荧光组分与对应的载荷RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 4. Four fluorescent components and loadings in soil dissolved organic mater of different integrated rice-crayfish cultivation patterns analyzed by parallel factor analysis (PARAFAC)为进一步了解不同稻虾模式下4种荧光组分的占比, 对不同组分的荧光强度贡献率进行了计算分析, 其中去除了异常值样品, 结果如图5所示。在荧光强度占比上, C1的类络氨酸组分贡献率平均值在3种稻虾种养模式中均高于50%, 荧光强度贡献最大; 而在传统水稻单作模式中, C1贡献率平均值仅为31.5%。表明C1类络氨酸组分在稻虾种养模式土壤中DOM物质比例较传统稻作高。C2作为腐殖酸组分, 在MR传统稻田单作模式的贡献率较高, 其次为RS2、RS1和RS0, 说明水稻单作模式下C2在土壤DOM中的比例高于稻虾种养模式, 有环沟的稻虾种养模式(RS1和RS2) C2腐殖酸组分相对于无环沟稻虾技术模式贡献率较大。C3类蛋白组分不同的模式贡献率大小依次为RS0>MR>RS1>RS2, 表明无环沟模式C3组分的贡献率较高, 有环沟模式间的稻虾技术模式(RS1和RS2)的C3组分的贡献率相对接近。腐殖质组分C4在不同模式中贡献率依次为MR>RS2>RS1>RS0, MR模式C4高于3种不同的稻虾种养模式, 在3种稻虾技术模式中C4贡献率相对接近。
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图 5 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的4个组分荧光强度贡献百分比RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 5. Contribution percentages of fluorescence intensities of four components of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patterns2.2.2 三维荧光参数特征
为进一步了解土壤中DOM的来源与特征, 选取了荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)、腐殖化指数(HIX)共3个荧光光谱参数作为分析指标, 分析结果如图6所示。FI表征DOM的来源, FI>1.9时, 生物源为主, 自生源突出; FI<1.4表明植物和土壤有机物贡献为主, 外源性突出。不同稻虾种养模式和传统稻作的土壤DOM的FI值间均存在显著性差异(P<0.05), 稻虾轮作模式(RS1)和两种共作模式(RS2、RS0)也存在显著性差异(P<0.05), 而两种共作模式之间不存在显著性差异(P>0.05)。均值RS1模式为2.30, RS2模式为2.25, RS0模式为2.24, MR模式为2.41, 表明各个模式DOM主要来源于生物代谢, 自生源特征明显。
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图 6 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的荧光光谱参数不同小写字母表示不同模式在P<0.05水平差异显著; RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。FI: 荧光参数; BIX: 自生源指数; HIX: 腐殖化指数。Different lowercase letters indicate significant differences among different modes at P<0.05 level. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture. FI: fluorescence index; BIX: biological indix; HIX: humification index.Figure 6. Fluorescence parameters of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patternsBIX表征DOM的自生源贡献度, 0.6~0.7表现为低水平自生源贡献率, 0.7~0.8为中等水平自生源贡献率。在本研究中, BIX值除RS2和MR之间无显著差异外, 其余模式间均存在显著性差异; BIX均值RS1模式为0.75, RS2模式为0.71, RS0模式为0.68, MR模式为0.71, 这表明在不同的稻虾种养模式中MR、RS1和RS2土壤DOM主要呈中等的本土成分, 而RS0模式更倾向于低自生源水平。
HIX用于表征DOM的腐殖化程度, HIX<4则表示腐殖化程度弱, 以自生源为主。本研究HIX值水稻单作模式与3个稻虾种养模式存在显著性差异, 而3种稻虾模式之间不存在显著性差异(P<0.05)。HIX 整体偏低(均小于4), 符合腐殖化程度较弱, 自生源明显的特征, 传统稻田土壤DOM的HIX值明显比稻虾种养模式高, 表明DOM的腐殖化程度也相对较高, 这与紫外参数SUVA254、荧光指数FI的分析结果相吻合。
2.3 DOM光谱特征参数指标的相关性与主成分分析
2.3.1 相关性分析
为明确不同模式DOM的来源和特征差异, 对DOM组分及参数进行了Pearson相关性分析和主成分分析, 如图7所示。分析结果表明, 除MR模式, 在3种稻虾种养模式土壤DOM的4个荧光组分之间均具有显著的相关性(P≤0.01), 其中, 组分C1在不同的模式中均与其他组分呈显著负相关关系(P≤0.01), 而C2与C3、C4, 以及C3与C4之间, 在稻虾种养模式中均呈显著正相关。表明C2、C3和C4组分很可能具有共同的来源, 而C1类络氨酸组分与另外3个组分呈显著负相关, 表明来源不同, 该结果在MR模式中也具有一定程度的体现。
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图 7 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质(DOM)组分与紫外-可见吸收光谱参数和荧光参数的相关性* 、**和***分别表示P≤0.05、P≤0.01和P≤0.001水平相关性显著; 图中圆形直径越大颜色越深表示相关性越强。C1、C2、C3和C4分别为荧光组分类络氨酸、腐殖酸、类蛋白和类腐殖质, 其他缩写具体解释见表1。RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。*, ** and *** mean significant correlation at P≤0.05, P≤0.01 and P≤0.001 levels, respectively. The larger the circular diameter and the darker the color, the stronger the correlation. C1, C2, C3 and C4 are fluorescent components of tyrosine-like amino acids, humic acid, proteoid and humic-like substances. The description of other abbraviations are shown in the table 1. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 7. Correlations between soil dissolved organic matter (DOM) components and UV-Vis absorption spectral parameters and fluorescence parameters in different integrated rice-crayfish cultivation patterns荧光指数FI和DOC值在不同的模式中均呈现显著的相关性(P≤0.05), 其中在RS2模式中呈负向相关, 其余模式呈正向相关(P≤0.05), 表明DOC或DOM的浓度在不同模式均受生物代谢活动的影响。紫外可见吸收光谱参数E2/E3与E3/E4在不同模式中均呈显著正向相关(P≤0.05), 而E2/E3、E3/E4与a(355)均呈负向相关(P≤0.05), 表明在不同的模式中DOM分子量大小与腐殖化程度密切相关, 而分子量大小和腐殖化程度明显影响着CDOM的浓度; SUVA254在不同模式中均与UV254、a(355)呈显著正相关(P≤0.01), 表明DOM的浓度与芳香性关系密切。
2.3.2 主成分分析
对相关数据合并统一进行了主成分分析, 通过分析检验, KMO检验值为0.637, Bartlett球形度检验P<0.0001, 表明变量间具有相关性, 符合主成分分析要求。通过主成分分析, 共提取4个成分(累积贡献率74.7%), 详细结果如图8所示。
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图 8 土壤溶解性有机质(DOM)组分与紫外-可见吸收光谱参数、荧光参数主成分分析的载荷(a、c)与得分(b、d)“→”指示对应参数的载荷坐标方向和大小。C1、C2、C3和C4分别为荧光组分类络氨酸、腐殖酸、类蛋白和类腐殖质, 其他的具体解释见表1。RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。“→” indicates the direction and magnitude of load coordinates of corresponding parameters in PCA analysis. C1, C2, C3 and C4 are fluorescent components of tyrosine-like amino acids, humic acid, proteoid and humic-like substances. The description of other abbraviations are shown in the table 1. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.Figure 8. Loadings plot (a, c) and sample scores (b, d) in PCA between soil dissolved organic matter (DOM components, UV-Vis absorption spectral parameters and fluorescence parameters其中, 第1主成分(PC1)贡献率达到29.6%, PC1中DOM组分C3、C4、参数UV254、SUVA254、a(355)为相对较高正载荷因子, 载荷值>0.3, UV254、SUVA254、a(355)等具有明显的正向相关性(P≤0.01), 与芳香性、DOM浓度关系密切。这一结果表明PC1代表着DOM的芳香性与浓度大小。第2主成分(PC2)贡献率为23.1%, 具有较高正载荷的是腐殖质成分C4、E2/E3、E3/E4、DOC、SR以及荧光参数FI和HIX (载荷值大于0.23), E2/E3与E3/E4具有显著相关性(P≤0.05), 二者与分子量大小、腐殖化程度密切相关, SR与分子量大小、生物源状况有关; 荧光参数FI与HIX分别与腐殖化程度、生物来源状况有关, 说明PC2可代表DOM的腐殖化程度、分子量大小和生物性来源状况。第3主成分(PC3)贡献率为13.2%, 具有较高正载荷的是类络氨酸组分的C1、类蛋白组分C3以及荧光参数BIX和FI, BIX和FI表征着DOM的自生源特性和DOM的新鲜程度, 因此可以判断PC3代表着DOM中的蛋白质组分和自生源、新鲜程度。第4主成分(PC4)贡献率为8.8%, 拥有较高载荷值的是组分C1、C2、C3和C4, 参数E2/E3、E3/E4、BIX, 其中组分间具有显著的相关性, E2/E3与E3/E4关系密切, 而FI等与腐殖化有关的参数载荷为负值, 说明PC4代表着DOM的分子结构组成与分子量大小。
从主成分分析得分状况上看, 在PC1, MR模式的得分值相对较高, 其次为轮作模式RS1, 得分值略高于两种共作的稻虾种养模式(RS2、RS0), 但3种稻虾种养模式间的得分值差异性并不明显, 表明MR模式中DOM的芳香性和浓度更高, 该结果与前文中紫外参数的分析结果一致。PC2中, MR得分值也较高, 其次为两种共作模式RS2和RS0, 得分值略高于轮作模式RS1, 表明MR模式的腐殖化程度更高, 结合前文紫外参数分析中MR和RS1模式DOM腐殖化程度高和荧光指数FI的分析, RS2和RS0两种共作模式较高的得分值很有可能表明了相对较高程度的生物性来源。PC3中, RS1模式拥有较高的得分值, 其次为得分差异并不显著的MR和RS2模式, RS0得分值最低, 结合荧光参数BIX和FI的分析, RS1和MR模式中具有相对较高的自生源水平。PC4中得分最高为RS1, 其次为RS0、MR和RS2, 表明3种稻虾技术模式中DOM中分子结构组成的多样性更强、分子量较大, 这与前文E2/E3、E3/E4参数分析结果相一致。
3. 讨论与结论
3.1 不同稻虾模式对土壤DOM紫外-可见吸收光谱参数的影响与意义
紫外-可见吸收光谱的变化及其参数能够反映DOM中的物质, 对于表征环境中的污染物、芳香性物质、共轭结构或有机质的腐殖化程度, 衡量环境中芳香性物质、分子物理化学性质的重要指标等具有重要意义[23]。在不同稻虾模式中, 传统水稻单作(MR)以及有环沟式稻虾轮作(RS1)模式的吸光度明显比另外两种模式吸光度偏高, 光谱发生红移(吸收肩峰以及曲线向长波方向移动), 该特点说明MR和RS1模式下土壤DOM的腐殖化程度相对于两种稻虾共作模式(RS2、RS0)较高, 此外, 共轭结构较多也有可能导致其吸光能力的增强[34]。UV254和a(355)作为与土壤中DOC和CDOM密切相关的指数, 在不同模式之间的差异性在一定程度上说明了淹水对土壤DOM的影响, 地表径流和淋溶等过程, 都会导致DOC和CDOM向水中释放, 稻虾种养模式的淹水厌氧条件为DOM向水体释放DOC和CDOM创造了条件[35]。本研究中UV254和a(355)在不同模式的差异表明了土壤对水的DOC和CDOM的释放相对量差异, 共作模式淹水相对时间长, 水位变化幅度小, 生物活动对土壤的扰动、稻田中的动植物残体在腐烂分解等条件下, 处于淹水状态更容易使DOM的亲水性物质、CDOM等向水中释放被微生物分解利用, 从而导致RS2和RS0模式的芳香性物质减少和DOC流失, UV254和a(355)偏低[36]。而SUVA254的差异性也与淹水条件关系密切, 很有可能是MR模式后期土壤处于轻微渍水好氧条件, 而RS1模式农田在采样期以种稻为主, 淹水主要集中于环沟, 田间土壤也同样处于渍水状态, 因而有利于两种模式土壤DOM腐殖化; 而无环沟的种养模式下, 土壤含水率相对较高, 含氧量、通气条件以及热量条件都相对不足, 且DOM释放于水体中的比例相对较大, 从而导致SUVA254相对较低, 这一结果与梁俭等[35]在三峡库区的报道相近。DOM作为土壤肥力的关键因子, 紫外参数的变化表明淹水可能会使生物可利用性高的DOM流失, 一定程度上降低土壤肥力, 同时促进田间水的富营养化, 因此在生产实践中, 应注重田间水循环, 同时监测土壤肥力, 注重对土壤肥力的补充。
DOM的分子量影响着生物对DOM的可利用性, 同时对于环境中的污染物具有较大影响, 赵海超等[37]研究表明, 大分子量的DOM能够有效稳定土壤磷素, 有利于保持肥力; 也有学者发现土壤中Cd和As的迁移转化受分子量大的腐殖质类DOM影响, 大分子量DOM对土壤中Cd和As具有较强的亲和力[38-39]。本研究中, E2/E3的分析结果表明共作模式下土壤DOM的分子量相对于轮作模式大, 模式差异对DOM的分子量大小影响更大, 而E3/E4表明稻虾种养模式下DOM腐殖质以高分子化合物的胡敏酸为主, 传统稻作以分子量较小的富里酸为主, 这与E2/E3所得出的结论一致, 因而相关性显著; 轮作与共作的差异性主要表现在田间的生物量差异和淹水差异上, 因此可以判断这是导致两种模式DOM分子量差异的原因。 基于以上分析, 在稻虾种养模式生产实践中, 共作模式对于土壤肥力的保持是相对有利的, 对于土壤中的重金属污染预防和土壤肥力保持的工作, 应该注重添加有机肥作为基肥施用, 减少淹水对土壤肥力的影响, 同时关注土壤和作物中的As和Cd含量, 以防止污染物在水稻和小龙虾中积累, 在此基础上, 也可以使用具有高分子量DOM的稻虾无环沟的共作模式, 可在保持土壤肥力的同时保留最大的可利用耕地面积, 简化田间管理的同时也增加了稻虾种养模式的收益[40]。
本研究中, 紫外可见吸收光谱和荧光光谱特征参数的相关性并不一致, 这与其他学者在不同水域土壤和沉积物的相关研究结果相似, 主要受DOM的物质组成和结构差异影响[41-42], 其次, 为进一步明确不同模式土壤DOM与重金属和其他污染物的关系, 未来应重视对土壤DOM与重金属迁移转化的机理研究。
3.2 不同稻虾模式对土壤DOM组分荧光特征的影响与意义
DOM可为土壤提供养分, 促进水稻生长增产, 这对于评价土壤肥力具有重要作用, 且其中大量的官能团对重金属具有吸附和抑制效果, 是农田中重金属污染与环境行为的重要研究对象, 对农田土壤环境健康意义重大[4]。在荧光组分解析上, 本研究4种模式土壤DOM组分较为相似, 但分解的DOM组分与苏良湖等[15]在黄山市的稻虾种养模式土壤DOM报道结果并不一致, 这与区域的土壤背景、母质、生物条件、耕作和施肥措施等有关[43]。荧光参数FI值说明本研究土壤DOM与生物源密切相关; 在土壤方面, 黄山市主要是暗黄土, 属黄壤, 母质为花岗岩残积物, 除磷素外, 有机质和其他营养物质含量丰富, 土壤肥力相对较高[15]; 而本研究区域(南昌)整体为棕黄泥土, 属于红壤, 有机质含量低, 养分贫乏, 母质为第四纪沉积物, 从土壤母质而言, DOM所生成的土壤环境差异性较大, 细菌群落的形成和细菌所利用的底物差异大, DOM的组分组成不同; 其次, 细菌群落与DOM组成多样性显著相关, 相近的距离和统一耕作, 土壤性质相近, 使用同一化肥, 使土壤中细菌群落的异质性减少, 因而间接影响了DOM的多样性, 这符合本研究的试验特点, 因而很可能是不同模式土壤DOM成分组成相似的原因。菌群多样化有利于DOM的多样化, 组分的相似性指示了耕作方式、施肥方式的单一, 因此在生产中, 稻虾种养应配合施用不同的有机肥, 增加细菌群落多样性进而增加DOM的含量与多样性, 这有利于作物的生长[44]。从本研究不同组分对DOM荧光强度的贡献率看, 类络氨酸物质C1在3种稻虾模式显著较高, 但相关性分析表明C1与其余3种组分呈显著负相关, 而C1主要来源为生物源, SR和荧光指数FI均表明本研究土壤DOM生物源明显, 这一结果说明C1组分与微生物活动对DOM的分解转化密不可分。C2在水稻单作(MR)和有环沟稻虾种养模式(RS1、RS0)条件下占比更高, 可能是在水稻单作和有环沟式模式下, 水稻种植密度和量相对较大, 植物残体、根系分泌物等所产生的有机质相对集中, 外加淹水水位相对稻虾共作模式较低或主要淹水于环沟, DOM向水体释放少, 使C2腐殖酸组分得以保留; 在无环沟共作中, 淹水水位均匀且时间长, 水稻种植密度相对较低, 亲水性物质释放于水体比例大, 因而DOM的贡献率较其他模式低。
3.3 结论
综上所述, 本研究得出以下结论: 水稻单作与有环沟式轮作模式(MR、RS1)土壤DOM的浓度、腐殖化程度和芳香度相对于两种共作模式(RS2、RS0)更高。水稻土DOM主要来源于生物源, 自生源特征明显, 且在稻虾共作技术模式中更显著; 稻虾种养模式下土壤DOM分子量相对于水稻单作大, 共作模式相对比轮作模式大; 水稻单作中DOM的物质主要为腐殖酸, 稻虾种养模式下则以胡敏酸为主。依据本研究的分析结果, 相比其他两种稻虾种养模式, 存在较多大分子量DOM的无环沟式稻虾共作更有利于土壤肥力保持, 且具有较好的综合效益。
平行因子分析表明4种稻虾技术模式中DOM物质组成无明显差异, 均解析出４种荧光组分, 分别为类络氨酸C1、腐殖酸C2、类蛋白C3、类腐殖质C4; 相关性和主成分分析表明, C2、C3、C4具有较高的同源性, 与C1来源不同。
不同组分对荧光强度的贡献率表明组分C1在稻虾技术模式土壤DOM中占比最高, 与水稻单作有所差异, 该结果与微生物活动密切相关; C2、C3、C4在4种技术模式下的荧光强度贡献不一致。在不同模式中土壤DOM的成分相似可能与菌群的多样性有关, 施用有机肥可增加土壤DOM的异质性, 增加土壤肥力, 有利于作物生长。
田间管理(淹水空间与水稻种植分布)的差异性导致DOC和CDOM向水中释放的程度不一致, 从而导致农田土壤DOM光学特征差异, 不同模式间的差异性也主要表现在淹水差异中, 因此本研究认为淹水是影响稻虾共作田土壤DOM光学特征的主要原因。
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图 1 不同稻虾种养模式与传统水稻单作田间试验布局示意图
Figure 1. Schematic diagrams of the field trails of different integrated rice-crayfish cultivation patterns and traditional rice monoculture
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图 2 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质紫外-可见光吸收光谱图
RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 2. UV-Vis absorption spectra of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patterns
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图 3 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的紫外-可见吸收光谱相关参数[UV254、SUVA254、SR、α(355)、E2/E3、E3/E4]
各参数的具体解释见表1。不同小写字母表示不同模式在P<0.05水平差异显著; RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。The description of each parameter is shown in the table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among different modes at P<0.05 level. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 3. Parameters of UV-Vis absorption spectral [UV254, SUVA254, SR, α(355), E2/E3, E3/E4] of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patterns
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图 4 平行因子解析得出的不同稻虾种养模式土壤可溶性有机质中4个荧光组分与对应的载荷
RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 4. Four fluorescent components and loadings in soil dissolved organic mater of different integrated rice-crayfish cultivation patterns analyzed by parallel factor analysis (PARAFAC)
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图 5 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的4个组分荧光强度贡献百分比
RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 5. Contribution percentages of fluorescence intensities of four components of soil dissolved organic matter in different integrated rice-crayfish cultivation patterns
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图 6 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质的荧光光谱参数
不同小写字母表示不同模式在P<0.05水平差异显著; RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。FI: 荧光参数; BIX: 自生源指数; HIX: 腐殖化指数。Different lowercase letters indicate significant differences among different modes at P<0.05 level. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture. FI: fluorescence index; BIX: biological indix; HIX: humification index.
Figure 6. Fluorescence parameters of soil dissolved organic matter in different integrated rice crayfish cultivation patterns
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图 7 不同稻虾种养模式土壤溶解性有机质(DOM)组分与紫外-可见吸收光谱参数和荧光参数的相关性
* 、**和***分别表示P≤0.05、P≤0.01和P≤0.001水平相关性显著; 图中圆形直径越大颜色越深表示相关性越强。C1、C2、C3和C4分别为荧光组分类络氨酸、腐殖酸、类蛋白和类腐殖质, 其他缩写具体解释见表1。RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。*, ** and *** mean significant correlation at P≤0.05, P≤0.01 and P≤0.001 levels, respectively. The larger the circular diameter and the darker the color, the stronger the correlation. C1, C2, C3 and C4 are fluorescent components of tyrosine-like amino acids, humic acid, proteoid and humic-like substances. The description of other abbraviations are shown in the table 1. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 7. Correlations between soil dissolved organic matter (DOM) components and UV-Vis absorption spectral parameters and fluorescence parameters in different integrated rice-crayfish cultivation patterns
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图 8 土壤溶解性有机质(DOM)组分与紫外-可见吸收光谱参数、荧光参数主成分分析的载荷(a、c)与得分(b、d)
“→”指示对应参数的载荷坐标方向和大小。C1、C2、C3和C4分别为荧光组分类络氨酸、腐殖酸、类蛋白和类腐殖质, 其他的具体解释见表1。RS1: 有环沟式稻虾轮作; RS2: 有环沟式稻虾共作; RS0: 无环沟式稻虾共作; MR: 水稻单作。“→” indicates the direction and magnitude of load coordinates of corresponding parameters in PCA analysis. C1, C2, C3 and C4 are fluorescent components of tyrosine-like amino acids, humic acid, proteoid and humic-like substances. The description of other abbraviations are shown in the table 1. RS1: integrated rice-crayfish rotation system with ring groove; RS2: integrated rice-crayfish system with ring groove; RS0: integrated rice-crayfish system; MR: traditional rice monoculture.
Figure 8. Loadings plot (a, c) and sample scores (b, d) in PCA between soil dissolved organic matter (DOM components, UV-Vis absorption spectral parameters and fluorescence parameters
表 1 紫外-可见光吸收光谱与荧光光谱参数描述
Table 1 Description of parameters of UV-Vis absorption spectrum and fluorescence spectrum
光谱参数名称
Spectral parameter name定义与计算方法
Definition and calculation method参数指示意义
Idicative meaningUV254 波长254 nm处的紫外吸光度
UV absorbance at wavelength 254 nm表征溶解性有机质(DOM)的浓度和芳香性[19]
To characterize the concentration and aromaticity of dissolved organic matter (DOM)[19]吸收系数
Absorption coefficient (aλ)αλ=2.303×Aλ/r; Aλ为波长λ处的吸光度, r为光程路径(m)
αλ=2.303×Aλ/r; Aλ is the absorbance at wavelength λ, r is the optical path (m)表征样品中CDOM (有色可溶性有机质)相对浓度[20]
To characterize the relative concentration of colored DOM in samples[20]E2/E3 254 nm和365 nm处紫外吸光度的比值
Ratio of UV absorbance at 254 nm to 365 nm估算DOM分子量的相对大小, 与分子量呈反比[21]
To estimate the relative size of DOM molecular, which inversely proportional to the molecular weight[21]E3/E4 300 nm和400 nm处紫外吸光度的比值
Ratio of UV absorbance at 300 nm to 400 nm衡量腐殖质的腐殖化程度及其芳香性[21]
To characterize the degree of humification and aromaticity of humus[21]比吸收系数
Specific absorption coefficient (SUVA254)UV254与可溶性有机碳(DOC)浓度的比值
Ratio of UV254 to concentration of dissolved organic carbon (DOC)与DOM芳香度密切相关, 表征DOM的芳香性, 值越大, 芳香性越高[22]
Closely positively correlated to DOM aromaticity, and represent the aromaticity of DOM[22]光谱斜率比
Spectral slope ratio (SR)275~295 nm波长和350~400 nm波长吸光度指数函数曲线光谱斜率的比值, 即
SR=S(275~295)/S(350~400)
Ratio of the spectral slope of the absorbance index function curve for the wavelength of 275 nm to 295 nm and the wavelength of 350−400 nm, SR=S(275−295)/S(350−400)反映DOM的来源与分子量大小: 当SR>1, 表示以生物源为主; SR<1则为外源。SR越大表明DOM 分子量越小[23]
Reflect the source and molecular weight of DOM. When SR>1, the DOM is mainly from biological sources; while when SR<1, it is exogenous. The larger the value, the smaller the DOM molecular weight[23]荧光指数
Fluorescence index (FI)指激发波(Ex)在370 nm处, 发射波长(Em)在
450 nm与500 nm处的荧光强度比值
Refers to the fluorescence intensity ratio between excitation wavelength at 370 nm and emission wavelength at 450 nm and 500 nm反映芳香氨基酸和其他物质对荧光强度的贡献, 可作为来源指示。FI>1.9, 生物代谢和释放为主要来源, 自生源突出; FI<1.4, 植物和土壤有机物贡献为主, 外源性突出[24]
Reflect the contribution of aromatic amino acids and other substances to fluorescence intensity, it can be used as source indicator. If FI >1.9, the biological metabolism and release are the main sources, autogenesis is prominent. if FI<1.4, the plant and soil organic matter are the main source, showing exogenous featuer[24]腐殖化指数
Humification index (HIX)激发波长(Ex)在254 nm处, 发射波长(Em)在435~480 nm与300~345 nm之间的积分值比值
Ratio of the integral value between the excitation wavelength at 254 nm and the emission wavelength at 435−480 nm and 300−345 nm衡量DOM的腐殖化程度, 指数值越高, 腐殖化程度越高。其中, HIX> 6表示高度腐殖化且陆源贡献较大; 4~6表示高度腐殖化具有微弱的自生源特性; HIX<4则表示腐殖化程度弱, 以自生源为主[25]
Measure the degree of humification of DOM. The higher the index value, the higher the degree of humification. HIX>6 indicates high humification with large terrestrial contribution. 4−6 HIX indicates high humification with weak autobiographical characteristics. HIX<4 indicates humification degree is weak and autogenous[25]自生源指数
Biologcal index (BIX)指激发波长(Ex)在310 nm处, 发射波长(Em)在380 nm与430 nm处的荧光强度比值
Fluorescence intensity ratio between excitation wavelength at 310 nm and emission wavelength at 380 nm and 430 nm反映DOM中新鲜产生的物质比例, 可评估DOM所在环境中的生物活性程度。BIX>1为生物源, BIX<0.7则表示低本土成分, 0.7~0.8为中等本土成分, 0.8~1.0为强本土成分[26]
Reflect the proportion of freshly produced substances in DOM, the degree of biological activity in the environment. BIX>1 is biogenic, BIX<0.7 is low native component, 0.7−0.8 is moderate native component, and 0.8−1.0 is strong native component[26]
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