水田建设对不同类型土壤养分和碳固持的影响

2018-06-05孙绪博杜宜春孙婴婴曹婷婷刘红瑛张宏凯

河南农业科学 2018年4期

孙绪博，杜宜春，孙婴婴，曹婷婷，刘红瑛，张宏凯*

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司/陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710021;2.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室/陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710075)

土地利用方式的改变是土壤管理与决策的体现，影响土壤养分的流动、转化和土壤发育过程[1]。目前，关于土地利用方式转变过程中土壤营养库变化的分析，多集中于退耕还林、退耕还草、长期封育等措施对土壤养分尤其是碳库储量的影响[2-3]，而改水田后土壤养分动态变化研究尚处于起步阶段[4-6]。一般认为，非水田土地改造为水田的过程中，由于碳输入量和输出量的转变，土壤碳库也会产生较大变动[4]；土地耕种措施和水淹环境的改变，会对于土壤氮、磷、钾等营养元素的矿化、累积尤其是氮素的反硝化造成显著影响[7]；水田建成后，土壤含盐量下降，土壤熟化加速，但土壤易发生次生盐渍化[8-9]，且建成初期由于土壤营养供需的矛盾，水稻生长可能明显受限[10]。但相关研究仍不够系统全面，且因为不同地区土壤性质和气候条件的差异，造成结果亦出现一定出入[7,11]。鉴于此，对不同土壤类型改造为水田过程中的土壤养分动态变化进行跟踪测定，对土壤质量监测和土地整理的生态效益评价均有重要意义。

近年来，全球气候变暖，水资源格局重新分配，加之国内多项引水调配工程的实施，增加了一些有潜力的旱地和未利用地改造为水田的可能性[12]，因此全国多个省市都开展了水田建设的尝试[13-14]。陕西省大西安地区水田建设为高标准水田开发建设项目，计划于2015—2019年在西安及其辐射地区的水源充足区域实施，建设规模约3.33万hm2，改水田后用于水稻种植、莲藕种植、鱼塘养殖等，以充分合理利用水土资源，改善区域土壤质量和生态环境，提高耕地生产力。因此，对该建设过程中土壤氮、磷、钾、碳等养分特征进行精确地跟踪测定，不仅能对大西安地区水田建设的生态效应进行有效评价，还能为改造后土地资源的可持续利用提供科学管理依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

采样点(图1)位于大西安地区渭南市(图1)，属于暖温带半干旱季风气候，年平均降水量514.0～555.2 mm，年辐射总量121.24～123.9 kcal/cm2。其中，新积土采样地点为大荔县范家镇，改水田之前为废弃的莲藕、鱼塘，改水田时间为6月5日；土采样地点为富平县褚塬村，改水田之前地表植被覆盖为小麦，改水田时间为6月9日；黄绵土采样地点为韩城市下峪口，改水田之前地表植被覆盖为杂草和灌木，改水田时间为6月10日。

图1 采样点分布图

1.2 土样采集

试验于2016年4—10月进行，选择大西安地区河道旁典型分布的新积土、土、黄绵土3种土壤类型，采用五点法分别采集0～20、20～40、40～60 cm土样。试验期间各处理采用相同的施肥、管理方式。

1.3 测定指标及方法

土壤颗粒组成的测定采用激光粒度法；质地分级采用国际制；土壤总碳、总有机碳含量的测定采用燃烧氧化—非分散红外法；全氮含量的测定采用开氏消煮法；速效磷含量的测定采用NaHCO3提取—钼锑抗比色法；速效钾含量的测定采用乙酸铵提取—原子吸收分光光度法。

1.4 数据分析

采用Excel 2013 软件处理数据，SPSS 17.0 软件进行方差分析(LSD法)，Origin 2017进行绘图。

2 结果与分析

2.1 改水田对土壤质地的影响

由表1可知，3种土壤类型的粒径分布有较大差异，依据国际制土壤质地分类方法，新积土、土、黄绵土0～20 cm土层均为粉砂壤土，但新积土黏粒含量较低，仅为5.80%，土3层粒径分布比较平均。黄绵土20～40 cm土层质地为砂壤土，黏粒含量仅为2.87%，砂粒含量达到56.35%。说明改水田过程中耕层水串灌和淋淀作用会对土壤黏粒带来一定影响，但土壤颗粒组成主要决定于成土母质[11]，即在研究的尺度范围(2 a)内，改水田对土壤颗粒组成影响不大。

表1 3种土壤类型基本物理性质

2.2 改水田对土壤养分含量的影响

2.2.1 有效磷由图2可知，0～20 cm土层改水田前新积土、土、黄绵土有效磷含量分别为27.2、18.8、4.2 mg/kg，改水田后分别降为12.5、18.0、3.6 mg/kg，较改水田前分别减少54.2%、4.0%、14.3%，且新积土差异显著。20～40 cm土层新积土、黄绵土有效磷含量较改水田前分别显著减少45.1%、64.8%，而土有效磷含量显著增加210.4%。40～60 cm土层新积土、土有效磷含量较改水田前显著增加91.1%、339.6%，而黄绵土有效磷含量显著减少69.0%。改水田后，0～60 cm土层新积土、土、黄绵土有效磷平均含量分别为11.6、14.9、1.9 mg/kg，与改水田前相比，土显著增加70.3%，新积土、黄绵土分别显著减少41.2%、46.5%(P<0.05)。

不同小写字母表示同种类型土壤改水田前、后各指标在0.05水平差异显著，下同

2.2.2 速效钾由图3可知，0～20 cm土层改水田前新积土、土、黄绵土速效钾含量分别为126.0、99.8、87.4 mg/kg，改水田后分别为95.9、125.2、88.5 mg/kg，与改水田前相比，新积土速效钾含量显著减少23.9%，土显著增加25.4%。20～40 cm土层新积土、黄绵土速效钾含量较改水田前分别显著减少21.1%、33.7%，土增加6.0%，但差异不显著。40～60 cm土层新积土、黄绵土速效钾含量较改水田前分别显著减少23.4%、24.7%，土显著增加67.6%。改水田后，新积土、土、黄绵土0～60 cm土层速效钾平均含量分别为93.4、126.7、59.4 mg/kg，与改水田相比，新积土、土速效钾含量分别显著减少22.8%、16.9%(P<0.05)，土显著增加32.4%(P<0.05)。

图3 不同土壤类型土壤速效钾含量

2.2.3 全氮由图4可知，0～20 cm土层改水田前新积土、土、黄绵土全氮含量分别为0.45、0.58、0.57 g/kg，改水田后分别为0.36、0.37、0.41 g/kg，较改水田前分别显著减少20.0%、36.2%、28.1%。20～40 cm土层新积土、土、黄绵土全氮含量较改水田前分别显著减少39.4%、22.8%、52.9%。40～60 cm土层土、黄绵土全氮含量较改水田前分别显著减少22.9%、11.4%，新积土全氮含量显著增加23.8%。改水田后，新积土、土、黄绵土0～60 cm土层全氮平均含量分别为0.44、0.39、0.32 g/kg，较改水田前分别显著减少17.1%、27.6%、32.9%(P<0.05)。

图4 不同土壤类型土壤全氮含量

2.2.4 有机碳有机碳含量是土体肥力和团粒结构的一个重要指标，有机碳含量低会导致土体保水、保肥能力及通透性降低，易造成土体板结。由图5可知，0～20 cm土层改水田前新积土、土、黄绵土的总有机碳平均含量分别为4.5、3.4、1.4 g/kg，改水田后分别为3.2、2.4、1.1 g/kg，较改水田前分别减少27.8%、29.3%、17.4%。20～40 cm土层新积土、黄绵土总有机碳含量较改水田前分别显著减少56.7%、52.8%，土增加12.1%。40～60 cm土层新积土、土、黄绵土总有机碳含量较改水田前分别显著减少28.1%、28.3%、18.8%。改水田后，新积土、土、黄绵土0～60 cm土层总有机碳平均含量分别为2.2、2.5、1.5 g/kg，较改水田前分别显著减少39.3%、16.1%、35.7%(P<0.05)。

图5 不同土壤类型土壤总有机碳含量

2.3 改水田对土壤碳固持的影响

图6 不同土壤类型土壤总碳含量

土壤固碳量的增加，对于提高稻田土壤生产力、维护大气碳平衡有重要作用。由图6可知，0～20 cm土层改水田前新积土、土、黄绵土总碳含量分别为16.96、18.55、9.68 g/kg，改水田后分别为18.03、22.47、10.12 g/kg，较改水田前分别增加6.3%、21.1%、4.5%。20～40 cm土层新积土、黄绵土总碳含量较改水田前分别显著减少16.7%、53.1%，土增加8.8%。40～60 cm土层新积土、黄绵土总碳含量较改水田前分别显著减少12.7%、23.9%，土增加11.5%。改水田后，新积土、土、黄绵土0～60 cm土层总碳平均含量分别为14.5、19.0、8.2 mg/kg，新积土、黄绵土较改水田前分别显著减少7.6%、28.6%(P<0.05)，土显著增加13.9%(P<0.05)。

3 结论与讨论

水田在滞水过程中，增加土壤对磷的吸附，形成难溶解吸收利用的FePO4，减少了有效磷的解析，表现为3种土壤类型0～20 cm土层有效磷含量均有减少趋势。20～40 cm土层新积土、黄绵土有效磷含量减少，而土增加，这是由于土黏粒含量在20～40 cm层显著大于新积土和黄绵土，有效磷在垂向淋溶时，吸附在黏粒表面，减弱了磷的淋溶损失[13,15]。土层中速效钾含量也受土体质地的影响，土体黏粒具有吸附和固定钾的能力，质地黏重的土体含钾量往往比较高，砂粒含钾量低，因此，0～60 cm土层中，质地较黏重的土速效钾含量增加。本研究中，3种土壤类型全氮含量在 20～40、40～60 cm均有不同程度的减少，原因可能是随着土层自然含水量、碳源和氮源含量的上升，土壤微生物可利用的主要营养物质增加，导致土壤微生物生物量碳、氮含量升高，酶活性增加，促使有机态氮向无机态氮的转化能力增强，而无机态氮易被植物吸收利用，使得土壤全氮含量减少[16-17]。改水田后，综合考虑0～60 cm土层各养分含量，土更有利于土壤养分的提升。

改水田前新积土利用方式为莲藕池，土层中含有较多的莲藕根系、枝干等植物残体，滞水过程中，土壤好氧微生物活动基本停止，土壤有机物的分解以厌氧分解为主，未分解的有机质逐渐积累[18]。因为新积土、黄绵土土壤颗粒砂粒、粉粒含量较大，干湿交替过程中，土壤通气性增强，微生物对有机质的分解速度加快，促进了有机质矿化分解[6]，从而使土壤有机质总量下降，表现为改水田后，新积土、土、黄绵土0～60 cm土层总有机碳平均含量较改水田前显著减少。此外，土黏粒含量较大，随黏粒淋溶并淀积到20～40、40～60 cm层的有机质增加，由此可知土改水田更有利于土壤总有机碳的积累。同时土质地为粉砂壤土或粉土，黏粒含量高达11.16%，是新积土和黄绵土的1.93和2.13倍。黏粒具有较大的比表面积和电荷密度，对土壤有机质有较强的吸附力，形成更利于固碳的土壤团聚体结构[17-20]，促进土壤中微生物的活性和多样性，进而促进土壤的碳固持。从碳固持角度分析，土更适宜改水田。

将土地改造后用于水稻种植，提高耕地生产力，建设高产稳产农田，以充分合理利用水土资源，对改善区域土壤质量和生态环境具有重要的意义。但本研究的研究尺度(2 a)较小，今后还应进行长期定位监测，加强数据的联贯性。对土壤养分进行评价时应充分考虑养分之间的相互影响，以充分提高养分的利用水平。

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