土地利用方式影响黄棕壤有机质周转和分配

王文俊，乔云发，龙杰琦，钟 鑫，苗淑杰

（南京信息工程大学，江苏 南京 210044）

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础。土壤有机质在改善土壤理化性质、增加营养元素含量、促进土壤微生物生长等方面都有重要作用［1］，不仅关系到作物的产量和品质，更关系到耕地的可持续发展［2］。同时，土壤有机碳库作为大气碳库的源和汇，对全球气候变化起调控作用，对减缓温室效应有非常重要的意义［3］。此外，土壤有机质是含有多种化合物的复杂混合物，其组成与性质是不断变化的。所以土壤有机质的含量和稳定性对其效能的发挥有着深远的影响。

土壤有机质的来源主要为动植物残体及外来物料的转化，而原有有机质也会被微生物等降解而损失，有机质的周转即为两者之间的动态平衡过程［4］，其受到诸多因素的影响，如土地利用方式、施肥、土壤侵蚀、耕作措施等［5］，其中，土地利用方式对有机质的周转有着巨大的影响。前人的研究表明［6-9］，土地利用方式的改变会导致植被类型、微生物与土壤动物种类、土壤理化性质、有机质化学组成的改变，是土壤有机质输入与分解的主要驱动力。尤孟阳等［10］研究发现，黑土区长期作物连作与自然修复处理中密度组分有机碳存在显著差异；任荣秀等［11］通过对太行山南部不同土地利用方式的研究发现，相对于休闲，耕作会破碎大粒级团聚体，导致土壤有机质流失。可见，在研究土地利用方式对土壤有机质含量与周转的影响时，从土壤团聚体和密度组分角度进行探索可以提供有效的证据。

目前，虽然已有一些关于土地利用方式对土壤有机质影响的研究［6-8，10-12］，但鲜有涉及黄棕壤中土地利用方式对土壤有机质周转的报道。因此，本文依托南京信息工程大学农业气象实验站黄棕壤长期定位试验平台，选用5年稻麦轮作、豆麦轮作以及休闲的自然植被3种利用方式的土壤，比较其有机质总量、13C丰度、有机质更新率和半衰期、团聚体和密度组分的分布特征及有机质含量，以研究土地利用方式对土壤有机质分配和周转的影响。该研究将为未来通过土地利用方式调整土壤肥力可行性措施提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验设计

土壤样品采集于南京信息工程大学农业气象实验站（118°70′E，32°21′N）长期定位试验平台。供试土壤为黄棕壤，0～20 cm耕层土壤质地为壤质黏土，其土壤容重为1.54 g/cm3，pH为6.98，有机碳含量为11.66 g/kg。试验区地势平坦，位于亚热带季风气候带，年平均气温为15.6 ℃，年平均降水量为1100 mm，无霜期为237 d，年日照时数为1902 h。

2015年春，建立该长期定位试验，设置3个处理：水稻小麦（稻麦）轮作、大豆小麦（豆麦）轮作、自然植被（休闲，主要植被为刺菜、稗草、黄背草、枯草）。每个处理4次重复，完全随机排列。大豆品种为八月白，生育期施用氮肥为尿素（118 kg/hm2），磷肥为磷酸氢二铵（412 kg/hm2），钾肥为硫酸钾（118 kg/hm2）。冬小麦品种为济麦22，密度为1.5×106株/hm2，生育期施用氮肥为尿素（117 kg/hm2），磷肥为磷酸氢二铵（409 kg/hm2），钾肥为氯化钾（135 kg/hm2）。磷、钾肥全部作为底肥一次性施入，氮肥分两次（底肥和拔节肥）施用。水稻品种为扬稻6号，生育期施用氮肥为尿素（150 kg/hm2），磷肥为过磷酸钙（100 kg/hm2），钾肥为氯化钾（150 kg/hm2）。各轮作周期内，人工拔除田间杂草，旱田雨养，水田按当地田间管理方式进行。

1.2 土样采集与处理

2020年秋，在每一个小区按“S”形，用土壤取样锹分别采集4点，将4点土壤混合作为一个土样。沿土壤结构的自然剖面掰成小块，并去除肉眼可见的植物组织和砂石等。放置于阴凉通风处，充分阴干后分别测定全土有机质总量和13C丰度，计算有机质更新率和半衰期；筛分水稳性团聚体和进行密度组分，分析其占比及有机质含量。

土壤水稳性团聚体筛分采用Elliott［13］的方法：将2、1、0.5、0.25、0.053 mm 5种孔径的套筛，按孔径从大到小的顺序自上而下装于团聚体分析仪上。称取50 g土壤于50 mL小烧杯中，加入自来水没过土样1 cm，糊化10 min后，再用适量自来水转于套筛上。开启团聚体分析仪，保持20 r/min的速度，筛分时间为10 min。筛分结束后，用自来水将每一层筛上以及桶中的土样洗至烧杯中，50oC烘干至恒重，称重，可获得6个不同粒级的团聚体。

土壤密度组分的筛分参照孙颖等［14］的方法，并加以改进。操作方法为：称取10 g土样于200 mL三角瓶中，并加入100 mL 密度为1.7 g/cm3的NaI重液。将三角瓶上下翻转5次，充分混匀后，放入离心机，在3500 r/min条件下，离心15 min后，取出三角瓶，用真空泵抽滤上层溶液中的漂浮物，烘干所得组分为游离态轻组。剩下的土样补足NaI重液后，进行超声波粉碎（40 Hz，100 W），3500 r/min离心15 min，用真空泵抽滤上层漂浮溶液，烘干所得组分为闭蓄态轻组。剩下的样品加入50 mL左右蒸馏水，振荡20 min，以4000 r/min离心20 min后，倒掉上层清液，再加入95%乙醇，摇匀，以4000 r/min离心2 min，将上清液倒掉。重复95%乙醇清洗过程2～3次，直至上清液无色，用乙醇将土样一并洗入塑料烧杯，烘干称重，所得组分为矿质态重组。

1.3 测定方法与计算

利用元素分析仪（Heraeus Elementar Vario EL，Germany）测定全土、团聚体和密度组分中的有机碳含量；全土13C丰度利用同位素质谱仪（Eurppa Scientific Ltd.，Cheshire，UK）进行分析。试验前土壤、稻麦混合样品、豆麦混合样品和自然植被混合样品13C丰度分别为-25.070‰、-27.927‰、-27.821‰和-27.812‰。

样品中13C丰度的计算：

式中：R样品为待测样品同位素比值（13C/12C），R标准为标准参比样品（PDB）同位素比值。

有机质更新率（%C）的计算如下：

土壤有机质周转率：

式中：Y是田间试验时间（年）。

土壤有机质半衰期：

式中：TR为土壤有机质周转率。

1.4 数据处理与统计分析

利用Excel 2016进行数据处理与绘图，利用SPSS 22.0进行有机碳、团聚体和密度组分占比、更新率、半衰期的单因素方差分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土地利用方式对土壤有机质周转的影响

土地利用方式影响土壤有机质含量及其稳定性。从图1可知，休闲和稻麦轮作处理土壤有机质含量较高，分别比豆麦轮作处理有机质含量高44.52%和39.72%。休闲与稻麦轮作处理土壤有机质含量基本一致。休闲处理土壤中13C丰度与另外两个利用方式（稻麦和豆麦）均差异不显著，但豆麦处理的13C丰度比稻麦处理高0.86%。稻麦处理土壤有机质更新率最高，分别比休闲和豆麦处理高45.56%和121.66%，而休闲处理又比豆麦处理高52.28%。相应地，稻麦处理土壤有机质的半衰期最短，分别比休闲和豆麦处理短54.89%和34.33%，休闲比豆麦处理半衰期短31.30%。

图1 不同土地利用方式对土壤有机质含量及其稳定性的影响

2.2 土地利用方式对团聚体有机质含量的影响

各粒级团聚体的质量分数及其有机质含量受土地利用方式的影响见图2。整体来看，土壤中各粒级团聚体所占比例表现为粒径小于0.053 mm的团聚体含量最多，其次是0.25～0.5、0.5～1、0.053～0.25和1～2 mm粒级，最少的是大于2 mm粒径团聚体。与休闲处理相比，稻麦轮作处理中大于2 mm粒径团聚体的含量增加了255.00%，而小于0.053 mm粒径团聚体降低了18.72%；豆麦轮作处理中0.5～1 mm粒径团聚体含量下降了48.72%，而小于0.053 mm粒径团聚体增加了14.33%。稻麦与豆麦轮作处理相比较，稻麦轮作处理增加了大于0.5 mm粒径团聚体含量，却降低了小于0.25 mm粒径团聚体含量。总体来看，稻麦轮作处理中大于0.25 mm粒径团聚体含量最高，分别比休闲和豆麦轮作处理高17.34%和42.20%，而休闲比豆麦轮作处理高21.18%。相应地，3种处理中团聚体平均重量直径也表现出相同的趋势，稻麦轮作处理团聚体平均重量直径分别比休闲处理高37.00%，而休闲比豆麦轮作处理高13.02%。

各粒级团聚体中有机质含量因粒径大小和土地利用方式不同而有差异。有机质含量最多的为1～2 mm粒径团聚体，最少的是小于0.053 mm粒径团聚体。与休闲处理相比，稻麦轮作使小于0.053 mm粒径团聚体中的有机质含量降低了44.35%，而豆麦轮作导致大于2、1～2 mm和小于0.053 mm粒径团聚体中的有机质含量分别降低了31.7%、34.6%和19.52%。然而，两种轮作方式相比较，稻麦轮作处理大于2和1～2 mm粒径团聚体的有机质含量比豆麦轮作处理高47.43%和52.91%，而小于0.053 mm粒径团聚体却降低了30.85%。

图2 不同利用方式下团聚体特征及有机质含量

2.3 土地利用方式对密度组分有机质的影响

如图3所示，土地利用方式对土壤有机质密度组分的影响主要表现在游离态轻组和闭蓄态轻组。稻麦轮作处理游离态轻组含量较豆麦处理高132.00%。豆麦轮作处理中的闭蓄态轻组含量分别比休闲和稻麦轮作处理作高74.80%和116.34%。

土地利用方式对各密度组分有机质含量的影响主要表现在闭蓄态轻组中（图3）。与休闲处理相比，豆麦轮作处理闭蓄态轻组中有机质含量降低了22.41%，稻麦轮作处理闭蓄态轻组中有机质含量比豆麦轮作处理高37.57%。

图3 不同利用方式下密度组分特征及有机质含量

2.4 全土、团聚体和密度组分有机质相关性分析

全土有机质与团聚体、密度组分中的有机质含量存在着不同程度的相关性（图4）。尽管全土有机质含量随着各粒级团聚体有机质含量增加呈正增长的趋势，但是仅1～2 mm粒径和大于2 mm粒径团聚体中的有机质含量与全土有机质含量极显著和显著相关（r=0.864**和0.659*）。

各密度组分中有机质含量也与全土有机质含量呈现正增长趋势，但是，只有游离态轻组和闭蓄态轻组中有机质含量与全土有机质含量极显著和显著正相关（r=0.571**和0.632*）。

图4 团聚体有机质、密度组分有机质与全土有机质的相关性

3 讨论

3.1 全土有机质及其稳定性对土地利用方式的响应

土地利用方式显著影响土壤有机质含量及其稳定性。土壤有机质的积累主要归因于两个方面，一是地上部初级生产物质向土壤中的归还，二是土壤原有有机质的矿化分解［15］。本试验中，休闲处理是自然植被的生长-衰老循环过程，虽然秋冬季节所有生物量都直接归还土壤，但是有机质含量并未出现绝对增加的现象，说明休闲处理土壤有机质归还累积与矿化分解处于平衡状态。但是休闲处理较耕作处理有促进土壤有机质积累的趋势，这一研究结果与在黑土和黄土上曾有的研究结果一致［16-17］。稻麦轮作土壤有机质含量显著高于豆麦轮作，因为水稻的碳氮比较豆科作物大豆要高［18］，故其在土壤中的矿化分解速度低于大豆，进而导致长期稻麦轮作土壤有机质含量高于豆麦轮作土壤。然而，稻麦轮作土壤有机质较高的更新率和较低的半衰期说明稻麦轮作土壤有机质周转较快，相对稳定性较弱。这些结果说明归还植被的质量是直接影响土壤有机质稳定性及其含量的一个重要因素。这也归因于稻麦轮作处理中土壤长时间周期性的水旱交替会引起土壤pH、氧化还原电位、微生物生境等影响有机质分解转化的因素不断变化［19］，导致其有机质稳定性变弱，周转速度反高于长期旱作的高植被质量豆麦轮作土壤。可见，土壤环境是影响有机质周转的另一重要因素。整体来看，通过轮作方式提高土壤有机质含量是一个可行的措施，但是在选择植被类型时要考虑土壤环境因素。此外，休闲恢复是提高黄棕壤有机质含量、提升土壤肥力的一个非常有效的方式。

3.2 团聚体对土地利用方式的响应

土壤团聚体分布及其有机质含量受土地利用方式的影响。本研究发现，3种土地利用方式中，稻麦轮作土壤团聚体粒径最高，而豆麦轮作最低。这是由于在稻麦轮作处理中，水稻季土壤保持一段时间的淹水状态，有利于团聚体的黏结凝聚［20］；而且，稻田施肥量较旱田土壤要大，作物根系相对较大，有机物料归还到土壤中的更多些（土壤中13C丰度支持这一观点），有利于土壤大团聚体的形成和对有机质的保护。这一作用可以弥补稻麦轮作土壤频繁干湿交替对水稳性大团聚体的破坏［21］。豆麦轮作处理的土壤长期为旱作，加之频繁的耕作，破坏了土壤中的大团聚体。团聚体中有机质外露并易于被矿化，最终导致豆麦轮作处理中大团聚体有机质含量显著降低。相关分析的结果显示，仅有大于1 mm粒径团聚体与全土有机质含量呈显著正相关，支持上述观点，同时证明土壤中大团聚体对土壤有机质富集的重要作用［22］。这是因为大团聚体是由小团聚体和有机质胶结而成的，其中储存了大量有机质，但其更容易遭到土壤侵蚀而被破坏［23］。小团聚体虽然有机质含量不高，但是可以更稳定地存在于土壤中，有利于土壤有机质的稳定。由此可见，黄棕壤区稻麦轮作有利于土壤团聚体形成，保持有机质含量，但会降低其稳定性；豆麦轮作会破坏大团聚体，降低土壤总有机质含量，但有机质稳定性较高。因此，在未来的农业耕作管理中，可以通过调整耕作方式来平衡土壤有机质的储量和稳定性。

3.3 土壤密度组分有机质对土地利用方式的响应

土壤中重组占比及其有机质含量不受土地利用方式的影响。这主要是因为重组是与矿物质紧密结合、腐殖化程度较高的稳定组分［14］。轻组有机质主要来源于植物、土壤动物等生物活性较强的有机物［24］。在本研究中，休闲处理有机物料全部归还于土壤，却没有增加土壤中轻组有机质，可能是因为在进行土壤处理的时候挑出植物残余物的结果，下一步研究将进行验证和分析。比较两种耕作处理，因水稻生物量较大，向土壤中归还的有机物料相对较多，所以稻麦轮作处理轻组含量较豆麦轮作处理高。然而，轻组有机质易被微生物分解转化［25］，由于频繁的干湿交替加速了稻麦轮作土壤轻组有机质的矿化分解，使其有机质含量并不比豆麦轮作高。稻麦轮作处理有机质差异主要表现在闭蓄态组分，相关性分析的结果也证实，轻组和闭蓄态组分中有机质含量与土壤总有机质含量显著相关。这些结果表明，本试验的土地利用方式中，稻麦轮作不仅可以为土壤提供较多的有机质源，而且可以通过包被在闭蓄态组分中而提高土壤有机质含量。

4 结论

黄棕壤区，稻麦和豆麦轮作通过影响土壤团聚体形成、密度组分的分布及其有机质含量改变了土壤有机质含量及其稳定性。比较而言，稻麦轮作方式，通过大量新有机质源的输入，加速土壤有机质的周转，但仍能保持土壤有机质含量的稳定，这将有利于土壤中养分的更新和土壤肥力的可持续利用。豆麦轮作因外源有机质源输入量较低，土壤有机质半衰期长、更新率低，不利于土壤养分供应和有机质的平衡。因此，本研究表明，根据不同区域的土壤条件，选择适当的轮作方式是提高土壤肥力、实现农业可持续发展的有力保障。