沿海滩涂水稻种植对土壤微生物量碳和水溶性有机碳的影响

张 蛟， 崔士友， 陈澎军， 韩继军

(1.江苏沿江地区农业科学研究所，江苏南通 226012；2.江苏省有色金属华东地质勘查局/地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏南京 210007)

“仓廪实，天下安”，粮食安全是国家安全的重要组成部分，把饭碗端在自己手里是国家发展的重要因素，是事关国计和社会稳定的首要问题。随着社会发展和城市化进程的加快，耕地面积总量越来越逼近耕地红线，稳定粮食种植面积的压力越来越大，日显稀缺的耕地资源已成为我国粮食安全的瓶颈。我国海岸线蜿蜒曲折，沿岸滩涂资源丰富突出，通过围垦熟化利用开发沿海滩涂盐碱地，实现非耕地产粮特别是盐碱地耐盐水稻种植产粮是增加国家粮食总产量的重要途径之一。同时，水稻种植是改良盐碱地的传统科学方法，由于水稻栽培方式特殊，也常常作为沿海滩涂盐碱地改良的首选粮食作物。已有研究表明，在盐碱地种植水稻，短期内可以改善土壤pH值和电导率等土壤性状。笔者前期研究发现，沿海滩涂种植水稻后稻田耕层土壤盐分含量显著降低，土壤盐分的垂直分布规律也有所改变。然而，评价沿海滩涂土壤性质或质量改善时，不仅需要考虑降盐及控盐的问题，还需考虑土壤肥力尤其是土壤有机碳和土壤活性有机碳含量的变化。

土壤活性有机碳作为土壤有机碳中最活跃的部分，在土壤中移动快、稳定性差、易矿化、易于被植物和土壤微生物利用，依据测定方法不同，以往用于表征土壤活性有机碳的指标有微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(WSOC)、易氧化有机碳(ROC)、轻组有机碳(LFOC)、颗粒态有机碳(POC)等，其中前3种是土壤活性有机碳库常用的重要表征指标。笔者前期研究发现，滩涂水稻种植提高了土壤有机碳和易氧化有机碳及碳库管理指数。然而，MBC和WSOC是土壤碳库中最活跃的组分，是反映土壤总有机碳变化的敏感指标。另外，MBC与有机碳(SOC)的比值(MBC/SOC)可作为有机碳生物有效性指标，而土壤水溶性有机碳与有机碳的比值(WSOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性。总之，土壤MBC、WSOC、ROC、MBC/SOC及WSOC/SOC等均可作为衡量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标。因此，本研究对滩涂围垦区稻田生态系统土壤SOC、MBC、WSOC、MBC/SOC及WSOC/SOC等指标进行研究，对准确评价滩涂稻田土壤质量变化，进而科学可持续地利用滩涂土壤资源具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省如东县方凌垦区(32°35′47″N，120°55′6″E)，为2010年新围垦潮上带滩涂，土质为中壤土，土壤类型为滨海盐土，地下水位为1.2～1.5 m，盐分离子主要以Na、K、Cl为主。近10年来，年平均气温15.1 ℃，年平均日照2 136 h，全年无霜期225 d，年均降水量1 042 mm，相对集中在6—9月，占全年总降水量的55%～80%。2013年开始第一期水稻种植，大约5.3 hm，种植水稻前利用淡水或微咸水洗盐3～5次，使表层土壤水分饱和下盐分维持在3 g/kg以下；2016年进行第二期水稻种植，大约6.0 hm。同时，水稻收获后均采用全量秸秆还田方式，水稻种植前2年每年在水稻种植前均施2.0～2.5 t商品有机肥。水稻种植田间管理按照当地常规施肥和病虫害管理进行，其中45%复合肥(氮、磷、钾比例为15 ∶15 ∶15)作为基肥施用，施用量约为 750 kg/hm，尿素作为追肥，且蘖肥和穗肥分别约为180、225 kg/hm。

1.2 试验设计与采样

2017年10月底，水稻收获后分别在种植水稻5年(5Y)和种植水稻2年(2Y)的稻田中按照0～10、10～20、20～30 cm土壤深度分层采集土样，同时选择邻近前期种植过1年田菁作物并准备发展水稻种植的田块作为对照田块(CK)，每个种植年限选取4个试验田块进行土壤采样，混合多点采样样品并带回实验室。土壤样品分为2份，1份用于新鲜样品测定，1份风干处理后待用。其中，新鲜土壤分别测定土壤水分含量、土壤微生物量碳含量和土壤水溶性有机碳含量；风干土壤磨细过筛后，用于测定土壤有机碳、全氮、速效钾、pH值和电导率等土壤理化指标。

1.3 土壤测定与方法

土壤理化性质测定方法均参照文献[20]进行。其中，土壤有机碳含量测定采用采用重铬酸钾-外加热法，全氮(TN)含量测定采用凯氏蒸馏法，有效磷(AP)含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法，碱解氮(AN)含量测定采用碱解扩散法，速效钾(AK)含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法，水分含量测定采用烘干法，pH值测定采用pH计法(土水比为1 ∶5)，盐分含量测定采用电导率法(土水比为1 ∶5)。

土壤水溶性有机碳含量测定参考Wu等的测定方法：称取20 g新鲜土样，按照水土比2 ∶1进行浸提，25 ℃振荡0.5 h(100 r/min)，离心10 min(8 000)，然后用0.45 μm滤膜过滤到塑料瓶中，最后用有机碳分析仪(TOC-VCPH，岛津公司)测定滤液中的有机碳含量。

土壤微生物量碳含量参考Vance的测定方法：采用三氯甲烷熏蒸直接提取，对照土壤和熏蒸后的土壤用0.5 mol/L KSO提取(土液比为 1 g ∶5 mL)，滤液中的有机碳含量采用有机碳分析仪(TOC-VCPH，岛津公司)测定。土壤MBC含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5 mol/L KSO提取液中含碳量之差除以系数得到，即=/0.45。其中，为土壤MBC含量；为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液含碳量之差；0.45为浸提系数。同时，计算稻田土壤活性有机碳比例，公式为土壤活性有机碳比例=土壤活性有机碳含量/土壤总有机碳含量×100%。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05软件进行数据分析与作图，采取随机区组单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法()比较不同数据组间的差异，用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系；极显著水平和显著水平分别设定为=0.01和=0.05。

2 结果与分析

2.1 沿海滩涂种植水稻对土壤有机碳含量的影响

由图1可知，沿海滩涂发展水稻种植后，短期内耕层土壤有机碳含量均有一定程度的提高。CK田块0～10、10～20、20～30 cm土层土壤有机碳含量分别为4.83、4.65、3.77 g/kg。在2Y田块，0～10 cm土层有机碳含量显著提高(<0.05)，各土层分别提高了28.16%、2.97%、8.95%；在5Y田块，0～30 cm 土层有机碳含量均显著提高(<0.05)，各土层分别提高了82.44%、46.81%、40.71%；同时，5Y田块各土层中的有机碳含量均显著高于2Y田块(<0.05)。另外，无论是CK田块还是种植水稻(2Y和5Y)的田块，0～10 cm土层有机碳含量基本显著高于10～20、20～30 cm土层(<0.05)，且随土壤深度增加呈现出逐渐降低的趋势。

2.2 沿海滩涂种植水稻对土壤微生物量碳和水溶性有机碳的影响

由图2和图3可知，沿海滩涂发展水稻种植后，短期内耕层土壤微生物量碳(MBC)和土壤水溶性有机碳(WSOC)含量均显著提高(<0.05)。CK田块0～10、10～20、20～30 cm土层MBC含量分别为126.60、113.05、98.03 mg/kg，WSOC含量分别为71.46、48.19、53.98 mg/kg；与CK田块相比，2Y田块各土层MBC含量分别显著提高了35.61%、34.23%、31.72%(<0.05)，各土层WSOC含量分别显著提高了20.75%、69.14%、30.34%(<0.05)；5Y田块各土层MBC含量分别显著提高了42.59%、43.68%、44.64%(<0.05)，各土层SWOC含量分别提高了46.81%、73.02%、35.31%(<0.05)；同时，与2Y田块相比，5Y田块0～10、10～20、20～30 cm各土层中的土壤MBC和WSOC含量均表现为增加趋势，但差异基本未达到显著水平。

另外，本研究所有田块土壤微生物量碳和水溶性有机碳含量均基本表现为0～10 cm土层显著高于10～20、20～30 cm土层(<0.05)，且随土壤深度增加，土壤微生物量碳含量呈现出逐渐降低的趋势，土壤水溶性有机碳在2Y、5Y田块也呈现出逐渐降低的趋势。

2.3 沿海滩涂种植水稻对土壤微生物量碳与水溶性有机碳占有机碳比例的影响

由图4可知，在沿海滩涂土壤中，MBC/SOC均在2.05%～3.18%之间，且在水稻种植2年时土壤0～10、10～20、20～30 cm土层MBC/SOC均达到最大值，分别为2.82%、3.18%、3.17%。由图5可知，在沿海滩涂土壤中，WSOC/SOC均在1.04%～1.73%之间，且在水稻种植2年时10～20、20～30 cm 土层WSOC/SOC均达到最大值，分别为1.70%、1.73%。同时，MBC/SOC和WSOC/SOC在5Y田块的10～20、20～30 cm土层中均与CK田块没有显著差异。

2.4 沿海滩涂种植水稻对土壤基本理化性质的影响

由表1可知，水稻收获后，与未种植水稻滩涂地块(CK)相比，种植水稻2Y和5Y田块在0～10、10～20、20～30 cm土层电导率(EC)均显著降低，而且各层电导率分别显著降低了93.23%和92.96%、89.22%和88.98%、80.92%和81.14%(<0.05)。种植水稻2Y田块在0～10、10～20、20～30 cm 土层中速效钾含量分别显著降低了35.24%、18.77%、18.36%(<0.05)，5Y田块各土层分别下降了30.09%、11.12%、4.33%。同时，种植水稻后，短期内0～30 cm土层全氮、碱解氮和有效磷含量均显著提高(<0.05)。与CK田块相比，2Y田块0～10、10～20、20～30 cm土层中土壤全氮分别显著提高了34.75%、47.55%、42.47%(<0.05)，碱解氮含量分别显著提高了105.65%、39.97%、40.99%(<0.05)，有效磷含量分别显著提高了45.06%、23.80%、24.15%(<0.05)；5Y田块各土层全氮含量分别显著提高了104.14%、110.18%、92.73%(<0.05)，碱解氮含量分别显著提高了149.84%、89.68%、64.70%(<0.05)，各土层有效磷含量分别显著提高了105.18%、84.47%、71.83%(<0.05)。另外，种植水稻后，无论是2Y还是5Y田块土壤pH值在0～10 cm土层均没有明显变化，而在10～30 cm土层pH值有一定提高，2Y与5Y田块0～30 cm土层的pH值均无显著差异。

由表1可知，不同土层之间，所有田块0～10、10～20、20～30 cm土层土壤电导率、全氮、碱解氮和有效磷含量均呈现出依次降低的趋势；同时，CK田块0～10、10～20、20～30 cm土层速效钾含量呈现出依次降低的趋势，而2Y、5Y田块0～10 cm土层速效钾含量显著低于10～20、20～30 cm土层(<0.05)。

表1 沿海滩涂水稻种植对土壤理化性质的影响

2.5 沿海滩涂稻田土壤有机碳、活性有机碳和土壤因子之间的相关性分析

由表2可知，沿海滩涂土壤MBC、WSOC、SOC、MBC+WSOC含量之间均存在极显著的正相关关系(<0.01)。结合图6可知，WSOC、MBC含量均随土壤SOC含量的增加呈线性增加。沿海滩涂土壤WSOC、MBC及WSOC+MBC含量与TN、AN和AP含量均呈极显著正相关(<0.01)，与AK含量均呈显著负相关(<0.05)，与土壤pH值均没有明显的相关性(>0.05)；土壤MBC、WSOC+MBC含量与EC呈显著负相关(<0.05)；土壤EC与土壤AK含量呈极显著正相关(<0.01)，与土壤pH值呈显著负相关(<0.05)。

表2 沿海滩涂土壤活性有机碳与土壤理化性质的相关关系

3 讨论

3.1 沿海滩涂种植水稻对土壤微生物量碳和水溶性有机碳的影响

在耕地资源日益趋紧的情况下，将沿海大面积盐碱地和滩涂荒地等非耕地转变成耕地进行产粮，对保障粮食安全意义重大。水稻是重要的粮食作物，也是盐碱地改良利用的先锋作物。土壤活性有机碳是土壤碳储存库中最活跃的组成部分，虽然在土壤有机碳中所占比例很小，但其大小常常可作为评价土壤总有机碳变化的敏感性指标，也可作为衡量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标。大量研究表明，土地利用方式的改变可以显著影响土壤碳循环，特别是土壤有机碳的组成和结构。许梦璐等的研究表明，滨海滩涂不同土地利用类型下，无论是林地、水田还是旱田，土壤微生物生物量碳和易氧化碳含量均显著高于光滩滩涂地区，但对土壤水溶性有机碳没有显著影响；同时，从垂直分布上看，0～20 cm土层各土地利用类型之间差异较为显著，随土层深度增加土壤有机碳活性组分含量变化差异逐渐降低。简兴等的研究表明，湿地围垦转变为耕地3年后，土壤 0～30 cm 土层有机碳含量显著降低，但湿地、耕地和林地可溶性有机碳含量没有明显变化。何冬梅等分析了不同湿地植被群落下可溶性有机碳含量的情况，发现大米草群落可溶性有机碳含量均大于光滩、碱蓬群落和芦苇群落等。本研究也有类似发现，沿海滩涂发展水稻种植后，土壤有机碳及活性有机碳含量具有明显的变化。与滩涂围垦区未进行利用荒地相比，种植水稻5年的稻田土壤有机碳、微生物生物量碳、水溶性有机碳含量均显著提高，且耕层土壤分别提高了40.0%、42.0%、35.0%。主要原因可能是：一方面从滩涂荒地转变为滩涂稻田，土地利用方式变化改变了地面植被组成结构和生物多样性，从而影响了生态系统的有机碳含量、组成及稳定性；另一方面，由于滩涂地区土壤盐分高、养分少，种植水稻前3年较常规管理(如耕作、施肥等)需要额外施入大量有机肥补充土壤养分，外源有机碳的输入以及水稻生长过程中作物根系分泌物和作物残渣根系枯叶等进入土壤，增加了土壤中有机碳含量和活性有机碳的含量，进而影响了滩涂土壤生态系统碳循环过程；另外，滩涂种植水稻过程中，通过淡水或微咸水洗盐、灌溉等，使沿海滩涂水稻种植区耕层土壤盐分含量逐渐降低，这在一定程度上促进了滩涂土壤有机碳和活性有机碳的积累，使滩涂稻田发挥更大的碳汇功能。

土壤活性有机碳占总有机碳的比例比活性有机碳总量更能反映土地利用方式改变对土壤碳转化过程的影响。土壤微生物量碳与有机碳的比值(MBC/SOC)可以作为土壤碳动态和土壤质量研究的有效指标，其变化范围一般为0.27%～7.00%；而土壤中可溶性碳与有机碳的比值(DOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性，一般不超过3%。本研究表明，沿海滩涂荒地和稻田土壤的MBC/SOC变化范围为2.05%～3.18%，WSOC/SOC变化范围为1.04%～1.73%，这与前人的研究结果一致。另外，本研究也发现，沿海滩涂土壤的MBC/SOC和WSOC/SOC在种植水稻2年的稻田土壤各层均达到最大值，但土壤的MBC/SOC和WSOC/SOC在种植水稻5年的稻田和滩涂荒地土壤之间没有明显的差异。造成这些结果的主要原因可能是：(1)土地利用方式由滩涂荒地转变为稻田时，初始阶段施入大量有机肥和水稻种植过程灌溉、施肥等管理措施不仅增加了土壤有机质和微生物量碳含量，同时也改善了耕层土壤生态环境，促进了土壤微生物活性，提高了有机碳周转速率；(2)土地利用方式改变后，由于水稻种植过程提高了作物根系分泌物，作物秸秆及枯落物等进入土壤，大量有机肥施用以及土壤微生物群落增加，进而土壤水溶性有机碳迅速增加，土壤的WSOC/SOC增加，说明土壤有机碳活性剧烈变化，土壤稳定性差；(3)然而，经过3年左右的水稻种植后，由于种植区域内的农作制度、田间管理措施等逐渐稳定，滩涂土壤生态环境也逐渐稳定，水稻产量及土壤肥力性质均处于缓慢的增长趋势，特别是活性有机碳(MBC与WSOC)含量，种植区域内土壤活性有机碳占有机碳的比值在稳定的范围内变化，说明土壤碳循环逐渐稳定，有利于滩涂稻田土壤肥力和土壤质量的改善。

3.2 沿海滩涂种植水稻土壤活性有机碳与土壤因子之间的关系规律

研究表明，滩涂围垦后的农业活动类型与方式是滩涂开发后影响土壤有机碳变化的核心要素，远远高于自然滩涂中的自然主导因子。土壤活性有机碳与土壤养分循环具有密切关系，因此常作为衡量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标。本研究表明，沿海滩涂土壤MBC、WSOC、SOC及MBC+WSOC含量之间均存在极显著的正相关关系(<0.01)，且土壤WSOC和MBC含量均随着土壤SOC含量的增加呈线性增加，这些均与已有研究结果一致。说明土壤活性有机碳与土壤有机碳含量密切相关，且土壤中各形态碳之间可以相互转化，且通过滩涂种植水稻增加了土壤WSOC、MBC及SOC含量，提高了土壤有机碳的稳定性。同时，本研究也发现，沿海滩涂土壤WSOC、MBC及WSOC+MBC含量与TN、AN和AP含量均呈极显著正相关，与AK含量均呈显著负相关，与土壤pH值均没有明显相关性，这与前人的研究结果有些许差异。何冬梅等在滨海湿地地区、许梦璐等在滨海滩涂地区均研究发现，土壤可溶性有机碳、微生物量碳与土壤总氮之间均呈极显著正相关，但均与土壤pH值之间呈显著负相关。由此可见，通过土壤WSOC和MBC含量可以一定程度上判断土壤养分指标如土壤有机碳、总氮、碱解氮和有效磷含量的变化规律，但由于滩涂土壤盐分高、速效钾含量高的特点，高盐分将不利于滩涂土壤有机碳积累，同时高盐高钾也不利于土壤活性有机碳(WSOC和MBC)的积累，因此，滩涂未来农业开发利用时，如何有效充分利用滩涂有效钾资源进而促进土壤碳积累值得关注。另外，从本研究中土壤各指标的相关程度而言，与单一的WSOC和MBC含量相比，WSOC+MBC含量与土壤有机碳、全氮、有效磷含量等相关程度较高。因此，综合考虑土壤WSOC+MBC含量，更能反映土壤中有机碳和氮库的变化，将来可作为科学评价滩涂土壤肥力与土壤质量更可靠的预测指标。

4 结论

通过对江苏沿海滩涂发展水稻种植田块的进行试验研究，得出以下结论：(1)沿海滩涂发展水稻种植后，短期内耕层土壤微生物量碳和水溶性有机碳含量均显著增加；(2)滩涂种植水稻后，耕层土壤有机碳含量显著提高，但土壤微生物量碳和水溶性有机碳占有机碳的比例没有显著的变化；(3)土壤微生物生物量碳与水溶性有机碳与有机碳、全氮、有效磷等养分指标均有密切正相关关系，与速效钾、电导率呈显著负相关。可见，沿海滩涂发展水稻种植有利于滩涂土壤有机碳、微生物量碳与水溶性有机碳含量的积累，且微生物量碳和水溶性有机碳含量总和变化可以作为衡量滩涂土壤质量改善的重要依据。