水旱长期耕作下土壤团聚体及有机碳动态变化

2022-12-21朱生堡唐光木张云舒徐万里葛春辉马海刚

生态环境学报 2022年11期

朱生堡，唐光木，张云舒，徐万里，葛春辉，马海刚

1. 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部盐碱土改良与利用（干旱半干旱区盐碱地）重点实验室，新疆乌鲁木齐 830091；2. 新疆农业大学资源与环境学院，新疆乌鲁木齐 830092

土地利用方式的变化是由于人类活动对地球生态环境产生巨大的影响，也是直接影响地球陆地生态系统的碳储量以及驱动地球陆地生态碳循环流程的最主要原因（陈高起等，2015）。在自然过程中，土地利用方式主要是由不同粒径团聚体的组成分布状况和干扰有机碳的储存和流失过程，从而改变土壤中主导土壤结构的变化趋势（李青春，2019）。因此，开展水旱耕作下土壤团聚体及有机碳动态变化研究，对进一步深入研究陆地生态系统碳循环具有重要意义。土壤团聚体结构关系到土壤养分、水分和空气的传输，直接影响着土壤养分、水分和空气的输送，对种子萌发、根部生长、作物发育和有机碳保护都具有很大的作用，是土壤肥力的物质基础（马征等，2020）。土壤团聚体对有机碳的自然物理保存是土壤固碳的主要机制之一（张延等，2015），能把土壤中有机碳包被起来避免被土壤细菌溶解，贮存了碳、氮、磷等营养物质，从而成为了土壤中营养物质的转移场所和环境微生物的重要栖息地，对调节土壤肥力、植被生长等具有重要意义（朱锟恒等，2021）。土壤团聚体组成的比例失衡及其团聚体稳定性的降低，会加剧地表径流和土壤侵蚀（张维理等，2020），已有科学研究表明土壤团聚体稳定性与易蚀性存在显著负相关性（王文艳等，2013；张剑雄等，2021）。因此，土壤当中的团聚体数量和结构特性可以在一定程度上，成为土壤侵蚀与衰退的重要指标（唐光木等，2011）。以250 μm 为界，将土壤团聚体分为＞250 μm 的大团聚体和＜250 μm的微团聚体（谢钧宇等，2020），各种粒度团聚体的产生平衡机理及其在土壤结构改善和有机碳固定中的作用不同（范如芹等，2010）。＞250 μm的团聚体质量分数可在一定程度上表示土壤团聚体数量变化，反映土壤结构的稳定性和抗侵蚀的能力及其土壤结构的优劣（桑文等，2018），其数量与土壤的肥力状况呈正相关（Six et al.，2001）。土壤团聚体与土壤有机碳密不可分，前者是后者的储存场所，后者是前者存在的胶结物质（张星星，2017）。

新疆处于干旱荒漠区，荒漠土壤类型使其成土过程生物量积累少，土壤有机质质量分数普遍较低，土壤结构性较差。研究不同种植年限下，水田和旱地有机碳及团聚体影响的长效作用，有助于分析不同利用方式对土壤有机碳及团聚体动态变化。本研究通过100年尺度不同土地利用方式（水田、旱地）土壤团聚体及其有机碳动态变化，探讨长期不同土地利用方式（水田、旱地）对土壤团聚体结构质量分数及其有机碳质量分数变化的影响，揭示不同土地利用方式下土壤有机碳的演变规律，为新疆水田和旱地土壤质量的提高和可持续利用提供数据支撑和理论基础。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选择玛纳斯县乐土驿镇（86°27′—86°30′E，44°12′—44°15′N）为旱地土壤采样区域，于 2020 年11月棉花收获后，在不同连作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的棉田采集土壤样品，选取3块。水田土壤样品选择新疆乌鲁木齐市米东区三道坝镇为采样区域（87°35′—87°38′E，44°06′—44°08′N），于 2010年 4月（水稻种植前 2周）在不同连作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的水稻田采集土壤样品，选取3块。在旱地和水田不同连作年限的地块，按照“S”型采集耕层（0—20 cm）原状土壤样品5个，同时按照“S”型采集耕层（0—20 cm）和犁底层（20—40 cm）样品15个，混合均匀后作为1个土壤样品。在采集水田土壤样品之前，移走表层的稻草残留物，然后进行样品的采集。田间采集的原状土壤样品装入硬质塑料盒内，确保在运输过程中不受到挤压，以保持旱地和水田土壤样品的原有结构。土样运回室内后，在室温下风干，当土壤含水量达到土壤塑性时（含水量25%左右），即用手轻轻地把土块沿自然结构面掰成直径约 5 cm的小块，以免受到机械压力而变碎。剔除粗根和石块，风干后的土样用于团聚体分析。混合土壤样品带回实验室后，剔除粗根和石块后自然风干，研磨过0.25 mm土壤筛，用于土壤总有机碳质量分数的测定。

1.2 团聚体分离及计算

土壤团聚体的分离依据Elliott（李庆逵，1992）提供的土壤团聚体湿筛法并稍做改进进行分离。具体方法为：称取处理好的土壤样品 15 g置于铝盒中，从边缘慢慢地加水，使土壤吸水回湿，然后置于冰箱中平衡过夜。将回湿后的土样置于250 µm和53 µm孔径的套筛上，同时加入蒸馏水淹没250 µm孔径的筛，浸泡5 min，然后竖直上下振荡5 min，留在250 µm筛上的为＞250 μm的水稳性团聚体，53 µm 筛上为 53—250 µm 的微团聚体，通过 53 µm筛的为＜53 µm的团聚体，将收集到的各级团聚体分别转移至铝盒中，放在水浴锅上蒸干，置于 60 ℃烘箱中烘干12 h，称质量，计算各级团聚体质量分数，并将样品磨碎过 150 μm筛，用于测定各级土壤团聚体有机碳质量分数。

各级土壤团聚体中有机碳质量分数和土壤中的总有机碳质量分数采用丘林法测定（张强，2016），团聚体中有机碳质量分数折合成全土质量分数。

所有数据应用Excel 2003和SPSS 13.0统计分析软件进行分析，文中数据结果用平均值±标准差的形式表示，并采用 LSD法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳质量分数的变化

不同种植年限下，水田和旱地土壤有机碳质量分数存在显著差异（图1）。自然土壤开垦后，不同种植方式长期种植下，水田土壤有机碳质量分数显著高于旱地土壤（P＜0.05），种植水稻100 a，土壤有机碳质量分数高达 34.07 g·kg-1（0—20 cm）和30.93 g·kg-1（20—40 cm），与自然土壤相比，提高了496.22%和534.23%；旱地种植棉花100 a，土壤有机碳质量分数仅为9.01 g·kg-1（0—20 cm）和6.73 g·kg-1（20—40 cm），与自然土壤相比仅提高了70.86%和47.04%。由此可见，在自然土壤基本值一致的情况下，自然土壤开垦后水田种植比旱地种植更能提高土壤有机碳质量分数，在研究时间内，水田土壤有机碳质量分数相比旱地土壤有机碳质量分数增加了 25.06 g·kg-1（0—20 cm）和 24.20 g·kg-1（20—40 cm），提高了278.11%和359.57%。

图1 水田和旱地土壤总有机碳质量分数Figure 1 Changes of soil total organic carbon in paddy field and dry land

两种不同种植方式下，水田和旱地土壤有机碳质量分数的变化趋势也存在差异。自然土壤开垦后，水田土壤有机碳质量分数随着种植时间的延长呈现出快速增加趋势（图1a），种植水稻100 a间，与自然土壤相比增加了28.35 g·kg-1（0—20 cm）和25.51 g·kg-1（20—40 cm），年均增加 0.28 g·kg-1（0—20 cm）和 0.26 g·kg-1（20—40 cm）；旱地土壤有机碳质量分数在种植100 a间也表现出增加的趋势（图1b），种植 100 a间，与自然土壤相比增加了 3.74 g·kg-1（0—20 cm）和 2.15 g·kg-1（20—40 cm），年均仅增加0.04 g·kg-1（0—20 cm）和0.02 g·kg-1（20—40 cm），增加速度显著低于水田土壤有机碳的增加，且在研究期内，水田土壤有机碳质量分数呈显著增加趋势，旱地则表现为波浪式增加并趋于稳定。由此可以说明，在两种不同的种植方式下，在干旱半干旱区水田种植比旱地种植更能提高土壤有机碳质量分数，对土壤肥力的提升作用更明显。

2.2 土壤团聚体质量分数变化

作为土壤结构的基本单元土壤团聚体是土壤的重要组成部分，其数量和质量直接决定土壤质量和肥力，对土壤的诸多物理化学性质及生物化学性质也有具有重要影响（薛彦飞等，2015；张维俊等，2019；白怡婧等，2021）。两种不同的种植方式下，水田和旱地土壤团聚体质量分数在种植时间内存在明显差异（图2）。＜53 μm团聚体在水田和旱地种植下都呈现出下降趋势，但水田＜53 μm团聚体则在种植100 a内逐步减少（图2a），与自然土壤开垦前降低了57.84%；而旱地土壤在0—10 a间快速下降，降低了67.79%，之后＜53 μm团聚体维持在230.67—252.33 g·kg-1之间的稳定水平（图2b）。

在自然土壤开垦后，53—250 μm 微团聚体和＞250 μm水稳性团聚体在水田和旱地种植下也表现出不同的变化趋势。水田种植下，53—250 μm微团聚体和＞250 μm水稳性团聚体在研究时间内逐步增加（图2 a），100 a内分别增加了199.80 g·kg-1和 321.60 g·kg-1，与自然土壤开垦前相比提高了247.28%和1816.95%；旱地种植下，53—250 μm微团聚体在0—5 a间快速增加（图2b），增加了231.21 g·kg-1，5 a后基本维持在一个相对稳定的水平（242.59—288.98 g·kg-1）；而在自然土壤开垦后，水田土壤＞250 μm水稳性团聚体持续增加的时间要晚于53—250 μm微团聚体，在0—50 a间，与自然土壤相比增加了 493.82 g·kg-1，提高了 3081.68%，50—100 a间旱地土壤＞250 μm 水稳性团聚体变化不大。由此可以说明，在水田和旱地种植下，水田比旱地更有利于土壤结构的改善和提高，促进土壤结构向健康方向发展。

图2 水田和旱地土壤团聚体质量分数变化Figure 2 Changes of soil aggregate mass fraction in paddy field and dry land

2.3 土壤团聚体有机碳质量分数变化

土壤团聚体是由土壤颗粒自然形成的颗粒或小团块结构，土壤团聚体的稳定性是预测土壤水分流失和土壤侵蚀能力的重要指标（Li et al.，2020）。由图3可知，两种不同的种植方式下，水田和旱地土壤团聚体有机碳质量分数的变化之间存在不同，在荒地开垦后的100 a间，水田土壤＞250 μm水稳性团聚体有机碳质量分数显著大于旱地土壤，水田比旱地高出了492.67%，且水田＞250 μm水稳性团聚体有机碳质量分数在种植时间内呈现递增的变化趋势（图 3a），在荒地开垦种植水稻的 100 a间＞250 μm水稳性团聚体有机碳质量分数（与荒地相比增加了22.95 g·kg-1，提高了1596.16%；而旱地土壤＞250 μm水稳性团聚体有机碳质量分数则在种植0—10 a间表现出增加的趋势（图3b），增加了 3.25 g·kg-1，提高了 452.86%，10 a后＞250 μm 水稳性团聚体有机碳质量分数基本保持在相对稳定的水平（3.89—4.28 g·kg-1）。53—250 μm 微团聚体有机碳质量分数在两种种植方式下也表现出水田显著大于旱地，水田比旱地高出了145.30%，但水田和旱地在种植时间内（100 a）都呈现一致的增加趋势。在荒地开垦种植水稻的100 a间，＜53 μm团聚体有机碳质量分数在水田和旱地种植下都呈现出下降趋势，但水田＜53 μm有机碳质量分数则在种植 100 a内逐步减少，与自然土壤开垦前降低了45.28%；而旱地土壤在0—10 a间快速下降，降低了61.45%。水田比旱地增加了0.89 g·kg-1，提高了78.15%。

图3 水田和旱地土壤团聚体碳质量分数变化Figure 3 Variation of carbon mass fraction of soil aggregates in paddy field and dry land

由此可知，随着种植水稻时间的延长，＞250 μm和 53—250 μm水稳性团聚体有机碳质量分数成为土壤有机碳质量分数分配的主体，＜53 μm团聚体有机碳质量分数呈现下降。说明＞250 μm和53—250 μm水稳性团聚体能够固持更多的土壤有机碳，对土壤结构的改善和提高具有重要作用。

2.4 水田和旱地养分变化情况分析

土地利用方式改变会通过影响地表植被状况、凋落物及土壤微生物种类、数量等引起土壤养分在土壤系统中的再分配，进而影响土地的生产力和土壤质量。由表1可知，在两种不同的种植方式下，水田和旱地的土壤养分变化情况存在着不同（王少昆等，2013；曲文杰等，2014）。水田土壤养分质量分数表现0—5 a间呈总体增加趋势，5—10 a间呈下降，10—90 a间全氮、速效氮、速效磷的质量分数增加 1.82、54.37、69.67 g·kg-1，年均增加了 0.02、0.60、0.77 g·kg-1；全磷质量分数在种植的100 a间总体呈现增加趋势，相比荒地0 a，土壤全磷质量分数增加了 1.02 g·kg-1。旱地土壤养分全氮、全磷的质量分数在种植0—10 a间呈现逐步增加并达到峰值，分别达到 0.84 g·kg-1和 1.28 g·kg-1，10—15 a 开始下降并稳定与 0.64—0.78 g·kg-1和 0.66—0.99 g·kg-1之间；土壤速效氮、速效磷和速效钾的质量分数在种植0—20 a间呈现倒“W”变化趋势，20—100 a间基本维持在 39.50—58.70 g·kg-1和 11.70—17.40 g·kg-1之间；速效钾质量分数在种植第2 a达到最大值后，开始下降也开始趋于稳定。在荒地开垦后的100 a间，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷质量分数显著大于旱地土壤，分别高出31.6%、19%和16.3%、6%；旱地土壤的速效钾质量分数则大于水田土壤，高出2.40%。由此可见，随着种植年限的延长，不同的土地利用方式改变了土壤养分质量分数。

表1 水田和旱地养分质量变化情况Table 1 Nutrient changes in paddy and dry land

2.5 土壤团聚体及其有机碳质量分数间相关性分析

水田和旱地土壤团聚体质量分数与其有机碳质量分数之间呈正相关关系（图4、图5），不同粒径团聚体质量及其有机碳质量分数之间相关关系表现不同，水田和旱地＜53 μm团聚体及其有机碳之间满足线性相关关系；水田＞250 μm和53—250 μm团聚体及其有机碳之间符合指数相关关系（y=1.1672e0.008x，r=0.9454；y=0.6417e0.0068x，r=0.8895），旱地＞250 μm及其有机碳之间则符合对数相关关系（y=0.9956lnx-2.0529，r=0.9907）；53—250 μm 团聚体及其有机碳之间符合指数相关关系（y=0.5793e0.0043x，r=0.6752）。

图4 水田土壤团聚体质量分数与其有机碳质量分数相关性分析Figure 4 Correlation analysis between paddy soil aggregates and their organic carbon mass fractions

图5 旱地土壤团聚体及其有机碳质量分数间相关性分析Figure 5 Correlation analysis of soil aggregates and their organic carbon contents in dry land

3 讨论

3.1 水田和旱地土壤总有机碳分析

土壤有机碳是构成土壤团聚体的最主要的胶结物质，在土壤团聚体的形成过程中发挥着关键作用（胡尧等，2018），不同的土地利用方式会显著影响土壤有机碳质量分数（巩杰等，2011）。有研究发现 0—20、20—40 cm 土层水田土壤有机碳及活性有机碳质量分数显著高于旱地（李欣雨等，2017），水田土壤有机碳质量分数明显高于旱地（张晗等，2018）。也有研究发现，有机碳、全氮的质量分数均随土层深度增加而逐渐减小，且林地、撂荒地有机碳递减幅度高于水田、旱地，相对于撂荒地和旱地，水田、林地更利于有机碳、全氮质量分数的积累（郑杰炳等，2008）。本研究发现了类似的规律，随着种植年限的增加，在自然土壤基本值一致的情况下，自然土壤开垦后水田种植比旱地种植更能提高土壤有机碳质量分数，这与汪明霞等（2012）得出的水田的土壤有机碳质量分数明显高于其他利用方式和黄先飞等（2018）得出的喀斯特小流域土壤有机碳平均密度呈现出水田高于旱地的结果相一致。土壤总有机碳质量分数变化与其他土地利用方式密切相关，半干旱区的林地、草地经过开垦后农田土壤有机碳质量分数呈下降趋势，其成因很可能是由于频繁的耕种措施增加了土壤温度，加剧土壤中有机碳的矿化速率（李龙等，2020），从而使得农田土壤的有机碳质量分数显著低于林地、草地（李龙等，2020）。巴西亚热带森林转变为甘蔗地后，在最开始12 a当中，有机碳储量下降了28%，50 a后有机碳储量下降了42%（张仕吉，2015）。有学者研究指出荒地开垦为耕地后，由于荒地土壤有机碳质量分数比开垦时质量分数较低，开垦后使得耕地生产力提高，从而改善了土壤的水分和养分状况，随着种植年限的增加，土壤的生物环境得到改善和提高，改善了土壤理化状况，也因此提高了土壤碳库的补偿作用，使有机碳质量分数增加（雷军等，2017），由此可以看出，新疆属于干旱半干旱荒漠区，土壤有机碳质量分数普遍较低，荒地开垦后，改善了土壤生态环境，提高了土壤有机碳的输入，也因此增加了土壤有机碳质量分数，水田相比旱地输入土壤的有机碳更多，其有机碳的增加相比旱地更高。

3.2 土壤团聚体及团聚体碳质量分数分析

土壤团聚体通过其对有机碳固存、土壤强度、植物根系萌生和生长的机械阻力、通气、表面结皮、侵蚀、渗透的影响，对土壤执行生态系统功能的能力产生重大影响（Okolo et al.，2020）。有研究资料指出，在自然土壤（或荒地）开垦为农田后，随着种植年限的增加，53—250 μm微团聚体和＞250 μm水稳定性团聚体质量分数呈增加趋势。李欣雨等（2017）研究发现，在0—20、20—40 cm土层中，随着稻田植茶年限的增加，土壤团聚体质量分数以＞2000 μm 粒径团聚体为主转变为以＜250 μm 粒径团聚体为主；而在40—60 cm土层中，总体上＜250 μm粒径团聚体质量分数占据着主要地位。刘真勇等（2019）研究表明，花生旱地向新、老稻田转换的过程中，剖面土壤＞250 μm团聚体质量分数的比例呈现出“低—高—低”的变化趋势，250—53 μm团聚体质量分数的比例呈现出“高—低—低”的变化趋势，而＜53 μm 团聚体质量分数的比例呈现出“低—低—高”的变化趋势。本研究也发现类似规律（如图2所示），在不同土地利用的方式下，在研究时间土壤团聚体质量分数逐步增加，这是由于自然土壤开垦后，地上地下的生物量增多，新形成的颗粒有机物和秸秆还田使植物残体及其代谢分泌物和土壤充分地混合，增加了土壤粘结物，并影响原有的土壤结构和生物、化学性质（Kay，1998）。水田土壤灌水和晒田的干湿交替加上特殊的管理措施，使得土壤较容易产生较大团聚体结构（章明奎等，2002；郑子成等，2011；毛霞丽等，2015）。对旱地而言，翻耕会造成土壤大团聚体的破碎，从而减少了大团聚体的质量分数，这与众多学者的研究，均发现随着不同土地利用年限的延长，团聚体稳定性呈增加趋势，总体表现为水田大于旱地的结果一致（Wang et al.，2016；刘晓利等，2009；罗晓虹等，2019）。由此可见，在干旱半干旱荒漠区，荒地开垦为旱地、水田后，随着种植年限的延长，土壤中的化学、物理和生物环境得到改善，微生物的生物量和代谢物增加，这些代谢物被用作加速细颗粒向大颗粒转化的介质（Jastrow，1996），增加了土壤大团聚体的质量分数。

土壤中的有机质作为重要的胶结物质可以促进团聚体的形成，良好的团聚体结构进而又能提高土壤有机碳固持（张玉铭等，2021）。本研究发现，开垦增加了土壤＞250 μm和53—250 μm水稳性团聚体碳质量分数，且水田明显大于旱地，这与前人的研究结果＞250 μm和 53—250 μm的团聚体有机碳质量分数表现为林地＞水田＞菜地＞旱地＞果树地相一致（郭媛，2021），究其原因这可能是由于荒地开垦后，增加了土壤有机物的输入，为微生物提供生长和发育提供所必须的营养物质，进而提高微生物的代谢，真菌菌丝和根系分泌物等有机胶结物质粘结（Jastrow et al.，2007）促进微团聚体向＞250 μm大团聚体形成，从而固定更多的有机碳质量分数。由此可见，在干旱半干旱荒漠区，荒地开垦为水田、旱地后，随着种植年限的延长，水田和旱地＞250 μm和 53—250 μm 水稳性团聚体可以固持更多的土壤有机碳，对于土壤结构的改善和提高具有重要作用。

3.3 水田和旱地养分变化情况分析

土壤肥力是土壤物理、化学、养分质量分数以及微生物等属性的综合体现，农田土壤养分的高低除受土壤本身的影响外，还与施肥及耕作制度有关（Mowo et al.，2006）。孙波等（2002）研究表明，将红壤荒地开垦为水田后土壤肥力有增加趋势，旱地系统中速效磷和速效钾质量分数增加；旱坡地红壤全氮和速效钾的质量分数变化与氮、钾的平衡量显著相关。本研究中，水田土壤养分质量分数在20—30 a时全氮和全磷的质量分数呈下降趋势，速效氮、磷、钾的质量分数呈上升趋势；旱地土壤养分质量分数20—30 a时土壤养分质量分数总体呈上升趋势；水田土壤的全氮和全磷质量分数显著大于旱地土壤，分别高出31.6%和19%，速效氮和速效磷的质量分数也显著大于旱地土壤，分别高出16.3%和6%，这与孙波等（2002）的研究结果相一致。王晋等（2014）研究指出水稻种植较旱地更利于土壤氮素的保存和利用，这与本研究中荒地开垦后的100 a间，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷的质量分数显著大于旱地土壤的研究结果相一致。由此可见，在干旱半干旱荒漠区，荒地开垦为水田、旱地后，随着种植年限的延长，土壤全氮、全磷及速效氮、速效磷、速效钾的质量分数均呈增加的趋势，其中水田土壤的养分质量分数显著高于旱地土壤。