三江平原不同稻田土壤化學性質(zhì)演變特征

王秋菊 焦峰 劉峰 常本超 姜輝 姜宇 米剛 周鑫

摘要 [目的]明確三江地區(qū)不同類型稻田土壤化學性質(zhì)演變特征。[方法]以三江平原地區(qū)主要種稻土壤草甸土、草甸黑土、白漿土為調(diào)查對象，采集0～40年不同種稻年限的土壤樣本，開展不同種稻年限水田土壤化學性質(zhì)演變規(guī)律的研究。[結(jié)果]不同類型土壤種稻后，土壤化學性質(zhì)演變規(guī)律存在異同；3類土壤耕層有機碳含量隨種稻年限增加均呈上升趨勢；草甸土心土層和犁底層土壤有機碳含量種稻后上升，白漿土犁底層土壤有機碳含量種稻后上升，隨種稻年限延長無變化，心土層有機碳含量種稻后下降；草甸黑土心土層和犁底層有機碳含量種稻后無增加趨勢；草甸土和草甸黑土土壤中還原性物質(zhì)總量種稻后在各層均增加，隨種稻年限增加有上升趨勢，白漿土土壤中還原物質(zhì)含量在耕層和犁底層隨種稻年限增加呈上升趨勢；草甸土種稻后各層土壤Fe2+、Mn2+含量均增加，在種稻10 年后向下移動，可達到心土層；草甸黑土種稻后各層土壤Fe2+含量增加，Mn2+僅在耕層有增加趨勢；白漿土Fe2+、Mn2+含量在耕層和犁底層增加，在種稻10年后向下移動至犁底層。[結(jié)論]3類土壤在種稻過程中已具有向水稻土形成的一些特征。

關(guān)鍵詞 稻田；土壤類型；年限；化學性質(zhì)；演變特征；三江平原

中圖分類號 S153文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）16-0118-03

Abstract [Objective]To clarify the characteristics of soil chemical properties in different types of paddy fields in Sanjiang area.[Method]The main paddy soil in Sanjiang Plain was taken as the research object，including meadow soil，meadow black soil and planosol.The soil samples of different rice growing years during 0-40 were collected，and the soil chemical properties of different rice growing years were studied.[Result] After planting rice in different types of soil，the evolution of soil chemical properties was different.The organic carbon content of three soil plough layers increased with the growing number of years.The soil organic carbon in subsoil and plow layers of meadow soil increased after planting rice.In planosol plough layer soil organic carbon increased after planting rice with no change in planting years，and the organic carbon in the subsoil decreased after planting rice.The organic carbon content of the meadow black soil in subsoil and plow bottom layers did not increase after planting rice.The total reducing substances in each layer of the meadow soil and meadow soil were increased after planting rice，and there was a rising trend with the increasing number of years.The reducing substances in the planosol plough layer and the plow bottom layer increased with the growing number of years.Fe2+ and Mn2+ content in each layer of the meadow soil were increased after planting rice，and Fe2+ and Mn2+ moved down in 10 years after planting rice，and cloud reach the subsoil.After planting rice，the content of Fe2+ in the soil layer of the meadow black soil increased，and the Mn2+ only increased in the plough layer.The content of Fe2+ and Mn2+ increased in the plough layer and the plow bottom layer of the planosol，and Fe2+ and Mn2+ moved down to the plow bottom layer after planting rice for 10 years.[Conclusion]These three soils had some characteristics of paddy soil in the process of planting rice.

Key words Paddy field；Soil type；Years；Chemical properties；Evolution characteristics；Sanjiang Plain

三江平原位于黑龍江省東部，是由黑龍江、松花江和烏蘇里江匯流沖積形成的低平原，總面積為10.89萬km2[1]。三江平原主要土壤類型包括暗棕壤、黑土、白漿土、草甸土和沼澤土等[2]。由于積溫少、降水多、地勢低、坡降緩、土質(zhì)黏等因素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常受澇害威脅，有“十年九澇”之說，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)始終擺脫不了單產(chǎn)低、總產(chǎn)不穩(wěn)的局面[3-4]。自20世紀90年代開始大面積實施“旱改水”工程，在發(fā)展水稻生產(chǎn)方面取得了舉世矚目的成就，為保障國家口糧安全做出了卓越貢獻[5-6]。據(jù)統(tǒng)計，2015年三江平原水田總面積達236.81萬hm2，占黑龍江省水田面積的60%以上[7]。三江平原水稻種植歷史短，也有很多新開辟的水田，為研究水田開墾后土壤理化性質(zhì)變化提供了很好的條件[8-9]。

我國學者認為，在種植水稻或以水稻種植為主的耕作制度下，長期水耕作業(yè)等人為管理和淹水還原、排水氧化周期性變化，對土壤剖面特征、物質(zhì)遷移以及養(yǎng)分有效性均會產(chǎn)生明顯影響，最終形成水稻土[10] 。國內(nèi)外學者發(fā)現(xiàn)水稻土中有機質(zhì)、黏粒、Fe、Mn等變價元素有遷移現(xiàn)象，而Al遷移不明顯，這些研究多數(shù)是以亞熱帶水稻土為樣本，開展關(guān)于水稻土養(yǎng)分以及物質(zhì)還原淋溶氧化淀積特征的研究[11-13]，且研究較早。關(guān)于不同種稻年限與有機碳組分的研究較少[14]，很少涉及到水稻種植年限與土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分移動特征方面的研究，也缺乏明確的研究結(jié)論。筆者通過研究三江平原幾種不同土壤種植水稻后土壤化學性質(zhì)的變化，明確不同土壤隨種稻年限推移土壤理化性質(zhì)和物質(zhì)遷移規(guī)律，為開展高效水田土壤管理提供參考，同時為培肥和改良土壤提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

三江平原地區(qū)屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，≥0 ℃積溫大部分地區(qū)為3 000 ℃左右，≥10 ℃積溫為2 200～2 500 ℃，年平均降雨量為500～600 mm，全年日照時數(shù)為2 300～2 700 h。土壤類型分別為草甸土、草甸黑土、白漿土，其中草甸土采自黑龍江省樺南縣曙光農(nóng)場3作業(yè)區(qū)（SG），草甸黑土采自黑龍江省友誼縣友誼農(nóng)場6作業(yè)區(qū)（YY），白漿土采自黑龍江省富錦市青龍山農(nóng)場場部西區(qū)和3作業(yè)區(qū)（QLS）。分別在各個采樣地鄰近地塊選擇種稻5～40年的水田上采樣，并以鄰近的旱田地作為對照（記為0年）。具體采樣位置及相關(guān)信息見表1。

水田土壤的典型剖面見圖1。草甸土黑土層較厚，腐殖質(zhì)含量高，草甸黑土黑土層較厚，白漿土黑土層薄，約20 cm，有白漿層。土壤色系為5YR～7YR，耕層顏色較暗，下層較明亮。

1.2 樣品采集

土壤采樣時間為2015年10月10日—11月10日，水稻收獲后，根據(jù)采樣地的實際情況確定采集土壤樣品，因為時間的局限性，用時空互代法[15-16]（空間置換時間）采取樣品。采集土壤種稻年限為 0～40年，同一土壤類型的旱田土壤視為栽培水稻0年的稻田，作為本底對照。樣地面積一般在1 000 m2以上，在每一塊樣地中選取3個代表性的位置，挖掘1 m土壤剖面，確定耕層、犁底層厚度，按土壤耕層（TL）、犁底層（PL）和心土層（SL）上部20 cm采集剖面原狀土樣品，同時采集化學混合樣品1.5 kg。每個年限選相鄰 3 個田塊（共用田?。┳鳛橹貜汀?采回的化學土樣，除去土壤中混入的植物殘體、石塊等侵入體和鐵、錳結(jié)核等新生體，自然風干后，根據(jù)實驗測定項目需要，過 2.00、0.25 mm 篩，待測。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤剖面。包括經(jīng)緯度、海拔高度、土壤類型、黑土層厚度、剖面層序、土壤水分狀況、土壤顏色、地形地貌及土層深度等[17]。

1.3.2 土壤化學性質(zhì)。土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定；還原物質(zhì)總量、活性還原物質(zhì)總量采用容量法測定；Fe2+采用鄰啡羅啉比色法測定；Mn2+采用醋酸銨浸提-高錳酸鉀比色方法測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種稻年限對土壤有機碳含量的影響 由圖2可知，土壤有機碳含量在各類種稻土壤中均為耕層高于犁底層，白漿土和草甸黑土心土層土壤有機碳含量低于犁底層，草甸土心土層土壤有機碳含量與犁底層差異不大；3類土壤有機碳含量在耕層變化趨勢一致，隨種稻年限增加，土壤有機碳含量增加，草甸土土壤有機碳含量高于草甸黑土，白漿土土壤有機碳含量最低，相對于其他2類土壤，白漿土較貧瘠；在犁底層，草甸土和白漿土土壤有機碳含量在種稻后呈增加趨勢，草甸黑土則無明顯變化；在心土層，草甸土土壤有機碳含量隨種稻年限增加呈增加趨勢，白漿土和黑土土壤有機碳含量無變化；白漿土無變化可能由于此層是白漿層，草甸黑土心土層土壤有機碳含量無變化，可能與此類土壤地下水位低，與地上淹水未貫通，有機質(zhì)未向下淋溶有關(guān)，而耕層土壤有機碳積累主要是由于耕層土壤長期處于淹水狀態(tài)，植物殘體分解慢，土壤有機碳得到積累。

2.2 不同種稻年限對土壤還原物質(zhì)總量的影響

由圖3可知，草甸土、草甸黑土、白漿土這3類土壤種植水稻后土壤中還原物質(zhì)總量在耕層、犁底層和心土層土壤中明顯增加，且種植水稻后耕層土壤還原性物質(zhì)總量明顯高于犁底層和心土層土壤中的還原物質(zhì)總量；從種稻年限看，草甸土和草甸黑土土壤中還原物質(zhì)總量在各層土壤中均表現(xiàn)隨種稻年限延長呈增加趨勢，草甸土在種稻40年達最高，草甸黑土在35年達最高，白漿土耕層土壤還原物質(zhì)總量隨種稻年限增加呈規(guī)律性上升趨勢，種稻后犁底層土壤還原物質(zhì)總量整體表現(xiàn)為升高趨勢，隨種稻年限增加表現(xiàn)不規(guī)律，心土層土壤中的還原物質(zhì)總量隨種稻年限增加表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，與前2種土壤變化趨勢不一致。

2.3 不同種稻年限對土壤Fe2+含量的影響 由圖4可知，與不種稻相比，草甸土、草甸黑土和白漿土種植水稻后各層土壤中Fe2+含量明顯增加，草甸土種稻6年后，耕層土壤中Fe2+含量呈下降趨勢，犁底層土壤中Fe2+含量呈先升高再下降的趨勢，心土層土壤中Fe2+含量呈一直升高趨勢，并在種稻10年后超過耕層和心土層土壤中Fe2+含量，草甸土土壤中Fe2+含量隨種稻年限增加有向下遷移現(xiàn)象，種稻10年即可遷移到心土層，40年在心土層達到最大積累量；白漿土耕層土壤中Fe2+含量隨種稻年限增加呈先升高后降低的趨勢，犁底層和心土層土壤中Fe2+含量隨種稻年限增加呈逐漸升高趨勢，在種稻15年時，犁底層Fe2+含量超過耕層并逐年增加，說明白漿土耕層土壤中的Fe2+也有由表層向深層移動現(xiàn)象，由耕層向犁底層移動明顯，由犁底層向心土層移動較慢；草甸黑土土壤種稻后，土壤中Fe2+含量明顯高于種稻前，心土層土壤中Fe2+含量一直高于耕層和犁底層，隨種稻年限增加，土壤中Fe2+含量無明顯變化趨勢，暫時沒有發(fā)生Fe2+向下遷移的現(xiàn)象。

2.4 不同種稻年限對土壤Mn2+含量的影響 由圖5可知，與不種稻相比，草甸土和白漿土種植水稻后土壤Mn2+含量明顯增加，草甸土種稻10年后，耕層土壤中Mn2+含量呈下降趨勢，犁底層土壤中Mn2+含量呈先升高再下降趨勢，心土層土壤中Mn2+含量一直呈升高趨勢，并在種稻10年后明顯超過耕層和心土層土壤中Mn2+含量，草甸土土壤中Mn2+含量變化趨勢與Fe2+含量變化有相似趨勢，隨種稻年限增加有向下遷移現(xiàn)象，在種稻第10年大量遷移到心土層，之后隨種稻年限增加遷移趨于平衡；白漿土土壤中Mn2+含量變化與Fe2+變化趨勢較為一致，種稻0～10年，耕層土壤中Mn2+含量明顯增加，之后又下降，犁底層土壤中Mn2+含量隨種稻年限一直增加，從第15年開始，犁底層土壤中Mn2+含量逐漸高于耕層，說明白漿土土壤中Mn2+含量隨種稻年限增加有向下層土壤淋溶現(xiàn)象，直到種稻25年，耕層土壤中的Mn2+僅遷移到犁底層，心土層無任何遷移現(xiàn)象；與草甸土和白漿土相比，草甸黑土種稻后，土壤中Mn2+含量在耕層和心土層有增加趨勢，在犁底層未增加，與草甸土和白漿土表現(xiàn)不一致，且無Mn2+遷移現(xiàn)象，與另2類土壤不一致，有待進一步研究。

3 討論

3類土壤種稻后，土壤化學性質(zhì)變化趨勢存在異同。草甸土、草甸黑土、白漿土土壤有機碳含量在耕層土壤均表現(xiàn)隨種稻年限增加呈上升趨勢，主要是由于耕層土壤長期處于淹水狀態(tài)，有機殘體分解慢，導致土壤有機碳的積累，與前人研究結(jié)果一致[19-20]；而犁底層和心土層土壤有機碳含量在不同土壤間隨種稻年限增加變化趨勢不一致，草甸土犁底層和心土層土壤有機碳在種稻后有增加趨勢，草甸黑土犁底層和心土層土壤有機碳無增加趨勢，可能與這2類土壤形成的地形及土壤本身質(zhì)量特性有關(guān)。草甸土的形成一般地勢低，地下水位高[21]，經(jīng)種稻后，灌溉水與地下水位相連，各層土壤均處于淹水還原狀態(tài)，土壤中有機物質(zhì)分解慢，土壤有機碳在各層均得到積累，因此隨種稻年限增加，各層土壤有機碳含量升高；草甸黑土形成于地勢較高的地區(qū)，地下水位低，與灌溉水無相連[22]，水稻灌溉時耕層土壤處于淹水狀態(tài)，但由于犁底層的阻隔，犁底層下層和心土層仍處于氧化狀態(tài)，有機碳與旱田相比無明顯變化；白漿土土壤犁底層有機碳含量有升高趨勢，但隨種稻年限增加無變化，心土層有機碳低于旱田土壤，主要是由于白漿土心土層是白漿層，白漿層本身有機質(zhì)含量低[23]，第二白漿層是一類質(zhì)地堅硬、緊實的障礙土壤，不通氣、透水[24]，稻田灌溉水不能透過白漿層，水稻根系也無法穿透白漿層，此層土壤中殘留有機殘體少，因此有機碳與旱田相比降低，旱田整地一般較深，達到白漿層，有利于作物根系下扎，有機碳積累。3類土壤還原性物質(zhì)總量在各土層表現(xiàn)一致，主要是由于土壤處于還原狀態(tài)時間長，土壤中還原物質(zhì)隨種稻年限增加表現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這也是旱田土壤與水田土壤的差異，種稻年限越長，差異越明顯，前人研究也證實了此結(jié)論[25]。從土壤Fe2+含量變化趨勢看，種稻后3類土壤Fe2+含量均明顯增加，這是因為土壤中氧化還原電位下降所致，但隨種稻年限延長Fe2+在土壤剖面內(nèi)的運移則不同。張甘霖等[26]研究認為，淹水條件可促進土壤元素遷移，包括Fe2+和Mn2+。草甸土隨種稻年限延長出現(xiàn)Fe2+下移現(xiàn)象，在種稻10年后即可下移到心土層，并逐漸積累，草甸土Mn2+與Fe2+變化趨勢一致，下移速度相同，草甸土種稻后土壤有向水稻土演變的特征；草甸黑土未出現(xiàn)Mn2+與Fe2+運移現(xiàn)象，原因不明，有待于進一步研究；白漿土在種稻10年后出現(xiàn)Fe2+ 和Mn2+下移現(xiàn)象，但僅下移到犁底層，未有向心土層下移，可能與白漿層的特殊性有關(guān)，有待于隨種稻年限的延長繼續(xù)研究。

水稻土的形成過程受多種因素影響，既受人為因素影響，又受氣候、溫度及土壤特性的限制，因此，不同類型土壤形成水稻土的過程即具有共性，又具有個性，需要根據(jù)不同的土壤、氣候條件開展長期研究才能了解其演變規(guī)律和特征。由于黑龍江種稻時間短，對水田土壤演變規(guī)律的研究也剛剛起步，限制了由時間尺度研究不同土壤向水稻土演變過程，因此，需要長期跟蹤調(diào)查，了解土壤演變特性，為有目的地培肥和利用土壤提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

三江平原地區(qū)3類主要水田土壤草甸土、草甸黑土、白漿土種稻后，土壤化學性質(zhì)演變特征存在異同。

3類土壤耕層有機碳含量隨種稻年限增加均呈上升趨勢；犁底層和心土層表現(xiàn)不一致，草甸土心土層和犁底層土壤有機碳種稻后上升，白漿土犁底層土壤有機碳種稻后上升，隨種稻年限延長無變化，心土層有機碳種稻后下降；草甸黑土有機碳含量種稻后無增加趨勢。

草甸土和草甸黑土土壤中還原性物質(zhì)總量在各層土壤均增加，隨種稻年限有上升趨勢；白漿土土壤中還原物質(zhì)在耕層和犁底層隨種稻年限增加呈上升趨勢，在白漿層無增加趨勢。草甸土種稻后各層土壤Fe2+、Mn2+含量均增加，在種稻10年后向下移動，可達到心土層；草甸黑土種稻后各層土壤Fe2+含量增加，Mn2+僅在耕層有增加趨勢；白漿土Fe2+、Mn2+含量在耕層和犁底層增加，在種稻10年后向下移動到犁底層。3類土壤在種稻過程中已具有向水稻土演變過程的一些特性，不同土壤演變速度不同。

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