水田建設(shè)對(duì)不同類型土壤養(yǎng)分和碳固持的影響

孫緒博，杜宜春，孫嬰嬰，曹婷婷，劉紅瑛，張宏凱*

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司/陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021;2.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

土地利用方式的改變是土壤管理與決策的體現(xiàn)，影響土壤養(yǎng)分的流動(dòng)、轉(zhuǎn)化和土壤發(fā)育過程[1]。目前，關(guān)于土地利用方式轉(zhuǎn)變過程中土壤營(yíng)養(yǎng)庫(kù)變化的分析，多集中于退耕還林、退耕還草、長(zhǎng)期封育等措施對(duì)土壤養(yǎng)分尤其是碳庫(kù)儲(chǔ)量的影響[2-3]，而改水田后土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化研究尚處于起步階段[4-6]。一般認(rèn)為，非水田土地改造為水田的過程中，由于碳輸入量和輸出量的轉(zhuǎn)變，土壤碳庫(kù)也會(huì)產(chǎn)生較大變動(dòng)[4]；土地耕種措施和水淹環(huán)境的改變，會(huì)對(duì)于土壤氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的礦化、累積尤其是氮素的反硝化造成顯著影響[7]；水田建成后，土壤含鹽量下降，土壤熟化加速，但土壤易發(fā)生次生鹽漬化[8-9]，且建成初期由于土壤營(yíng)養(yǎng)供需的矛盾，水稻生長(zhǎng)可能明顯受限[10]。但相關(guān)研究仍不夠系統(tǒng)全面，且因?yàn)椴煌貐^(qū)土壤性質(zhì)和氣候條件的差異，造成結(jié)果亦出現(xiàn)一定出入[7,11]。鑒于此，對(duì)不同土壤類型改造為水田過程中的土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行跟蹤測(cè)定，對(duì)土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)和土地整理的生態(tài)效益評(píng)價(jià)均有重要意義。

近年來，全球氣候變暖，水資源格局重新分配，加之國(guó)內(nèi)多項(xiàng)引水調(diào)配工程的實(shí)施，增加了一些有潛力的旱地和未利用地改造為水田的可能性[12]，因此全國(guó)多個(gè)省市都開展了水田建設(shè)的嘗試[13-14]。陜西省大西安地區(qū)水田建設(shè)為高標(biāo)準(zhǔn)水田開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，計(jì)劃于2015—2019年在西安及其輻射地區(qū)的水源充足區(qū)域?qū)嵤ㄔO(shè)規(guī)模約3.33萬hm2，改水田后用于水稻種植、蓮藕種植、魚塘養(yǎng)殖等，以充分合理利用水土資源，改善區(qū)域土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，提高耕地生產(chǎn)力。因此，對(duì)該建設(shè)過程中土壤氮、磷、鉀、碳等養(yǎng)分特征進(jìn)行精確地跟蹤測(cè)定，不僅能對(duì)大西安地區(qū)水田建設(shè)的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，還能為改造后土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)管理依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)(圖1)位于大西安地區(qū)渭南市(圖1)，屬于暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量514.0～555.2 mm，年輻射總量121.24～123.9 kcal/cm2。其中，新積土采樣地點(diǎn)為大荔縣范家鎮(zhèn)，改水田之前為廢棄的蓮藕、魚塘，改水田時(shí)間為6月5日；土采樣地點(diǎn)為富平縣褚塬村，改水田之前地表植被覆蓋為小麥，改水田時(shí)間為6月9日；黃綿土采樣地點(diǎn)為韓城市下峪口，改水田之前地表植被覆蓋為雜草和灌木，改水田時(shí)間為6月10日。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.2 土樣采集

試驗(yàn)于2016年4—10月進(jìn)行，選擇大西安地區(qū)河道旁典型分布的新積土、土、黃綿土3種土壤類型，采用五點(diǎn)法分別采集0～20、20～40、40～60 cm土樣。試驗(yàn)期間各處理采用相同的施肥、管理方式。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤顆粒組成的測(cè)定采用激光粒度法；質(zhì)地分級(jí)采用國(guó)際制；土壤總碳、總有機(jī)碳含量的測(cè)定采用燃燒氧化—非分散紅外法；全氮含量的測(cè)定采用開氏消煮法；速效磷含量的測(cè)定采用NaHCO3提取—鉬銻抗比色法；速效鉀含量的測(cè)定采用乙酸銨提取—原子吸收分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 17.0 軟件進(jìn)行方差分析(LSD法)，Origin 2017進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 改水田對(duì)土壤質(zhì)地的影響

由表1可知，3種土壤類型的粒徑分布有較大差異，依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類方法，新積土、土、黃綿土0～20 cm土層均為粉砂壤土，但新積土黏粒含量較低，僅為5.80%，土3層粒徑分布比較平均。黃綿土20～40 cm土層質(zhì)地為砂壤土，黏粒含量?jī)H為2.87%，砂粒含量達(dá)到56.35%。說明改水田過程中耕層水串灌和淋淀作用會(huì)對(duì)土壤黏粒帶來一定影響，但土壤顆粒組成主要決定于成土母質(zhì)[11]，即在研究的尺度范圍(2 a)內(nèi)，改水田對(duì)土壤顆粒組成影響不大。

表1 3種土壤類型基本物理性質(zhì)

2.2 改水田對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 有效磷 由圖2可知，0～20 cm土層改水田前新積土、土、黃綿土有效磷含量分別為27.2、18.8、4.2 mg/kg，改水田后分別降為12.5、18.0、3.6 mg/kg，較改水田前分別減少54.2%、4.0%、14.3%，且新積土差異顯著。20～40 cm土層新積土、黃綿土有效磷含量較改水田前分別顯著減少45.1%、64.8%，而土有效磷含量顯著增加210.4%。40～60 cm土層新積土、土有效磷含量較改水田前顯著增加91.1%、339.6%，而黃綿土有效磷含量顯著減少69.0%。改水田后，0～60 cm土層新積土、土、黃綿土有效磷平均含量分別為11.6、14.9、1.9 mg/kg，與改水田前相比，土顯著增加70.3%，新積土、黃綿土分別顯著減少41.2%、46.5%(P<0.05)。

不同小寫字母表示同種類型土壤改水田前、后各指標(biāo)在0.05水平差異顯著，下同

2.2.2 速效鉀 由圖3可知，0～20 cm土層改水田前新積土、土、黃綿土速效鉀含量分別為126.0、99.8、87.4 mg/kg，改水田后分別為95.9、125.2、88.5 mg/kg，與改水田前相比，新積土速效鉀含量顯著減少23.9%，土顯著增加25.4%。20～40 cm土層新積土、黃綿土速效鉀含量較改水田前分別顯著減少21.1%、33.7%，土增加6.0%，但差異不顯著。40～60 cm土層新積土、黃綿土速效鉀含量較改水田前分別顯著減少23.4%、24.7%，土顯著增加67.6%。改水田后，新積土、土、黃綿土0～60 cm土層速效鉀平均含量分別為93.4、126.7、59.4 mg/kg，與改水田相比，新積土、土速效鉀含量分別顯著減少22.8%、16.9%(P<0.05)，土顯著增加32.4%(P<0.05)。

圖3 不同土壤類型土壤速效鉀含量

2.2.3 全氮 由圖4可知，0～20 cm土層改水田前新積土、土、黃綿土全氮含量分別為0.45、0.58、0.57 g/kg，改水田后分別為0.36、0.37、0.41 g/kg，較改水田前分別顯著減少20.0%、36.2%、28.1%。20～40 cm土層新積土、土、黃綿土全氮含量較改水田前分別顯著減少39.4%、22.8%、52.9%。40～60 cm土層土、黃綿土全氮含量較改水田前分別顯著減少22.9%、11.4%，新積土全氮含量顯著增加23.8%。改水田后，新積土、土、黃綿土0～60 cm土層全氮平均含量分別為0.44、0.39、0.32 g/kg，較改水田前分別顯著減少17.1%、27.6%、32.9%(P<0.05)。

圖4 不同土壤類型土壤全氮含量

2.2.4 有機(jī)碳 有機(jī)碳含量是土體肥力和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo)，有機(jī)碳含量低會(huì)導(dǎo)致土體保水、保肥能力及通透性降低，易造成土體板結(jié)。由圖5可知，0～20 cm土層改水田前新積土、土、黃綿土的總有機(jī)碳平均含量分別為4.5、3.4、1.4 g/kg，改水田后分別為3.2、2.4、1.1 g/kg，較改水田前分別減少27.8%、29.3%、17.4%。20～40 cm土層新積土、黃綿土總有機(jī)碳含量較改水田前分別顯著減少56.7%、52.8%，土增加12.1%。40～60 cm土層新積土、土、黃綿土總有機(jī)碳含量較改水田前分別顯著減少28.1%、28.3%、18.8%。改水田后，新積土、土、黃綿土0～60 cm土層總有機(jī)碳平均含量分別為2.2、2.5、1.5 g/kg，較改水田前分別顯著減少39.3%、16.1%、35.7%(P<0.05)。

圖5 不同土壤類型土壤總有機(jī)碳含量

2.3 改水田對(duì)土壤碳固持的影響

圖6 不同土壤類型土壤總碳含量

土壤固碳量的增加，對(duì)于提高稻田土壤生產(chǎn)力、維護(hù)大氣碳平衡有重要作用。由圖6可知，0～20 cm土層改水田前新積土、土、黃綿土總碳含量分別為16.96、18.55、9.68 g/kg，改水田后分別為18.03、22.47、10.12 g/kg，較改水田前分別增加6.3%、21.1%、4.5%。20～40 cm土層新積土、黃綿土總碳含量較改水田前分別顯著減少16.7%、53.1%，土增加8.8%。40～60 cm土層新積土、黃綿土總碳含量較改水田前分別顯著減少12.7%、23.9%，土增加11.5%。改水田后，新積土、土、黃綿土0～60 cm土層總碳平均含量分別為14.5、19.0、8.2 mg/kg，新積土、黃綿土較改水田前分別顯著減少7.6%、28.6%(P<0.05)，土顯著增加13.9%(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

水田在滯水過程中，增加土壤對(duì)磷的吸附，形成難溶解吸收利用的FePO4，減少了有效磷的解析，表現(xiàn)為3種土壤類型0～20 cm土層有效磷含量均有減少趨勢(shì)。20～40 cm土層新積土、黃綿土有效磷含量減少，而土增加，這是由于土黏粒含量在20～40 cm層顯著大于新積土和黃綿土，有效磷在垂向淋溶時(shí)，吸附在黏粒表面，減弱了磷的淋溶損失[13,15]。土層中速效鉀含量也受土體質(zhì)地的影響，土體黏粒具有吸附和固定鉀的能力，質(zhì)地黏重的土體含鉀量往往比較高，砂粒含鉀量低，因此，0～60 cm土層中，質(zhì)地較黏重的土速效鉀含量增加。本研究中，3種土壤類型全氮含量在 20～40、40～60 cm均有不同程度的減少，原因可能是隨著土層自然含水量、碳源和氮源含量的上升，土壤微生物可利用的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，導(dǎo)致土壤微生物生物量碳、氮含量升高，酶活性增加，促使有機(jī)態(tài)氮向無機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，而無機(jī)態(tài)氮易被植物吸收利用，使得土壤全氮含量減少[16-17]。改水田后，綜合考慮0～60 cm土層各養(yǎng)分含量，土更有利于土壤養(yǎng)分的提升。

改水田前新積土利用方式為蓮藕池，土層中含有較多的蓮藕根系、枝干等植物殘?bào)w，滯水過程中，土壤好氧微生物活動(dòng)基本停止，土壤有機(jī)物的分解以厭氧分解為主，未分解的有機(jī)質(zhì)逐漸積累[18]。因?yàn)樾路e土、黃綿土土壤顆粒砂粒、粉粒含量較大，干濕交替過程中，土壤通氣性增強(qiáng)，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速度加快，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)礦化分解[6]，從而使土壤有機(jī)質(zhì)總量下降，表現(xiàn)為改水田后，新積土、土、黃綿土0～60 cm土層總有機(jī)碳平均含量較改水田前顯著減少。此外，土黏粒含量較大，隨黏粒淋溶并淀積到20～40、40～60 cm層的有機(jī)質(zhì)增加，由此可知土改水田更有利于土壤總有機(jī)碳的積累。同時(shí)土質(zhì)地為粉砂壤土或粉土，黏粒含量高達(dá)11.16%，是新積土和黃綿土的1.93和2.13倍。黏粒具有較大的比表面積和電荷密度，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有較強(qiáng)的吸附力，形成更利于固碳的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[17-20]，促進(jìn)土壤中微生物的活性和多樣性，進(jìn)而促進(jìn)土壤的碳固持。從碳固持角度分析，土更適宜改水田。

將土地改造后用于水稻種植，提高耕地生產(chǎn)力，建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田，以充分合理利用水土資源，對(duì)改善區(qū)域土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。但本研究的研究尺度(2 a)較小，今后還應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的聯(lián)貫性。對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮養(yǎng)分之間的相互影響，以充分提高養(yǎng)分的利用水平。

參考文獻(xiàn):

[1] 陸安祥,趙云龍,王紀(jì)華,等.不同土地利用類型下氮、磷在土壤剖面中的分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(9):3923-3929.

[2] 王洪杰,李憲文,史學(xué)正,等.不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的分布及其與土壤顆粒組成關(guān)系[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(2):44-50.

[3] Deng L,Wang K B,Chen M L,etal.Soil organic carbon storage capacity positively related to forest succession on the Loess Plateau,China[J].Catena,2013,110(11):1-7.

[4] 孫庚寅.江蘇淮北旱改水地區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田土壤肥力特性的初步研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),1993,21(6):40-42.

[5] 樊慶鋅,孟婷婷.江川農(nóng)場(chǎng)旱田改水田對(duì)水環(huán)境的影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2014,39(5):70-72.

[6] Leiros M C,Trasar-Cepeda C,Seoane S,etal.Dependence of mineralization of soil organic matter on temperature and moisture[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31(3):327-335.

[7] Bird J A,Kessel C V,Horwath W R.Stabilization of13C-carbon and immobilization of15N-nitrogen from rice straw in humicfractions[J].Soil Science Society of America Journal,2003,67(3):806-816.

[8] 任明英,錢曉華,童有林.砂姜黑土旱改水肥力變化的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),1998,26(3):242-243,249.

[9] 王英,李偉群,鄒秋菊,等.松嫩平原低平易澇地旱改水種稻治澇防止土壤次生鹽漬化技術(shù)的研究[J].土壤,2006,38(1):99-10l.

[10] 閆加力,李懋,熊雙蓮,等.旱改水對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響及秸稈的改良作用[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,23(5):554-562.

[11] 鄧振鏞,王強(qiáng),張強(qiáng),等.中國(guó)北方氣候暖干化對(duì)糧食作物的影響及應(yīng)對(duì)措施[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(22):6278-6288.

[12] 周浩,雷國(guó)平,楊雪昕.三江平原典型流域土地利用格局變化與空間分異研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017,48(5):142-151.

[13] 向長(zhǎng)玉,周東興,宋戈,等.黑龍江省通河縣旱地改水田許可轉(zhuǎn)換度研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(13):226-230.

[14] 周浩,雷國(guó)平,張博,等.1990—2013年撓力河流域耕地變化下水土資源平衡效應(yīng)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(1):272-280.

[15] 孫中林,吳金水,葛體達(dá),等.土壤質(zhì)地和水分對(duì)水稻土有機(jī)碳礦化的影響[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(1):214-220.

[16] 楊東偉,章明奎.水田改果園后土壤性質(zhì)的變化及其特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3825-3835.

[17] 郭月峰,祁偉,姚云峰,等.土地利用方式對(duì)土壤微生物生物量碳和土壤養(yǎng)分的影響[J].北方園藝,2016,40(11):166-169.

[18] 胡明,韓晨,楊秀英,等.潼關(guān)縣土壤養(yǎng)分含量及分布特征[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,45(1):61-64.

[19] 侯紅乾,劉光榮,冀建華,等.南方紅壤區(qū)稻田土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化及與產(chǎn)量關(guān)系分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2013,28(3):109-115.

[20] 趙榮欽,劉英,丁明磊,等.河南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(7):40-44.