墾殖對黃河三角洲鹽漬土碳氮分布特征的影響*

李賢紅 陳為峰 宋希亮 王曼華 胡 琴 鄧 從

(山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東泰安 271018)

隨著土壤資源的日益緊張以及人口數(shù)量的劇增，鹽堿土資源利用與改良成為世界性的重大課題之一［1］。因此，研究鹽堿地開發(fā)利用后的土壤性質變化對指導鹽堿地開發(fā)具有重要的意義。國內外關于鹽漬土開發(fā)利用的研究多關注水鹽運移及鹽分改良［1-3］。近年來，有關鹽漬土開發(fā)利用的研究集中于土地利用方式以及管理模式［4-5］，研究多關注表層土壤［6-8］，且對墾殖歷史的研究較短［8-9］，對于深層次、大時間尺度的農業(yè)利用碳氮分布規(guī)律研究尚欠缺。黃河三角洲作為中國最年輕的土地，區(qū)域土壤形成發(fā)展的歷史，實際就是土地不斷被墾殖利用的歷史。近年來，鹽堿地開發(fā)利用進一步加快，基于強灌強排的主導治理措施和高潛水位的特征可能會對區(qū)域墾殖利用過程中土壤碳變化產(chǎn)生較大的影響。前期，主要開展了黃河三角洲濱海新生濕地碳氮循環(huán)的研究［10-12］，而對鹽堿荒地墾殖前后土壤碳行為過程的研究尚未引起足夠的重視。土壤無機碳作為碳循環(huán)過程的一部分，緊密聯(lián)系全球碳循環(huán)，如果忽視無機碳，不利于精確和正確估算碳儲存的變化［13］。土地利用方式顯著影響土壤無機碳變化過程［14］和土壤碳氮等生源要素的耦合關系［15-16］。隨著黃河三角洲高效經(jīng)濟發(fā)展以及“渤海糧倉”建設，研究大尺度的鹽漬土變化特征，對后續(xù)土地利用具有重要的現(xiàn)實指導意義。

本文選取黃河三角洲典型不同墾殖年限土壤為研究對象，以樣地空間變化代替時間動態(tài)，系統(tǒng)研究鹽堿地墾殖前后及不同墾殖歷史典型土層的土壤碳（有機碳、無機碳、全碳）、氮（全氮、堿解氮）的分布特征，闡明變化規(guī)律，有利于從整體上準確評估土地利用劇烈變化情景下的土壤碳氮響應過程，為區(qū)域土壤碳氮循環(huán)模型的建立提供思路和參考數(shù)據(jù)，還可為區(qū)域未利用鹽堿地的合理開發(fā)與科學管理提供指導，具有重要的理論意義和實踐價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲東營市仙河鎮(zhèn)，地理坐標118°35′57″E～118°55′49″E，37°53′20″N～37°56′22″N。選取開墾不同年限的農用地及未墾殖鹽堿荒地作為研究樣地。該區(qū)域年平均氣溫13.3℃，平均無霜期206 d，年均降水量537 mm，年平均蒸發(fā)量1 885 mm。區(qū)域土壤類型主要為鹽化潮土，土壤質地類型以粉砂壤土為主，含有砂質壤土、黏壤土。研究區(qū)內農作物以棉花、玉米、小麥為主，自然植被以蘆葦、堿蓬、蒿類為主。地下水礦化度在空間上分布的總體規(guī)律表現(xiàn)為，由內地向沿海方向地下水礦化度逐漸增加，近內陸部分礦化度較低，一般2 g L-1左右；沿海地帶地下水礦化度較高，局部地區(qū)甚至大于50 g L-1，其他大部分地區(qū)地下水礦化度大于10 g L-1。研究區(qū)灌溉水源來自黃河，灌水方式為大水漫灌，每年平均洗鹽灌水量約為2 250 m3hm-2。

1.2 野外調查與土壤樣品采集

研究區(qū)位于1934年海岸線以下，根據(jù)成國棟［17］對黃河三角洲形成時間研究，黃河三角洲按照形成順序分為11個葉瓣，研究區(qū)位于第9個葉瓣上，并與第10、11葉瓣有所重疊，陸地形成時間約在1934年以后。其成土年齡與成土環(huán)境接近。1963年成立軍馬場開始開發(fā)［18］，至今鹽堿地墾殖歷史已超過50 a，可視為160多年以來整個黃河三角洲鹽堿地開發(fā)進程的一個典型階段，是開展黃河口地區(qū)土地利用變化及生態(tài)效應研究的最佳天然實驗室。采樣區(qū)根據(jù)土地利用變化研究有關文獻［19］，以及土地現(xiàn)狀圖結合實地調查，以未墾殖鹽堿荒地為對照，分別選取2014年開發(fā)的耕地（墾殖小于5 a）、2005年開發(fā)的耕地（墾殖約10～15 a）、1995年開發(fā)的耕地（墾殖約20～25 a）、1985年開發(fā)的耕地（墾殖約30～35 a）和1956年左右開發(fā)的耕地（墾殖約50～60 a），確定了不同墾殖年限區(qū)域土壤進行研究，詳見圖1。不同墾殖年限區(qū)域基本概況見表1。

于2016年8月，選擇未墾殖鹽堿荒地裸地及墾殖不同年限（小于5 a、10～15 a、20～25 a、30～35 a、50～60 a）的6個典型地塊樣地，土地利用方式均為小麥/玉米連作，以其1 m深度土壤為研究對象，利用直徑3 cm土鉆采集0～100 cm土壤樣品。每個墾殖年限選擇三個相距不小于1 000 m的地塊，每個地塊采用五點取樣法，每個樣點為相距不小于5 m的三鉆混合，每個點面按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm的7個層次進行采樣，同時分層取環(huán)刀土壤樣品。

1.3 土壤理化性質分析

土樣風干，磨細過0.15 mm篩，使用元素分析儀（Elementar Vario Macro，德國）測定土壤全氮、全碳［19］，使用1 mol L-1的鹽酸去除土樣中的碳酸鹽后，使用總有機碳分析儀（Elementar Vario TOC，德國）測定土壤有機碳［20］，無機碳為全碳與有機碳差減值，并通過氣量法驗證。土樣過1 mm篩后，參照《土壤農業(yè)化學分析方法》［21］，1︰5土水比浸提液，質量法測定土壤鹽分，電位法測定pH，烘干測定土壤容重，堿解擴散法測定堿解氮，碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定有效磷，火焰光度法測定速效鉀。

圖1 取樣點分布圖Fig. 1 Distribution of sampling points

表1 不同墾殖年限區(qū)域概況Table 1 General information of the sample plots different in cultivation history

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析和顯著性分析（最小顯著差異（LSD）法檢驗不同處理的差異性），相關圖表制作使用Origin 9.0完成。

2 結 果

2.1 墾殖年限對鹽堿地土壤碳的影響

土壤基本理化性狀見表2。通過分析不同墾殖年限土壤有機碳、無機碳和全碳含量的變化（圖2），結果發(fā)現(xiàn)，未墾殖荒地對照各土層之間差異不顯著（p＞0.05），鹽堿地墾殖顯著增加1 m土體土壤有機碳、無機碳、全碳含量。通過進一步對1 m土壤碳含量進行方差分析，結果發(fā)現(xiàn)，不同墾殖年限土壤有機碳、無機碳、全碳含量均顯著高于未墾殖鹽堿荒地（p＜0.05），除墾殖10～15 a的無機碳，均隨著墾殖年限的增加整體呈增加趨勢，土壤碳（有機碳、無機碳、全碳）含量在墾殖30～35 a后達到相對穩(wěn)定的水平。

通過分析不同墾殖年限土壤有機碳、無機碳和全碳的垂直分布特征，發(fā)現(xiàn)鹽堿土墾殖主要影響表層（0～40 cm）碳分布，隨著土層深度的增加該影響降低，具有一定的表聚性，40～100 cm碳含量無明顯變化規(guī)律。不同墾殖年限40～100 cm平均土壤無機碳在一定程度上受地下水埋深（表1）的影響。隨著墾殖年限的增加，直至墾殖30～35 a以上，表層（0～40 cm）土壤有機碳顯著高于底層（40～100 cm）土壤有機碳（p＜0.05）。個別處理（墾殖＜5 a、20～25 a）土壤有機碳40～100 cm含量顯著高于其他處理（p＜0.05）；土壤無機碳在墾殖10～15 a處理的0～40 cm土層出現(xiàn)降低，在＜5 a、20～25 a和30～35 a的深層土壤（40～100 cm）有一定的聚集。

表2 不同墾殖年限土壤基本理化性狀（0～1m）Table 2 Basic physical and chemical propertiesof the soil in sample plot relative to cultivation history（0～1m）

圖2 不同墾殖年限不同土層土壤有機碳、無機碳和全碳含量Fig. 2 Contents of soil organic carbon, inorganic carbon and total carbonin sample plot, relative to cultivation history

2.2 墾殖年限對鹽堿地土壤氮的影響

不同墾殖年限全氮變化范圍在0.17～1.27 g kg-1之間，平均值為0.51 g kg-1（圖3A）。通過對1 m土層全氮方差分析，鹽堿荒地墾殖后，全氮含量顯著增加，且隨墾殖年限的延長而增加，具體表現(xiàn)為，墾殖20～25、30～35、50～60 a顯著高于＜5、10～15 a。

通過分析土壤全氮垂直變化規(guī)律，結果表明，隨著土層深度的增加，不同墾殖年限處理全氮均表現(xiàn)降低趨勢。未墾殖鹽堿荒地0～10 cm全氮顯著高于10～100 cm土層（p＜0.05）。表層（0～40 cm）土壤全氮含量與未墾殖鹽堿地相比均顯著提高，隨著墾殖年限的增加表聚性特征更加明顯（除20～25 a），個別年限（20～25 a）全氮含量出現(xiàn)底層（40～100 cm）累積現(xiàn)象。墾殖30 a后表層（0～40 cm）全氮含量顯著高于底層（40～100 cm）。

圖3 不同墾殖年限不同土層土壤全氮(A)、堿解氮(B)含量Fig. 3 Contents of total nitrogen (A) and alkaline nitrogen (B)in sample plot relative to cultivation history

由圖3B可見，不同墾殖年限土壤堿解氮平均值為30.75 mg kg-1。墾殖初期，土壤堿解氮大幅增加，隨著墾殖年限的增加，堿解氮增幅降低。堿解氮變化規(guī)律與全氮變化規(guī)律相似。通過對1 m土壤堿解氮方差分析發(fā)現(xiàn)，不同墾殖年限處理土壤堿解氮含量顯著高于未墾殖鹽堿荒地（p＜0.05），具體表現(xiàn)為：隨著墾殖年限的增加1 m土體土壤堿解氮含量整體呈增加的趨勢；墾殖年限50～60 a有機碳含量顯著高于30～35 a，30～35 a顯著高于10～25 a，10～15 a顯著高于＜5 a。上述結果說明，鹽堿地墾殖后會顯著增加1 m土壤土體堿解氮含量。

不同墾殖年限處理下，1 m土體土壤堿解氮垂直分布特征表現(xiàn)為，隨著土層深度的增加土壤堿解氮含量整體呈降低趨勢；墾殖年限對堿解氮的影響主要作用于表層（0～30 cm），荒地0～10 cm堿解氮顯著高于10～100 cm；隨著墾殖年限的增加，至墾殖10 a之后0～30 cm土壤堿解氮顯著高于30～100 cm（p＜0.05）。底層（30～100 cm）土壤堿解氮含量在墾殖初期出現(xiàn)一定程度的增加，具體表現(xiàn)為，墾殖初期5～25 a增加，30～60 a后堿解氮維持在穩(wěn)定水平。

2.3 墾殖鹽堿地土壤中碳氮相關性

通過對0～40 cm土層有機碳、全氮變化分析（圖4A），發(fā)現(xiàn)隨著墾殖年限的增加，土壤有機碳、全氮含量均呈增加趨勢（除20～25 a），兩者之間變化趨勢高度一致。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤墾殖主要影響0～40 cm土壤有機碳、全氮含量。

由圖4B可以看出，不同墾殖年限各土層土壤有機碳與全氮呈極顯著的（n=126，p＜0.01）線性正相關關系，且相關系數(shù)較高，二者之間可以用一元線性方程（y=0.1109x-0.012 8）進行擬合。這表明土壤有機碳會促進全氮的增加，土壤全氮的增加也會促進有機碳的增加，改善土壤養(yǎng)分含量，應注重兩者之間的相關性。

2.4 墾殖年限對鹽堿地土壤碳氮比（C/N）的影響

分析土壤C/N的變化有助于深入理解土壤有機碳氮的積累過程及土壤質量的變化趨勢。由圖5可知，不同墾殖年限鹽堿地土壤碳氮比為6.56～16.87，墾殖后碳氮比平均值（9.35）較未墾殖荒地（10.89）有所降低；通過對1 m土體C/N方差分析，鹽堿荒地墾殖后，土壤C/N顯著降低，C/N隨著墾殖年限的增加出現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢，具體表現(xiàn)為：鹽堿荒地開墾后至墾殖20～25 a，土體C/N降低至8.41，墾殖30～35 a C/N維持在穩(wěn)定水平。根據(jù)表層（0～40 cm）以及底層（40～100 cm）碳氮比方差分析，雖然墾殖后隨著墾殖歷史的變化C/N出現(xiàn)波動，最終30～35 a后維持在9.2左右。

3 討 論

3.1 不同墾殖年限下鹽堿地土壤碳變化的原因

不同墾殖年限1 m土體有機碳含量隨土層深度的增加而降低，這與夏江寶等［6］對0～40 cm鹽堿地土地利用的研究結果一致。研究發(fā)現(xiàn)，不同墾殖年限土壤有機碳含量在40～100 cm無顯著性變化趨勢，該研究結果與李曉光等［9］對枸杞、檉柳能夠增加1 m土體各土層有機碳的研究結果不同，其原因可能是土地利用方式不同，本研究作物為小麥/玉米連作，根系主要分布在表層（0～40 cm）。40～100 cm可能是該區(qū)域成土母質本身有機碳的含量普遍偏低。此外，墾殖年限＜5 a、20～25 a 的40～100 cm層次有機碳含量顯著高于其他處理，出現(xiàn)深層積累，其原因可能是墾殖＜5 a、20～25 a的地下水埋深較其他處理淺（表1），深層土壤受水文頻繁變化的累積影響。

圖4 0～40 cm土層有機碳、全氮隨著墾殖年限的變化（A）及其相關性（B）Fig.4 Total nitrogen and organic carbon contents in the topsoil layer (0～40 cm) of the sample plot relative to cultivation history and their relationship (B)

圖5 不同墾殖年限土壤碳氮比Fig. 5 Soil C/N in sample plot relative to cultivation history

本研究發(fā)現(xiàn)，無機碳占全碳的比重更大，不同墾殖年限的土壤無機碳、全碳及有機碳具有相似的變化趨勢。本研究中，表層（0～40 cm）無機碳含量顯著高于底層（40～100 cm）。該研究結果與鄧彩云等［22］的研究結果相反，分析其原因，一方面可能為區(qū)域以及成土母質的差異；另一方面，灌溉可能會改變土壤碳輸入、輸出以及儲量，黃河水作為區(qū)域唯一灌溉水源，無機碳含量高達35 mg L-1以上［23］。墾殖10～15 a土壤無機碳較低，可能是因為該研究區(qū)地下水位較深（表1）。因此，研究無機碳儲量不能脫離土地所屬區(qū)域的地下水位以及隨時間的變化情況等因素，尤其是以黃河三角洲為代表的高潛水位濱海鹽漬土。

3.2 不同墾殖年限下鹽堿地土壤氮變化的原因

在垂直方向上，隨著土體深度的增加，各取樣點的土壤全氮含量逐漸降低，這與夏志堅等［24］研究結果相似。隨著墾殖年限增加，表層（0～40 cm）土壤全氮含量均表現(xiàn)為提高，可能是由以下原因共同造成的，一是土壤墾殖后施肥增加土壤氮含量［25］，增加了全氮的來源；二是由于植物殘體和凋落物輸入在土壤表層發(fā)生累積［26］；三是氮沉降因素［27］。此外，全氮含量在40～100 cm變化不顯著，該結果可能與該區(qū)域成土母質中氮含量普遍偏低有關。研究中墾殖年限20～25 a的土壤，有機碳、全氮含量相對其他墾殖年限有所降低，一方面，可能由于該區(qū)域近兩年出現(xiàn)一定程度的撂荒，種植管理粗放，秸稈還田量減少；另一方面，可能與有機肥的礦化分解有關。

堿解氮是作物易吸收的有效部分［21］，因而與作物在生產(chǎn)過程中從土壤中吸收的氮量相關性顯著。土壤堿解氮的測定在農業(yè)生產(chǎn)上可直接用來評價土壤的供氮強度，制定氮肥施用方案。研究表明，土壤墾殖主要對0～30 cm堿解氮有顯著影響，且隨墾殖年限的增加而增加。相比于其他養(yǎng)分指標，更趨表聚化，其原因可能是墾殖施肥、秸稈還田等田間管理措施會增加堿解氮含量［28］。

3.3 不同墾殖年限下碳氮相關性及碳氮比變化的原因

土壤碳氮之間的耦合關系能更全面地闡述土壤碳氮變異，土壤C/N空間變異特征對區(qū)域環(huán)境保護與耕地可持續(xù)利用意義重大［27］。不同墾殖年限1 m土壤有機碳與全氮顯著線性正相關，該結果與前人［29］研究鹽堿地表層土（0～40 cm）碳氮的結果類似，研究區(qū)域各樣地各層的C/N平均為9.39，略低于全國平均水平10.2［30］。土壤C/N隨墾殖年限增加而逐漸降低，墾殖30～35 a后維持在較低水平，一方面，土壤有機碳含量隨墾殖年限有所增加，但在長期采用強排強灌等灌水措施的作用下，可能增加有機碳淋失；另一方面可能與氮肥利用率較低有關。

土壤經(jīng)過不同年限的墾殖，土壤碳（有機碳、無機碳、全碳）、氮（全氮、堿解氮）、C/N均在墾殖30～35 a后達到相對穩(wěn)定的水平，一方面，可能是由于20世紀80年代開始大量使用化肥，前期以有機肥為主，養(yǎng)分含量低，另一方面，可能是由于施肥種植等墾殖方式可改善土壤粒徑分布結構，進而增加土壤的保肥力，在墾殖30 a時均達到相對穩(wěn)定的水平［31］。

本研究主要圍繞黃河三角洲區(qū)域鹽堿地的墾殖年限等狀況對碳氮含量分布的影響展開。在研究表層土碳氮分布的同時，也對深層次的土壤碳氮的垂直分布進行了探索，土壤墾殖有利于增加土壤碳（有機碳、無機碳、全碳）、氮（全氮、堿解氮）含量，說明墾殖對黃河三角洲鹽漬土土壤養(yǎng)分狀況有一定的改良作用。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)小麥/玉米連作墾殖30～35 a以上，土壤養(yǎng)分基本維持穩(wěn)定水平，但最終表現(xiàn)為C/N降低，因此，針對區(qū)域鹽漬土不同墾殖年限的C/N狀況，應當通過改善施肥方式、均衡施肥等措施，提高養(yǎng)分利用率，使C/N維持在利于農業(yè)高效利用的水平，這對于未來黃河三角洲鹽漬土墾殖利用、渤海糧倉的建設具有重要的指導意義。

4 結 論

荒地經(jīng)墾殖后，土壤有機碳、無機碳、全碳、全氮、堿解氮含量顯著提高，且隨墾殖利用年限的增加而增加，并在墾殖30～35 a后達到相對穩(wěn)定的水平；1 m深土體碳氮垂直分布規(guī)律具有一定的表聚現(xiàn)象，隨土層深度的增加而降低；不同墾殖年限主要影響耕層（0～40 cm）土壤有機碳、無機碳、全碳、全氮，而在40～100 cm層次的含量變化不顯著；墾殖年限主要影響0～30 cm土層堿解氮；地下水埋深對養(yǎng)分深層累積有一定的影響。鹽漬土不同墾殖年限土壤有機碳與全氮之間顯著正相關，但墾殖后C/N呈降低趨勢，約30 a后基本穩(wěn)定，C/N低于全國平均水平，說明長期墾殖土壤亟需進一步提升有機碳含量水平。