三江平原草甸土不同種稻年限土壤理化性質(zhì)演變特征

王秋菊，宮秀杰，曹 旭，焦 峰，劉 鑫，李婧陽，劉 峰

（1．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2．黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；4．黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；5．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319）

草甸土分布范圍廣，全國總面積約為2 507 萬hm2［1］。黑龍江省草甸土是全國分布面積最大的省份，三江平原地區(qū)是草甸土主要分布區(qū)域，草甸土總面積為213.80 萬hm2［2］，草甸土是三江平原地區(qū)的主要耕地土壤。由于草甸土所處位置地勢低平、地下水位較高，土壤質(zhì)地黏重，在作物生育期間降雨過多易發(fā)生澇害現(xiàn)象，所以草甸土發(fā)展水田是趨利避害的有效措施。20 世紀90 年代后，三江平原大面積實施“旱改水”，草甸土水田面積得到擴大［3-4］；草甸土種稻后，根據(jù)其地下水位高和自然降雨多的特點，可以充分利用水資源，降低自然災(zāi)害的發(fā)生。

三江平原地區(qū)草甸土種植水稻時間短，一般50 ～60 年，最長不超過100 年［5］。旱田改為水田后，隨種稻時間的延長，土壤物理、化學(xué)、肥力等反映土壤質(zhì)量特性的變化趨勢，以及向水稻土演變的過程和速度仍是未知。遲美靜等［6］對東北黑土開墾種稻后的土壤養(yǎng)分變化進行研究，得出與未開墾土壤相比，隨種稻年限延長，土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀呈下降趨勢，pH 值呈上升趨勢；劉鑫［7］研究認為水稻土壤隨開墾年限增加，有機質(zhì)上升；李建軍等［8］對長江中下游地區(qū)的水稻土研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量隨種稻年限增加。王欣欣等［9］對杭州灣南岸的水稻土進行研究，得出隨種稻年限延長，土壤有機碳在粒級小的顆粒中所占比例增大，被封存的有機碳比例也同時增加。武紅亮等［10］對全國各省水稻土監(jiān)測點進行養(yǎng)分監(jiān)測，結(jié)果得出，與初期相比，長期種稻土壤有機質(zhì)、全氮基本穩(wěn)定，速效養(yǎng)分提高。張廣才等［11］以遼寧棕壤、草甸土為研究對象，得出土壤表層還原物質(zhì)總量隨種稻時間延長而增加。

上述研究看出，不同地區(qū)、不同土壤上所得到的研究結(jié)果并不一致，只有以本地區(qū)的土壤為對象，明確演變特點、探索自然變化規(guī)律，才能對當(dāng)?shù)赝寥拦芾硖峁┛煽康闹笇?dǎo)意義。北方水田開墾年限短且大部分是由旱田改為水田，有關(guān)三江平原稻區(qū)旱改水后土壤理化特性動態(tài)變化特征及演變規(guī)律缺乏相關(guān)研究。因此，本文針對三江平原地區(qū)主要水田土壤草甸土，對其旱改水后不同種稻年限土壤理化性質(zhì)進行調(diào)查研究，明確其理化性質(zhì)隨種稻年限延長的變化特征及存在的問題，為充分利用草甸土資源、合理培肥、耕作管理提供依據(jù)，對實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為潛育草甸土，該土壤黑土層深厚，有機質(zhì)含量高。從草甸土剖面可以看出，土體結(jié)構(gòu)發(fā)育不明顯，0 ～20 cm 土層為黑色，20 ～50 cm土層為暗灰色，50 cm 土層向下為黃棕色，各層土壤質(zhì)地均為黏土。

1.2 采樣地點

土壤樣品采集地點為三江平原地區(qū)曙光農(nóng)場，曙光農(nóng)場位于三江平原腹地，地勢低平、海拔為50 ～60 m，屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，≥10℃年有效積溫為2 200 ～2 500℃，降水量為500 ～600 mm。

1.3 采樣方法

土壤樣品采集時間為2015 年10 ～11 月，根據(jù)采樣地點的實際情況確定采樣位置，由于時間的局限性，采用時空互代法［12-13］（空間置換時間）確定土壤種稻年限。分別采集種稻年限為 0、6、10、23、40 年的土壤樣品，以旱作農(nóng)田為本底對照（0年）。采樣地塊面積在1 000 m2以上，在每一塊樣地中選取3 個代表性的位置進行調(diào)查。旱田土壤為玉米茬，各水田土壤采樣點距旱田采樣點直線距離為1 km 以內(nèi)。

現(xiàn)場采樣方法:挖掘長、寬、高分別為1.2、1、1 m 土壤剖面，確定耕層、犁底層厚度，按照土壤耕層（TL）、犁底層（PL）和心土層（SL）3個不同層次采集原狀土樣品。耕層土壤縱向取樣位置為距地表 5 ～10 cm，犁底層取樣位置為耕層下的全部犁底層，心土層取樣位置在犁底層以下15 ～20 cm；橫向取樣位置為水稻行間土壤。物理指標測定樣品取樣方法用容積為100 cm3環(huán)刀取原狀土、削平密封后帶回實驗室；化學(xué)指標測定樣品采用多點取樣方法，多點樣品采用四分法混合后留取 1.5 kg 土樣裝袋，除去植物殘體、侵入體和鐵錳結(jié)核等新生體，帶回實驗室陰涼處風(fēng)干后過2、0.25 mm 篩，待測化學(xué)指標。

土壤樣品采集位置地理坐標及土壤外觀特征情況見表1，供試土壤基本理化性質(zhì)見表2。從各樣點的土壤剖面看，采集的土壤顏色屬于YR 色系，顏色在5YR ～7YR 之間，耕層和犁底層顏色較暗，心土層顏色較亮；從亞鐵反應(yīng)來看，種稻時間長的土壤有中度還原反應(yīng)。

表1 供試土壤剖面狀況

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.4 測定項目與方法

土壤剖面記錄:土壤剖面挖掘完成后，直接進行剖面描述及記錄。首先確定土壤類型，然后記錄經(jīng)緯度、海拔高度、黑土層厚度、剖面層序、各土層厚度、土壤水分狀況、土壤顏色、地形地貌等信息。

土壤化學(xué)性質(zhì)測定:土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定，還原性物質(zhì)總量采用容量法測定，F(xiàn)e2+采用鄰啡羅啉比色法，Mn2+采用醋酸銨浸提-高錳酸鉀比色法測定［14］。

土壤物理性質(zhì)測定:土壤粒級組成采用MS2000 激光粒度儀進行測定；容重采用烘干法測定［15］；土壤三相采用DIK-三相儀測定；土壤水分特征曲線測定方法:0 ～150 cm（H2O）吸力段用DIK-3343 型土壤pF 測定儀（日本）測定，150 ～16 544 cm（H2O）吸力段用1500F1 型壓力膜儀（美國）測定；土壤孔隙組成由土壤水分特征曲線計算取得，根據(jù)不同當(dāng)量直徑孔隙中體積含水量求差，計算得出。

其中，當(dāng)量直徑計算方法為:d=h/3

式中，d為土壤孔隙當(dāng)量直徑（mm）；h為土壤水吸力（kPa）［16］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 DPS 7.0 軟件、RETC 軟件和 Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。采用 DPS 數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)的標準差和方差分析。利用 RETC 軟件，在不同水吸力值下對水分數(shù)據(jù)進行輸入，可獲得土壤水分特征曲線模擬方程，進一步計算出土壤孔隙組成。利用 Excel 2003 數(shù)據(jù)處理軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種稻年限對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤有機碳和還原物質(zhì)的影響

從圖1 看出，草甸土耕層土壤有機碳含量高于犁底層和心土層，心土層土壤有機碳含量與犁底層有機碳含量差異較??；耕層土壤有機碳含量隨種稻年限增加呈逐漸增加趨勢；犁底層土壤有機碳含量在種稻初期增加，之后隨種稻年限增加又逐漸下降；心土層土壤有機碳含量隨種稻年限增加表現(xiàn)增加趨勢。

圖1 不同種稻年限土壤有機碳變化

從圖2 中看出，草甸土土壤中還原物質(zhì)總量在各層土壤中均表現(xiàn)隨種稻年限增加而呈增加趨勢，在種稻40 年時土壤中還原物質(zhì)總量達到最高值，耕層土壤中還原性物質(zhì)總量明顯低于犁底層。

圖2 不同種稻年限土壤中還原物質(zhì)總量變化

2.1.2 對土壤 Fe2+、Mn2+含量的影響

從圖3 中看出，草甸土種稻初期各層土壤中Fe2+含量迅速增加，種稻6 年后，隨種稻年限增加，耕層土壤中Fe2+含量表現(xiàn)逐漸下降趨勢；犁底層土壤中Fe2+含量有先升高后下降的趨勢；心土層土壤中Fe2+含量總體呈升高趨勢，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 年就可遷移到心土層，到40 年在心土層達到最大積累量。

圖3 不同種稻年限土壤Fe2+含量變化

從圖4 看出，草甸土種稻初期土壤中Mn2+含量迅速增加，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+含量有先升高再下降的趨勢，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，種稻10 年大量遷移到心土層，之后趨于平衡。

2.2 不同種稻年限對土壤物理性質(zhì)的影響

2.2.1 對土壤三相組成的影響

從圖5 看出，草甸土種稻10 年后，耕層土壤的固相比率增加明顯，之后隨種稻年限增加又有降低趨勢，種稻40 年時土壤固相比率與種稻前相比仍表現(xiàn)增加趨勢；犁底層土壤的固相比率在種稻初期降低，之后又逐漸增加，種稻多年后與種稻前無明顯差異；心土層土壤固相比率種稻初期增加，之后隨種稻年限增加有下降趨勢，種稻初期土壤波動大，可能與旱田改水田有關(guān)，但隨種稻年限增加，土壤固相比率有降低趨勢。草甸土各層土壤固相比率沒有明顯的規(guī)律性變化，可能與草甸土土質(zhì)粘重，地下水位高，土壤長期潛育淹水有關(guān)，也可能與取樣位點有關(guān)，有待于進一步研究。

圖4 不同種稻年限土壤Mn2+含量變化

圖5 不同種稻年限土壤三相變化

2.2.2 對土壤顆粒組成的影響

從圖6 看出，草甸土種稻后，耕層土壤中＜0.002 mm 的顆粒含量隨種稻年限增加降低，0.002 ～0.02 mm 顆粒含量和0.02 ～0.2 mm 顆粒含量隨種稻年限增加整體呈增加趨勢；犁底層土壤中＜0.002 mm 顆粒含量和0.002 ～0.02 mm 顆粒含量種稻后有增加趨勢，0.02 ～0.2 mm 顆粒含量總體降低；心土層土壤種稻40 年后，土壤中＜0.002 mm 的顆粒含量明顯增加，說明草甸土長期種稻后會發(fā)生機械淋溶現(xiàn)象，耕層土壤中＜0.002 mm粘粒會逐漸向下淋溶，種稻40 年即可淋溶到心土層。

圖6 不同種稻年限土壤顆粒粒級變化

2.2.3 對土壤孔隙組成的影響

從圖7 看出，草甸土種稻后耕層和犁底層土壤孔隙總量和孔隙組成無規(guī)律性變化；心土層土壤總孔隙隨種稻年限增加呈增加趨勢，尤其是＜0.000 2 mm 土壤孔隙比率增加明顯，可能與土壤粘粒淋溶到此層有關(guān)，土壤粘粒增加，土壤顆粒之間和土壤內(nèi)部孔隙增加，導(dǎo)致土壤小孔隙比率和總孔隙量增加。

圖7 不同種稻年限土壤孔隙組成變化

3 討論

水稻土的形成是在長期種稻為主的耕作制度下，土壤經(jīng)常處于淹水還原、排水氧化、水耕粘閉狀態(tài)，以及大量施用肥料等頻繁的人為管理措施影響下形成的［17-18］。根據(jù)地下水位高度和土壤質(zhì)地特征，各類土壤發(fā)育成的水稻土類型不同，按水文特征一般分為地表水型、地下水型、過渡水型、良水型4 種類型［5］。不同類型土壤在演變過程中，根據(jù)演變速度的快慢仍然保持著原土壤的一些特性。

三江平原地區(qū)草甸土地勢低，地下水位較高，地下水位一般在1 ～2.5 m，介于地表水和地下水之間過渡類型的水文條件。草甸土種稻后受地表淹水影響，土壤長期處于還原狀態(tài)，土壤氧化還原電位低，微生物分解速度慢，土壤有機碳得到積累，還原物質(zhì)總量增加。另外，由于草甸土屬于過渡水型土壤，在種稻后，土壤氧化還原交替作用明顯，土壤中Fe2+、Mn2+遷移速度較快，在種稻10 年后就都遷移到心土層，與前人研究的水稻土有物質(zhì)遷移現(xiàn)象一致［19-20］，關(guān)于其聚集速度和聚積量還有待進一步研究。

草甸土隨種稻年限延長，具有向水稻土演變的一些特征，如還原物質(zhì)增加，粘粒機械淋溶現(xiàn)象，但也有一些變化特征不規(guī)律，可能有以下幾個原因。一是由于三江平原地處寒冷地區(qū)，水田淹水時間一般4 個月左右，其余為冰凍時期，向水稻土發(fā)育速度慢，因此種稻多年仍保持著母質(zhì)的特征；二是草甸土地勢低，受地下水影響，土體長期處于還原狀態(tài)，犁底層形成慢，水稻土典型剖面特征不明顯。草甸土土壤固相比率和孔隙總量變化幅度大，并且不規(guī)律，這可能與取樣誤差有關(guān)，也可能與土壤本身特性質(zhì)地黏重，土壤中大顆粒含量低有關(guān)［21］。

過去研究多集中于水稻土本身特點的研究，基于較長的時間尺度［22-24］。關(guān)于較短時間更替過程中，種稻后土壤一些性質(zhì)的變化研究較少，本研究是對高寒地區(qū)、一年一熟制草甸土在種稻過程中土壤理化性質(zhì)變化的初步調(diào)查，可能還存在一些難以解釋和說明的地方，撰寫本文也是希望有機會能和土壤界專家一起研究和探討。了解不同類型水田土壤的理化性質(zhì)的變化規(guī)律，了解演變特征，對水田土壤管理具有重要的參考作用。

4 結(jié)論

三江平原地區(qū)草甸土種稻后，土壤物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，具備向水稻土發(fā)育的初期特征，但也受土壤本身特性影響。

（1）草甸土種稻后，隨種稻年限增加耕層和心土層土壤有機碳總量呈增加趨勢，犁底層呈下降趨勢；土壤中還原物質(zhì)總量在各層均表現(xiàn)增加趨勢，耕層土壤中Fe2+和Mn2+含量在種稻初期增加，之后由耕層向犁底層和心土層遷移，種稻10 年后，心土層土壤中Fe2+和Mn2+含量超過犁底層。

（2）草甸土種稻后，隨種稻年限增加，土壤固相比率和總孔隙變化幅度大，表現(xiàn)不規(guī)律，種稻40 年后，心土層土壤固相比率和總孔隙量增加，直徑＜0.000 2 mm 土壤孔隙增加明顯；種稻10 年后，草甸土出現(xiàn)粘粒機械淋溶現(xiàn)象，到40 年心土層粘粒含量超過耕層和犁底層。