松嫩平原不同土地利用類型土壤團(tuán)聚體分布及碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征研究

劉 騫，許明月，魏思雪，王溢琨，王紫含，張 博，湯 潔

（1. 長(zhǎng)春大學(xué)園林學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2. 吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

鹽堿土壤是我國(guó)主要后備土壤資源之一，鹽堿土壤改良利用和生態(tài)建設(shè)一直是關(guān)注熱點(diǎn)，探究鹽堿區(qū)土地利用類型對(duì)土壤團(tuán)聚體分布及其碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征影響，對(duì)于合理開發(fā)利用鹽堿土壤具有重要理論和實(shí)際意義。土壤碳、氮、磷與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)關(guān)系密切[1-2]，在形成和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤物理性質(zhì)等方面發(fā)揮重要作用。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)基本單元，參與土壤壓實(shí)、土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤侵蝕、根系滲透和作物生長(zhǎng)等多種物理化學(xué)過程[3-4]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)重要指標(biāo)，土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)提高土壤肥力、土壤可持續(xù)性和生產(chǎn)力至關(guān)重要[5]。有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體中穩(wěn)定性不同。研究表明，不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分元素保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力存在差異，其中碳、氮、磷存在形態(tài)和穩(wěn)定性也不同[6-7]。同時(shí)，不同土地類型和植被下土壤碳、氮、磷含量因植物殘?bào)w覆蓋數(shù)量、質(zhì)量及生態(tài)環(huán)境不同而存在差異[8]，土壤碳、氮、磷及其化學(xué)計(jì)量變化可反映土壤養(yǎng)分損失程度，有助于揭示不同植被覆蓋與土壤養(yǎng)分損失間相互關(guān)系，且土壤深度也是影響土壤養(yǎng)分關(guān)鍵因子，從而影響土壤物質(zhì)循環(huán)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性。故通過土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)分析元素之間耦合平衡機(jī)制，研究不同土地利用類型對(duì)土壤團(tuán)聚體分布及其碳、氮、磷特征影響，可揭示植物生長(zhǎng)和土地養(yǎng)分循環(huán)及平衡機(jī)制，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量及養(yǎng)分循環(huán)研究具有重要意義[9-10]。松嫩平原鹽堿土是世界三大鹽堿土集中分布區(qū)之一，且鹽堿程度呈逐年增加態(tài)勢(shì)，農(nóng)田產(chǎn)量下降、草地退化，生態(tài)環(huán)境日趨惡化[11]。目前，鹽堿土壤改良后土壤物理、化學(xué)性質(zhì)變化研究廣泛，而關(guān)于松嫩平原不同土地利用類型土壤團(tuán)聚體化學(xué)計(jì)量特征研究較少[12-13]。本研究以吉林西部松嫩平原為例，分析不同土地利用類型（水田、旱田、濕地、草地）土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布、土壤碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量變化特征，闡明不同土地利用類型對(duì)土壤團(tuán)聚體及碳、氮、磷分布特征影響，為該區(qū)域土地合理利用、提高土壤質(zhì)量及防止土壤退化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原西部，是蘇打鹽堿化最嚴(yán)重地區(qū)，鹽堿地面積約9.69×105hm2。屬半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，受西風(fēng)帶和東亞夏季天氣系統(tǒng)影響，氣候敏感，四季差異明顯，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季漫長(zhǎng)寒冷，年降水量580 mm；水資源量96×108m3；年日照時(shí)間2 700 h，年均氣溫2～6 ℃[14]。該地區(qū)經(jīng)多次沙漠化和鹽堿荒漠化正逆演變過程，形成大面積鹽堿土沉積。研究區(qū)位于吉林西部松嫩平原內(nèi)，主要土地利用方式為農(nóng)田（旱田、水田）、鹽堿草地、濕地等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與土壤樣品采集

根據(jù)土壤和土地利用方式類型圖，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，于2019 年9 月采集樣品。每種土地利用方式中分別設(shè)置6個(gè)20 m2樣方，按照S形采樣法采集0～10、10～20 cm 土層土壤樣品，將每個(gè)采樣點(diǎn)相同土層樣品混勻，保持原狀土壤結(jié)構(gòu)并將其帶回實(shí)驗(yàn)室，去除肉眼可見植物殘?bào)w和根系等，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，備用。采樣點(diǎn)基本信息見表1。

1.2.2 樣品分析方法

根據(jù)Elliott干篩法測(cè)定土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性[15]。具體操作如下，取200 g 土樣過0.5、0.25、0.105 和0.088 mm 篩子，分離得到4 個(gè)團(tuán)聚體粒級(jí)（≥0.5 mm，0.25～0.5 mm，0.105～0.25 mm，0.088～0.105 mm），將干篩得到的各級(jí)團(tuán)聚體分別稱重，計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體所占比例，測(cè)定土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量測(cè)定采用凱氏定氮法，全磷含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法[16]。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.3 統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算

采用Excel 2003 和SPSS 20.0 軟件分析數(shù)據(jù)并作圖。采用單因素方差分析和最小差數(shù)法（LSD）分析差異顯著性，比較不同數(shù)據(jù)組間差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿土壤團(tuán)聚體組成特征

干篩法獲得不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體分布和組成見圖1，水田（W1）土壤團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.25～0.5 mm）＞（0.105～0.25 mm）；旱田（W2）、濕地（W3）和草地（W4）土壤團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.105～0.25 mm）＞（0.25～0.5 mm）。不同土地利用類型下，均以≥0.5 mm 團(tuán)聚體含量最高，其中水田土壤≥0.5 mm團(tuán)聚體含量高于其他土地利用類型。

2.2 鹽堿土壤團(tuán)聚體碳、氮、磷分布特征

不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化為1.56～16.45 g·kg-1（見圖2），0～10 cm、10～20 cm 土層有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為水田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地有機(jī)碳含量最低?！?.5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于0.105～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體。不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體全氮含量變化為0.23～2.47 g·kg-1（見圖3），0～10 cm、10～20 cm土層全氮含量總體表現(xiàn)為水田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地全氮含量最低。 ≥0.5 mm 團(tuán)聚體全氮含量最高，0.088～0.105 mm團(tuán)聚體全氮含量次之。濕地和草地0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體全氮含量無顯著差異。不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體全磷含量變化為0.13～2.14 g·kg-1（見圖4），0～10 cm、10～20 cm 土層全磷含量總體表現(xiàn)為旱田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地全磷含量最低。旱田和濕地土壤≥0.5 mm團(tuán)聚體全磷含量顯著高于0.105～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體。草地土壤全磷含量各粒級(jí)間無顯著差異。

2.3 鹽堿土壤團(tuán)聚體化學(xué)計(jì)量特征

不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體化學(xué)計(jì)量特征C∶N 變化為4.96～10.14 g·kg-1（見圖5）。≥0.5 mm 團(tuán)聚體C∶N 無顯著差異；0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體C∶N 草地顯著低于其他土地利用類型（P＜0.05）；0.105～0.25 mm 團(tuán)聚體C∶N 水田最高，草地最低，而旱田與濕地?zé)o顯著差異；0.088～0.105 mm團(tuán)聚體C∶N 草地顯著高于其他土地利用類型土壤（P＜0.05），水田和旱田無顯著差異。不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體化學(xué)計(jì)量特征C∶P 變化為5.00～27.81 g·kg-1（見圖6）?！?.5 mm團(tuán)聚體C∶P草地顯著高于其他土地利用類型，旱田與濕地?zé)o顯著差異；0.25～0.5 mm、0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體C∶P 草地＞水田＞旱田＞濕地。不同土地利用類型下鹽堿土壤團(tuán)聚體化學(xué)計(jì)量特征N∶P 變化為0.63～4.17 g·kg-1（見圖7）?！?.5 mm、0.105～0.25 mm團(tuán)聚體N∶P草地顯著高于其他土地利用類型，0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體N∶P 草地最高，水田次之，而旱田與濕地?zé)o顯著差異；0.088～0.105 mm團(tuán)聚體N∶P濕地顯著低于其他土地利用類型土壤。

2.4 鹽堿土壤團(tuán)聚體碳氮磷含量與化學(xué)計(jì)量特征相關(guān)性分析

不同利用方式下鹽堿土壤團(tuán)聚體碳氮磷與化學(xué)計(jì)量相關(guān)性分析見表2。

由表2 可知，4 種土地利用類型下，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳與全氮、全磷均呈顯著正相關(guān)，而濕地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳與全氮、全磷均呈顯著正相關(guān)。≥0.5 mm團(tuán)聚體C∶N與有機(jī)碳、全氮、全磷相關(guān)系數(shù)依次為濕地＞旱田＞水田＞草地，0.25～0.5 mm團(tuán)聚體C∶N與有機(jī)碳、全氮、全磷相關(guān)系數(shù)水田高于其他土地利用類型，且為極顯著正相關(guān)（P＜0.01），0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體C∶N與有機(jī)碳、全氮、全磷相關(guān)系數(shù)較低。旱田、濕地、草地土壤≥0.5 mm 團(tuán)聚體C∶P、N∶P 與有機(jī)碳、全氮、全磷呈正相關(guān)，水田土壤≥0.5 mm團(tuán)聚體C∶P、N∶P與有機(jī)碳、全氮、全磷呈負(fù)相關(guān)。水田土壤0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體C∶N 與有機(jī)碳、全氮、全磷呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），旱田、濕地0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體C∶P、N∶P 與有機(jī)碳、全氮、全磷呈負(fù)相關(guān)。草地土壤0.105～0.25 mm 團(tuán)聚體C∶P、N∶P與有機(jī)碳、全氮、全磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

3 討 論

3.1 不同土地利用類型對(duì)鹽堿土壤團(tuán)聚體分布特征的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤的一個(gè)功能單位。土壤團(tuán)聚體形成增加有機(jī)質(zhì)含量，穩(wěn)定土壤物質(zhì)，形成孔隙增加持水能力，保護(hù)土壤微生物，維持植物生長(zhǎng)[17]，不同粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分保持、供應(yīng)和轉(zhuǎn)化影響不同。因此，適當(dāng)粒徑分布是土壤肥力物質(zhì)基礎(chǔ)[18]。Zhang 等研究表明，土壤碳氮等養(yǎng)分含量和耕作制度直接或間接影響團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性[19]。本研究中，不同土地利用類型下土壤團(tuán)聚體粒級(jí)以≥0.5 mm團(tuán)聚體占比最高，土壤大團(tuán)聚體含量是決定土壤抗侵蝕能力重要指標(biāo)，水田土壤≥0.5 mm 團(tuán)聚體含量高于其他土地利用類型，與姜敏等研究結(jié)果一致[20]，說明水田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于其他土地類型，由于水田主要農(nóng)作物為水稻，收割水稻后產(chǎn)生大量殘留物或稻草返回田間，增加水田土壤中有機(jī)碳來源，并可膠結(jié)微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體，而旱田、濕地和草地有機(jī)物殘留量較少[21]。

3.2 不同土地利用類型對(duì)鹽堿土壤團(tuán)聚體碳、氮、磷的影響

本研究中，不同土地類型土壤碳、氮、磷含量差異顯著，農(nóng)田土壤碳、氮、磷含量高于濕地和草地，與農(nóng)耕施肥及作物與土壤間相互作用有關(guān)。土壤中碳、氮、磷主要來源于肥料和凋落物，水稻和玉米凋落物養(yǎng)分歸還量逐年增加而導(dǎo)致其含量高于濕地和草地土壤[22-23]。在垂直土層上，不同土地利用類型0～20 cm 土層土壤碳、氮、磷含量略高于20～40 cm 土層，因土壤表層相對(duì)于底層來說，土壤結(jié)構(gòu)、通氣性更好，且土壤中微生物更多、養(yǎng)分循環(huán)更快，養(yǎng)分在向下層輸移前也會(huì)集聚于土壤表層，均有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累[24]。本研究中，水田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于其他土地利用類型，且大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高。Jastrow 等利用13C 示蹤法證實(shí)大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含更多有機(jī)碳[25]，與本研究結(jié)果一致。由于大團(tuán)聚體是微團(tuán)聚體和有機(jī)物膠結(jié)而形成，土壤大團(tuán)聚體含更多有機(jī)物，且周轉(zhuǎn)更快[26]。由于土壤長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，在水能穩(wěn)定條件下，可固定更多有機(jī)碳[27]，厭氧環(huán)境中微生物活性較弱，有機(jī)碳礦化度低、積累高，因此水田和濕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高[28]。土壤碳氮固存和釋放通過土壤養(yǎng)分輸入和輸出控制，各級(jí)團(tuán)聚體中全氮含量均表現(xiàn)為水田高于其他土地利用類型。在土壤養(yǎng)分輸入方面，水稻種植中有殘留物和稻草，有機(jī)殘留物分解速度較快，輸入土壤中碳氮含量增加，同時(shí)有機(jī)質(zhì)腐化轉(zhuǎn)化率高，因此表現(xiàn)較高養(yǎng)分利用率[29]。各級(jí)團(tuán)聚體中全磷含量表現(xiàn)為旱田高于其他土地利用類型，可能由于研究區(qū)旱地土壤輸入主要肥料為磷肥，同時(shí)地表動(dòng)植物殘?bào)w分解加速磷累積，因而旱田表現(xiàn)較高含磷量。

3.3 不同土地利用類型對(duì)鹽堿土壤團(tuán)聚體生態(tài)化學(xué)計(jì)量的影響

土壤碳、氮是土壤質(zhì)量中重要指標(biāo)，不僅反映土壤肥力狀況，且表明區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律[29]，C∶N通常被認(rèn)為是土壤碳、氮素礦化能力標(biāo)志。與謝搖濤等研究林地結(jié)果不同[30]，本研究中濕地和草地0.088～0.105 mm團(tuán)聚體C：N略高于其他粒級(jí)團(tuán)聚體。由于土壤團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)是土壤微生物生存來源，濕地和草地微團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量高于大團(tuán)聚體，因此，0.088～0.105 mm團(tuán)聚體C∶N略高。

土壤團(tuán)聚體C∶P和N∶P反映有機(jī)質(zhì)腐化程度及其對(duì)土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)，本研究中草地土壤C∶P和N∶P顯著高于其他土地利用類型，原因在于作物、植物和微生物對(duì)氮、磷元素同化吸收利用具有不穩(wěn)定性[31]，因而增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體C∶P 和N∶P 變異程度。就指示作用而言，土壤C∶P和N∶P是衡量磷有效性重要指標(biāo)，較低C∶P 和N∶P 表明磷有效性較高。本研究中，各粒級(jí)團(tuán)聚體中，≥0.5 mm團(tuán)聚體C∶P和N∶P最高，研究區(qū)內(nèi)大粒徑團(tuán)聚體中養(yǎng)分限制類型以磷為主。

4 結(jié) 論

通過研究松嫩平原不同土地利用類型土壤團(tuán)聚體C、N、P及其化學(xué)計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)，不同粒級(jí)團(tuán)聚體土壤C、N、P 之間耦合關(guān)系顯著，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳與全氮、全磷均呈顯著正相關(guān)，而濕地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳與全氮、全磷均呈顯著正相關(guān)，其團(tuán)聚體碳氮磷對(duì)土壤養(yǎng)分具有良好指示性作用。研究區(qū)4種土地利用類型土壤C、N、P含量差異顯著，分布特征為農(nóng)田高于濕地和草地。土壤團(tuán)聚體組成及其C、N、P 含量主要集中在≥0.5 mm 和0.088～0.105 mm 團(tuán)聚體中，是土壤碳氮磷養(yǎng)分主要載體，對(duì)土壤養(yǎng)分物理保護(hù)和促進(jìn)C、N、P積累發(fā)揮重要作用。