水耕對寒地不同類型土壤理化性質(zhì)的影響

唐雷，陳揚，張冬冬，焦峰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

在國際糧價頻繁大幅波動的背景下，保障國內(nèi)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定是保證國泰民安的重要基石[1]。黑龍江省三江平原地區(qū)是國內(nèi)重要的商品糧基地，探索其土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律有利于保證北方寒地產(chǎn)區(qū)糧食持續(xù)高產(chǎn)[2-3]。三江平原總面積達10.89 萬km2，主要土壤類型有草甸土、草甸黑土、潛育白漿土和沼澤土等[4]。為滿足人民對稻米產(chǎn)量不斷提高的需求，從20 世紀90 年代起三江平原地區(qū)的耕作模式逐漸由旱耕向水耕過渡，水稻種植面積在2015 年就超過全省的60%[5]。三江平原地區(qū)土壤種類豐富，面積廣闊，旱耕轉(zhuǎn)水耕年限大部分不超過50 h[6]，為研究寒地條件下旱耕轉(zhuǎn)水耕后各種土壤的理化性質(zhì)變化規(guī)律提供了良好的試驗條件。

旱耕轉(zhuǎn)水耕后由于農(nóng)民勞作、田間周期性覆蓋水層、種植作物種類、田間管理模式等因素發(fā)生改變，導致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生明顯改變。王晉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水田土壤的有機氮各組分含量隨時間呈指數(shù)增加變化趨勢。梁化學[8]利用Mehlich 法研究發(fā)現(xiàn)，富含氧化鐵土壤去除不同形態(tài)氧化鐵前后土壤表面電荷會發(fā)生明顯變化。馬良等[9]對紅壤土研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm 耕層的土壤有機質(zhì)含量隨水耕年限的逐步增加。李建軍[10]對西南區(qū)、華南區(qū)等地的水稻土研究發(fā)現(xiàn)，在25 年內(nèi)土壤的有機質(zhì)、速效鉀、全氮等物質(zhì)含量隨水耕年限增加。由上述研究可知，大部分研究僅針對一種水田土壤進行分析，關于北方寒地旱耕轉(zhuǎn)水耕條件下不同類型土壤的容重、腐殖質(zhì)碳含量、氧化還原電位、活性還原物質(zhì)總量等內(nèi)容研究結果較少[11-13]。因此，針對三江平原地區(qū)旱耕轉(zhuǎn)水耕條件下的3 種典型稻田土壤（草甸土、草甸黑土、潛育白漿土）進行調(diào)查研究，探究北方寒地條件下不同類型土壤隨水耕年限增加的理化性質(zhì)變化規(guī)律，為充分利用土壤資源、完善田間管理規(guī)范提供理論依據(jù)，對實現(xiàn)水稻產(chǎn)量穩(wěn)定及土地綠色發(fā)展具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草甸土、草甸黑土、潛育白漿土分別取樣于三江平原曙光農(nóng)場、友誼農(nóng)場和青龍山農(nóng)場。曙光農(nóng)場位于佳木斯市以南60 km 處，耕地面積1 萬hm2，氣候為寒溫帶大陸性季風氣候，年有效積溫約為2 450 ℃，土壤母質(zhì)為沖積—洪積物。友誼農(nóng)場位于佳木斯市東南方向，耕地9.187 萬hm2，氣候為中溫帶大陸氣候，年平均氣溫2.5 ℃，土壤母質(zhì)為沖積物。青龍山農(nóng)場位于同江市南部35 km 處，耕地面積3.67 萬hm2，氣候為寒溫帶濕潤季風氣候，年有效積溫約為2 350 ℃，土壤母質(zhì)為黃土。選擇曙光農(nóng)場（SG）、友誼農(nóng)場（YY）、青龍山農(nóng)場（QLS）水耕年限為5～40 年的地塊作為研究區(qū)域，每個采樣區(qū)選取未進行水稻種植的臨近旱耕土壤作為對照。草甸土對照組旱耕土壤前茬作物為玉米，秸稈處理方式為粉碎還田，0～10 cm土壤平均硬度為0.88 MPa，平均含水率為21.43%，容重為1.22 g·cm-3。草甸黑土對照組旱耕土壤前茬作物為大豆，秸稈處理方式為打包離田，0～10 cm 土壤平均硬度為0.56 MPa，平均含水率為23.51%，容重為1.29 g·cm-3。潛育白漿土對照組旱耕土壤前茬作物為玉米，秸稈處理方式為打包離田，0～10 cm 土壤平均硬度為1.12 MPa，平均含水率為20.64%，容重為1.04 g·cm-3。各采樣點具體位置及詳細信息見表1。

表1 采樣點基本概況Table 1 Basic overview of sampling points

1.2 樣品采集

土壤樣品采樣時間為2019 年10 月10 日～11 月10 日，由于時間限制，采用時空互代法進行5～40 年水耕年限樣品的采集[14-15]，即利用空間置換時間，通過選取不同耕種年限的同種類型、同種耕作方式的土壤進行分析比較。水稻收獲后隨機在每塊樣地上隨機選取3 個代表性位置進行樣品采集，每塊樣地面積不小于1 000 m2，并以距水耕土壤采樣點半徑1 km 以內(nèi)的旱耕土壤作為對照。確定好采樣點后，在地面劃出邊長為1.2 m 和1 m 的矩形，并挖出深度為1 m 的土壤剖面，確定各土層厚度，按照耕層、犁底層、心土層的順序用環(huán)刀法采集剖面各土層原狀樣品。環(huán)刀取出后需用修土刀將多余土壤削平、刮凈，并用塑料密封袋將土壤樣品密封保存，在密封袋上標明土壤樣品的各項信息?；瘜W指標樣品采用多點取樣法和四分法獲得，并且剔除掉土樣中的秸稈和雜草殘體等雜質(zhì)，帶回實驗室陰干后留待測量。

1.3 測定項目與方法

土壤剖面：土壤剖面完成后，首先用軟尺測量耕層、犁底層厚度，并進行各土層厚度、經(jīng)緯度、土壤類型等信息記錄。

容重：將用環(huán)刀法采集的土壤樣品測重后放進烘箱內(nèi)干燥，烘干后用天平測量質(zhì)量，最后計算得出土壤樣品的容重[16]。

腐殖質(zhì)碳含量：經(jīng)氫氧化鈉多次提取和蒸干后，采用重鉻酸鉀容量法測定[17]。

氧化還原電位：在土壤剖面完成后將氧化還原電位儀的鉑電極和參比電極插入土層中，通過測量儀讀出電位值。

活性還原物質(zhì)總量：采用容量法，將新鮮土樣置于錐形瓶中，在瓶中加入硫酸鋁溶液后加塞搖勻，放置5 min 后用慢速濾紙濾出濾液，吸取部分濾液置于錐形瓶中，在室溫下用高錳酸鉀標準溶液滴定至微紅色并保持30 s 內(nèi)不褪色，同時進行空白試驗[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行篩選和計算，利用Origin2017 軟件對處理完的試驗數(shù)據(jù)進行圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 不同水耕年限下土壤容重的變化

由圖1 可知，草甸土和草甸黑土由耕層至心土層的容重總體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，潛育白漿土由耕層至心土層的容重呈不斷增大趨勢。在轉(zhuǎn)水耕初期，草甸土由淺入深各土層容重分別增大3.31%、1.87%和19.27%，草甸黑土由淺入深各土層容重分別減小1.72%、11.16%和11.84%，潛育白漿土由淺入深各土層容重分別增大29.36%、40.85%和7.3%。隨著水耕年限增長，草甸土耕層容重增加并在水耕23 年后基本保持穩(wěn)定，犁底層容重在較小范圍內(nèi)波動，心土層容重為逐年降低趨勢，水耕40 年后耕層和犁底層容重分別增大10.03%和1.26%，心土層容重減小11.15%。草甸黑土耕層容重變化趨勢為增加后穩(wěn)定，犁底層為先增加后降低，心土層容重變化趨勢為降低后升高再降低，波動較大，水耕35 年后耕層容重增大12.02%，犁底層和心土層容重分別減小4.54%和12.94%。潛育白漿土在進行水耕25 年后耕層和心土層容重呈先降低后升高趨勢，犁底層容重呈逐年上升趨勢，水耕25 年后由淺入深各土層容重分別增大28.34%、40.41%和2.17%。3 種土壤容重最高的為潛育白漿土，草甸土和草甸黑土整體差異不大。

圖1 不同水耕年限土壤容重變化Fig.1 Variation of soil bulk density in different years of hydroponic cultivation

2.2 不同水耕年限下土壤腐殖質(zhì)碳含量的變化

由圖2 可知，草甸土和草甸黑土由耕層至心土層的腐殖質(zhì)碳含量總體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，犁底層與心土層腐殖質(zhì)碳含量差異較大，潛育白漿土由耕層至心土層的腐殖質(zhì)碳含量呈不斷減小趨勢。在水耕初期，草甸土耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量分別增大10.8%和21.12%，心土層腐殖質(zhì)碳含量減小5.24%，草甸黑土耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量分別增大7.17%和4.49%，心土層腐殖質(zhì)碳含量減小14%，潛育白漿土由淺入深各土層腐殖質(zhì)碳含量分別增大18.03%、18.77%和5.76%。隨著水耕年限增長，各土壤耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量均逐漸增大，心土層的腐殖質(zhì)碳含量最低且無明顯線性變化。草甸土水耕40 年后耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量分別增大38.1%和38.13%，心土層腐殖質(zhì)碳含量減小0.15%，草甸黑土水耕35 年后耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量分別增大37.54%和11.12%，心土層腐殖質(zhì)碳含量減小10.73%，潛育白漿土水耕25 年后耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量分別增大52.63%和57.76%，心土層腐殖質(zhì)碳含量減小26.34%。各土壤腐殖質(zhì)碳含量高低順序為草甸土、草甸黑土、潛育白漿土。

圖2 不同水耕年限土壤腐殖質(zhì)碳含量變化Fig.2 Changes of soil humus carbon content in different years of hydroponic cultivation

2.3 不同水耕年限下土壤氧化還原電位的變化

由圖3 可知，旱耕對照組除草甸黑土和潛育白漿土的心土層氧化還原電位為負值外，其余皆為正值，電位值由大到小排列分別為草甸土、草甸黑土和潛育白漿土。當旱耕轉(zhuǎn)水耕后3 種土壤電位值均為負值，草甸土的耕層、犁底層和心土層電位值分別減小364.6、252.9 和271.5 mV，草甸黑土的耕層、犁底層和心土層電位值分別減小230.9、169 和185.3 mV，潛育白漿土的耕層、犁底層和心土層電位值分別減小277.3、279.8 和263.4 mV，3 種土壤由耕層至心土層的氧化還原電位總體呈現(xiàn)不斷減小趨勢。隨著水耕年限增長，3 種土壤的各個土層氧化還原電位亦呈不斷降低趨勢，并隨著土層加深氧化還原電位越來越低，草甸土由淺入深各土層水耕40 年后電位值分別減小383.8、324.5 和323.1 mV，草甸黑土由淺入深各土層水耕35 年后電位值分別減小322.7、287.2 和317.0 mV，潛育白漿土由淺入深各土層水耕25 年后電位值分別減小297.7、302.8 和346.7 mV，各土壤氧化還原電位高低順序為草甸土、草甸黑土、潛育白漿土。

圖3 不同水耕年限土壤氧化還原電位變化Fig.3 Changes of soil reduction potential in different years of hydroponic cultivation

2.4 不同水耕年限下土壤活性還原物質(zhì)總量的變化

由圖4 可知，草甸土和草甸黑土由耕層至心土層的土壤活性還原物質(zhì)總量總體呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，潛育白漿土由耕層至心土層的土壤活性還原物質(zhì)總量呈不斷降低趨勢。在轉(zhuǎn)水耕初期，除草甸土心土層活性還原物質(zhì)總量減小0.59 cmol·kg－1外，其余各種類土壤的各土層活性還原物質(zhì)總量均明顯升高，草甸土的耕層和犁底層活性還原物質(zhì)總量分別增大2.39 和2.46 cmol·kg－1，草甸黑土由淺入深各土層活性還原物質(zhì)總量分別增大2.5、3.62 和1.46 cmol·kg－1，潛育白漿土由淺入深各土層活性還原物質(zhì)總量分別增大4.86、2.48 和0.97 cmol·kg－1。隨著水耕年限增長，草甸土耕層、草甸黑土心土層、潛育白漿土耕層和犁底層活性還原物質(zhì)總量呈先降低后逐年升高的趨勢，草甸土心土層、草甸黑土耕層和犁底層、潛育白漿土心土層活性還原物質(zhì)總量呈先升高后降低的趨勢。草甸土由淺入深各土層水耕40 年后活性還原物質(zhì)總量分別增大2.96、2.42 和0.37 cmol·kg－1，草甸黑土由淺入深各土層水耕35年后活性還原物質(zhì)總量分別增大4.04、4.74 和3.08 cmol·kg－1，潛育白漿土由淺入深各土層水耕25 年后活性還原物質(zhì)總量分別增大6.85、4.02 和0.51 cmol·kg－1。3 種土壤耕層活性還原物質(zhì)總量的高低順序為潛育白漿土、草甸黑土、草甸土，犁底層和心土層活性還原物質(zhì)總量最高的為草甸黑土。

圖4 不同水耕年限土壤活性還原物質(zhì)總量變化Fig.4 Changes of total amount of soil active reductants in different water tillage years

3 討論

旱耕轉(zhuǎn)水耕后在耕作模式發(fā)生根本性改變和土壤本身性質(zhì)等因素的影響下，土壤的理化性質(zhì)也隨之發(fā)生獨特變化，在不同類型的土壤上表現(xiàn)出異同。旱耕轉(zhuǎn)水耕后草甸土和潛育白漿土的各土層容重均明顯升高，主要是因為水耕之后土壤的通氣性能變差，孔隙度減少[19]。草甸黑土的各土層容重均明顯降低，主要是因為草甸黑土的穩(wěn)定入滲速率較高，而土壤容重與其呈負相關[20]。隨著水耕年限增長，草甸土耕層容重增加并在后期基本保持穩(wěn)定，犁底層容重變化不明顯，心土層容重逐年降低，這可能是因為耕層和犁底層容重變化已經(jīng)達到動態(tài)平衡，心土層的容重變化規(guī)律不同可能與其存在特殊的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化有關。草甸黑土耕層容重變化趨勢為增加后穩(wěn)定，犁底層為先增加后降低，這是因為耕作方式的改變和土層原有性質(zhì)影響的綜合結果。潛育白漿土犁底層容重呈逐年上升趨勢是因為其存在獨特的白漿層，土壤緊實度增加后不易恢復[21-22]。

旱耕轉(zhuǎn)水耕后，3 種典型土壤的耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量均明顯持續(xù)增加，這是因為種植作物的種類發(fā)生改變，水稻根系發(fā)達且土壤長期浸水導致微生物分解速度變慢，而心土層腐殖質(zhì)碳含量很低且無明顯線性變化，這是因為心土層深度較深，動植物、微生物等殘肢到達此處進行分解的數(shù)量較少。進行水耕的3 種典型土壤氧化還原電位均為負值，由耕層至心土層的氧化還原電位總體呈不斷減小趨勢，這是因為水耕后田間周期性覆蓋水層導致土壤通氣性較差，還原性較強，這與前人研究結果一致[23-26]。旱耕轉(zhuǎn)水耕后各土壤的大部分土層活性還原物質(zhì)總量均明顯升高，這是因為水耕會使土層長時間處于還原狀態(tài)，土層中還原性物質(zhì)總量增多，活性還原物質(zhì)總量隨之增加[27]。

4 結論

在轉(zhuǎn)水耕初期，草甸土、潛育白漿土各土層容重增大1.87%～40.85%，其中潛育白漿土耕層增大最多，草甸黑土各土層容重減小1.72%～11.84%，其中犁底層減少最多；各土壤各土層腐殖質(zhì)碳含量增大4.49%～21.12%，其中草甸土犁底層增大最多，草甸土、草甸黑土心土層腐殖質(zhì)碳含量減少5.24%～14%，其中草甸黑土減少最多；各土壤由耕層至心土層氧化還原電位均為負值并減小252.9～279.8 mV，其中淺育白漿土耕層減少最多；各土壤類型除草甸土心土層活性還原物質(zhì)總量減小0.59 cmol·kg-1外，其余土壤類型的各土層增加0.97～4.86 cmol·kg-1，其中淺育白漿土耕層增加最多。隨水耕年限增長，各土壤中淺育白漿土犁底層容重增加最多達40.41%，草甸黑土容重減少最多達12.94%；各土壤耕層和犁底層腐殖質(zhì)碳含量均逐漸增大，其中潛育白漿土犁底層增大最多達57.76%，草甸黑土犁底層增加最少為11.12%；各土壤氧化還原電位均不斷降低，草甸土耕層減小最多達383.8 mV，淺育白漿土耕層減小最少為297.7 mV；三種土壤各土層活性還原物質(zhì)總量均增大，潛育白漿土增大最多達6.85 cmol·kg-1，草甸土耕層增加最少為0.37 cmol·kg-1。