李賢紅 陳為峰 宋希亮 王曼華 胡 琴 鄧 從

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)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(zhì)變化對指導(dǎo)鹽堿地開發(fā)具有重要的意義。國內(nèi)外關(guān)于鹽漬土開發(fā)利用的研究多關(guān)注水鹽運(yùn)移及鹽分改良［1-3］。近年來，有關(guān)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(guān)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(nóng)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(jìn)一步加快，基于強(qiáng)灌強(qiáng)排的主導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)碳變化過程［14］和土壤碳氮等生源要素的耦合關(guān)系［15-16］。隨著黃河三角洲高效經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及“渤海糧倉”建設(shè)，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(dǎo)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(jī)碳、無機(jī)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(zhǔn)確評估土地利用劇烈變化情景下的土壤碳氮響應(yīng)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(xué)管理提供指導(dǎo)，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(biāo)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(nóng)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(zhì)地類型以粉砂壤土為主，含有砂質(zhì)壤土、黏壤土。研究區(qū)內(nèi)農(nóng)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(nèi)地向沿海方向地下水礦化度逐漸增加，近內(nèi)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(diào)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(jìn)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(yīng)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(guān)文獻(xiàn)［19］，以及土地現(xiàn)狀圖結(jié)合實地調(diào)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(jìn)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(diǎn)取樣法，每個樣點(diǎn)為相距不小于5 m的三鉆混合，每個點(diǎn)面按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm的7個層次進(jìn)行采樣，同時分層取環(huán)刀土壤樣品。

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

土樣風(fēng)干，磨細(xì)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(jī)碳分析儀（Elementar Vario TOC，德國）測定土壤有機(jī)碳［20］，無機(jī)碳為全碳與有機(jī)碳差減值，并通過氣量法驗證。土樣過1 mm篩后，參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［21］，1︰5土水比浸提液，質(zhì)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(kuò)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(diǎn)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(jìn)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(guān)圖表制作使用Origin 9.0完成。

2 結(jié) 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(jī)碳、無機(jī)碳和全碳含量的變化（圖2），結(jié)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(jī)碳、無機(jī)碳、全碳含量。通過進(jìn)一步對1 m土壤碳含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同墾殖年限土壤有機(jī)碳、無機(jī)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(jī)碳，均隨著墾殖年限的增加整體呈增加趨勢，土壤碳（有機(jī)碳、無機(jī)碳、全碳）含量在墾殖30～35 a后達(dá)到相對穩(wěn)定的水平。

通過分析不同墾殖年限土壤有機(jī)碳、無機(jī)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(jī)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(jī)碳顯著高于底層（40～100 cm）土壤有機(jī)碳（p＜0.05）。個別處理（墾殖＜5 a、20～25 a）土壤有機(jī)碳40～100 cm含量顯著高于其他處理（p＜0.05）；土壤無機(jī)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(jī)碳、無機(jī)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(jié)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(jī)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(jié)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(guān)性

通過對0～40 cm土層有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)碳與全氮呈極顯著的（n=126，p＜0.01）線性正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)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(jìn)行擬合。這表明土壤有機(jī)碳會促進(jìn)全氮的增加，土壤全氮的增加也會促進(jìn)有機(jī)碳的增加，改善土壤養(yǎng)分含量，應(yīng)注重兩者之間的相關(guān)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(jī)碳氮的積累過程及土壤質(zhì)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(jī)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(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，不同墾殖年限土壤有機(jī)碳含量在40～100 cm無顯著性變化趨勢，該研究結(jié)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(jī)碳的研究結(jié)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(zhì)本身有機(jī)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(jī)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(jī)碳、全氮隨著墾殖年限的變化（A）及其相關(guān)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(jī)碳占全碳的比重更大，不同墾殖年限的土壤無機(jī)碳、全碳及有機(jī)碳具有相似的變化趨勢。本研究中，表層（0～40 cm）無機(jī)碳含量顯著高于底層（40～100 cm）。該研究結(jié)果與鄧彩云等［22］的研究結(jié)果相反，分析其原因，一方面可能為區(qū)域以及成土母質(zhì)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(jī)碳含量高達(dá)35 mg L-1以上［23］。墾殖10～15 a土壤無機(jī)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(jī)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(diǎn)的土壤全氮含量逐漸降低，這與夏志堅等［24］研究結(jié)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(jié)果可能與該區(qū)域成土母質(zhì)中氮含量普遍偏低有關(guān)。研究中墾殖年限20～25 a的土壤，有機(jī)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(jī)肥的礦化分解有關(guān)。

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(guān)性顯著。土壤堿解氮的測定在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可直接用來評價土壤的供氮強(qiáng)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(biāo)，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(guān)性及碳氮比變化的原因

土壤碳氮之間的耦合關(guān)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(hù)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(jī)碳與全氮顯著線性正相關(guān)，該結(jié)果與前人［29］研究鹽堿地表層土（0～40 cm）碳氮的結(jié)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(jī)碳含量隨墾殖年限有所增加，但在長期采用強(qiáng)排強(qiáng)灌等灌水措施的作用下，可能增加有機(jī)碳淋失；另一方面可能與氮肥利用率較低有關(guān)。

土壤經(jīng)過不同年限的墾殖，土壤碳（有機(jī)碳、無機(jī)碳、全碳）、氮（全氮、堿解氮）、C/N均在墾殖30～35 a后達(dá)到相對穩(wěn)定的水平，一方面，可能是由于20世紀(jì)80年代開始大量使用化肥，前期以有機(jī)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加土壤的保肥力，在墾殖30 a時均達(dá)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(jìn)行了探索，土壤墾殖有利于增加土壤碳（有機(jī)碳、無機(jī)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(yīng)當(dāng)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(nóng)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(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

荒地經(jīng)墾殖后，土壤有機(jī)碳、無機(jī)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(dá)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(jī)碳、無機(jī)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(jī)碳與全氮之間顯著正相關(guān)，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(jìn)一步提升有機(jī)碳含量水平。