王瑩瑩，張 昀，張廣才，高曉丹，葉 超，劉思齊，張雅楠，李 麗

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110866）

土壤有機(jī)質(zhì) (SOM) 是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量多少和品質(zhì)好壞是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[1]。在對(duì)江西紅壤丘陵水田[2]、湖南丘陵和洞庭湖濕地地區(qū)[3]、太湖地區(qū)縣域[4]土壤有機(jī)碳的研究表明，水稻土的固碳效應(yīng)顯著，且速率和調(diào)控幅度遠(yuǎn)大于旱田[5-7]。當(dāng)然，不同的施肥量[8-9]、土壤類型[10]、耕作制度[11]和管理措施[12]都在不同程度上影響和調(diào)節(jié)水稻土的固碳強(qiáng)度。我國是世界水稻生產(chǎn)大國[13]，開墾水稻土歷史悠久且幅員遼闊，國內(nèi)外對(duì)其研究較早也較多。研究發(fā)現(xiàn)，近30 年來，南方稻田土壤耕作層的有機(jī)碳含量隨耕作年限逐年增加[14-15]，種稻年限在50～2000 年內(nèi)，耕作表層有機(jī)碳含量受耕作年限影響較小，30—60 cm 土層有機(jī)碳含量顯著增加[16]。張?chǎng)┹x等[17]對(duì)吉林鹽堿土稻田區(qū)土壤有機(jī)碳含量的研究結(jié)果表明，在0～37 年內(nèi)，稻田土壤有機(jī)碳含量隨耕作年限的增加而增加，有機(jī)碳的縱向分布自上而下逐層減少，在稻田開發(fā)57 年后逐漸趨于穩(wěn)定。而章明奎等[18]認(rèn)為從1980 年開始的28 年間，水稻土SOM 含量總體降低，平均降幅為5.58%。由此可見，不同研究者對(duì)不同區(qū)域的研究結(jié)果存在一定的差異。這可能是由于南北方水稻土性質(zhì)差異造成的，一方面南北方水稻土的起源土壤不同，北方水稻土保留著起源土壤的特性[19]。此外，北方水稻土成土過程也不同于南方水稻土[20-21]，北方水稻土腐殖質(zhì)以胡敏酸為主，而南方土壤中的腐殖質(zhì)則以富里酸為主[22]。古小治等[23]認(rèn)為，隨著種稻時(shí)間變長，結(jié)合態(tài)的腐殖質(zhì)和胡敏酸 (HA) 在土壤中積累，在開墾1000 年的水稻土中腐殖質(zhì)的芳化程度最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。可見，腐殖質(zhì)的特性影響水稻土SOM 生產(chǎn)潛力的發(fā)揮[24]。但我國對(duì)于北方稻田不同開墾年限土壤各腐殖質(zhì)組分變化少有研究。

遼寧省水稻生產(chǎn)的發(fā)展從1949 年開始，已有69 年的歷史[25]。在同一區(qū)域內(nèi)，由于氣候、母質(zhì)、地形、生物等自然因素基本相同，時(shí)間和人為因素是影響水稻土發(fā)育特征的主要因素，其人為因素主要是土壤耕作[26]，在耕作強(qiáng)度和水稻熟制變化不大的情況下，耕作年限成為引起水稻土發(fā)育特征差異的主導(dǎo)因素。棕壤型和草甸土型水稻土是遼寧省面積大且高產(chǎn)的兩種不同類型的水稻土，基礎(chǔ)肥力指數(shù)均大于60%[27]。但遼寧省的稻田大多由旱田轉(zhuǎn)變而來，由于不完善的水利設(shè)施，其中一部分的稻田與旱田不斷轉(zhuǎn)變[28]，在這種不規(guī)律的轉(zhuǎn)變過程中，耕作年限對(duì)北方水稻土SOM 各組分含量及腐殖酸結(jié)構(gòu)特征的影響有待進(jìn)一步研究。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上選取遼寧省各地不同開墾年限棕壤型和草甸土型水稻土，采用腐殖質(zhì)組成修改法[29]與傅積平[30]連續(xù)測(cè)定相結(jié)合的方法，探究北方稻田SOM 及其組成的演變特征，旨在闡明長期人為耕作及常規(guī)施肥管理對(duì)稻田土壤SOM 分解和轉(zhuǎn)化特征的影響，以提高北方水稻土SOM 品質(zhì)及其化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制，深入認(rèn)識(shí)水耕條件下北方稻田土壤肥力的演變規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 野外調(diào)查與采集土樣

根據(jù)遼寧省現(xiàn)有水稻土的地域分布和水稻土肥力觀測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，以全國第二次土壤普查所確定的亞類—淹育型水稻土為基本單元進(jìn)行廣泛調(diào)查，分別調(diào)查其面積、開墾歷史、管理方式及環(huán)境條件、剖面發(fā)育及分化程度，并在相同母質(zhì)、相同肥力水平 (相同肥力水平的確定以同一地點(diǎn)、同一管理水平條件下的產(chǎn)量差異為標(biāo)準(zhǔn)) 下，采集不同開墾年限的水稻土樣品。

田間試驗(yàn)是在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上設(shè)置的定點(diǎn)試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在開墾年限的前3 年由旱田種植玉米改成種植水稻，而后每年一季水稻，其采用有機(jī)無機(jī)相結(jié)合的施肥模式，即N 175 kg/hm2(尿素)、P2O590 kg/hm2(磷酸二銨)、K2O 115 kg/hm2(硫酸鉀)、有機(jī)肥 (豬廄肥) 用量為31000 kg/hm2。棕壤型和草甸土型水稻土采自遼寧省各地區(qū)不同開墾年限(分別為8、10、18、26、28、36、43、60 年) 的水稻土 (表1)。供試土壤外部環(huán)境共同特點(diǎn)是:地形平坦，處于沖積平原或比較開闊的低級(jí)階地，田塊質(zhì)地和耕層厚度均相同，排灌自由，大多數(shù)為井水灌溉，四季分明，日照充足，年平均降水量為400～800 mm，無霜期130～180 天，平均無霜期在150 天左右，有利于水稻生長，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

土樣采集時(shí)間為2015 年4 月整地之前，樣地之間距離至少大于3 km (樣地的采樣點(diǎn)數(shù)見表1)，每個(gè)采樣點(diǎn)5 個(gè)重復(fù)，相距10 m，并且根據(jù)田塊形狀及面積大小，選擇蛇形法于田間采樣，使用不銹鋼土鉆采集0—20 cm 耕層混合土壤，采取四分法將多余土去除，保留2 kg 作為待測(cè)樣品，風(fēng)干、過篩，用于土壤理化指標(biāo)的測(cè)定。供試土壤的基本理化性狀見表2。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[31]。易氧化有機(jī)質(zhì)含量及有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定系數(shù) (Kos) 采用袁可能等[32]的方法。

1.2.2 土壤腐殖質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定 1) 土壤中腐殖酸的提取分別采用0.1 mol/L NaOH + 0.1 mol/L Na2P2O7、0.25 mol/L NaOH 和0.25 mol/L NaF 作為提取劑，提取的腐殖酸占腐殖質(zhì)總量的百分?jǐn)?shù)稱為腐殖酸提取率。HA/FA 為胡敏酸 (HA) 與富里酸 (FA)含量的比值，土壤HA、FA 采用腐殖質(zhì)組成修改法[31]提取。

2) 胡敏酸特性的測(cè)定采用將提取的HA 在2 小時(shí)內(nèi)在215、265、325、465、600 及665 nm 條件下進(jìn)行光密度的測(cè)定[28]。

胡敏酸活化度 = HA 中KMnO4氧化的碳量/HA 中丘林法測(cè)定的碳量 × 100%

胡敏酸相對(duì)色度 = E6/V × 100

E6值為采用0.136 mg/L 的HA 和FA 的0.1mol/L NaOH 溶液分別于波長600 nm 處測(cè)定其吸光值；V 為用來測(cè)定E6的30 mL 的HA 溶液所消耗的高錳酸鉀的毫升數(shù)。

表 1 淹育型水稻土樣品采集地點(diǎn)Table 1 Location of flooded paddy soil samples

表 2 淹育型高產(chǎn)水稻土的基本理化性狀Table 2 Basic physical and chemical properties of flooded high-yield paddy soils

3) 有機(jī)無機(jī)復(fù)合度和腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的測(cè)定用傅積平[30]連續(xù)測(cè)定方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用 Microsoft Office Excel 2013 和IBM SPSS Statistics 20 軟件。繪圖采用Origin8.5 軟件。差異顯著性分析用Duncan 法，相關(guān)性分析采用Pearson 雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻土有機(jī)質(zhì)含量與組成隨開墾年限增加的演變特征

隨著開墾年限的增加，水稻土有機(jī)質(zhì)總量 (SOM)維持在18.40～26.30 g/kg 之間 (圖1A)，草甸型水稻土SOM 含量在開墾年限為18 年時(shí)最高，達(dá)25.10 g/kg，而棕壤型水稻土在8 年時(shí)最高，達(dá)26.30 g/kg，通過SOM 含量和開墾年限進(jìn)行相關(guān)分析 (表3) 發(fā)現(xiàn)，SOM 含量的高低與開墾年限無相關(guān)關(guān)系，但易氧化有機(jī)質(zhì)含量 (ROM)，特別是易氧化有機(jī)質(zhì)含量占有機(jī)質(zhì)總量的比例 (ROM/SOM) 與開墾年限呈顯著負(fù)相關(guān) (r = -0.981**，P ＜ 0.01，圖1C，表3)，棕壤型和草甸土型水稻土隨開墾年限的增加，ROM/SOM的降幅分別為20%和18% (圖1C)。有機(jī)質(zhì)氧化穩(wěn)定系數(shù) (Kos 值) 與開墾年限呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (r =0.977**，P ＜ 0.01，圖1D，表3)，棕壤型和草甸土型水稻土隨開墾年限的增加，Kos 值的增幅分別為57%和52% (圖1D)。綜上，隨著開墾年限的增加，ROM 被大量消耗，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力降低，而Kos 值逐漸增加表明難氧化有機(jī)質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定，礦化較慢，對(duì)養(yǎng)分的供應(yīng)較慢，水稻土的土壤質(zhì)量有退化趨勢(shì)，表明水稻土開墾年限是影響有機(jī)質(zhì)組分和土壤肥力的重要因素。

圖 1 不同開墾年限水稻土中有機(jī)質(zhì)含量及其特征Fig. 1 Content and properties of organic matter in paddy soils under different cultivation years

2.2 水稻土腐殖酸特性隨開墾年限的演變特征

圖2 表明，隨開墾年限的增加，棕壤型和草甸土型水稻土腐殖酸提取率 (HE/HT) 呈下降趨勢(shì)。但HE/HT 在不同開墾年限間，下降幅度略有不同。棕壤型水稻土的HE/HT 在開墾10～26 年之間曲線斜率較大，降幅為0.18～0.22，而開墾26～43 年之間曲線斜率較平穩(wěn)，降幅為0.03～0.09。兩種類型水稻土的HE/HT 均是在開墾43 年以后，曲線斜率開始增大，下降幅度較明顯。北方水稻土HE/HT 隨開墾年限的增加而下降，表明水稻土中腐殖質(zhì)含量減少，腐殖化程度加深，有機(jī)質(zhì)不易積累，胡敏酸的活化度 (AD) (圖3B) 的變化曲線也充分印證了這一點(diǎn)。

表 3 不同開墾年限土壤有機(jī)質(zhì)含量及組成的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of the soil organic matter content and composition in cultivation history

圖 2 不同開墾年限水稻土的腐殖酸的提取率Fig. 2 Humic acid extraction rate of paddy soils under different cultivation years

胡敏酸是土壤腐殖質(zhì)的重要組成成分，其含量和特性在一定程度上能反映土壤腐殖質(zhì)的類型和性質(zhì)。HA/FA 比值、胡敏酸的相對(duì)色度 (RF) 隨水稻土開墾年限的加長而增大，而AD 顯著下降。長期耕作影響了土壤中HA 和FA 的轉(zhuǎn)化，兩種類型水稻土的HA/FA 分別提高了56%和43%，其變化規(guī)律與AD 呈顯著負(fù)相關(guān)，AD 分別降低了18%和17% (圖3B，表3)。而RF 分別顯著提高了18%和17% (圖3C)，結(jié)果表明水稻土在開墾過程中，尤其是開墾年限在10 年以上的水稻土，土壤腐殖化程度加深，對(duì)維持水稻土肥力是不利的。

2.3 開墾年限對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)復(fù)合狀況的影響

有機(jī)無機(jī)復(fù)合狀態(tài)是表征SOM 與礦物質(zhì)相復(fù)合數(shù)量及狀況的指標(biāo)。隨開墾年限的延長，松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì) (LCH) 顯著降低，棕壤型水稻土降幅為16%，草甸土型水稻土降幅為17% (P ＜ 0.01，圖4A)；緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì) (TCH) 顯著提高，棕壤型和草甸土型水稻土增幅分別為12%和17% (P ＜ 0.01，圖4B)。開墾耕作年限改變了結(jié)合態(tài)碳在復(fù)合體中的分布和松結(jié)合態(tài)碳與緊結(jié)合態(tài)碳的比例，LCH/TCH 比值下降，棕壤型和草甸土型水稻土降幅分別為25% 和29%(圖4C)，水稻土土壤肥力有下降趨勢(shì)。土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合度 (QC) 隨開墾年限的增加而增加，棕壤型和草甸土型水稻土增幅分別為10%和11% (圖4D)，不同開墾年水稻土在開墾18 年以內(nèi)，QC 和TCH 分別提高了1%～4% 和5%～6%，LCH 降低了4%～6%，而在18～36 年期間，各種指標(biāo)趨于穩(wěn)定，開墾36 年以上各種指標(biāo)又重新出現(xiàn)明顯變化 (圖4)。表3 表明，土壤中LCH/TCH 與ROM/SOM 呈極顯著正相關(guān) (r = 0.846**)，與Kos 值呈極顯著負(fù)相關(guān) (r =-0.835**)。水稻土復(fù)合度在84%以上，未復(fù)合的僅有一小部分，這表明北方水稻土壤有機(jī)物質(zhì)的腐殖化程度均很高，并且多數(shù)與無機(jī)復(fù)合體形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體。土壤腐殖質(zhì)的結(jié)合形態(tài)與土壤中腐殖酸特性一樣，都是反映土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì)的重要指標(biāo)。

圖 3 不同開墾年限水稻土的腐殖酸特性Fig. 3 Humic acid characteristics of paddy soils under different cultivation years

圖 4 不同開墾年限水稻土有機(jī)無機(jī)復(fù)合狀態(tài)Fig. 4 Organic-mineral composite state of paddy soil under different cultivation years

3 討論

3.1 不同開墾年限對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)含量及組成的影響

SOM 不同組分其活性不同，有機(jī)質(zhì)氧化穩(wěn)定系數(shù) (Kos 值) 是腐殖質(zhì)分解的難易、腐殖化程度與近期養(yǎng)分的供應(yīng)狀況的體現(xiàn)，影響土壤肥力的發(fā)揮[33]。在本研究中，ROM/SOM 隨開墾年限的增加逐漸降低，而Kos 值的變化趨勢(shì)與之相反 (圖1，表3)。ROM 易被利用，ROM 含量隨年限的增加而減少，分解快，故有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定組分相應(yīng)占比變大，有機(jī)質(zhì)Kos 值也較大，不利于有機(jī)質(zhì)的氧化和養(yǎng)分釋放[34]。同時(shí)，ROM 作為易被微生物分解礦化的那部分有機(jī)質(zhì)，與Kos 值、AD、QC 均呈極顯著的負(fù)相關(guān)性(表3)。綜上可知，水稻土的開墾年限是影響有機(jī)質(zhì)組成和土壤肥力的重要因素。在稻田開墾60 年間，土壤中ROM 含量減少，Kos 增大，北方淹育型水稻土對(duì)養(yǎng)分肥力的供貯、調(diào)控能力減弱，降低土壤肥力水平和養(yǎng)分 (土壤和肥料) 利用率，使地力下降。

3.2 不同開墾年限對(duì)水稻土腐殖酸特性的影響

影響土壤腐殖酸的提取率 (HE/HT) 有兩方面的因素，一方面受浸提劑的影響，另一方面與水稻土的開墾年限有關(guān)。常溫條件下，用堿直接從土壤中提取出來的是腐殖物質(zhì)，用能使鈣發(fā)生沉淀的氟化鈉鹽 (NaF) 所提取出來的是真正的腐殖酸，不混雜其他的有機(jī)物質(zhì)。所以NaF 所提取的腐殖酸量顯著低于用堿 (0.1 mol/L NaOH + 0.1 mol/L Na2P2O7、0.25 mol/L NaOH) 所提取的腐殖酸量[35]。本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，即隨著水稻土開墾年限的增加，HE/HT呈下降趨勢(shì)，三種浸提劑的浸提效果變化趨勢(shì)一致。其中，HE/HT 均是在開墾10～26 年之間以及43 年以上，下降幅度較明顯 (圖2)，即隨水稻土的開墾耕種，土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)退化現(xiàn)象在開墾10～26 年間是一個(gè)高峰，而后退化速度較慢，到43 年以后又出現(xiàn)退化高峰。在厭氧條件下，一方面，好氧微生物活動(dòng)受到抑制，腐殖酸具有特殊的高分子結(jié)構(gòu)，不易被微生物分解和轉(zhuǎn)化[36]，另一方面，以腐殖酸形式存在的碳素具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，其含量升高預(yù)示著土壤對(duì)碳有著更強(qiáng)的固持能力[37]，使其不斷積累或遭受到淋溶下移，這是隨著開墾年限的增加，HE/HT 顯著降低的主要原因。

胡敏酸與富里酸的比值 (HA/FA) 表示腐殖質(zhì)的聚合程度，因此，H A/F A 在某種程度上反映SOM 的穩(wěn)定性，HA/FA 越大，SOM 越穩(wěn)定，腐殖質(zhì)品質(zhì)越好[38]。本研究為高產(chǎn)土壤，有機(jī)質(zhì)積累不易，而消耗則很迅速。HA/FA 隨開墾年限的增加而增加，土壤腐殖化程度升高，但AD 明顯下降，活性胡敏酸含量降低。導(dǎo)致本研究結(jié)果既有外部條件，又有土壤內(nèi)部因素。外部條件主要是北方水稻土淹水時(shí)間較短，但落干時(shí)的土壤水分，特別是耕層土壤水分仍接近或超過田間持水量，一年中始終處于非常豐富的狀態(tài)，造成土壤以還原作用為主[28]。內(nèi)部因素主要是在開墾種稻過程中，耕層土壤中氧化鐵、氧化錳活化以及鹽基離子 (主要是Ca2+、Mg2+)淋移，造成表層土壤發(fā)生低價(jià)鐵、錳離子與鹽基離子交換，從而造成結(jié)構(gòu)較散。

3.3 不同開墾年限對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)復(fù)合狀況的影響

有機(jī)無機(jī)復(fù)合體具有儲(chǔ)存土壤中大部分水分和養(yǎng)分的作用[39]。LCH 來源于土壤中新鮮的有機(jī)物質(zhì)，易被氧化，活性高，其顯著降低16%～17%，對(duì)耕層土壤中有效養(yǎng)分的供給能力減弱；腐殖物質(zhì)與礦質(zhì)土粒復(fù)合在一起形成TCH，物理、化學(xué)及生物學(xué)特性比較穩(wěn)定，難以轉(zhuǎn)化，其顯著提高12%～17%，造成耕層土壤通氣透水性不良、結(jié)構(gòu)分散，或使水稻土耕層還原性物質(zhì)積累[40]。LCH/TCH 是衡量腐殖質(zhì)活性和品質(zhì)的重要指標(biāo)[41]，LCH 含量降低，TCH 含量提高，LCH/TCH 比值降低25%～29%(圖4D)，表明腐殖質(zhì)活性降低，水稻土SOM 品質(zhì)下降，水稻土肥力退化[42-43]。土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)主要是以緊結(jié)合態(tài)和穩(wěn)結(jié)合態(tài)形式存在于土壤中，松結(jié)合態(tài)含量較低。因此，土壤QC 及其結(jié)合形態(tài)與土壤肥力狀況具有密切聯(lián)系。在水稻土開墾過程中，QC 隨水稻耕作年限的延長，降低或增加的幅度略有不同。有機(jī)質(zhì)品質(zhì)的退化，使大部分有機(jī)物質(zhì)與土壤中無機(jī)礦質(zhì)土粒相復(fù)合形成較為穩(wěn)定的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體[41]。綜上所述，土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)合形態(tài)與土壤中腐殖酸的特性一樣，都是反映土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì)的重要指標(biāo)。隨開墾年限的延長，松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)顯著降低，緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)和有機(jī)無機(jī)復(fù)合度顯著提高，有機(jī)質(zhì)品質(zhì)退化。

4 結(jié)論

土壤有機(jī)質(zhì)組成、存在狀態(tài)以及腐殖酸特性的變化，是水稻土是否可獲得高產(chǎn)的重要指標(biāo)。除有機(jī)質(zhì)的數(shù)量變化外，有機(jī)質(zhì)的品質(zhì)變化也是影響水田肥力狀況或產(chǎn)量水平的重要因素。我國北方淹育型水稻土在開墾種稻60 年間，隨著耕種年限的延長土壤中易氧化有機(jī)質(zhì)含量、胡敏酸的活化度及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)分別顯著降低了27%～36%、17%～18%、16%～17%，而胡富比、有機(jī)無機(jī)復(fù)合度則分別顯著提高了43%～56%、10%～11%。說明北方淹育型水稻土的土壤肥力狀況有所惡化，特別是開墾大于36 年以上的水稻土，土壤質(zhì)量有退化趨勢(shì)，如不及時(shí)加以調(diào)節(jié)，土壤肥力將會(huì)持續(xù)下降。