馬原，遲美靜，張玉玲, 范慶峰，虞娜，鄒洪濤

黑土旱地改稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的變化特征

馬原，遲美靜，張玉玲, 范慶峰，虞娜，鄒洪濤

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866）

【目的】分析東北黑土旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性、各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及其13C、15N自然豐度值的動(dòng)態(tài)變化，探討旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的賦存能力及穩(wěn)定性，揭示旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳、全氮的演變規(guī)律?！痉椒ā窟x擇東北典型黑土旱地土壤（種植大豆年限大于60年，作為對(duì)照）和改種不同年限的稻田土壤（3、5、10、17、20和25年，改稻田前種植作物均為大豆），利用土壤團(tuán)聚體濕篩分離技術(shù)和穩(wěn)定同位素分析技術(shù)，研究旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的動(dòng)態(tài)變化特征?！窘Y(jié)果】在0—60 cm土層，與對(duì)照土壤相比，改種水稻各年限土壤中2—0.25 mm團(tuán)聚體組成有所減少，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成有所增加，＞2 mm團(tuán)聚體組成的變化無明顯規(guī)律，但旱地改稻田不同年限均以2—0.053 mm團(tuán)聚體為主；團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）與＞2 mm團(tuán)聚體組成之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與0.25—0.053 mm、＜0.053 mm團(tuán)聚體組成之間均呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05）；水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變化受水稻種植年限和土層深度的顯著影響，而MWD的變化則受土層深度的顯著影響。與對(duì)照土壤相比，在0—40 cm土層，2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量在改種水稻3年時(shí)均有所下降，在改種水稻3—25年間均隨水稻種植年限延長(zhǎng)大體上呈增加趨勢(shì)?？傮w上，2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體是賦存有機(jī)碳和全氮的主要粒級(jí)；在0—60 cm土層，＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與其團(tuán)聚體組成之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05），在0—20 cm土層，2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與其團(tuán)聚體組成之間也呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05）；＜2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量的變化受水稻種植年限影響顯著，而＞0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量的變化則受土層深度影響顯著。與對(duì)照土壤相比，各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C在改種水稻3年時(shí)均明顯增加，在改種水稻5年時(shí)均明顯下降，在改種水稻5—25年間變化不明顯，各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ15N在改種水稻25年間均略有下降?？傮w上，在改稻田3—25年間，團(tuán)聚體中δ13C、δ15N的變化受水稻種植年限和土層深度的顯著影響，其數(shù)值均隨粒級(jí)的減少而增加，相同年限各粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C隨著土層的加深而增大，δ15N無明顯變化規(guī)律?！窘Y(jié)論】東北典型黑土旱地改稻田25年間，土壤中非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體遭受破壞形成了粒徑較小的團(tuán)聚體，2—0.053 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體是有機(jī)碳、全氮固存的主要載體，較小粒級(jí)團(tuán)聚體賦存的有機(jī)碳較為穩(wěn)定，其穩(wěn)定性隨水稻種植年限延長(zhǎng)、土層加深而增強(qiáng)。

黑土；旱地；稻田；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；有機(jī)碳；全氮；13C和15N 自然豐度

0 引言

【研究意義】土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是由土壤顆粒和各種有機(jī)質(zhì)（微生物、植物、動(dòng)物殘?jiān)捌浞置谖铮┠z結(jié)而成，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的分布影響著土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存、土壤生物學(xué)特性和土壤結(jié)構(gòu)[1-2]。因此，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和分布與土壤有機(jī)碳和全氮的固存密切相關(guān)[3]，對(duì)于研究土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳、全氮的固存和轉(zhuǎn)化有重要意義[4]。東北黑土有機(jī)質(zhì)含量豐富、結(jié)構(gòu)良好。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，黑土旱地改稻田面積逐年增加，這一土地利用方式的改變及土壤環(huán)境條件的變化，影響了土壤有機(jī)碳、全氮的數(shù)量[5]，進(jìn)而影響土壤中各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量、分配及其穩(wěn)定性[6]。不同粒級(jí)團(tuán)聚體及其有機(jī)碳、全氮的賦存數(shù)量的變化可以用來表征或反映不同環(huán)境條件下土壤質(zhì)量的變化[7-8]，因此，研究東北典型黑土旱地改稻田后土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機(jī)碳、全氮的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于揭示黑土有機(jī)碳、全氮的演變特征具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水稻土是長(zhǎng)期人為水耕熟化的一類特殊類型土壤，具有較高的固碳潛力。許多研究表明，長(zhǎng)期植稻有利于土壤有機(jī)碳的固存[9-10]，且與旱地土壤相比有機(jī)碳含量較高[5,11-14]，水稻種植過程主要通過物理保護(hù)和腐殖化過程來富集和固存土壤有機(jī)碳[10]，通過土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制可以解釋土壤有機(jī)碳的固存和分解[15]。研究發(fā)現(xiàn)，太湖地區(qū)水稻土中主要以2—0.25 mm、0.25—0.02 mm團(tuán)聚體為主[15]；浙江平原區(qū)植稻17年土壤中2—0.25 mm團(tuán)聚體是有機(jī)碳的主要載體[16]；紅壤荒地開墾種植水稻20年后，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是有機(jī)碳、全氮的主要載體[17]；慈溪和上虞地區(qū)植稻300年間，大團(tuán)聚體有所增多，微團(tuán)聚體減少，大團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的主要載體[8]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，慈溪地區(qū)植稻30—2 000年間，0.25—0.053 mm團(tuán)聚體逐漸減少，＜0.053 mm團(tuán)聚體增加，土壤有機(jī)碳主要分布在0.25—0.053 mm團(tuán)聚體中[18]。稻田轉(zhuǎn)變?yōu)槭卟说?0年后＞0.25 mm團(tuán)聚體含量及其固碳能力會(huì)下降[19]；本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土植稻大于50年的水稻土中主要以2—0.25 mm團(tuán)聚體為主[20]。土壤13C、15N自然豐度值可以從內(nèi)在反映出土壤有機(jī)碳的來源和周轉(zhuǎn)速率[21-24]，植被的轉(zhuǎn)變或者新碳的介入會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳、氮的周轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致各級(jí)團(tuán)聚體δ13C、δ15N發(fā)生改變[25-27]。由此可見，不同土壤、土地利用方式及種植年限對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響不盡相同，多數(shù)研究集中在我國(guó)亞熱帶地區(qū)。【本研究切入點(diǎn)】課題組在前期研究中已明確東北黑土旱地改稻田后土壤有機(jī)碳、全氮的變化特征[11]，但關(guān)于東北黑土旱田改稻田后土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的變化特征如何？還尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用土壤團(tuán)聚體濕篩分離技術(shù)和穩(wěn)定同位素分析技術(shù)，研究東北黑土區(qū)旱地改稻田后土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體組成、團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量及其δ13C、δ15N的變化，闡明黑土區(qū)旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的賦存能力及其穩(wěn)定性，為揭示黑土區(qū)旱地改稻田后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的演變規(guī)律提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自黑龍江省綏化市慶安縣勤勞鎮(zhèn)勤樸村，屬于典型黑土，為黃土性沉積物發(fā)育的土壤。2015 年10月進(jìn)行實(shí)地田間生產(chǎn)調(diào)研，確定連續(xù)種植大豆60年以上的旱地土壤（作為對(duì)照土壤）和旱地改稻田年限分別為3、5、10、17、20 和 25年的稻田土壤。供試土壤區(qū)域的氣候和地形（漫崗丘陵區(qū)，坡度小于3°）大致相同，旱地改種水稻前種植作物均為大豆，改種水稻前土壤性狀與對(duì)照土壤性狀基本一致。旱地改種水稻后每年施用氮、磷、鉀化肥量大致相同，但年限間化學(xué)肥料的品種、用量存在差異，供試土壤不施用有機(jī)肥料。

2015年10月水稻收獲后進(jìn)行供試田塊土壤樣本采集。將每個(gè)相同年限的田塊作為一個(gè)采樣區(qū)域，并劃分為面積大約相同的3個(gè)采樣單元作為3次采樣重復(fù)，每個(gè)采樣單元以“S”法布設(shè)5—7點(diǎn)，用土鉆采集布設(shè)點(diǎn)樣本后均勻混合作為一個(gè)重復(fù)樣本，混合后土壤樣本裝在塑料箱中（避免破壞原土狀態(tài)）?？紤]黑土自身腐質(zhì)層比較深厚，同時(shí)旱地改稻田年限相對(duì)較短，稻田土壤犁底層形成相對(duì)較弱，因此確定采樣深度為0—20、20—40和40—60 cm。土樣運(yùn)回室內(nèi)后，在室溫下自然風(fēng)干，在風(fēng)干過程中用手輕輕地把土塊沿自然結(jié)構(gòu)面掰成直徑約5 cm的小塊，并除去肉眼可以識(shí)別的粗根和石塊，風(fēng)干后混合均勻，其中，一部分土樣磨碎過0.15 mm篩備用，一部分土樣過8 mm篩用于制備各粒級(jí)團(tuán)聚體。供試土壤的地理信息及理化性質(zhì)見表1。

1.2 各級(jí)團(tuán)聚體的分離

土壤團(tuán)聚體的分離依據(jù)SIX等[28]提供的土壤團(tuán)聚體濕篩法，采用團(tuán)粒分析儀（DIK-2012，日本）進(jìn)行篩分。稱取50 g自然風(fēng)干土樣，放在2 mm、0.25 mm和0.053 mm組成的套篩上，調(diào)整水面高度使水面剛好沒過土樣，浸泡5 min后，以速度為30 次/min振蕩30 min，篩分結(jié)束后分別將套篩上的團(tuán)聚體進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，并于60 ℃烘干至恒重（約48 h）并稱重，獲得＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體。并將制備好各粒級(jí)團(tuán)聚體樣品磨碎過0.15 mm篩備用。

1.3 有機(jī)碳、全氮含量及其δ13C、δ15N自然豐度值測(cè)定

原土和各粒級(jí)團(tuán)聚體樣品中的有機(jī)碳、全氮含量及其δ13C、δ15N均采用元素分析儀—穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀（EA–IRMS，Elementanalysis-Stable100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國(guó)）聯(lián)用測(cè)定。

式中，R、R分別為樣品13C/12C 原子比值和15N/14N原子比值；R和R值為0.0112372（以美國(guó)南卡羅來納洲白堊紀(jì)皮狄組層中的擬箭石化石（Pee Dee Belemnite, PDB）為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）和0.0036765（以純凈大氣氮（Air Nitrogen, AN）為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

（1）團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）

（2）某粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量

aggregate（aggregate）=con-aggregate）con-aggregate）×aggregate（4）

式中，aggregate（aggregate）為某粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳（全氮）含量（g·kg-1soil），con-aggregate（con-aggregate）為某粒組團(tuán)聚體有機(jī)碳（全氮）測(cè)試濃度（g·kg-1aggregate）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010 和SPSS 19.0 （SPSS Inc., Chicago, IL, USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用 Origin9.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。以年限和土層為因素進(jìn)行雙因素方差分析（two-ways ANOVA），采用Tukey法進(jìn)行多重比較，若數(shù)據(jù)誤差方差為非齊性，則使用非參數(shù)檢驗(yàn)（non-parametric test），Kruskal-Wallis單因素方差分析（one-way ANOVA）。若兩個(gè)因素存在顯著的交互作用，則進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用Tukey法或Dunnett T3法進(jìn)行多重比較，并以小寫字母表示差異顯著性（＜0.05）。數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

表1 供試土壤的地理信息及理化性質(zhì)

2 結(jié)果

2.1 旱地改稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及平均重量直徑的變化

由圖1可以看出，旱地改稻田3—25年間，在0—20 cm土層，＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成分別為8.96%—27.11%、27.68%—38.58%、22.29%—37.12%和14.65%—26.05%；在20—40 cm土層，＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成分別為2.87%— 24.37%、24.45%—34.40%、27.38%—38.12%和18.25% —32.32%；在40—60 cm土層，＞2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成分別為1.84%—7.54%、25.69%—34.41%、33.35%—38.91%和23.00%—33.42%?？傮w上，在0—60 cm土層，與種植大豆的旱地土壤相比，改種水稻各年限土壤中，2—0.25 mm團(tuán)聚體組成有所減少，0.25—0.053 mm和＜0.053mm團(tuán)聚體組成有所增加，＞2 mm團(tuán)聚體組成的變化無明顯規(guī)律。另外，水稻種植年限和土層深度之間的交互作用對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體組成均無顯著影響，但水稻種植年限對(duì)2—0.25 mm、0.25— 0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成影響顯著，土層深度則對(duì)＞2 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體組成影響顯著。由此可見，旱地改稻田，由于每年在水稻種植期間淹水，使土壤中非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體遭受破壞，形成了粒徑較小的團(tuán)聚體，但均以2—0.25 mm和0.25—0.053 mm團(tuán)聚體為主；水稻種植年限和土層深度是影響水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成變化的重要因素。

數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。* ，**，***，ns分別表示為0.05，0.01，0.001水平顯著和不顯著。下同

由圖2所示，土層深度是顯著影響土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）變化的重要因素；總體上，MWD隨土層深度的加深而減少，0—20 cm土層的MWD顯著（＜0.01或＜0.05）大于20—40 cm和40—60 cm土層的MWD（＜0.05）。相關(guān)分析顯示（表2），在3個(gè)土層中，MWD與＞2 mm團(tuán)聚體組成之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），與0.25—0.053 mm、＜0.053 mm團(tuán)聚體組成之間均呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05）。這表明旱地改稻田后，＞2 mm團(tuán)聚體數(shù)量的增加提高了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而較小粒級(jí)團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的增加則降低了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

***為0.001水平顯著，ns為不顯著

2.2 旱地改稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳（氮）含量的變化

由表3可以看出，總體上，2—0.25 mm、0.25— 0.053 mm團(tuán)聚體是賦存有機(jī)碳和全氮的主要粒級(jí)。與對(duì)照土壤相比，在0—20 cm和20—40 cm土層，2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量在改種水稻3年時(shí)均有所下降；在改種水稻3—25年間均隨水稻種植年限延長(zhǎng)大體上呈增加趨勢(shì)，且在改種水稻25年時(shí)，兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量與對(duì)照土壤的相接近。在40—60 cm土層，2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量在改種水稻3年時(shí)均有所下降；兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在改種水稻3—17年間大體呈逐年增加趨勢(shì)，而在改種水稻17—25年間則呈逐年降低趨勢(shì)；2—0.25 mm團(tuán)聚體全氮含量在改種水稻3—25年間大體呈逐年增加趨勢(shì)，0.25—0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量在改種水稻3—17年間有所增加，在改種水稻17—25年間有所下降。＞2 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量在改種水稻后無顯明規(guī)律性。另外，水稻種植年限和土層深度之間的交互作用對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量均無顯著影響，但水稻種植年限和土層深度對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量有重要影響?？傮w上，水稻種植年限對(duì)2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量影響顯著，土層深度對(duì)＞2 mm和2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量影響顯著。

表2 各粒級(jí)團(tuán)聚體組成與土壤團(tuán)聚體平均重量直徑的相關(guān)系數(shù)

*，**分別表示為0.05，0.01水平顯著。下同

With＜ 0.05(*),＜ 0.01(**)The same as below

表3 旱地改稻田后不同年限土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量

相關(guān)分析顯示（表4），在3個(gè)土層，＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與其團(tuán)聚體組成之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05）。0—20 cm土層，2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與其團(tuán)聚體組成之間也呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01或＜0.05）。這說明旱地改種水稻田后，有機(jī)碳、全氮對(duì)于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25 mm），尤其是表層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞2 mm）形成具有重要作用，同時(shí)大團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定也有利于有機(jī)碳、全氮的賦存。

表4 各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的相關(guān)系數(shù)

2.3 旱地改稻田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中δ13C、δ15N的變化

由表5可見，與對(duì)照土壤相比，各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C在改種水稻3年時(shí)均明顯增加，在改種水稻3—5年間明顯下降，在改種水稻5—25年間變化不明顯；在改種水稻25年間，各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ15N值均略有下降?？傮w上，在改種水稻3—25年間，團(tuán)聚體中δ13C、δ15N隨粒級(jí)的減小呈增加趨勢(shì)，相同年限各粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C隨著土層的加深而增大，δ15N的變化無明顯規(guī)律。水稻種植年限顯著影響4個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C和δ15N，土層深度顯著影響＜2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C和δ15N，二者的交互作用僅顯著影響0.25—0.053 mm團(tuán)聚體中δ13C和δ15N。這說明隨著團(tuán)聚體的粒級(jí)變小，土壤有機(jī)碳（氮）易分解性越小，相對(duì)越穩(wěn)定；其穩(wěn)定性隨水稻種植年限延長(zhǎng)、土層加深度而增強(qiáng)。

3 討論

3.1 旱地改稻田對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性的影響

土地利用方式和耕作管理（作物類型、施肥、排水和灌溉）是影響土壤結(jié)構(gòu)和特性的最重要因素，并對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和破裂產(chǎn)生影響[29]。Huang等[14]對(duì)東北旱地和稻田土壤的研究發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體主要以2—0.25 mm、0.25—0.053 mm粒級(jí)為主，旱地改種稻田27年時(shí)稻田土壤中＞0.25 mm團(tuán)聚體顯著高于旱地土壤。Zou等[9]研究表明，隨著種稻年限的延長(zhǎng)大團(tuán)聚體隨之增加，微團(tuán)聚體隨之減少。李昌新等[11]研究表明，長(zhǎng)期玉米和水稻種植下，稻田土壤中＞2 mm、＜0.053 mm團(tuán)聚體均顯著高于旱地，而2—0.25 mm團(tuán)聚體則相反。Zheng等[8]和Pan等[15]研究表明，耕作會(huì)引起2—0.25 mm團(tuán)聚體發(fā)生改變。本研究中，旱地改稻田3年時(shí)，2—0.25 mm團(tuán)聚體下降，＜0.25 mm團(tuán)聚體組成上升；旱地改稻田3—25年間，2—0.25 mm團(tuán)聚體有所上升，＜0.25 mm團(tuán)聚體有所下降；旱地改稻田25年時(shí)2—0.25 mm團(tuán)聚體低于旱地土壤，＜0.25 mm團(tuán)聚體高于旱地土壤（圖1），這說明黑土在旱地改稻田年限較短時(shí)，干濕交替過程[30]和淹水條件[31]會(huì)導(dǎo)致大團(tuán)聚體破裂形成微團(tuán)聚體，其中2—0.25 mm團(tuán)聚體對(duì)于耕作環(huán)境的變化比較敏感，但隨著水稻種植年限的延長(zhǎng)，由于長(zhǎng)期淹水會(huì)使微團(tuán)聚體進(jìn)一步團(tuán)聚，進(jìn)而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[15]。

表5 旱地改稻田后不同年限土壤團(tuán)聚體中的δ13C和δ15N

不同小寫字母表示相同粒級(jí)團(tuán)聚體，年限與土層之間存在顯著交互作用達(dá)0.05顯著水平

Indicate the significant (＜0.05) differences between years and soil depth by different lowercase letters

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）可以反映出不同粒級(jí)團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性[1]，MWD值越大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好[32]。Wang等[19]研究表明，大團(tuán)聚體在干濕交替過程中易于破裂為微團(tuán)聚體，并導(dǎo)致團(tuán)聚體水穩(wěn)性顯著下降。本研究中，MWD值與＞2 mm團(tuán)聚體組成呈顯著正相關(guān)，與＜0.25 mm團(tuán)聚體組成呈顯著負(fù)相關(guān)（表2）；水稻種植年限對(duì)MWD影響不顯著，而土層深度則對(duì)MWD影響顯著，0—20 cm土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于20—60 cm土層（圖2）。這說明旱地改稻田后，由于干濕交替和淹水過程，影響了0—60 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體的變化，水稻種植年限為17年時(shí)，由于0—40 cm土層中＞2 mm和2—0.25 mm大團(tuán)聚體的增加，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體的減少（圖1），使0—40 cm土層團(tuán)聚體水穩(wěn)性有所上升（圖2）。

3.2 旱地改稻田對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量及其穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳、全氮固定[33]和物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化[17]的重要場(chǎng)所，不僅可以保護(hù)土壤有機(jī)質(zhì)也可以延遲其礦化[34]，由于各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮的保護(hù)機(jī)制不同，因此對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮的固持也存在差異[33]。大團(tuán)聚體主要是通過根系、真菌菌絲等膠結(jié)而成。在大多數(shù)情況下，有機(jī)物先與其結(jié)合，碳濃度最高且周轉(zhuǎn)率最快[2]，而微團(tuán)聚體受芳香族化合物束縛，碳周轉(zhuǎn)速率較低[35]。李昌新等[10]對(duì)種植20多年的南方稻田和旱地土壤的研究表明，稻田和旱地土壤有機(jī)碳含量均主要分配在2—0.25 mm和0.25—0.053 mm團(tuán)聚體中，與旱地土壤相比，稻田土壤降低了2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的比例，但提高了其他粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的比例。HUANG等[14]研究表明，旱地轉(zhuǎn)變?yōu)榈咎?7年后顯著提高了2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，但其他粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則無顯著變化。徐文靜等[20]對(duì)東北黑土區(qū)種稻大于50年的水稻土研究表明，2—0.25 mm團(tuán)聚體是賦存有機(jī)碳的主要載體，具有明顯的固碳能力。許多研究表明，稻田土壤中有機(jī)碳含量的變化與大團(tuán)聚體緊密相關(guān)[10,15,36]，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨種稻年限的延長(zhǎng)而增加[9]，但也有研究表明，稻田土壤有機(jī)碳可向微團(tuán)聚體和粉黏粒中轉(zhuǎn)移以利于有機(jī)碳的長(zhǎng)期賦存[11,14,18]。本研究中，旱地改種稻田后各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量的變化大致相同，土壤有機(jī)碳、全氮含量與土壤團(tuán)聚體組成之間緊密相關(guān)（表4），在改種水稻年限較短時(shí)（3年間），各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全氮含量下降（表3），這主要是由于土地利用方式的改變使土壤中各粒級(jí)團(tuán)聚體遭受不同程度破壞（圖1），進(jìn)而加速了有機(jī)碳（氮）分解和周轉(zhuǎn)速率[37]；在改稻田3—25年間，2—0.25 mm、0.25—0.05 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量則有所增加（圖3），這主要是由于隨著改種年限延長(zhǎng)，淹水條件可延緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的分解速率，降低土壤有機(jī)碳、氮的礦化速率[38]，同時(shí)由于大團(tuán)聚體破裂為微團(tuán)聚體，使其微團(tuán)聚體易與有機(jī)質(zhì)粘結(jié)[39]。由此可見，東北黑土旱地改稻田25間，2—0.25 mm、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳、全氮賦存的主要粒級(jí)，對(duì)有機(jī)碳（氮）的物理保護(hù)發(fā)揮重要作用。

采用δ13C可以研究土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，土壤的δ13C隨時(shí)間的變化主要受植被輸入的有機(jī)碳控制，植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后在微生物作用下可發(fā)生礦化分解過程和腐殖化過程，致使土壤的δ13C會(huì)與植物本身的δ13C有所不同[24]；其次由生物衰變過程控制[22]，土壤有機(jī)碳分解過程中微生物對(duì)12C的優(yōu)先分解會(huì)引起土壤δ13C增高，δ13C越大，其有機(jī)碳的降解程度越低[25]。大豆和水稻均屬于C3作物，其δ13C介于-29.1‰—-24.2‰[21]，水稻的平均δ13C為-26.34‰[4]。本研究中，長(zhǎng)期連續(xù)種植大豆的旱地，在改種水稻年限較短時(shí)（3年），由于土地利用方式及植被類型的改變，新鮮有機(jī)質(zhì)會(huì)不同程度進(jìn)入到不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，但又由于水稻單產(chǎn)顯著高于大豆單產(chǎn)，對(duì)土壤養(yǎng)分的需求大幅度增加，同時(shí)大團(tuán)聚體遭受破壞，加速土壤中易分解有機(jī)碳的分解使碳同位素分餾效應(yīng)增加，因此，致使旱地改稻田3年間各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C均有所增加（表5），這與課題組前期關(guān)于旱地改稻田土壤δ13C的變化結(jié)果相一致[5]；在旱地改稻田5—25年，由于大量水稻根系和地上殘?bào)w歸還土壤使有機(jī)碳得到補(bǔ)充和更新，又由于稻田土壤環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定可使有機(jī)碳分解緩慢，進(jìn)而使各級(jí)團(tuán)聚體中δ13C均有所降低，但隨種稻年限延長(zhǎng)變化較為平緩（表5）。LIU等[27]研究發(fā)現(xiàn)，新鮮有機(jī)碳的賦存一般從大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）開始，經(jīng)過分解過程和微生物消耗后，降解的有機(jī)碳則被螯合在微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）中，植物殘留物的腐殖化作用會(huì)伴隨著13C的輕微富集。本研究中，團(tuán)聚體的粒徑越小，其δ13C越大（表5），這也說明團(tuán)聚體粒徑越大，賦存新鮮有機(jī)碳越多，這一結(jié)果與LIU等[27]研究結(jié)果相類似。另外，相同年限各粒級(jí)團(tuán)聚體中δ13C隨土層加深而增大（表5），這進(jìn)一步說明，外源新鮮有機(jī)碳不能及時(shí)地進(jìn)入補(bǔ)充到深層土壤，同時(shí)深層土壤有機(jī)碳相對(duì)較“老”[23,27]，礦化分解速度較慢。

土壤中δ15N的變異可反映出土壤氮素的轉(zhuǎn)化和遷移特征，其中礦化和硝化過程是導(dǎo)致氮同位素分餾從而影響δ15N的主要原因[40]。研究表明，土壤中δ15N在很大程度受土壤水分的影響[40-41]，非淹水條件下土壤中硝化作用較快，而在淹水條件下有利于反硝化作用，礦化作用相對(duì)較弱，微生物對(duì)氮的固定作用較快。本研究中，旱地改稻田后，由于稻田土壤多處于淹水或含水量較高的狀態(tài)，土壤硝化作用受到抑制，大量15N貧化的水稻植株根系或殘?bào)w進(jìn)入土壤[26,35]，致使稻田土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體的δ15N低于旱地土壤（表5）。

4 結(jié)論

東北黑土旱地改種稻田25年間，稻田土壤中2—0.25 mm團(tuán)聚體有所減少，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm團(tuán)聚體有所增加，＞2 mm團(tuán)聚體則無明顯變化規(guī)律，但均以2—0.053 mm團(tuán)聚體為主；各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量隨改種年限延長(zhǎng)呈大致相同的變化趨勢(shì)，總體上，2—0.053 mm團(tuán)聚體是賦存有機(jī)碳和全氮的主要粒級(jí)；團(tuán)聚體中δ13C、δ15N均隨粒級(jí)的減小呈增加趨勢(shì)，相同年限各粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C隨著土層的加深而增大，δ15N無明顯變化規(guī)律。因此，東北典型黑土旱地改稻田后，土壤中非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體遭受破壞形成了粒徑較小的團(tuán)聚體，2—0.053 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體是有機(jī)碳、全氮固存的主要載體，較小粒級(jí)團(tuán)聚體賦存的有機(jī)碳較為穩(wěn)定，其穩(wěn)定性隨水稻種植年限延長(zhǎng)、土層加深而增大。

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Change Characteristics of Organic Carbon and Total Nitrogen in Water-stable Aggregate After Conversion from Upland to Paddy Field in Black Soil

MA Yuan, CHI MeiJing, ZHANG YuLing, FAN QingFeng, YU Na, ZOU HongTao

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shenyang 110866)

【Objective】 The objectives of this study wereto analyze the composition and stability of soil aggregate, the changes of organic carbon (OC), total nitrogen (TN) content,natural abundance of13C and 15N in different-sized aggregates, to explore the sequestration and stability of soil aggregate organic C, TN, and to reveal the evolution of soil aggregate organic C, TN changes after the conversion from upland to paddy field in black soil region of Northeast China.【Method】 Soil samples were collected from upland (soybean planted for over 60 years) in typical black soil and paddy soil with different years (3, 5, 10, 17, 20 and 25 years, soybean was planted in all the fields before conversion to paddy field). The dynamic characteristics of OC and TN in soil aggregates were studied by using wet-sieving method and stable isotope analysis technology.【Result】In the 0-60 cm soil layers, compared with the control treatment, the composition of 2-0.25 mm aggregates in the soil of different years after rice planting was decreased, which of 0.25-0.053 mm and ＜0.053 mm aggregates was increased. There was no obvious change in the composition of ＞2 mm aggregates, but the different years of dry land change to paddy fields were dominated by 2-0.053 mm aggregates; the mean weight diameter (MWD) of aggregates was significantly positive correlated with the proportion of ＞2 mm aggregates (＜0.01), and significantly negative correlated with the proportion of 0.25-0.053 mm and ＜0.053 mm aggregates (＜0.01 or＜0.05). The change of aggregate composition was significantly affected by different rice planting years and soil depth, whereas the MWD was significantly affected by soil depth. Compared with the control soil, in the 0-40 cm soil layer, the OC and TN contents in the size of 2-0.25 mm and 0.25-0.053 mm aggregates were declined in the 3 years, however there showed increased trend with the extension of rice cultivation in 3-25 years. Generally, OC and TN were mainly accumulated in the 2-0.25 mm and 0.25-0.053 mm aggregates. There existed significant positive correlation between OC and TN contents and aggregate composition in ＞ 2 mm aggregates (＜0.01 or＜0.05) in the 0-60 cm soil layers, as well as 2-0.25 mm aggregates in the 0-20cm soil layer (＜0.01 or＜0.05). The OC and TN contents variation in ＜2 mm aggregates were significantly affected by rice cultivation time, while soil depth significantly affected ＞0.25 mm aggregates OC and TN contents. Compared with the control soil, the δ13C in each size of aggregates significantly increased in 3 rice planting years and decreased in 5 rice planting years, respectively, while there was no significant change in the 5-25 rice planting years, and the δ15N in all size of aggregates decreased slightly during the 25 years of rice replanting. In general, the δ13C and δ15N of soil in aggregates were significantly affected by rice cultivation time and soil depth, which increased with the decreasing of aggregate size. The δ13C increased with soil depth in the same year, while δ15N had no significant change.【Conclusion】After the conversion from dry land to paddy field for 25 years, non-water-stable macro-aggregates in the soil were damaged and formed into small sized aggregates. The 2-0.053 mm water-stable aggregates were the main carrier of OC and TN sequestration, while OC in small size aggregates more stable, and its stability was increased by the rice cultivation time and soil depth increased.

black soil; upland; paddy field; water-stable aggregate; organic carbon; total nitrogen;13C and15N natural abundance

2019-07-12；

2019-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571280）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41101276）

馬原，E-mail：mayuan275@163.com。通信作者張玉玲，E-mail：zhangyuling@syau.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）