土地利用方式影響黃棕壤有機質周轉和分配

王文俊，喬云發，龍杰琦，鐘 鑫，苗淑杰

（南京信息工程大學，江蘇 南京 210044）

土壤有機質是土壤肥力的重要物質基礎。土壤有機質在改善土壤理化性質、增加營養元素含量、促進土壤微生物生長等方面都有重要作用［1］，不僅關系到作物的產量和品質，更關系到耕地的可持續發展［2］。同時，土壤有機碳庫作為大氣碳庫的源和匯，對全球氣候變化起調控作用，對減緩溫室效應有非常重要的意義［3］。此外，土壤有機質是含有多種化合物的復雜混合物，其組成與性質是不斷變化的。所以土壤有機質的含量和穩定性對其效能的發揮有著深遠的影響。

土壤有機質的來源主要為動植物殘體及外來物料的轉化，而原有有機質也會被微生物等降解而損失，有機質的周轉即為兩者之間的動態平衡過程［4］，其受到諸多因素的影響，如土地利用方式、施肥、土壤侵蝕、耕作措施等［5］，其中，土地利用方式對有機質的周轉有著巨大的影響。前人的研究表明［6-9］，土地利用方式的改變會導致植被類型、微生物與土壤動物種類、土壤理化性質、有機質化學組成的改變，是土壤有機質輸入與分解的主要驅動力。尤孟陽等［10］研究發現，黑土區長期作物連作與自然修復處理中密度組分有機碳存在顯著差異；任榮秀等［11］通過對太行山南部不同土地利用方式的研究發現，相對于休閑，耕作會破碎大粒級團聚體，導致土壤有機質流失。可見，在研究土地利用方式對土壤有機質含量與周轉的影響時，從土壤團聚體和密度組分角度進行探索可以提供有效的證據。

目前，雖然已有一些關于土地利用方式對土壤有機質影響的研究［6-8，10-12］，但鮮有涉及黃棕壤中土地利用方式對土壤有機質周轉的報道。因此，本文依托南京信息工程大學農業氣象實驗站黃棕壤長期定位試驗平臺，選用5年稻麥輪作、豆麥輪作以及休閑的自然植被3種利用方式的土壤，比較其有機質總量、13C豐度、有機質更新率和半衰期、團聚體和密度組分的分布特征及有機質含量，以研究土地利用方式對土壤有機質分配和周轉的影響。該研究將為未來通過土地利用方式調整土壤肥力可行性措施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與試驗設計

土壤樣品采集于南京信息工程大學農業氣象實驗站（118°70′E，32°21′N）長期定位試驗平臺。供試土壤為黃棕壤，0～20 cm耕層土壤質地為壤質黏土，其土壤容重為1.54 g/cm3，pH為6.98，有機碳含量為11.66 g/kg。試驗區地勢平坦，位于亞熱帶季風氣候帶，年平均氣溫為15.6 ℃，年平均降水量為1100 mm，無霜期為237 d，年日照時數為1902 h。

2015年春，建立該長期定位試驗，設置3個處理：水稻小麥（稻麥）輪作、大豆小麥（豆麥）輪作、自然植被（休閑，主要植被為刺菜、稗草、黃背草、枯草）。每個處理4次重復，完全隨機排列。大豆品種為八月白，生育期施用氮肥為尿素（118 kg/hm2），磷肥為磷酸氫二銨（412 kg/hm2），鉀肥為硫酸鉀（118 kg/hm2）。冬小麥品種為濟麥22，密度為1.5×106株/hm2，生育期施用氮肥為尿素（117 kg/hm2），磷肥為磷酸氫二銨（409 kg/hm2），鉀肥為氯化鉀（135 kg/hm2）。磷、鉀肥全部作為底肥一次性施入，氮肥分兩次（底肥和拔節肥）施用。水稻品種為揚稻6號，生育期施用氮肥為尿素（150 kg/hm2），磷肥為過磷酸鈣（100 kg/hm2），鉀肥為氯化鉀（150 kg/hm2）。各輪作周期內，人工拔除田間雜草，旱田雨養，水田按當地田間管理方式進行。

1.2 土樣采集與處理

2020年秋，在每一個小區按“S”形，用土壤取樣鍬分別采集4點，將4點土壤混合作為一個土樣。沿土壤結構的自然剖面掰成小塊，并去除肉眼可見的植物組織和砂石等。放置于陰涼通風處，充分陰干后分別測定全土有機質總量和13C豐度，計算有機質更新率和半衰期；篩分水穩性團聚體和進行密度組分，分析其占比及有機質含量。

土壤水穩性團聚體篩分采用Elliott［13］的方法：將2、1、0.5、0.25、0.053 mm 5種孔徑的套篩，按孔徑從大到小的順序自上而下裝于團聚體分析儀上。稱取50 g土壤于50 mL小燒杯中，加入自來水沒過土樣1 cm，糊化10 min后，再用適量自來水轉于套篩上。開啟團聚體分析儀，保持20 r/min的速度，篩分時間為10 min。篩分結束后，用自來水將每一層篩上以及桶中的土樣洗至燒杯中，50oC烘干至恒重，稱重，可獲得6個不同粒級的團聚體。

土壤密度組分的篩分參照孫穎等［14］的方法，并加以改進。操作方法為：稱取10 g土樣于200 mL三角瓶中，并加入100 mL 密度為1.7 g/cm3的NaI重液。將三角瓶上下翻轉5次，充分混勻后，放入離心機，在3500 r/min條件下，離心15 min后，取出三角瓶，用真空泵抽濾上層溶液中的漂浮物，烘干所得組分為游離態輕組。剩下的土樣補足NaI重液后，進行超聲波粉碎（40 Hz，100 W），3500 r/min離心15 min，用真空泵抽濾上層漂浮溶液，烘干所得組分為閉蓄態輕組。剩下的樣品加入50 mL左右蒸餾水，振蕩20 min，以4000 r/min離心20 min后，倒掉上層清液，再加入95%乙醇，搖勻，以4000 r/min離心2 min，將上清液倒掉。重復95%乙醇清洗過程2～3次，直至上清液無色，用乙醇將土樣一并洗入塑料燒杯，烘干稱重，所得組分為礦質態重組。

1.3 測定方法與計算

利用元素分析儀（Heraeus Elementar Vario EL，Germany）測定全土、團聚體和密度組分中的有機碳含量；全土13C豐度利用同位素質譜儀（Eurppa Scientific Ltd.，Cheshire，UK）進行分析。試驗前土壤、稻麥混合樣品、豆麥混合樣品和自然植被混合樣品13C豐度分別為-25.070‰、-27.927‰、-27.821‰和-27.812‰。

樣品中13C豐度的計算：

式中：R樣品為待測樣品同位素比值（13C/12C），R標準為標準參比樣品（PDB）同位素比值。

有機質更新率（%C）的計算如下：

土壤有機質周轉率：

式中：Y是田間試驗時間（年）。

土壤有機質半衰期：

式中：TR為土壤有機質周轉率。

1.4 數據處理與統計分析

利用Excel 2016進行數據處理與繪圖，利用SPSS 22.0進行有機碳、團聚體和密度組分占比、更新率、半衰期的單因素方差分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土地利用方式對土壤有機質周轉的影響

土地利用方式影響土壤有機質含量及其穩定性。從圖1可知，休閑和稻麥輪作處理土壤有機質含量較高，分別比豆麥輪作處理有機質含量高44.52%和39.72%。休閑與稻麥輪作處理土壤有機質含量基本一致。休閑處理土壤中13C豐度與另外兩個利用方式（稻麥和豆麥）均差異不顯著，但豆麥處理的13C豐度比稻麥處理高0.86%。稻麥處理土壤有機質更新率最高，分別比休閑和豆麥處理高45.56%和121.66%，而休閑處理又比豆麥處理高52.28%。相應地，稻麥處理土壤有機質的半衰期最短，分別比休閑和豆麥處理短54.89%和34.33%，休閑比豆麥處理半衰期短31.30%。

圖1 不同土地利用方式對土壤有機質含量及其穩定性的影響

2.2 土地利用方式對團聚體有機質含量的影響

各粒級團聚體的質量分數及其有機質含量受土地利用方式的影響見圖2。整體來看，土壤中各粒級團聚體所占比例表現為粒徑小于0.053 mm的團聚體含量最多，其次是0.25～0.5、0.5～1、0.053～0.25和1～2 mm粒級，最少的是大于2 mm粒徑團聚體。與休閑處理相比，稻麥輪作處理中大于2 mm粒徑團聚體的含量增加了255.00%，而小于0.053 mm粒徑團聚體降低了18.72%；豆麥輪作處理中0.5～1 mm粒徑團聚體含量下降了48.72%，而小于0.053 mm粒徑團聚體增加了14.33%。稻麥與豆麥輪作處理相比較，稻麥輪作處理增加了大于0.5 mm粒徑團聚體含量，卻降低了小于0.25 mm粒徑團聚體含量。總體來看，稻麥輪作處理中大于0.25 mm粒徑團聚體含量最高，分別比休閑和豆麥輪作處理高17.34%和42.20%，而休閑比豆麥輪作處理高21.18%。相應地，3種處理中團聚體平均重量直徑也表現出相同的趨勢，稻麥輪作處理團聚體平均重量直徑分別比休閑處理高37.00%，而休閑比豆麥輪作處理高13.02%。

各粒級團聚體中有機質含量因粒徑大小和土地利用方式不同而有差異。有機質含量最多的為1～2 mm粒徑團聚體，最少的是小于0.053 mm粒徑團聚體。與休閑處理相比，稻麥輪作使小于0.053 mm粒徑團聚體中的有機質含量降低了44.35%，而豆麥輪作導致大于2、1～2 mm和小于0.053 mm粒徑團聚體中的有機質含量分別降低了31.7%、34.6%和19.52%。然而，兩種輪作方式相比較，稻麥輪作處理大于2和1～2 mm粒徑團聚體的有機質含量比豆麥輪作處理高47.43%和52.91%，而小于0.053 mm粒徑團聚體卻降低了30.85%。

圖2 不同利用方式下團聚體特征及有機質含量

2.3 土地利用方式對密度組分有機質的影響

如圖3所示，土地利用方式對土壤有機質密度組分的影響主要表現在游離態輕組和閉蓄態輕組。稻麥輪作處理游離態輕組含量較豆麥處理高132.00%。豆麥輪作處理中的閉蓄態輕組含量分別比休閑和稻麥輪作處理作高74.80%和116.34%。

土地利用方式對各密度組分有機質含量的影響主要表現在閉蓄態輕組中（圖3）。與休閑處理相比，豆麥輪作處理閉蓄態輕組中有機質含量降低了22.41%，稻麥輪作處理閉蓄態輕組中有機質含量比豆麥輪作處理高37.57%。

圖3 不同利用方式下密度組分特征及有機質含量

2.4 全土、團聚體和密度組分有機質相關性分析

全土有機質與團聚體、密度組分中的有機質含量存在著不同程度的相關性（圖4）。盡管全土有機質含量隨著各粒級團聚體有機質含量增加呈正增長的趨勢，但是僅1～2 mm粒徑和大于2 mm粒徑團聚體中的有機質含量與全土有機質含量極顯著和顯著相關（r=0.864**和0.659*）。

各密度組分中有機質含量也與全土有機質含量呈現正增長趨勢，但是，只有游離態輕組和閉蓄態輕組中有機質含量與全土有機質含量極顯著和顯著正相關（r=0.571**和0.632*）。

圖4 團聚體有機質、密度組分有機質與全土有機質的相關性

3 討論

3.1 全土有機質及其穩定性對土地利用方式的響應

土地利用方式顯著影響土壤有機質含量及其穩定性。土壤有機質的積累主要歸因于兩個方面，一是地上部初級生產物質向土壤中的歸還，二是土壤原有有機質的礦化分解［15］。本試驗中，休閑處理是自然植被的生長-衰老循環過程，雖然秋冬季節所有生物量都直接歸還土壤，但是有機質含量并未出現絕對增加的現象，說明休閑處理土壤有機質歸還累積與礦化分解處于平衡狀態。但是休閑處理較耕作處理有促進土壤有機質積累的趨勢，這一研究結果與在黑土和黃土上曾有的研究結果一致［16-17］。稻麥輪作土壤有機質含量顯著高于豆麥輪作，因為水稻的碳氮比較豆科作物大豆要高［18］，故其在土壤中的礦化分解速度低于大豆，進而導致長期稻麥輪作土壤有機質含量高于豆麥輪作土壤。然而，稻麥輪作土壤有機質較高的更新率和較低的半衰期說明稻麥輪作土壤有機質周轉較快，相對穩定性較弱。這些結果說明歸還植被的質量是直接影響土壤有機質穩定性及其含量的一個重要因素。這也歸因于稻麥輪作處理中土壤長時間周期性的水旱交替會引起土壤pH、氧化還原電位、微生物生境等影響有機質分解轉化的因素不斷變化［19］，導致其有機質穩定性變弱，周轉速度反高于長期旱作的高植被質量豆麥輪作土壤。可見，土壤環境是影響有機質周轉的另一重要因素。整體來看，通過輪作方式提高土壤有機質含量是一個可行的措施，但是在選擇植被類型時要考慮土壤環境因素。此外，休閑恢復是提高黃棕壤有機質含量、提升土壤肥力的一個非常有效的方式。

3.2 團聚體對土地利用方式的響應

土壤團聚體分布及其有機質含量受土地利用方式的影響。本研究發現，3種土地利用方式中，稻麥輪作土壤團聚體粒徑最高，而豆麥輪作最低。這是由于在稻麥輪作處理中，水稻季土壤保持一段時間的淹水狀態，有利于團聚體的黏結凝聚［20］；而且，稻田施肥量較旱田土壤要大，作物根系相對較大，有機物料歸還到土壤中的更多些（土壤中13C豐度支持這一觀點），有利于土壤大團聚體的形成和對有機質的保護。這一作用可以彌補稻麥輪作土壤頻繁干濕交替對水穩性大團聚體的破壞［21］。豆麥輪作處理的土壤長期為旱作，加之頻繁的耕作，破壞了土壤中的大團聚體。團聚體中有機質外露并易于被礦化，最終導致豆麥輪作處理中大團聚體有機質含量顯著降低。相關分析的結果顯示，僅有大于1 mm粒徑團聚體與全土有機質含量呈顯著正相關，支持上述觀點，同時證明土壤中大團聚體對土壤有機質富集的重要作用［22］。這是因為大團聚體是由小團聚體和有機質膠結而成的，其中儲存了大量有機質，但其更容易遭到土壤侵蝕而被破壞［23］。小團聚體雖然有機質含量不高，但是可以更穩定地存在于土壤中，有利于土壤有機質的穩定。由此可見，黃棕壤區稻麥輪作有利于土壤團聚體形成，保持有機質含量，但會降低其穩定性；豆麥輪作會破壞大團聚體，降低土壤總有機質含量，但有機質穩定性較高。因此，在未來的農業耕作管理中，可以通過調整耕作方式來平衡土壤有機質的儲量和穩定性。

3.3 土壤密度組分有機質對土地利用方式的響應

土壤中重組占比及其有機質含量不受土地利用方式的影響。這主要是因為重組是與礦物質緊密結合、腐殖化程度較高的穩定組分［14］。輕組有機質主要來源于植物、土壤動物等生物活性較強的有機物［24］。在本研究中，休閑處理有機物料全部歸還于土壤，卻沒有增加土壤中輕組有機質，可能是因為在進行土壤處理的時候挑出植物殘余物的結果，下一步研究將進行驗證和分析。比較兩種耕作處理，因水稻生物量較大，向土壤中歸還的有機物料相對較多，所以稻麥輪作處理輕組含量較豆麥輪作處理高。然而，輕組有機質易被微生物分解轉化［25］，由于頻繁的干濕交替加速了稻麥輪作土壤輕組有機質的礦化分解，使其有機質含量并不比豆麥輪作高。稻麥輪作處理有機質差異主要表現在閉蓄態組分，相關性分析的結果也證實，輕組和閉蓄態組分中有機質含量與土壤總有機質含量顯著相關。這些結果表明，本試驗的土地利用方式中，稻麥輪作不僅可以為土壤提供較多的有機質源，而且可以通過包被在閉蓄態組分中而提高土壤有機質含量。

4 結論

黃棕壤區，稻麥和豆麥輪作通過影響土壤團聚體形成、密度組分的分布及其有機質含量改變了土壤有機質含量及其穩定性。比較而言，稻麥輪作方式，通過大量新有機質源的輸入，加速土壤有機質的周轉，但仍能保持土壤有機質含量的穩定，這將有利于土壤中養分的更新和土壤肥力的可持續利用。豆麥輪作因外源有機質源輸入量較低，土壤有機質半衰期長、更新率低，不利于土壤養分供應和有機質的平衡。因此，本研究表明，根據不同區域的土壤條件，選擇適當的輪作方式是提高土壤肥力、實現農業可持續發展的有力保障。