水旱長期耕作下土壤團聚體及有機碳動態變化

朱生堡 ，唐光木，張云舒，徐萬里，葛春輝，馬海剛

1. 新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業農村部鹽堿土改良與利用（干旱半干旱區鹽堿地）重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆農業大學資源與環境學院，新疆 烏魯木齊 830092

土地利用方式的變化是由于人類活動對地球生態環境產生巨大的影響，也是直接影響地球陸地生態系統的碳儲量以及驅動地球陸地生態碳循環流程的最主要原因（陳高起等，2015）。在自然過程中，土地利用方式主要是由不同粒徑團聚體的組成分布狀況和干擾有機碳的儲存和流失過程，從而改變土壤中主導土壤結構的變化趨勢（李青春，2019）。因此，開展水旱耕作下土壤團聚體及有機碳動態變化研究，對進一步深入研究陸地生態系統碳循環具有重要意義。土壤團聚體結構關系到土壤養分、水分和空氣的傳輸，直接影響著土壤養分、水分和空氣的輸送，對種子萌發、根部生長、作物發育和有機碳保護都具有很大的作用，是土壤肥力的物質基礎（馬征等，2020）。土壤團聚體對有機碳的自然物理保存是土壤固碳的主要機制之一（張延等，2015），能把土壤中有機碳包被起來避免被土壤細菌溶解，貯存了碳、氮、磷等營養物質，從而成為了土壤中營養物質的轉移場所和環境微生物的重要棲息地，對調節土壤肥力、植被生長等具有重要意義（朱錕恒等，2021）。土壤團聚體組成的比例失衡及其團聚體穩定性的降低，會加劇地表徑流和土壤侵蝕（張維理等，2020），已有科學研究表明土壤團聚體穩定性與易蝕性存在顯著負相關性（王文艷等，2013；張劍雄等，2021）。因此，土壤當中的團聚體數量和結構特性可以在一定程度上，成為土壤侵蝕與衰退的重要指標（唐光木等，2011）。以250 μm 為界，將土壤團聚體分為＞250 μm 的大團聚體和＜250 μm的微團聚體（謝鈞宇等，2020），各種粒度團聚體的產生平衡機理及其在土壤結構改善和有機碳固定中的作用不同（范如芹等，2010）。＞250 μm的團聚體質量分數可在一定程度上表示土壤團聚體數量變化，反映土壤結構的穩定性和抗侵蝕的能力及其土壤結構的優劣（桑文等，2018），其數量與土壤的肥力狀況呈正相關（Six et al.，2001）。土壤團聚體與土壤有機碳密不可分，前者是后者的儲存場所，后者是前者存在的膠結物質（張星星，2017）。

新疆處于干旱荒漠區，荒漠土壤類型使其成土過程生物量積累少，土壤有機質質量分數普遍較低，土壤結構性較差。研究不同種植年限下，水田和旱地有機碳及團聚體影響的長效作用，有助于分析不同利用方式對土壤有機碳及團聚體動態變化。本研究通過100年尺度不同土地利用方式（水田、旱地）土壤團聚體及其有機碳動態變化，探討長期不同土地利用方式（水田、旱地）對土壤團聚體結構質量分數及其有機碳質量分數變化的影響，揭示不同土地利用方式下土壤有機碳的演變規律，為新疆水田和旱地土壤質量的提高和可持續利用提供數據支撐和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選擇瑪納斯縣樂土驛鎮（86°27′—86°30′E，44°12′—44°15′N）為旱地土壤采樣區域，于 2020 年11月棉花收獲后，在不同連作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的棉田采集土壤樣品，選取3塊。水田土壤樣品選擇新疆烏魯木齊市米東區三道壩鎮為采樣區域（87°35′—87°38′E，44°06′—44°08′N），于 2010年 4月（水稻種植前 2周）在不同連作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的水稻田采集土壤樣品，選取3塊。在旱地和水田不同連作年限的地塊，按照“S”型采集耕層（0—20 cm）原狀土壤樣品5個，同時按照“S”型采集耕層（0—20 cm）和犁底層（20—40 cm）樣品15個，混合均勻后作為1個土壤樣品。在采集水田土壤樣品之前，移走表層的稻草殘留物，然后進行樣品的采集。田間采集的原狀土壤樣品裝入硬質塑料盒內，確保在運輸過程中不受到擠壓，以保持旱地和水田土壤樣品的原有結構。土樣運回室內后，在室溫下風干，當土壤含水量達到土壤塑性時（含水量25%左右），即用手輕輕地把土塊沿自然結構面掰成直徑約 5 cm的小塊，以免受到機械壓力而變碎。剔除粗根和石塊，風干后的土樣用于團聚體分析。混合土壤樣品帶回實驗室后，剔除粗根和石塊后自然風干，研磨過0.25 mm土壤篩，用于土壤總有機碳質量分數的測定。

1.2 團聚體分離及計算

土壤團聚體的分離依據Elliott（李慶逵，1992）提供的土壤團聚體濕篩法并稍做改進進行分離。具體方法為：稱取處理好的土壤樣品 15 g置于鋁盒中，從邊緣慢慢地加水，使土壤吸水回濕，然后置于冰箱中平衡過夜。將回濕后的土樣置于250 μm和53 μm孔徑的套篩上，同時加入蒸餾水淹沒250 μm孔徑的篩，浸泡5 min，然后豎直上下振蕩5 min，留在250 μm篩上的為＞250 μm的水穩性團聚體，53 μm 篩上為 53—250 μm 的微團聚體，通過 53 μm篩的為＜53 μm的團聚體，將收集到的各級團聚體分別轉移至鋁盒中，放在水浴鍋上蒸干，置于 60 ℃烘箱中烘干12 h，稱質量，計算各級團聚體質量分數，并將樣品磨碎過 150 μm篩，用于測定各級土壤團聚體有機碳質量分數。

各級土壤團聚體中有機碳質量分數和土壤中的總有機碳質量分數采用丘林法測定（張強，2016），團聚體中有機碳質量分數折合成全土質量分數。

所有數據應用Excel 2003和SPSS 13.0統計分析軟件進行分析，文中數據結果用平均值±標準差的形式表示，并采用 LSD法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 土壤總有機碳質量分數的變化

不同種植年限下，水田和旱地土壤有機碳質量分數存在顯著差異（圖1）。自然土壤開墾后，不同種植方式長期種植下，水田土壤有機碳質量分數顯著高于旱地土壤（P＜0.05），種植水稻100 a，土壤有機碳質量分數高達 34.07 g·kg-1（0—20 cm）和30.93 g·kg-1（20—40 cm），與自然土壤相比，提高了496.22%和534.23%；旱地種植棉花100 a，土壤有機碳質量分數僅為9.01 g·kg-1（0—20 cm）和6.73 g·kg-1（20—40 cm），與自然土壤相比僅提高了70.86%和47.04%。由此可見，在自然土壤基本值一致的情況下，自然土壤開墾后水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質量分數，在研究時間內，水田土壤有機碳質量分數相比旱地土壤有機碳質量分數增加了 25.06 g·kg-1（0—20 cm）和 24.20 g·kg-1（20—40 cm），提高了278.11%和359.57%。

圖1 水田和旱地土壤總有機碳質量分數Figure 1 Changes of soil total organic carbon in paddy field and dry land

兩種不同種植方式下，水田和旱地土壤有機碳質量分數的變化趨勢也存在差異。自然土壤開墾后，水田土壤有機碳質量分數隨著種植時間的延長呈現出快速增加趨勢（圖1a），種植水稻100 a間，與自然土壤相比增加了28.35 g·kg-1（0—20 cm）和25.51 g·kg-1（20—40 cm），年均增加 0.28 g·kg-1（0—20 cm）和 0.26 g·kg-1（20—40 cm）；旱地土壤有機碳質量分數在種植100 a間也表現出增加的趨勢（圖1b），種植 100 a間，與自然土壤相比增加了 3.74 g·kg-1（0—20 cm）和 2.15 g·kg-1（20—40 cm），年均僅增加0.04 g·kg-1（0—20 cm）和0.02 g·kg-1（20—40 cm），增加速度顯著低于水田土壤有機碳的增加，且在研究期內，水田土壤有機碳質量分數呈顯著增加趨勢，旱地則表現為波浪式增加并趨于穩定。由此可以說明，在兩種不同的種植方式下，在干旱半干旱區水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質量分數，對土壤肥力的提升作用更明顯。

2.2 土壤團聚體質量分數變化

作為土壤結構的基本單元土壤團聚體是土壤的重要組成部分，其數量和質量直接決定土壤質量和肥力，對土壤的諸多物理化學性質及生物化學性質也有具有重要影響（薛彥飛等，2015；張維俊等，2019；白怡婧等，2021）。兩種不同的種植方式下，水田和旱地土壤團聚體質量分數在種植時間內存在明顯差異（圖2）。＜53 μm團聚體在水田和旱地種植下都呈現出下降趨勢，但水田＜53 μm團聚體則在種植100 a內逐步減少（圖2a），與自然土壤開墾前降低了57.84%；而旱地土壤在0—10 a間快速下降，降低了67.79%，之后＜53 μm團聚體維持在230.67—252.33 g·kg-1之間的穩定水平（圖2b）。

在自然土壤開墾后，53—250 μm 微團聚體和＞250 μm水穩性團聚體在水田和旱地種植下也表現出不同的變化趨勢。水田種植下，53—250 μm微團聚體和＞250 μm水穩性團聚體在研究時間內逐步增加（圖2 a），100 a內分別增加了199.80 g·kg-1和 321.60 g·kg-1，與自然土壤開墾前相比提高了247.28%和1816.95%；旱地種植下，53—250 μm微團聚體在0—5 a間快速增加（圖2b），增加了231.21 g·kg-1，5 a后基本維持在一個相對穩定的水平（242.59—288.98 g·kg-1）；而在自然土壤開墾后，水田土壤＞250 μm水穩性團聚體持續增加的時間要晚于53—250 μm微團聚體，在0—50 a間，與自然土壤相比增加了 493.82 g·kg-1，提高了 3081.68%，50—100 a間旱地土壤＞250 μm 水穩性團聚體變化不大。由此可以說明，在水田和旱地種植下，水田比旱地更有利于土壤結構的改善和提高，促進土壤結構向健康方向發展。

圖2 水田和旱地土壤團聚體質量分數變化Figure 2 Changes of soil aggregate mass fraction in paddy field and dry land

2.3 土壤團聚體有機碳質量分數變化

土壤團聚體是由土壤顆粒自然形成的顆粒或小團塊結構，土壤團聚體的穩定性是預測土壤水分流失和土壤侵蝕能力的重要指標（Li et al.，2020）。由圖3可知，兩種不同的種植方式下，水田和旱地土壤團聚體有機碳質量分數的變化之間存在不同，在荒地開墾后的100 a間，水田土壤＞250 μm水穩性團聚體有機碳質量分數顯著大于旱地土壤，水田比旱地高出了492.67%，且水田＞250 μm水穩性團聚體有機碳質量分數在種植時間內呈現遞增的變化趨勢（圖 3a），在荒地開墾種植水稻的 100 a間＞250 μm水穩性團聚體有機碳質量分數（與荒地相比增加了22.95 g·kg-1，提高了1596.16%；而旱地土壤＞250 μm水穩性團聚體有機碳質量分數則在種植0—10 a間表現出增加的趨勢（圖3b），增加了 3.25 g·kg-1，提高了 452.86%，10 a后＞250 μm 水穩性團聚體有機碳質量分數基本保持在相對穩定的水平（3.89—4.28 g·kg-1）。53—250 μm 微團聚體有機碳質量分數在兩種種植方式下也表現出水田顯著大于旱地，水田比旱地高出了145.30%，但水田和旱地在種植時間內（100 a）都呈現一致的增加趨勢。在荒地開墾種植水稻的100 a間，＜53 μm團聚體有機碳質量分數在水田和旱地種植下都呈現出下降趨勢，但水田＜53 μm有機碳質量分數則在種植 100 a內逐步減少，與自然土壤開墾前降低了45.28%；而旱地土壤在0—10 a間快速下降，降低了61.45%。水田比旱地增加了0.89 g·kg-1，提高了78.15%。

圖3 水田和旱地土壤團聚體碳質量分數變化Figure 3 Variation of carbon mass fraction of soil aggregates in paddy field and dry land

由此可知，隨著種植水稻時間的延長，＞250 μm和 53—250 μm水穩性團聚體有機碳質量分數成為土壤有機碳質量分數分配的主體，＜53 μm團聚體有機碳質量分數呈現下降。說明＞250 μm和53—250 μm水穩性團聚體能夠固持更多的土壤有機碳，對土壤結構的改善和提高具有重要作用。

2.4 水田和旱地養分變化情況分析

土地利用方式改變會通過影響地表植被狀況、凋落物及土壤微生物種類、數量等引起土壤養分在土壤系統中的再分配，進而影響土地的生產力和土壤質量。由表1可知，在兩種不同的種植方式下，水田和旱地的土壤養分變化情況存在著不同（王少昆等，2013；曲文杰等，2014）。水田土壤養分質量分數表現0—5 a間呈總體增加趨勢，5—10 a間呈下降，10—90 a間全氮、速效氮、速效磷的質量分數增加 1.82、54.37、69.67 g·kg-1，年均增加了 0.02、0.60、0.77 g·kg-1；全磷質量分數在種植的100 a間總體呈現增加趨勢，相比荒地0 a，土壤全磷質量分數增加了 1.02 g·kg-1。旱地土壤養分全氮、全磷的質量分數在種植0—10 a間呈現逐步增加并達到峰值，分別達到 0.84 g·kg-1和 1.28 g·kg-1，10—15 a 開始下降并穩定與 0.64—0.78 g·kg-1和 0.66—0.99 g·kg-1之間；土壤速效氮、速效磷和速效鉀的質量分數在種植0—20 a間呈現倒“W”變化趨勢，20—100 a間基本維持在 39.50—58.70 g·kg-1和 11.70—17.40 g·kg-1之間；速效鉀質量分數在種植第2 a達到最大值后，開始下降也開始趨于穩定。在荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷質量分數顯著大于旱地土壤，分別高出31.6%、19%和16.3%、6%；旱地土壤的速效鉀質量分數則大于水田土壤，高出2.40%。由此可見，隨著種植年限的延長，不同的土地利用方式改變了土壤養分質量分數。

表1 水田和旱地養分質量變化情況Table 1 Nutrient changes in paddy and dry land

2.5 土壤團聚體及其有機碳質量分數間相關性分析

水田和旱地土壤團聚體質量分數與其有機碳質量分數之間呈正相關關系（圖4、圖5），不同粒徑團聚體質量及其有機碳質量分數之間相關關系表現不同，水田和旱地＜53 μm團聚體及其有機碳之間滿足線性相關關系；水田＞250 μm和53—250 μm團聚體及其有機碳之間符合指數相關關系（y=1.1672e0.008x，r=0.9454；y=0.6417e0.0068x，r=0.8895），旱地＞250 μm及其有機碳之間則符合對數相關關系（y=0.9956lnx-2.0529，r=0.9907）；53—250 μm 團聚體及其有機碳之間符合指數相關關系（y=0.5793e0.0043x，r=0.6752）。

圖4 水田土壤團聚體質量分數與其有機碳質量分數相關性分析Figure 4 Correlation analysis between paddy soil aggregates and their organic carbon mass fractions

圖5 旱地土壤團聚體及其有機碳質量分數間相關性分析Figure 5 Correlation analysis of soil aggregates and their organic carbon contents in dry land

3 討論

3.1 水田和旱地土壤總有機碳分析

土壤有機碳是構成土壤團聚體的最主要的膠結物質，在土壤團聚體的形成過程中發揮著關鍵作用（胡堯等，2018），不同的土地利用方式會顯著影響土壤有機碳質量分數（鞏杰等，2011）。有研究發現 0—20、20—40 cm 土層水田土壤有機碳及活性有機碳質量分數顯著高于旱地（李欣雨等，2017），水田土壤有機碳質量分數明顯高于旱地（張晗等，2018）。也有研究發現，有機碳、全氮的質量分數均隨土層深度增加而逐漸減小，且林地、撂荒地有機碳遞減幅度高于水田、旱地，相對于撂荒地和旱地，水田、林地更利于有機碳、全氮質量分數的積累（鄭杰炳等，2008）。本研究發現了類似的規律，隨著種植年限的增加，在自然土壤基本值一致的情況下，自然土壤開墾后水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質量分數，這與汪明霞等（2012）得出的水田的土壤有機碳質量分數明顯高于其他利用方式和黃先飛等（2018）得出的喀斯特小流域土壤有機碳平均密度呈現出水田高于旱地的結果相一致。土壤總有機碳質量分數變化與其他土地利用方式密切相關，半干旱區的林地、草地經過開墾后農田土壤有機碳質量分數呈下降趨勢，其成因很可能是由于頻繁的耕種措施增加了土壤溫度，加劇土壤中有機碳的礦化速率（李龍等，2020），從而使得農田土壤的有機碳質量分數顯著低于林地、草地（李龍等，2020）。巴西亞熱帶森林轉變為甘蔗地后，在最開始12 a當中，有機碳儲量下降了28%，50 a后有機碳儲量下降了42%（張仕吉，2015）。有學者研究指出荒地開墾為耕地后，由于荒地土壤有機碳質量分數比開墾時質量分數較低，開墾后使得耕地生產力提高，從而改善了土壤的水分和養分狀況，隨著種植年限的增加，土壤的生物環境得到改善和提高，改善了土壤理化狀況，也因此提高了土壤碳庫的補償作用，使有機碳質量分數增加（雷軍等，2017），由此可以看出，新疆屬于干旱半干旱荒漠區，土壤有機碳質量分數普遍較低，荒地開墾后，改善了土壤生態環境，提高了土壤有機碳的輸入，也因此增加了土壤有機碳質量分數，水田相比旱地輸入土壤的有機碳更多，其有機碳的增加相比旱地更高。

3.2 土壤團聚體及團聚體碳質量分數分析

土壤團聚體通過其對有機碳固存、土壤強度、植物根系萌生和生長的機械阻力、通氣、表面結皮、侵蝕、滲透的影響，對土壤執行生態系統功能的能力產生重大影響（Okolo et al.，2020）。有研究資料指出，在自然土壤（或荒地）開墾為農田后，隨著種植年限的增加，53—250 μm微團聚體和＞250 μm水穩定性團聚體質量分數呈增加趨勢。李欣雨等（2017）研究發現，在0—20、20—40 cm土層中，隨著稻田植茶年限的增加，土壤團聚體質量分數以＞2000 μm 粒徑團聚體為主轉變為以＜250 μm 粒徑團聚體為主；而在40—60 cm土層中，總體上＜250 μm粒徑團聚體質量分數占據著主要地位。劉真勇等（2019）研究表明，花生旱地向新、老稻田轉換的過程中，剖面土壤＞250 μm團聚體質量分數的比例呈現出“低—高—低”的變化趨勢，250—53 μm團聚體質量分數的比例呈現出“高—低—低”的變化趨勢，而＜53 μm 團聚體質量分數的比例呈現出“低—低—高”的變化趨勢。本研究也發現類似規律（如圖2所示），在不同土地利用的方式下，在研究時間土壤團聚體質量分數逐步增加，這是由于自然土壤開墾后，地上地下的生物量增多，新形成的顆粒有機物和秸稈還田使植物殘體及其代謝分泌物和土壤充分地混合，增加了土壤粘結物，并影響原有的土壤結構和生物、化學性質（Kay，1998）。水田土壤灌水和曬田的干濕交替加上特殊的管理措施，使得土壤較容易產生較大團聚體結構（章明奎等，2002；鄭子成等，2011；毛霞麗等，2015）。對旱地而言，翻耕會造成土壤大團聚體的破碎，從而減少了大團聚體的質量分數，這與眾多學者的研究，均發現隨著不同土地利用年限的延長，團聚體穩定性呈增加趨勢，總體表現為水田大于旱地的結果一致（Wang et al.，2016；劉曉利等，2009；羅曉虹等，2019）。由此可見，在干旱半干旱荒漠區，荒地開墾為旱地、水田后，隨著種植年限的延長，土壤中的化學、物理和生物環境得到改善，微生物的生物量和代謝物增加，這些代謝物被用作加速細顆粒向大顆粒轉化的介質（Jastrow，1996），增加了土壤大團聚體的質量分數。

土壤中的有機質作為重要的膠結物質可以促進團聚體的形成，良好的團聚體結構進而又能提高土壤有機碳固持（張玉銘等，2021）。本研究發現，開墾增加了土壤＞250 μm和53—250 μm水穩性團聚體碳質量分數，且水田明顯大于旱地，這與前人的研究結果＞250 μm和 53—250 μm的團聚體有機碳質量分數表現為林地＞水田＞菜地＞旱地＞果樹地相一致（郭媛，2021），究其原因這可能是由于荒地開墾后，增加了土壤有機物的輸入，為微生物提供生長和發育提供所必須的營養物質，進而提高微生物的代謝，真菌菌絲和根系分泌物等有機膠結物質粘結（Jastrow et al.，2007）促進微團聚體向＞250 μm大團聚體形成，從而固定更多的有機碳質量分數。由此可見，在干旱半干旱荒漠區，荒地開墾為水田、旱地后，隨著種植年限的延長，水田和旱地＞250 μm和 53—250 μm 水穩性團聚體可以固持更多的土壤有機碳，對于土壤結構的改善和提高具有重要作用。

3.3 水田和旱地養分變化情況分析

土壤肥力是土壤物理、化學、養分質量分數以及微生物等屬性的綜合體現，農田土壤養分的高低除受土壤本身的影響外，還與施肥及耕作制度有關（Mowo et al.，2006）。孫波等（2002）研究表明，將紅壤荒地開墾為水田后土壤肥力有增加趨勢，旱地系統中速效磷和速效鉀質量分數增加；旱坡地紅壤全氮和速效鉀的質量分數變化與氮、鉀的平衡量顯著相關。本研究中，水田土壤養分質量分數在20—30 a時全氮和全磷的質量分數呈下降趨勢，速效氮、磷、鉀的質量分數呈上升趨勢；旱地土壤養分質量分數20—30 a時土壤養分質量分數總體呈上升趨勢；水田土壤的全氮和全磷質量分數顯著大于旱地土壤，分別高出31.6%和19%，速效氮和速效磷的質量分數也顯著大于旱地土壤，分別高出16.3%和6%，這與孫波等（2002）的研究結果相一致。王晉等（2014）研究指出水稻種植較旱地更利于土壤氮素的保存和利用，這與本研究中荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷的質量分數顯著大于旱地土壤的研究結果相一致。由此可見，在干旱半干旱荒漠區，荒地開墾為水田、旱地后，隨著種植年限的延長，土壤全氮、全磷及速效氮、速效磷、速效鉀的質量分數均呈增加的趨勢，其中水田土壤的養分質量分數顯著高于旱地土壤。

4 結論

（1）荒地開墾種植作物后，改變了土壤的物理、化學和微生物等環境條件，同時稻田土壤有機物質的輸入高于旱地，從而引起水田土壤有機碳質量分數高于旱地土壤有機碳質量分數。

（2）水田＞250 μm土壤水穩性團聚體及其有機碳質量分數明顯大于旱地，但水田和旱地土壤團聚體與其有機碳質量分數之間都呈正相關關系。

（3）在荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷質量分數顯著大于旱地土壤，旱地土壤的速效鉀質量分數則大于水田土壤。

（4）在新疆獨特的地理環境條件下，荒地開墾后水田比旱地更有利于土壤有機碳質量分數的提高和水穩性團聚體顆粒的形成，從而促進土壤結構向良性方向發展。