• ISSN 1008-505X
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北方典型水稻土有机质及其组分演变特征

王莹莹 张昀 张广才 高晓丹 叶超 刘思齐 张雅楠 李丽

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北方典型水稻土有机质及其组分演变特征

    作者简介: 王莹莹E-mail:2391925245@qq.com;
    通讯作者: 张昀, E-mail:33783628@qq.com

Evolutionary characteristics of organic matter and its components in typical paddy soils in northern China

    Corresponding author: ZHANG Yun, E-mail:33783628@qq.com ;
  • 摘要: 【目的】探究我国北方淹育型水稻土在开垦耕种过程中土壤有机质及其组分的演变特征,为提高水稻土有机质的品质、合理利用水稻土及提高其生产潜力、建设高产稳产北方稻田提供理论依据和数据支撑。【方法】本研究以辽宁省各地棕壤和草甸土上发育的不同开垦年限淹育型水稻土为研究对象,通过野外调查、田间定点试验及室内测试分析等手段,研究了开垦年限对水稻土有机质含量与组成及其腐殖质特性的影响。【结果】水稻土耕层有机质总量 (SOM) 随开垦年限的增加维持在18.60~26.30 g/kg之间,与开垦年限无显著相关关系 (P > 0.05),但易氧化有机质含量占有机质总量的比例 (ROM/SOM) 均在50%以上,并且随水稻土开垦年限增加而下降,降幅为18%~20%;有机质氧化稳定系数 (Kos) 均在1.2以下,随着水稻土开垦年限增加呈上升趋势,增幅为52%~57%,胡富比 (HA/FA) 及胡敏酸相对色度 (RF) 随开垦年限增加而增大,但胡敏酸活化度 (AD) 和土壤腐殖质的松/紧 (LCH/TCH) 明显下降。【结论】北方水稻土随着开垦年限的增加,土壤中的有机质稳定性增加,活性降低,耕层土壤对养分的供、贮能力减弱,土壤肥力水平下降,限制了北方水稻土生产潜力的发挥,应通过耕作管理和有机无机肥料配施来防止或减缓水稻土肥力的下降。
  • 图 1  不同开垦年限水稻土中有机质含量及其特征

    Figure 1.  Content and properties of organic matter in paddy soils under different cultivation histories

    图 2  不同开垦年限水稻土的腐殖酸的提取率

    Figure 2.  Humic acid extraction rate of paddy soils under different cultivation years

    图 3  不同开垦年限水稻土的腐殖酸特性

    Figure 3.  Humic acid characteristics of paddy soils under different cultivation years

    图 4  不同开垦年限水稻土有机无机复合状态

    Figure 4.  Organic-mineral composite state of paddy soil under different cultivation years

    表 1  淹育型水稻土样品采集地点

    Table 1.  Location of flooded paddy soil samples

    采样地点
    Sampling location
    采样点数
    Sample No.
    起源土壤
    Original soil type
    开垦年限 (a)
    cultivation history
    水稻产量 (kg/hm2)
    Rice yield
    铁岭县腰堡镇 Yaobao Town,Tieling Country6棕壤 Brown soil 89843 ± 11
    新民市胡台乡 Hutai Village,Xinmin Country5草甸土 Meadow soil 89936 ± 11
    苏家屯区大淑乡 Dashu Village,Sujiatun District5棕壤 Brown soil109095 ± 10
    新民县胡台乡 Hutai Village,Xinmin Country6草甸土 Meadow soil109004 ± 12
    康平县四家子村 Sijiazi Village,Kangping Country7棕壤 Brown soil189542 ± 10
    辽阳县二台子村 Ertaizi Village,Liaoyang Country5草甸土 Meadow soil189542 ± 13
    海城市大王村 Dawang Village,Haicheng Country6棕壤 Brown soil269546 ± 10
    辽阳县黄泥洼镇 Huangniwa Town,Liaoyang Country5草甸土 Meadow soil269534 ± 11
    海城市西四镇 Xisi Town,Haicheng Country8棕壤 Brown soil289635 ± 12
    辽中县刘二堡镇 Liuerbao Town,Liaozhong Country5草甸土 Meadow soil289835 ± 11
    海城市西柳镇 Xiliu Town,Haicheng Country7棕壤 Brown soil369844 ± 12
    新民县大王庄村 Dawangzhuang Village,Xinmin Country5草甸土 Meadow soil369940 ± 12
    于洪区马三家村 Masanjia Village,Yuhong District5棕壤 Brown soil439839 ± 12
    海城市耿庄村 Gengzhuang Village,Haicheng Country6草甸土 Meadow soil439238 ± 10
    苏家屯区大淑乡 Dashu Village,Sujiatun District5棕壤 Brown soil609431 ± 11
    沈阳市于洪区 Yuhong District,Shenyang6草甸土Meadowsoil609250 ± 10
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    表 2  淹育型高产水稻土的基本理化性状

    Table 2.  Basic physical and chemical properties of flooded high-yield paddy soil

    土壤类型
    Soil type
    起源土壤
    Original soil
    土壤质地
    Soil texture
    pH黏粒 (%)
    Clay
    粉粒 (%)
    Silt
    淹育型水稻土
    Flooded paddy soil
    棕壤型Brown soil中壤土Medium loam6.13 ± 0.0332.11 ± 0.2530.54 ± 0.24
    草甸土型Meadow soil中壤土Medium loam6.09 ± 0.0531.98 ± 0.3832.47 ± 0.36
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    表 3  不同开垦年限土壤有机质含量及组成的相关性分析

    Table 3.  Correlation analyses of the soil organic matter content and composition in cultivation history

    项目 Item年限HistorySOMROMROM/SOMKOSHA/FARFQCLCH/TCH
    年限History1
    SOM–0.2891
    ROM–0.674**0.897**1
    ROM/SOM–0.981**0.3070.694**1
    KOS0.977**–0.286–0.676**–0.997**1
    HA/FA0.904**–0.135–0.510*–0.866**0.860**1
    RF0.911**–0.157–0.522*–0.861**0.853**0.984**1
    QC0.943**–0.321–0.684**–0.959**0.953**0.775**0.793**1
    LCH/TCH–0.818**0.4350.718**0.846**–0.835**–0.555*–0.579*–0.932**1
    注(Note):*—P < 0.05 (双侧 Both sides);**—P < 0.01 (双侧 Both sides).
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    [6] 夏海勇王凯荣* . 有机质含量对石灰性黄潮土和砂姜黑土磷吸附–解吸特性的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0609
    [7] 刘小虎贾庆宇高春丽隋小蕙韩晓日 . 土壤胡敏酸与铜、锌离子的络合特征及生物有效性的研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0513
    [8] 王旭东王虎李利敏张予林 . Fe2+与胡敏酸的络合特征及其抗氧化性和生物有效性研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0309
    [9] 汪景宽张旭东张继宏须湘成范冬梅祝凤春 . 覆膜对有机物料的腐解及土壤有机质特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1995.0303
    [10] 曲植李丽娜贾蓉 . 水稻土中水溶性有机碳对铁还原过程的贡献. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17470
    [11] 张玉玲张玉龙虞娜姬景红 . 长期不同施肥对水稻土有机氮素矿化特性影响的研究 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0211
    [12] 刘平徐明岗申华平宋正国杜文波 . 不同钾肥对赤红壤和水稻土中铅有效性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0120
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    [14] 胡君利林先贵尹睿褚海燕王俊华张华勇曹志洪 . 浙江慈溪不同利用年限水稻土肥力特征的比较. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0409
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    [17] 万素梅韩清芳胡守林贾志宽 , . 黄土高原半湿润区苜蓿草地土壤氮素消耗特征研究 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0114
    [18] 唐国勇苏以荣肖和艾黄道友刘守龙黄敏吴金水 . 湘北红壤丘岗稻田土壤有机碳、养分及微生物生物量空间变异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0103
    [19] 冯跃华张杨珠黄运湘 . 湖南稻田土壤有机磷组分的施磷效应、季节变化及生物有效性研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0317
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-03
  • 网络出版日期:  2019-09-20

北方典型水稻土有机质及其组分演变特征

    作者简介:王莹莹E-mail:2391925245@qq.com
    通讯作者: 张昀, 33783628@qq.com
  • 沈阳农业大学土地与环境学院,土肥资源高效利用国家工程实验室,农业部东北耕地保育重点实验室,辽宁沈阳 110866

摘要: 【目的】探究我国北方淹育型水稻土在开垦耕种过程中土壤有机质及其组分的演变特征,为提高水稻土有机质的品质、合理利用水稻土及提高其生产潜力、建设高产稳产北方稻田提供理论依据和数据支撑。【方法】本研究以辽宁省各地棕壤和草甸土上发育的不同开垦年限淹育型水稻土为研究对象,通过野外调查、田间定点试验及室内测试分析等手段,研究了开垦年限对水稻土有机质含量与组成及其腐殖质特性的影响。【结果】水稻土耕层有机质总量 (SOM) 随开垦年限的增加维持在18.60~26.30 g/kg之间,与开垦年限无显著相关关系 (P > 0.05),但易氧化有机质含量占有机质总量的比例 (ROM/SOM) 均在50%以上,并且随水稻土开垦年限增加而下降,降幅为18%~20%;有机质氧化稳定系数 (Kos) 均在1.2以下,随着水稻土开垦年限增加呈上升趋势,增幅为52%~57%,胡富比 (HA/FA) 及胡敏酸相对色度 (RF) 随开垦年限增加而增大,但胡敏酸活化度 (AD) 和土壤腐殖质的松/紧 (LCH/TCH) 明显下降。【结论】北方水稻土随着开垦年限的增加,土壤中的有机质稳定性增加,活性降低,耕层土壤对养分的供、贮能力减弱,土壤肥力水平下降,限制了北方水稻土生产潜力的发挥,应通过耕作管理和有机无机肥料配施来防止或减缓水稻土肥力的下降。

English Abstract

  • 土壤有机质 (SOM) 是土壤肥力的重要物质基础,其含量多少和品质的好坏是评价土壤肥力的重要指标[1]。在对江西红壤丘陵水田[2]、湖南丘陵和洞庭湖湿地地区[3]、太湖地区县域[4]关于土壤有机碳的研究表明,水稻土的固碳效应显著,且速率和调控幅度远大于旱田[5-7]。当然,不同的施肥量[8-9]、土壤类型[10]、耕作制度[11]和管理措施[12]都会在不同程度上影响和调节水稻土的固碳强度。我国是世界水稻生产大国[13],开垦历史悠久且幅员辽阔,国内外对其研究较早也较多。研究发现,近30年来,南方稻田土壤耕作层的有机碳含量随耕作年限逐年增加[14-15],种稻年限在50~2000年内,耕作表层有机碳含量受耕作年限影响较小,30~60 cm土层有机碳含量显著增加[16]。张雯辉等[17]对吉林盐碱土稻田区土壤有机碳含量的研究结果表明,在0~37年内,稻田土壤有机碳含量随耕作年限的增加而增加,有机碳的纵向分布自上而下逐层减少,在稻田开发57年后逐渐趋于稳定。而章明奎等[18]认为从1980年开始的28年间,水稻土SOM含量总体降低,平均降幅为5.58%。由此可见,不同研究者对不同区域的研究结果存在一定的差异。这可能是由于南北方水稻土性质差异造成的,一方面南北方水稻土的起源土壤不同,北方水稻土保留着起源土壤的特性[19]。此外,北方水稻土成土过程也不同于南方水稻土[20-21],北方水稻土腐殖质以胡敏酸为主,而南方土壤中的腐殖质则以富里酸为主[22]。古小治等[23]认为,随着种稻时间变长,结合态的腐殖质和胡敏酸 (HA) 在土壤中积累,在开垦1000年的水稻土中腐殖质的芳化程度最高、结构最复杂。可见,腐殖质的特性影响水稻土SOM生产潜力的发挥[24]。但我国对于北方稻田不同开垦年限土壤各腐殖质组分变化少有研究。

    辽宁省水稻生产的发展从1949年开始,已有69年的历史[25]。在同一区域内,由于气候、母质、地形、生物等自然因素基本相同,时间和人为因素是影响水稻土发育特征的主要因素,其人为因素主要是土壤耕作[26],在耕作强度和水稻熟制变化不大的情况下,耕作年限成为引起水稻土发育特征差异的主导因素。棕壤型和草甸土型水稻土是辽宁省面积大且高产的两种不同类型的水稻土,基础肥力指数均大于60%[27]。但辽宁省的稻田大多由旱田转变而来,由于不完善的水利设施,其中一部分的稻田与旱田不断转变[28],在这种不规律的转变过程中,耕作年限对北方水稻土SOM各组分含量及腐殖酸结构特征的影响有待进一步研究。因此,本文在前人研究的基础上选取辽宁省各地不同开垦年限棕壤型和草甸土型水稻土,采用腐殖质组成修改法与傅积平连续测定相结合的方法,探究北方稻田SOM及其组成的演变特征,旨在阐明长期人为耕作及常规施肥管理对稻田SOM分解和转化特征的影响,为提高北方水稻SOM品质及探明其化学稳定机制,深入认识水耕条件下北方稻田土壤肥力的演变规律提供理论依据。

    • 根据辽宁省现有水稻土的地域分布和水稻土肥力观测基点试验结果,以全国第二次土壤普查所确定的亚类—淹育型水稻土为基本单元进行广泛调查,分别调查其面积、开垦历史、管理方式及环境条件、剖面发育及分化程度,并在相同母质、相同肥力水平 (相同肥力水平的确定以同一地点、同一管理水平条件下的产量差异为标准) 下,采集不同开垦年限的水稻土样品。

      田间试验是在野外调查的基础上设置的定点试验。每个试验点在开垦年限的前3年由旱田种植玉米改成种植水稻,而后每年一季水稻,其采用有机无机相结合的施肥模式,即N 175 kg/hm2 (尿素)、P2O5 90 kg/hm2 (磷酸二铵)、K2O 115 kg/hm2 (硫酸钾)、有机肥 (猪厩肥) 用量为31000 kg/hm2。棕壤型和草甸土型水稻土采自辽宁省各地区不同开垦年限 (分别为8、10、18、26、28、36、43、60年) 的水稻土 (表1)。供试土壤外部环境共同特点是:地形平坦,处于冲积平原或比较开阔的低级阶地,质地和耕层厚度均相同的田块,排灌自由,大多数为井水灌溉,四季分明,日照充足,年平均降水量为400~800 mm,无霜期130~180天,平均无霜期在150天左右,有利于水稻生长,属于温带大陆性季风气候。

      表 1  淹育型水稻土样品采集地点

      Table 1.  Location of flooded paddy soil samples

      采样地点
      Sampling location
      采样点数
      Sample No.
      起源土壤
      Original soil type
      开垦年限 (a)
      cultivation history
      水稻产量 (kg/hm2)
      Rice yield
      铁岭县腰堡镇 Yaobao Town,Tieling Country6棕壤 Brown soil 89843 ± 11
      新民市胡台乡 Hutai Village,Xinmin Country5草甸土 Meadow soil 89936 ± 11
      苏家屯区大淑乡 Dashu Village,Sujiatun District5棕壤 Brown soil109095 ± 10
      新民县胡台乡 Hutai Village,Xinmin Country6草甸土 Meadow soil109004 ± 12
      康平县四家子村 Sijiazi Village,Kangping Country7棕壤 Brown soil189542 ± 10
      辽阳县二台子村 Ertaizi Village,Liaoyang Country5草甸土 Meadow soil189542 ± 13
      海城市大王村 Dawang Village,Haicheng Country6棕壤 Brown soil269546 ± 10
      辽阳县黄泥洼镇 Huangniwa Town,Liaoyang Country5草甸土 Meadow soil269534 ± 11
      海城市西四镇 Xisi Town,Haicheng Country8棕壤 Brown soil289635 ± 12
      辽中县刘二堡镇 Liuerbao Town,Liaozhong Country5草甸土 Meadow soil289835 ± 11
      海城市西柳镇 Xiliu Town,Haicheng Country7棕壤 Brown soil369844 ± 12
      新民县大王庄村 Dawangzhuang Village,Xinmin Country5草甸土 Meadow soil369940 ± 12
      于洪区马三家村 Masanjia Village,Yuhong District5棕壤 Brown soil439839 ± 12
      海城市耿庄村 Gengzhuang Village,Haicheng Country6草甸土 Meadow soil439238 ± 10
      苏家屯区大淑乡 Dashu Village,Sujiatun District5棕壤 Brown soil609431 ± 11
      沈阳市于洪区 Yuhong District,Shenyang6草甸土Meadowsoil609250 ± 10

      土样采集时间为2015年4月整地之前,样地之间距离至少大于3 km (样地的采样点个数见表1),每个采样点5个重复,相距10 m,并且根据田块形状及面积大小,选择蛇形法于田间采样,使用不锈钢土钻采集0—20 cm耕层混合土壤,采取四分法将多余土去除,保留2 kg作为待测样品,风干,过筛。用于土壤理化指标的测定。供试土壤的基本理化性状见表2

      表 2  淹育型高产水稻土的基本理化性状

      Table 2.  Basic physical and chemical properties of flooded high-yield paddy soil

      土壤类型
      Soil type
      起源土壤
      Original soil
      土壤质地
      Soil texture
      pH黏粒 (%)
      Clay
      粉粒 (%)
      Silt
      淹育型水稻土
      Flooded paddy soil
      棕壤型Brown soil中壤土Medium loam6.13 ± 0.0332.11 ± 0.2530.54 ± 0.24
      草甸土型Meadow soil中壤土Medium loam6.09 ± 0.0531.98 ± 0.3832.47 ± 0.36
    • 土壤有机质含量 (SOM) 采用重铬酸钾容量法—外加热法[29]。易氧化有机质含量 (readily oxidizable organic matter,ROM) 及有机质的氧化稳定系数 (Kos) 采用袁可能等的方法[30]

    • 1) 土壤中腐殖酸的提取分别采用0.1 mol/L NaOH + 0.1 mol/L Na2P2O7、0.25 mol/L NaOH和0.25 mol/L NaF作为提取剂,提取的腐殖酸 (HE) 占腐殖质总量 (HT) 的百分数 (HE/HT × 100%) 称为腐殖酸提取率。HA/FA为胡敏酸 (HA) 与富里酸 (FA) 含量的比值,土壤HA、FA采用腐殖质组成修改法[31]提取。

      2) 胡敏酸特性的测定采用将提取的HA在2小时内在215、265、325、465、600及665 nm条件下进行光密度的测定[28]

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

      胡敏酸相对色度 (RF) = E6/V × 100

      E6值为采用0.136 mg/L的HA和FA的0.1 mol/L NaOH溶液分别于波长600 nm处测定其吸光值;V为用来测定E6的30 mL的HA溶液所消耗的高锰酸钾的毫升数。

      3) 有机无机复合度 (quantity of complex organic carbon,QC) 和腐殖质结合形态的测定按傅积平连续测定方法[32]

    • 数据处理和统计分析采用 Microsoft Office Excel 2013和IBM SPSS Statistics 20 软件。绘图采用Origin8.5软件。差异显著性分析用Duncan法,相关性分析采用Pearson 双侧显著检验。

    • 随着开垦年限的增加,水稻土有机质总量 (SOM) 维持在18.40~26.30 g/kg之间 (图1A),草甸型水稻土SOM含量在开垦年限为18年时最高,达25.10 g/kg,而棕壤型水稻土在8年时最高,达26.30 g/kg,通过SOM含量和开垦年限进行相关分析 (表3),发现SOM含量的高低与开垦年限无相关关系,但易氧化有机质含量 (ROM),特别是易氧化有机质含量占有机质总量的比例 (ROM/SOM) 与开垦年限呈显著负相关 (r = –0.981**,P < 0.01,图1C表3),棕壤型和草甸土型水稻土随开垦年限的增加,ROM/SOM的降幅分别为20%和18% (图1C)。有机质氧化稳定系数 (Kos值) 与开垦年限呈显著正相关关系 (r = 0.977**,P < 0.01,图1D表3),棕壤型和草甸土型水稻土随开垦年限的增加,Kos值的增幅分别为57%和52% (图1D)。综上,随着开垦年限的增加,ROM被大量消耗,土壤养分供应能力降低,而Kos值逐渐增加表明难氧化有机质性质稳定,矿化较慢,对养分的供应较慢,水稻土的土壤质量有退化趋势,表明水稻土开垦年限是影响有机质组分和土壤肥力的重要因素。

      图  1  不同开垦年限水稻土中有机质含量及其特征

      Figure 1.  Content and properties of organic matter in paddy soils under different cultivation histories

      表 3  不同开垦年限土壤有机质含量及组成的相关性分析

      Table 3.  Correlation analyses of the soil organic matter content and composition in cultivation history

      项目 Item年限HistorySOMROMROM/SOMKOSHA/FARFQCLCH/TCH
      年限History1
      SOM–0.2891
      ROM–0.674**0.897**1
      ROM/SOM–0.981**0.3070.694**1
      KOS0.977**–0.286–0.676**–0.997**1
      HA/FA0.904**–0.135–0.510*–0.866**0.860**1
      RF0.911**–0.157–0.522*–0.861**0.853**0.984**1
      QC0.943**–0.321–0.684**–0.959**0.953**0.775**0.793**1
      LCH/TCH–0.818**0.4350.718**0.846**–0.835**–0.555*–0.579*–0.932**1
      注(Note):*—P < 0.05 (双侧 Both sides);**—P < 0.01 (双侧 Both sides).
    • 图2表明,随开垦年限的增加,棕壤型和草甸土型水稻土腐殖酸提取率 (HE/HT) 呈下降趋势。但HE/HT在不同开垦年限间,下降幅度略有不同。棕壤型水稻土的HE/HT,在开垦10~26年之间,曲线斜率较大,降幅为0.18~0.22,而开垦26~43年之间,曲线斜率较平稳,降幅为0.03~0.09。两种类型水稻土的HE/HT均是在开垦43年以后,曲线斜率开始增大,下降幅度较明显。北方水稻土HE/HT随开垦年限的增加而下降,表明水稻土中腐殖质含量减少,腐殖化程度加深,有机质不易积累,胡敏酸的活化度 (AD) (图3B) 的变化曲线也充分印证了这一点。

      图  2  不同开垦年限水稻土的腐殖酸的提取率

      Figure 2.  Humic acid extraction rate of paddy soils under different cultivation years

      图  3  不同开垦年限水稻土的腐殖酸特性

      Figure 3.  Humic acid characteristics of paddy soils under different cultivation years

      胡敏酸是土壤腐殖质的重要组成成分,其含量和特性在一定程度上能反映土壤腐殖质的类型和性质。HA/FA比值、胡敏酸的相对色度 (RF) 随水稻土开垦年限的加长而增大,而AD显著下降。长期耕作影响了土壤中HA和FA的转化,两种类型水稻土的HA/FA分别提高了56%和43%,其变化规律与AD呈显著负相关,分别降低了18%和17% (图3B表3)。而RF分别显著提高了18%和17% (图3C),结果表明水稻土在开垦过程中,尤其是开垦年限在10年以上的水稻土,土壤腐殖化程度加深,对维持水稻土肥力是不利的。

    • 有机无机复合状态是表征SOM与矿物质相复合数量及状况的指标。随开垦年限的加长,松结态腐殖质 (LCH) 显著降低,棕壤型水稻土降幅为16%,草甸土型水稻土降幅为17% (P < 0.01,图4A);紧结态腐殖质 (TCH) 显著提高,棕壤型和草甸土型水稻土增幅分别为12%和17% (P < 0.01,图4B)。开垦耕作年限改变了结合态碳在复合体中的分布和松结合态碳与紧结合态碳的比例,LCH/TCH比值下降,棕壤型和草甸土型水稻土降幅分别为25%和29% (图4C),水稻土土壤肥力有下降趋势。土壤有机无机复合度 (QC) 随开垦年限的增加而增加,棕壤型和草甸土型水稻土增幅分别为10%和11% (图4D),不同开垦年水稻土在开垦18年以内,QC和TCH分别提高了1%~4%和5%~6%,LCH降低了4%~6%,而在18~36年期间,各种指标趋于稳定,开垦36年以上各种指标又重新出现明显变化 (图4)。土壤中LCH/TCH与ROM/SOM呈极显著正相关 (r = 0.846**,表3),与Kos值呈极显著负相关 (r = –0.846**,表3)。水稻土复合度在84%以上,未复合的仅有一小部分,这表明北方水稻土壤有机物质的腐化程度均很高,并且多数与无机复合体形成有机无机复合体。土壤腐殖质的结合形态与土壤中腐殖酸特性一样,都是反映土壤有机质品质的重要指标。

      图  4  不同开垦年限水稻土有机无机复合状态

      Figure 4.  Organic-mineral composite state of paddy soil under different cultivation years

    • SOM不同组分其活性不同,有机质氧化稳定系数 (Kos值) 是腐殖质分解的难易、腐殖化程度与近期养分的供应状况的体现,影响土壤肥力的发挥[33]。在本研究中,ROM/SOM随开垦年限的增加逐渐降低,而Kos值的变化趋势与之相反 (图1表3)。ROM易被利用,ROM含量随年限的增加而减少,分解快,故有机质稳定组分相应占比变大,有机质Kos值也较大,不利于有机质的氧化和养分释放[43]。同时,ROM作为易被微生物分解矿化的那部分有机质,与Kos值、AD、QC、LCH/TCH均呈极显著的负相关性 (表3)。综上可知,水稻土的开垦年限是影响有机质组成和土壤肥力的重要因素。在稻田开垦60年间,土壤中ROM含量减少,Kos增大,北方淹育型水稻土对养分肥力的供贮、调控能力减弱,降低土壤肥力水平和养分 (土壤和肥料) 利用率,使地力下降。

    • 影响土壤腐殖酸的提取率 (HE/HT) 有两方面的因素,一方面受浸提剂的影响,另一方面与水稻土的开垦年限有关。常温条件下,用碱直接从土壤中提取出来的是腐殖物质,用能使钙发生沉淀的氟化钠盐 (NaF) 所提取出来的是真正的腐殖酸,不混杂其他的有机物质。所以NaF所提取的腐殖酸量显著低于用碱 (0.1 mol/L NaOH + 0.1 mol/L Na2P2O7、0.25 mol/L NaOH) 所提取的腐殖酸量[35]。本研究结果也证实了这一点,即随着水稻土开垦年限的增加,HE/HT呈下降趋势,三种浸提剂的浸提效果变化趋势一致。其中,HE/HT均是在开垦10~26年之间以及43年以上,下降幅度较明显 (图2),即随水稻土的开垦耕种,土壤腐殖质品质退化现象在开垦10~26年间是一个高峰,而后退化速度较慢,到43年以后又出现退化高峰。在厌氧条件下,一方面,好氧微生物活动受到抑制,腐殖酸具有特殊的高分子结构,不易被微生物分解和转化[36],另一方面,以腐殖酸形式存在的碳素具有更强的稳定性,其含量升高预示着土壤对碳有着更强的固持能力[37],使其不断积累或遭受到淋溶下移,这是随着开垦年限的增加,HE/HT显著降低的主要原因。

      胡敏酸与富里酸的比值 (HA/FA) 表示腐殖质聚合程度,因此,HA/FA在某种程度上反映SOM的稳定性,HA/FA越大,SOM越稳定,腐殖质品质越好[38]。本研究为高产土壤,有机质积累不易,而消耗则很迅速。HA/FA随开垦年限的增加而增加,土壤腐殖化程度升高,但AD明显下降,活性胡敏酸含量降低。导致本研究结果既有外部条件,又有土壤内部因素。外部条件主要是北方水稻土淹水时间较短,但落干时的土壤水分,特别是耕层土壤水分仍接近或超过田间持水量,一年中始终处于非常丰富的状态,造成土壤以还原作用为主[28]。内部因素主要是在开垦种稻过程中,耕层土壤中氧化铁、氧化锰活化以及盐基离子 (主要是Ca2+、Mg2+) 淋移,造成表层土壤发生低价铁、锰离子与盐基离子交换,从而造成结构胶散。

    • 有机无机复合体具有储存土壤中大部分水分和养分作用[39]。LCH来源于土壤中新鲜的有机物质,易被氧化,活性高,其显著降低16%~17%,对耕层土壤中有效养分的供给能力减弱;腐殖物质与矿质土粒复合在一起形成TCH,物理、化学及生物学特性比较稳定,难以转化,其显著提高12%~17%,造成耕层土壤通气透水性不良、结构分散,或使水稻土耕层还原性物质积累[40]。LCH/TCH是衡量腐殖质活性和品质的重要指标[41],LCH含量降低,TCH含量提高,LCH/TCH比值降低25%~29% (图4D),表明腐殖质活性降低,水稻土SOM品质下降,水稻土肥力退化[42]。土壤结合态腐殖质主要是以紧结合态和稳结合态形式存在于土壤中,松结合态含量较低。因此,土壤QC及其结合形态与土壤肥力状况具有密切联系。在水稻土开垦过程中,QC随水稻耕作年限的加长,降低或增加的幅度略有不同。有机质品质的退化,使大部分有机物质与土壤中无机矿质土粒相复合形成较为稳定的有机无机复合体[41]。综上所述,土壤有机质的结合形态与土壤中腐殖酸的特性一样,都是反映土壤有机质品质的重要指标。随开垦年限的加长,松结合态腐殖质显著降低,紧结合态腐殖质和有机无机复合度显著提高,有机质品质退化。

    • 土壤有机质组成、存在状态以及腐殖酸特性的变化,是水稻土是否可获得高产的重要指标。除有机质的数量变化外,有机质的品质变化也是影响水田肥力状况或产量水平的重要因素。我国北方淹育型水稻土,在开垦种稻60年间,随着耕种年限的加长,土壤中易氧化有机质含量、胡敏酸的活化度及松结态腐殖质都显著降低了27%~36%、17%~18%、16%~17%,而胡富比、有机无机复合度则都显著提高了43%~56%、10%~11%。说明北方淹育型水稻土的土壤肥力状况有所恶化,特别是开垦大于36年以上的水稻土,土壤质量有退化趋势,如不及时加以调节,土壤肥力将会持续下降。

参考文献 (43)
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