水稻種植對(duì)沿海灘涂土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

張 蛟，崔士友，胡帥棟，翟彩嬌，汪 波

（1.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226541；2.浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300）

種稻改良鹽堿地是古今傳承的科學(xué)方法，鹽堿地種稻“于改良于利用”，是勞動(dòng)人民的偉大貢獻(xiàn)［1］。近幾年，鹽堿地水稻高產(chǎn)高效栽培技術(shù)研究已成為有關(guān)灘涂沿海農(nóng)業(yè)開發(fā)的熱點(diǎn)問(wèn)題。江蘇省農(nóng)科院王才林研究員指出，沿海灘涂進(jìn)行水稻種植，形成特殊水環(huán)境具有淋溶壓鹽降鹽和平衡土壤肥力等生態(tài)效應(yīng)，有助于鹽堿地土壤的持續(xù)改良。而且水稻非常適合機(jī)械化收種和規(guī)模經(jīng)營(yíng)，與沿海灘涂人煙稀少、勞動(dòng)力短缺的特點(diǎn)正好吻合［2］。然而，沿海灘涂進(jìn)行水稻栽培過(guò)程中，經(jīng)常面臨著土壤鹽分變化快、易返鹽等鹽害問(wèn)題和土壤肥力低下的問(wèn)題［3-5］。因此，在沿海灘涂發(fā)展稻田過(guò)程中，進(jìn)行灘涂稻田土壤鹽分和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要意義。

土壤有機(jī)碳含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量或健康的重要指標(biāo)，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低［6-8］。前人研究報(bào)道稻田土壤有機(jī)碳含量隨開發(fā)年限的增加而增加，有機(jī)碳含量的增加速度隨著開發(fā)年限的增加逐漸減少［6］，同時(shí)種植年限較長(zhǎng)水稻土上種植的水稻產(chǎn)量比較高［9-10］。盡管前人已對(duì)稻田有機(jī)碳含量變化及積累特征進(jìn)行了不少研究，但關(guān)于沿海灘涂圍墾區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳變化特別是活性有機(jī)碳變化的研究還未見報(bào)道。

土壤活性有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳中最活躍的部分，在土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易礦化和易于被植物和土壤微生物利用［11-13］。以往用于表征土壤活性有機(jī)碳的方法與指標(biāo)較多，如微生物量碳（MBC）、水溶性有機(jī)碳（DOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）、顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）等，其中可被0.333 mol/L高錳酸鉀氧化的易氧化有機(jī)碳基本上可代表土壤中可被微生物利用有機(jī)碳的總量［14-15］。另外，活性有機(jī)碳與有機(jī)碳總量的比值可以指示土壤有機(jī)碳的活性，在一定程度上可表征土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性［16］。評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量或健康時(shí)，不僅與土壤有機(jī)碳的含量有關(guān)，而且與土壤有機(jī)碳的活性有著密切的關(guān)系。因此，筆者對(duì)灘涂圍墾區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)展開土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的研究，這對(duì)更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)灘涂圍墾區(qū)稻田土壤質(zhì)量變化，進(jìn)而科學(xué)可持續(xù)地利用灘涂土壤資源具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與采樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇如東縣灘涂線方凌墾區(qū)（32°35′47″N，120°55′6″E），為 2010年新圍墾潮上帶灘涂，地下水位約1.2～1.5 m，土質(zhì)為中壤土，土壤類型為濱海鹽土，鹽分離子主要以Na+、Cl-為主。近10年來(lái)，年平均氣溫為15.1℃，年平均日照2 136 h，全年無(wú)霜期225 d，年均降水量1 042 mm，降水相對(duì)集中在6～9月，占到全年總降水量的55%～80%。2013年開始第一期水稻種植，大約5.3 hm2，種植水稻前利用淡水或微咸水洗鹽3～5次，使表層土壤水分飽和下鹽分維持在3 g/kg以下；2016年進(jìn)行第二期水稻種植，大約6 hm2。同時(shí)，水稻收獲后均采用全量秸稈還田方式。水稻種植田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥和病蟲害管理進(jìn)行，其中基肥施用復(fù)合肥（N 15%，P2O515%，K2O 15%）約750 kg/hm2，分蘗肥施用尿素150～180 kg/hm2及穗肥施用尿素180～225 kg/hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣

2016年11月水稻收獲后，對(duì)第一期（種稻4年，4-Y，水稻產(chǎn)量大約6 000～6 750 kg/hm2）和第二期（種稻1年，1-Y，水稻產(chǎn)量大約4 500～5 250 kg/hm2）土壤0～10、10～20和20～30 cm土壤分層采樣，并對(duì)鄰近未進(jìn)行利用灘涂荒地作為對(duì)照（CK，0-Y）進(jìn)行土壤采樣，每個(gè)種植年限選取4個(gè)試驗(yàn)田塊，多點(diǎn)采樣混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤鹽分、pH值、有機(jī)碳以及活性有機(jī)碳，并計(jì)算灘涂稻田碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）、碳庫(kù)指數(shù)（CPI）、碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）及碳庫(kù)活度（A）等指標(biāo)。

1.3 土壤測(cè)定與方法

土壤鹽分、pH值、水分和有機(jī)碳（SOC）分別采用電導(dǎo)率法（土水比1∶5）、pH計(jì)法（土水比1∶5）、烘干法、重鉻酸鉀-外加熱法，以上方法均參照魯如坤著作［17］。土壤易氧化有機(jī)碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定［18］。具體步驟：秤取過(guò)0.25 mm篩的風(fēng)干土樣約1.5 g于 100 mL離心管中，加入333 mmol/ L KMnO425 mL，在室溫條件下振蕩1 h，2 000 r/min離心5 min，取清液用去離子水按1∶250稀釋，在分光光度計(jì)565 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行比色。由不加土壤的空白與土壤樣品的吸光率之差，計(jì)算出高錳酸鉀濃度的變化，進(jìn)而計(jì)算出氧化的碳量（即活性有機(jī)碳）。碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）是表征土壤碳庫(kù)變化的指標(biāo)［14，18］。計(jì)算公式為：碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）（%）=碳庫(kù)指數(shù)（CPI）×碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）×100。其中，碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=樣品總有機(jī)碳含量（g/kg ）/參考土壤總有機(jī)碳含量（g/kg）；碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）=樣品碳庫(kù)活度（A）/參考土壤碳庫(kù)活度；碳庫(kù)活度（A）=土壤活性有機(jī)碳含量（AOC）（g/kg ）/土壤非活性有機(jī)碳含量（NAOC）（g/kg）?？傆袡C(jī)碳與活性有機(jī)碳的差值為非活性有機(jī)碳。本文中碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算中的活性有機(jī)碳（AOC）是指易氧化有機(jī)碳，并以對(duì)照灘涂荒地土壤為參照土壤。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003和DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖，采取隨機(jī)區(qū)組單因素方差分析（One-way ANOVA），LSD法進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。根據(jù)建立鹽分含量（YS）和EC1∶5（XEC）之間的擬合方程YS=0.174 XEC2+2.959 XEC-0.110（n=36，R2=0.993，

P＜0.01），本研究中鹽分含量均為測(cè)定EC1∶5后，根據(jù)以上方程計(jì)算得出。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限對(duì)灘涂稻田土壤鹽分的影響

由表1可知，水稻收獲后，與未進(jìn)行利用灘涂荒地（對(duì)照，CK）相比，無(wú)論是第1年種植水稻（1-Y）還是第4年種植水稻（4-Y）的田塊，在0～10、10～20和20～30 cm土層鹽分均顯著降低，而且1-Y田塊各土層鹽分分別降低了94.38%、86.57%和77.48%（P＜0.05），4-Y田塊各土層鹽分分別降低了92.77%、85.94%和77.91%（P＜0.05）；然而，1-Y和4-Y的灘涂稻田土壤鹽分在0～30 cm土層均沒(méi)有顯著性的差異（P＞0.05）。同時(shí)，在灘涂CK田塊，在0～10、10～20和20～30 cm土層鹽分呈現(xiàn)出依次降低趨勢(shì)，而在種植水稻（1-Y和4-Y）田塊中在0～10、10～20和20～30 cm土層呈現(xiàn)出依次升高的趨勢(shì)。

表1 不同種植年限對(duì)沿海灘涂稻田土壤鹽分的影響（g/kg）

2.2 不同種植年限對(duì)灘涂稻田土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響

由表2可知，與CK田塊相比，在1-Y和4-Y田塊，0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)碳含量均顯著提高，且各層分別提高了36.11%和69.17%、37.64%和69.20%、36.42%和57.50%（P＜0.05）；在1-Y和4-Y田塊，0～10、10～20和20～30 cm土層活性有機(jī)碳含量也均顯著提高，且各層分別提高了85.63%和101.20%、89.26%和110.04%，158.70%和243.59%（P＜0.05）；同時(shí)，4-Y田塊各土層中的土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量均顯著高于1-Y田塊。另外，無(wú)論是CK田塊還是種植水稻（1-Y和4-Y）的田塊，在0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

表2 不同種植年限對(duì)沿海灘涂稻田土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的影響 （g/kg）

2.3 不同種植年限對(duì)灘涂稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

由表3可知，沿海灘涂圍墾區(qū)種植水稻后對(duì)提高土壤碳庫(kù)指數(shù)（CPI）、碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）和碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）均具有積極的意義。與CK田塊相比，1-Y田塊在0～10、10～20和20～30 cm土層CPI分別提高了36.10%、37.60%和36.40%，AI分別提高了59.90%、60.70%和123.90%，CPMI分別提高了117.71%、121.10%和205.51%；4-Y田塊在0～10、10～20和20～30 cm土層CPI分別提高了69.20%、69.20%和57.50%，AI分別提高了28.80%、36.80%和173.20%，CPMI分 別 提 高 了117.94%、131.47%和330.33%。相比1-Y田塊，4-Y田塊的稻田耕層0～30 cm的土壤碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)均有不同程度的提高，這說(shuō)明沿海灘涂發(fā)展稻田種植后，短期內(nèi)隨著種植年限的逐漸增長(zhǎng)，有利于改善灘涂土壤質(zhì)量，提高土壤肥力。

表3 不同種植年限對(duì)沿海灘涂稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

2.4 沿海灘涂稻田土壤鹽分與土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳變化之間的相關(guān)關(guān)系

從圖1可知，沿海灘涂種植水稻后，在0～30 cm土層中，土壤鹽分與有機(jī)碳之間具有極顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），同時(shí)土壤鹽分與活性有機(jī)碳之間也具有極顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。另外，筆者對(duì)沿海灘涂稻田土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳分配比例關(guān)系分析表明，土壤有機(jī)碳含量（Y）與活性有機(jī)碳（X）分配比例之間呈顯著的正相關(guān)（P＜0.01），其一元線性回歸方程為：Y=1.635 X+3.333，R2=0.815，n=36。

圖1 沿海灘涂稻田土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳與鹽分之間的相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 沿海灘涂種植水稻對(duì)土壤鹽分、土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響

水稻種植是改良鹽堿地傳統(tǒng)的科學(xué)方法。有研究表明，在鹽堿地種植水稻，短期內(nèi)可以改善土壤pH值和電導(dǎo)率等土壤性狀［3，19-20］。本研究也發(fā)現(xiàn)，與未利用灘涂荒地相比，沿海灘涂種植水稻后，稻田耕層土壤鹽分顯著降低，同時(shí)種植水稻可以改變土壤鹽分的垂直分布規(guī)律，表現(xiàn)為水稻收獲后鹽分自上而下依次升高的趨勢(shì)。出現(xiàn)這些結(jié)果的可能原因主要是沿海灘涂荒地種植水稻時(shí)，水稻生長(zhǎng)期間稻田不斷補(bǔ)充淡水資源或微咸水資源，以保持水稻的正常需水要求；而充足的淡水或微咸水灌溉不僅可以起到洗鹽作用和稀釋表層土壤鹽分濃度的作用，也可以起到控鹽壓鹽的作用，進(jìn)而使土壤耕層土壤鹽分降低，且土壤鹽分在水稻種植期間鹽分隨著水分運(yùn)動(dòng)向下運(yùn)移［3-4，20］。

土壤有機(jī)碳主要會(huì)受到土地利用變化、農(nóng)藝措施管理、自然與人為干擾影響呈現(xiàn)較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)變化，其中土地利用方式的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤有機(jī)碳的影響具有關(guān)鍵作用［11-12，21-22］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿海灘涂種植水稻可以顯著提高稻田耕層土壤有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳含量（表2），且隨著水稻種植年限的增加，耕層土壤有機(jī)碳含量逐漸增加，這與前人在稻田中有關(guān)土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果一致［6，23］。例如湯潔等［6］研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤有機(jī)碳含量隨著開發(fā)年限的增加而增加，有機(jī)碳含量的增加速度隨著開發(fā)年限的增加逐漸減少；蔡家艷等［23］在鄱陽(yáng)湖圍墾區(qū)的稻田研究中也發(fā)現(xiàn)，表層土壤有機(jī)碳隨著圍墾年限具有顯著增加的趨勢(shì)，且表層土壤有機(jī)碳顯著高于底層土壤。同時(shí)，本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，沿海灘涂圍墾區(qū)土壤活性有機(jī)碳與其有機(jī)碳含量具有顯著的正相關(guān)（P＜0.01），表明土壤活性有機(jī)碳可用于表征該區(qū)域土壤碳庫(kù)的變化大小，這與巫芯宇等［16］的研究發(fā)現(xiàn)一致。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，沿海灘涂種植水稻后，土壤鹽分與有機(jī)碳及活性有機(jī)碳之間均具有極顯著的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這與Su等［13］在鹽堿濕地中的研究結(jié)果相似。這些研究結(jié)果說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著沿海灘涂發(fā)展稻田土壤鹽分逐漸降低，土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量均會(huì)逐漸增加，同時(shí)若灘涂土壤表層鹽分不斷累積將不利于灘涂土壤有機(jī)碳的積累［11，13，24］。因此，在進(jìn)行研究灘涂地區(qū)土壤有機(jī)碳平衡和農(nóng)田土壤肥力改善時(shí)，需要綜合考慮灘涂土壤降鹽及控鹽的問(wèn)題。

3.2 沿海灘涂種植水稻對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

前人研究表明，活性有機(jī)碳含量與土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）之間具有密切的相關(guān)性，同時(shí)水稻產(chǎn)量與活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)均存在極顯著的相關(guān)性［25］。CPMI結(jié)合了土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤碳庫(kù)活度指標(biāo)，既可以反映外界管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳組分的變化情況，所以能夠較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對(duì)土壤有機(jī)碳性質(zhì)的影響［26-29］。本研究結(jié)果表明，沿海灘涂圍墾區(qū)發(fā)展種植水稻后可以顯著提高土壤碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)，且連續(xù)種植4年水稻的稻田比新墾第1年種植水稻稻田耕層土壤碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)均有不同程度的提高。這些與吳崇書等［15］的研究結(jié)果相似，他們?cè)跒I海地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，隨著濱海鹽土圍墾區(qū)隨著種植農(nóng)作物年限的增加其土壤碳庫(kù)管理指數(shù)逐漸增加。同時(shí)，研究表明灘涂圍墾后的農(nóng)業(yè)活動(dòng)類型與方式是灘涂開發(fā)后影響土壤有機(jī)碳變化的核心要素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然灘涂中的自然主導(dǎo)因子［30］。因此，我們得出結(jié)論，沿海灘涂發(fā)展稻田種植后，隨著種植年限的逐漸增長(zhǎng)和一系列農(nóng)藝措施的進(jìn)行，將有利于改善灘涂土壤質(zhì)量，提高土壤肥力。

4 結(jié)論

在江蘇沿海灘涂圍墾地區(qū)展開水稻種植對(duì)灘涂土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)影響的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：（1）沿海灘涂地區(qū)發(fā)展水稻種植，第1年種植可以顯著降低稻田耕層土壤鹽分，但隨著種植年限的增加，土壤鹽分沒(méi)有顯著地降低趨勢(shì)；（2）發(fā)展水稻種植可以顯著增加灘涂稻田耕層土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，且連續(xù)種植4年水稻較種植1年顯著增加；（3）沿海灘涂發(fā)展水稻種植對(duì)土壤碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)提高均有顯著的積極作用?？傊?，沿海灘涂發(fā)展水稻種植后，有利于降低灘涂土壤鹽分、改善灘涂土壤質(zhì)量和提高土壤肥力。