旱地轉變為稻田對關鍵帶紅壤剖面土壤團聚體碳含量的影響*

劉真勇 高 振 王艷玲 姚 怡

（南京信息工程大學應用氣象學院生態氣象環境研究中心，南京 210044）

碳循環是影響全球氣候變化的重要過程，而土壤碳庫的存儲數量與質量是影響碳循環的重要環節[1]。土壤作為陸地碳庫的重要組成部分，包含的碳是影響土壤質量與功能的核心要素[2]，它在促進土粒結構形成、增強團粒凝聚性方面有重要作用[3]，而其分解和積累的過程直接影響著全球的碳平衡[4]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其形成過程也是土壤固碳的重要機制，對提高土壤肥力以及調節養分均有重要作用[5-6]。花生旱地和水稻田是紅壤關鍵帶主要的兩種種植模式，了解其全碳穩定機制和礦化規律有助于土地的可持續利用。有研究表明，在水耕條件下，土壤全碳的積累過程大致可分為快速增長和趨于穩定兩個階段，水耕利用的前30年土壤全碳快速增長，水耕利用80年往后增長趨于穩定[7]。還有學者認為，稻田土壤較旱地土壤更具固碳潛力，但對于稻田土壤固碳機制的認識并不深入，現有的大部分資料主要是針對旱地和稻田的總體碳庫進行比較，而對旱地和稻田剖面土壤各粒級團聚體的全碳研究較少[8-9]。由于土壤深層剖面空間巨大，對于碳的固定潛力較高，這也意味著土壤全碳的垂直遷移過程具有重要意義[10]。而土壤團聚體的形成、穩定和性質均與不同形態的鐵鋁氧化物有關，它們在有機無機復合過程中起到了連接作用[11]，但鐵鋁氧化物在旱地轉為稻田后對團聚體碳產生怎樣影響的相關報道較少。在此基礎上，將其與地球“關鍵帶”這種巖石、土壤、水、空氣以及生物相互作用、發生物質和能量交換高度異質性的地表環境相聯系[12]，可以為紅壤區生態系統的整合認知與調控管理提供很好的平臺。

因此，本文在紅壤關鍵帶江西鷹潭孫家小流域觀測站選取了花生旱地、新稻田及老稻田三個典型剖面，重點研究紅壤花生旱地轉為稻田與長期植稻過程中剖面土壤大小團聚體的粒級分布及其對全碳固存與分布的影響，探討大小團聚體碳含量對土壤全碳的貢獻率差異及其與鐵鋁氧化物的相關關系，來更好地理解與分析關鍵帶紅壤旱地與稻田剖面土壤的固碳特征與固存機制，以期為紅壤關鍵帶土壤全碳的管理提供基礎數據，為紅壤區土壤資源的可持續利用提供合理化建議與科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2016年11月，在江西省鷹潭市余江縣孫家小流域的紅壤關鍵帶觀測站（N28°13.7′—28°14.1′，E116°54.2′—116°54.5′）選取花生旱地（PU）、新稻田（NP，＜30a）、老稻田（OP，＞200a）3 個典型剖面，按照30 cm 的土層間隔自下而上地采集剖面樣品，采樣深度為120 cm，每個土層采集6 個重復樣品。將土壤樣品帶回室內，除去小石塊、植物殘體以及動物遺體，在其自然風干時沿土壤自然結構輕輕剝成直徑10 mm 左右的小土塊，風干后，保存備用。各土壤剖面的土層劃分及其理化性質見表1。

表1 紅壤關鍵帶剖面土壤基本理化性質 Table1 Physicochemical properties of the soil profiles at the Red Soil Critical Zone

1.2 土壤團聚體樣本的制備

采用濕篩法將土壤分成 3 個粒級[13]，即稱取20 g 風干土壤樣品放入自上而下篩孔直徑為250 μm和53 μm 的套篩上，加去離子水使其沒過土樣2 cm，靜置10 min 后，開啟DX-100 團聚體分析儀開關，30 次·min-1篩分30 min 后用去離子水由上至下沖洗套篩上的土壤顆粒于已稱重的鋁盒中，放入60℃烘箱中烘干稱重，以此得到粒級為＞ 250 μm 和250～ 53 μm 團聚體的樣本。將＜53 μm 的土壤溶液洗入燒杯中靜置，待土壤樣品沉淀，去除上清液，然后將＜ 53 μm 的土樣用去離子水洗入已稱重的鋁盒中，在60℃烘箱中烘干稱重，得到＜ 53 μm 的團聚體樣本。

1.3 土壤樣品分析

游離態氧化鐵（f-Fe2O3）和游離態氧化鋁（f-Al2O3）采用DCB（連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸氫鈉）法提取。無定形氧化鐵（a-Fe2O3）和無定形氧化鋁（a-Al2O3）采用酸性草酸銨緩沖液（pH=3.17）提取。提取液中的鐵鋁濃度采用電感耦合等離子光譜發生儀（Inductive Coupled Plasma Emission Spectromete，簡稱ICP 儀）測定。具體操作方法詳見文獻[14]。

土壤全碳利用元素分析儀（Vario EL cube）進行測定。團聚體對土壤全碳的貢獻率（%）=[某粒級全碳含量（g·kg-1）×該粒級團聚體比例（%）]×100/ [土壤全碳含量（g·kg-1）]。

1.4 數據處理

數據使用Excel 2007 整合計算，統計分析采用IBM SPSS Statistics 22 軟件，繪圖采用OriginPro 8.5軟件。

2 結 果

2.1 旱地轉為稻田對紅壤剖面團聚體粒級組成的影響

花生旱地、新稻田與老稻田剖面土壤中 53～ 250 μm 微團聚體所占比例依次為58.2%±3.38%、41.9% ± 5.44%和47.4% ± 3.85%，在三個粒級團聚體中占主導地位（表2）。從花生旱地向新、老稻田轉換的過程中，新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 團聚體的比例顯著增加了56%～166%，而老稻田則較新稻田顯著降低了15%～70%；53～250 μm 團聚體的比例表現為新稻田較花生旱地顯著降低了19%～39%，而老稻田相較于新稻田無明顯變化；花生旱地與新稻田剖面土壤中＜ 53 μm 團聚體的比例無顯著差異，而老稻田則較新稻田顯著增加了47%～168%（表2）。可見隨著淹水植稻時間的增加，剖面土壤中＞250 μm的大團聚體比例會先增大再減少，53～250 μm 的微團聚體比例則先減小，之后無明顯變化，而＜ 53 μm的團聚體比例只有在長期淹水之后才會顯著增加。

表2 旱地轉為稻田對剖面紅壤團聚體粒級組成的影響 Table2 Effect of the conversion of upland peanut field into paddy field on particle size composition of soil aggregates in red soil profile

與花生旱地相比，短期植稻（如新稻田）的剖面土壤中＞ 250 μm 大團聚體的比例在0～120 cm 四個土層中均顯著增加，53～250 μm 微團聚體的比例則顯著降低，而＜ 53 μm 團聚體的比例在0～30 cm和30～60 cm 兩個土層顯著降低，但60～90 cm 和90～120 cm 兩個土層無明顯變化，可見初期淹水植稻所增加的大團聚體來源于剖面的每個土層。與短期植稻相比，長期植稻（如老稻田）后的剖面土壤中＞250 μm 大團聚體比例在四個土層中均顯著降低；53～250 μm 微團聚體的比例則在0～30 cm 的土層無明顯變化，往下三個土層中均顯著增加，而＜53 μm 團聚體的比例則在整個剖面中增加顯著。

2.2 旱地轉為稻田下紅壤全碳含量的垂直變化

紅壤關鍵帶的花生旱地與新、老稻田剖面土壤全碳含量均呈現出隨著土層深度的加深先快速降低，然后趨于平穩的趨勢（圖1）。剖面全碳平均含量的大小依次為：老稻田（9.2 g·kg-1）＞新稻田（4.1 g·kg-1）＞旱地（2.1 g·kg-1）；三個剖面土壤中0～30cm土層的全碳含量均顯著高于下面三個土層，且30～120 cm 間三個土層的土壤全碳含量無顯著差異。由圖1可以看出，在花生旱地轉換成新稻田及老稻田的過程中，30～60 cm、60～90 cm 和90～120 cm三個土層的土壤全碳含量均會隨著淹水植稻時間的增加而顯著增高；只有在0～30 cm 的土層中，花生旱地與新稻田的土壤全碳含量無明顯變化，但發育成老稻田后則顯著增高。

圖1 花生旱地與新、老稻田不同土層的全碳含量 Fig.1 Contents of soil total carbon in the soil of the upland peanut field，new paddy field and old paddy field relative to soil layer

2.3 旱地轉為稻田對紅壤剖面各粒級團聚體全碳含量的影響

與花生旱地相比，短期植稻后0～30 cm 土層中各粒級團聚體碳含量均無顯著變化，而長期植稻的土壤則增加顯著（圖2）。短期植稻對30～60 cm 土層中＞ 250 μm 大團聚體的全碳含量無顯著影響，但在長期植稻成為老稻田后，該粒級團聚體全碳含量則會顯著增加；53～250 μm 和＜ 53 μm 團聚體的全碳含量則會隨著淹水植稻時間的增加顯著增加。而在60～90 cm 和90～120 cm 的土層中，＞ 250 μm、250～53 μm 和＜53 μm 三個粒級團聚體的全碳含量都會隨著淹水植稻時間的增加而顯著增大，即各粒級全碳含量大小依次為老稻田＞新稻田＞旱地。

2.4 旱地轉為稻田下紅壤剖面團聚體全碳貢獻率的變化

圖2 花生旱地轉為稻田下不同粒級團聚體全碳含量的剖面分布 Fig.2 Distribution of total carbon content in soil aggregates relative to particle size in the land after conversion from upland to paddy

由表3可以看出，花生旱地剖面土壤中53～ 250 μm 微團聚體對土壤全碳的貢獻率高達51.6% ± 2.20%，顯著高于＞ 250 μm 和＜ 53 μm 粒級團聚體；新稻田剖面土壤中各粒級團聚體對土壤全碳的貢獻率大小依次為：＞ 250 μm 粒級、53～250 μm 粒級、＜ 53 μm 粒級，且各粒級間差異顯著；而老稻田剖面土壤中各粒級團聚體對土壤全碳的貢獻率無顯著差 異。從花生旱地向新、老稻田轉換的過程中，新稻田土壤中＞ 250 μm 團聚體對土壤全碳的貢獻率顯著增加了63%～145%，而老稻田則較新稻田顯著降低了6%～71%（表3）；新稻田土壤中53～250 μm 團聚體的全碳貢獻率顯著降低了22%～36%，而老稻田相較于新稻田無明顯變化；新稻田土壤中＜ 53 μm團聚體的全碳貢獻率無顯著變化，而老稻田則較新稻田顯著增加了31%～168%。可見隨著淹水植稻時間的增加，三個粒級團聚體對土壤全碳貢獻率的整體變化趨勢與土壤團聚體的組成基本一致，但三個粒級團聚體的全碳貢獻率會因為各粒級團聚體含碳量的不同而與剖面土壤的團聚體組成產生較大差異。

短期植稻可以顯著增加剖面土壤中＞ 250 μm 大團聚體在0～120cm 間四個土層中的全碳貢獻率，而顯著降低53～250 μm 和＜ 53 μm 團聚體的全碳貢獻率，即短期淹水植稻大團聚體全碳貢獻率的增加來源于剖面的每個土層。與新稻田相比，長期植稻后0～30 cm 土層中＞ 250 μm 團聚體的全碳貢獻率無明顯變化，而其他土層則顯著降低；0～30 cm 土層中53～250 μm 和＜ 53 μm 團聚體的全碳貢獻率雖無明顯變化，但在其他土層中則顯著增加。

2.5 旱地轉為稻田下紅壤剖面團聚體全碳含量與土壤鐵鋁氧化物的相關性

相關分析表明（表4），花生旱地中各粒級團聚體碳含量均與無定形氧化鐵含量呈極顯著正相關關系（P＜0.01），即隨著土壤中無定形氧化鐵含量的增加，土壤中各粒級團聚體的全碳含量也隨之增大（表4）。短期淹水的新稻田土壤中各粒級團聚體的全碳含量與游離態及無定形鐵鋁氧化物均無顯著相關關系；而長期淹水的老稻田土壤中各粒級團聚體全碳含量與無定形氧化鐵呈極顯著正相關關系（P＜ 0.01），而與游離氧化鐵、游離氧化鋁及無定形氧化鋁均無顯著相關關系。

3 討 論

稻田是經過人為淹水種稻、且水耕熟化作用明顯的一種特殊土壤類型，土壤利用年限和人為管理措施的差異會造成稻田土壤團聚體組成和肥力性狀的顯著變化[15]。本研究發現，相較于花生旱地，短期植稻（＜ 30 a）會使剖面土壤中＞ 250 μm 大團聚體的比例顯著增加，53～250 μm 微團聚體的比例顯著降低，而＜ 53 μm 團聚體比例則無明顯變化；相較于短期植稻，長期植稻（＞ 200 a）的剖面土壤中＞ 250 μm大團聚體的比例卻顯著降低了15%～70%，53～250 μm 微團聚體的比例則無明顯變化，而＜ 53 μm 團聚體比例顯著增加了47%～168%（表2）。花生旱地與新、老稻田剖面土壤中均是53～250 μm 微團聚體占主導地位，且花生旱地和老稻田剖面土壤中53～250 μm 團聚體的比例顯著高于其他兩個粒級，而新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 和53～250 μm 團聚體的比例差異不顯著（表2），這可能是因為大團聚體對外部因素反應敏感，更新速率快[16]，短期植稻的新稻田水耕熟化作用強，有機質增加迅速，促進了＞ 250 μm團聚體的形成[17]，而53～250 μm 微團聚體的穩定性則會比較高。有研究表明，多糖類物質和松結態有機質是大粒級微團聚體形成的主要原因，而黏粒和緊結態有機質則會影響小粒級微團聚體的形成[18]；不同膠結物質的作用程度也會因為團聚體粒級的不同而存在差異[19]。從旱地發育成新、老稻田，每個土層中＞ 250 μm 大團聚體的比例均會先增加、后降低；而250～53 μm 微團聚體的比例則會在短期淹水植稻后就顯著降低，＜ 53 μm 粉黏粒團聚體則是會在長期淹水植稻后才有顯著增加（表2）。這是由于大團聚體的穩定性在很大程度上取決于植物根系和菌絲，它們作為有機膠結物質對土壤大團聚體的形成具有明顯地促進作用，而土壤微團聚體的穩定受植物和微生物產生多糖類物質的影響[20]。由此可以說明旱地經過長期淹水作用的影響，剖面土壤中＜ 53 μm 團聚體和緊結態有機質增多，導致在形成老稻田后剖面土壤中＜ 53 μm 團聚體的比例得到顯著增加。

表4 剖面紅壤各粒級團聚體全碳含量與鐵鋁氧化物的相關系數 Table4 Correlation coefficients of content of total carbon in soil aggregates with Fe-Al oxides in the soil profile relative to particle size fraction

紅壤花生旱地轉換為稻田可以顯著增加土壤全碳含量（圖1）。在水耕利用條件下，人為管理程度較高，肥料的不斷施入及大量作物殘體的歸還，會使形成的土壤有機物質量增大，而稻田這種特殊的厭氧環境，就會使土壤全碳在水耕熟化的過程中慢慢增加[21-22]。本研究中的花生旱地、新稻田與老稻田三個剖面土壤的全碳含量均隨著土層深度的加深先快速降低，然后趨于平穩（圖1），這符合土壤全碳的剖面變化規律[23-25]。三個剖面土壤各個土層中均是53～250 μm 微團聚體的全碳含量最低，這可能是因為＞ 250 μm 大團聚體包含了小粒徑團聚體和有機膠結物[26]，而＜ 53 μm 團聚體的黏粒含量較高，易與有機碳形成復合體有關[27]。但是在旱地轉為新稻田及老稻田后，不同土層與不同粒級團聚體全碳含量的變化又會隨著水耕時間的增加而存在差異；水耕熟化作用增加的土壤全碳，在0～30 cm 土層中僅有長期植稻才會顯著增加，并且增加的全碳來自于＞ 250 μm、53～250 μm 和＜ 53 μm 這三個粒級的團聚體；30～60 cm 土層新增加的全碳在短期植稻后被53～250 μm 和＜ 53 μm 團聚體所固持，而長期植稻后三個粒級的全碳含量均增加顯著；60～90 cm和90～120 cm 土層中三個粒級團聚體所含全碳均隨著植稻時間的增加持續增長，直至稻田土壤發育完全（圖2）。

比表面積巨大的鐵鋁氧化物對可溶性有機物有較高的吸附能力，這在很大程度上決定了土壤有機碳的積累和穩定[28]。尤其是在酸性土壤中，有機碳與無定形鐵鋁氧化物之間的相互作用對有機碳的穩定機制有重要的調控作用[29]。這與本文的研究結果類似，紅壤屬于酸性土壤，土壤中無機碳含量非常低[30]，導致旱地和老稻田剖面土壤中＞ 250 μm、53～250 μm、＜ 53 μm 三個粒級團聚體的全碳含量均與無定形氧化鐵呈極顯著正相關關系（表4），但新稻田土壤中這三個粒級團聚體的全碳含量卻與游離態及無定形鐵鋁氧化物均無顯著相關關系（表4），這可能是因為紅壤中無定形氧化鐵更有利于大團聚體的形成[31]，而新稻田剖面中＞ 250 μm 大團聚體的比例顯著高于花生旱地和老稻田（表2），說明新稻田無定形氧化鐵增加迅速，使得三個粒級的全碳含量與土壤所含的無定形氧化鐵無顯著關系（表4）。有研究表明，稻田的固碳與碳更新主要反映在團聚體碳組分的變化上，新碳主要被粗團聚體的物理結構所保護[32]。在本研究中，旱地紅壤53～250 μm微團聚體對土壤全碳的貢獻率顯著高于＞ 250 μm 和＜ 53 μm 團聚體（表3），這與旱地三個粒級團聚體比例大小一致（表2），所以旱地土壤的全碳主要來源于53～250 μm 微團聚體；但新、老稻田卻不同，雖然新、老稻田中53～250 μm 微團聚體的比例占主導地位，但這一粒級比例相較于旱地已經有所下降（表2），并且＞ 250 μm 和＜ 53 μm 團聚體所含的全碳含量高于53～250 μm 微團聚體，所以在短期植稻后，新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 團聚體對全碳的貢獻率顯著增加，明顯高于另外兩個粒級；待稻田發育成型后，老稻田剖面中＞ 250 μm 團聚體的全碳貢獻率會下降，＜ 53 μm 團聚體的貢獻率會上升，直至三個粒級對土壤全碳的貢獻率無顯著差異。

4 結 論

紅壤關鍵帶的花生旱地、新稻田和老稻田剖面土壤中53～250 μm 微團聚體的比例高達41.9%～ 58.2%?；ㄉ档剞D變為新、老稻田的過程中，各土層土壤均呈現出53～250 μm團聚體先團聚成＞ 250 μm大團聚體，而后分散成＜ 53 μm 團聚體的過程。短期植稻與長期植稻都可以顯著增加關鍵帶紅壤60～90 cm 和90～120 cm 這兩個較深土層各粒級團聚體的全碳含量，但只有長期植稻才能顯著增加0～30 cm和30～60 cm 這種較淺土層各粒級團聚體的全碳含量，且旱地與老稻田各粒級團聚體的全碳含量與無定形氧化鐵的含量呈極顯著正相關關系?；ㄉ档刂?3～250 μm 微團聚體對土壤全碳貢獻率最大；新稻田中＞ 250 μm 大團聚體對土壤全碳貢獻率最大；而老稻田中＜ 53 μm 團聚體對土壤新增加的全碳貢獻最大，并且集中在較深的土層中，但＞ 250 μm、53～250 μm 和＜ 53 μm 這三個粒級的團聚體對土壤全碳的貢獻率無顯著差異。