松嫩平原不同土地利用類型土壤團聚體分布及碳氮磷化學計量特征研究

劉 騫，許明月，魏思雪，王溢琨，王紫含，張 博，湯 潔

（1. 長春大學園林學院，長春 130022；2. 吉林大學新能源與環境學院，長春 130012）

鹽堿土壤是我國主要后備土壤資源之一，鹽堿土壤改良利用和生態建設一直是關注熱點，探究鹽堿區土地利用類型對土壤團聚體分布及其碳、氮、磷化學計量特征影響，對于合理開發利用鹽堿土壤具有重要理論和實際意義。土壤碳、氮、磷與土壤物質循環和能量流動關系密切[1-2]，在形成和穩定土壤結構、提高土壤物理性質等方面發揮重要作用。土壤團聚體是土壤結構基本單元，參與土壤壓實、土壤養分循環、土壤侵蝕、根系滲透和作物生長等多種物理化學過程[3-4]。團聚體穩定性是土壤結構重要指標，土壤結構和團聚體穩定性對提高土壤肥力、土壤可持續性和生產力至關重要[5]。有機碳在不同粒徑團聚體中穩定性不同。研究表明，不同粒級團聚體對土壤養分元素保持、供應及轉化能力存在差異，其中碳、氮、磷存在形態和穩定性也不同[6-7]。同時，不同土地類型和植被下土壤碳、氮、磷含量因植物殘體覆蓋數量、質量及生態環境不同而存在差異[8]，土壤碳、氮、磷及其化學計量變化可反映土壤養分損失程度，有助于揭示不同植被覆蓋與土壤養分損失間相互關系，且土壤深度也是影響土壤養分關鍵因子，從而影響土壤物質循環和團聚體穩定性。故通過土壤化學計量學分析元素之間耦合平衡機制，研究不同土地利用類型對土壤團聚體分布及其碳、氮、磷特征影響，可揭示植物生長和土地養分循環及平衡機制，對土壤環境質量及養分循環研究具有重要意義[9-10]。松嫩平原鹽堿土是世界三大鹽堿土集中分布區之一，且鹽堿程度呈逐年增加態勢，農田產量下降、草地退化，生態環境日趨惡化[11]。目前，鹽堿土壤改良后土壤物理、化學性質變化研究廣泛，而關于松嫩平原不同土地利用類型土壤團聚體化學計量特征研究較少[12-13]。本研究以吉林西部松嫩平原為例，分析不同土地利用類型（水田、旱田、濕地、草地）土壤團聚體粒級分布、土壤碳氮磷含量及化學計量變化特征，闡明不同土地利用類型對土壤團聚體及碳、氮、磷分布特征影響，為該區域土地合理利用、提高土壤質量及防止土壤退化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于松嫩平原西部，是蘇打鹽堿化最嚴重地區，鹽堿地面積約9.69×105hm2。屬半干旱半濕潤大陸性季風氣候，受西風帶和東亞夏季天氣系統影響，氣候敏感，四季差異明顯，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季漫長寒冷，年降水量580 mm；水資源量96×108m3；年日照時間2 700 h，年均氣溫2～6 ℃[14]。該地區經多次沙漠化和鹽堿荒漠化正逆演變過程，形成大面積鹽堿土沉積。研究區位于吉林西部松嫩平原內，主要土地利用方式為農田（旱田、水田）、鹽堿草地、濕地等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與土壤樣品采集

根據土壤和土地利用方式類型圖，結合實地調查，于2019 年9 月采集樣品。每種土地利用方式中分別設置6個20 m2樣方，按照S形采樣法采集0～10、10～20 cm 土層土壤樣品，將每個采樣點相同土層樣品混勻，保持原狀土壤結構并將其帶回實驗室，去除肉眼可見植物殘體和根系等，置于室內陰涼通風處自然風干，備用。采樣點基本信息見表1。

1.2.2 樣品分析方法

根據Elliott干篩法測定土壤團聚體分布和穩定性[15]。具體操作如下，取200 g 土樣過0.5、0.25、0.105 和0.088 mm 篩子，分離得到4 個團聚體粒級（≥0.5 mm，0.25～0.5 mm，0.105～0.25 mm，0.088～0.105 mm），將干篩得到的各級團聚體分別稱重，計算各級團聚體所占比例，測定土壤團聚體中有機碳含量。土壤團聚體有機碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮含量測定采用凱氏定氮法，全磷含量測定采用鉬銻抗比色法[16]。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.3 統計分析和計算

采用Excel 2003 和SPSS 20.0 軟件分析數據并作圖。采用單因素方差分析和最小差數法（LSD）分析差異顯著性，比較不同數據組間差異。

2 結果與分析

2.1 鹽堿土壤團聚體組成特征

干篩法獲得不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體分布和組成見圖1，水田（W1）土壤團聚體含量表現為（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.25～0.5 mm）＞（0.105～0.25 mm）；旱田（W2）、濕地（W3）和草地（W4）土壤團聚體含量均表現為（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.105～0.25 mm）＞（0.25～0.5 mm）。不同土地利用類型下，均以≥0.5 mm 團聚體含量最高，其中水田土壤≥0.5 mm團聚體含量高于其他土地利用類型。

2.2 鹽堿土壤團聚體碳、氮、磷分布特征

不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體有機碳含量變化為1.56～16.45 g·kg-1（見圖2），0～10 cm、10～20 cm 土層有機碳含量總體表現為水田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地有機碳含量最低。≥0.5 mm 團聚體有機碳含量顯著高于0.105～0.25 mm粒級團聚體。不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體全氮含量變化為0.23～2.47 g·kg-1（見圖3），0～10 cm、10～20 cm土層全氮含量總體表現為水田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地全氮含量最低。 ≥0.5 mm 團聚體全氮含量最高，0.088～0.105 mm團聚體全氮含量次之。濕地和草地0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團聚體全氮含量無顯著差異。不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體全磷含量變化為0.13～2.14 g·kg-1（見圖4），0～10 cm、10～20 cm 土層全磷含量總體表現為旱田顯著高于其他土地利用類型（P＜0.05），草地全磷含量最低。旱田和濕地土壤≥0.5 mm團聚體全磷含量顯著高于0.105～0.25 mm 粒級團聚體。草地土壤全磷含量各粒級間無顯著差異。

2.3 鹽堿土壤團聚體化學計量特征

不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體化學計量特征C∶N 變化為4.96～10.14 g·kg-1（見圖5）。≥0.5 mm 團聚體C∶N 無顯著差異；0.25～0.5 mm 團聚體C∶N 草地顯著低于其他土地利用類型（P＜0.05）；0.105～0.25 mm 團聚體C∶N 水田最高，草地最低，而旱田與濕地無顯著差異；0.088～0.105 mm團聚體C∶N 草地顯著高于其他土地利用類型土壤（P＜0.05），水田和旱田無顯著差異。不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體化學計量特征C∶P 變化為5.00～27.81 g·kg-1（見圖6）。≥0.5 mm團聚體C∶P草地顯著高于其他土地利用類型，旱田與濕地無顯著差異；0.25～0.5 mm、0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團聚體C∶P 草地＞水田＞旱田＞濕地。不同土地利用類型下鹽堿土壤團聚體化學計量特征N∶P 變化為0.63～4.17 g·kg-1（見圖7）。≥0.5 mm、0.105～0.25 mm團聚體N∶P草地顯著高于其他土地利用類型，0.25～0.5 mm 團聚體N∶P 草地最高，水田次之，而旱田與濕地無顯著差異；0.088～0.105 mm團聚體N∶P濕地顯著低于其他土地利用類型土壤。

2.4 鹽堿土壤團聚體碳氮磷含量與化學計量特征相關性分析

不同利用方式下鹽堿土壤團聚體碳氮磷與化學計量相關性分析見表2。

由表2 可知，4 種土地利用類型下，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm 團聚體有機碳與全氮、全磷均呈顯著正相關，而濕地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團聚體有機碳與全氮、全磷均呈顯著正相關。≥0.5 mm團聚體C∶N與有機碳、全氮、全磷相關系數依次為濕地＞旱田＞水田＞草地，0.25～0.5 mm團聚體C∶N與有機碳、全氮、全磷相關系數水田高于其他土地利用類型，且為極顯著正相關（P＜0.01），0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團聚體C∶N與有機碳、全氮、全磷相關系數較低。旱田、濕地、草地土壤≥0.5 mm 團聚體C∶P、N∶P 與有機碳、全氮、全磷呈正相關，水田土壤≥0.5 mm團聚體C∶P、N∶P與有機碳、全氮、全磷呈負相關。水田土壤0.25～0.5 mm 團聚體C∶N 與有機碳、全氮、全磷呈極顯著相關（P＜0.01），旱田、濕地0.25～0.5 mm 團聚體C∶P、N∶P 與有機碳、全氮、全磷呈負相關。草地土壤0.105～0.25 mm 團聚體C∶P、N∶P與有機碳、全氮、全磷呈極顯著正相關（P＜0.01）。

3 討 論

3.1 不同土地利用類型對鹽堿土壤團聚體分布特征的影響

土壤團聚體是土壤的一個功能單位。土壤團聚體形成增加有機質含量，穩定土壤物質，形成孔隙增加持水能力，保護土壤微生物，維持植物生長[17]，不同粒徑團聚體對土壤養分保持、供應和轉化影響不同。因此，適當粒徑分布是土壤肥力物質基礎[18]。Zhang 等研究表明，土壤碳氮等養分含量和耕作制度直接或間接影響團聚體組成和穩定性[19]。本研究中，不同土地利用類型下土壤團聚體粒級以≥0.5 mm團聚體占比最高，土壤大團聚體含量是決定土壤抗侵蝕能力重要指標，水田土壤≥0.5 mm 團聚體含量高于其他土地利用類型，與姜敏等研究結果一致[20]，說明水田土壤團聚體穩定性高于其他土地類型，由于水田主要農作物為水稻，收割水稻后產生大量殘留物或稻草返回田間，增加水田土壤中有機碳來源，并可膠結微團聚體形成大團聚體，而旱田、濕地和草地有機物殘留量較少[21]。

3.2 不同土地利用類型對鹽堿土壤團聚體碳、氮、磷的影響

本研究中，不同土地類型土壤碳、氮、磷含量差異顯著，農田土壤碳、氮、磷含量高于濕地和草地，與農耕施肥及作物與土壤間相互作用有關。土壤中碳、氮、磷主要來源于肥料和凋落物，水稻和玉米凋落物養分歸還量逐年增加而導致其含量高于濕地和草地土壤[22-23]。在垂直土層上，不同土地利用類型0～20 cm 土層土壤碳、氮、磷含量略高于20～40 cm 土層，因土壤表層相對于底層來說，土壤結構、通氣性更好，且土壤中微生物更多、養分循環更快，養分在向下層輸移前也會集聚于土壤表層，均有利于營養物質積累[24]。本研究中，水田土壤團聚體有機碳含量高于其他土地利用類型，且大團聚體有機碳含量較高。Jastrow 等利用13C 示蹤法證實大團聚體比微團聚體含更多有機碳[25]，與本研究結果一致。由于大團聚體是微團聚體和有機物膠結而形成，土壤大團聚體含更多有機物，且周轉更快[26]。由于土壤長期處于淹水狀態，在水能穩定條件下，可固定更多有機碳[27]，厭氧環境中微生物活性較弱，有機碳礦化度低、積累高，因此水田和濕地土壤團聚體有機碳含量較高[28]。土壤碳氮固存和釋放通過土壤養分輸入和輸出控制，各級團聚體中全氮含量均表現為水田高于其他土地利用類型。在土壤養分輸入方面，水稻種植中有殘留物和稻草，有機殘留物分解速度較快，輸入土壤中碳氮含量增加，同時有機質腐化轉化率高，因此表現較高養分利用率[29]。各級團聚體中全磷含量表現為旱田高于其他土地利用類型，可能由于研究區旱地土壤輸入主要肥料為磷肥，同時地表動植物殘體分解加速磷累積，因而旱田表現較高含磷量。

3.3 不同土地利用類型對鹽堿土壤團聚體生態化學計量的影響

土壤碳、氮是土壤質量中重要指標，不僅反映土壤肥力狀況，且表明區域生態系統演化規律[29]，C∶N通常被認為是土壤碳、氮素礦化能力標志。與謝搖濤等研究林地結果不同[30]，本研究中濕地和草地0.088～0.105 mm團聚體C：N略高于其他粒級團聚體。由于土壤團聚體有機質是土壤微生物生存來源，濕地和草地微團聚體有機質含量高于大團聚體，因此，0.088～0.105 mm團聚體C∶N略高。

土壤團聚體C∶P和N∶P反映有機質腐化程度及其對土壤養分貢獻，本研究中草地土壤C∶P和N∶P顯著高于其他土地利用類型，原因在于作物、植物和微生物對氮、磷元素同化吸收利用具有不穩定性[31]，因而增強土壤團聚體C∶P 和N∶P 變異程度。就指示作用而言，土壤C∶P和N∶P是衡量磷有效性重要指標，較低C∶P 和N∶P 表明磷有效性較高。本研究中，各粒級團聚體中，≥0.5 mm團聚體C∶P和N∶P最高，研究區內大粒徑團聚體中養分限制類型以磷為主。

4 結 論

通過研究松嫩平原不同土地利用類型土壤團聚體C、N、P及其化學計量分析發現，不同粒級團聚體土壤C、N、P 之間耦合關系顯著，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm團聚體有機碳與全氮、全磷均呈顯著正相關，而濕地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 團聚體有機碳與全氮、全磷均呈顯著正相關，其團聚體碳氮磷對土壤養分具有良好指示性作用。研究區4種土地利用類型土壤C、N、P含量差異顯著，分布特征為農田高于濕地和草地。土壤團聚體組成及其C、N、P 含量主要集中在≥0.5 mm 和0.088～0.105 mm 團聚體中，是土壤碳氮磷養分主要載體，對土壤養分物理保護和促進C、N、P積累發揮重要作用。