沿海灘涂水稻種植對土壤微生物量碳和水溶性有機碳的影響

張 蛟， 崔士友， 陳澎軍， 韓繼軍

(1.江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇南通 226012；2.江蘇省有色金屬華東地質勘查局/地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇南京 210007)

“倉廩實，天下安”，糧食安全是國家安全的重要組成部分，把飯碗端在自己手里是國家發展的重要因素，是事關國計和社會穩定的首要問題。隨著社會發展和城市化進程的加快，耕地面積總量越來越逼近耕地紅線，穩定糧食種植面積的壓力越來越大，日顯稀缺的耕地資源已成為我國糧食安全的瓶頸。我國海岸線蜿蜒曲折，沿岸灘涂資源豐富突出，通過圍墾熟化利用開發沿海灘涂鹽堿地，實現非耕地產糧特別是鹽堿地耐鹽水稻種植產糧是增加國家糧食總產量的重要途徑之一。同時，水稻種植是改良鹽堿地的傳統科學方法，由于水稻栽培方式特殊，也常常作為沿海灘涂鹽堿地改良的首選糧食作物。已有研究表明，在鹽堿地種植水稻，短期內可以改善土壤pH值和電導率等土壤性狀。筆者前期研究發現，沿海灘涂種植水稻后稻田耕層土壤鹽分含量顯著降低，土壤鹽分的垂直分布規律也有所改變。然而，評價沿海灘涂土壤性質或質量改善時，不僅需要考慮降鹽及控鹽的問題，還需考慮土壤肥力尤其是土壤有機碳和土壤活性有機碳含量的變化。

土壤活性有機碳作為土壤有機碳中最活躍的部分，在土壤中移動快、穩定性差、易礦化、易于被植物和土壤微生物利用，依據測定方法不同，以往用于表征土壤活性有機碳的指標有微生物量碳(MBC)、水溶性有機碳(WSOC)、易氧化有機碳(ROC)、輕組有機碳(LFOC)、顆粒態有機碳(POC)等，其中前3種是土壤活性有機碳庫常用的重要表征指標。筆者前期研究發現，灘涂水稻種植提高了土壤有機碳和易氧化有機碳及碳庫管理指數。然而，MBC和WSOC是土壤碳庫中最活躍的組分，是反映土壤總有機碳變化的敏感指標。另外，MBC與有機碳(SOC)的比值(MBC/SOC)可作為有機碳生物有效性指標，而土壤水溶性有機碳與有機碳的比值(WSOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性。總之，土壤MBC、WSOC、ROC、MBC/SOC及WSOC/SOC等均可作為衡量土壤肥力和土壤質量變化的重要指標。因此，本研究對灘涂圍墾區稻田生態系統土壤SOC、MBC、WSOC、MBC/SOC及WSOC/SOC等指標進行研究，對準確評價灘涂稻田土壤質量變化，進而科學可持續地利用灘涂土壤資源具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江蘇省如東縣方凌墾區(32°35′47″N，120°55′6″E)，為2010年新圍墾潮上帶灘涂，土質為中壤土，土壤類型為濱海鹽土，地下水位為1.2～1.5 m，鹽分離子主要以Na、K、Cl為主。近10年來，年平均氣溫15.1 ℃，年平均日照2 136 h，全年無霜期225 d，年均降水量1 042 mm，相對集中在6—9月，占全年總降水量的55%～80%。2013年開始第一期水稻種植，大約5.3 hm，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年進行第二期水稻種植，大約6.0 hm。同時，水稻收獲后均采用全量秸稈還田方式，水稻種植前2年每年在水稻種植前均施2.0～2.5 t商品有機肥。水稻種植田間管理按照當地常規施肥和病蟲害管理進行，其中45%復合肥(氮、磷、鉀比例為15 ∶15 ∶15)作為基肥施用，施用量約為 750 kg/hm，尿素作為追肥，且蘗肥和穗肥分別約為180、225 kg/hm。

1.2 試驗設計與采樣

2017年10月底，水稻收獲后分別在種植水稻5年(5Y)和種植水稻2年(2Y)的稻田中按照0～10、10～20、20～30 cm土壤深度分層采集土樣，同時選擇鄰近前期種植過1年田菁作物并準備發展水稻種植的田塊作為對照田塊(CK)，每個種植年限選取4個試驗田塊進行土壤采樣，混合多點采樣樣品并帶回實驗室。土壤樣品分為2份，1份用于新鮮樣品測定，1份風干處理后待用。其中，新鮮土壤分別測定土壤水分含量、土壤微生物量碳含量和土壤水溶性有機碳含量；風干土壤磨細過篩后，用于測定土壤有機碳、全氮、速效鉀、pH值和電導率等土壤理化指標。

1.3 土壤測定與方法

土壤理化性質測定方法均參照文獻[20]進行。其中，土壤有機碳含量測定采用采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮(TN)含量測定采用凱氏蒸餾法，有效磷(AP)含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法，堿解氮(AN)含量測定采用堿解擴散法，速效鉀(AK)含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法，水分含量測定采用烘干法，pH值測定采用pH計法(土水比為1 ∶5)，鹽分含量測定采用電導率法(土水比為1 ∶5)。

土壤水溶性有機碳含量測定參考Wu等的測定方法：稱取20 g新鮮土樣，按照水土比2 ∶1進行浸提，25 ℃振蕩0.5 h(100 r/min)，離心10 min(8 000)，然后用0.45 μm濾膜過濾到塑料瓶中，最后用有機碳分析儀(TOC-VCPH，島津公司)測定濾液中的有機碳含量。

土壤微生物量碳含量參考Vance的測定方法：采用三氯甲烷熏蒸直接提取，對照土壤和熏蒸后的土壤用0.5 mol/L KSO提取(土液比為 1 g ∶5 mL)，濾液中的有機碳含量采用有機碳分析儀(TOC-VCPH，島津公司)測定。土壤MBC含量以熏蒸和未熏蒸土樣0.5 mol/L KSO提取液中含碳量之差除以系數得到，即=/0.45。其中，為土壤MBC含量；為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液含碳量之差；0.45為浸提系數。同時，計算稻田土壤活性有機碳比例，公式為土壤活性有機碳比例=土壤活性有機碳含量/土壤總有機碳含量×100%。

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件進行數據分析與作圖，采取隨機區組單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法()比較不同數據組間的差異，用Pearson相關系數評價不同因子間的相關關系；極顯著水平和顯著水平分別設定為=0.01和=0.05。

2 結果與分析

2.1 沿海灘涂種植水稻對土壤有機碳含量的影響

由圖1可知，沿海灘涂發展水稻種植后，短期內耕層土壤有機碳含量均有一定程度的提高。CK田塊0～10、10～20、20～30 cm土層土壤有機碳含量分別為4.83、4.65、3.77 g/kg。在2Y田塊，0～10 cm土層有機碳含量顯著提高(<0.05)，各土層分別提高了28.16%、2.97%、8.95%；在5Y田塊，0～30 cm 土層有機碳含量均顯著提高(<0.05)，各土層分別提高了82.44%、46.81%、40.71%；同時，5Y田塊各土層中的有機碳含量均顯著高于2Y田塊(<0.05)。另外，無論是CK田塊還是種植水稻(2Y和5Y)的田塊，0～10 cm土層有機碳含量基本顯著高于10～20、20～30 cm土層(<0.05)，且隨土壤深度增加呈現出逐漸降低的趨勢。

2.2 沿海灘涂種植水稻對土壤微生物量碳和水溶性有機碳的影響

由圖2和圖3可知，沿海灘涂發展水稻種植后，短期內耕層土壤微生物量碳(MBC)和土壤水溶性有機碳(WSOC)含量均顯著提高(<0.05)。CK田塊0～10、10～20、20～30 cm土層MBC含量分別為126.60、113.05、98.03 mg/kg，WSOC含量分別為71.46、48.19、53.98 mg/kg；與CK田塊相比，2Y田塊各土層MBC含量分別顯著提高了35.61%、34.23%、31.72%(<0.05)，各土層WSOC含量分別顯著提高了20.75%、69.14%、30.34%(<0.05)；5Y田塊各土層MBC含量分別顯著提高了42.59%、43.68%、44.64%(<0.05)，各土層SWOC含量分別提高了46.81%、73.02%、35.31%(<0.05)；同時，與2Y田塊相比，5Y田塊0～10、10～20、20～30 cm各土層中的土壤MBC和WSOC含量均表現為增加趨勢，但差異基本未達到顯著水平。

另外，本研究所有田塊土壤微生物量碳和水溶性有機碳含量均基本表現為0～10 cm土層顯著高于10～20、20～30 cm土層(<0.05)，且隨土壤深度增加，土壤微生物量碳含量呈現出逐漸降低的趨勢，土壤水溶性有機碳在2Y、5Y田塊也呈現出逐漸降低的趨勢。

2.3 沿海灘涂種植水稻對土壤微生物量碳與水溶性有機碳占有機碳比例的影響

由圖4可知，在沿海灘涂土壤中，MBC/SOC均在2.05%～3.18%之間，且在水稻種植2年時土壤0～10、10～20、20～30 cm土層MBC/SOC均達到最大值，分別為2.82%、3.18%、3.17%。由圖5可知，在沿海灘涂土壤中，WSOC/SOC均在1.04%～1.73%之間，且在水稻種植2年時10～20、20～30 cm 土層WSOC/SOC均達到最大值，分別為1.70%、1.73%。同時，MBC/SOC和WSOC/SOC在5Y田塊的10～20、20～30 cm土層中均與CK田塊沒有顯著差異。

2.4 沿海灘涂種植水稻對土壤基本理化性質的影響

由表1可知，水稻收獲后，與未種植水稻灘涂地塊(CK)相比，種植水稻2Y和5Y田塊在0～10、10～20、20～30 cm土層電導率(EC)均顯著降低，而且各層電導率分別顯著降低了93.23%和92.96%、89.22%和88.98%、80.92%和81.14%(<0.05)。種植水稻2Y田塊在0～10、10～20、20～30 cm 土層中速效鉀含量分別顯著降低了35.24%、18.77%、18.36%(<0.05)，5Y田塊各土層分別下降了30.09%、11.12%、4.33%。同時，種植水稻后，短期內0～30 cm土層全氮、堿解氮和有效磷含量均顯著提高(<0.05)。與CK田塊相比，2Y田塊0～10、10～20、20～30 cm土層中土壤全氮分別顯著提高了34.75%、47.55%、42.47%(<0.05)，堿解氮含量分別顯著提高了105.65%、39.97%、40.99%(<0.05)，有效磷含量分別顯著提高了45.06%、23.80%、24.15%(<0.05)；5Y田塊各土層全氮含量分別顯著提高了104.14%、110.18%、92.73%(<0.05)，堿解氮含量分別顯著提高了149.84%、89.68%、64.70%(<0.05)，各土層有效磷含量分別顯著提高了105.18%、84.47%、71.83%(<0.05)。另外，種植水稻后，無論是2Y還是5Y田塊土壤pH值在0～10 cm土層均沒有明顯變化，而在10～30 cm土層pH值有一定提高，2Y與5Y田塊0～30 cm土層的pH值均無顯著差異。

由表1可知，不同土層之間，所有田塊0～10、10～20、20～30 cm土層土壤電導率、全氮、堿解氮和有效磷含量均呈現出依次降低的趨勢；同時，CK田塊0～10、10～20、20～30 cm土層速效鉀含量呈現出依次降低的趨勢，而2Y、5Y田塊0～10 cm土層速效鉀含量顯著低于10～20、20～30 cm土層(<0.05)。

表1 沿海灘涂水稻種植對土壤理化性質的影響

2.5 沿海灘涂稻田土壤有機碳、活性有機碳和土壤因子之間的相關性分析

由表2可知，沿海灘涂土壤MBC、WSOC、SOC、MBC+WSOC含量之間均存在極顯著的正相關關系(<0.01)。結合圖6可知，WSOC、MBC含量均隨土壤SOC含量的增加呈線性增加。沿海灘涂土壤WSOC、MBC及WSOC+MBC含量與TN、AN和AP含量均呈極顯著正相關(<0.01)，與AK含量均呈顯著負相關(<0.05)，與土壤pH值均沒有明顯的相關性(>0.05)；土壤MBC、WSOC+MBC含量與EC呈顯著負相關(<0.05)；土壤EC與土壤AK含量呈極顯著正相關(<0.01)，與土壤pH值呈顯著負相關(<0.05)。

表2 沿海灘涂土壤活性有機碳與土壤理化性質的相關關系

3 討論

3.1 沿海灘涂種植水稻對土壤微生物量碳和水溶性有機碳的影響

在耕地資源日益趨緊的情況下，將沿海大面積鹽堿地和灘涂荒地等非耕地轉變成耕地進行產糧，對保障糧食安全意義重大。水稻是重要的糧食作物，也是鹽堿地改良利用的先鋒作物。土壤活性有機碳是土壤碳儲存庫中最活躍的組成部分，雖然在土壤有機碳中所占比例很小，但其大小常常可作為評價土壤總有機碳變化的敏感性指標，也可作為衡量土壤肥力和土壤質量變化的重要指標。大量研究表明，土地利用方式的改變可以顯著影響土壤碳循環，特別是土壤有機碳的組成和結構。許夢璐等的研究表明，濱海灘涂不同土地利用類型下，無論是林地、水田還是旱田，土壤微生物生物量碳和易氧化碳含量均顯著高于光灘灘涂地區，但對土壤水溶性有機碳沒有顯著影響；同時，從垂直分布上看，0～20 cm土層各土地利用類型之間差異較為顯著，隨土層深度增加土壤有機碳活性組分含量變化差異逐漸降低。簡興等的研究表明，濕地圍墾轉變為耕地3年后，土壤 0～30 cm 土層有機碳含量顯著降低，但濕地、耕地和林地可溶性有機碳含量沒有明顯變化。何冬梅等分析了不同濕地植被群落下可溶性有機碳含量的情況，發現大米草群落可溶性有機碳含量均大于光灘、堿蓬群落和蘆葦群落等。本研究也有類似發現，沿海灘涂發展水稻種植后，土壤有機碳及活性有機碳含量具有明顯的變化。與灘涂圍墾區未進行利用荒地相比，種植水稻5年的稻田土壤有機碳、微生物生物量碳、水溶性有機碳含量均顯著提高，且耕層土壤分別提高了40.0%、42.0%、35.0%。主要原因可能是：一方面從灘涂荒地轉變為灘涂稻田，土地利用方式變化改變了地面植被組成結構和生物多樣性，從而影響了生態系統的有機碳含量、組成及穩定性；另一方面，由于灘涂地區土壤鹽分高、養分少，種植水稻前3年較常規管理(如耕作、施肥等)需要額外施入大量有機肥補充土壤養分，外源有機碳的輸入以及水稻生長過程中作物根系分泌物和作物殘渣根系枯葉等進入土壤，增加了土壤中有機碳含量和活性有機碳的含量，進而影響了灘涂土壤生態系統碳循環過程；另外，灘涂種植水稻過程中，通過淡水或微咸水洗鹽、灌溉等，使沿海灘涂水稻種植區耕層土壤鹽分含量逐漸降低，這在一定程度上促進了灘涂土壤有機碳和活性有機碳的積累，使灘涂稻田發揮更大的碳匯功能。

土壤活性有機碳占總有機碳的比例比活性有機碳總量更能反映土地利用方式改變對土壤碳轉化過程的影響。土壤微生物量碳與有機碳的比值(MBC/SOC)可以作為土壤碳動態和土壤質量研究的有效指標，其變化范圍一般為0.27%～7.00%；而土壤中可溶性碳與有機碳的比值(DOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性，一般不超過3%。本研究表明，沿海灘涂荒地和稻田土壤的MBC/SOC變化范圍為2.05%～3.18%，WSOC/SOC變化范圍為1.04%～1.73%，這與前人的研究結果一致。另外，本研究也發現，沿海灘涂土壤的MBC/SOC和WSOC/SOC在種植水稻2年的稻田土壤各層均達到最大值，但土壤的MBC/SOC和WSOC/SOC在種植水稻5年的稻田和灘涂荒地土壤之間沒有明顯的差異。造成這些結果的主要原因可能是：(1)土地利用方式由灘涂荒地轉變為稻田時，初始階段施入大量有機肥和水稻種植過程灌溉、施肥等管理措施不僅增加了土壤有機質和微生物量碳含量，同時也改善了耕層土壤生態環境，促進了土壤微生物活性，提高了有機碳周轉速率；(2)土地利用方式改變后，由于水稻種植過程提高了作物根系分泌物，作物秸稈及枯落物等進入土壤，大量有機肥施用以及土壤微生物群落增加，進而土壤水溶性有機碳迅速增加，土壤的WSOC/SOC增加，說明土壤有機碳活性劇烈變化，土壤穩定性差；(3)然而，經過3年左右的水稻種植后，由于種植區域內的農作制度、田間管理措施等逐漸穩定，灘涂土壤生態環境也逐漸穩定，水稻產量及土壤肥力性質均處于緩慢的增長趨勢，特別是活性有機碳(MBC與WSOC)含量，種植區域內土壤活性有機碳占有機碳的比值在穩定的范圍內變化，說明土壤碳循環逐漸穩定，有利于灘涂稻田土壤肥力和土壤質量的改善。

3.2 沿海灘涂種植水稻土壤活性有機碳與土壤因子之間的關系規律

研究表明，灘涂圍墾后的農業活動類型與方式是灘涂開發后影響土壤有機碳變化的核心要素，遠遠高于自然灘涂中的自然主導因子。土壤活性有機碳與土壤養分循環具有密切關系，因此常作為衡量土壤肥力和土壤質量變化的重要指標。本研究表明，沿海灘涂土壤MBC、WSOC、SOC及MBC+WSOC含量之間均存在極顯著的正相關關系(<0.01)，且土壤WSOC和MBC含量均隨著土壤SOC含量的增加呈線性增加，這些均與已有研究結果一致。說明土壤活性有機碳與土壤有機碳含量密切相關，且土壤中各形態碳之間可以相互轉化，且通過灘涂種植水稻增加了土壤WSOC、MBC及SOC含量，提高了土壤有機碳的穩定性。同時，本研究也發現，沿海灘涂土壤WSOC、MBC及WSOC+MBC含量與TN、AN和AP含量均呈極顯著正相關，與AK含量均呈顯著負相關，與土壤pH值均沒有明顯相關性，這與前人的研究結果有些許差異。何冬梅等在濱海濕地地區、許夢璐等在濱海灘涂地區均研究發現，土壤可溶性有機碳、微生物量碳與土壤總氮之間均呈極顯著正相關，但均與土壤pH值之間呈顯著負相關。由此可見，通過土壤WSOC和MBC含量可以一定程度上判斷土壤養分指標如土壤有機碳、總氮、堿解氮和有效磷含量的變化規律，但由于灘涂土壤鹽分高、速效鉀含量高的特點，高鹽分將不利于灘涂土壤有機碳積累，同時高鹽高鉀也不利于土壤活性有機碳(WSOC和MBC)的積累，因此，灘涂未來農業開發利用時，如何有效充分利用灘涂有效鉀資源進而促進土壤碳積累值得關注。另外，從本研究中土壤各指標的相關程度而言，與單一的WSOC和MBC含量相比，WSOC+MBC含量與土壤有機碳、全氮、有效磷含量等相關程度較高。因此，綜合考慮土壤WSOC+MBC含量，更能反映土壤中有機碳和氮庫的變化，將來可作為科學評價灘涂土壤肥力與土壤質量更可靠的預測指標。

4 結論

通過對江蘇沿海灘涂發展水稻種植田塊的進行試驗研究，得出以下結論：(1)沿海灘涂發展水稻種植后，短期內耕層土壤微生物量碳和水溶性有機碳含量均顯著增加；(2)灘涂種植水稻后，耕層土壤有機碳含量顯著提高，但土壤微生物量碳和水溶性有機碳占有機碳的比例沒有顯著的變化；(3)土壤微生物生物量碳與水溶性有機碳與有機碳、全氮、有效磷等養分指標均有密切正相關關系，與速效鉀、電導率呈顯著負相關。可見，沿海灘涂發展水稻種植有利于灘涂土壤有機碳、微生物量碳與水溶性有機碳含量的積累，且微生物量碳和水溶性有機碳含量總和變化可以作為衡量灘涂土壤質量改善的重要依據。