北方典型水稻土有机质及其组分演变特征

　　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18.60～26.30g/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。

　　关键词:开垦年限;水稻土;土壤有机质;腐殖质组成;胡敏酸

　　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]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]，开垦水稻土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—60cm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。

　　1材料与方法

　　1.1野外调查与采集土样

　　根据辽宁省现有水稻土的地域分布和水稻土肥力观测点试验结果，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。

　　1.2测定项目与方法

　　1.2.1土壤有机质相关指标的测定土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法—外加热法[31]。易氧化有机质含量及有机质的氧化稳定系数(Kos)采用袁可能等[32]的方法。

　　1.2.2土壤腐殖质相关指标的测定

　　1)土壤中腐殖酸的提取分别采用0.1mol/LNaOH+0.1mol/LNa2P2O7、0.25mol/LNaOH和0.25mol/LNaF作为提取剂，提取的腐殖酸占腐殖质总量的百分数称为腐殖酸提取率。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665nm条件下进行光密度的测定[28]。

　　2结果与分析

　　2.1水稻土有机质含量与组成随开垦年限增加的演变特征

　　随着开垦年限的增加，水稻土有机质总量(SOM)维持在18.40～26.30g/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25.10g/kg，而棕壤型水稻土在8年时最高，达26.30g/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。

　　2.2水稻土腐殖酸特性随开垦年限的演变特征

　　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。

　　3讨论

　　3.1不同开垦年限对水稻土有机质含量及组成的影响

　　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[34]。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。

　　3.2不同开垦年限对水稻土腐殖酸特性的影响

　　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(0.1mol/LNaOH+0.1mol/LNa2P2O7、0.25mol/LNaOH)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)表示腐殖质的聚合程度，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，从而造成结构较散。

　　3.3不同开垦年限对水稻土有机质复合状况的影响

　　有机无机复合体具有储存土壤中大部分水分和养分的作用[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[42-43]。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随水稻耕作年限的延长，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。随开垦年限的延长，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。

　　4结论

　　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，随着耕种年限的延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分别显著降低了27%～36%、17%～18%、16%～17%，而胡富比、有机无机复合度则分别显著提高了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。

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　　王莹莹，张昀*，张广才，高晓丹，叶超，刘思齐，张雅楠，李丽