張 蛟, 崔士友, 陳澎軍, 韓繼軍
(1.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇南通 226012;2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局/地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京 210007)
“倉廩實(shí),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(fā)展的重要因素,是事關(guān)國計和社會穩(wěn)定的首要問題。隨著社會發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,耕地面積總量越來越逼近耕地紅線,穩(wěn)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(fā)沿海灘涂鹽堿地,實(shí)現(xiàn)非耕地產(chǎn)糧特別是鹽堿地耐鹽水稻種植產(chǎn)糧是增加國家糧食總產(chǎn)量的重要途徑之一。同時,水稻種植是改良鹽堿地的傳統(tǒng)科學(xué)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(nèi)可以改善土壤pH值和電導(dǎo)率等土壤性狀。筆者前期研究發(fā)現(xiàn),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(guī)律也有所改變。然而,評價沿海灘涂土壤性質(zhì)或質(zhì)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(jī)碳和土壤活性有機(jī)碳含量的變化。
土壤活性有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳中最活躍的部分,在土壤中移動快、穩(wěn)定性差、易礦化、易于被植物和土壤微生物利用,依據(jù)測定方法不同,以往用于表征土壤活性有機(jī)碳的指標(biāo)有微生物量碳(MBC)、水溶性有機(jī)碳(WSOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)、輕組有機(jī)碳(LFOC)、顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)等,其中前3種是土壤活性有機(jī)碳庫常用的重要表征指標(biāo)。筆者前期研究發(fā)現(xiàn),灘涂水稻種植提高了土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)。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(jī)碳變化的敏感指標(biāo)。另外,MBC與有機(jī)碳(SOC)的比值(MBC/SOC)可作為有機(jī)碳生物有效性指標(biāo),而土壤水溶性有機(jī)碳與有機(jī)碳的比值(WSOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性??傊?,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(zhì)量變化的重要指標(biāo)。因此,本研究對灘涂圍墾區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤SOC、MBC、WSOC、MBC/SOC及WSOC/SOC等指標(biāo)進(jìn)行研究,對準(zhǔn)確評價灘涂稻田土壤質(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意義。
試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省如東縣方凌墾區(qū)(32°35′47″N,120°55′6″E),為2010年新圍墾潮上帶灘涂,土質(zhì)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(jìn)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(jī)肥。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45%復(fù)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。
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(zhǔn)備發(fā)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(yàn)田塊進(jìn)行土壤采樣,混合多點(diǎn)采樣樣品并帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品分為2份,1份用于新鮮樣品測定,1份風(fēng)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(jī)碳含量;風(fēng)干土壤磨細(xì)過篩后,用于測定土壤有機(jī)碳、全氮、速效鉀、pH值和電導(dǎo)率等土壤理化指標(biāo)。
土壤理化性質(zhì)測定方法均參照文獻(xiàn)[20]進(jìn)行。其中,土壤有機(jī)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(lán)比色法,堿解氮(AN)含量測定采用堿解擴(kuò)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(dǎo)率法(土水比為1 ∶5)。
土壤水溶性有機(jī)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(jìn)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(jī)碳分析儀(TOC-VCPH,島津公司)測定濾液中的有機(jī)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(jī)碳含量采用有機(jī)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(shù)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(shù)。同時,計算稻田土壤活性有機(jī)碳比例,公式為土壤活性有機(jī)碳比例=土壤活性有機(jī)碳含量/土壤總有機(jī)碳含量×100%。
利用Microsoft 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)和最小顯著差異法()比較不同數(shù)據(jù)組間的差異,用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同因子間的相關(guān)關(guān)系;極顯著水平和顯著水平分別設(shè)定為=0.01和=0.05。
由圖1可知,沿海灘涂發(fā)展水稻種植后,短期內(nèi)耕層土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(xiàn)出逐漸降低的趨勢。
由圖2和圖3可知,沿海灘涂發(fā)展水稻種植后,短期內(nèi)耕層土壤微生物量碳(MBC)和土壤水溶性有機(jī)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(xiàn)為增加趨勢,但差異基本未達(dá)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(jī)碳含量均基本表現(xiàn)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(xiàn)出逐漸降低的趨勢,土壤水溶性有機(jī)碳在2Y、5Y田塊也呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。
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(dá)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(dá)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。
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(dǎo)率(EC)均顯著降低,而且各層電導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)率、全氮、堿解氮和有效磷含量均呈現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)的影響
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(guān)關(guān)系(<0.01)。結(jié)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(guān)(<0.01),與AK含量均呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05),與土壤pH值均沒有明顯的相關(guān)性(>0.05);土壤MBC、WSOC+MBC含量與EC呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05);土壤EC與土壤AK含量呈極顯著正相關(guān)(<0.01),與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)。
表2 沿海灘涂土壤活性有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系
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(zhuǎn)變成耕地進(jìn)行產(chǎn)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(jī)碳是土壤碳儲存庫中最活躍的組成部分,雖然在土壤有機(jī)碳中所占比例很小,但其大小常??勺鳛樵u價土壤總有機(jī)碳變化的敏感性指標(biāo),也可作為衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。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(huán),特別是土壤有機(jī)碳的組成和結(jié)構(gòu)。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(qū),但對土壤水溶性有機(jī)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(jī)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(zhuǎn)變?yōu)楦?年后,土壤 0~30 cm 土層有機(jī)碳含量顯著降低,但濕地、耕地和林地可溶性有機(jī)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(jī)碳含量的情況,發(fā)現(xiàn)大米草群落可溶性有機(jī)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(fā)現(xiàn),沿海灘涂發(fā)展水稻種植后,土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量具有明顯的變化。與灘涂圍墾區(qū)未進(jìn)行利用荒地相比,種植水稻5年的稻田土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳、水溶性有機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)闉┩康咎铮恋乩梅绞阶兓淖兞说孛嬷脖唤M成結(jié)構(gòu)和生物多樣性,從而影響了生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳含量、組成及穩(wěn)定性;另一方面,由于灘涂地區(qū)土壤鹽分高、養(yǎng)分少,種植水稻前3年較常規(guī)管理(如耕作、施肥等)需要額外施入大量有機(jī)肥補(bǔ)充土壤養(yǎng)分,外源有機(jī)碳的輸入以及水稻生長過程中作物根系分泌物和作物殘?jiān)悼萑~等進(jìn)入土壤,增加了土壤中有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳的含量,進(jìn)而影響了灘涂土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)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(qū)耕層土壤鹽分含量逐漸降低,這在一定程度上促進(jìn)了灘涂土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的積累,使灘涂稻田發(fā)揮更大的碳匯功能。
土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例比活性有機(jī)碳總量更能反映土地利用方式改變對土壤碳轉(zhuǎn)化過程的影響。土壤微生物量碳與有機(jī)碳的比值(MBC/SOC)可以作為土壤碳動態(tài)和土壤質(zhì)量研究的有效指標(biāo),其變化范圍一般為0.27%~7.00%;而土壤中可溶性碳與有機(jī)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(jié)果一致。另外,本研究也發(fā)現(xiàn),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(dá)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(jié)果的主要原因可能是:(1)土地利用方式由灘涂荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榈咎飼r,初始階段施入大量有機(jī)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(jī)質(zhì)和微生物量碳含量,同時也改善了耕層土壤生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)了土壤微生物活性,提高了有機(jī)碳周轉(zhuǎn)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(jìn)入土壤,大量有機(jī)肥施用以及土壤微生物群落增加,進(jìn)而土壤水溶性有機(jī)碳迅速增加,土壤的WSOC/SOC增加,說明土壤有機(jī)碳活性劇烈變化,土壤穩(wěn)定性差;(3)然而,經(jīng)過3年左右的水稻種植后,由于種植區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作制度、田間管理措施等逐漸穩(wěn)定,灘涂土壤生態(tài)環(huán)境也逐漸穩(wěn)定,水稻產(chǎn)量及土壤肥力性質(zhì)均處于緩慢的增長趨勢,特別是活性有機(jī)碳(MBC與WSOC)含量,種植區(qū)域內(nèi)土壤活性有機(jī)碳占有機(jī)碳的比值在穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化,說明土壤碳循環(huán)逐漸穩(wěn)定,有利于灘涂稻田土壤肥力和土壤質(zhì)量的改善。
研究表明,灘涂圍墾后的農(nóng)業(yè)活動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。土壤活性有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分循環(huán)具有密切關(guān)系,因此常作為衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。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(guān)關(guān)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(jié)果一致。說明土壤活性有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳含量密切相關(guān),且土壤中各形態(tài)碳之間可以相互轉(zhuǎn)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(jī)碳的穩(wěn)定性。同時,本研究也發(fā)現(xiàn),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(guān),與AK含量均呈顯著負(fù)相關(guān),與土壤pH值均沒有明顯相關(guān)性,這與前人的研究結(jié)果有些許差異。何冬梅等在濱海濕地地區(qū)、許夢璐等在濱海灘涂地區(qū)均研究發(fā)現(xiàn),土壤可溶性有機(jī)碳、微生物量碳與土壤總氮之間均呈極顯著正相關(guān),但均與土壤pH值之間呈顯著負(fù)相關(guān)。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(yǎng)分指標(biāo)如土壤有機(jī)碳、總氮、堿解氮和有效磷含量的變化規(guī)律,但由于灘涂土壤鹽分高、速效鉀含量高的特點(diǎn),高鹽分將不利于灘涂土壤有機(jī)碳積累,同時高鹽高鉀也不利于土壤活性有機(jī)碳(WSOC和MBC)的積累,因此,灘涂未來農(nóng)業(yè)開發(fā)利用時,如何有效充分利用灘涂有效鉀資源進(jìn)而促進(jìn)土壤碳積累值得關(guān)注。另外,從本研究中土壤各指標(biāo)的相關(guān)程度而言,與單一的WSOC和MBC含量相比,WSOC+MBC含量與土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷含量等相關(guān)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(jī)碳和氮庫的變化,將來可作為科學(xué)評價灘涂土壤肥力與土壤質(zhì)量更可靠的預(yù)測指標(biāo)。
通過對江蘇沿海灘涂發(fā)展水稻種植田塊的進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:(1)沿海灘涂發(fā)展水稻種植后,短期內(nèi)耕層土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳含量均顯著增加;(2)灘涂種植水稻后,耕層土壤有機(jī)碳含量顯著提高,但土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳占有機(jī)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(jī)碳與有機(jī)碳、全氮、有效磷等養(yǎng)分指標(biāo)均有密切正相關(guān)關(guān)系,與速效鉀、電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)??梢?,沿海灘涂發(fā)展水稻種植有利于灘涂土壤有機(jī)碳、微生物量碳與水溶性有機(jī)碳含量的積累,且微生物量碳和水溶性有機(jī)碳含量總和變化可以作為衡量灘涂土壤質(zhì)量改善的重要依據(jù)。