发布时间：2020-04-06所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要土壤质量变化与更新是农业发展和土壤管理的判断准则.白浆土是三江平原主要水田土壤，但旱田改水田后缺乏对其土壤质量变化规律的研究.本研究以不同种稻年限白浆土为调查对象，探讨其土壤理化性质演变特征.结果表明:白浆土种稻后，耕层(厚16～23cm)和犁底
摘要土壤质量变化与更新是农业发展和土壤管理的判断准则.白浆土是三江平原主要水田土壤，但旱田改水田后缺乏对其土壤质量变化规律的研究.本研究以不同种稻年限白浆土为调查对象，探讨其土壤理化性质演变特征.结果表明:白浆土种稻后，耕层(厚16～23cm)和犁底层(厚6～8cm)土壤有机碳、还原物质总量增加，耕层深度随种稻年限增加呈逐渐增加趋势，犁底层无明显变化，心土层(厚20cm)与旱田无显著差异;土壤中Fe2+和Mn2+有向下迁移现象，但只迁移到犁底层;耕层和犁底层土壤固相比率比种稻前增加，犁底层固相比率由47.8%增加到70.0%，容重由1.22g·cm-3增加到1.77g·cm-3，土壤孔隙总量降低，微孔隙比例增加，白浆土种稻后有黏粒淋溶淀积现象.白浆土种稻后，土壤物理和化学性质的变化特征与水稻土的演变规律既有一致性，又有其特殊性.
关键词白浆土;种稻;理化性质;演变特征
中国白浆土总面积约527.3万hm2[1]，三江平原是白浆土集中分布的区域，总面积258.1万hm2，占三江平原土地总面积的23.7%[2].尽管白浆土开垦时间较短，但开垦后随着有机质和氮素含量降低，土壤肥力明显下降[3-4]，特别是其土体构型中存在障碍土层以及不良的理化性质，使其成为中国典型的低产土壤[5].经过几十年的研究和探索，我国在改良白浆土技术方面形成了“培肥耕作层、改造心土层”的改土技术体系[6-9]，为彻底改造低产白浆土田提供了可靠的技术支撑.
20世纪90年代后，三江平原大面积实施“旱改水”工程，一部分白浆土被相继改为水田[10-11].白浆土种稻后将障碍土层变为有利土层，低产土壤成为高产土壤[12-13].但白浆土改为水田后，随水稻种植时间的延长，土壤氧化还原特性也会发生改变，势必引起土壤物理性质、化学性质等指标的变化.有研究认为，旱田改为水田后土壤有机碳呈规律性增加[14-15].我国南方水稻种植历史悠久，相关研究较多[16-18]，水田土壤经过长期的水耕熟化过程会逐渐发育成具有独特剖面特征的水稻土[19]，三江平原水稻种植历史短，现有的水田大部分是由旱田改造而成的，尚缺乏土壤理化性质变化研究.为此，笔者在三江平原青龙山农场开展了白浆土不同种稻年限土壤理化特性研究，以期为该类型稻田开展科学的土壤管理和构建环境友好型农业体系提供科学依据.
1研究地区与研究方法
1.1研究区概况
供试土壤采自于三江平原东北部的青龙山农场第3作业区.该农场位于同江市南部与富锦市交界处(47°47'—48°13'N，132°17'—133°55'E)，耕地面积3.71万hm2，其中水稻面积占90%，土壤为草甸白浆土，地势平坦，平均坡降1/10000;年平均气温2℃，7月平均气温22.3℃，年有效积温2300～2400℃，年平均降水量550～600mm，无霜期110～135d.该农场在气候特点、地理位置、土壤类型以及水稻种植比例等方面都为三江平原代表性区域.
1.2供试土壤
供试土壤类型为草甸白浆土，土壤剖面如图1所示，由4个发生层次构成，第1层是黑土层，平均厚度15～20cm，有机质丰富，适合于作物的生长发育;第2层是白浆层，平均厚度18～22cm，片状结构，透水性不良，硬度在25kg·cm-2(锥角30°，截面积2cm2)以上，机械承载力高;第3层是淀积层，平均厚度45～55cm，块状结构，透水性差;第4层是母质层，为黄色黏土.笔者前期研究表明，白浆土耕层和白浆层以粉粒为主，淀积层以黏粒为主，机械组成呈“二层性”[20].水稻种植过程中使用的肥料主要为尿素、磷酸二铵和氯化钾，常规施用量分别为210、150和150kg·hm-2.
1.3样品采集
本研究采用时空互代法[21-22](空间置换时间)采集样品，分别在旱田(0年)和种植水稻5、10、15、25年农田采样，在1000m2样地内选3个代表性位置进行调查.调查地点选择:旱田土壤为玉米茬，0～18cm为耕作层，18～22cm为犁底层，22～40cm为白浆层.各水田土壤采样点距旱田采样点直线距离1km内，考虑到水田化过程中机械平整土地导致土壤白浆层被深埋地下或露出在近地表，先用钻探法确定黑土厚度，保持所选地点的白浆层出现位置在地表下20～25cm.
挖土壤剖面并划分出耕层(TL)(有机械耕作的痕迹)和犁底层(PL)(土壤紧实、无结构)，耕层取样位置为5～10cm;犁底层取样位置为犁底层中间，该层在改为水田前属于耕层和白浆层的过渡层;心土层(SL)取样位置在犁底层以下15～20cm处，相当于白浆层位置.采取水稻行间土壤，用100cm3容重盒取原状土，削平、密封;化学指标测定样品采用多点混合后留取1.5kg装袋，除去植物残体、侵入体和铁锰结核等新生体，风干，过2mm、0.25mm筛，备用.采集时间为2015年10月10日—11月10日.
土壤采集位置和土壤基本情况见表1.从剖面观察看，各年限土壤颜色属于YR色系，在5YR～7.5YR，耕层和犁底层颜色较暗，心土层颜色较亮，与有机质含量高低有关;随种稻年限增加土壤有中度还原反应.
1.4测定项目与方法
土壤剖面记录:进行土壤野外调查剖面描述及记录，包括经纬度、海拔、土壤类型、黑土层厚度、剖面层序、土壤水分状况、土壤颜色、地形地貌和土层深度等信息.
土壤化学性质:土壤有机碳采用重铬酸钾容量法测定，还原物质总量、活性还原物质总量采用容量法测定，Fe2+采用邻啡罗啉比色法，Mn2+采用醋酸铵浸提-高锰酸钾比色方法测定[23].
土壤物理性质:土壤粒级组成采用MS2000激光粒度仪法，容重采用烘干法[24]，土壤三相采用DIK-三相仪测定;土壤水分特征曲线:0～150cm(H2O)吸力段用DIK-3343型土壤pF测定仪(日本)测定，150～16544cm(H2O)吸力段用1500F1型压力膜仪(美国)测定.
土壤孔隙组成由土壤水分特征曲线获得，根据孔隙不同当量直径条件下体积含水量求差得出，当量直径使用下式计算:
d=h/3
式中:d为孔隙当量直径(mm);h为土壤水吸力(cmH2O)[25].
1.5数据处理
采用DPS7.0软件、RETC软件和Excel2003软件进行数据处理与分析.采用DPS数据处理软件进行标准差和方差分析.利用RETC软件，通过对不同压力下水分数据输入，可获得水分特征曲线模拟方程，进一步计算出土壤孔隙组成.利用Excel2003软件作图.图表中数据为平均值±标准差.
2结果与分析
2.1不同种稻年限白浆土土壤化学性质变化
2.1.1土壤有机碳和还原性物质变化白浆土种植水稻后土壤化学性质发生明显改变，耕层土壤肥力呈提高趋势.从土壤有机碳总量变化(图2)可以看出，同一种稻年限土壤为耕层>犁底层>心土层，尽管犁底层土壤比色接近于耕层(表1)，但该层次属于黑土层和白浆层的过渡土层，无结构，有机碳含量接近于白浆层;不同种稻年限土壤比较，耕层有机碳随种稻年限增加呈增加趋势，土壤肥力不断提高，而犁底层和心土层肥力增加不明显.耕层和犁底层土壤还原性物质不断积累.从土壤还原物质总量变化(图2)可以看出，水田由于季节性淹水导致土壤氧化还原电位下降，还原性物质远高于旱田.其中，耕层和犁底层土壤随种稻年限增加呈增加趋势，而心土层土壤则呈现出先小幅增加后降低的趋势.
2.1.2土壤Fe2+、Mn2+变化种稻后耕层土壤Fe2+、Mn2+呈增加并向下层迁移趋势，从图3可以看出，水田水溶性Fe2+、Mn2+含量明显高于旱田，表明淹水导致该层土壤中的氧化态Fe、Mn被还原成Fe2+、Mn2+.其中，耕层土壤在种稻10年达到峰值，然后呈下降趋势;犁底层Fe2+、Mn2+则随种稻年限增加逐渐升高，说明Fe2+、Mn2+由耕层逐渐淋溶迁移至犁底层;心土层两种离子则呈低水平小幅波动状态.草甸白浆土耕层和白浆层Fe3O2含量分别为4.5%和5.6%[5]，水田条件下耕层和犁底层产生了大量Fe2+、Mn2+，而心土层(白浆层位置)远低于上层土壤，说明淹水仅促使耕层和犁底层还原，对下层土壤影响相对较小.
2.2不同种稻年限白浆土土壤物理性质变化
2.2.1土壤三相组成变化白浆土种植水稻后土壤物理性质也发生明显改变.从土壤三相组成变化可以看出(图4)，耕层和犁底层土壤随种稻年限增加固相比率增加、气相比率下降.种稻25年后，耕层固相比率由旱田的41.0%增加到55.6%、容重由1.04g·cm-3增加到1.34g·cm-3;犁底层固相比率由47.8%增加到70.0%;容重由1.22g·cm-3增加到1.77g·cm-3;心土层土壤固相比率和容重均无明显变化.
2.2.2土壤孔隙变化从土壤孔隙变化可以看出(图5)，土壤总孔隙度随种稻年限增加而减少，种稻25年后，耕层由旱田的59.0%降低到44.4%，心土层无明显变化.孔隙组成上，耕层和犁底层土壤>0.05mm大孔隙和0.05～0.0002mm中小孔隙含量下降明显，但<0.0002mm的微孔隙含量随种稻年限增加而增加，说明白浆土长期种稻会导致土壤大孔隙被阻塞，微孔隙含量增加，土壤通气性变差.
2.2.3土壤颗粒组成变化从土壤的颗粒组成变化可以看出(图6)，供试的白浆土是以粉沙为主的粉沙质土壤，土壤中0.002～0.02mm的粉沙组颗粒含量随耕种年限增加呈增加趋势，0.02～0.2mm沙粒组颗粒含量则随种稻年限的增加呈降低趋势，表明土壤沙粒组颗粒遭机械破坏而变为粉沙组颗粒的倾向明显，心土层土壤黏粒含量随种稻年限增加呈规律性增加趋势，主要是黏粒向下迁移的结果.
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3讨论
水稻土是在长期种稻为主的耕作制度下，土壤图6不同种稻年限土壤颗粒分级的变化Fig.6Soilparticleclassificationchangeafterdifferentyearswithriceplanting.经常处于淹水还原、排水氧化、水耕黏闭，以及大量施用肥料等频繁的人为管理措施影响下形成的[26-27].三江平原白浆土黑土层厚约20cm，其下为坚硬、贫瘠的白浆层，总养分储量少，作为旱田土壤属于典型的低产土壤.改为水田后，由于白浆层的存在，具备了水稻土的剖面特征，白浆层成为天然犁底层，一方面确保了土壤的保水能力，另一方面为机械行走提供了保障[28];李庆逵[29]和张甘霖等[30]研究水稻土的形成过程时提出，犁底层的形成是高产稻田具备的特征.白浆土种稻后尽管还保持着原来土壤的一些基本特征，但经过几十年的人为水耕过程，土壤性质发生很大变化，具备了水稻土演变过程的一些普遍特征，也具有自身演变过程的独特特征.
白浆土水田化后，每年有90～100d保持水层，有利于有机质积累.本研究结果表明，耕层有机碳量随种稻年限延长而增加，但犁底层不同年限间差异不明显;此外，从耕层和犁底层的还原物质总量以及水溶性Fe2+、Mn2+也随水稻种植年限增加而增加，并迁移到犁底层的结果看，上述物质与心土层关系不明显.大量研究结果证实，水稻土耕层和犁底层的Fe2+和Mn2+有向下迁移到心土层的趋势[27，31].王秋菊等[32]研究发现，黑土水田化后Fe2+、Mn2+均有向心土层迁移的现象，但白浆土的Fe2+、Mn2+向心土层迁移现象不明显.可见，白浆土这种物质迁移距离短的现象与白浆层有密切关系.
从白浆土物理性质变化看，随着种稻时间延长，耕层和犁底层土壤固相比率和容重增加;土壤总孔隙度降低，伴随着大、中、小孔隙下降，微孔隙增加，形成了明显的犁底层.白浆土水田化后，土壤中一部分沙粒遭机械破坏变成粉沙，而粉沙随种稻年限的增加而增加;部分黏粒向下迁移到心土层.由于白浆层的特殊性，其黏粒淋溶、离子下移的速度与其他土壤之间有何差异，其演变速度、特征如何，尚有待于进一步研究.
4结论
白浆土种稻后，土壤物理、化学性质变化规律与水稻土的演变特征既有一致性，又有其特殊性.白浆土种稻后，耕层和犁底层土壤有机碳、还原物质总量增加;心土层无变化，与早期研究的黑土、草甸土不一致.土壤中Fe2+和Mn2+只迁移到犁底层，没有向心土层迁移的现象，与其他类型水田演变规律不同.白浆土种稻后，耕层和犁底层土壤固相、容重增加，孔隙总量降低，微孔隙比例增加，心土层即白浆层无变化，但白浆层黏粒比例呈逐年增加趋势.白浆土种稻后有黏粒淋溶淀积现象，与水稻土形成过程表现一致.
SCI SSCI AHCI