水田改果园后土壤形态及性状的演变

杨东伟 ，章明奎 ，张鹏启 ，刘千千 ，李 雪 ，黄 笑 ，李丽琳

（1.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058；2.河南师范大学旅游学院，河南 新乡 453007；3.广西大学商学院，南宁 530004）

水田是承载着中华文明的人工湿地生态系统，是在长期水耕熟化过程中，在频繁的人为管理措施影响下形成的。近年来，随着经济发展和产业结构调整，中国南方许多地区的水田不再种植水稻而改种果树、苗圃等经济林木。1997年浙江省水稻播种面积为208.6万hm2，由于水田改种其他作物或用作其他用途，1997—2011年间浙江省水稻种植面积减少了89.6万hm2（数据来源于《浙江统计年鉴》）。水田利用方式的改变可对农田水分管理、养分管理和耕作方式带来显著影响，引起土壤物质循环、转化与迁移的变化，并影响其周围的生态环境。水田改果园后，促进土壤水耕熟化的人为滞水条件不复存在，土体的氧化还原环境也随之发生变化，土体由还原过程占优势向氧化过程为主过渡，由此引起土壤形态和性状的变化。以往一些学者对水田改为其他利用方式后土壤基本性质的演变进行了研究，结果表明水田改旱作后土壤pH值、有机质、微生物生物量碳氮及活性下降[1-5]，而关于水田改为果园后土壤形态特征以及微生物群落结构演变的研究却鲜有报道。本文以浙江省杭嘉湖平原为研究区，选择并构建一个水田改果园土壤剖面系列，采用时空互代法，探讨水田改果园后土壤剖面形态学特征、土壤理化和微生物学性质的演变规律及其对生态环境带来的影响，希望在维护土壤生态功能、防止土壤退化和实现土壤可持续利用方面提供理论指导。

表1 土壤剖面基本信息Table1 Basic information of soil profiles

1 材料与方法

1.1 研究区域

采样地点为杭州市余杭区瓶窑镇窑北村（地理坐标见表1），地处杭嘉湖平原，属于中北亚热带季风气候过渡带，多年平均降水量在1200～2000 mm之间，雨日150～190 d，成土母质为湖海相沉积物，平均海拔为4.8 m[6]。

1.2 土样采集

土壤剖面分层样品于2013年3月上旬采集。水田样品采集时，水稻已收获，田面落干。采集了3种不同土地利用历史的农地：水田、水田改果园8年和20年的农地。为减少采样误差，每块农地设置3个重复剖面进行观察与采样，重复剖面之间相距5 m，构成一个等边三角形，将3个重复剖面对应发生层土壤混合成一个土样；所有剖面之间直线距离均不超过300 m。每个剖面的挖掘深度均不少于140 cm；依据土壤剖面发育状况确定发生层及其深度，分层采集土壤样品。为增强可比性，在采集土壤剖面样品时，做了一定技术处理，即3块农田中采集的9个土壤剖面的相似发生层取土深度尽可能保持一致。根据土壤剖面发育情况确定发生层深度，0～17 cm土层为耕作层，17～30 cm土层为犁底层，30～65 cm和65～85 cm土层为淀积层（氧化还原层），85～140 cm土层为脱潜层。依据第二次土壤普查资料，供试水田土壤在发生分类中属于水稻土土类，脱潜潴育型水稻土亚类，青粉泥田土属，青粉泥田土种[7]；在系统分类中属于铁聚人为土（采用统一编号TJ）。供试土壤黏粒含量在228～363 mg·kg-1之间。每年每公顷水田平均施尿素240 kg，过磷酸钙450 kg，氯化钾150 kg，以及复合肥225 kg；每公顷桃树林平均施用尿素3000 kg，过磷酸钙975 kg，氯化钾450 kg，复合肥1050 kg，鸡粪22 500 kg。供试果园施肥量明显高于水田，是水田改果园后土壤理化性质变化的重要因素。供试土壤其他信息详见表1。

田间采集的分层土样分为三部分：一部分带回实验室采用常规方法风干处理，先后过2、0.25 mm和0.15 mm土筛，用于土壤理化指标测定；另外两份置于塑料袋中，用冰块冷藏带回实验室，一部分放入4℃冰箱，一周内完成土壤微生物量测定，另一部分冷冻干燥后，放入-80℃冰箱用于测定土壤微生物磷脂脂肪酸含量。

1.3 数据测定和分析

土壤自然含水量、颜色、pH值、土壤颗粒组成、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾等基本理化指标采用土壤标准测定方法进行，具体步骤见参考文献[7-8]。土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，TOC自动分析仪测定。

土壤微生物磷脂脂肪酸（PLEA）参照MIDI Sherlock微生物鉴定系统（Version 4.5）对各成分脂肪酸进行鉴定，并生成磷脂脂肪酸图谱[9]。采用一种或多种特征脂肪酸之和表示土壤微生物的绝对含量和相对丰度。细菌的特征脂肪酸：12：00、i14：0、14：00、a15：0、15：00、i15：0、15：0 2OH、15：0 3OH、a16：0、16：1ω9c、16：1ω5c、16：00、16：0 Nalcohol、17：00、a17：0、cy17：0、18：00、18：1ω7c、18：1ω5c、17：0ISO3OH、i19：0 和cy19：0ω8c[10-14]；真菌的特征脂肪酸：18：1ω9c、18：2ω6c、18：3ω6c（6，9，12）和 20：1ω9c；放线菌的特征脂肪酸：16：0（10Me）、17：0（10Me）、18：0（10Me）和 19：0（10Me）；原生动物的特征脂肪酸：20：2 w6，9c 和 20：4 w6，9，12，15c；革兰氏阴性细菌的特征脂肪酸：16：1ω5c、17：1ω8c、18：1ω5c、18：1ω7c 和 cy17：0；革兰氏阳性细菌的特征脂肪酸：i14：0、a15：0、i15：0、a16：0、i16：0、a17：0、i17：0 和 a18：0；好氧细菌的特征脂肪酸：a15：0、i15：0、15：0、i16：0、a17：0、i17：0 和 17：0；厌氧细菌的特征脂肪酸：18：1ω7c[11-14]。

采用佳能相机（EOS M3）拍照，Microsoft Excel 2007软件进行数据分析。

表2 水田和果园土壤剖面形态特征Table2 Morphology characteristics of soil profiles in paddy fields and orchard farms

2 结果与分析

2.1 土壤形态

水田改果园后，土壤结构体类型发生变化，耕作层土壤由团块状（直径10～30 mm）为主，转变为块状（长度20～50 mm）为主；犁底层土壤由块状（长度30～60 mm）为主，转变为大块状（长度＞60 mm）为主（表2）。改果园后，耕作层和犁底层根系和植物茎叶等残体数量明显减少；根孔的连续性遭到破坏，其中犁底层土壤变化最明显（表2）。

在水田耕作层和犁底层土壤中，锈色斑纹约占结构面的30%；改果园后，随着种植桃树年限的增加，表层和亚表层土壤中锈色斑纹逐渐失去鲜亮色泽、淡化，甚至消失（图1和表2），氧化还原层土壤中锰斑和结核明显增多，结核颜色明显加深（图1）。

2.2 土壤物理性质

水田改为果园后，耕作层和犁底层土壤自然含水量降低，其他发生层自然含水量变化不明显（表3）。水田中地下水位为115 cm，在改果园8年和20年后地下水位分别下降至125 cm和135 cm。

水田改果园后，剖面土壤基质的色值基本保持不变或有轻微变化，水田耕层土壤润态颜色为黄灰色（2.5Y4/1），改果园8年和20年后，土壤颜色转变为暗灰黄色（2.5Y5/2）和黄棕色（2.5Y5/3）；此外，犁底层土壤明度和彩度增加，其他发生层土壤颜色变化不明显（图1和表2）。改果园后，由于土壤有机质下降和农作活动下的人为踩踏等因素的影响，耕作层和犁底层土壤容重和坚实度增加，孔隙度下降（表3）。

图1 水田和果园土壤剖面各发生层形态特征对比Figure1 Morphology characteristics of different layers of soil profiles in paddy fields and orchard farms

表3 水田和果园土壤基本理化性质Table3 Soil physico chemical properties in paddy fields and orchard farms

通过X射线衍射（X-ray diffraction analysis，XRD）技术对水田和果园亚表层土壤黏土矿物类型进行半定量鉴定，衍射图谱（图2）是以衍射角（2θ）为横坐标，以衍射谱线的衍射强度（与最高衍射峰比较的相对强度）为纵坐标的曲线。在镁-甘油饱和定向片衍射图谱中，设这些矿物含量百分比之和为100%，将样品中各种特征衍射峰的积分面积乘以比例系数，分别求出各自的百分含量（表4）。结果表明，水田和果园中土壤亚表层黏土矿物以高岭石和伊利石为主，其次为绿泥石，此外石英含量也比较高。由于水改旱后自然含水量下降等因素的影响，耕作层土壤中绿泥石含量有轻微降低趋势，其他土壤黏土矿物类型及相对含量变化整体均不明显。

2.3 土壤化学性质

由表3可知，土壤剖面中有机质含量随着桃树种植时间的延长和土壤剖面深度的增加呈降低趋势：改果园8年后，耕作层和犁底层有机质分别下降了23.9%和22.2%；改果园20年后，耕作层和犁底层有机质都下降了42.1%，变异系数分别达到27.0%和26.7%。改果园20年后，耕作层和犁底层土壤pH值分别下降12.0%和11.6%。耕作层土壤容重和坚实度分别增加了29.3%和7.69倍，变异系数分别达到13.7%和72.4%。改果园后，淀积层和脱潜层土壤理化性质变化不明显。

由表5可知，水田改果园8年后耕作层土壤中全氮和碱解氮含量分别下降22.5%和31.7%，改果园20年后分别下降40.3%和37.4%。由于化肥施用量增加等因素的影响，改果园20年后耕作层土壤中全磷、有效磷和速效钾含量分别增加了1.35、15.62倍和3.07倍。

图2 水田和果园犁底层土壤黏土X射线衍射图谱Figure2 X-ray diffraction spectrogram of the clay minerals of subsurface soils in paddy fields and orchard farms

表4 水田和果园亚表层土壤中主要黏土矿物百分含量（%）Table4 The percentage of clay mineral of subsurface soils in paddy and orchard soils（%）

表5 水田和果园耕作层土壤养分Table5 Soil nutrients in plow layer soils of paddy fields and orchard farms

2.4 土壤生物学性质

水田改果园后，土壤微生物生物量碳和生物量氮随着植树年限的延长而明显降低。在水田土壤中微生物生物量碳和生物量氮含量分别为965.7 mg·kg-1和71.2 mg·kg-1，改果园8年后分别下降了47.3%和18.9%，改果园20年后分别下降了76.5%和52.1%。PLFA生物标记法分析表明，水田改果园后耕层土壤微生物种类整体比较相似，而总PLFAs含量及各类微生物含量整体上呈下降趋势（表6、表7和图3）。对图3中含量较高、具有代表性的土壤微生物特征脂肪酸列表分析，结果表明（表6），代表好氧细菌的特征脂肪酸i15：0和i16：0的相对含量在改果园20年后，分别增加28.7%和45.1%，代表厌氧细菌的特征脂肪酸18：1ω7c的绝对含量和相对含量分别降低了81.8%和41.2%。由表7可知，土壤微生物群落结构发生显著变化，水田土壤中好氧细菌与厌氧细菌比值为2.97，改果园8年和20年后其比值分别增加了76.2%和97.0%。在水田土壤中革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌比值为0.557，改果园8年和20年后比值分别降低了22.2%和24.6%。此外，改果园20年后，真菌/细菌和放线菌/细菌分别下降34.5%和8.4%。

3 讨论

3.1 水田改果园后土壤形态和性质的演变

水田改果园后，由于土壤有机质含量下降和氧化铁形态的变化，耕作层和犁底层土壤颜色亮度和彩度增加[8，15]（图1和表2）。改果园后，耕作层和犁底层土壤中锈色斑纹逐渐失去鲜亮色泽、逐步淡化与破碎，最后与整个土体混合，这主要与土壤水分含量下降及土壤的翻耕有关。随着改果园年限的延长和地表灌溉水补给的减少，地下水位逐渐下降，这与方利平等[16]的研究结果一致。

本研究中水田改果园后，耕作层和犁底层土壤pH明显下降（表3），主要原因有以下几个方面：土壤通透性改善，硝化作用增强，大量Mn2+、Fe2+等离子被氧化，这些过程释放出大量质子（H+）使土壤变酸[17]；氯化钾等酸性肥料施用量增加也会加速土壤的酸化；此外，改果园后垂直淋洗增强也会对耕作层土壤pH值产生影响[18]。在田间条件下，水稻土淹水后pH值趋于中性[19]；李艾芬等[17]通过对嘉兴市郊水田和改种葡萄树、桃树后的园地研究表明，园地田间测定pH值平均为4.7，而相邻种稻的水田土壤pH值平均为6.8；以上结论与王振平等[20]和杨东伟等[21]关于水田和林地中土壤pH差异的结论一致。水田改果园后，由于土壤通气性增强，土壤微生物对有机质的分解速度加快，土壤有机质的化学氧化加速，使土壤剖面有机质含量下降；此外，改果园后植物残体进入土壤的数量减少，也会引起土壤有机质含量降低。改果园后，土壤有机质含量的降低还引起土壤全氮和碱解氮含量的下降（表5），这与李昌新等[22]关于水田和旱地土壤有机碳和全氮差异的结论一致。与潘霞等[23]的研究结果相似，水田改果园后由于化肥施用量增加，土壤有效磷和速效钾含量明显增加。

水田土壤中较高的有机质和水分含量，有利于土壤微生物生长[24]。受水田改果园后土壤微生物的主要营养物质（水分、碳源和氮源）下降等因素的影响，土壤微生物生物量碳氮、土壤微生物总PLFAs和不同种类微生物PLFAs含量降低（图3和表6），真菌与细菌比例下降（表7）。改果园20年后，土壤微生物群落结构发生显著变化，由于土壤通气性改善，因而好氧细菌与厌氧细菌比例增加了97.0%，原生动物与细菌的比例略微增加（表7）。

表6 水田和果园耕作层土壤微生物PLFAs含量Table6 The content of soil microbial phospholipid fatty acid in plow layer of paddy fields and orchard farms

表7 耕层土壤中不同种类土壤微生物比例Table7 The ratios of different microbes in plow layer soils

3.2 水田改果园带来的环境效应

水田改旱作引起温室气体排放量增加等一些系列环境问题。全球气候变化的主要原因是由于人类活动向大气中排放过量的CO2和N2O等温室气体而引起的。全球1 m深土层中有机碳含量约为植被碳含量的3倍、大气碳含量的2倍，每年因土地利用变化所释放的CO2约占全球CO2释放量的25%，我国农业源占温室气体排放总量的17%，因而土壤中的有机碳既是碳汇又是碳源[25-28]。李欣雨等[29]研究表明水田中土壤有机碳明显高于其他土地利用方式。在淹水植稻条件下，耕层土壤处于厌氧还原状态，水田改果园后，土壤氧化还原状况发生改变，大量的土壤有机碳被氧化，以CO2的形式释放到大气中，增加了温室气体CO2的排放。

有研究表明，水田改玉米地后表层土壤（0～15 cm）有机碳损失率为 1.9 t·hm-2·a-1[30]。依据单正军等[31]和中国科学院南京土壤研究所土壤分类课题组等[32]相关方法估算温室气体排放，根据土壤有机碳的剖面分布特征，分层计算土壤有机碳损失量的计算公式为：

式中：0.58为土壤有机碳与土壤有机质的转换系数；C 为土壤有机碳密度，kg·m-2；H 为土层厚度，m；B 为土壤容重，g·m-3；O为有机质含量，g·kg-1（表3）。依据上述计算方法，将各土层有机碳相加，即为一定深度土壤中有机碳总量。水田和20年果园土壤1 m以内土体有机碳总量的差值，即为土地利用方式变化后1 m以内土体固定有机碳的减少量；计算结果显示本研究中水田改桃园20年后，1 m内土体固碳量减少2.28 kg·m-2（22.8 t·hm-2）。

图3 土壤微生物PLFAs图谱Figure3 Atlas of soil microbial phospholipid fatty acids

水田在渍水嫌气条件下，土壤有机态氮的矿化过程主要停留在氨化阶段，以铵态氮形态积累，水田改果园后土壤硝化作用增强，由于被消耗而下降，该过程释放出NO和N2O，造成氮素的损失，反应过程如下：→NH2OH→NO→。水田改果园后土壤有机质矿化释放的大量氮素，随水土流失或进入大气，引起有机氮含量的下降，最终引起土壤全氮含量和供氮能力的降低[33]，并对大气和水体造成重要影响。

4 结论

（1）水田改果园后，土壤含水量、有机质、全氮、碱解氮及微生物生物量碳氮等土壤理化指标和生物学指标随着植树年限的延长而显著降低，并引起土壤酸化、土壤结构变差、碳汇作用减弱、土壤综合肥力下降，从而对土壤的健康发展和可持续利用产生不利影响。

（2）土壤微生物群落结构不仅受土壤环境因子变化影响，而且能够对土壤环境产生重要影响。供试土壤环境因子的改变是引起土壤微生物群落结构变化的主要原因。水田改果园后，土壤微生物磷脂脂肪酸总量和各类土壤微生物数量减少，微生物群落结构发生显著改变，土壤生态功能减弱。

（3）水田改果园后，土壤形态、肥力及微生物特性发生显著变化，土壤生态环境发生改变，并对周边水体和大气环境造成一定影响。

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