旱地转变为稻田对关键带红壤剖面土壤团聚体碳含量的影响*

刘真勇 高 振 王艳玲 姚 怡

（南京信息工程大学应用气象学院生态气象环境研究中心，南京 210044）

碳循环是影响全球气候变化的重要过程，而土壤碳库的存储数量与质量是影响碳循环的重要环节[1]。土壤作为陆地碳库的重要组成部分，包含的碳是影响土壤质量与功能的核心要素[2]，它在促进土粒结构形成、增强团粒凝聚性方面有重要作用[3]，而其分解和积累的过程直接影响着全球的碳平衡[4]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其形成过程也是土壤固碳的重要机制，对提高土壤肥力以及调节养分均有重要作用[5-6]。花生旱地和水稻田是红壤关键带主要的两种种植模式，了解其全碳稳定机制和矿化规律有助于土地的可持续利用。有研究表明，在水耕条件下，土壤全碳的积累过程大致可分为快速增长和趋于稳定两个阶段，水耕利用的前30年土壤全碳快速增长，水耕利用80年往后增长趋于稳定[7]。还有学者认为，稻田土壤较旱地土壤更具固碳潜力，但对于稻田土壤固碳机制的认识并不深入，现有的大部分资料主要是针对旱地和稻田的总体碳库进行比较，而对旱地和稻田剖面土壤各粒级团聚体的全碳研究较少[8-9]。由于土壤深层剖面空间巨大，对于碳的固定潜力较高，这也意味着土壤全碳的垂直迁移过程具有重要意义[10]。而土壤团聚体的形成、稳定和性质均与不同形态的铁铝氧化物有关，它们在有机无机复合过程中起到了连接作用[11]，但铁铝氧化物在旱地转为稻田后对团聚体碳产生怎样影响的相关报道较少。在此基础上，将其与地球“关键带”这种岩石、土壤、水、空气以及生物相互作用、发生物质和能量交换高度异质性的地表环境相联系[12]，可以为红壤区生态系统的整合认知与调控管理提供很好的平台。

因此，本文在红壤关键带江西鹰潭孙家小流域观测站选取了花生旱地、新稻田及老稻田三个典型剖面，重点研究红壤花生旱地转为稻田与长期植稻过程中剖面土壤大小团聚体的粒级分布及其对全碳固存与分布的影响，探讨大小团聚体碳含量对土壤全碳的贡献率差异及其与铁铝氧化物的相关关系，来更好地理解与分析关键带红壤旱地与稻田剖面土壤的固碳特征与固存机制，以期为红壤关键带土壤全碳的管理提供基础数据，为红壤区土壤资源的可持续利用提供合理化建议与科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2016年11月，在江西省鹰潭市余江县孙家小流域的红壤关键带观测站（N28°13.7′—28°14.1′，E116°54.2′—116°54.5′）选取花生旱地（PU）、新稻田（NP，＜30a）、老稻田（OP，＞200a）3 个典型剖面，按照30 cm 的土层间隔自下而上地采集剖面样品，采样深度为120 cm，每个土层采集6 个重复样品。将土壤样品带回室内，除去小石块、植物残体以及动物遗体，在其自然风干时沿土壤自然结构轻轻剥成直径10 mm 左右的小土块，风干后，保存备用。各土壤剖面的土层划分及其理化性质见表1。

表1 红壤关键带剖面土壤基本理化性质 Table1 Physicochemical properties of the soil profiles at the Red Soil Critical Zone

1.2 土壤团聚体样本的制备

采用湿筛法将土壤分成 3 个粒级[13]，即称取20 g 风干土壤样品放入自上而下筛孔直径为250 μm和53 μm 的套筛上，加去离子水使其没过土样2 cm，静置10 min 后，开启DX-100 团聚体分析仪开关，30 次·min-1筛分30 min 后用去离子水由上至下冲洗套筛上的土壤颗粒于已称重的铝盒中，放入60℃烘箱中烘干称重，以此得到粒级为＞ 250 μm 和250～ 53 μm 团聚体的样本。将＜53 μm 的土壤溶液洗入烧杯中静置，待土壤样品沉淀，去除上清液，然后将＜ 53 μm 的土样用去离子水洗入已称重的铝盒中，在60℃烘箱中烘干称重，得到＜ 53 μm 的团聚体样本。

1.3 土壤样品分析

游离态氧化铁（f-Fe2O3）和游离态氧化铝（f-Al2O3）采用DCB（连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸氢钠）法提取。无定形氧化铁（a-Fe2O3）和无定形氧化铝（a-Al2O3）采用酸性草酸铵缓冲液（pH=3.17）提取。提取液中的铁铝浓度采用电感耦合等离子光谱发生仪（Inductive Coupled Plasma Emission Spectromete，简称ICP 仪）测定。具体操作方法详见文献[14]。

土壤全碳利用元素分析仪（Vario EL cube）进行测定。团聚体对土壤全碳的贡献率（%）=[某粒级全碳含量（g·kg-1）×该粒级团聚体比例（%）]×100/ [土壤全碳含量（g·kg-1）]。

1.4 数据处理

数据使用Excel 2007 整合计算，统计分析采用IBM SPSS Statistics 22 软件，绘图采用OriginPro 8.5软件。

2 结 果

2.1 旱地转为稻田对红壤剖面团聚体粒级组成的影响

花生旱地、新稻田与老稻田剖面土壤中 53～ 250 μm 微团聚体所占比例依次为58.2%±3.38%、41.9% ± 5.44%和47.4% ± 3.85%，在三个粒级团聚体中占主导地位（表2）。从花生旱地向新、老稻田转换的过程中，新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 团聚体的比例显著增加了56%～166%，而老稻田则较新稻田显著降低了15%～70%；53～250 μm 团聚体的比例表现为新稻田较花生旱地显著降低了19%～39%，而老稻田相较于新稻田无明显变化；花生旱地与新稻田剖面土壤中＜ 53 μm 团聚体的比例无显著差异，而老稻田则较新稻田显著增加了47%～168%（表2）。可见随着淹水植稻时间的增加，剖面土壤中＞250 μm的大团聚体比例会先增大再减少，53～250 μm 的微团聚体比例则先减小，之后无明显变化，而＜ 53 μm的团聚体比例只有在长期淹水之后才会显著增加。

表2 旱地转为稻田对剖面红壤团聚体粒级组成的影响 Table2 Effect of the conversion of upland peanut field into paddy field on particle size composition of soil aggregates in red soil profile

与花生旱地相比，短期植稻（如新稻田）的剖面土壤中＞ 250 μm 大团聚体的比例在0～120 cm 四个土层中均显著增加，53～250 μm 微团聚体的比例则显著降低，而＜ 53 μm 团聚体的比例在0～30 cm和30～60 cm 两个土层显著降低，但60～90 cm 和90～120 cm 两个土层无明显变化，可见初期淹水植稻所增加的大团聚体来源于剖面的每个土层。与短期植稻相比，长期植稻（如老稻田）后的剖面土壤中＞250 μm 大团聚体比例在四个土层中均显著降低；53～250 μm 微团聚体的比例则在0～30 cm 的土层无明显变化，往下三个土层中均显著增加，而＜53 μm 团聚体的比例则在整个剖面中增加显著。

2.2 旱地转为稻田下红壤全碳含量的垂直变化

红壤关键带的花生旱地与新、老稻田剖面土壤全碳含量均呈现出随着土层深度的加深先快速降低，然后趋于平稳的趋势（图1）。剖面全碳平均含量的大小依次为：老稻田（9.2 g·kg-1）＞新稻田（4.1 g·kg-1）＞旱地（2.1 g·kg-1）；三个剖面土壤中0～30cm土层的全碳含量均显著高于下面三个土层，且30～120 cm 间三个土层的土壤全碳含量无显著差异。由图1可以看出，在花生旱地转换成新稻田及老稻田的过程中，30～60 cm、60～90 cm 和90～120 cm三个土层的土壤全碳含量均会随着淹水植稻时间的增加而显著增高；只有在0～30 cm 的土层中，花生旱地与新稻田的土壤全碳含量无明显变化，但发育成老稻田后则显著增高。

图1 花生旱地与新、老稻田不同土层的全碳含量 Fig.1 Contents of soil total carbon in the soil of the upland peanut field，new paddy field and old paddy field relative to soil layer

2.3 旱地转为稻田对红壤剖面各粒级团聚体全碳含量的影响

与花生旱地相比，短期植稻后0～30 cm 土层中各粒级团聚体碳含量均无显著变化，而长期植稻的土壤则增加显著（图2）。短期植稻对30～60 cm 土层中＞ 250 μm 大团聚体的全碳含量无显著影响，但在长期植稻成为老稻田后，该粒级团聚体全碳含量则会显著增加；53～250 μm 和＜ 53 μm 团聚体的全碳含量则会随着淹水植稻时间的增加显著增加。而在60～90 cm 和90～120 cm 的土层中，＞ 250 μm、250～53 μm 和＜53 μm 三个粒级团聚体的全碳含量都会随着淹水植稻时间的增加而显著增大，即各粒级全碳含量大小依次为老稻田＞新稻田＞旱地。

2.4 旱地转为稻田下红壤剖面团聚体全碳贡献率的变化

图2 花生旱地转为稻田下不同粒级团聚体全碳含量的剖面分布 Fig.2 Distribution of total carbon content in soil aggregates relative to particle size in the land after conversion from upland to paddy

由表3可以看出，花生旱地剖面土壤中53～ 250 μm 微团聚体对土壤全碳的贡献率高达51.6% ± 2.20%，显著高于＞ 250 μm 和＜ 53 μm 粒级团聚体；新稻田剖面土壤中各粒级团聚体对土壤全碳的贡献率大小依次为：＞ 250 μm 粒级、53～250 μm 粒级、＜ 53 μm 粒级，且各粒级间差异显著；而老稻田剖面土壤中各粒级团聚体对土壤全碳的贡献率无显著差 异。从花生旱地向新、老稻田转换的过程中，新稻田土壤中＞ 250 μm 团聚体对土壤全碳的贡献率显著增加了63%～145%，而老稻田则较新稻田显著降低了6%～71%（表3）；新稻田土壤中53～250 μm 团聚体的全碳贡献率显著降低了22%～36%，而老稻田相较于新稻田无明显变化；新稻田土壤中＜ 53 μm团聚体的全碳贡献率无显著变化，而老稻田则较新稻田显著增加了31%～168%。可见随着淹水植稻时间的增加，三个粒级团聚体对土壤全碳贡献率的整体变化趋势与土壤团聚体的组成基本一致，但三个粒级团聚体的全碳贡献率会因为各粒级团聚体含碳量的不同而与剖面土壤的团聚体组成产生较大差异。

短期植稻可以显著增加剖面土壤中＞ 250 μm 大团聚体在0～120cm 间四个土层中的全碳贡献率，而显著降低53～250 μm 和＜ 53 μm 团聚体的全碳贡献率，即短期淹水植稻大团聚体全碳贡献率的增加来源于剖面的每个土层。与新稻田相比，长期植稻后0～30 cm 土层中＞ 250 μm 团聚体的全碳贡献率无明显变化，而其他土层则显著降低；0～30 cm 土层中53～250 μm 和＜ 53 μm 团聚体的全碳贡献率虽无明显变化，但在其他土层中则显著增加。

2.5 旱地转为稻田下红壤剖面团聚体全碳含量与土壤铁铝氧化物的相关性

相关分析表明（表4），花生旱地中各粒级团聚体碳含量均与无定形氧化铁含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），即随着土壤中无定形氧化铁含量的增加，土壤中各粒级团聚体的全碳含量也随之增大（表4）。短期淹水的新稻田土壤中各粒级团聚体的全碳含量与游离态及无定形铁铝氧化物均无显著相关关系；而长期淹水的老稻田土壤中各粒级团聚体全碳含量与无定形氧化铁呈极显著正相关关系（P＜ 0.01），而与游离氧化铁、游离氧化铝及无定形氧化铝均无显著相关关系。

3 讨 论

稻田是经过人为淹水种稻、且水耕熟化作用明显的一种特殊土壤类型，土壤利用年限和人为管理措施的差异会造成稻田土壤团聚体组成和肥力性状的显著变化[15]。本研究发现，相较于花生旱地，短期植稻（＜ 30 a）会使剖面土壤中＞ 250 μm 大团聚体的比例显著增加，53～250 μm 微团聚体的比例显著降低，而＜ 53 μm 团聚体比例则无明显变化；相较于短期植稻，长期植稻（＞ 200 a）的剖面土壤中＞ 250 μm大团聚体的比例却显著降低了15%～70%，53～250 μm 微团聚体的比例则无明显变化，而＜ 53 μm 团聚体比例显著增加了47%～168%（表2）。花生旱地与新、老稻田剖面土壤中均是53～250 μm 微团聚体占主导地位，且花生旱地和老稻田剖面土壤中53～250 μm 团聚体的比例显著高于其他两个粒级，而新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 和53～250 μm 团聚体的比例差异不显著（表2），这可能是因为大团聚体对外部因素反应敏感，更新速率快[16]，短期植稻的新稻田水耕熟化作用强，有机质增加迅速，促进了＞ 250 μm团聚体的形成[17]，而53～250 μm 微团聚体的稳定性则会比较高。有研究表明，多糖类物质和松结态有机质是大粒级微团聚体形成的主要原因，而黏粒和紧结态有机质则会影响小粒级微团聚体的形成[18]；不同胶结物质的作用程度也会因为团聚体粒级的不同而存在差异[19]。从旱地发育成新、老稻田，每个土层中＞ 250 μm 大团聚体的比例均会先增加、后降低；而250～53 μm 微团聚体的比例则会在短期淹水植稻后就显著降低，＜ 53 μm 粉黏粒团聚体则是会在长期淹水植稻后才有显著增加（表2）。这是由于大团聚体的稳定性在很大程度上取决于植物根系和菌丝，它们作为有机胶结物质对土壤大团聚体的形成具有明显地促进作用，而土壤微团聚体的稳定受植物和微生物产生多糖类物质的影响[20]。由此可以说明旱地经过长期淹水作用的影响，剖面土壤中＜ 53 μm 团聚体和紧结态有机质增多，导致在形成老稻田后剖面土壤中＜ 53 μm 团聚体的比例得到显著增加。

表4 剖面红壤各粒级团聚体全碳含量与铁铝氧化物的相关系数 Table4 Correlation coefficients of content of total carbon in soil aggregates with Fe-Al oxides in the soil profile relative to particle size fraction

红壤花生旱地转换为稻田可以显著增加土壤全碳含量（图1）。在水耕利用条件下，人为管理程度较高，肥料的不断施入及大量作物残体的归还，会使形成的土壤有机物质量增大，而稻田这种特殊的厌氧环境，就会使土壤全碳在水耕熟化的过程中慢慢增加[21-22]。本研究中的花生旱地、新稻田与老稻田三个剖面土壤的全碳含量均随着土层深度的加深先快速降低，然后趋于平稳（图1），这符合土壤全碳的剖面变化规律[23-25]。三个剖面土壤各个土层中均是53～250 μm 微团聚体的全碳含量最低，这可能是因为＞ 250 μm 大团聚体包含了小粒径团聚体和有机胶结物[26]，而＜ 53 μm 团聚体的黏粒含量较高，易与有机碳形成复合体有关[27]。但是在旱地转为新稻田及老稻田后，不同土层与不同粒级团聚体全碳含量的变化又会随着水耕时间的增加而存在差异；水耕熟化作用增加的土壤全碳，在0～30 cm 土层中仅有长期植稻才会显著增加，并且增加的全碳来自于＞ 250 μm、53～250 μm 和＜ 53 μm 这三个粒级的团聚体；30～60 cm 土层新增加的全碳在短期植稻后被53～250 μm 和＜ 53 μm 团聚体所固持，而长期植稻后三个粒级的全碳含量均增加显著；60～90 cm和90～120 cm 土层中三个粒级团聚体所含全碳均随着植稻时间的增加持续增长，直至稻田土壤发育完全（图2）。

比表面积巨大的铁铝氧化物对可溶性有机物有较高的吸附能力，这在很大程度上决定了土壤有机碳的积累和稳定[28]。尤其是在酸性土壤中，有机碳与无定形铁铝氧化物之间的相互作用对有机碳的稳定机制有重要的调控作用[29]。这与本文的研究结果类似，红壤属于酸性土壤，土壤中无机碳含量非常低[30]，导致旱地和老稻田剖面土壤中＞ 250 μm、53～250 μm、＜ 53 μm 三个粒级团聚体的全碳含量均与无定形氧化铁呈极显著正相关关系（表4），但新稻田土壤中这三个粒级团聚体的全碳含量却与游离态及无定形铁铝氧化物均无显著相关关系（表4），这可能是因为红壤中无定形氧化铁更有利于大团聚体的形成[31]，而新稻田剖面中＞ 250 μm 大团聚体的比例显著高于花生旱地和老稻田（表2），说明新稻田无定形氧化铁增加迅速，使得三个粒级的全碳含量与土壤所含的无定形氧化铁无显著关系（表4）。有研究表明，稻田的固碳与碳更新主要反映在团聚体碳组分的变化上，新碳主要被粗团聚体的物理结构所保护[32]。在本研究中，旱地红壤53～250 μm微团聚体对土壤全碳的贡献率显著高于＞ 250 μm 和＜ 53 μm 团聚体（表3），这与旱地三个粒级团聚体比例大小一致（表2），所以旱地土壤的全碳主要来源于53～250 μm 微团聚体；但新、老稻田却不同，虽然新、老稻田中53～250 μm 微团聚体的比例占主导地位，但这一粒级比例相较于旱地已经有所下降（表2），并且＞ 250 μm 和＜ 53 μm 团聚体所含的全碳含量高于53～250 μm 微团聚体，所以在短期植稻后，新稻田剖面土壤中＞ 250 μm 团聚体对全碳的贡献率显著增加，明显高于另外两个粒级；待稻田发育成型后，老稻田剖面中＞ 250 μm 团聚体的全碳贡献率会下降，＜ 53 μm 团聚体的贡献率会上升，直至三个粒级对土壤全碳的贡献率无显著差异。

4 结 论

红壤关键带的花生旱地、新稻田和老稻田剖面土壤中53～250 μm 微团聚体的比例高达41.9%～ 58.2%。花生旱地转变为新、老稻田的过程中，各土层土壤均呈现出53～250 μm团聚体先团聚成＞ 250 μm大团聚体，而后分散成＜ 53 μm 团聚体的过程。短期植稻与长期植稻都可以显著增加关键带红壤60～90 cm 和90～120 cm 这两个较深土层各粒级团聚体的全碳含量，但只有长期植稻才能显著增加0～30 cm和30～60 cm 这种较浅土层各粒级团聚体的全碳含量，且旱地与老稻田各粒级团聚体的全碳含量与无定形氧化铁的含量呈极显著正相关关系。花生旱地中53～250 μm 微团聚体对土壤全碳贡献率最大；新稻田中＞ 250 μm 大团聚体对土壤全碳贡献率最大；而老稻田中＜ 53 μm 团聚体对土壤新增加的全碳贡献最大，并且集中在较深的土层中，但＞ 250 μm、53～250 μm 和＜ 53 μm 这三个粒级的团聚体对土壤全碳的贡献率无显著差异。