松嫩平原不同土地利用类型土壤团聚体分布及碳氮磷化学计量特征研究

刘 骞，许明月，魏思雪，王溢琨，王紫含，张 博，汤 洁

（1. 长春大学园林学院，长春 130022；2. 吉林大学新能源与环境学院，长春 130012）

盐碱土壤是我国主要后备土壤资源之一，盐碱土壤改良利用和生态建设一直是关注热点，探究盐碱区土地利用类型对土壤团聚体分布及其碳、氮、磷化学计量特征影响，对于合理开发利用盐碱土壤具有重要理论和实际意义。土壤碳、氮、磷与土壤物质循环和能量流动关系密切[1-2]，在形成和稳定土壤结构、提高土壤物理性质等方面发挥重要作用。土壤团聚体是土壤结构基本单元，参与土壤压实、土壤养分循环、土壤侵蚀、根系渗透和作物生长等多种物理化学过程[3-4]。团聚体稳定性是土壤结构重要指标，土壤结构和团聚体稳定性对提高土壤肥力、土壤可持续性和生产力至关重要[5]。有机碳在不同粒径团聚体中稳定性不同。研究表明，不同粒级团聚体对土壤养分元素保持、供应及转化能力存在差异，其中碳、氮、磷存在形态和稳定性也不同[6-7]。同时，不同土地类型和植被下土壤碳、氮、磷含量因植物残体覆盖数量、质量及生态环境不同而存在差异[8]，土壤碳、氮、磷及其化学计量变化可反映土壤养分损失程度，有助于揭示不同植被覆盖与土壤养分损失间相互关系，且土壤深度也是影响土壤养分关键因子，从而影响土壤物质循环和团聚体稳定性。故通过土壤化学计量学分析元素之间耦合平衡机制，研究不同土地利用类型对土壤团聚体分布及其碳、氮、磷特征影响，可揭示植物生长和土地养分循环及平衡机制，对土壤环境质量及养分循环研究具有重要意义[9-10]。松嫩平原盐碱土是世界三大盐碱土集中分布区之一，且盐碱程度呈逐年增加态势，农田产量下降、草地退化，生态环境日趋恶化[11]。目前，盐碱土壤改良后土壤物理、化学性质变化研究广泛，而关于松嫩平原不同土地利用类型土壤团聚体化学计量特征研究较少[12-13]。本研究以吉林西部松嫩平原为例，分析不同土地利用类型（水田、旱田、湿地、草地）土壤团聚体粒级分布、土壤碳氮磷含量及化学计量变化特征，阐明不同土地利用类型对土壤团聚体及碳、氮、磷分布特征影响，为该区域土地合理利用、提高土壤质量及防止土壤退化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于松嫩平原西部，是苏打盐碱化最严重地区，盐碱地面积约9.69×105hm2。属半干旱半湿润大陆性季风气候，受西风带和东亚夏季天气系统影响，气候敏感，四季差异明显，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季漫长寒冷，年降水量580 mm；水资源量96×108m3；年日照时间2 700 h，年均气温2～6 ℃[14]。该地区经多次沙漠化和盐碱荒漠化正逆演变过程，形成大面积盐碱土沉积。研究区位于吉林西部松嫩平原内，主要土地利用方式为农田（旱田、水田）、盐碱草地、湿地等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与土壤样品采集

根据土壤和土地利用方式类型图，结合实地调查，于2019 年9 月采集样品。每种土地利用方式中分别设置6个20 m2样方，按照S形采样法采集0～10、10～20 cm 土层土壤样品，将每个采样点相同土层样品混匀，保持原状土壤结构并将其带回实验室，去除肉眼可见植物残体和根系等，置于室内阴凉通风处自然风干，备用。采样点基本信息见表1。

1.2.2 样品分析方法

根据Elliott干筛法测定土壤团聚体分布和稳定性[15]。具体操作如下，取200 g 土样过0.5、0.25、0.105 和0.088 mm 筛子，分离得到4 个团聚体粒级（≥0.5 mm，0.25～0.5 mm，0.105～0.25 mm，0.088～0.105 mm），将干筛得到的各级团聚体分别称重，计算各级团聚体所占比例，测定土壤团聚体中有机碳含量。土壤团聚体有机碳测定采用重铬酸钾外加热法，全氮含量测定采用凯氏定氮法，全磷含量测定采用钼锑抗比色法[16]。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.3 统计分析和计算

采用Excel 2003 和SPSS 20.0 软件分析数据并作图。采用单因素方差分析和最小差数法（LSD）分析差异显著性，比较不同数据组间差异。

2 结果与分析

2.1 盐碱土壤团聚体组成特征

干筛法获得不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体分布和组成见图1，水田（W1）土壤团聚体含量表现为（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.25～0.5 mm）＞（0.105～0.25 mm）；旱田（W2）、湿地（W3）和草地（W4）土壤团聚体含量均表现为（≥0.5 mm）＞（0.088～0.105 mm）＞（0.105～0.25 mm）＞（0.25～0.5 mm）。不同土地利用类型下，均以≥0.5 mm 团聚体含量最高，其中水田土壤≥0.5 mm团聚体含量高于其他土地利用类型。

2.2 盐碱土壤团聚体碳、氮、磷分布特征

不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体有机碳含量变化为1.56～16.45 g·kg-1（见图2），0～10 cm、10～20 cm 土层有机碳含量总体表现为水田显著高于其他土地利用类型（P＜0.05），草地有机碳含量最低。≥0.5 mm 团聚体有机碳含量显著高于0.105～0.25 mm粒级团聚体。不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体全氮含量变化为0.23～2.47 g·kg-1（见图3），0～10 cm、10～20 cm土层全氮含量总体表现为水田显著高于其他土地利用类型（P＜0.05），草地全氮含量最低。 ≥0.5 mm 团聚体全氮含量最高，0.088～0.105 mm团聚体全氮含量次之。湿地和草地0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 团聚体全氮含量无显著差异。不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体全磷含量变化为0.13～2.14 g·kg-1（见图4），0～10 cm、10～20 cm 土层全磷含量总体表现为旱田显著高于其他土地利用类型（P＜0.05），草地全磷含量最低。旱田和湿地土壤≥0.5 mm团聚体全磷含量显著高于0.105～0.25 mm 粒级团聚体。草地土壤全磷含量各粒级间无显著差异。

2.3 盐碱土壤团聚体化学计量特征

不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体化学计量特征C∶N 变化为4.96～10.14 g·kg-1（见图5）。≥0.5 mm 团聚体C∶N 无显著差异；0.25～0.5 mm 团聚体C∶N 草地显著低于其他土地利用类型（P＜0.05）；0.105～0.25 mm 团聚体C∶N 水田最高，草地最低，而旱田与湿地无显著差异；0.088～0.105 mm团聚体C∶N 草地显著高于其他土地利用类型土壤（P＜0.05），水田和旱田无显著差异。不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体化学计量特征C∶P 变化为5.00～27.81 g·kg-1（见图6）。≥0.5 mm团聚体C∶P草地显著高于其他土地利用类型，旱田与湿地无显著差异；0.25～0.5 mm、0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 团聚体C∶P 草地＞水田＞旱田＞湿地。不同土地利用类型下盐碱土壤团聚体化学计量特征N∶P 变化为0.63～4.17 g·kg-1（见图7）。≥0.5 mm、0.105～0.25 mm团聚体N∶P草地显著高于其他土地利用类型，0.25～0.5 mm 团聚体N∶P 草地最高，水田次之，而旱田与湿地无显著差异；0.088～0.105 mm团聚体N∶P湿地显著低于其他土地利用类型土壤。

2.4 盐碱土壤团聚体碳氮磷含量与化学计量特征相关性分析

不同利用方式下盐碱土壤团聚体碳氮磷与化学计量相关性分析见表2。

由表2 可知，4 种土地利用类型下，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm 团聚体有机碳与全氮、全磷均呈显著正相关，而湿地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 团聚体有机碳与全氮、全磷均呈显著正相关。≥0.5 mm团聚体C∶N与有机碳、全氮、全磷相关系数依次为湿地＞旱田＞水田＞草地，0.25～0.5 mm团聚体C∶N与有机碳、全氮、全磷相关系数水田高于其他土地利用类型，且为极显著正相关（P＜0.01），0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 团聚体C∶N与有机碳、全氮、全磷相关系数较低。旱田、湿地、草地土壤≥0.5 mm 团聚体C∶P、N∶P 与有机碳、全氮、全磷呈正相关，水田土壤≥0.5 mm团聚体C∶P、N∶P与有机碳、全氮、全磷呈负相关。水田土壤0.25～0.5 mm 团聚体C∶N 与有机碳、全氮、全磷呈极显著相关（P＜0.01），旱田、湿地0.25～0.5 mm 团聚体C∶P、N∶P 与有机碳、全氮、全磷呈负相关。草地土壤0.105～0.25 mm 团聚体C∶P、N∶P与有机碳、全氮、全磷呈极显著正相关（P＜0.01）。

3 讨 论

3.1 不同土地利用类型对盐碱土壤团聚体分布特征的影响

土壤团聚体是土壤的一个功能单位。土壤团聚体形成增加有机质含量，稳定土壤物质，形成孔隙增加持水能力，保护土壤微生物，维持植物生长[17]，不同粒径团聚体对土壤养分保持、供应和转化影响不同。因此，适当粒径分布是土壤肥力物质基础[18]。Zhang 等研究表明，土壤碳氮等养分含量和耕作制度直接或间接影响团聚体组成和稳定性[19]。本研究中，不同土地利用类型下土壤团聚体粒级以≥0.5 mm团聚体占比最高，土壤大团聚体含量是决定土壤抗侵蚀能力重要指标，水田土壤≥0.5 mm 团聚体含量高于其他土地利用类型，与姜敏等研究结果一致[20]，说明水田土壤团聚体稳定性高于其他土地类型，由于水田主要农作物为水稻，收割水稻后产生大量残留物或稻草返回田间，增加水田土壤中有机碳来源，并可胶结微团聚体形成大团聚体，而旱田、湿地和草地有机物残留量较少[21]。

3.2 不同土地利用类型对盐碱土壤团聚体碳、氮、磷的影响

本研究中，不同土地类型土壤碳、氮、磷含量差异显著，农田土壤碳、氮、磷含量高于湿地和草地，与农耕施肥及作物与土壤间相互作用有关。土壤中碳、氮、磷主要来源于肥料和凋落物，水稻和玉米凋落物养分归还量逐年增加而导致其含量高于湿地和草地土壤[22-23]。在垂直土层上，不同土地利用类型0～20 cm 土层土壤碳、氮、磷含量略高于20～40 cm 土层，因土壤表层相对于底层来说，土壤结构、通气性更好，且土壤中微生物更多、养分循环更快，养分在向下层输移前也会集聚于土壤表层，均有利于营养物质积累[24]。本研究中，水田土壤团聚体有机碳含量高于其他土地利用类型，且大团聚体有机碳含量较高。Jastrow 等利用13C 示踪法证实大团聚体比微团聚体含更多有机碳[25]，与本研究结果一致。由于大团聚体是微团聚体和有机物胶结而形成，土壤大团聚体含更多有机物，且周转更快[26]。由于土壤长期处于淹水状态，在水能稳定条件下，可固定更多有机碳[27]，厌氧环境中微生物活性较弱，有机碳矿化度低、积累高，因此水田和湿地土壤团聚体有机碳含量较高[28]。土壤碳氮固存和释放通过土壤养分输入和输出控制，各级团聚体中全氮含量均表现为水田高于其他土地利用类型。在土壤养分输入方面，水稻种植中有残留物和稻草，有机残留物分解速度较快，输入土壤中碳氮含量增加，同时有机质腐化转化率高，因此表现较高养分利用率[29]。各级团聚体中全磷含量表现为旱田高于其他土地利用类型，可能由于研究区旱地土壤输入主要肥料为磷肥，同时地表动植物残体分解加速磷累积，因而旱田表现较高含磷量。

3.3 不同土地利用类型对盐碱土壤团聚体生态化学计量的影响

土壤碳、氮是土壤质量中重要指标，不仅反映土壤肥力状况，且表明区域生态系统演化规律[29]，C∶N通常被认为是土壤碳、氮素矿化能力标志。与谢摇涛等研究林地结果不同[30]，本研究中湿地和草地0.088～0.105 mm团聚体C：N略高于其他粒级团聚体。由于土壤团聚体有机质是土壤微生物生存来源，湿地和草地微团聚体有机质含量高于大团聚体，因此，0.088～0.105 mm团聚体C∶N略高。

土壤团聚体C∶P和N∶P反映有机质腐化程度及其对土壤养分贡献，本研究中草地土壤C∶P和N∶P显著高于其他土地利用类型，原因在于作物、植物和微生物对氮、磷元素同化吸收利用具有不稳定性[31]，因而增强土壤团聚体C∶P 和N∶P 变异程度。就指示作用而言，土壤C∶P和N∶P是衡量磷有效性重要指标，较低C∶P 和N∶P 表明磷有效性较高。本研究中，各粒级团聚体中，≥0.5 mm团聚体C∶P和N∶P最高，研究区内大粒径团聚体中养分限制类型以磷为主。

4 结 论

通过研究松嫩平原不同土地利用类型土壤团聚体C、N、P及其化学计量分析发现，不同粒级团聚体土壤C、N、P 之间耦合关系显著，≥0.5 mm、0.25～0.5 mm团聚体有机碳与全氮、全磷均呈显著正相关，而湿地、草地土壤0.105～0.25 mm、0.088～0.105 mm 团聚体有机碳与全氮、全磷均呈显著正相关，其团聚体碳氮磷对土壤养分具有良好指示性作用。研究区4种土地利用类型土壤C、N、P含量差异显著，分布特征为农田高于湿地和草地。土壤团聚体组成及其C、N、P 含量主要集中在≥0.5 mm 和0.088～0.105 mm 团聚体中，是土壤碳氮磷养分主要载体，对土壤养分物理保护和促进C、N、P积累发挥重要作用。