水耕对寒地不同类型土壤理化性质的影响

唐雷，陈扬，张冬冬，焦峰

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

在国际粮价频繁大幅波动的背景下，保障国内粮食产量稳定是保证国泰民安的重要基石[1]。黑龙江省三江平原地区是国内重要的商品粮基地，探索其土壤理化性质变化规律有利于保证北方寒地产区粮食持续高产[2-3]。三江平原总面积达10.89 万km2，主要土壤类型有草甸土、草甸黑土、潜育白浆土和沼泽土等[4]。为满足人民对稻米产量不断提高的需求，从20 世纪90 年代起三江平原地区的耕作模式逐渐由旱耕向水耕过渡，水稻种植面积在2015 年就超过全省的60%[5]。三江平原地区土壤种类丰富，面积广阔，旱耕转水耕年限大部分不超过50 h[6]，为研究寒地条件下旱耕转水耕后各种土壤的理化性质变化规律提供了良好的试验条件。

旱耕转水耕后由于农民劳作、田间周期性覆盖水层、种植作物种类、田间管理模式等因素发生改变，导致土壤的理化性质发生明显改变。王晋等[7]研究发现，水田土壤的有机氮各组分含量随时间呈指数增加变化趋势。梁化学[8]利用Mehlich 法研究发现，富含氧化铁土壤去除不同形态氧化铁前后土壤表面电荷会发生明显变化。马良等[9]对红壤土研究发现，0～20 cm 耕层的土壤有机质含量随水耕年限的逐步增加。李建军[10]对西南区、华南区等地的水稻土研究发现，在25 年内土壤的有机质、速效钾、全氮等物质含量随水耕年限增加。由上述研究可知，大部分研究仅针对一种水田土壤进行分析，关于北方寒地旱耕转水耕条件下不同类型土壤的容重、腐殖质碳含量、氧化还原电位、活性还原物质总量等内容研究结果较少[11-13]。因此，针对三江平原地区旱耕转水耕条件下的3 种典型稻田土壤（草甸土、草甸黑土、潜育白浆土）进行调查研究，探究北方寒地条件下不同类型土壤随水耕年限增加的理化性质变化规律，为充分利用土壤资源、完善田间管理规范提供理论依据，对实现水稻产量稳定及土地绿色发展具有重要作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

草甸土、草甸黑土、潜育白浆土分别取样于三江平原曙光农场、友谊农场和青龙山农场。曙光农场位于佳木斯市以南60 km 处，耕地面积1 万hm2，气候为寒温带大陆性季风气候，年有效积温约为2 450 ℃，土壤母质为冲积—洪积物。友谊农场位于佳木斯市东南方向，耕地9.187 万hm2，气候为中温带大陆气候，年平均气温2.5 ℃，土壤母质为冲积物。青龙山农场位于同江市南部35 km 处，耕地面积3.67 万hm2，气候为寒温带湿润季风气候，年有效积温约为2 350 ℃，土壤母质为黄土。选择曙光农场（SG）、友谊农场（YY）、青龙山农场（QLS）水耕年限为5～40 年的地块作为研究区域，每个采样区选取未进行水稻种植的临近旱耕土壤作为对照。草甸土对照组旱耕土壤前茬作物为玉米，秸秆处理方式为粉碎还田，0～10 cm土壤平均硬度为0.88 MPa，平均含水率为21.43%，容重为1.22 g·cm-3。草甸黑土对照组旱耕土壤前茬作物为大豆，秸秆处理方式为打包离田，0～10 cm 土壤平均硬度为0.56 MPa，平均含水率为23.51%，容重为1.29 g·cm-3。潜育白浆土对照组旱耕土壤前茬作物为玉米，秸秆处理方式为打包离田，0～10 cm 土壤平均硬度为1.12 MPa，平均含水率为20.64%，容重为1.04 g·cm-3。各采样点具体位置及详细信息见表1。

表1 采样点基本概况Table 1 Basic overview of sampling points

1.2 样品采集

土壤样品采样时间为2019 年10 月10 日～11 月10 日，由于时间限制，采用时空互代法进行5～40 年水耕年限样品的采集[14-15]，即利用空间置换时间，通过选取不同耕种年限的同种类型、同种耕作方式的土壤进行分析比较。水稻收获后随机在每块样地上随机选取3 个代表性位置进行样品采集，每块样地面积不小于1 000 m2，并以距水耕土壤采样点半径1 km 以内的旱耕土壤作为对照。确定好采样点后，在地面划出边长为1.2 m 和1 m 的矩形，并挖出深度为1 m 的土壤剖面，确定各土层厚度，按照耕层、犁底层、心土层的顺序用环刀法采集剖面各土层原状样品。环刀取出后需用修土刀将多余土壤削平、刮净，并用塑料密封袋将土壤样品密封保存，在密封袋上标明土壤样品的各项信息。化学指标样品采用多点取样法和四分法获得，并且剔除掉土样中的秸秆和杂草残体等杂质，带回实验室阴干后留待测量。

1.3 测定项目与方法

土壤剖面：土壤剖面完成后，首先用软尺测量耕层、犁底层厚度，并进行各土层厚度、经纬度、土壤类型等信息记录。

容重：将用环刀法采集的土壤样品测重后放进烘箱内干燥，烘干后用天平测量质量，最后计算得出土壤样品的容重[16]。

腐殖质碳含量：经氢氧化钠多次提取和蒸干后，采用重铬酸钾容量法测定[17]。

氧化还原电位：在土壤剖面完成后将氧化还原电位仪的铂电极和参比电极插入土层中，通过测量仪读出电位值。

活性还原物质总量：采用容量法，将新鲜土样置于锥形瓶中，在瓶中加入硫酸铝溶液后加塞摇匀，放置5 min 后用慢速滤纸滤出滤液，吸取部分滤液置于锥形瓶中，在室温下用高锰酸钾标准溶液滴定至微红色并保持30 s 内不褪色，同时进行空白试验[18]。

1.4 数据处理

利用Excel2010 软件对试验数据进行筛选和计算，利用Origin2017 软件对处理完的试验数据进行图像绘制。

2 结果与分析

2.1 不同水耕年限下土壤容重的变化

由图1 可知，草甸土和草甸黑土由耕层至心土层的容重总体呈现先增大后减小趋势，潜育白浆土由耕层至心土层的容重呈不断增大趋势。在转水耕初期，草甸土由浅入深各土层容重分别增大3.31%、1.87%和19.27%，草甸黑土由浅入深各土层容重分别减小1.72%、11.16%和11.84%，潜育白浆土由浅入深各土层容重分别增大29.36%、40.85%和7.3%。随着水耕年限增长，草甸土耕层容重增加并在水耕23 年后基本保持稳定，犁底层容重在较小范围内波动，心土层容重为逐年降低趋势，水耕40 年后耕层和犁底层容重分别增大10.03%和1.26%，心土层容重减小11.15%。草甸黑土耕层容重变化趋势为增加后稳定，犁底层为先增加后降低，心土层容重变化趋势为降低后升高再降低，波动较大，水耕35 年后耕层容重增大12.02%，犁底层和心土层容重分别减小4.54%和12.94%。潜育白浆土在进行水耕25 年后耕层和心土层容重呈先降低后升高趋势，犁底层容重呈逐年上升趋势，水耕25 年后由浅入深各土层容重分别增大28.34%、40.41%和2.17%。3 种土壤容重最高的为潜育白浆土，草甸土和草甸黑土整体差异不大。

图1 不同水耕年限土壤容重变化Fig.1 Variation of soil bulk density in different years of hydroponic cultivation

2.2 不同水耕年限下土壤腐殖质碳含量的变化

由图2 可知，草甸土和草甸黑土由耕层至心土层的腐殖质碳含量总体呈现先增大后减小趋势，犁底层与心土层腐殖质碳含量差异较大，潜育白浆土由耕层至心土层的腐殖质碳含量呈不断减小趋势。在水耕初期，草甸土耕层和犁底层腐殖质碳含量分别增大10.8%和21.12%，心土层腐殖质碳含量减小5.24%，草甸黑土耕层和犁底层腐殖质碳含量分别增大7.17%和4.49%，心土层腐殖质碳含量减小14%，潜育白浆土由浅入深各土层腐殖质碳含量分别增大18.03%、18.77%和5.76%。随着水耕年限增长，各土壤耕层和犁底层腐殖质碳含量均逐渐增大，心土层的腐殖质碳含量最低且无明显线性变化。草甸土水耕40 年后耕层和犁底层腐殖质碳含量分别增大38.1%和38.13%，心土层腐殖质碳含量减小0.15%，草甸黑土水耕35 年后耕层和犁底层腐殖质碳含量分别增大37.54%和11.12%，心土层腐殖质碳含量减小10.73%，潜育白浆土水耕25 年后耕层和犁底层腐殖质碳含量分别增大52.63%和57.76%，心土层腐殖质碳含量减小26.34%。各土壤腐殖质碳含量高低顺序为草甸土、草甸黑土、潜育白浆土。

图2 不同水耕年限土壤腐殖质碳含量变化Fig.2 Changes of soil humus carbon content in different years of hydroponic cultivation

2.3 不同水耕年限下土壤氧化还原电位的变化

由图3 可知，旱耕对照组除草甸黑土和潜育白浆土的心土层氧化还原电位为负值外，其余皆为正值，电位值由大到小排列分别为草甸土、草甸黑土和潜育白浆土。当旱耕转水耕后3 种土壤电位值均为负值，草甸土的耕层、犁底层和心土层电位值分别减小364.6、252.9 和271.5 mV，草甸黑土的耕层、犁底层和心土层电位值分别减小230.9、169 和185.3 mV，潜育白浆土的耕层、犁底层和心土层电位值分别减小277.3、279.8 和263.4 mV，3 种土壤由耕层至心土层的氧化还原电位总体呈现不断减小趋势。随着水耕年限增长，3 种土壤的各个土层氧化还原电位亦呈不断降低趋势，并随着土层加深氧化还原电位越来越低，草甸土由浅入深各土层水耕40 年后电位值分别减小383.8、324.5 和323.1 mV，草甸黑土由浅入深各土层水耕35 年后电位值分别减小322.7、287.2 和317.0 mV，潜育白浆土由浅入深各土层水耕25 年后电位值分别减小297.7、302.8 和346.7 mV，各土壤氧化还原电位高低顺序为草甸土、草甸黑土、潜育白浆土。

图3 不同水耕年限土壤氧化还原电位变化Fig.3 Changes of soil reduction potential in different years of hydroponic cultivation

2.4 不同水耕年限下土壤活性还原物质总量的变化

由图4 可知，草甸土和草甸黑土由耕层至心土层的土壤活性还原物质总量总体呈现先升高后降低趋势，潜育白浆土由耕层至心土层的土壤活性还原物质总量呈不断降低趋势。在转水耕初期，除草甸土心土层活性还原物质总量减小0.59 cmol·kg－1外，其余各种类土壤的各土层活性还原物质总量均明显升高，草甸土的耕层和犁底层活性还原物质总量分别增大2.39 和2.46 cmol·kg－1，草甸黑土由浅入深各土层活性还原物质总量分别增大2.5、3.62 和1.46 cmol·kg－1，潜育白浆土由浅入深各土层活性还原物质总量分别增大4.86、2.48 和0.97 cmol·kg－1。随着水耕年限增长，草甸土耕层、草甸黑土心土层、潜育白浆土耕层和犁底层活性还原物质总量呈先降低后逐年升高的趋势，草甸土心土层、草甸黑土耕层和犁底层、潜育白浆土心土层活性还原物质总量呈先升高后降低的趋势。草甸土由浅入深各土层水耕40 年后活性还原物质总量分别增大2.96、2.42 和0.37 cmol·kg－1，草甸黑土由浅入深各土层水耕35年后活性还原物质总量分别增大4.04、4.74 和3.08 cmol·kg－1，潜育白浆土由浅入深各土层水耕25 年后活性还原物质总量分别增大6.85、4.02 和0.51 cmol·kg－1。3 种土壤耕层活性还原物质总量的高低顺序为潜育白浆土、草甸黑土、草甸土，犁底层和心土层活性还原物质总量最高的为草甸黑土。

图4 不同水耕年限土壤活性还原物质总量变化Fig.4 Changes of total amount of soil active reductants in different water tillage years

3 讨论

旱耕转水耕后在耕作模式发生根本性改变和土壤本身性质等因素的影响下，土壤的理化性质也随之发生独特变化，在不同类型的土壤上表现出异同。旱耕转水耕后草甸土和潜育白浆土的各土层容重均明显升高，主要是因为水耕之后土壤的通气性能变差，孔隙度减少[19]。草甸黑土的各土层容重均明显降低，主要是因为草甸黑土的稳定入渗速率较高，而土壤容重与其呈负相关[20]。随着水耕年限增长，草甸土耕层容重增加并在后期基本保持稳定，犁底层容重变化不明显，心土层容重逐年降低，这可能是因为耕层和犁底层容重变化已经达到动态平衡，心土层的容重变化规律不同可能与其存在特殊的矿物质转化有关。草甸黑土耕层容重变化趋势为增加后稳定，犁底层为先增加后降低，这是因为耕作方式的改变和土层原有性质影响的综合结果。潜育白浆土犁底层容重呈逐年上升趋势是因为其存在独特的白浆层，土壤紧实度增加后不易恢复[21-22]。

旱耕转水耕后，3 种典型土壤的耕层和犁底层腐殖质碳含量均明显持续增加，这是因为种植作物的种类发生改变，水稻根系发达且土壤长期浸水导致微生物分解速度变慢，而心土层腐殖质碳含量很低且无明显线性变化，这是因为心土层深度较深，动植物、微生物等残肢到达此处进行分解的数量较少。进行水耕的3 种典型土壤氧化还原电位均为负值，由耕层至心土层的氧化还原电位总体呈不断减小趋势，这是因为水耕后田间周期性覆盖水层导致土壤通气性较差，还原性较强，这与前人研究结果一致[23-26]。旱耕转水耕后各土壤的大部分土层活性还原物质总量均明显升高，这是因为水耕会使土层长时间处于还原状态，土层中还原性物质总量增多，活性还原物质总量随之增加[27]。

4 结论

在转水耕初期，草甸土、潜育白浆土各土层容重增大1.87%～40.85%，其中潜育白浆土耕层增大最多，草甸黑土各土层容重减小1.72%～11.84%，其中犁底层减少最多；各土壤各土层腐殖质碳含量增大4.49%～21.12%，其中草甸土犁底层增大最多，草甸土、草甸黑土心土层腐殖质碳含量减少5.24%～14%，其中草甸黑土减少最多；各土壤由耕层至心土层氧化还原电位均为负值并减小252.9～279.8 mV，其中浅育白浆土耕层减少最多；各土壤类型除草甸土心土层活性还原物质总量减小0.59 cmol·kg-1外，其余土壤类型的各土层增加0.97～4.86 cmol·kg-1，其中浅育白浆土耕层增加最多。随水耕年限增长，各土壤中浅育白浆土犁底层容重增加最多达40.41%，草甸黑土容重减少最多达12.94%；各土壤耕层和犁底层腐殖质碳含量均逐渐增大，其中潜育白浆土犁底层增大最多达57.76%，草甸黑土犁底层增加最少为11.12%；各土壤氧化还原电位均不断降低，草甸土耕层减小最多达383.8 mV，浅育白浆土耕层减小最少为297.7 mV；三种土壤各土层活性还原物质总量均增大，潜育白浆土增大最多达6.85 cmol·kg-1，草甸土耕层增加最少为0.37 cmol·kg-1。