三江平原草甸土不同種稻年限土壤理化性質演變特征

王秋菊，宮秀杰，曹 旭，焦 峰，劉 鑫，李婧陽，劉 峰

（1．黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2．黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3．黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；4．黑龍江省科學院微生物研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；5．黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）

草甸土分布范圍廣，全國總面積約為2 507 萬hm2［1］。黑龍江省草甸土是全國分布面積最大的省份，三江平原地區是草甸土主要分布區域，草甸土總面積為213.80 萬hm2［2］，草甸土是三江平原地區的主要耕地土壤。由于草甸土所處位置地勢低平、地下水位較高，土壤質地黏重，在作物生育期間降雨過多易發生澇害現象，所以草甸土發展水田是趨利避害的有效措施。20 世紀90 年代后，三江平原大面積實施“旱改水”，草甸土水田面積得到擴大［3-4］；草甸土種稻后，根據其地下水位高和自然降雨多的特點，可以充分利用水資源，降低自然災害的發生。

三江平原地區草甸土種植水稻時間短，一般50 ～60 年，最長不超過100 年［5］。旱田改為水田后，隨種稻時間的延長，土壤物理、化學、肥力等反映土壤質量特性的變化趨勢，以及向水稻土演變的過程和速度仍是未知。遲美靜等［6］對東北黑土開墾種稻后的土壤養分變化進行研究，得出與未開墾土壤相比，隨種稻年限延長，土壤有機質、全氮、全鉀呈下降趨勢，pH 值呈上升趨勢；劉鑫［7］研究認為水稻土壤隨開墾年限增加，有機質上升；李建軍等［8］對長江中下游地區的水稻土研究發現，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量隨種稻年限增加。王欣欣等［9］對杭州灣南岸的水稻土進行研究，得出隨種稻年限延長，土壤有機碳在粒級小的顆粒中所占比例增大，被封存的有機碳比例也同時增加。武紅亮等［10］對全國各省水稻土監測點進行養分監測，結果得出，與初期相比，長期種稻土壤有機質、全氮基本穩定，速效養分提高。張廣才等［11］以遼寧棕壤、草甸土為研究對象，得出土壤表層還原物質總量隨種稻時間延長而增加。

上述研究看出，不同地區、不同土壤上所得到的研究結果并不一致，只有以本地區的土壤為對象，明確演變特點、探索自然變化規律，才能對當地土壤管理提供可靠的指導意義。北方水田開墾年限短且大部分是由旱田改為水田，有關三江平原稻區旱改水后土壤理化特性動態變化特征及演變規律缺乏相關研究。因此，本文針對三江平原地區主要水田土壤草甸土，對其旱改水后不同種稻年限土壤理化性質進行調查研究，明確其理化性質隨種稻年限延長的變化特征及存在的問題，為充分利用草甸土資源、合理培肥、耕作管理提供依據，對實現作物優質、高產及環境協調發展具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為潛育草甸土，該土壤黑土層深厚，有機質含量高。從草甸土剖面可以看出，土體結構發育不明顯，0 ～20 cm 土層為黑色，20 ～50 cm土層為暗灰色，50 cm 土層向下為黃棕色，各層土壤質地均為黏土。

1.2 采樣地點

土壤樣品采集地點為三江平原地區曙光農場，曙光農場位于三江平原腹地，地勢低平、海拔為50 ～60 m，屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，≥10℃年有效積溫為2 200 ～2 500℃，降水量為500 ～600 mm。

1.3 采樣方法

土壤樣品采集時間為2015 年10 ～11 月，根據采樣地點的實際情況確定采樣位置，由于時間的局限性，采用時空互代法［12-13］（空間置換時間）確定土壤種稻年限。分別采集種稻年限為 0、6、10、23、40 年的土壤樣品，以旱作農田為本底對照（0年）。采樣地塊面積在1 000 m2以上，在每一塊樣地中選取3 個代表性的位置進行調查。旱田土壤為玉米茬，各水田土壤采樣點距旱田采樣點直線距離為1 km 以內。

現場采樣方法:挖掘長、寬、高分別為1.2、1、1 m 土壤剖面，確定耕層、犁底層厚度，按照土壤耕層（TL）、犁底層（PL）和心土層（SL）3個不同層次采集原狀土樣品。耕層土壤縱向取樣位置為距地表 5 ～10 cm，犁底層取樣位置為耕層下的全部犁底層，心土層取樣位置在犁底層以下15 ～20 cm；橫向取樣位置為水稻行間土壤。物理指標測定樣品取樣方法用容積為100 cm3環刀取原狀土、削平密封后帶回實驗室；化學指標測定樣品采用多點取樣方法，多點樣品采用四分法混合后留取 1.5 kg 土樣裝袋，除去植物殘體、侵入體和鐵錳結核等新生體，帶回實驗室陰涼處風干后過2、0.25 mm 篩，待測化學指標。

土壤樣品采集位置地理坐標及土壤外觀特征情況見表1，供試土壤基本理化性質見表2。從各樣點的土壤剖面看，采集的土壤顏色屬于YR 色系，顏色在5YR ～7YR 之間，耕層和犁底層顏色較暗，心土層顏色較亮；從亞鐵反應來看，種稻時間長的土壤有中度還原反應。

表1 供試土壤剖面狀況

表2 供試土壤基本理化性質

1.4 測定項目與方法

土壤剖面記錄:土壤剖面挖掘完成后，直接進行剖面描述及記錄。首先確定土壤類型，然后記錄經緯度、海拔高度、黑土層厚度、剖面層序、各土層厚度、土壤水分狀況、土壤顏色、地形地貌等信息。

土壤化學性質測定:土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定，還原性物質總量采用容量法測定，Fe2+采用鄰啡羅啉比色法，Mn2+采用醋酸銨浸提-高錳酸鉀比色法測定［14］。

土壤物理性質測定:土壤粒級組成采用MS2000 激光粒度儀進行測定；容重采用烘干法測定［15］；土壤三相采用DIK-三相儀測定；土壤水分特征曲線測定方法:0 ～150 cm（H2O）吸力段用DIK-3343 型土壤pF 測定儀（日本）測定，150 ～16 544 cm（H2O）吸力段用1500F1 型壓力膜儀（美國）測定；土壤孔隙組成由土壤水分特征曲線計算取得，根據不同當量直徑孔隙中體積含水量求差，計算得出。

其中，當量直徑計算方法為:d=h/3

式中，d為土壤孔隙當量直徑（mm）；h為土壤水吸力（kPa）［16］。

1.5 數據處理

采用 DPS 7.0 軟件、RETC 軟件和 Excel 2003軟件進行數據處理與分析。采用 DPS 數據處理軟件進行數據的標準差和方差分析。利用 RETC 軟件，在不同水吸力值下對水分數據進行輸入，可獲得土壤水分特征曲線模擬方程，進一步計算出土壤孔隙組成。利用 Excel 2003 數據處理軟件作圖，圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同種稻年限對土壤化學性質的影響

2.1.1 對土壤有機碳和還原物質的影響

從圖1 看出，草甸土耕層土壤有機碳含量高于犁底層和心土層，心土層土壤有機碳含量與犁底層有機碳含量差異較??；耕層土壤有機碳含量隨種稻年限增加呈逐漸增加趨勢；犁底層土壤有機碳含量在種稻初期增加，之后隨種稻年限增加又逐漸下降；心土層土壤有機碳含量隨種稻年限增加表現增加趨勢。

圖1 不同種稻年限土壤有機碳變化

從圖2 中看出，草甸土土壤中還原物質總量在各層土壤中均表現隨種稻年限增加而呈增加趨勢，在種稻40 年時土壤中還原物質總量達到最高值，耕層土壤中還原性物質總量明顯低于犁底層。

圖2 不同種稻年限土壤中還原物質總量變化

2.1.2 對土壤 Fe2+、Mn2+含量的影響

從圖3 中看出，草甸土種稻初期各層土壤中Fe2+含量迅速增加，種稻6 年后，隨種稻年限增加，耕層土壤中Fe2+含量表現逐漸下降趨勢；犁底層土壤中Fe2+含量有先升高后下降的趨勢；心土層土壤中Fe2+含量總體呈升高趨勢，并在種稻10 年后超過耕層和心土層土壤中Fe2+含量；草甸土土壤中Fe2+含量隨種稻年限增加有向下遷移現象，種稻10 年就可遷移到心土層，到40 年在心土層達到最大積累量。

圖3 不同種稻年限土壤Fe2+含量變化

從圖4 看出，草甸土種稻初期土壤中Mn2+含量迅速增加，種稻10 年后，耕層土壤中Mn2+含量呈下降趨勢，犁底層土壤中Mn2+含量有先升高再下降的趨勢，心土層土壤中Mn2+含量一直呈升高趨勢，并在種稻10 年后明顯超過耕層和心土層土壤中Mn2+含量，草甸土土壤中Mn2+含量變化趨勢與Fe2+含量變化有相似趨勢，隨種稻年限增加有向下遷移現象，種稻10 年大量遷移到心土層，之后趨于平衡。

2.2 不同種稻年限對土壤物理性質的影響

2.2.1 對土壤三相組成的影響

從圖5 看出，草甸土種稻10 年后，耕層土壤的固相比率增加明顯，之后隨種稻年限增加又有降低趨勢，種稻40 年時土壤固相比率與種稻前相比仍表現增加趨勢；犁底層土壤的固相比率在種稻初期降低，之后又逐漸增加，種稻多年后與種稻前無明顯差異；心土層土壤固相比率種稻初期增加，之后隨種稻年限增加有下降趨勢，種稻初期土壤波動大，可能與旱田改水田有關，但隨種稻年限增加，土壤固相比率有降低趨勢。草甸土各層土壤固相比率沒有明顯的規律性變化，可能與草甸土土質粘重，地下水位高，土壤長期潛育淹水有關，也可能與取樣位點有關，有待于進一步研究。

圖4 不同種稻年限土壤Mn2+含量變化

圖5 不同種稻年限土壤三相變化

2.2.2 對土壤顆粒組成的影響

從圖6 看出，草甸土種稻后，耕層土壤中＜0.002 mm 的顆粒含量隨種稻年限增加降低，0.002 ～0.02 mm 顆粒含量和0.02 ～0.2 mm 顆粒含量隨種稻年限增加整體呈增加趨勢；犁底層土壤中＜0.002 mm 顆粒含量和0.002 ～0.02 mm 顆粒含量種稻后有增加趨勢，0.02 ～0.2 mm 顆粒含量總體降低；心土層土壤種稻40 年后，土壤中＜0.002 mm 的顆粒含量明顯增加，說明草甸土長期種稻后會發生機械淋溶現象，耕層土壤中＜0.002 mm粘粒會逐漸向下淋溶，種稻40 年即可淋溶到心土層。

圖6 不同種稻年限土壤顆粒粒級變化

2.2.3 對土壤孔隙組成的影響

從圖7 看出，草甸土種稻后耕層和犁底層土壤孔隙總量和孔隙組成無規律性變化；心土層土壤總孔隙隨種稻年限增加呈增加趨勢，尤其是＜0.000 2 mm 土壤孔隙比率增加明顯，可能與土壤粘粒淋溶到此層有關，土壤粘粒增加，土壤顆粒之間和土壤內部孔隙增加，導致土壤小孔隙比率和總孔隙量增加。

圖7 不同種稻年限土壤孔隙組成變化

3 討論

水稻土的形成是在長期種稻為主的耕作制度下，土壤經常處于淹水還原、排水氧化、水耕粘閉狀態，以及大量施用肥料等頻繁的人為管理措施影響下形成的［17-18］。根據地下水位高度和土壤質地特征，各類土壤發育成的水稻土類型不同，按水文特征一般分為地表水型、地下水型、過渡水型、良水型4 種類型［5］。不同類型土壤在演變過程中，根據演變速度的快慢仍然保持著原土壤的一些特性。

三江平原地區草甸土地勢低，地下水位較高，地下水位一般在1 ～2.5 m，介于地表水和地下水之間過渡類型的水文條件。草甸土種稻后受地表淹水影響，土壤長期處于還原狀態，土壤氧化還原電位低，微生物分解速度慢，土壤有機碳得到積累，還原物質總量增加。另外，由于草甸土屬于過渡水型土壤，在種稻后，土壤氧化還原交替作用明顯，土壤中Fe2+、Mn2+遷移速度較快，在種稻10 年后就都遷移到心土層，與前人研究的水稻土有物質遷移現象一致［19-20］，關于其聚集速度和聚積量還有待進一步研究。

草甸土隨種稻年限延長，具有向水稻土演變的一些特征，如還原物質增加，粘粒機械淋溶現象，但也有一些變化特征不規律，可能有以下幾個原因。一是由于三江平原地處寒冷地區，水田淹水時間一般4 個月左右，其余為冰凍時期，向水稻土發育速度慢，因此種稻多年仍保持著母質的特征；二是草甸土地勢低，受地下水影響，土體長期處于還原狀態，犁底層形成慢，水稻土典型剖面特征不明顯。草甸土土壤固相比率和孔隙總量變化幅度大，并且不規律，這可能與取樣誤差有關，也可能與土壤本身特性質地黏重，土壤中大顆粒含量低有關［21］。

過去研究多集中于水稻土本身特點的研究，基于較長的時間尺度［22-24］。關于較短時間更替過程中，種稻后土壤一些性質的變化研究較少，本研究是對高寒地區、一年一熟制草甸土在種稻過程中土壤理化性質變化的初步調查，可能還存在一些難以解釋和說明的地方，撰寫本文也是希望有機會能和土壤界專家一起研究和探討。了解不同類型水田土壤的理化性質的變化規律，了解演變特征，對水田土壤管理具有重要的參考作用。

4 結論

三江平原地區草甸土種稻后，土壤物理、化學性質發生變化，具備向水稻土發育的初期特征，但也受土壤本身特性影響。

（1）草甸土種稻后，隨種稻年限增加耕層和心土層土壤有機碳總量呈增加趨勢，犁底層呈下降趨勢；土壤中還原物質總量在各層均表現增加趨勢，耕層土壤中Fe2+和Mn2+含量在種稻初期增加，之后由耕層向犁底層和心土層遷移，種稻10 年后，心土層土壤中Fe2+和Mn2+含量超過犁底層。

（2）草甸土種稻后，隨種稻年限增加，土壤固相比率和總孔隙變化幅度大，表現不規律，種稻40 年后，心土層土壤固相比率和總孔隙量增加，直徑＜0.000 2 mm 土壤孔隙增加明顯；種稻10 年后，草甸土出現粘粒機械淋溶現象，到40 年心土層粘粒含量超過耕層和犁底層。