0 引言
【研究意义】土壤碳氮是衡量土壤肥力的重要指标[1]。土壤有机碳作为土壤重要的组成部分,其动态变化在很大程度上影响着土壤结构的形成,土壤团聚体的稳定性,同时也影响地上部植物营养的生物学特性[2-3];土壤氮素是作物生长中必需的大量元素之一,也是维系土壤质量的关键因素,同时土壤氮库在陆地生态系统中也起着重要的作用[4]。在陆地生态系统中,大部分氮素储存在土壤有机碳库中,因此土壤有机碳和全氮的变化紧密相关[5]。黑土因具有腐殖质层厚,肥力较高,团粒结构良好等优势,成为东北地区主要的耕作土壤。近年来,为了改善东北黑土区农田生态环境,提高粮食产量,该区域的种植结构也在不断的发生改变,其中,旱田向稻田转变的面积逐年增多[6-7]。由于旱田改稻田后土壤环境发生明显的变化,这必然会影响土壤碳、氮的循环和转化。因此,明确旱田改稻田后土壤有机碳、全氮的变化特征及其演变规律,对于东北黑土的合理利用和土壤培肥具有重要意义。【前人研究进展】开垦年限是影响东北黑土区土壤碳、氮变化的重要因素。有许多研究表明,东北典型黑土区土壤有机质、全氮随着黑土开垦年限的增加而不断降低[8-11],黑土开垦后表层土壤有机碳的年矿化速率为1.72%,土壤有机碳分解的半衰期为40年,且黑土在垦殖22年后,土壤有机碳的氧化稳定性有所增加[10];黑土表层有机碳含量在开垦前50年下降较快,在开垦50—130年下降较慢,在开垦130—200年则维持在一定水平[11]。但也有研究认为,东北黑土区旱田土壤有机质和全氮含量随开垦年限的延长整体呈上升趋势[12]。另外,土地利用方式改变同样会影响土壤碳氮的含量、组成和分布[13-14]。一些研究表明,稻田改种玉米地3年后,耕层土壤有机碳分解加速,碳储量快速减少[15],稻田改种玉米地19年后,土壤有机碳和全氮含量显著下降[16],稻田改种为蔬菜地20年后,土壤有机碳含量明显下降[17]。土壤有机碳（氮）的转化过程中,存在着不同程度的碳、氮同位素分馏效应,从而导致13C、15N自然丰度值发生改变,耕作方式和开垦年限影响土壤13C、15N的特征[15, 18-21]。【本研究切入点】许多研究表明,稻田土壤有机碳、全氮含量明显高于旱地土壤[11, 14]。但目前关于旱田改稻田后土壤有机碳、全氮的变化特征如何?尚缺乏深入系统的研究。另外,由于东北地区气候寒冷,旱田改稻田后土壤年淹水时间短,仅为4—5个月,年冻结时间及非淹水时间长,在这种特殊的气候条件和土壤环境条件下,黑土区旱田改稻田后土壤有机碳、全氮的演变规律尚不清楚。【拟解决的关键问题】利用稳定同位素分析技术,研究东北黑土区旱田改稻田后土壤有机碳、全氮含量及其密度和13C、15N自然丰度值的动态变化,阐明黑土区旱田改稻田后土壤有机碳（氮）的固定能力及其稳定性,为揭示黑土区旱田改稻田后土壤有机碳（氮）的演变规律提供重要的理论依据。1 材料与方法
1.1 供试土壤
东北黑土区（122°—132° E,43°—50° N）主要分布在松嫩平原山前波状起伏台地和漫岗丘陵区,海拔高度180—300 m,一般地形坡度为1°—5°,个别地方可达8°以上;该地区属温带半湿润大陆季风性气候,冬季寒冷漫长,春秋两季干旱多风,年降水量在500—600 m,且80%集中在6—9月,区内年均气温0.5—6.0℃,干燥度≤1[22]。本研究供试土壤采自黑龙江省绥化市庆安县勤劳镇勤朴村,属于典型黑土区;采集区域种植历史以大豆为主,通过实地调研,供试土壤确定为对照土壤（连续多年种植大豆的土壤）和旱田改稻田后不同年限土壤（3、5、10、17、20和25年,旱田改稻田前种植历史基本相同,均为大豆）;土壤样本采集时,将每个相同年限的田块作为一个采样区域,采用“S”形布点,多点均匀混合后作为一个土壤样本,每个年限田块的土壤样本均重复3次。2015年10月水稻收获后进行土壤调查及样品采集,采样深度为0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm。土壤采样田块基本信息见表1。Table 1
表1
表1土壤采样田块基本信息
Table 1The basic information of soil samples
| 旱田改稻田年限 Years of the conversation from upland to paddy field (a) | 地理坐标 Geographic coordinate | 说明 Introduction |
|---|---|---|
| 0 3 5 10 17 20 25 | 127.533° E,47.005° N 127.518° E,47.001° N 127.520° E,47.002° N 127.528° E,46.990° N 127.537° E,46.997° N 127.519° E,46.999° N 127.538° E,46.995° N | （1）旱田改种水稻前,种植历史相同,均为大豆;对照旱田（0年）种植大豆年限大于 60 年 Before upland being changed to paddy field, cultivation history was the same, where soybeans were planted. Control treatment in the upland (0 a) had planted soybeans for over 60 years （2）所有采样田块不施有机肥,气候和地形（漫岗丘陵区,坡度均小于3°）大致相同;不同年限水田田块的施肥管理大致相同（每年N、P、K化肥用量大致相同,但年限间因化学肥料的品种、用量存在差异）Sampling plots weren’t applied organic fertilizer. All the plots had the same climate and terrain (the undulated hilly region, the slope is less than 3 degrees). Fertilization managements of paddy field in different years were about the same (N, P and K application rates were similar. However, different kinds and amount of fertilizers made the differences among the years) （3）所有采集田块的土壤均为黄土性沉积物发育的土壤The parent materials of all soil samples were loess-like parent material |
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1.2 土壤有机碳、全氮含量及其δ13C、δ15N自然丰度值测定
土壤有机碳、全氮含量及其δ13C、δ15N自然丰度值均采用元素分析仪—稳定同位素比例质谱仪（Elementanalysis-Stable100 Isotope Ratio Mass Spectrometer,EA-IRMS,德国）联用测定。其基本原理和测定过程为：样品经高温燃烧后（燃烧管温度为920℃,还原管温度为600℃）,通过TCD（Thermal detector）检测测定有机碳、全氮含量,剩余气体经CO2/N2排出口（Vent）通过稀释器进入质谱仪,在质谱仪上测定δ13C、δ15N值。由于本研究供试黑土不含碳酸盐,所以土壤总碳即为土壤有机碳。δ13C(‰)=(RC-RPDB)/RPDB×1000
δ15N(‰)= (RN-RAN)/RAN×1000
式中,RC、RN分别为样品13C/12C原子比值和15N/14N原子比值;RPDB和RAN 值为0.0112372（以美国 南卡罗来纳洲白垩纪皮狄组层中的拟箭石化石（Pee Dee Belemnite,PDB）为标准物质）和0.0036765（以纯净大气氮（Air Nitrogen,AN）为标准物质）。
1.3 土壤有机碳、全氮密度的计算
土壤有机碳（氮）密度是衡量和评价土壤碳（氮）储量的一个重要指标。土壤有机碳（氮）密度是指单位面积、一定深度的土层中土壤有机碳（氮）的储量,可以用kg·m-2表示。计算公式为[23]：Mi = Ci Di Ei（1-Gi）
式中,Mi为土壤有机碳或全氮密度;Ci为土壤有机碳或全氮含量（g·kg-1）;Di为土壤容重（g·cm-3）,土壤容重采用环刀法测定,其样本与土壤样本采集同步进行;Ei为土层厚度（m）;Gi为粒径大于2 mm石砾所占土壤体积百分比（%）,因研究区土壤剖面无粒径>2 mm的石砾,所以Gi = 0。
某一土体的剖面由k层（本研究k = 3）组成,那么该剖面的有机碳（氮）密度Mt的计算公式为：
Mt =$ \sum
k_(i=1)M_i = \sum
k_(i=1)$Ci Di Ei（1-Gi）
1.4 数据处理
采用 Excel 2007和SPSS window version 19.0软件进行数据处理,采用 Duncan 法进行多重比较,数据均为3次重复的平均值。2 结果
2.1 旱田改稻田后土壤有机碳、全氮含量的变化特征
旱田改稻田后土壤有机碳含量变化总体表现为,在改种稻田之初的3年,有机碳含量快速下降,在3—5 年间有机碳含量增加较快,而在5—25年间有机碳含量增加缓慢（图1-A）。旱田改稻田3 年时,在3个土层中,土壤有机碳含量均显著下降（P<0.05）,降幅分别为43.27%、33.57%和13.62%,这表明当土壤水分和耕作条件改变后,表层土壤有机碳分解加速,有机碳含量快速减少。在3—25年间,土壤有机碳含量呈波动增加趋势,在0—20 cm土层含量增加比较明显。与旱田土壤（0年）相比,在旱田改稻田17—25年间,0—20 cm土壤有机碳含量显著高于旱田土壤（P<0.05）;在5—25年间,20—40 cm和40—60 cm土壤有机碳含量均高于同土层旱田土壤,表明旱田改稻田17年左右,土壤有机碳含量显著升高（P<0.05）,且明显高于旱田土壤。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1旱田改稻田后不同年限土壤有机碳和全氮含量
不同字母表示同一土层、不同年限的样本间差异达5%显著水平。下同
-->Fig. 1Contents of soil organic carbon and total nitrogen after conversation from upland to paddy field for different years
Different letters showed significant difference at 5% level among different years in the same soil depth. The same below
-->
旱田改稻田后土壤全氮含量的变化趋势与土壤有机碳含量的变化趋势大致相同。在旱田改稻田之初的3年,0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土壤全氮含量分别下降了40.6%（P<0.05）、27.5%（P<0.05）和10.4%;在3—25年间各土层全氮含量均显著增加（P<0.05）。在17—25年间,3个土层全氮含量均已超过旱田土壤（图1-B）。
由图1还可以看出,在旱田改稻田5年以上,随着改种年限的延长土壤有机碳和全氮含量均呈现出逐年缓慢增加趋势,并且在20—60 cm土层易出现累积。相关分析表明,0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土壤全氮含量与有机碳含量之间均呈极显著线性正相关关系（P<0.01）,相关系数分别为0.991、0.995和0.858。这也进一步说明,旱田改为稻田后,由于土壤有机碳含量的变化,必然会影响土壤全氮含量的变化。
2.2 旱田改稻田后土壤有机碳、全氮密度的变化特征
2.2.1 土壤容重的变化特征 土壤容重受地表枯枝落叶、地下根系分布、人为扰动等因素的影响存在一定差异[24]。旱田改稻田后土壤容重的变化范围为1.12—1.46 g·cm-3（表2）,改种3年时,0—20 cm土层容重显著增加（P<0.05）,这可能由于旱田改稻田之初,耕作措施改变导致土壤黏粒含量增加,淹水后使土壤结构有所破坏,致使土壤容重值在短期内呈现了增加的趋势;在改种稻3—25年间,土壤容重值呈现持续降低的趋势,其中在改种10—17年时,土壤容重显著降低（P<0.05）。Table 2
表2
表2旱田改稻田后不同年限土壤容重
Table 2Soil bulk density after conversation from upland to paddy field for different years
| 土层 Soil layer (cm) | 0 a | 3 a | 5 a | 10 a | 17 a | 20 a | 25 a |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0—20 | 1.20±0.06bc | 1.36±0.03a | 1.26±0.02abc | 1.32±0.06ab | 1.15±0.06c | 1.15±0.01c | 1.12±0.03c |
| 20—40 | 1.38±0.03ab | 1.46±0.07a | 1.42±0.06ab | 1.44±0.06ab | 1.26±0.04b | 1.33±0.06ab | 1.29±0.05ab |
| 40—60 | 1.35±0.01a | 1.42±0.02a | 1.34±0.07a | 1.38±0.02a | 1.21±0.09a | 1.30±0.10a | 1.26±0.10a |
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2.2.2 土壤有机碳、全氮密度的变化特征 旱田改稻田后土壤有机碳密度范围为3.79—8.21 kg·m-2,各土层土壤有机碳密度的动态变化规律与其含量的变化规律基本一致,即在旱田改稻田之初3年时,各土层土壤有机碳密度均有所下降, 0—20 cm土层下降显著（P<0.05）,由6.86 kg·m-2下降到4.40 kg·m-2,降幅为35.9%;在3—5年间各土层有机碳密度快速增加;在5—25年间各土层土壤有机碳密度均呈逐年缓慢上升趋势,其中,在17—25年间,0—20 cm土层稻田土壤有机碳密度高于旱田土壤,在5—25年间,20—40和40—60 cm土层稻田土壤有机碳密度均高于旱田土壤（图2-A）。
旱田改稻田后土壤全氮密度范围为1.07—1.63 kg·m-2,在改种稻田之初的3年时,0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm土壤全氮密度明显下降,分别降低了32.6%（P<0.05）、22.1%和5.3%;在3—5年间各土层土壤全氮密度均明显增加;在5—25年间土壤全氮含量变化缓慢,0—20 cm土层土壤全氮密度均显著低于旱田土壤（P<0.05）,20—40 cm和40—60 cm土层土壤全氮密度均不同程度地高于旱田土壤（图2-B）。
相关分析表明,20—40 cm和40—60 cm土层全氮密度与有机碳密度之间均呈极显著线性正相关关系（P<0.01）,相关系数为0.886和0.847。
旱田改稻田后0—60 cm 土层有机碳密度和全氮密度的变化趋势基本相同（图3）,且二者之间具有极显著线性正相关关系（P<0.01）,相关系数达0.998。由此可见,大豆改种水稻后,0—60 cm土层土壤有机碳密度和全氮密度的变化紧密相关,0—60 cm土层土壤有机碳和全氮密度在改种后3年时明显下降,在3—5年间明显增加,在改种5—25年间则随着改种年限的延长呈缓慢增加趋势,较旱田土壤相比,0—60 cm土层有机碳和全氮密度分别增幅9.87%—21.48%和10.2%—19.3%。
2.3 旱田改稻田后土壤δ13C、δ15N自然丰度值的变化特征
与旱田土壤（0年）相比,在旱田改稻田3年时,各土层土壤δ13C值明显上升,0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm的δ13C值分别上升了2.8%（P<0.05）、3.3%（P>0.05）和3.4%（P<0.05）;0—20 cm和20—40 cm的δ13C值,在改种3—5年间下降幅度较大,分别为2.9%（P<0.05）和3.7%（P>0.05）,在改种5—25年间则随着改种年限延长呈逐年缓慢下降趋势,在改种年限达20—25年间,0—20 cm的δ13C值显著低于旱田土壤（0年）,而40—60 cm的δ13C值,在改种的3—5年间变化不大,在改种的5—10年间,下降了3.8%（P<0.05）,在改种的10—25年间则随着改种年限的延长呈逐年缓慢下降趋势（图4-A）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2旱田改稻田后不同年限土壤有机碳和全氮密度
-->Fig. 2Soil organic carbon and total nitrogen density after conversation from upland to paddy field for different years
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3旱田改稻田后不同年限0—60 cm土层土壤有机碳和全氮密度
-->Fig. 3Soil organic carbon and total nitrogen density at 0-60 cm soil depth after conversation from upland to paddy field for different years
-->
与对照旱田土壤（0年）相比,在旱田改稻田的20年间,各土层土壤的δ15N值均随着改种年限的延长呈逐年下降趋势,而在改种的20—25年间,各土层土壤的δ15N值则又出现显著增加趋势（P<0.05）;但各年限稻田土壤的δ15N值均显著低于旱田土壤（P<0.05）,在20年时达最低,0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm的δ15N值分别降低49.3%、55.9%和53.9%（图4-B）。
另外,相同年限土壤的δ13C值和δ15N值,总体上随着土层的加深而增大,这说明土层越深,土壤有机碳（氮）易分解性越小,相对越稳定。相关性分析表明,0—20 cm和20—40 cm的δ13C值与土壤有机碳含量之间呈极显著线性负相关关系（P<0.01）,相关系数分别为-0.878和-0.877;而各土层的δ15N值与土壤全氮含量、δ13C值之间均无显著的相关性（P>0.05）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4旱田改稻田后不同年限土壤δ13C、δ15N值
-->Fig. 4δ13C and δ15N values of soil after conversation from upland to paddy field for different years
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3 讨论
3.1 旱田改稻田年限对土壤有机碳及其稳定性的影响
土壤有机碳作为土壤肥力的核心要素,其变化是土壤肥力培育的主要驱动因素[8],而且土壤有机碳的分解和转化速率决定了土壤碳库储量,土壤有机碳库的微小变化对全球碳循环起着至关重要的作用[25-26]。土地利用方式,土壤类型和种植年限的不同对土壤有机碳含量及密度影响很大。施林林[27]研究发现在种稻50—700年内,稻田土壤有机碳含量普遍高于旱地土壤;林凡等[28]研究也发现湿地开垦种稻后土壤有机碳含量明显高于开垦为旱田的土壤;也有研究表明,稻田土壤有机碳含量平均比同生态区旱田土壤高11.5%—57.5%[29],这与稻田水分环境和厌氧环境有关[16,30]。本研究中,大豆改种水稻的短时间（3年）内,土壤有机碳含量突然下降,说明当土壤水分状况、通气条件以及种植作物发生变化后,土壤有机碳的矿化和腐殖质化过程受到影响,但随着水稻种植年限的增加,稻田土壤有机碳呈逐年升高趋势,种稻25年时,0—60 cm土壤有机碳含量均超过旱田土壤,这与潘根兴等[31]调查显示的结果相一致;另外,本研究中显示,稻田土壤有机碳含量随种稻年限延长而逐渐上升,这与南方水稻土的研究结果相似,南方长期（几百年至上千年）耕作水稻土土壤有机碳含量随种稻年限的增加而增大[18, 32],说明长期种植水稻有利于土壤的固碳效应[31]。由于本研究涉及的旱田改稻田的年限较短,因此种稻25年后稻田土壤有机碳含量是否达到稳定水平尚不清楚,有待进一步深入研究。土壤有机碳密度是估算土壤有机碳储量的重要参数,是土壤碳含量在垂直方向上一定土层深度累加的结果,能清晰的反映出土壤有机碳的固持能力[33]。因此,土壤有机碳含量的变化必然会导致土壤有机碳密度发生相应的变化。本研究中,大豆改种水稻后,土壤有机碳密度变化趋势与土壤有机碳含量变化趋势大致相同,并且3个土层有机碳含量与有机碳密度之间均呈显著正相关关系;另外,0—20 cm土壤有机碳密度占0—60 cm土壤有机碳密度的35.4%—50.1%,表明表层土壤有机碳密度的贡献率相对较大。
用稳定性碳同位素技术来研究时间序列上土壤有机碳的动态变化已经十分普遍,其能够准确地评价新老土壤有机碳对碳储量的相对贡献[34]。土壤有机碳分解过程中微生物对12C的优先分解会引起土壤δ13C值增高,有机碳的δ13C值能反映其有机碳的降解程度或稳定性,δ13C值越大,其有机碳的降解程度越低[18]。李志鹏等[15]研究发现,玉米改种水稻3年后,稻田表层土壤及各粒级团聚体的δ13C值均明显低于玉米地。在本研究中,大豆改种水稻后,随改种年限的延长,土壤δ13C值表现出先升高后降低的趋势,这说明土壤环境及地表作物类型的变化是影响δ13C值变化的重要因素。大豆和水稻均属于C3植物,其δ13C值介于-29.1‰ — -24.2‰[35],当大豆改种水稻年限较短时,由于水稻单产显著高于大豆单产,对土壤养分的需求大幅度增加,在无有机肥补充的情况下,会使土壤中易分解的有机碳加速降解,产生同位素分馏效应,致使δ13C值相对较高[16, 19],但随着水稻种植年限的延长,由于每年大量的水稻根系及地上残茬的新鲜有机碳归原入土壤,使得土壤有机碳不断得到更新和补充;又由于每年土壤有一定时间的淹水条件,稻田土壤环境能很好地保护活性碳库不被快速分解[20],进而使得土壤有机碳含量较高,土壤中δ13C值降低。另外,本研究中,0—20 cm和20—40 cm土层土壤有机碳与其δ13C值之间呈极显著线性负相关关系,这也进一步说明旱田改稻田后,随着种稻年限的延长,稻田土壤固碳的能力逐渐增强。
3.2 旱田改稻田年限对土壤全氮及其稳定性的影响
氮素是农田生态系统中重要的营养元素之一,是土壤生产力的重要限制因素。旱田改稻田后,由于受到土壤环境、耕作制度、施肥管理及作物类型等的影响,致使土壤氮素含量也必然会发生变化。已有研究表明,东北黑土区旱地土壤22年来,土壤全氮含量呈上升趋势[36];三江平原土壤全氮含量随沼泽湿地开垦及开垦年限增加而降低[37];南方具有长时间尺度序列的旱田土壤不同氮组分含量仅为稻田土壤的50%—60%[38]。本研究显示,大豆改种水稻后,土壤全氮的变化与有机碳的变化趋势大致相同,各土层全氮含量与有机碳含量之间呈极显著线性正相关,这说明土壤有机碳的变化是氮素发生变化的重要因素。另外,大豆改种水稻的短时间（3年）内,土壤全氮显著下降,一方面是由于水稻不具有大豆自身的固氮能力,另一方面是由于土壤有机碳含量的显著下降致使全氮含量显著降低的缘故。在改种水稻5—25年间,土壤全氮含量逐年增加,0—60 cm土层土壤全氮密度也呈逐年增加趋势,这说明长期种植水稻同样具有固存氮素的能力[39-40]。因此,在旱田改稻田之初,应注重土壤有机碳（氮）的补充,以维持土壤有机碳（氮）的供应水平。研究发现,大多数土壤的δ15N值高于大气N2,大致为-5‰—15‰[41];不同区域的稻田土壤全氮δ15N值均低于旱田表土[21],本研究结果也显示稻田土壤全氮δ15N值低于旱田土壤（P<0.05）,这说明旱田改种水稻后,在淹水环境条件下,土壤硝化作用会受到抑制,有机氮的矿化作用相对较弱,大量15N贫化的水稻植株残体进入土壤[21, 42]。另外,无论是旱田土壤还是稻田土壤,下层土壤全氮δ15N值均明显高于表层土壤,这可能是由于东北黑土pH偏低（0—60 cm土层pH范围为5.54—6.80）,有利于富集15N的腐殖质向下迁移[21]之故。
4 结论
土壤有机碳、全氮的变化特征及其演变规律是土地合理利用和土壤培肥的重要依据,东北黑土区旱田改稻田后土壤有机碳、全氮含量及其密度和δ13C、δ15N值发生了明显变化。土壤有机碳、全氮含量及其0—60 cm土层碳、氮密度的变化趋势基本相同,土壤有机碳和全氮的变化密切相关,土壤有机碳、全氮在改种后的3年间迅速下降,在3—25年间随改种年限延长呈逐渐增加趋势;土壤δ13C值在改种后的3年间明显上升,在3—25年间随改种年限延长呈逐渐下降趋势,且改种大于5年的稻田土壤δ13C值均低于旱田土壤,而土壤δ15N值在改种的25年间随改种年限延长呈逐年下降趋势,各年限稻田土壤δ15N值均低于旱田土壤,相同年限土壤的δ13C值和δ15N值均随着土层加深而增大。因此,东北黑土区旱田改稻田大于5年后,稻田土壤具有明显的固碳（氮）能力,稳定性碳（氮）在20—60 cm土层累积,改种稻田年限小于5年,应注重有机碳（氮）的补充,以维持和提高土壤有机碳（氮）水平。The authors have declared that no competing interests exist.
