干旱區(qū)鹽漬化荒地不同開墾年限土壤碳氮儲量研究

雷 軍，張鳳華，林海榮，韓春麗，趙瑞海

(石河子大學/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室， 新疆 石河子 832003)

干旱區(qū)鹽漬化荒地不同開墾年限土壤碳氮儲量研究

雷 軍，張鳳華，林海榮，韓春麗，趙瑞海

(石河子大學/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室， 新疆 石河子 832003)

在天山北坡綠洲區(qū)分別選取連續(xù)開墾3 a、8 a、15 a鹽漬化棉田和未開墾的鹽漬化荒地，采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm土層土壤樣品，測定土壤有機碳、全氮含量。結果表明:鹽荒地開墾后棉田0～100 cm土層土壤有機碳含量隨開墾年限呈逐漸增加的趨勢；開墾后棉田土壤全N含量隨開墾年限的增加而增加，但處理間無顯著差異；鹽荒地與開墾棉田土壤有機碳、全N含量隨土層深度增加而降低，其中鹽荒地不同土層間土壤有機碳含量差異顯著，0～40 cm土層土壤有機碳、全N含量明顯高于40 cm以下土層；開墾棉田土壤C/N隨開墾年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，鹽荒地和開墾棉田土壤C/N隨土壤深度的增加而降低，二者之間差異不顯著；開墾棉田土壤有機碳儲量隨開墾年限的增加呈先減少后增加的趨勢。結論：干旱區(qū)鹽荒地開墾后，棉田土壤有機碳、全N含量均隨開墾年限的增加而增加，而土壤有機碳儲量隨開墾年限的增加先減小后增加。鹽荒地與開墾棉田土壤有機碳和全N含量隨土層深度增加而減少。

鹽荒地；開墾農(nóng)田；土壤有機碳；土壤全N；土壤有機碳儲量

新疆是我國重要的耕地資源后備基地，其中綠洲面積占新疆國土總面積的4%卻承載了新疆95%以上的人口，綠洲農(nóng)田土壤質(zhì)量評價至關重要。農(nóng)田土壤有機碳含量不僅反映了土壤有機質(zhì)水平，而且還與農(nóng)田質(zhì)量的可持續(xù)能力密切相關[1]。由于人類活動的干擾、土地的大面積開墾、過度放牧和森林的濫砍濫伐等原因，導致土壤生產(chǎn)力發(fā)生嚴重的退化現(xiàn)象[2]。土壤退化是土壤碳平衡遭到破壞及土壤碳庫虧缺的重要原因[3]。退化土壤損失土壤碳庫的60%～75%能夠通過生態(tài)恢復重新固定[4-5]。歐美國家對農(nóng)田土壤實行保護性耕作使得農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢[6]，退耕還林具備提升土壤碳庫及其質(zhì)量的潛力[7]，農(nóng)業(yè)土壤固碳不僅是提高土壤肥力和作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需要，而且對補償我國工業(yè)溫室氣體減排有重要意義。

隨著鹽漬化荒地被開墾為棉田，人為耕作措施必然會影響土壤養(yǎng)分及碳匯儲備的變化。Wu和Tiessen[8]通過研究草場開墾為農(nóng)田后土壤有機碳的變化表明，土壤有機碳含量隨著開墾年限的增加呈顯著下降趨勢，且開墾年限越長土壤有機碳含量下降幅度越大。在干旱區(qū)荒地主要是由于土壤鹽漬化較重，有研究表明鹽堿土開墾后能吸收60%～75%土壤流失的碳，土壤有機碳呈急劇增加的趨勢[9-10]。不同生境條件和開墾后種植作物類型等對土壤碳的固定與釋放有顯著影響。這方面的研究目前相對較少，同時新疆荒地資源大量開發(fā)為農(nóng)田，因此研究新疆鹽荒地開墾后土壤有機碳、氮含量隨開墾年限的變化，對于新疆綠洲農(nóng)田土壤質(zhì)量評價、防止土壤退化、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展及土壤有機碳潛力與生產(chǎn)力穩(wěn)定長效機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北坡瑪納斯河流域干旱區(qū)綠洲農(nóng)田(84°43′～86°35′E，43°21′～45°20′)，地處新疆準噶爾盆地南緣，為典型的沖積洪積扇—沖積平原型人工綠洲。研究區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢東南高、西北低，海拔450～480 m。多年平均氣溫為6.6℃，多年平均年降水110～200 mm，年蒸發(fā)潛力為1 500～2 100 mm(1956—2010)，屬于典型的中溫帶大陸干旱氣候[11]。試驗區(qū)位于瑪納斯河流域的十戶灘鎮(zhèn)，該區(qū)土壤類型為鹽化灰漠土，土壤質(zhì)地為中壤土，地下水位較高，埋深為1～3 m，地下水礦化度為5～7 g·L-1，強烈的蒸發(fā)加上不合理灌溉加劇了土壤鹽分表聚，形成大面積的次生鹽漬化農(nóng)田。研究區(qū)土壤鹽漬化為中度鹽漬化(3～6 g·kg-1)，鹽漬化類型為硫酸鹽-氯化物型[12]。鹽漬化荒地開墾前地表植被主要有堿蓬草、鹽爪爪、蘆葦?shù)?，其蓋度低?，敿{斯河流域經(jīng)過近60年的水土開發(fā)和建設，地表景觀已逐漸演變?yōu)橐匀斯ぶ脖粸橹黧w的綠洲景觀，土地利用類型也趨于復雜，種植作物也由開發(fā)初期種植一年生作物(小麥、玉米、棉花等)為主逐漸向以多年生作物(葡萄和啤酒花)種植轉(zhuǎn)變。

1.2 試驗設計

在研究區(qū)內(nèi)選擇開墾的鹽漬化農(nóng)田和鹽漬化荒地(以下簡稱鹽荒地)共110 hm2作為研究樣地，其中，鹽荒地面積為15 hm2，該區(qū)域作為開墾農(nóng)田的對照處理；開墾3 a的鹽漬化農(nóng)田(15 hm2)，開墾8 a的鹽漬化農(nóng)田(30 hm2)；開墾15 a的鹽漬化農(nóng)田(50 hm2)，共4個處理。開墾時進行一次大水漫灌壓鹽，開墾后連續(xù)種植棉花，棉花品種主要為新陸早13號，種植株距為10 cm，密度約為18萬株·hm-2；棉花種植模式采用“30—50—30—50—30 cm”寬窄行覆膜種植，其中全生育期氮、磷肥施用量分別為N 238 kg·hm-2、P2O5168 kg·hm-2；灌溉方式為滴灌，總灌水量5 200 m3·hm-2，分5次滴灌。每年秋季棉花收獲后，棉花秸稈全部粉碎翻入土壤，開墾后棉田除正常灌水施肥外，沒有進行額外的土壤改良措施。鹽荒地處理無施肥、灌溉。

土壤樣品采集時間主要在當年種植棉花前和棉花生長關鍵時期：苗期(04-29—06-06)，蕾期(06-06—07-03)，花期(07-03—07-24)，鈴期(07-24—08-26)，吐絮期(08-26—09-19)。當年種植棉花前的采集樣品主要測試土壤基本理化性質(zhì)作為研究背景值(見表1)。土壤樣品田間采集采用S型分布和隨機多點混合原則，每個采樣點設置3個重復，用環(huán)刀法測定土壤容重。取樣土層為0～10、10～20、20～40、40～60 cm和60～100 cm，土壤樣品采集后，風干、剔除雜質(zhì)、研磨、過100目篩。

1.3 測試指標和方法

每個土壤樣品分別測定3個重復，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[13]；土壤全氮使用半微量凱氏定氮法測定；某一土層i的有機碳儲量(SOCi，kg·hm-2)的計算方法如公式(1)。

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)×10-2

(1)

式中，i表示土壤層次，Ci為土壤有機碳含量(g·kg-1)，Di為容重(g·cm-3)，Ei為土層厚度(cm)，Gi為土壤中直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)，10-2為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

本研究中試驗數(shù)據(jù)處理及計算采用Excel 2007和SPSS18.0軟件，作圖采用Excel 2007和SigmaPlot10.0。

表1 播種前土壤基本理化性質(zhì)

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳

干旱區(qū)鹽漬化農(nóng)田0～100 cm土層土壤有機碳含量隨開墾年限呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(圖1)。鹽荒地開墾后原有的植被群落被破壞，新的棉花群落代替了原有A的自然群落，棉花生物量遠遠大于開墾前的自然群落生物量，秋季棉花收獲后，棉花秸稈粉碎后翻入土壤，增加了土壤有機碳來源。鹽荒地開墾8 a和15 a后，土壤和植被群落趨于穩(wěn)定，人工開墾為微生物提供了適宜的溫度和濕度條件，土壤有機碳含量隨著開墾年限的增加越來越高[14]。說明干旱區(qū)鹽荒地開墾可顯著提高土壤有機碳含量，種植年限越長，對土壤有機碳的提升作用越明顯。隨著開墾年限的增加，秸稈還田使得植物殘體以及代謝分泌物與土壤充分混合，改變原有的土壤結構和生物、化學性質(zhì)，土壤有機碳含量增加。

從不同土層來看，表層(0～40 cm)土壤有機碳含量變化幅度顯著高于底層(40～100 cm)土壤有機碳。其中0～10 cm和10～20 cm土層土壤有機碳含量隨開墾年限呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，10～20 cm土壤有機碳含量增加趨勢顯著高于0～10 cm。20～40 cm土壤有機碳含量隨開墾年限呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，開墾8 a達到最高值。這可能是由于開墾8 a后該層土壤中的微生物含量增加，分解速度加快。

2.2 土壤全氮

由圖2可知，鹽荒地土壤全N和開墾3 a、8 a和15 a棉田土壤全N含量之間無明顯差異，且自上而下隨土壤深度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(圖3)，0～40 cm土層土壤全N含量顯著高于40～100 cm土層土壤全N含量，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層之間土壤全N含量差異不大。

棉花在不同生育時期對N的需求有所不同，蕾期和花期土壤全N含量較低，吐絮期較高，與表層土壤有機碳含量的變化趨勢相似(圖3)。蕾期和花期，棉田和鹽荒地土壤全N含量較高，此時棉花處于快速生長期，對N素和其它養(yǎng)分吸收較快所致。在棉花生育后期，對N的需求減少，并且棉花凋落物增加，土壤全N含量明顯增加，且與鹽荒地差異不顯著。說明在干旱區(qū)植被生長對養(yǎng)分吸收利用的時期相似。總之，土壤全N含量在棉花的整個生長期變化很小，這與土壤垂直剖面全N含量變化的研究結果[15]相似。

圖1 不同處理不同土層土壤有機碳含量變化

圖2 不同處理不同土層土壤全氮含量變化

圖3 新墾農(nóng)田土壤全N含量的統(tǒng)計結果

2.3 土壤棉田C/N

由不同處理不同土層土壤C/N變化可以看出，開墾后棉田土壤C/N隨開墾年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，除了開墾3 a棉田的10～20 cm土層以外，鹽荒地與開墾后棉田耕層(0～20 cm)土壤C/N均明顯高于20 cm以下土層(圖4)。由土壤棉田C/N垂直分布可知，土壤C/N隨土壤深度的增加而降低，鹽荒地和開墾后棉田之間差異不顯著(圖5)。從棉花生長期看，花期、蕾期(7—8月)是棉花生長最快的時期，C/N相對高于其它時期，期間土壤有機C的積累速度顯著高于土壤全N的積累。棉田各生育期的土壤C/N直接導致土壤有機質(zhì)的分解和礦質(zhì)N的增加。0～40 cm土壤有機碳含量高，土壤全N的含量也高[16]，且該土層土壤C/N高于下層(60～100 cm)。苗期時棉田與鹽荒地0～10 cm C/N差異不顯著，但花期和蕾期時，兩者C/N差異顯著，出現(xiàn)這一差異的原因可能是由于C/N大小主要取決于全氮含量的變化，隨著棉花生長對氮的吸收增加，棉田中全氮含量顯著低于鹽荒地。從不同處理看，不同生育期間鹽荒地土壤C/N差異顯著，棉田土壤C/N差異不顯著。

2.4 土壤有機碳儲量

由圖6可知，開墾棉田0～40 cm土層土壤有機碳儲量占0～100 cm土層內(nèi)有機碳儲量的60%以上，而鹽荒地相對較低占55%～60%；開墾棉田花期有機碳儲量最低，花期0～100 cm土層深度內(nèi)總有機碳儲量為34.78 t·hm-2。棉花生長后期土壤有機碳儲量顯著高于鹽荒地，是因為棉花生長后期，棉花枯枝落葉和根系是土壤有機質(zhì)的主要來源，土壤有機碳儲量略有增加。部分農(nóng)田在棉花生長期結束時，仍留有大量枯死的棉株，待深翻時將棉稈粉碎埋入地下，使得土壤有機碳儲量略有增加；另有農(nóng)田在棉花生長后期即將結束時施用足量化肥，來保證明年初期春播時土地的肥力，故而其有機碳含量顯著高于不施肥的鹽荒地。

圖4 不同處理不同土層土壤C/N變化

3 結論與討論

大量研究表明，在綠洲開墾的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，棉田土壤有機碳含量變化隨開墾年限呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但是對作物而言，理清作物在整個生育期內(nèi)土壤有機碳含量的動態(tài)變化對提高土壤肥力、判斷合理的施肥時間和增加作物產(chǎn)量有直接影響[17]。新疆綠洲處于干旱荒漠區(qū)，鹽荒地受水資源等條件限制，生物積累少，有機碳初始值低；開墾后土壤水分等條件得到改善，進而改變土壤理化性狀，隨著墾殖年限的延長，地上、地下生物量增多，增加了土壤有機碳含量。鹽荒地開墾后增加了化肥和有機肥投入，且實施秸稈還田措施，使土壤有機碳含量增加。

圖5 不同土層土壤C/N隨生育期垂直分布

圖6 不同生育期不同土層深度鹽荒地和棉田土壤有機碳儲量

在綠洲開墾棉田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳、全N含量隨土層深度增加而顯著降低，0～40 cm土層含量顯著高于下層，40～60 cm、60～100 cm土層土壤有機碳和全氮含量差異不顯著，這與土壤剖面有機碳和全氮含量變化研究成果相似[18]。從棉花生育期看，綠洲開墾棉田土壤有機碳、全氮含量在剖面上情況則不同，各生育期土壤有機碳總體呈下降趨勢，其中在棉花蕾期和花期0～40 cm土層中有機碳、全氮含量最低。

相對于鹽荒地，在0～40 cm土層土壤有機碳含量和碳儲量明顯小于棉田；而在40 cm土層以下，兩者差異不明顯，鹽荒地土壤因沒有增加新的植物殘體使得土壤中有機碳的降解加速。通過研究綠洲不同開墾年限農(nóng)田土地利用對作物碳儲量的影響可以看出，人為改變土壤覆蓋度、改變土壤有機質(zhì)的分解速率均可以改變對土壤的碳輸入，最終影響土壤有機碳儲量。

綜上所述，新疆作為我國重要的耕地資源后備基地，隨著節(jié)水滴灌措施的大面積推廣和水資源合理開發(fā)利用，大面積鹽漬化荒地被開墾，研究開墾后的土壤有機碳和全氮含量隨開墾年限的土壤剖面分布特征及含量變化情況，對于進一步深入了解綠洲開墾棉田土壤碳庫分布情況，及時準確評價綠洲區(qū)開墾棉田土壤碳儲量和土壤碳循環(huán)模型研究均具有重要意義。根據(jù)本研究結果可以推測，新疆綠洲鹽荒地開墾會增加土壤總有機碳的含量，但是隨著種植年限的延長，增加趨勢減緩，土壤自身生產(chǎn)力存在下降趨勢，土壤質(zhì)量有下降或退化風險。

[1] Zhang G S, Huang G B, Yin Chun. Soil organic carbon sequestration potential in cropland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005,25(2):351-357.

[2] 趙生才.我國農(nóng)田土壤碳庫演變機制及發(fā)展趨勢[J].地球科學進展,2005,20(5):587-590.

[3] Lai R. Soil management and restoration for C sequestration to mitigate the accelerated greenhouse effect[J]. Progress in Environmental Science, 1999,1(4):307-326.

[4] Takata Y, Funakawa S, Yanai J, et al. Influence of crop rotation system on the spatial and temporal variation of the soil organic carbon budget in northern Kazakhstan[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2008,54(1):159-171.

[5] West T O, Post W M. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002,66(6):1930-1946.

[6] 韓新輝,佟小剛,楊改河,等.黃土丘陵區(qū)不同退耕還林地土壤有機碳庫差異分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(12):223-229.

[7] 吳仲民,李意德,曾慶波,等.尖峰嶺熱帶山地雨林C素庫及皆伐影響的初步研究[J].應用生態(tài)學報,1998,9(4):341-344.

[8] Wu R, Tiessen H. Effect of land use on soil degradation in Alpine grassland soil, China[J]. Soil Science Society of American Journal, 2002,66:1648-1655.

[9] 徐萬里,唐光木,盛建東,等.墾殖對新疆綠洲農(nóng)田土壤有機碳組分及團聚體穩(wěn)定性的影響[J].生態(tài)學報,2010,30(7):1773-1779.

[10] 閆靖華,張鳳華.鹽漬化棄耕地不同恢復年限土壤有機碳及其碳庫管理指數(shù)變化[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2015,2:203-207，213.

[11] 楊海昌,張鳳華,王東方,等.近60年瑪河流域綠洲蒸散量變化趨勢及其影響因素分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2014,28(7):18-23.

[12] 劉玉國,楊海昌,王開勇,等.新疆淺層暗管排水降低土壤鹽分提高棉花產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(16):84-90.

[13] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1999.

[14] Prentice K C, Fung I Y. The sensitivity of terrestrial carbon storage to climate change[J]. Nature, 1990,346:48-51.

[15] 隋躍宇,張興義,焦曉光,等.長期不同施肥制度對農(nóng)田黑土有機質(zhì)和氮素的影響[J].水土保持學報,2005,6(19):190-200.

[16] 張興義,隋躍宇,于 莉.薄層農(nóng)田黑土速效氮磷鉀含量的空間異質(zhì)性[J].水土保持學報,2002,18(4):85-88.

[17] 柳梅英,包安明,陳 曦,等.近30年瑪納斯河流域土地利用/覆被變化對植被碳儲量的影響[J].自然資源學報,20l0,25(6):926-938.

[18] 賴冬梅，李志國，田長彥.干旱區(qū)棉田土壤剖面有機碳和全氮含量垂直分布特征及碳儲量變化[J].中國棉花，2012,39(7):24-28.

Soilcarbonandnitrogenstorageofdifferentreclamationyearsinsalinizedwastelandinaridregion

LEI Jun, ZHANG Feng-hua, LIN Hai-rong, HAN Chun-li, ZHAO Rui-hai

(ShiheziUniversity/KeyLaboratoryofOasisEcologyAgricultureofXinjiangConstructionCrops,Shihezi,Xinjiang832003,China)

Salinization soil of cotton farmland reclaimed from salinized wasteland in the north area of Tianshan Mountain with three reclamation year: 3 years, 8 years and 15 years, was chosen and salinized wasteland was the control. Soil organic carbon and total nitrogen, and carbon storage in 0～10, 10～20, 20～40, 40～60 cm and 60～100 cm were measured. Results showed that soil organic carbon and total nitrogen content in 0～100 cm of cotton field increased with years of reclamation in salinized wasteland. There was no significant difference in total nitrogen content among salinized wasteland and reclaimed farmland with different years of reclamation. Soil organic carbon and total nitrogen content decreased with soil depth in both reclaimed cotton farmland and salinized wasteland. In salinized wasteland, soil organic carbon and total nitrogen content in 0～40 cm soil layer were significantly higher than those below 40cm soil layer. Soil C/N in reclaimed farmland increased with years of reclamation. Soil C/N in salinized wasteland and reclaimed farmland decreased with soil depth. The difference of soil C/N in salinized wasteland and reclaimed farmland was insignificant. Soil organic carbon storage in reclaimed cotton farmland decreased at first and then increased with reclamation years. In conclusion, soil organic carbon and total nitrogen content of cotton field increased with years of reclamation in salinized wasteland. However, soil organic carbon storage showed a trend of decrease-increase with reclamation years. Soil organic carbon and total nitrogen content in salinized wasteland and reclamation farmland decreased with soil depth increasing.

salinized wasteland; farmland reclaimed from salinized wasteland; soil organic carbon; soil total nitrogen; soil organic carbon storage

1000-7601(2017)03-0266-06doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.41

2016-06-17

：2017-03-16

：國家自然科學基金項目(31560359)

雷 軍(1964—)，男，陜西西安人，高級實驗師，主要從事土地利用與干旱區(qū)資源環(huán)境方面的研究。 E-mail：leijun7999@126.com

S153.6+1

： A