不同復(fù)墾模式對土壤團(tuán)聚體及水溶性陽離子的影響

馮 歡, 張俊嶺, 張鳳華

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，較其他土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且其大小形狀及穩(wěn)定性都對土壤中水和空氣、土壤質(zhì)地以及作物的生長造成影響[1-2]。新疆有大量因次生鹽漬化嚴(yán)重而棄耕的農(nóng)田，自然恢復(fù)過程比較緩慢，已經(jīng)不能滿足人們的需求，大量的棄耕農(nóng)田被進(jìn)行人工植被恢復(fù)。植被的恢復(fù)和重建是提高土壤質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)土壤基本功能的關(guān)鍵[3]，對加快生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，增加土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，提高大團(tuán)聚體穩(wěn)定性都有很重要的作用[4-5]。

土壤鹽分是鹽堿土的一個重要屬性。研究表明，間作對河套灌區(qū)鹽堿地有輕微的控鹽作用，并且不會促使次生鹽漬化的發(fā)生[6]。水旱輪作對EC值有降低作用，減輕土壤的次生鹽漬化，緩解草莓連作障礙[7]。鹽脅迫對植物有滲透作用和離子效應(yīng)[8]，會影響植物正常代謝。鹽堿土中含有大量的水溶性鹽類，對水溶性鹽的分析是研究土壤鹽堿化類型和程度的主要方法之一[5]。Mg2+和Ca2+凝聚能力較強(qiáng)，具有較好的粘結(jié)性，能和土壤膠體進(jìn)行緊密的結(jié)合，有利于團(tuán)聚體的形成，Na+的凝聚能力最弱，是高強(qiáng)度的分散性離子，會直接促使土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤有機(jī)質(zhì)暴露易降解，不利于團(tuán)聚體的形成[9]，且由于鹽的溶解度和遷移率等差異，鹽離子在土壤剖面中的移動并不同步[10]。本研究以新疆瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地作為研究對象，采用單作、輪作、間作3種種植模式進(jìn)行復(fù)墾，分析不同復(fù)墾模式對棄耕地土壤團(tuán)聚體粒徑組成及其鹽陽離子分布的影響，明確不同復(fù)墾模式對棄耕地土壤質(zhì)量的影響，以期為綠洲鹽漬化棄耕地植被重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于瑪納斯河流域沖積平原，該區(qū)域地理處在東經(jīng)85°37.275′，北緯44°33.493′。該地區(qū)為典型大陸性氣候，遠(yuǎn)離海洋，干旱少雨，濕度小，蒸發(fā)量大，日照充足，≥10℃的活動積溫達(dá)到3 570～3 729℃，年日照時數(shù)為2 721～2 818 h，無霜期為168～171 d，年平均降水量110～200 mm，年平均蒸發(fā)量為1 500～2 000 mm，強(qiáng)烈的蒸發(fā)加速了該地區(qū)土壤次生鹽漬化棄耕現(xiàn)象的發(fā)生。該地區(qū)以荒漠植被為自然植被的主要植被，植物種類單一稀疏、群落結(jié)構(gòu)簡單是地表植被的主要特征，且鹽堿化棄耕地土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為中壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及樣品采集

試驗(yàn)點(diǎn)位于新疆北疆瑪河流域沖積扇緣147團(tuán)，之前因鹽漬化嚴(yán)重而棄耕，自2009年起對樣地進(jìn)行不同模式的恢復(fù)重建，不同復(fù)墾模式有，Ⅰ：棄耕地(CK)，作為恢復(fù)前的對照處理,面積為2 hm2，植株密度為2.89萬株/hm2；Ⅱ：單作棉田，對自然棄耕地進(jìn)行翻耕人工播種、灌溉、種植棉花，面積為15 hm2，種植年限為5 a，種植密度為1.95×105株/hm2，整個作物生長期灌水8～10次，灌水方式為膜下滴灌，年灌水總量為4 500 m3/hm2，棉花生長季節(jié)，施用氮肥(300 kg/hm2)、磷肥(200 kg/hm2)和鉀肥(60 kg/hm2)；Ⅲ：間作模式，俄羅斯楊與小麥(棉花)間作種植，面積15 hm2，種植年限為5 a，種植密度為俄羅斯楊1.02×103株/hm2+小麥4.80×106株/hm2，灌水方式為滴灌，年灌水總量為5 250 m3/hm2，整個生長季節(jié)，施用氮肥(300 kg/hm2)、磷肥(200 kg/hm2)和鉀肥(60 kg/hm2)；Ⅳ：輪作農(nóng)田，種植小麥3 a，期間輪作玉米，面積15 hm2。

土壤樣品采集：本試驗(yàn)于2014年7月中旬進(jìn)行采樣，每種種植模式按照0—20，20—40，40—60 cm分別挖剖面(30 cm寬、100 cm深)，然后在不同土層采集大小一致的原狀土樣，裝入方形塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室；同時用自封袋采集各模式土樣混合，混合土樣采用“四分法”，保留1 kg，每種模式按照同樣的方法采取3個重復(fù)。將方形塑料盒中土樣過8 mm的土篩，最后風(fēng)干土樣，以便保存進(jìn)行土壤團(tuán)聚體及其他穩(wěn)定性分析，將自封袋土樣樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，分別過1 mm和0.25 mm篩孔以供測定。

1.3 測定項(xiàng)目及測定方法

土壤pH值及電導(dǎo)率采用5∶1水土比浸提，pH值計和電導(dǎo)率儀測定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測定；堿解氮用堿解擴(kuò)散法；速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3法；全氮采用半微量開氏法;全磷采用鉬銻抗比色法(HClO4—H2SO4法)；用離子色譜法測定水溶性Na+，k+，Ca2+，Mg2+的含量；采用SPSS 18和Excel 2016軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表1 棄耕地不同復(fù)墾模式土壤養(yǎng)分情況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)墾模式對土壤pH值和EC值的影響

由圖1A可見，在0—60 cm土層，單作、間作和輪作土壤pH值含量均顯著低于棄耕地(p<0.05)，分別較棄耕地降低10.7%，9.7%，10.6%。棄耕地的pH值分布隨著土層深度的增加而增大；0—20 cm土層，單作pH值降低最為明顯，為7.5，較棄耕地降低了0.88；20—40 cm土層，間作pH值最低，為7.15,較棄耕地降低了1.35；40—60 cm土層，輪作pH值最低，為7.43，較棄耕地降低了1.29。

由圖1B可見，在0—60 cm土層，不同復(fù)墾模式土壤EC值均不同程度降低，并且間作和輪作EC含量降低更為顯著，分別降低了71.0%，84.1%。在各個土層中，棄耕地、單作和間作土壤中EC含量隨著土層深度增加而減少，輪作EC含量隨著土層降低而增加。

注：不同大寫字母表示在同一耕作方式不同土層間差異顯著，不同小寫字母表示同一土層不同耕作方式間差異顯著(p<0.05)。

圖1不同復(fù)墾模式土壤pH值及土壤EC

2.2 不同復(fù)墾模式土壤團(tuán)聚體的分布特征

不同復(fù)墾模式對土壤團(tuán)聚體的組成、數(shù)量等都有一定的影響[11]。由圖2可見，在0—60 cm土層，>0.25 mm粒徑各復(fù)墾模式間團(tuán)聚體含量并無顯著性差異(p>0.05)，但均顯著高于棄耕地(p<0.05)；0.25～0.053 mm粒徑各復(fù)墾模式間有顯著性差異(p>0.05)，但均顯著低于棄耕地(p<0.05)；<0.053 mm粒徑，單作和輪作土壤團(tuán)聚體含量顯著高于棄耕地(p<0.05)，間作顯著低于棄耕地(p<0.05)。棄耕地及各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量顯著高于其他粒徑(p<0.05)，占總團(tuán)聚體含量64.85%～83.62%。在各個土層中，棄耕地及各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量顯著高于其他粒徑(p<0.05)。

在各個土層中，棄耕地及各復(fù)墾模式團(tuán)聚體含量均隨著粒徑的減小而減少。在0—20 cm及20—40 cm土層，各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量顯著高于棄耕地(p<0.05)，0.25～0.053 cm粒徑中，各復(fù)墾模式粒徑團(tuán)聚體含量顯著低于棄耕地(p<0.05)；在40—60 cm土層，棄耕地及各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體含量沒有顯著性差異(p<0.05)。不同復(fù)墾模式對團(tuán)聚體數(shù)量的影響隨著土層深度的加深呈現(xiàn)出減弱的趨勢。

注：不同大寫字母表示在同一土層同一復(fù)墾模式不同粒徑間差異顯著，不同小寫字母表示同一土層同一粒徑不同復(fù)墾模式間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖2不同復(fù)墾模式土壤團(tuán)聚體組成分布

2.3 不同復(fù)墾模式對土壤團(tuán)聚體中鹽基離子的影響

如圖3所示，在0—60 cm土層，各個粒徑團(tuán)聚體中棄耕地Na+含量顯著高于其他復(fù)墾模式(p<0.05)，其含量為0.48～1.00 g/kg，且<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體Na+含量最高，達(dá)到0.89 g/kg，而0.25～0.053 mm最低，為0.80 g/kg。不同復(fù)墾模式各粒徑團(tuán)聚體中Na+含量表現(xiàn)為棄耕地>單作>間作>輪作，各復(fù)墾模式各粒徑Na+含量為0.02～0.20 g/kg。在各個土層中，不同復(fù)墾模式及不同粒徑中Na+含量均顯著低于棄耕地(p<0.05)，其中40—60 cm土層Na+含量明顯低于0—20 cm和20—40 cm土層。

圖3 不同復(fù)墾模式不同粒徑團(tuán)聚體中Na+的含量及分布

如圖4所示，在0—60 cm土層，各個粒徑不同復(fù)墾模式土壤團(tuán)聚體中K+含量均呈現(xiàn)顯著差異(p<0.05)，>0.25 mm和0.25～0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體K+含量均表現(xiàn)為單作>棄耕地>間作>輪作；<0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體K+含量表現(xiàn)為棄耕地>單作>間作>輪作；不同復(fù)墾模式各粒徑土壤團(tuán)聚體中的K+含量差異較顯著(p<0.05)，且隨著粒徑的減小而增加。在0—20 cm和20—40 cm土層中，各個粒徑不同復(fù)墾模式K+含量大小之間存在顯著性差異(p<0.05)，主要表現(xiàn)為棄耕地>單作>間作>輪作，且隨著粒徑的減小棄耕地及各復(fù)墾模式K+含量逐漸增加；在40—60 cm土層中，各個粒徑不同復(fù)墾模式K+含量差異顯著(p<0.05)，各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體K+含量顯著低于其他粒徑(p<0.05)。

圖4 不同復(fù)墾模式不同粒徑團(tuán)聚體中K+的含量及分布

從圖5中可以看出，在0—60 cm土層，各復(fù)墾模式在各個粒徑土壤團(tuán)聚體中Mg2+含量均表現(xiàn)為單作>棄耕地>輪作>間作；各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑Mg2+含量均顯著低于<0.53 mm和0.25～0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體Mg2+含量(p<0.05)；棄耕地和單作0.25～0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體Mg2+含量顯著低于<0.53 mm粒徑(p<0.05)，間作和輪作<0.53 mm和0.25～0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體Mg2+含量間無顯著差異(p<0.05)。

在0—20 cm和20—40 cm土層，棄耕地和單作各粒徑中Mg2+含量顯著高于間作和輪作。在40—60 cm土層，單作在各個粒徑中Mg2+含量沒有顯著差異，各個粒徑中單作Mg2+含量均顯著高于其他復(fù)墾模式。

圖5 不同復(fù)墾模式不同粒徑團(tuán)聚體中Mg2+的含量及分布

如圖6所示，在0—60 cm土層，各個粒徑單作Ca2+含量顯著高于棄耕地(p<0.05)，間作和輪作Ca2+含量顯著低于棄耕地(p<0.05)；在>0.25 mm和0.25～0.053 mm粒徑間作Ca2+含量顯著高于輪作(p<0.05)；在<0.053 mm粒徑輪作Ca2+含量顯著高于間作(p<0.05)。>0.25 mm粒徑各復(fù)墾模式Ca2+含量顯著低于其他粒徑(p<0.05)；間作在0.25～0.053 mm粒徑Ca2+含量顯著低于其他粒徑(p<0.05)；棄耕地、單作和輪作在<0.053 mm粒徑Ca2+含量顯著低于其他粒徑(p<0.05)。在0—20 cm和20—40 cm土層，各粒徑中單作和輪作Ca2+含量顯著低于單作和棄耕地(p<0.05)；在40—60 cm土層，單作Ca2+含量顯著高于其他復(fù)墾模式(p<0.05)，棄耕地Ca2+含量較上層土壤Ca2+含量明顯減少(p<0.05)。

圖6 不同復(fù)墾模式不同粒徑團(tuán)聚體中Ca2+的含量及分布

3 討 論

不同粒級的團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應(yīng)和轉(zhuǎn)化能力等方面有著不同的作用[12]，一般認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)的好壞主要看土壤>0.25 mm團(tuán)聚體的含量，其含量越高，土壤團(tuán)聚性和結(jié)構(gòu)越好。<0.25 mm的團(tuán)聚體稱為小團(tuán)聚體,機(jī)械穩(wěn)定性較差，這一級別團(tuán)聚體所占比重越高，表明土壤愈分散[13-14]。本研究中，各復(fù)墾模式>0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體含量較棄耕地顯著增加，單作棉田、間作模式和輪作農(nóng)田分別較棄耕地增加了15.77%，13.18%和15.55%，0.25～0.053 mm粒徑中各復(fù)墾模式團(tuán)聚體顯著低于棄耕地(p<0.05)，單作、輪作和間作分別較棄耕地降低了45.94%，41.97%和38.80%，棄耕地及各復(fù)墾模式<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體含量差異較小。說明棄耕地的不同復(fù)墾模式均可以改變土壤的團(tuán)聚體比例，增加>0.25 mm的大團(tuán)聚體含量，減少<0.25 mm小團(tuán)聚體含量，不同復(fù)墾模式均改變了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善了土壤的結(jié)構(gòu)。這可能是因?yàn)闂壐貜?fù)墾后人為水肥管理投入養(yǎng)分，作物殘差進(jìn)入農(nóng)田歸還有機(jī)質(zhì)，加速團(tuán)聚體形成。Six等[15]在土壤大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)及土壤有機(jī)質(zhì)變化的胚胎發(fā)育模型中認(rèn)為，當(dāng)新的植物殘茬加入時，可促進(jìn)團(tuán)聚體中顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)的形成，POM被黏土礦物質(zhì)和微生物分泌的粘液包裹，形成新微團(tuán)聚體的核心，在土壤有機(jī)質(zhì)膠結(jié)作用下，微團(tuán)聚體、礦物質(zhì)和POM結(jié)合形成大團(tuán)聚體，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體數(shù)量增加。也有研究表明，短期玉米輪作對有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體形成有良好的作用[16]。大豆玉米輪作有利于促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，大豆玉米間作也可激發(fā)形成良好團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的潛在能力[11]。豆科—禾本科輪作促進(jìn)微團(tuán)聚體的穩(wěn)定以及大團(tuán)聚體的形成[17]，與本文研究結(jié)果相似。

單作、間作、輪作中不同粒徑團(tuán)聚體Na+含量顯著低于棄耕地，分別較棄耕地減少了87.62%，91.02%，95.12%，結(jié)果說明恢復(fù)耕作可以有效減少土壤中Na+的含量，隨著恢復(fù)耕作Na+含量明顯降低，因?yàn)镹a+為一價陽離子，被吸附和凝聚的能力較弱，在土壤中比較活躍，易隨著灌溉水被淋洗，耕作灌水作用減少土壤中Na+含量[18]。不同復(fù)墾模式Na+含量主要集中于表層，說明Na+隨著水分的蒸發(fā)上升至土壤表層，造成Na+在土壤表層富集。K+的交換能力比Na+強(qiáng)，易被土壤吸附，不易被水淋洗，所以恢復(fù)耕作后，K+含量雖然減少但并不如Na+不迅速[19]。Ca2+與Mg2+為二價離子,兩種陽離子的化學(xué)性質(zhì)、代換、吸附及凝聚力等性質(zhì)相近，因此土壤中Ca2+與Mg2+的分布特征和變化趨勢可能存在相似性[10,18]。本研究中不同復(fù)墾模式Ca2+含量主要集中于<0.053 mm和0.25～0.053 mm 兩個粒徑團(tuán)聚體中，不同復(fù)墾模式Ca2+含量在>0.25 mm粒徑中均顯著低于其他粒徑，說明Ca2+主要集中于微團(tuán)聚體中，這是由于小粒徑團(tuán)聚體比表面積較大，能夠吸附較多的有機(jī)質(zhì)，有利于有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體的形成，而Ca2+容易與土壤膠體緊密結(jié)合，所以在小團(tuán)聚體中Ca2+含量較多[20]。

整體而言，不同復(fù)墾模式對鹽分離子均有影響，單作可顯著降低Na+含量，但會使Ca2+，Mg2+，K+含量增加，間作和輪作方式均顯著減少鹽陽離子含量，且間作和輪作各鹽陽離子含量均顯著低于單作，說明單作雖然能夠減少土壤中的鹽陽離子含量，但是相較于輪作及間作鹽分離子更易聚集。在植被的恢復(fù)過程中，我們采用輪作或間作的復(fù)墾模式更有利于鹽堿地水溶性陽離子的減少，加快改善該區(qū)域鹽分含量，為植被創(chuàng)造良好的生長環(huán)境。

4 結(jié) 論

(1) 不同復(fù)墾模式(單作農(nóng)田、輪作農(nóng)田及間作模式處理)較棄耕地均顯著增加了團(tuán)聚體中>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體數(shù)量，改善土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)；棄耕地不同復(fù)墾模式均可顯著降低土壤團(tuán)聚體pH值和EC值，并且間作和輪作降低EC值的能力強(qiáng)于單作。

(2) 研究區(qū)不同復(fù)墾模式中各離子平均含量大小在土壤團(tuán)聚體中表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，且不同復(fù)墾模式各離子含量隨著粒徑減小而增加，鹽陽離子主要集中于<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體中。

(3) 不同復(fù)墾模式對鹽分離子均有影響。間作和輪作模式均可使各土壤鹽離子含量顯著降低，單作可顯著降低Na+含量，但會使Ca2+,Mg2+,K+含量增加，且各離子含量顯著高于間作和輪作。