鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)年限對土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性的影響

桑文 王衛(wèi)超 楊磊 張鳳華

摘要：通過新疆瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地田間試驗，研究了棄耕地不同恢復(fù)年限對土壤團(tuán)聚體組成分布及穩(wěn)定性的影響，從而對棄耕地不同恢復(fù)年限處理土壤團(tuán)聚體特性的變化做出評價。結(jié)果表明，鹽漬化棄耕地開墾后增加了大團(tuán)聚體數(shù)量（特別是>5 mm和5～2 mm粒徑團(tuán)聚體），且隨著恢復(fù)年限的增加，整體上大團(tuán)聚體（直徑>0.25 mm）比例均呈先下降（恢復(fù)1年）后增加的趨勢，微團(tuán)聚體（<0.25 mm）比例呈先增加（恢復(fù)1年）后下降的趨勢。團(tuán)聚體R0.25、MWD和GMD恢復(fù)1年較棄耕地有所降低，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年均高于棄耕地，且隨著恢復(fù)年限的增加呈增加的趨勢；土壤團(tuán)聚體D隨著恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)出相反的趨勢。鹽漬化棄耕地在恢復(fù)5年的土壤中團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性顯著高于棄耕地，隨著恢復(fù)年限的增加表現(xiàn)出增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：棄耕地；團(tuán)聚體；穩(wěn)定性；干旱區(qū)

中圖分類號：S152.4+7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）14-0027-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.006 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Through the field trials of salinized abandoned farmland in the Manas River basin in Xinjiang，the effects of different restoration years of abandoned farmland on the composition and stability of soil aggregate were studied， and the changes of soil aggregate properties under different restoration years of abandoned farmland were evaluated. The results showed that the number of large aggregates（especially>5 mm and 5～2 mm agglomerates） was increased after reclamation of salted abandoned land，and with the increase of planting period after reclamation，the proportion of large aggregates（diameter>0.25 mm） showed decreased first（after 1 year） and then increased trend，and the proportion of micro-aggregates （<0.25 mm） increased first（after 1 year） and then decreased. The agglomerates R0.25，MWD and GMD decreased in the first year of restoration，and recovered for 5 years，recovered for 10 years and recovered 15 years higher than abandoned farmland，and showed an increased trend with the increase of recovery period. The fractal dimension of soil aggregates showed the opposite trend with the increase of recovery period. The structure and stability of aggregates in salted soils were significantly higher than those in abandoned soils after 5 years of restoration， and showed an increased trend with the increase of recovery period.

Key words： abandoned farmland； aggregates； stability； arid area

土壤鹽漬化問題是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和綠洲生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素之一[1]。新疆地處干旱地區(qū)，不合理的灌溉及施肥措施等導(dǎo)致原有的水鹽平衡被破壞，加之降水少、蒸發(fā)量大使土地次生鹽漬化問題加劇，導(dǎo)致大量農(nóng)田被迫棄耕。自2000年以來，隨著滴灌技術(shù)在新疆地區(qū)廣泛應(yīng)用，大量鹽漬化棄耕地得以復(fù)墾[2]。通過科學(xué)合理的墾殖方式不僅能夠提高土壤質(zhì)量，而且能夠維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，由土壤顆粒凝聚、膠結(jié)和黏結(jié)而相互聯(lián)結(jié)組成[3]。土壤團(tuán)聚體不僅是評價土壤質(zhì)量和土壤肥力的主要指標(biāo)[4]，而且與土壤的抗蝕能力以及環(huán)境質(zhì)量具有密切關(guān)系[5]，其大小、數(shù)量及其在土壤中的分布狀況是土壤重要的物理性質(zhì)。團(tuán)聚體由黏粒與有機(jī)物質(zhì)膠結(jié)形成，土壤團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性的提高與土壤中有機(jī)碳數(shù)量的增加有密切聯(lián)系[6]；相關(guān)研究表明，表土中將近90%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[7]。土壤團(tuán)聚體的粒級分布和穩(wěn)定性與退耕類型、年限等有明顯的關(guān)系[8]，不同級別的團(tuán)聚體對于協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分的保持與供應(yīng)、改善孔隙組成、水力學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)具有不同的作用。土壤團(tuán)聚體R0.25是表征土壤中>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體（大團(tuán)聚體）所占的比例，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)[9]。平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）作為土壤團(tuán)聚體狀況綜合評價指標(biāo)已被廣泛使用，其值越大表示土壤的平均粒徑團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)[10]。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)是表征土壤團(tuán)聚體的分布狀況[11]，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D與團(tuán)聚體的分散度呈正相關(guān)。當(dāng)D接近2時，表明團(tuán)聚體主要由數(shù)量較少的大結(jié)構(gòu)體組成[12]，即團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)愈小，土壤中>0.25 mm粒徑的團(tuán)粒含量越高，土壤密度也越小，土壤越疏松，土壤通氣度越大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也越強(qiáng)[13]。

本課題以干旱區(qū)瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地為研究對象，研究棄耕地恢復(fù)后農(nóng)田土壤團(tuán)聚體分布、團(tuán)聚體數(shù)量（>0.25 mm的團(tuán)聚體的比例）、團(tuán)聚體大?。∕WD和GMD）及分形維數(shù)（D）的變化，以期探明不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異，對于正確評價干旱區(qū)鹽堿地人工開墾后土壤質(zhì)量演變以及為干旱區(qū)綠洲鹽堿地的開發(fā)與利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，瑪納斯河流域沖積扇緣地帶十戶灘鎮(zhèn)，干旱少雨，年降水量為110～200 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，年平均氣溫6.6 ℃，≥10 ℃積溫達(dá)到3 490 ℃，無霜期148～187 d，屬于典型的大陸性氣候，研究區(qū)域處于沖積洪積扇緣地帶，地下水位高，長期處于“鹽隨水來，水去鹽留”的狀態(tài)，強(qiáng)烈的蒸發(fā)加速了鹽分的表聚；再加上長期的不合理灌溉加劇了鹽漬化進(jìn)程，形成大面積次生鹽漬化土壤。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集與分析 試驗點(diǎn)選擇因次生鹽漬化而棄耕的土地，棄耕年限為29年，對樣地進(jìn)行不同年限的人工墾殖恢復(fù)：①原始棄耕地（面積5 hm2）作為對照；②恢復(fù)1年處理（種植棉花1年，面積10 hm2）；③恢復(fù)5年處理（連續(xù)種植棉花5年，面積30 hm2）；④恢復(fù)10年處理（連續(xù)種植棉花10年，面積20 hm2）；⑤恢復(fù)15年處理（連續(xù)種植棉花15年，面積30 hm2）。種植過程按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：種植作物均為棉花，種植密度為2.4×104株/hm2，采用膜下滴灌方式進(jìn)行灌溉，整個棉花生長期灌8～10次，年灌水總量為4 500 m3/hm2。并于棉花生長季節(jié)，按照氮肥300 kg/hm2和磷肥200 kg/hm2的使用量將氮肥及磷肥通過膜下滴灌方式隨水施入。棉花收獲后期，秸稈全量還田（施用量6 000～7 500 kg/hm2），同時將尿素（150 kg/hm2）及過磷酸鈣（450 kg/hm2）作為基肥深翻施入土壤。分別于原始棄耕地（CK）、恢復(fù)1年、恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年樣地中按照對角線法選取2 m×2 m樣點(diǎn)3個，挖取土壤剖面（0～60 cm），并采用環(huán)刀法測定土壤容重及含水量。取土壤團(tuán)聚體樣品時，先將土壤表面的植被及其他雜物小心去除，取原狀土樣裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)帶回，途中避免對原狀土的擠壓，將土壤樣品在室溫下風(fēng)干，樣品達(dá)到塑限（土壤含水量約為20%）的程度后，沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑1 cm3左右的小土塊，用于土壤團(tuán)聚體篩分；土層樣品經(jīng)風(fēng)干過篩后直接用于基本理化性質(zhì)測定。各處理土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2.2 土壤團(tuán)聚體的篩分 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分級采用干篩法。風(fēng)干過程中，去除植物根系與石塊等雜質(zhì)后，取樣品100 g，轉(zhuǎn)移至一組直徑為30 cm的套篩，篩子孔徑依次為8、5、2、1、0.25和0.053 mm，篩分時間為10 min，篩分結(jié)束后，稱量各孔徑篩子上土樣重量Wdi，計算各級團(tuán)聚體占土樣總量的百分比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對篩分后的各粒級團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，分別計算大于0.25 mm團(tuán)聚體的含量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何均重直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）用于評價團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性。wi為i 粒級團(tuán)聚體重量所占的比例，按式（1）計算。

采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗和相關(guān)性分析，采用鄧肯法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體的組成分布

由圖1可知，開墾后土壤中大團(tuán)聚體含量（>0.25 mm）較開墾前增加22.06%，中團(tuán)聚體（0.250～0.053 mm）較開墾前差異不明顯，微團(tuán)聚體（<0.053 mm）較開墾前降低14.0%。且隨著恢復(fù)年限的增加，大團(tuán)聚體（特別是>5 mm和5～2 mm粒徑團(tuán)聚體）比例呈先下降后增加的趨勢，恢復(fù)1年最低，恢復(fù)5年與棄耕地之間差異不顯著，恢復(fù)10年和恢復(fù)15年較棄耕地有顯著增加；>5 mm粒徑中恢復(fù)10年和恢復(fù)15年分別較棄耕地增加了17.97%和100.47%，5～2 mm粒徑中恢復(fù)10年和恢復(fù)15年分別較棄耕地增加了32.36%和41.67%；2～1 mm粒徑中恢復(fù)1年較棄耕地有顯著的下降，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年之間差異不顯著但顯著高于棄耕地，分別較棄耕地增加了18.56%、20.46%和21.33%；1～0.25 mm粒徑中恢復(fù)1年、恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年均顯著高于棄耕地，分別較棄耕地增加了51.80%、33.68%、22.46%和50.37%；0.250～0.053 mm粒徑團(tuán)聚體均占不同恢復(fù)年限各粒徑土壤團(tuán)聚體比例最高，且隨著恢復(fù)年限的增加呈遞減的趨勢，棄耕地、恢復(fù)1年和恢復(fù)5年之間差異均不顯著，恢復(fù)10年、恢復(fù)15年顯著低于棄耕地，分別較棄耕地下降了5.89%和22.10%；<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體隨著恢復(fù)年限的增加整體上呈現(xiàn)出先增加（恢復(fù)1年）后下降的趨勢，不同恢復(fù)年限處理之間差異均顯著，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年較棄耕地均有顯著的下降，分別降低了12.36%、24.51%和44.81%；

綜上所述，隨著恢復(fù)年限的增加，>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒徑團(tuán)聚體呈現(xiàn)先下降（恢復(fù)1年）后增加的趨勢；1～0.25 mm粒徑中墾殖后各處理均顯著高于棄耕地；且恢復(fù)1年時增加最顯著；0.250～0.053 mm粒徑團(tuán)聚體均占不同恢復(fù)年限各粒徑土壤團(tuán)聚體比例最高，隨著恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，恢復(fù)1年、恢復(fù)5年與棄耕地之間差異不顯著；<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體隨著恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)先增加（恢復(fù)1年）后下降的趨勢。

2.2 鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)年限對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土壤團(tuán)聚體R0.25的變化 由圖2可知，恢復(fù)15年、恢復(fù)10年、恢復(fù)5年土壤團(tuán)聚體R0.25較開墾前分別增加了57.06%、23.39%和10.50%，較棄耕地和恢復(fù)1年差異顯著。0～60 cm土層中隨著恢復(fù)年限的增加，土壤團(tuán)聚體R0.25先降低后增加，且各處理之間差異均顯著，恢復(fù)15年（0.54）最高，恢復(fù)1年（0.31）最低；恢復(fù)15年土壤團(tuán)聚體R0.25較恢復(fù)10年、恢復(fù)5年、恢復(fù)1年分別增加了27.29%、42.14%和71.73%。

2.2.2 鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體MWD和GMD的變化 供試土壤團(tuán)聚體MWD和GMD的變化見圖3。由圖3可知，棄耕地開墾后土壤團(tuán)聚體MWD和GMD隨著恢復(fù)年限的增加，均呈現(xiàn)先降低（恢復(fù)1年）后增加的趨勢；表現(xiàn)為恢復(fù)15年>恢復(fù)10年>恢復(fù)5年>棄耕地>恢復(fù)1年。通過對MWD的分析可以看出，除棄耕地與恢復(fù)5年之間差異不顯著外，與其余各處理之間差異均顯著，恢復(fù)1年較棄耕地降低26.16%，恢復(fù)10年、恢復(fù)15年較棄耕地分別增加20.82%和63.50%，恢復(fù)15年（1.67）最高，恢復(fù)1年（0.75）最低，恢復(fù)15年較恢復(fù)10年、恢復(fù)5年、恢復(fù)1年分別增加35.32%、63.26%和121.42%；GMD表現(xiàn)為不同處理之間差異均顯著，恢復(fù)1年較棄耕地降低19.10%，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年、恢復(fù)15年較棄耕地分別增加7.89%、30.77%和93.92%，恢復(fù)15年（0.57）最高，恢復(fù)1年（0.24）最低，恢復(fù)15年較恢復(fù)10年、恢復(fù)5年、恢復(fù)1年分別增加48.29%、79.74%和139.69%。

2.2.3 鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）的變化 對供試土樣的土壤團(tuán)聚體數(shù)據(jù)按照公式（6）進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合（R2均大于0.90）。由不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體D變化（圖4）可知，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年較棄耕地分別降低1.35%、2.33%和4.32%。隨著恢復(fù)年限的增加，D先增加后降低，各處理之間差異均顯著，恢復(fù)1年（2.67）最高，恢復(fù)15年（2.54）最低；恢復(fù)15年土壤團(tuán)聚體D較恢復(fù)10年、恢復(fù)5年、恢復(fù)1年分別降低2.03%、3.00%和4.98%。

3 小結(jié)與討論

研究結(jié)果表明，鹽漬化棄耕地在開墾后顯著增加土壤大團(tuán)聚體（>0.25 mm）數(shù)量，減少了微團(tuán)聚體（<0.25 mm）數(shù)量。>0.25 mm團(tuán)聚體含量與棄耕地相比增加22.06%。棄耕地開墾后，土壤有機(jī)碳含量增加[17]。土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)劑，其含量的增加有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性的增強(qiáng)[18]。隨著開墾年限的增加，其土壤大團(tuán)聚體數(shù)量（R0.25）、平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）均呈現(xiàn)出先降低（恢復(fù)1年）后增加的趨勢，且恢復(fù)1年土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）較棄耕地增加顯著，說明恢復(fù)1年時土壤中大團(tuán)聚體數(shù)量減少、團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度和穩(wěn)定性均有所降低，可能是由于鹽漬化棄耕地在開墾過程中機(jī)械耕作等措施破壞了土壤中原有大團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，減少了土壤團(tuán)聚作用的發(fā)生[19]，以及墾殖過程改變了原有土壤的溫度、濕度及通氣性等環(huán)境條件，有利于土壤微生物的生長繁殖[20]；同時土壤中有機(jī)碳來不及積累，使得土壤中原有的有機(jī)碳加速分解，大團(tuán)聚體碎裂成較小的團(tuán)聚體[21]。之后隨著墾殖年限的持續(xù)增加，恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年土壤中R0.25、MWD和GMD均表現(xiàn)為增加，此外，D在恢復(fù)5年、恢復(fù)10年和恢復(fù)15年均顯著低于棄耕地，且隨著恢復(fù)年限的增加呈下降的趨勢，R0.25、MWD、GMD和D的變化說明隨著恢復(fù)年限的增加土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。這是由于隨著墾殖年限的增加，一方面土壤中枯枝落葉數(shù)量增加，土壤中有機(jī)碳數(shù)量也隨之增加，土壤有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)了土壤中大團(tuán)聚體的形成[22]；另一方面本研究采用全量秸稈還田，不但可以顯著提高土壤的有機(jī)碳含量，形成有機(jī)膠結(jié)質(zhì)，還降低了耕作對土壤的過度干擾[23]，范如芹等[24]研究表明秸稈還田能夠顯著提高大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定率，增加土壤結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，能有效緩解土壤的退化過程。鞏文峰等[25]研究也表明傳統(tǒng)耕作下的秸稈還田對土壤表層中的土壤團(tuán)粒形成有促進(jìn)作用；加之耕作過程中灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)措施增加了土壤含水量，使土壤微生物數(shù)量和種類增加，改變了原有的土壤結(jié)構(gòu)和生物、化學(xué)性質(zhì)[26]，從而改善了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。

綜上所述，①棄耕地開墾增加了土壤大團(tuán)聚體數(shù)量，減少了微團(tuán)聚體數(shù)量。②土壤團(tuán)聚體R0.25、MWD和GMD隨著恢復(fù)年限的增加較原始棄耕地均有顯著的增加；土壤團(tuán)聚體D呈相反的規(guī)律。③鹽漬化棄耕地隨著恢復(fù)年限的增加，在恢復(fù)5年之后土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性較棄耕地均表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。

本研究中將鹽漬化棄耕地按不同時間進(jìn)行墾殖，得到不同恢復(fù)年限試驗結(jié)果，墾殖恢復(fù)最長年限為15年，但為了進(jìn)一步研究墾殖恢復(fù)過程對鹽堿棄耕地土壤肥力等恢復(fù)的影響，應(yīng)設(shè)長期定位試驗，還需進(jìn)一步進(jìn)行驗證。

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