不同農(nóng)作方式對(duì)阿克蘇地區(qū)土壤物理特性的影響

叢小涵，王衛(wèi)霞

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】土壤容重、土壤孔隙度、土壤顆粒組成及土壤導(dǎo)水能力和貯水特征等是重要的土壤物理因子[1]，它們的空間變化不僅決定土壤溫度、氣體、結(jié)構(gòu)、滲透保水等能力，而且影響土壤養(yǎng)分的運(yùn)輸、供應(yīng)和生物組成[2]。土壤物理性質(zhì)同樣也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[3]，農(nóng)作方式的不同，土壤的物理性質(zhì)必然存在不同程度的差異。因此，了解土壤物理性質(zhì)的空間變異性，對(duì)于準(zhǔn)確地研究區(qū)域土壤水循環(huán)和植被生長(zhǎng)等具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】合理的農(nóng)作方式會(huì)使土壤結(jié)構(gòu)得到改善進(jìn)而增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力，而不合理的農(nóng)作方式則會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒粗化、質(zhì)量下降[4]。有研究表明受人類(lèi)干擾程度較大的農(nóng)田比干擾較小的林地土壤容重明顯增大[5]。土壤孔隙度在土壤結(jié)構(gòu)中起重要作用，是土壤物理學(xué)研究的一個(gè)重要參數(shù)，不同農(nóng)作方式會(huì)顯著影響土壤孔隙度[4,6-8]。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)可以反映土壤特性，評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量。大量研究表明不同的農(nóng)作方式可以影響土壤團(tuán)聚體的形成、數(shù)量和質(zhì)量[3,6,7,9]。【本研究切入點(diǎn)】新疆阿克蘇地區(qū)有著獨(dú)特的光熱條件、肥沃的水土條件和晝夜溫差大等天然優(yōu)勢(shì)，其瓜果業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為該區(qū)域乃至我國(guó)的特色產(chǎn)業(yè)，隨著近些年來(lái)的農(nóng)業(yè)、瓜果業(yè)產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)作方式已由單一的農(nóng)田、果園單作轉(zhuǎn)變?yōu)楣r(nóng)間作模式。迄今為止，對(duì)于該地區(qū)的研究主要集中于耕層(0～20 cm)土壤的理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量等方面，土壤物理性質(zhì)的研究也僅限于對(duì)耕層土壤容重、含水量、孔隙度的簡(jiǎn)單對(duì)比分析，而對(duì)不同農(nóng)作方式對(duì)耕下層土壤物理性質(zhì)的研究還不夠深入[10-13]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在阿克蘇地區(qū)溫宿縣選擇具有代表性的農(nóng)作方式(單作小麥、單作棗園、棗麥間作園、荒地單作棗園、撂荒地)作為研究對(duì)象，研究不同農(nóng)作方式對(duì)深層土壤容重、孔隙度、含水量等的影響，以期為該地區(qū)土地管理以及最優(yōu)林果栽培模式選擇提供一定的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)，地處79°28′～81°30′ E，40°52′～42°21′ N之間，平均海拔2100 m，屬于大陸性暖溫帶干旱氣候，四季分明，晝夜溫差大，春季升溫快而不穩(wěn)，秋季短暫而降溫迅速，多晴少雨，光照充足，空氣干燥。年均氣溫10.10 ℃，極端低溫-27.4 ℃，年均降水量65.4 mm，年蒸發(fā)量956.3 mm，年均日照時(shí)數(shù)2747.7 h，年均無(wú)霜期185 d。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地布設(shè)與土壤樣品的采集 在阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)范圍內(nèi)選擇單作小麥(DM)、單作棗園(DZ)、棗麥間作園(ZM)，荒地單作棗園(HZ)、撂荒地(HD)等5種不同的農(nóng)作方式作為研究對(duì)象，其中單作棗園和棗麥間作園均為農(nóng)田改建的棗園，荒地單作棗園為開(kāi)荒種植的棗園。棗樹(shù)年齡均為10年左右，以單作小麥地和撂荒地作為對(duì)照樣地。在每種農(nóng)作模式下均選擇3個(gè)生產(chǎn)園作為試驗(yàn)的重復(fù)。每個(gè)生產(chǎn)園以“S”形布設(shè)6個(gè)取樣點(diǎn)，0～40 cm土層范圍按10 cm間隔采樣，40～100 cm土層范圍按20 cm間隔采樣，把采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤自然含水量采用烘干法測(cè)定；

土壤飽和含水量利用公式(1)計(jì)算：

W=F/B

(1)

式中,F為土壤孔隙度，B為土壤容重；

土壤孔隙度利用公式(2)計(jì)算：

F=(1-B/S)× 100%

(2)

式中,F為土壤孔隙度，B為土壤容重，S為土壤密度；

土壤團(tuán)聚體組成采用濕篩法測(cè)定；

用平均重量直徑(MWD) 和幾何平均直徑(GMD)來(lái)評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，利用公式(3～4)計(jì)算：

(3)

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2019與SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，采用Origin 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)作方式下土壤容重變化

土壤容重是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的敏感性指標(biāo)，在很大程度上可以反映土壤的緊實(shí)程度，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[10-14]。由表1可以看出，幾種不同農(nóng)作方式下0～100 cm土層平均土壤容重大小依次為：撂荒地>單作小麥>荒地單作棗園>棗麥間作園>單作棗園。由農(nóng)田更替為棗園及棗麥間作園后，各層土壤容重均表現(xiàn)為下降，下降幅度為1.26%～14.65%,其中只有0～10和80～100 cm土層達(dá)到顯著水平(P<0.05)。撂荒地改建為棗園后的土壤容重也均表現(xiàn)為下降，下降幅度為1.96%～13.33%，僅有10～20 cm土層下降達(dá)到顯著水平(P<0.05)。從垂直土壤剖面來(lái)看，不同農(nóng)作方式下土壤容重總體上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，即在本研究區(qū)內(nèi)土壤表現(xiàn)為先緊實(shí)而后疏松的特點(diǎn)。

2.2 不同農(nóng)作方式下土壤孔隙度變化

土壤孔隙度對(duì)土壤通氣、水分的保持和轉(zhuǎn)移以及根系的穿插生長(zhǎng)有著重要影響，土壤孔隙度大表明土壤較為疏松，其保水與透氣性相較之下較為良好[15-16]。對(duì)不同農(nóng)作方式下的土壤孔隙度進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。不同農(nóng)作方式下0～100 cm土層土壤平均孔隙度大小依次為：?jiǎn)巫鳁棃@>棗麥間作園>荒地單作棗園>單作小麥>撂荒地。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，各土層土壤孔隙度均表現(xiàn)為增大，其中0～10、60～80和80～100 cm土層顯著增加(P<0.05)。與農(nóng)田單作小麥相比，棗園和棗麥間作園各土層土壤孔隙度增幅分別為5.45%～18.38%和3.24%～13.64%。撂荒地改建為棗園后土壤總孔隙度僅0～10 cm土層顯著增加(P<0.05)，增幅為8.51%。從垂直土壤剖面來(lái)看，不同農(nóng)作方式下土壤孔隙度總體上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)，和土壤容重的剖面分布正好相反。

表1 不同農(nóng)作方式下土壤容重

2.3 不同農(nóng)作方式下土壤含水量變化

土壤水分是土壤重要的組成物質(zhì)，是土壤養(yǎng)分元素循環(huán)和流動(dòng)的主要載體。土壤自然含水量和飽和含水量是評(píng)判土壤水分條件的重要指標(biāo)，能很好地反映土壤的持水、供水能力，并影響土壤內(nèi)養(yǎng)分的運(yùn)輸[16]。對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同農(nóng)作方式下0～100 cm土層土壤的含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表3所示。5種農(nóng)作方式下土壤自然含水量在垂直剖面上均呈現(xiàn)出隨著土壤深度的增加而增大的趨勢(shì)，飽和含水量則表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤各層的土壤自然含水量和飽和含水量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，其各自增幅分別為3.82%～27.12%、15.28%～42.28%和1.95%～17.44%、10.28%～31.32%，其中土壤自然含水量的增加均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，而飽和含水量的增加基本都達(dá)到顯著水平(P<0.05)。撂荒地改建為棗園后土壤自然含水量和飽和含水量均顯著增加(P<0.05)，增幅分別為76.22%～160%和3.03%～15.95%。

表2 不同農(nóng)作方式下土壤孔隙度

表3 不同農(nóng)作方式下的含水量

2.4 不同農(nóng)作方式下土壤團(tuán)聚體組成變化

通過(guò)濕篩得到的土壤大團(tuán)聚體(>2 mm)在不同農(nóng)作方式間及土壤剖面上看差異均不明顯，0～100 cm土層平均含量依次為：?jiǎn)巫餍←?棗麥間作>單作棗園>荒地單作棗園>撂荒地，由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤大團(tuán)聚體表現(xiàn)為下降，下降幅度分別為9.77%～29.06%和0.23%～21.72%。撂荒地改建為棗園后的土壤大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為上升，上升幅度為9.07%～64.92%。

土壤中間團(tuán)聚體(2～0.25 mm)含量在不同農(nóng)作方式之間存在一定的差異且在土壤各粒徑團(tuán)聚體中占主體(圖1)。在整個(gè)0～100 cm土層，單作棗園、棗麥間作、荒地單作棗園、撂荒地和單作小麥中間團(tuán)聚體含量分別為49.65%、46.19%、43.81%、43.39%和40.81%。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤中間團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為顯著上升(P<0.05)，增幅分別為16.64%～22.22%和9.40%～16.79%。撂荒地改建為棗園后土壤中間團(tuán)聚體含量也表現(xiàn)為增加，增加幅度為0.49%～4.19%。從土壤剖面上看，在小麥地、單作棗園和棗麥間作園中土壤中間團(tuán)聚體含量隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢(shì)，而在撂荒地和荒地單作棗園中其含量隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)。

土壤微團(tuán)聚體(0.25～0.053 mm)含量在荒地單作棗園和撂荒地土壤顯著高于其它3種農(nóng)作方式(P<0.05)，而在單作棗園模式下最低。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤微團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為下降，降幅為2.45%～37.47%和1.87%～18.79%。撂荒地改建為棗園后的土壤微團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為增加，增幅為0.72%～20.11%。

農(nóng)作方式的變化對(duì)土壤粉+黏團(tuán)聚體(<53 μm)含量的影響較為顯著。在0～100 cm土壤深度內(nèi)，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量為單作小麥(28.67%)>單作棗園(24.61%)>棗麥間作(24.14%)，將農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量顯著下降(P<0.05)，下降幅度為7.27%～37.56%和3.26%～35.56%。而將撂荒地改建為棗園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量下降了5.25%～43.86%。從土壤剖面來(lái)看，農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量基本上是隨著土壤深度的增加而增加，而將撂荒地改建為棗園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加先增加后降低的趨勢(shì)。

圖1 不同農(nóng)作方式下土壤團(tuán)聚體組成Fig.1 Composition of soil aggregates under different farming patterns

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD和GMD值越大表示土壤團(tuán)聚體平均直徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[17]。不同農(nóng)作方式的MWD和GMD如圖2所示，由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，隨著土壤深度的增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸減弱，而撂荒地和荒地棗園則逐漸增強(qiáng)。農(nóng)田或撂荒地改建為棗園或棗麥間作園后，土壤MWD與GMD均表現(xiàn)為增加，這表明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性在增加。

2.5 土壤物理性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

土壤的形成是多種因素共同作用的結(jié)果，所以土壤容重、含水量、孔隙度、土壤顆粒組成等土壤物理性質(zhì)會(huì)存在一定的相關(guān)性。對(duì)研究區(qū)不同農(nóng)作方式下土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示，土壤容重與孔隙度、飽和含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與自然含水量呈極顯著正相關(guān)。土壤孔隙度與自然含水量表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，與飽和含水量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。土壤團(tuán)聚體各組分均與其他指標(biāo)呈顯著或極顯著的相關(guān)性。

圖2 不同農(nóng)作方式下土壤MWD和GMDFig.2 Soil MWD and GMD under different farming patterns

表4 土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

3 討 論

土壤容重和土壤孔隙度是土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)指標(biāo)，土壤容重可以反映土壤的緊密程度，對(duì)土壤孔隙度和土壤結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生直接影響。土壤孔隙狀況則會(huì)影響土壤的通氣性、透水性以及植物根系穿插的難易程度[6,7,18-20]。不同的農(nóng)作方式及植物種類(lèi)均會(huì)對(duì)土壤容重和土壤孔隙度產(chǎn)生一定影響。本研究區(qū)內(nèi)0～100 cm土層土壤容重范圍為1.31～1.66 g/cm3，0～100 cm土層平均土壤容重大小為撂荒地>單作小麥>荒地單作棗園>棗麥間作園>單作棗園，林地與農(nóng)田地之間除0～10和80～100 cm土層外均無(wú)顯著性差異。農(nóng)田或撂荒地更替為棗園或棗麥間作園后各層土壤容重均表現(xiàn)為下降。不同農(nóng)作方式下0～100 cm土層土壤平均孔隙度大小依次為：?jiǎn)巫鳁棃@>棗麥間作園>荒地單作棗園>單作小麥>撂荒地。由農(nóng)田或撂荒地更替為棗園或棗麥間作園后，各土層土壤孔隙度均表現(xiàn)為增大。棗園和棗麥間作園土壤容重小，而土壤孔隙度大，這可能是由于棗樹(shù)根系較發(fā)達(dá)且地表枯落物多，增加了土壤的通氣透水性，另外根系的大量生長(zhǎng)和穿插作用使土壤孔隙度增加、土壤容重降低[3,6,20]。與棗園和棗麥間作園相比，農(nóng)田小麥地和撂荒地外源有機(jī)物質(zhì)輸入較少，土壤孔隙結(jié)構(gòu)難以形成，從而使土壤容重保持較高水平[6]。高娃等[22]對(duì)土默川平原內(nèi)陸半干旱地區(qū)典型的鹽漬化區(qū)域不同土地利用方式下土壤容重及土壤孔隙度的研究也發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層土壤容重表現(xiàn)為荒地>牧草地>改良地>農(nóng)田地>林地，土壤孔隙度表現(xiàn)為林地最大，荒地最小。

土壤保持水分的能力主要取決于土壤容重和土壤孔隙度。土壤容重越小，土壤相應(yīng)較疏松，土壤孔隙度就越大，土壤保持水分的能力相對(duì)越大；相反土壤容重增大，土壤易發(fā)生板結(jié)，孔隙度減小同時(shí)土壤儲(chǔ)存水分的空間相應(yīng)減小，從而使土壤保持水分的能力降低[7]。本研究對(duì)不同農(nóng)作方式下土壤含水量的分析結(jié)果驗(yàn)證了上述說(shuō)法。農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤的自然含水量與飽和含水量均表現(xiàn)為單作棗園>棗麥間作園>單作小麥，主要是由于單作棗園的土壤容重最小，土壤疏松，土壤孔隙度最大，有利于水分的滲入，從而導(dǎo)致其含水量較高。這說(shuō)明農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保持水分的能力。

土壤團(tuán)聚體組成及含量是土壤物理性質(zhì)的敏感性指標(biāo)，對(duì)土壤的保水保肥能力、抗侵蝕能力有著重要的影響[12]，可以反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本研究通過(guò)濕篩法分析土壤團(tuán)聚體組成，不同農(nóng)作方式下土壤濕篩團(tuán)聚體組成均以2～0.25 mm的中間團(tuán)聚體為主，含量達(dá)38.95%～53.74%。李鑒霖等[23]研究表明，>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體被認(rèn)為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其含量越高，土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越大。本研究中，>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體平均值表現(xiàn)為單作棗園>棗麥間作>單作小麥>荒地單作棗園>撂荒地，這與土壤的NWM和GMD的結(jié)果一致。農(nóng)田改建為棗園或棗麥間作園后>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量顯著增加(P<0.05)。這可能主要是和棗園和棗麥間作園的植被根系數(shù)量和根系分泌物有關(guān)，植被根系分泌產(chǎn)生的高分子黏膠物質(zhì)與土壤顆粒相互作用促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[24]。撂荒地改建為棗園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量下降了5.25%～43.86%。土壤大團(tuán)聚體、中間團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為上升，上升幅度分別為9.07%～64.92%、0.49%～4.19%和0.72%～20.11%。這說(shuō)明荒地改建為棗園后土壤粉+黏團(tuán)聚體黏合形成了粒徑更大的團(tuán)聚體，由此提高和增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這可能是由于荒地改建為棗園后增加了土壤有機(jī)質(zhì)所致[22]。

4 結(jié) 論

(1) 不同農(nóng)作方式下土壤容重總體上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，即在本研究區(qū)內(nèi)土壤表現(xiàn)為先緊實(shí)而后疏松的特點(diǎn)。不同農(nóng)作方式下0～100 cm土層土壤平均孔隙度大小依次為：?jiǎn)巫鳁棃@>棗麥間作園>荒地單作棗園>單作小麥>撂荒地。從垂直土壤剖面來(lái)看，不同農(nóng)作方式下土壤孔隙度的變化趨勢(shì)和土壤容重的剖面分布正好相反。

(2) 不同農(nóng)作方式下土壤濕篩團(tuán)聚體組成均以2～0.25 mm的中間團(tuán)聚體為主，含量達(dá)38.95%～53.74%。農(nóng)田改建為棗園或棗麥間作園后>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量顯著增加(P<0.05)。撂荒地改建為棗園后，土壤粉+黏團(tuán)聚體含量下降了5.25%～43.86%。土壤大團(tuán)聚體、中間團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為上升，上升幅度分別為9.07%～64.92%、0.49%～4.19%和0.72%～20.11%。