水旱長期耕作下土壤團聚體及有機碳動態(tài)變化

朱生堡 ，唐光木，張云舒，徐萬里，葛春輝，馬海剛

1. 新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用（干旱半干旱區(qū)鹽堿地）重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，新疆 烏魯木齊 830092

土地利用方式的變化是由于人類活動對地球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，也是直接影響地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量以及驅(qū)動地球陸地生態(tài)碳循環(huán)流程的最主要原因（陳高起等，2015）。在自然過程中，土地利用方式主要是由不同粒徑團聚體的組成分布狀況和干擾有機碳的儲存和流失過程，從而改變土壤中主導土壤結(jié)構(gòu)的變化趨勢（李青春，2019）。因此，開展水旱耕作下土壤團聚體及有機碳動態(tài)變化研究，對進一步深入研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。土壤團聚體結(jié)構(gòu)關(guān)系到土壤養(yǎng)分、水分和空氣的傳輸，直接影響著土壤養(yǎng)分、水分和空氣的輸送，對種子萌發(fā)、根部生長、作物發(fā)育和有機碳保護都具有很大的作用，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)（馬征等，2020）。土壤團聚體對有機碳的自然物理保存是土壤固碳的主要機制之一（張延等，2015），能把土壤中有機碳包被起來避免被土壤細菌溶解，貯存了碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而成為了土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移場所和環(huán)境微生物的重要棲息地，對調(diào)節(jié)土壤肥力、植被生長等具有重要意義（朱錕恒等，2021）。土壤團聚體組成的比例失衡及其團聚體穩(wěn)定性的降低，會加劇地表徑流和土壤侵蝕（張維理等，2020），已有科學研究表明土壤團聚體穩(wěn)定性與易蝕性存在顯著負相關(guān)性（王文艷等，2013；張劍雄等，2021）。因此，土壤當中的團聚體數(shù)量和結(jié)構(gòu)特性可以在一定程度上，成為土壤侵蝕與衰退的重要指標（唐光木等，2011）。以250 μm 為界，將土壤團聚體分為＞250 μm 的大團聚體和＜250 μm的微團聚體（謝鈞宇等，2020），各種粒度團聚體的產(chǎn)生平衡機理及其在土壤結(jié)構(gòu)改善和有機碳固定中的作用不同（范如芹等，2010）。＞250 μm的團聚體質(zhì)量分數(shù)可在一定程度上表示土壤團聚體數(shù)量變化，反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕的能力及其土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣（桑文等，2018），其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)（Six et al.，2001）。土壤團聚體與土壤有機碳密不可分，前者是后者的儲存場所，后者是前者存在的膠結(jié)物質(zhì)（張星星，2017）。

新疆處于干旱荒漠區(qū)，荒漠土壤類型使其成土過程生物量積累少，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)普遍較低，土壤結(jié)構(gòu)性較差。研究不同種植年限下，水田和旱地有機碳及團聚體影響的長效作用，有助于分析不同利用方式對土壤有機碳及團聚體動態(tài)變化。本研究通過100年尺度不同土地利用方式（水田、旱地）土壤團聚體及其有機碳動態(tài)變化，探討長期不同土地利用方式（水田、旱地）對土壤團聚體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)及其有機碳質(zhì)量分數(shù)變化的影響，揭示不同土地利用方式下土壤有機碳的演變規(guī)律，為新疆水田和旱地土壤質(zhì)量的提高和可持續(xù)利用提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選擇瑪納斯縣樂土驛鎮(zhèn)（86°27′—86°30′E，44°12′—44°15′N）為旱地土壤采樣區(qū)域，于 2020 年11月棉花收獲后，在不同連作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的棉田采集土壤樣品，選取3塊。水田土壤樣品選擇新疆烏魯木齊市米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)為采樣區(qū)域（87°35′—87°38′E，44°06′—44°08′N），于 2010年 4月（水稻種植前 2周）在不同連作年限（荒地 (0 a)、2、5、10、15、20、30、50、80、100 a）的水稻田采集土壤樣品，選取3塊。在旱地和水田不同連作年限的地塊，按照“S”型采集耕層（0—20 cm）原狀土壤樣品5個，同時按照“S”型采集耕層（0—20 cm）和犁底層（20—40 cm）樣品15個，混合均勻后作為1個土壤樣品。在采集水田土壤樣品之前，移走表層的稻草殘留物，然后進行樣品的采集。田間采集的原狀土壤樣品裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)，確保在運輸過程中不受到擠壓，以保持旱地和水田土壤樣品的原有結(jié)構(gòu)。土樣運回室內(nèi)后，在室溫下風干，當土壤含水量達到土壤塑性時（含水量25%左右），即用手輕輕地把土塊沿自然結(jié)構(gòu)面掰成直徑約 5 cm的小塊，以免受到機械壓力而變碎。剔除粗根和石塊，風干后的土樣用于團聚體分析。混合土壤樣品帶回實驗室后，剔除粗根和石塊后自然風干，研磨過0.25 mm土壤篩，用于土壤總有機碳質(zhì)量分數(shù)的測定。

1.2 團聚體分離及計算

土壤團聚體的分離依據(jù)Elliott（李慶逵，1992）提供的土壤團聚體濕篩法并稍做改進進行分離。具體方法為：稱取處理好的土壤樣品 15 g置于鋁盒中，從邊緣慢慢地加水，使土壤吸水回濕，然后置于冰箱中平衡過夜。將回濕后的土樣置于250 μm和53 μm孔徑的套篩上，同時加入蒸餾水淹沒250 μm孔徑的篩，浸泡5 min，然后豎直上下振蕩5 min，留在250 μm篩上的為＞250 μm的水穩(wěn)性團聚體，53 μm 篩上為 53—250 μm 的微團聚體，通過 53 μm篩的為＜53 μm的團聚體，將收集到的各級團聚體分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，放在水浴鍋上蒸干，置于 60 ℃烘箱中烘干12 h，稱質(zhì)量，計算各級團聚體質(zhì)量分數(shù)，并將樣品磨碎過 150 μm篩，用于測定各級土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)。

各級土壤團聚體中有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤中的總有機碳質(zhì)量分數(shù)采用丘林法測定（張強，2016），團聚體中有機碳質(zhì)量分數(shù)折合成全土質(zhì)量分數(shù)。

所有數(shù)據(jù)應用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行分析，文中數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標準差的形式表示，并采用 LSD法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化

不同種植年限下，水田和旱地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)存在顯著差異（圖1）。自然土壤開墾后，不同種植方式長期種植下，水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于旱地土壤（P＜0.05），種植水稻100 a，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)高達 34.07 g·kg-1（0—20 cm）和30.93 g·kg-1（20—40 cm），與自然土壤相比，提高了496.22%和534.23%；旱地種植棉花100 a，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)僅為9.01 g·kg-1（0—20 cm）和6.73 g·kg-1（20—40 cm），與自然土壤相比僅提高了70.86%和47.04%。由此可見，在自然土壤基本值一致的情況下，自然土壤開墾后水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，在研究時間內(nèi)，水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)相比旱地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)增加了 25.06 g·kg-1（0—20 cm）和 24.20 g·kg-1（20—40 cm），提高了278.11%和359.57%。

圖1 水田和旱地土壤總有機碳質(zhì)量分數(shù)Figure 1 Changes of soil total organic carbon in paddy field and dry land

兩種不同種植方式下，水田和旱地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢也存在差異。自然土壤開墾后，水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)隨著種植時間的延長呈現(xiàn)出快速增加趨勢（圖1a），種植水稻100 a間，與自然土壤相比增加了28.35 g·kg-1（0—20 cm）和25.51 g·kg-1（20—40 cm），年均增加 0.28 g·kg-1（0—20 cm）和 0.26 g·kg-1（20—40 cm）；旱地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)在種植100 a間也表現(xiàn)出增加的趨勢（圖1b），種植 100 a間，與自然土壤相比增加了 3.74 g·kg-1（0—20 cm）和 2.15 g·kg-1（20—40 cm），年均僅增加0.04 g·kg-1（0—20 cm）和0.02 g·kg-1（20—40 cm），增加速度顯著低于水田土壤有機碳的增加，且在研究期內(nèi)，水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)呈顯著增加趨勢，旱地則表現(xiàn)為波浪式增加并趨于穩(wěn)定。由此可以說明，在兩種不同的種植方式下，在干旱半干旱區(qū)水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，對土壤肥力的提升作用更明顯。

2.2 土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)變化

作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元土壤團聚體是土壤的重要組成部分，其數(shù)量和質(zhì)量直接決定土壤質(zhì)量和肥力，對土壤的諸多物理化學性質(zhì)及生物化學性質(zhì)也有具有重要影響（薛彥飛等，2015；張維俊等，2019；白怡婧等，2021）。兩種不同的種植方式下，水田和旱地土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)在種植時間內(nèi)存在明顯差異（圖2）。＜53 μm團聚體在水田和旱地種植下都呈現(xiàn)出下降趨勢，但水田＜53 μm團聚體則在種植100 a內(nèi)逐步減少（圖2a），與自然土壤開墾前降低了57.84%；而旱地土壤在0—10 a間快速下降，降低了67.79%，之后＜53 μm團聚體維持在230.67—252.33 g·kg-1之間的穩(wěn)定水平（圖2b）。

在自然土壤開墾后，53—250 μm 微團聚體和＞250 μm水穩(wěn)性團聚體在水田和旱地種植下也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。水田種植下，53—250 μm微團聚體和＞250 μm水穩(wěn)性團聚體在研究時間內(nèi)逐步增加（圖2 a），100 a內(nèi)分別增加了199.80 g·kg-1和 321.60 g·kg-1，與自然土壤開墾前相比提高了247.28%和1816.95%；旱地種植下，53—250 μm微團聚體在0—5 a間快速增加（圖2b），增加了231.21 g·kg-1，5 a后基本維持在一個相對穩(wěn)定的水平（242.59—288.98 g·kg-1）；而在自然土壤開墾后，水田土壤＞250 μm水穩(wěn)性團聚體持續(xù)增加的時間要晚于53—250 μm微團聚體，在0—50 a間，與自然土壤相比增加了 493.82 g·kg-1，提高了 3081.68%，50—100 a間旱地土壤＞250 μm 水穩(wěn)性團聚體變化不大。由此可以說明，在水田和旱地種植下，水田比旱地更有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善和提高，促進土壤結(jié)構(gòu)向健康方向發(fā)展。

圖2 水田和旱地土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)變化Figure 2 Changes of soil aggregate mass fraction in paddy field and dry land

2.3 土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)變化

土壤團聚體是由土壤顆粒自然形成的顆?；蛐F塊結(jié)構(gòu)，土壤團聚體的穩(wěn)定性是預測土壤水分流失和土壤侵蝕能力的重要指標（Li et al.，2020）。由圖3可知，兩種不同的種植方式下，水田和旱地土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化之間存在不同，在荒地開墾后的100 a間，水田土壤＞250 μm水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著大于旱地土壤，水田比旱地高出了492.67%，且水田＞250 μm水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)在種植時間內(nèi)呈現(xiàn)遞增的變化趨勢（圖 3a），在荒地開墾種植水稻的 100 a間＞250 μm水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)（與荒地相比增加了22.95 g·kg-1，提高了1596.16%；而旱地土壤＞250 μm水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)則在種植0—10 a間表現(xiàn)出增加的趨勢（圖3b），增加了 3.25 g·kg-1，提高了 452.86%，10 a后＞250 μm 水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)基本保持在相對穩(wěn)定的水平（3.89—4.28 g·kg-1）。53—250 μm 微團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)在兩種種植方式下也表現(xiàn)出水田顯著大于旱地，水田比旱地高出了145.30%，但水田和旱地在種植時間內(nèi)（100 a）都呈現(xiàn)一致的增加趨勢。在荒地開墾種植水稻的100 a間，＜53 μm團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)在水田和旱地種植下都呈現(xiàn)出下降趨勢，但水田＜53 μm有機碳質(zhì)量分數(shù)則在種植 100 a內(nèi)逐步減少，與自然土壤開墾前降低了45.28%；而旱地土壤在0—10 a間快速下降，降低了61.45%。水田比旱地增加了0.89 g·kg-1，提高了78.15%。

圖3 水田和旱地土壤團聚體碳質(zhì)量分數(shù)變化Figure 3 Variation of carbon mass fraction of soil aggregates in paddy field and dry land

由此可知，隨著種植水稻時間的延長，＞250 μm和 53—250 μm水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)成為土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)分配的主體，＜53 μm團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)下降。說明＞250 μm和53—250 μm水穩(wěn)性團聚體能夠固持更多的土壤有機碳，對土壤結(jié)構(gòu)的改善和提高具有重要作用。

2.4 水田和旱地養(yǎng)分變化情況分析

土地利用方式改變會通過影響地表植被狀況、凋落物及土壤微生物種類、數(shù)量等引起土壤養(yǎng)分在土壤系統(tǒng)中的再分配，進而影響土地的生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量。由表1可知，在兩種不同的種植方式下，水田和旱地的土壤養(yǎng)分變化情況存在著不同（王少昆等，2013；曲文杰等，2014）。水田土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)0—5 a間呈總體增加趨勢，5—10 a間呈下降，10—90 a間全氮、速效氮、速效磷的質(zhì)量分數(shù)增加 1.82、54.37、69.67 g·kg-1，年均增加了 0.02、0.60、0.77 g·kg-1；全磷質(zhì)量分數(shù)在種植的100 a間總體呈現(xiàn)增加趨勢，相比荒地0 a，土壤全磷質(zhì)量分數(shù)增加了 1.02 g·kg-1。旱地土壤養(yǎng)分全氮、全磷的質(zhì)量分數(shù)在種植0—10 a間呈現(xiàn)逐步增加并達到峰值，分別達到 0.84 g·kg-1和 1.28 g·kg-1，10—15 a 開始下降并穩(wěn)定與 0.64—0.78 g·kg-1和 0.66—0.99 g·kg-1之間；土壤速效氮、速效磷和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)在種植0—20 a間呈現(xiàn)倒“W”變化趨勢，20—100 a間基本維持在 39.50—58.70 g·kg-1和 11.70—17.40 g·kg-1之間；速效鉀質(zhì)量分數(shù)在種植第2 a達到最大值后，開始下降也開始趨于穩(wěn)定。在荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷質(zhì)量分數(shù)顯著大于旱地土壤，分別高出31.6%、19%和16.3%、6%；旱地土壤的速效鉀質(zhì)量分數(shù)則大于水田土壤，高出2.40%。由此可見，隨著種植年限的延長，不同的土地利用方式改變了土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)。

表1 水田和旱地養(yǎng)分質(zhì)量變化情況Table 1 Nutrient changes in paddy and dry land

2.5 土壤團聚體及其有機碳質(zhì)量分數(shù)間相關(guān)性分析

水田和旱地土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)與其有機碳質(zhì)量分數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系（圖4、圖5），不同粒徑團聚體質(zhì)量及其有機碳質(zhì)量分數(shù)之間相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)不同，水田和旱地＜53 μm團聚體及其有機碳之間滿足線性相關(guān)關(guān)系；水田＞250 μm和53—250 μm團聚體及其有機碳之間符合指數(shù)相關(guān)關(guān)系（y=1.1672e0.008x，r=0.9454；y=0.6417e0.0068x，r=0.8895），旱地＞250 μm及其有機碳之間則符合對數(shù)相關(guān)關(guān)系（y=0.9956lnx-2.0529，r=0.9907）；53—250 μm 團聚體及其有機碳之間符合指數(shù)相關(guān)關(guān)系（y=0.5793e0.0043x，r=0.6752）。

圖4 水田土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)與其有機碳質(zhì)量分數(shù)相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis between paddy soil aggregates and their organic carbon mass fractions

圖5 旱地土壤團聚體及其有機碳質(zhì)量分數(shù)間相關(guān)性分析Figure 5 Correlation analysis of soil aggregates and their organic carbon contents in dry land

3 討論

3.1 水田和旱地土壤總有機碳分析

土壤有機碳是構(gòu)成土壤團聚體的最主要的膠結(jié)物質(zhì)，在土壤團聚體的形成過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用（胡堯等，2018），不同的土地利用方式會顯著影響土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（鞏杰等，2011）。有研究發(fā)現(xiàn) 0—20、20—40 cm 土層水田土壤有機碳及活性有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于旱地（李欣雨等，2017），水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯高于旱地（張晗等，2018）。也有研究發(fā)現(xiàn)，有機碳、全氮的質(zhì)量分數(shù)均隨土層深度增加而逐漸減小，且林地、撂荒地有機碳遞減幅度高于水田、旱地，相對于撂荒地和旱地，水田、林地更利于有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)的積累（鄭杰炳等，2008）。本研究發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，隨著種植年限的增加，在自然土壤基本值一致的情況下，自然土壤開墾后水田種植比旱地種植更能提高土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，這與汪明霞等（2012）得出的水田的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯高于其他利用方式和黃先飛等（2018）得出的喀斯特小流域土壤有機碳平均密度呈現(xiàn)出水田高于旱地的結(jié)果相一致。土壤總有機碳質(zhì)量分數(shù)變化與其他土地利用方式密切相關(guān)，半干旱區(qū)的林地、草地經(jīng)過開墾后農(nóng)田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，其成因很可能是由于頻繁的耕種措施增加了土壤溫度，加劇土壤中有機碳的礦化速率（李龍等，2020），從而使得農(nóng)田土壤的有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著低于林地、草地（李龍等，2020）。巴西亞熱帶森林轉(zhuǎn)變?yōu)楦收岬睾?，在最開始12 a當中，有機碳儲量下降了28%，50 a后有機碳儲量下降了42%（張仕吉，2015）。有學者研究指出荒地開墾為耕地后，由于荒地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)比開墾時質(zhì)量分數(shù)較低，開墾后使得耕地生產(chǎn)力提高，從而改善了土壤的水分和養(yǎng)分狀況，隨著種植年限的增加，土壤的生物環(huán)境得到改善和提高，改善了土壤理化狀況，也因此提高了土壤碳庫的補償作用，使有機碳質(zhì)量分數(shù)增加（雷軍等，2017），由此可以看出，新疆屬于干旱半干旱荒漠區(qū)，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)普遍較低，荒地開墾后，改善了土壤生態(tài)環(huán)境，提高了土壤有機碳的輸入，也因此增加了土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，水田相比旱地輸入土壤的有機碳更多，其有機碳的增加相比旱地更高。

3.2 土壤團聚體及團聚體碳質(zhì)量分數(shù)分析

土壤團聚體通過其對有機碳固存、土壤強度、植物根系萌生和生長的機械阻力、通氣、表面結(jié)皮、侵蝕、滲透的影響，對土壤執(zhí)行生態(tài)系統(tǒng)功能的能力產(chǎn)生重大影響（Okolo et al.，2020）。有研究資料指出，在自然土壤（或荒地）開墾為農(nóng)田后，隨著種植年限的增加，53—250 μm微團聚體和＞250 μm水穩(wěn)定性團聚體質(zhì)量分數(shù)呈增加趨勢。李欣雨等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，在0—20、20—40 cm土層中，隨著稻田植茶年限的增加，土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)以＞2000 μm 粒徑團聚體為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐裕?50 μm 粒徑團聚體為主；而在40—60 cm土層中，總體上＜250 μm粒徑團聚體質(zhì)量分數(shù)占據(jù)著主要地位。劉真勇等（2019）研究表明，花生旱地向新、老稻田轉(zhuǎn)換的過程中，剖面土壤＞250 μm團聚體質(zhì)量分數(shù)的比例呈現(xiàn)出“低—高—低”的變化趨勢，250—53 μm團聚體質(zhì)量分數(shù)的比例呈現(xiàn)出“高—低—低”的變化趨勢，而＜53 μm 團聚體質(zhì)量分數(shù)的比例呈現(xiàn)出“低—低—高”的變化趨勢。本研究也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律（如圖2所示），在不同土地利用的方式下，在研究時間土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)逐步增加，這是由于自然土壤開墾后，地上地下的生物量增多，新形成的顆粒有機物和秸稈還田使植物殘體及其代謝分泌物和土壤充分地混合，增加了土壤粘結(jié)物，并影響原有的土壤結(jié)構(gòu)和生物、化學性質(zhì)（Kay，1998）。水田土壤灌水和曬田的干濕交替加上特殊的管理措施，使得土壤較容易產(chǎn)生較大團聚體結(jié)構(gòu)（章明奎等，2002；鄭子成等，2011；毛霞麗等，2015）。對旱地而言，翻耕會造成土壤大團聚體的破碎，從而減少了大團聚體的質(zhì)量分數(shù)，這與眾多學者的研究，均發(fā)現(xiàn)隨著不同土地利用年限的延長，團聚體穩(wěn)定性呈增加趨勢，總體表現(xiàn)為水田大于旱地的結(jié)果一致（Wang et al.，2016；劉曉利等，2009；羅曉虹等，2019）。由此可見，在干旱半干旱荒漠區(qū)，荒地開墾為旱地、水田后，隨著種植年限的延長，土壤中的化學、物理和生物環(huán)境得到改善，微生物的生物量和代謝物增加，這些代謝物被用作加速細顆粒向大顆粒轉(zhuǎn)化的介質(zhì)（Jastrow，1996），增加了土壤大團聚體的質(zhì)量分數(shù)。

土壤中的有機質(zhì)作為重要的膠結(jié)物質(zhì)可以促進團聚體的形成，良好的團聚體結(jié)構(gòu)進而又能提高土壤有機碳固持（張玉銘等，2021）。本研究發(fā)現(xiàn)，開墾增加了土壤＞250 μm和53—250 μm水穩(wěn)性團聚體碳質(zhì)量分數(shù)，且水田明顯大于旱地，這與前人的研究結(jié)果＞250 μm和 53—250 μm的團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為林地＞水田＞菜地＞旱地＞果樹地相一致（郭媛，2021），究其原因這可能是由于荒地開墾后，增加了土壤有機物的輸入，為微生物提供生長和發(fā)育提供所必須的營養(yǎng)物質(zhì)，進而提高微生物的代謝，真菌菌絲和根系分泌物等有機膠結(jié)物質(zhì)粘結(jié)（Jastrow et al.，2007）促進微團聚體向＞250 μm大團聚體形成，從而固定更多的有機碳質(zhì)量分數(shù)。由此可見，在干旱半干旱荒漠區(qū)，荒地開墾為水田、旱地后，隨著種植年限的延長，水田和旱地＞250 μm和 53—250 μm 水穩(wěn)性團聚體可以固持更多的土壤有機碳，對于土壤結(jié)構(gòu)的改善和提高具有重要作用。

3.3 水田和旱地養(yǎng)分變化情況分析

土壤肥力是土壤物理、化學、養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)以及微生物等屬性的綜合體現(xiàn)，農(nóng)田土壤養(yǎng)分的高低除受土壤本身的影響外，還與施肥及耕作制度有關(guān)（Mowo et al.，2006）。孫波等（2002）研究表明，將紅壤荒地開墾為水田后土壤肥力有增加趨勢，旱地系統(tǒng)中速效磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)增加；旱坡地紅壤全氮和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)變化與氮、鉀的平衡量顯著相關(guān)。本研究中，水田土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)在20—30 a時全氮和全磷的質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，速效氮、磷、鉀的質(zhì)量分數(shù)呈上升趨勢；旱地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)20—30 a時土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)總體呈上升趨勢；水田土壤的全氮和全磷質(zhì)量分數(shù)顯著大于旱地土壤，分別高出31.6%和19%，速效氮和速效磷的質(zhì)量分數(shù)也顯著大于旱地土壤，分別高出16.3%和6%，這與孫波等（2002）的研究結(jié)果相一致。王晉等（2014）研究指出水稻種植較旱地更利于土壤氮素的保存和利用，這與本研究中荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷的質(zhì)量分數(shù)顯著大于旱地土壤的研究結(jié)果相一致。由此可見，在干旱半干旱荒漠區(qū)，荒地開墾為水田、旱地后，隨著種植年限的延長，土壤全氮、全磷及速效氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)均呈增加的趨勢，其中水田土壤的養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)顯著高于旱地土壤。

4 結(jié)論

（1）荒地開墾種植作物后，改變了土壤的物理、化學和微生物等環(huán)境條件，同時稻田土壤有機物質(zhì)的輸入高于旱地，從而引起水田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)高于旱地土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)。

（2）水田＞250 μm土壤水穩(wěn)性團聚體及其有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯大于旱地，但水田和旱地土壤團聚體與其有機碳質(zhì)量分數(shù)之間都呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）在荒地開墾后的100 a間，水田土壤全氮、全磷以及速效氮和速效磷質(zhì)量分數(shù)顯著大于旱地土壤，旱地土壤的速效鉀質(zhì)量分數(shù)則大于水田土壤。

（4）在新疆獨特的地理環(huán)境條件下，荒地開墾后水田比旱地更有利于土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的提高和水穩(wěn)性團聚體顆粒的形成，從而促進土壤結(jié)構(gòu)向良性方向發(fā)展。