瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地新墾土地對土壤有機碳及團聚體穩定性的變化分析

雷軍等

摘要

[目的]對瑪納斯河流域不同恢復模式下鹽漬化棄耕地土壤有機碳及團聚體穩定性的變化特征進行分析。[方法]以瑪納斯河流域為背景，選取典型的重度鹽漬化棄耕地為試驗區。隨著棄耕地變成棉田年限的增加，土壤有機碳（SOC）含量增加，開墾2、5和10年的土壤微生物生物量碳（MBC）和易氧化有機碳（LOC）的含量以及土壤水溶性有機碳（WSOC）和土壤熱水溶性有機碳（HWSOC）的含量較棄耕地高。連續人工開墾后SOC和大團聚體（>1 mm）含量增加，土壤團聚體穩定性增強，其中開墾10年0～5、5～10 cm土層>1 mm團聚體分別占56.9%和56.7%，團粒指數下降至43.9%。 [結論]水穩性團聚體的含量與SOC和土壤HWSOC達到0.05水平顯著正相關。瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地新墾土地對綠洲農田土壤HWSOC對維持土壤團聚體穩定性的貢獻明顯。

關鍵詞鹽漬化棄耕地；新墾土地；土壤有機碳；團聚體穩定性

中圖分類號S156.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09755-03

Change Analysis of Soil Organic Carbon and Aggregate Stability of Newly Reclaimed Field of Salinization Abandoned Farmland in the Manas River Valley

LEI Jun1， LEI Ziying1，2， LIN Hairong1 et al

（1.The Key Oasis Ecoagriculture Laboratory of Xinjiang Production and Construction Group， Shihezi， Xinjiang 832003； 2. College of Earth Sciences， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541006）

Abstract[Objective] To analyze variation characters of soil organic carbon and aggregate stabilityof salinization abandoned farmland in Manas River Valley under different restoration modes. [Method] Manas River basin was used as the background， selecting a typical severe salinization abandoned land as test area. With the increase of abandoned farmland becomes cotton field， the soil organic carbon （SOC） content increased soil MBC and LOC content， and soil watersoluble organic carbon （WSOC） and hot watersoluble organic carbon in soil （HWSOC） content improved significantly. Reclamation 2 year， 5 years and 10 years， respectively， higher than the abandoned farmland soil HWSOC. After continuous artificial cultivation SOC and large aggregates （>1 mm） were increased， and soil aggregate stability was enhanced， which reclaimed 10 years 0-5cm， 5-10 cm soil>1 mm aggregates accounted for 56.9% and 56.7%， aggregate index fell to 43.9%. [Conclusion] Organic carbon content and soil waterstable aggregates （SOC） and soil HWSOC achieve significant positive correlation， the Manas River Salinization Wasteland newly cultivated land to oasis farmland soil HWSOC contribution to maintaining the stability of soil aggregates significantly.

Key wordsSalinization abandoned farmland； Newly reclaimed field； Soil organic carbon （SOC）； Aggregate stability

土壤有機質調節著植物和微生物所需的養分供應，影響著土壤水分和長期的土壤碳儲量[1]，對退化土壤質量的恢復具有重要作用[2]。近年來，全球變化研究引起人們對陸地生態系統中碳儲量及分布的日益關注[3]。全球0～100 cm土壤的有機碳總儲量在1.5×1015～20×1015 kg之間，約為大氣CO2C總量的3倍[4]。土壤有機碳的分布及其轉化逐漸成為全球有機碳研究的熱點。土壤碳庫穩定、增加和減少都與大氣二氧化碳濃度密切相關[5]。全球長期和大面積的農墾不僅使土壤碳庫和大氣碳之間的碳循環平衡遭到破壞，而且造成大量土壤有機碳被氧化且以CO2等形式釋放到大氣中[6]，增加溫室氣體的排放。

土壤有機質與團聚體關系密切，對土壤團聚體的數量和大小分布有重要的影響[7]，其含量的提高有利于土壤結構的形成及土壤結構穩定性的增強[8]，而團聚體的形成反過來影響土壤有機碳的分解[9]。與土壤有機碳相比，土壤活性有機碳是土壤有機碳不穩定的部分，反映土壤有機碳的變化。活性有機碳的提高能夠促進土壤團聚體穩定性[10]。不同種類活性有機碳的物質組成和性質有較大差異，可能對土壤團聚體穩定性產生不同的影響。所以，農業土壤中有機碳活性組分含量的變化對了解土壤質量及土壤養分循環方面有著重要的作用[11]。

新疆屬干旱荒漠地區，綠洲占國土總面積的4%，卻承載了新疆95%以上的人口，可見綠洲農田土壤質量至關重要。同時，新疆又是我國重要的耕地資源后備基地。但是，長期不合理的灌溉制度及技術破壞了原有的水鹽平衡，使得地下水位升高到臨界深度以上，在強烈蒸發的影響下，土壤次生鹽堿化劇烈地進行，直至大面積耕地因次生鹽漬化被迫棄耕[12]。土壤鹽漬化和土壤次生鹽堿化問題一直是制約干旱地區農業持續發展的關鍵因子[13]，已嚴重影響農業和環境的可持續發展。土壤鹽漬化導致土壤質量的嚴重下降和土壤碳庫的大量損失。由于長期不合理的灌溉制度及技術破壞了原有的水鹽平衡，在強蒸發條件的影響下促使土地次生鹽漬化的加劇，導致土地生產力下降，大面積農田被迫棄耕，并且產生一系列的生態問題。隨著滴灌技術在新疆地區的大規模應用，大面積鹽漬化棄耕地得以復墾，對土壤有機碳產生重要影響。以瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地及人工復墾棉田為研究對象，筆者研究了農田土壤有機碳及其活性組分和團聚體穩定性變化。這對于正確評價干旱區鹽堿地人工開墾后土壤質量演變以及制定農業可持續發展的管理措施等均具有重要的理論意義和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點設在新疆瑪納斯河流域的石河子地區十戶灘鎮，地理位置處于歐亞大陸中心，準噶爾盆地南緣，遠離海洋，干旱少雨，蒸發量大，年平均氣溫6.6 ℃，≥10 ℃積溫達到3 489.7 ℃，年降水量110～200 mm，年蒸發量1 500～2 000 mm，無霜期147～187 d，屬于典型的大陸性氣候。該區域處于沖積洪積扇緣，地下水位高，歷史上長期處于“鹽隨水來，水去留鹽”的狀態，強烈的蒸發更加速了鹽分的表聚；再加上長期的不合理灌溉，加劇了鹽漬化進程，形成現在的重度鹽漬化土地。

1.2樣地處理與樣品采集

試驗點為新疆瑪納斯河流域沖積扇緣地帶。選擇因鹽漬化嚴重而棄耕的土地（80 hm2）作為樣地（棄耕年限為25年），對樣地進行不同年限的恢復重建：①原始棄耕地（保留10 hm2），作為開墾前的對照；②開墾2年（10 hm2），在原始棄耕地上開墾種植棉花；③開墾5年（20 hm2），種植棉花5年；④開墾10年（40 hm2），種植棉花10年。

試驗地土壤類型為灰漠土。鹽漬化棄耕地作為開墾恢復前的對照，地表植被覆蓋度低，主要植被類型有豬毛柴（Hair Chai）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）、鹽穗木（Yan Suimu）。試驗開始時土壤的主要理化性質見表1。

2013年4月進行取土采樣。每種開墾模式按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm分別挖剖面（40 cm寬，120 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，帶回實驗室；同時，用自封袋采集混合5點土樣，混合土樣采用“四分法”，保留1 kg。每種模式按同樣的方法采取3個重復，共60個土樣。將方形塑料盒中土樣過8 mm土篩，最后風干土樣，以便保存，進行土壤團聚體及其他穩定性分析，將自封袋土壤樣品帶回實驗室，置于通風、陰涼、干燥的室內風干，分別過1.00和0.25 mm篩孔以供測定。

1.3分析方法

1.3.1

土壤有機碳（SOC）測定。采用重鉻酸鉀容量法，測定土壤有機碳含量。

1.3.2

土壤可溶性有機碳的提取與測定。稱量4 g風干土壤樣品于50 ml離心管中，加入20 ml蒸餾水，然后放入振蕩機振蕩30 min，在離心機上以3 000 r/min離心10 min，過濾上清液，定容至25 ml，此組分稱為水溶性有機碳（WSOC）；再加20 ml蒸餾水至該離心管中，在渦旋混合器上振蕩10 s，將該離心管放在80 ℃水浴中24 h，取出后以3 000 r/min離心10 min，過濾，用20 ml蒸餾水再沖洗殘余物3次，最后將提取物、洗滌液定容至100 ml，將提取液在4 ℃冷藏中保存待測，稱為熱水溶性有機碳（HWSOC）[14]。

1.3.3

土壤易氧化有機碳（LOC）測定。稱量過0.25 mm篩的風干土樣2 g于50 ml離心管中，加入333 mmol/L KMnO4 25 ml，振蕩處理1 h，在離心機上以4 000 r/min離心5 min，取上清液，用去離子水按1∶250稀釋，在分光光度計565 nm波長處進行比色。由不加土壤的空白與土壤樣品的吸光率之差，計算出高錳酸鉀濃度的變化，進而計算出氧化的碳量或有機質含量。

1.3.4

土壤團聚體分級。采用濕篩法。稱取100 g風干土，在水中浸泡5 min，然后將土樣依次通過0.250、0.053 mm篩，得到3種粒級的團聚體>1.000 mm、0.053～0.250 mm、<0.053 mm。最后，將各粒級的團聚體60 ℃下烘干，并稱質量。

2 結果與分析

2.1土壤有機碳的變化

由表2可知，瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地隨著開墾年限的變化，土壤有機碳含量呈略微降低然后逐漸上升的趨勢。開墾2年有機碳含量較棄耕地低。這是由于土壤開墾減少了原始土壤植被數量，土壤有機碳含量減少。此外，人工開墾改變了原始土壤環境狀態，為微生物提供更適宜的溫度和濕度條件，從而使土壤有機碳的分解速率增強。開墾5、10年的土壤有機碳含量較開墾2年的高。開墾10年的土壤有機碳含量較棄耕地高，說明干旱區鹽漬化棄耕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，土壤水分含量增加，人為輸入的有機肥和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性質、化學性質，土壤有機碳含量增加。棄耕地及開墾年限差異的農田在0～20 cm土層土壤有機碳含量變化明顯，40～60 cm土層土壤有機碳含量穩定，無明顯的差異。

2.2土壤有機碳分組的變化

土壤活性有機碳組分是土壤微生物可以直接利用的碳源。土壤可溶性有機碳占土壤有機碳的百分比是表征土壤活性有機碳庫周轉的較好指標[15]。由表3可知，開墾年限差異的土壤WSOC與棄耕地之間存在0.05水平顯著性差異，棄耕地經過開墾后先降低后增加了土壤WSOC的含量，鹽漬化棄耕地隨著開墾年限的增加，土壤有機碳含量明顯增加，有機碳質量得以改善。棄耕地0～5 cm土層WSOC含量最高，開墾農田10～20 cm土層土壤WSOC最高。隨著土層的加深，土壤WSOC基本呈下降趨勢。棄耕地WSOC占土壤有機碳的比例隨土層深度的增加而變化的趨勢不明顯，而經過開墾后土壤可溶性有機碳占土壤有機碳的比例隨土層深度的增加而增加，說明棄耕地經過開墾種植，土壤孔隙度變大，滴灌時土壤入滲速率高，入滲量大，通過滴灌進入下層的土壤可溶性有機碳增加。

2.3土壤熱水溶性有機碳的變化

土壤HWSOC是土壤化學測定中最敏感的指示劑，反映不同土地管理措施下土壤有機質含量的變化。由表4可知，開墾年限差異的土壤HWSOC與棄耕地間存在

0.05水平顯著性差異，隨著開墾年限的增加，土壤HWSOC先增加后降低，均在0.05水平顯著高于棄耕地。開墾2、5和10年土壤HWSOC都比棄耕地高。棄耕地和開墾2年0～10 cm土層土壤HWSOC含量與其他各層土壤存在0.05水平顯著差異，開墾年限差異的土壤HWSOC隨著土層深度增加的變化不顯著。這可能是由在耕作管理的過程中滴灌造成的，因為土壤熱水溶性有機碳含量在土壤剖面上的分布影響很大。

2.4土壤團聚體含量及團粒指數變化

良好的土壤結構和穩定的團聚體對改善土壤肥力、增加植物生產率、增強孔隙度和降低可蝕性具有重要作用[16]。由表5可知，鹽堿棄耕地、開墾2年土壤各粒徑團聚體占總團聚體的比例均以>1.000 mm的含量最小，最小達到了9.7%；而在開墾5、10年土壤各粒徑團聚體的比例均以>1.000 mm的含量最大，最大達到65.64%，表明水穩性團聚體均以大團聚體為主。棄耕地0～5、5～10 cm土層>1.000 mm團聚體分別占供試土壤的25.5%和34.4%，團粒指數高達76.0%，表明棄耕地團聚體的穩定性較差；開墾10年0～5、5～10 cm土層>1.000 mm團聚體分別占供試土壤的56.9%和56.7%，團粒指數下降至43.9%。鹽堿棄耕地經人工開墾后，團聚體穩定性有所提高。因此，在干旱荒漠區，自然土壤開墾有利于土壤水穩性團聚體含量的增加，改善土壤物理性狀。

雷 軍等瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地新墾土地對土壤有機碳及團聚體穩定性的變化分析

3結論

研究表明，瑪納斯河流域土壤有機碳含量在鹽堿棄耕地隨著開墾年限的延長而增加，開墾5、10年土壤有機碳含量較棄耕地高。土壤WSOC和HWSOC表現為在開墾初期略微有所降低，而隨著開墾年限的延長表現為增加趨勢，與原始棄耕地相比，土壤微生物生物量碳（MBC）和LOC在恢復初期有所降低，然后升高，在開墾10年土壤MBC和LOC值最大。開墾10年0～5、5～10 cm土層>1.000 mm團聚體分別占試驗土壤的56.9%和56.7%，團粒指數下降至43.0%。鹽堿棄耕地經人工開墾后，團聚體穩定性有所提高。相關分析表明，土壤SOC、WSOC和HWSOC與土壤水穩性團聚體和團粒指數均有0.05水平顯著的相關性，與HWSOC呈0.01水平顯著相關性，說明土壤HWSOC對土壤團聚體穩定性的貢獻更明顯。

參考文獻

[1]

DELGADO J A，FOLLETT R F.Carbon and nutrient cycles[J].Journal of Soil and Water Conservation，2002，57（6）：455-463.

[2] LAL R，GRIFFIN M，APT J，et al.Managing soil carbon[J].Science，2004，304：393.

[3] 李忠佩，林心雄，車玉萍.中國東部主要農田土壤有機碳庫的平衡與趨勢分析[J].土壤學報，2002，39（3）：351-360.

[4] SHIMEL D S.Terrestrial ecosystem and the carbon cycle[J].Global Change Biology，1995，1：77-91.

[5] COX P M，BETTS R A，JONES C D，et al.Acceleration of global warming due to carboncycle feedbacks in a coupled climate model[J].Nature，2000，408：184-187.

[6] GIFFORD M R，CHENEY N P，NOBLE J C，et al.Australian land use，primary production of vegetation and carbon pools in relation to atmospheric carbon dioxide concentration[J].Bureau Rural Resources Proceedings，1992，14：151-187.

[7] EYNARD A，SCHUMACHER T E，LINDSTROM M J，et al.Effects of agricuhural management systems on soil organic carbon in aggregates of ustolls and U sterts[J].Soil and Tillage Resaroh，2005，81（2）：253-263.

[8] 竇森，李凱，關松.土壤團聚體中有機質研究進展[J].土壤學報，2011，48（2）：412-418.

[9] SIX J，ELLIOTT E T，PAUSTIAN K.Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation：A mechanism for C sequestration under notillage agriculture[J].Soil Biology & Biochemistry，2000，32（14）：2099-2103.

[10] 韓琳，張玉龍，金爍，等.灌溉模式對保護地土壤可溶性有機碳與微生物量碳的影響[J].中國農業科學，2010，43（8）：1625-1633.

[11] MAGILL A H，ABER J D.Variation in soil net mineralization rates with dissolved organic carbon additions[J].Soil Biology&Biochemistry，2000，32（5）：597-601.

[12] 賴先齊.綠洲鹽漬化棄耕地生態重建研究[M].北京：中國農業出版社，2007.