不同復墾模式對土壤團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 農學院, 新疆 石河子 832003)

土壤團聚體作為土壤的基本結構單元，較其他土壤結構穩定，且其大小形狀及穩定性都對土壤中水和空氣、土壤質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重而棄耕的農田，自然恢復過程比較緩慢，已經不能滿足人們的需求，大量的棄耕農田被進行人工植被恢復。植被的恢復和重建是提高土壤質量和實現土壤基本功能的關鍵[3]，對加快生態系統恢復，增加土壤有機碳含量，促進土壤團聚體形成，提高大團聚體穩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，間作對河套灌區鹽堿地有輕微的控鹽作用，并且不會促使次生鹽漬化的發生[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[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，具有較好的粘結性，能和土壤膠體進行緊密的結合，有利于團聚體的形成，Na+的凝聚能力最弱，是高強度的分散性離子，會直接促使土壤結構被破壞，土壤有機質暴露易降解，不利于團聚體的形成[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種種植模式進行復墾，分析不同復墾模式對棄耕地土壤團聚體粒徑組成及其鹽陽離子分布的影響，明確不同復墾模式對棄耕地土壤質量的影響，以期為綠洲鹽漬化棄耕地植被重建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于瑪納斯河流域沖積平原，該區域地理處在東經85°37.275′，北緯44°33.493′。該地區為典型大陸性氣候，遠離海洋，干旱少雨，濕度小，蒸發量大，日照充足，≥10℃的活動積溫達到3 570～3 729℃，年日照時數為2 721～2 818 h，無霜期為168～171 d，年平均降水量110～200 mm，年平均蒸發量為1 500～2 000 mm，強烈的蒸發加速了該地區土壤次生鹽漬化棄耕現象的發生。該地區以荒漠植被為自然植被的主要植被，植物種類單一稀疏、群落結構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，土壤質地為中壤土。

1.2 試驗設計及樣品采集

試驗點位于新疆北疆瑪河流域沖積扇緣147團，之前因鹽漬化嚴重而棄耕，自2009年起對樣地進行不同模式的恢復重建，不同復墾模式有，Ⅰ：棄耕地(CK)，作為恢復前的對照處理,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，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，施用氮肥(300 kg/hm2)、磷肥(200 kg/hm2)和鉀肥(60 kg/hm2)；Ⅳ：輪作農田，種植小麥3 a，期間輪作玉米，面積15 hm2。

土壤樣品采集：本試驗于2014年7月中旬進行采樣，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驗室；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。將方形塑料盒中土樣過8 mm的土篩，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，將自封袋土樣樣品帶回實驗室，置于通風、陰涼、干燥的室內風干，分別過1 mm和0.25 mm篩孔以供測定。

1.3 測定項目及測定方法

土壤pH值及電導率采用5∶1水土比浸提，pH值計和電導率儀測定；土壤有機質用重鉻酸鉀法測定；堿解氮用堿解擴散法；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軟件進行統計分析。

表1 棄耕地不同復墾模式土壤養分情況

2 結果與分析

2.1 不同復墾模式對土壤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不同復墾模式土壤pH值及土壤EC

2.2 不同復墾模式土壤團聚體的分布特征

不同復墾模式對土壤團聚體的組成、數量等都有一定的影響[11]。由圖2可見，在0—60 cm土層，>0.25 mm粒徑各復墾模式間團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)。棄耕地及各復墾模式>0.25 mm粒徑團聚體含量顯著高于其他粒徑(p<0.05)，占總團聚體含量64.85%～83.62%。在各個土層中，棄耕地及各復墾模式>0.25 mm粒徑團聚體含量顯著高于其他粒徑(p<0.05)。

在各個土層中，棄耕地及各復墾模式團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，各復墾模式>0.25 mm粒徑團聚體含量顯著高于棄耕地(p<0.05)，0.25～0.053 cm粒徑中，各復墾模式粒徑團聚體含量顯著低于棄耕地(p<0.05)；在40—60 cm土層，棄耕地及各復墾模式>0.25 mm粒徑土壤團聚體含量沒有顯著性差異(p<0.05)。不同復墾模式對團聚體數量的影響隨著土層深度的加深呈現出減弱的趨勢。

注：不同大寫字母表示在同一土層同一復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墾模式間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖2不同復墾模式土壤團聚體組成分布

2.3 不同復墾模式對土壤團聚體中鹽基離子的影響

如圖3所示，在0—60 cm土層，各個粒徑團聚體中棄耕地Na+含量顯著高于其他復墾模式(p<0.05)，其含量為0.48～1.00 g/kg，且<0.053 mm粒徑團聚體Na+含量最高，達到0.89 g/kg，而0.25～0.053 mm最低，為0.80 g/kg。不同復墾模式各粒徑團聚體中Na+含量表現為棄耕地>單作>間作>輪作，各復墾模式各粒徑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 不同復墾模式不同粒徑團聚體中Na+的含量及分布

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

圖4 不同復墾模式不同粒徑團聚體中K+的含量及分布

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

圖5 不同復墾模式不同粒徑團聚體中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 不同復墾模式不同粒徑團聚體中Ca2+的含量及分布

3 討 論

不同粒級的團聚體在營養元素的保持、供應和轉化能力等方面有著不同的作用[12]，一般認為土壤結構的好壞主要看土壤>0.25 mm團聚體的含量，其含量越高，土壤團聚性和結構越好。<0.25 mm的團聚體稱為小團聚體,機械穩定性較差，這一級別團聚體所占比重越高，表明土壤愈分散[13-14]。本研究中，各復墾模式>0.25 mm粒徑土壤團聚體含量較棄耕地顯著增加，單作棉田、間作模式和輪作農田分別較棄耕地增加了15.77%，13.18%和15.55%，0.25～0.053 mm粒徑中各復墾模式團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%，棄耕地及各復墾模式<0.053 mm粒徑團聚體含量差異較小。說明棄耕地的不同復墾模式均可以改變土壤的團聚體比例，增加>0.25 mm的大團聚體含量，減少<0.25 mm小團聚體含量，不同復墾模式均改變了土壤團聚結構，增強了團聚體穩定性，改善了土壤的結構。這可能是因為棄耕地復墾后人為水肥管理投入養分，作物殘差進入農田歸還有機質，加速團聚體形成。Six等[15]在土壤大團聚體周轉及土壤有機質變化的胚胎發育模型中認為，當新的植物殘茬加入時，可促進團聚體中顆粒有機質(POM)的形成，POM被黏土礦物質和微生物分泌的粘液包裹，形成新微團聚體的核心，在土壤有機質膠結作用下，微團聚體、礦物質和POM結合形成大團聚體，促進土壤大團聚體數量增加。也有研究表明，短期玉米輪作對有機質及團聚體形成有良好的作用[16]。大豆玉米輪作有利于促進團聚體的形成，大豆玉米間作也可激發形成良好團粒結構的潛在能力[11]。豆科—禾本科輪作促進微團聚體的穩定以及大團聚體的形成[17]，與本文研究結果相似。

單作、間作、輪作中不同粒徑團聚體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%，結果說明恢復耕作可以有效減少土壤中Na+的含量，隨著恢復耕作Na+含量明顯降低，因為Na+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]。不同復墾模式Na+含量主要集中于表層，說明Na+隨著水分的蒸發上升至土壤表層，造成Na+在土壤表層富集。K+的交換能力比Na+強，易被土壤吸附，不易被水淋洗，所以恢復耕作后，K+含量雖然減少但并不如Na+不迅速[19]。Ca2+與Mg2+為二價離子,兩種陽離子的化學性質、代換、吸附及凝聚力等性質相近，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 兩個粒徑團聚體中，不同復墾模式Ca2+含量在>0.25 mm粒徑中均顯著低于其他粒徑，說明Ca2+主要集中于微團聚體中，這是由于小粒徑團聚體比表面積較大，能夠吸附較多的有機質，有利于有機—無機復合膠體的形成，而Ca2+容易與土壤膠體緊密結合，所以在小團聚體中Ca2+含量較多[20]。

整體而言，不同復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。在植被的恢復過程中，我們采用輪作或間作的復墾模式更有利于鹽堿地水溶性陽離子的減少，加快改善該區域鹽分含量，為植被創造良好的生長環境。

4 結 論

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

(2) 研究區不同復墾模式中各離子平均含量大小在土壤團聚體中表現為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，且不同復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粒徑團聚體中。

(3) 不同復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。