玛纳斯河流域盐渍化弃耕地新垦土地对土壤有机碳及团聚体稳定性的变化分析

雷军等

摘要

[目的]对玛纳斯河流域不同恢复模式下盐渍化弃耕地土壤有机碳及团聚体稳定性的变化特征进行分析。[方法]以玛纳斯河流域为背景，选取典型的重度盐渍化弃耕地为试验区。随着弃耕地变成棉田年限的增加，土壤有机碳（SOC）含量增加，开垦2、5和10年的土壤微生物生物量碳（MBC）和易氧化有机碳（LOC）的含量以及土壤水溶性有机碳（WSOC）和土壤热水溶性有机碳（HWSOC）的含量较弃耕地高。连续人工开垦后SOC和大团聚体（>1 mm）含量增加，土壤团聚体稳定性增强，其中开垦10年0～5、5～10 cm土层>1 mm团聚体分别占56.9%和56.7%，团粒指数下降至43.9%。 [结论]水稳性团聚体的含量与SOC和土壤HWSOC达到0.05水平显著正相关。玛纳斯河流域盐渍化弃耕地新垦土地对绿洲农田土壤HWSOC对维持土壤团聚体稳定性的贡献明显。

关键词盐渍化弃耕地；新垦土地；土壤有机碳；团聚体稳定性

中图分类号S156.4文献标识码A文章编号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

土壤有机质调节着植物和微生物所需的养分供应，影响着土壤水分和长期的土壤碳储量[1]，对退化土壤質量的恢复具有重要作用[2]。近年来，全球变化研究引起人们对陆地生态系统中碳储量及分布的日益关注[3]。全球0～100 cm土壤的有机碳总储量在1.5×1015～20×1015 kg之间，约为大气CO2C总量的3倍[4]。土壤有机碳的分布及其转化逐渐成为全球有机碳研究的热点。土壤碳库稳定、增加和减少都与大气二氧化碳浓度密切相关[5]。全球长期和大面积的农垦不仅使土壤碳库和大气碳之间的碳循环平衡遭到破坏，而且造成大量土壤有机碳被氧化且以CO2等形式释放到大气中[6]，增加温室气体的排放。

土壤有机质与团聚体关系密切，对土壤团聚体的数量和大小分布有重要的影响[7]，其含量的提高有利于土壤结构的形成及土壤结构稳定性的增强[8]，而团聚体的形成反过来影响土壤有机碳的分解[9]。与土壤有机碳相比，土壤活性有机碳是土壤有机碳不稳定的部分，反映土壤有机碳的变化。活性有机碳的提高能够促进土壤团聚体稳定性[10]。不同种类活性有机碳的物质组成和性质有较大差异，可能对土壤团聚体稳定性产生不同的影响。所以，农业土壤中有机碳活性组分含量的变化对了解土壤质量及土壤养分循环方面有着重要的作用[11]。

新疆属干旱荒漠地区，绿洲占国土总面积的4%，却承载了新疆95%以上的人口，可见绿洲农田土壤质量至关重要。同时，新疆又是我国重要的耕地资源后备基地。但是，长期不合理的灌溉制度及技术破坏了原有的水盐平衡，使得地下水位升高到临界深度以上，在强烈蒸发的影响下，土壤次生盐碱化剧烈地进行，直至大面积耕地因次生盐渍化被迫弃耕[12]。土壤盐渍化和土壤次生盐碱化问题一直是制约干旱地区农业持续发展的关键因子[13]，已严重影响农业和环境的可持续发展。土壤盐渍化导致土壤质量的严重下降和土壤碳库的大量损失。由于长期不合理的灌溉制度及技术破坏了原有的水盐平衡，在强蒸发条件的影响下促使土地次生盐渍化的加剧，导致土地生产力下降，大面积农田被迫弃耕，并且产生一系列的生态问题。随着滴灌技术在新疆地区的大规模应用，大面积盐渍化弃耕地得以复垦，对土壤有机碳产生重要影响。以玛纳斯河流域盐渍化弃耕地及人工复垦棉田为研究对象，笔者研究了农田土壤有机碳及其活性组分和团聚体稳定性变化。这对于正确评价干旱区盐碱地人工开垦后土壤质量演变以及制定农业可持续发展的管理措施等均具有重要的理论意义和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点设在新疆玛纳斯河流域的石河子地区十户滩镇，地理位置处于欧亚大陆中心，准噶尔盆地南缘，远离海洋，干旱少雨，蒸发量大，年平均气温6.6 ℃，≥10 ℃积温达到3 489.7 ℃，年降水量110～200 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，无霜期147～187 d，属于典型的大陆性气候。该区域处于冲积洪积扇缘，地下水位高，历史上长期处于“盐随水来，水去留盐”的状态，强烈的蒸发更加速了盐分的表聚；再加上长期的不合理灌溉，加剧了盐渍化进程，形成现在的重度盐渍化土地。

1.2样地处理与样品采集

试验点为新疆玛纳斯河流域冲积扇缘地带。选择因盐渍化严重而弃耕的土地（80 hm2）作为样地（弃耕年限为25年），对样地进行不同年限的恢复重建：①原始弃耕地（保留10 hm2），作为开垦前的对照；②开垦2年（10 hm2），在原始弃耕地上开垦种植棉花；③开垦5年（20 hm2），种植棉花5年；④开垦10年（40 hm2），种植棉花10年。

试验地土壤类型为灰漠土。盐渍化弃耕地作为开垦恢复前的对照，地表植被覆盖度低，主要植被類型有猪毛柴（Hair Chai）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、盐穗木（Yan Suimu）。试验开始时土壤的主要理化性质见表1。

2013年4月进行取土采样。每种开垦模式按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm分别挖剖面（40 cm宽，120 cm深），然后在不同土层采集大小一致的原状土样，装入方形塑料盒，带回实验室；同时，用自封袋采集混合5点土样，混合土样采用“四分法”，保留1 kg。每种模式按同样的方法采取3个重复，共60个土样。将方形塑料盒中土样过8 mm土筛，最后风干土样，以便保存，进行土壤团聚体及其他稳定性分析，将自封袋土壤样品带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，分别过1.00和0.25 mm筛孔以供测定。

1.3分析方法

1.3.1

土壤有机碳（SOC）测定。采用重铬酸钾容量法，测定土壤有机碳含量。

1.3.2

土壤可溶性有机碳的提取与测定。称量4 g风干土壤样品于50 ml离心管中，加入20 ml蒸馏水，然后放入振荡机振荡30 min，在离心机上以3 000 r/min离心10 min，过滤上清液，定容至25 ml，此组分称为水溶性有机碳（WSOC）；再加20 ml蒸馏水至该离心管中，在涡旋混合器上振荡10 s，将该离心管放在80 ℃水浴中24 h，取出后以3 000 r/min离心10 min，过滤，用20 ml蒸馏水再冲洗残余物3次，最后将提取物、洗涤液定容至100 ml，将提取液在4 ℃冷藏中保存待测，称为热水溶性有机碳（HWSOC）[14]。

1.3.3

土壤易氧化有机碳（LOC）测定。称量过0.25 mm筛的风干土样2 g于50 ml离心管中，加入333 mmol/L KMnO4 25 ml，振荡处理1 h，在离心机上以4 000 r/min离心5 min，取上清液，用去离子水按1∶250稀释，在分光光度计565 nm波长处进行比色。由不加土壤的空白与土壤样品的吸光率之差，计算出高锰酸钾浓度的变化，进而计算出氧化的碳量或有机质含量。

1.3.4

土壤团聚体分级。采用湿筛法。称取100 g风干土，在水中浸泡5 min，然后将土样依次通过0.250、0.053 mm筛，得到3种粒级的团聚体>1.000 mm、0.053～0.250 mm、<0.053 mm。最后，将各粒级的团聚体60 ℃下烘干，并称质量。

2 结果与分析

2.1土壤有机碳的变化

由表2可知，玛纳斯河流域盐渍化弃耕地随着开垦年限的变化，土壤有机碳含量呈略微降低然后逐渐上升的趋势。开垦2年有机碳含量较弃耕地低。这是由于土壤开垦减少了原始土壤植被数量，土壤有机碳含量减少。此外，人工开垦改变了原始土壤环境状态，为微生物提供更适宜的温度和湿度条件，从而使土壤有机碳的分解速率增强。开垦5、10年的土壤有机碳含量较开垦2年的高。开垦10年的土壤有机碳含量较弃耕地高，说明干旱区盐渍化弃耕地开垦可显著提高土壤有机碳含量，种植年限越长，对土壤有机碳的提升作用越明显。随着开垦年限的增加，土壤水分含量增加，人为输入的有机肥和秸秆还田使得植物残体以及代谢分泌物与土壤充分混合，改变原有的土壤结构和生物性质、化学性质，土壤有机碳含量增加。弃耕地及开垦年限差异的农田在0～20 cm土层土壤有机碳含量变化明显，40～60 cm土层土壤有机碳含量稳定，无明显的差异。

2.2土壤有机碳分组的变化

土壤活性有机碳组分是土壤微生物可以直接利用的碳源。土壤可溶性有机碳占土壤有机碳的百分比是表征土壤活性有机碳库周转的较好指标[15]。由表3可知，开垦年限差异的土壤WSOC与弃耕地之间存在0.05水平显著性差异，弃耕地经过开垦后先降低后增加了土壤WSOC的含量，盐渍化弃耕地随着开垦年限的增加，土壤有机碳含量明显增加，有机碳质量得以改善。弃耕地0～5 cm土层WSOC含量最高，开垦农田10～20 cm土层土壤WSOC最高。随着土层的加深，土壤WSOC基本呈下降趋势。弃耕地WSOC占土壤有机碳的比例随土层深度的增加而变化的趋势不明显，而经过开垦后土壤可溶性有机碳占土壤有机碳的比例随土层深度的增加而增加，说明弃耕地经过开垦种植，土壤孔隙度变大，滴灌时土壤入渗速率高，入渗量大，通过滴灌进入下层的土壤可溶性有机碳增加。

2.3土壤热水溶性有机碳的变化

土壤HWSOC是土壤化学测定中最敏感的指示剂，反映不同土地管理措施下土壤有机质含量的变化。由表4可知，开垦年限差异的土壤HWSOC与弃耕地间存在

0.05水平显著性差异，随着开垦年限的增加，土壤HWSOC先增加后降低，均在0.05水平显著高于弃耕地。开垦2、5和10年土壤HWSOC都比弃耕地高。弃耕地和开垦2年0～10 cm土层土壤HWSOC含量与其他各层土壤存在0.05水平显著差异，开垦年限差异的土壤HWSOC随着土层深度增加的变化不显著。这可能是由在耕作管理的过程中滴灌造成的，因为土壤热水溶性有机碳含量在土壤剖面上的分布影响很大。

2.4土壤团聚体含量及团粒指数变化

良好的土壤结构和稳定的团聚体对改善土壤肥力、增加植物生产率、增强孔隙度和降低可蚀性具有重要作用[16]。由表5可知，盐碱弃耕地、开垦2年土壤各粒径团聚体占总团聚体的比例均以>1.000 mm的含量最小，最小达到了9.7%；而在开垦5、10年土壤各粒径团聚体的比例均以>1.000 mm的含量最大，最大达到65.64%，表明水稳性团聚体均以大团聚体为主。弃耕地0～5、5～10 cm土层>1.000 mm团聚体分别占供试土壤的25.5%和34.4%，团粒指数高达76.0%，表明弃耕地团聚体的稳定性较差；开垦10年0～5、5～10 cm土层>1.000 mm团聚体分别占供试土壤的56.9%和56.7%，团粒指数下降至43.9%。盐碱弃耕地经人工开垦后，团聚体稳定性有所提高。因此，在干旱荒漠区，自然土壤开垦有利于土壤水稳性团聚体含量的增加，改善土壤物理性状。

雷 军等玛纳斯河流域盐渍化弃耕地新垦土地对土壤有机碳及团聚体稳定性的变化分析

3结论

研究表明，玛纳斯河流域土壤有机碳含量在盐碱弃耕地随着开垦年限的延长而增加，开垦5、10年土壤有机碳含量较弃耕地高。土壤WSOC和HWSOC表现为在开垦初期略微有所降低，而随着开垦年限的延长表现为增加趋势，与原始弃耕地相比，土壤微生物生物量碳（MBC）和LOC在恢复初期有所降低，然后升高，在开垦10年土壤MBC和LOC值最大。开垦10年0～5、5～10 cm土层>1.000 mm团聚体分别占试验土壤的56.9%和56.7%，团粒指数下降至43.0%。盐碱弃耕地经人工开垦后，团聚体稳定性有所提高。相關分析表明，土壤SOC、WSOC和HWSOC与土壤水稳性团聚体和团粒指数均有0.05水平显著的相关性，与HWSOC呈0.01水平显著相关性，说明土壤HWSOC对土壤团聚体稳定性的贡献更明显。

参考文献

[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，车玉萍.中国东部主要农田土壤有机碳库的平衡与趋势分析[J].土壤学报，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] 窦森，李凯，关松.土壤团聚体中有机质研究进展[J].土壤学报，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] 韩琳，张玉龙，金烁，等.灌溉模式对保护地土壤可溶性有机碳与微生物量碳的影响[J].中国农业科学，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] 赖先齐.绿洲盐渍化弃耕地生态重建研究[M].北京：中国农业出版社，2007.