河西边缘绿洲荒漠沙地开垦后土壤性状演变及土壤碳积累研究

苏永中，张珂，刘婷娜，范桂萍，王婷

（中国科学院西北生态环境资源研究院临泽内陆河流域研究站/中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，兰州 730000）

河西边缘绿洲荒漠沙地开垦后土壤性状演变及土壤碳积累研究

苏永中，张珂，刘婷娜，范桂萍，王婷

（中国科学院西北生态环境资源研究院临泽内陆河流域研究站/中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室，兰州 730000）

【目的】土壤养分变化及碳积累过程是评价绿洲农田生态系统结构、功能和生产力演化的重要指标。本研究的目的是通过了解西北干旱区自然荒漠开垦为灌溉农田后该指标的变化，揭示干旱区新垦农田土壤发育及演变规律，为新垦沙地持续利用提供指导。【方法】选择河西走廊中段临泽边缘绿洲0—46年开垦时间序列的沙地农田，取样分析0—60 cm土壤剖面的物理、化学性状变化及碳积累特征，通过比较2008年与2014年的耕层土壤（0—20 cm）测定结果，分析近几年土壤性状的变化。【结果】耕层土壤砂粒含量随开垦利用年限的增加而逐渐降低，但显著的变化发生在开垦16年后的农田，且最近10年土壤粒级组成变化不明显；在沙地开垦后的最初20年，耕层土壤有机碳（SOC）及全氮含量呈线性增加，20年后增加趋势减缓。开垦46年后，SOC、全氮、碱解氮、速效磷含量分别增加了9.0倍、6.3倍、6.3倍和13.5倍，耕层土壤无机碳（SIC）含量增加了77.1%；速效钾随开垦年限的增加呈先降低而后增加的趋势。20—40 cm和40—60 cm土层SOC及氮、磷、钾养分含量随开垦年限延长而逐渐增加，但变化幅度小于耕层土壤。2008—2014年的6年间，不同开垦年限的同一地块耕层土壤粒级组成未发生变化，但SOC及氮、磷、钾养分有明显的积累。沙地开垦46年后0—60 cm土层 SOC、SIC和全碳的年平均固存量分别为0.75、0.79和 1.47 kg·hm-2·a-1；SOC的积累主要发生在0—20 cm耕作层，而SIC的积累在40—60 cm土层。荒漠沙地转变为灌溉农田后有巨大的碳固存潜力；土壤黏粉粒增加对SOC及养分的积累和保持起重要作用。【结论】沙地开垦为灌溉农田后，随利用年限的增加，土壤肥力显著改善，但开垦46年后土壤肥力仍处于较低水平。对新垦沙地农田，要实现土地可持续利用和生产力持续提高，须采取提升土壤肥力水平的农田管理措施。

土壤性状变化；土壤碳积累；开垦时间序列；荒漠沙地；河西走廊绿洲

0 引言

【研究意义】自上世纪50年代以来，中国西北干旱区经历了持续的农业土地开发，绿洲面积由 2.5× 104km2扩大到了10.4×104km2[1]。绿洲向荒漠扩展的土地利用变化改变了干旱区包括水、土、气、生的一系列生态过程[1]。对土壤而言，一方面，荒漠转变为绿洲农田后，耕作、灌溉和施肥加速了土壤发育的过程[2-3]，在随后的农业利用中，土壤性状的演变进程和演变方向受农业管理措施的强烈影响[4-5]。另一方面，土壤性状的演变又影响着土壤水分入渗、运移和作物灌溉需水，进而影响农田水文过程及农田水管理[6]；新垦绿洲的稳定和农田生产力及灌溉水利用效率的持续提高也取决于土壤肥力的持续提升[6]。因此，在荒漠开垦为农田的绿洲化过程中，土壤发育过程及其性状的变化不仅可以指示绿洲生态系统结构和功能、以及农业生产力的演化，也是评价土地利用及农田管理措施的重要指标[3]。同时，土地利用变化下土壤碳动态过程研究也是认识干旱区人为土壤形成发育及区域固碳潜力的重要方面。【前人研究进展】一般而言，自然土壤开垦及随后的农业利用，会引起土壤肥力的快速下降，几十年后达到稳定的平衡，但这多发生在半干旱及湿润区域[7-9]，而在干旱区，由于长期的风蚀作用，荒漠土壤富含砂粒，结构松散，且成土的生物作用微弱，具极低的有机质和养分水平。但在开垦后，由于灌溉、施肥、耕作等显著改变了成土过程，特别是生物量和根系碳的输入增加及其他有机物质的输入，土壤有机质及养分含量在开垦后的最初几年至十几年呈线性增加[2-3,10-12]。但随着农业利用年限的增加及土壤管理措施的不同，土壤有机碳及养分积累的速率会趋缓[3]或发生逆转，土壤质量退化[11]。【本研究切入点】现有的研究对荒漠转变为绿洲农田后土壤性状演变及其农业管理的影响仍缺乏长时间序列的跟踪监测。新垦荒漠绿洲农田，也是干旱区农田生态系统土壤固碳潜力巨大的区域，对其荒漠开垦后土壤碳积累特征的相关研究和认识仍显不足。【拟解决的关键问题】利用甘肃河西走廊中段临泽边缘绿洲近50年来开垦的荒漠沙地农田定位样地，研究沙地开垦为灌溉农田后土壤性状的演变过程及土壤固碳速率，为认识荒漠土壤转变为人为土壤的成土过程及区域土壤固碳潜力评估提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区地处甘肃河西走廊中段临泽北部边缘绿洲，为近几十年来由老绿洲向荒漠扩展的新垦绿洲（39°24′N，100°21′E，海拔1 350—1 385 m）。绿洲外围为沙漠与戈壁，是典型的荒漠气候，多年年均降水量为 116.8 mm，年蒸发量 2 390 mm，年均气温7.6℃，无霜期165 d。地带性土壤为灰棕漠土，由于长期风沙侵袭与沉积，在绿洲边缘北部形成风沙土。自20世纪60年代后期进行绿洲边缘沙漠化防治，沙地被平整并逐步开垦，形成不同开垦时间序列的沙地灌溉农田。农田灌溉用水在2000年前为黑河水地表灌溉，自2000年实施黑河向下游分水后，主要依赖地下水灌溉，约占灌溉用水量的70%。近年来，该区域主要种植制种玉米和大田玉米，采用传统耕作和地膜覆盖栽培。由于沙地土壤肥力低下，保水保肥性能差，为干旱区绿洲灌溉耗水和化肥施用最大的区域。近20年来，种植玉米每年投入的化肥用量在 250—400 kg N·hm-2，90—150 kg P2O5·hm-2和60—90 kg K2O·hm-2，部分地块施用农肥，玉米生育期的灌溉次数因土壤质地的差异在6—11次[3-4]。

1.2 土壤取样与分析

2008年玉米收获后，对不同开垦时间序列的沙地农田 0—20 cm土层进行了采样分析及调查定位[3]。2014年9月，在玉米收获后对定位农田进行了剖面取样。开垦年限选择为9、16、20、29、36和46年，每个时间序列农田选择3块样地，并选取农田周边余留未开垦的3块自然沙地为对照（0年），每个样地挖取1个剖面测定土壤容重，并用土钻另取2个剖面样，取样层次为0—20、20—40、40—60 cm（大部分沙地的积沙层在60 cm），3个剖面按相同土层混合为一个剖面样作为土壤碳及养分含量的测定。土样在室内风干，过2 mm筛，部分样品用吸管法进行粒级组成的分析，部分样品研磨过 0.25 mm筛，用元素分析仪（Elementar vario macro cube，Germany）测定土壤全碳和全氮含量，重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳，全磷、碱解氮、速效磷和速效钾的测定用常规分析方法[13]；无机碳含量用全碳减去有机碳含量得到。土壤碳储量由土层深度、容重和SOC、SIC含量计算得出[14]。

1.3 数据分析

用SPSS17软件进行不同开垦时间序列土壤性状的单因子方差分析（ANOVA），LSD法显著性检验，部分变量之间的相关和回归分析；对2014年取样分析数据与 2008年测定结果进行不同开垦时间序列配对样本的T-检验。

2 结果

2.1 开垦时间序列土壤容重和粒级组成的变化

随开垦利用年限的增加，耕层（0—20 cm）土壤容重呈线性减小趋势，从未开垦沙地的平均 1.68 g·cm-3下降到1.38 g·cm-3（开垦46年）。20—40 cm土层土壤容重随开垦年限的增加也呈下降趋势，但显著的下降发生在开垦利用30年后；而40—60 cm土层土壤容重在开垦时间序列上并无显著差异。从粒级组成分析来看，耕层土壤砂粒含量随农业利用年限的增加逐渐降低，黏、粉粒含量逐渐增加，土壤质地由砂土逐渐演变为壤砂土；分析不同开垦年限耕层土壤粒级组成可知，未开垦沙地和开垦 9年农田、开垦 20年和29年农田、以及开垦36年和46年农田之间砂粒含量差异不显著。20—40 cm和40—60 cm土层土壤粒级组成的变化主要发生在在开垦利用 29年以后的土壤，但变化的幅度明显小于耕层土壤的变化。在开垦20年的时间尺度上，耕层以下土壤粒级组成并无显著变化（表1）。

2.2 开垦时间序列土壤碳及养分变化

沙地开垦为灌溉农田后，在农业利用的最初 20年，耕层（0—20 cm）SOC呈线性增加，较未开垦的沙地SOC含量增加8.2倍；20年以后增加趋势有所减缓，46年后，SOC含量增加了近9倍（表2）。耕层土壤养分全氮、碱解氮、速效磷含量随开垦年限的增加，变化趋势与SOC类似，开垦46年后，分别较未开垦的沙地增加6.3倍、6.3倍和13.5倍；但速效钾随开垦年限的增加呈先降低而后增加的趋势。耕层土壤无机碳（SIC）含量开垦后也呈增加趋势，但增加幅度远小于SOC的增加，46年后增加了77.1%。

随农业利用年限的增加，下层土壤（20—40 cm和40—60 cm）有机碳和养分含量也得以提升，SOC含量随农业年限的增加呈线性增加，年增加分别为0.90 g·kg-1·a-1（20—40 cm）和0.36 g·kg-1·a-1（40—60 cm）。20—40 cm土层全氮的变化与SOC变化相同，但40—60 cm土层土壤全氮含量在开垦20年内有快速的积累，20年后基本趋于稳定。速效养分碱解氮在20—40 cm和40—60 cm土层均随农业利用年限的增加呈线性增加；速效磷的变化在开垦29年的时间尺度上呈线性增加，29年后下降；20 cm以下土层速效钾的显著变化主要发生在开垦20年以后的农田。20 cm以下土层SIC随开垦年限的增加有增加趋势，但显著变化也发生在开垦20年以后的土壤（表2）。回归分析结果表明，黏粉粒含量增加1.0%，耕作层（0—20 cm）SOC和全氮含量可以提升 0.174 g·kg-1和0.018 g·kg-1（图1）。

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2.3 开垦时间序列土壤碳储量的变化

沙地开垦为灌溉农田后，随开垦年限的增加，土壤碳储量逐渐增加（图2）。0—60 cm土层SOC、SIC和全碳在开垦前分别为5.90、48.99和57.89 t·hm-2，开垦耕种46年后增至40.34、85.40和125.73 t·hm-2，分别增加了6.8倍、1.7倍和2.2倍；开垦46年后的年均固碳量为0.75、0.79和1.47 t·hm-2·a-1。土壤碳在开垦后的前16年快速上升，开垦16年后积累速率有所减缓。对不同土层碳积累进行分析，SOC和SIC的变化不同，SOC的积累主要发生在0—20 cm耕作层，而SIC的积累在40—60 cm土层高于0—20 cm耕作层。线性回归分析表明（图 3），0—20、20—40和40—60 cm土层，沙地开垦后，SOC的固存速率分别为0.314、0.254和0.159 t·hm-2·a-1，而SIC的固存速率分别为0.157、0.183和0.385 t·hm-2·a-1。

图1 土壤黏粉粒含量与有机碳、全氮的关系Fig. 1 Relatioships of soil silt+clay content with SOC and total N concentration

图2 不同开垦年限农田土壤碳储量Fig. 2 Soil C storage in the farmlands with different cultivation year

图3 不同开垦年限农田土壤碳储量Fig. 3 Soil C storage in the farmlands with different cultivation years

2.4 不同开垦年限沙地农田近 6年来土壤性状的变化

与2008年耕层（0—20 cm）土壤性状进行比较，各开垦年限农田砂粒含量并未发生显著变化。但SOC、全氮及速效氮、磷、钾养分含量近 6年来有明显提升。从2008年到2014年的6年间，SOC含量提高了0.15—1.66 g·kg-1，平均提高1.11 g·kg-1，增加幅度在3.0%—87.0%，平均32.0%，近20年来新垦农田有较大的增加幅度。土壤全氮的变化与SOC变化的趋势一致，6年提高了0.19—0.26 g·kg-1，平均0.22 g·kg-1，增加的幅度为36.0%—2.36倍，平均增加65.0%。速效氮、磷、钾养分含量在6年间的变化分别为62.0%—2.38倍（平均74.0%）、17.0%—2.32倍（平均 54.0%）和 29.0%—59.0%（平均34.0%）（图4）。

3 讨论

在干旱区，由于成土的生物作用极其微弱，未开垦的沙地土壤有极低的有机质和养分含量。开垦后，防护体系的建设使新垦边缘绿洲农田由风蚀区变为降尘区，灌溉和施用农肥增加了有机胶结物质的输入，持续的农业利用增加了生物量向土壤的输入，加速了土壤发育过程[2-3]。本项研究的结果表明，随开垦利用年限增加，土壤容重降低、黏粒、粉粒、有机碳及氮磷钾养分含量增加，与干旱区新疆绿洲[10-11,15]和甘肃河西走廊其他绿洲区域的研究结果基本一致[2]。随开垦年限增加，表层土壤黏粉粒含量的增加主要是长期地表水灌溉携带的细粒物质的输入。据测定，用富含泥沙的黑河水灌溉一次可以携带超过380 kg·hm-2的黏粉粒进入农田[3]。尽管下层土壤黏粉粒含量随开垦年限的增加远小于表层土壤，但通过翻耕和淋溶作用也使耕作层以下土层细颗粒组成有所增加。从不同开垦年限沙地农田表层粒级组成的变化分析，开垦间隔近10年的农田之间（0年和9年、20年和29年、36年和46年），土壤粒级组成并未发生显著变化（表1）。同一开垦年限地块从2008年到2014年土壤粒级组成也无显著变化（图3）。这主要是由于自2000年以来黑河向下游分水实施后，河水灌溉比例减少至总灌溉用水量的20%，其余主要依靠井灌，灌溉用水结构的变化导致随灌溉输入农田的细粒物质减少，表明了灌溉用水对土壤性状的影响显著。而土壤细粒物质输入的减少，又显著影响土壤结构的形成和人为土壤的发育过程。

图4 不同开垦年限农田2008年与2014年土壤性状差异Fig. 4 Differences in soil properties between 2008 and 2014 in the different cultivated fields

对砂质土壤，细粒物质的增加不仅有利于土壤结构的形成[3,16]、土壤持水性能及灌溉水利用效率的提高[4]，对SOC工厂及养分的保持也起着极其重要的作用。沙地开垦后SOC与氮、磷、钾养分含量随开垦年限的提高，一方面来自于土壤黏粉粒含量的增加；另一方面生物量增加进而通过根系向土壤碳的输入增加[17]。同时化肥的大量施用使得土壤中氮、磷、钾养分不断积累。研究区域所在的临泽绿洲为中国单季作物化肥施用量最高的区域[18]，2005年临泽县平川镇平均的氮肥用量已超过350 kg N·hm-2（2005年临泽县统计年鉴），而新垦沙地农田的化肥用量更高。近十年来，研究区连续种植制种玉米，相对较高的收益使农户每年投入的化肥量仍维持在高位。特别是氮、磷、钾速效养分的变化与化肥的施用量密切相关，前期的研究表明，在研究区域的沙地土壤，玉米最适的施氮量为270 kg·hm-2，土壤剖面中NO3-N的积累随施氮量的增加而增加[18]。从土壤速效钾含量的变化可以反映出用肥结构的变化，2000年，研究区域平均施用钾肥为7.8 kg K2O·hm-2，2005年为37.1 kg K2O·hm-2（2000年、2005年临泽县统计年鉴），因为近年来测土施肥的推动，施用的化肥由尿素、磷二铵和普通过磷酸钙为主转变为以复混肥为主导，氮、磷、钾养分更为均衡，土壤速效钾含量随开垦年限的增加先出现下降而后迅速提升，特别是近6年来，土壤钾含量和氮、磷养分一样，有显著的提高（图 3）。速效磷的积累在开垦29年后有所下降，可能与开垦29年后作物生产力显著提升，作物的吸收量增加有关。同时，由于近年来玉米秸秆机械收割、机械翻耕面积的逐年增加，也使归还土壤的生物量大幅增加，尽管土壤粒级组成在6年间未发生变化，但SOC含量由于还田生物量的增加而显著提升。

在干旱半干旱区，土地利用方式的转变、采用合理的农田管理措施（如灌溉和施肥等）已被证明是增加土壤碳固存的重要对策[19]。本项研究的结果表明，荒漠沙地转变为灌溉农田后，耕层SOC的固存速率为0.314 t·hm-2·a-1，较大的碳固存速率主要归因于原始土壤极低的SOC水平[20]。但开垦46年的农田SOC仍处于相对较低的水平，因此新垦农田仍具极大的固碳潜力。在干旱区土壤无机碳的形成也是土壤碳过程的重要方面，荒漠土壤本身有较高的SIC含量，开垦后转变为灌溉农田后，淋深作用使SIC含量向下迁移，因此在开垦的最初20年间，SIC含量并未增加。但由于同时灌溉和施肥增加了与硅酸盐反应的碳酸和有机酸量，促进了次生碳酸盐的形成，进而增加碳的固存[21]；灌溉水中的可溶性碳向碳酸盐的转化也会使SIC增加[12,16]。每年高量的灌溉对土壤次生碳酸盐的形成起重要作用；另外，随着开垦年限的增加，SOC增加、根系生物量增加，那么根及根际微生物呼吸释放的CO2随之增加，也会导致土壤中碳酸盐的溶解和再沉积[22]。因此，荒漠沙地转变为灌溉农田后，SIC也有明显的积累，由于砂质土壤灌溉引起的淋溶作用，使下层40—60 cm土壤SIC的积累高于耕层土壤。

4 结论

河西边缘绿洲沙荒地开垦为农田后，随开垦利用年限的增加，土壤容重降低，砂粒含量下降，有机碳、无机碳及氮、磷钾养分含量持续提升。土壤有机碳和全氮的变化在开垦的最初20年快速增加，此后增加速率变缓。土壤粒级组成的变化发生在开垦16年的农田，表明土壤稳定结构的形成滞后于养分的提高。干旱区荒漠沙地转变为灌溉农田后有巨大的土壤固碳潜力。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Changes in Soil Properties and Accumulation of Soil Carbon After Cultivation of Desert Sandy Land in a Marginal Oasis in Hexi Corridor Region, Northwest China

SU YongZhong, ZHANG Ke, LIU TingNa, FAN GuiPing, WANG Ting
(Linze Inland River Basin Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resource, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000)

【Objective】Changes in soil nutrients and process of soil carbon accumulation following the conversion of desert sandy land to irrigation cropland in arid region in Northwest China is an important indicator for evaluating oasis ecosystem structure, function and productivity evolution. It is also one of the aspects for understanding soil development process and its evolution patterns on the newly cultivated farmlands in arid region.【Method】In this study, the temporal changes in soil physical and chemical properties in the 0-60 cm soil layers were determined in a 0-46 year cultivation sequence in the Linze marginal oasis.Soil properties in the plough layer (0-20 cm) between 2008 and 2014 were compared to determine the changes of soil properties within the recent 6 years.【Result】The results indicated that sand content in the 0-20 cm surface layer showed a consistent decreasing pattern with increasing duration of cultivation, but significant changes in particle size distribution only occurred in soils cultivated for more than 16 years. Within the recent 10 years, no significant changes in soil particle size distribution were detected. As cultivation time increased, soil organic carbon (SOC), total N and available N and P concentrations all increased. SOC and total N showed a rapid and linear increase in the initial 20 years after cultivation, and thereafter, had a slow increase. SOC, total N, and available N and P concentrations increased by 9.0 times, 6.3 times, 6.3 times and 13.5 times, respectively, after 46 years of continuous cropping. Soil inorganic carbon (SIC) increased by 77.1% after cultivation of 46 years. Available K concentration showed a decrease in the initial 20 years of cultivation, and subsequently, had a rapid increase. Also, SOC, N, P and K concentrations in the 20-40 cm and 40-60 cm soil layers gradually increased with increasing cultivation time, but the increase extent was far less than that of surface soil. During the 6 years period from 2008 to 2014, no significant changes in soil particle size distribution in the plough layer were found, however, SOC, N, P and K nutrient showed a distinct accumulation. After 46 years of continuous cropping, SOC, SIC and total C sequestration rate was 0.75, 0.79 and 1.47 kg·hm-2·a-1, respectively. SOC accumulation occurred mainly in the surface soil, SIC accumulation was found in the 40-60 cm soil layer. Conversion of sandy desert soils to irrigation croplands had a tremendous soil carbon sequestration potential. The increased silt and clay content play an important role in SOC and nutrients accumulation and retention.【Conclusion】After cultivation of native sandy lands and subsequently, continuous cropping improved significantly soil fertility. However, soil fertility was still in a low status after 46 years of cropping. Therefore, improved agricultural management is imperative to accelerate soil fertility improvement and maintain long-term productivity of the newly reclaimed sandy farmlands.

changes in soil properties; soil carbon accumulation; cultivation sequence; desert sandy land; oasis in Hexi Corridor Region

2016-07-21；接受日期：2017-02-28

国家自然科学基金（91425302，41401337）

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