不同复垦模式对土壤团聚体及水溶性阳离子的影响

2018-10-29张俊岭张凤华

水土保持研究 2018年6期

冯欢, 张俊岭, 张凤华

(石河子大学农学院, 新疆石河子 832003)

土壤团聚体作为土壤的基本结构单元，较其他土壤结构稳定，且其大小形状及稳定性都对土壤中水和空气、土壤质地以及作物的生长造成影响[1-2]。新疆有大量因次生盐渍化严重而弃耕的农田，自然恢复过程比较缓慢，已经不能满足人们的需求，大量的弃耕农田被进行人工植被恢复。植被的恢复和重建是提高土壤质量和实现土壤基本功能的关键[3]，对加快生态系统恢复，增加土壤有机碳含量，促进土壤团聚体形成，提高大团聚体稳定性都有很重要的作用[4-5]。

土壤盐分是盐碱土的一个重要属性。研究表明，间作对河套灌区盐碱地有轻微的控盐作用，并且不会促使次生盐渍化的发生[6]。水旱轮作对EC值有降低作用，减轻土壤的次生盐渍化，缓解草莓连作障碍[7]。盐胁迫对植物有渗透作用和离子效应[8]，会影响植物正常代谢。盐碱土中含有大量的水溶性盐类，对水溶性盐的分析是研究土壤盐碱化类型和程度的主要方法之一[5]。Mg2+和Ca2+凝聚能力较强，具有较好的粘结性，能和土壤胶体进行紧密的结合，有利于团聚体的形成，Na+的凝聚能力最弱，是高强度的分散性离子，会直接促使土壤结构被破坏，土壤有机质暴露易降解，不利于团聚体的形成[9]，且由于盐的溶解度和迁移率等差异，盐离子在土壤剖面中的移动并不同步[10]。本研究以新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地作为研究对象，采用单作、轮作、间作3种种植模式进行复垦，分析不同复垦模式对弃耕地土壤团聚体粒径组成及其盐阳离子分布的影响，明确不同复垦模式对弃耕地土壤质量的影响，以期为绿洲盐渍化弃耕地植被重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于玛纳斯河流域冲积平原，该区域地理处在东经85°37.275′，北纬44°33.493′。该地区为典型大陆性气候，远离海洋，干旱少雨，湿度小，蒸发量大，日照充足，≥10℃的活动积温达到3 570～3 729℃，年日照时数为2 721～2 818 h，无霜期为168～171 d，年平均降水量110～200 mm，年平均蒸发量为1 500～2 000 mm，强烈的蒸发加速了该地区土壤次生盐渍化弃耕现象的发生。该地区以荒漠植被为自然植被的主要植被，植物种类单一稀疏、群落结构简单是地表植被的主要特征，且盐碱化弃耕地土壤类型为灰漠土，土壤质地为中壤土。

1.2 试验设计及样品采集

试验点位于新疆北疆玛河流域冲积扇缘147团，之前因盐渍化严重而弃耕，自2009年起对样地进行不同模式的恢复重建，不同复垦模式有，Ⅰ：弃耕地(CK)，作为恢复前的对照处理,面积为2 hm2，植株密度为2.89万株/hm2；Ⅱ：单作棉田，对自然弃耕地进行翻耕人工播种、灌溉、种植棉花，面积为15 hm2，种植年限为5 a，种植密度为1.95×105株/hm2，整个作物生长期灌水8～10次，灌水方式为膜下滴灌，年灌水总量为4 500 m3/hm2，棉花生长季节，施用氮肥(300 kg/hm2)、磷肥(200 kg/hm2)和钾肥(60 kg/hm2)；Ⅲ：间作模式，俄罗斯杨与小麦(棉花)间作种植，面积15 hm2，种植年限为5 a，种植密度为俄罗斯杨1.02×103株/hm2+小麦4.80×106株/hm2，灌水方式为滴灌，年灌水总量为5 250 m3/hm2，整个生长季节，施用氮肥(300 kg/hm2)、磷肥(200 kg/hm2)和钾肥(60 kg/hm2)；Ⅳ：轮作农田，种植小麦3 a，期间轮作玉米，面积15 hm2。

土壤样品采集：本试验于2014年7月中旬进行采样，每种种植模式按照0—20，20—40，40—60 cm分别挖剖面(30 cm宽、100 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；同时用自封袋采集各模式土样混合，混合土样采用“四分法”，保留1 kg，每种模式按照同样的方法采取3个重复。将方形塑料盒中土样过8 mm的土筛，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，将自封袋土样样品带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，分别过1 mm和0.25 mm筛孔以供测定。

1.3 测定项目及测定方法

土壤pH值及电导率采用5∶1水土比浸提，pH值计和电导率仪测定；土壤有机质用重铬酸钾法测定；碱解氮用碱解扩散法；速效磷用0.5 mol/L的NaHCO3法；全氮采用半微量开氏法;全磷采用钼锑抗比色法(HClO4—H2SO4法)；用离子色谱法测定水溶性Na+，k+，Ca2+，Mg2+的含量；采用SPSS 18和Excel 2016软件进行统计分析。

表1 弃耕地不同复垦模式土壤养分情况

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式对土壤pH值和EC值的影响

由图1A可见，在0—60 cm土层，单作、间作和轮作土壤pH值含量均显著低于弃耕地(p<0.05)，分别较弃耕地降低10.7%，9.7%，10.6%。弃耕地的pH值分布随着土层深度的增加而增大；0—20 cm土层，单作pH值降低最为明显，为7.5，较弃耕地降低了0.88；20—40 cm土层，间作pH值最低，为7.15,较弃耕地降低了1.35；40—60 cm土层，轮作pH值最低，为7.43，较弃耕地降低了1.29。

由图1B可见，在0—60 cm土层，不同复垦模式土壤EC值均不同程度降低，并且间作和轮作EC含量降低更为显著，分别降低了71.0%，84.1%。在各个土层中，弃耕地、单作和间作土壤中EC含量随着土层深度增加而减少，轮作EC含量随着土层降低而增加。

注：不同大写字母表示在同一耕作方式不同土层间差异显著，不同小写字母表示同一土层不同耕作方式间差异显著(p<0.05)。

图1不同复垦模式土壤pH值及土壤EC

2.2 不同复垦模式土壤团聚体的分布特征

不同复垦模式对土壤团聚体的组成、数量等都有一定的影响[11]。由图2可见，在0—60 cm土层，>0.25 mm粒径各复垦模式间团聚体含量并无显著性差异(p>0.05)，但均显著高于弃耕地(p<0.05)；0.25～0.053 mm粒径各复垦模式间有显著性差异(p>0.05)，但均显著低于弃耕地(p<0.05)；<0.053 mm粒径，单作和轮作土壤团聚体含量显著高于弃耕地(p<0.05)，间作显著低于弃耕地(p<0.05)。弃耕地及各复垦模式>0.25 mm粒径团聚体含量显著高于其他粒径(p<0.05)，占总团聚体含量64.85%～83.62%。在各个土层中，弃耕地及各复垦模式>0.25 mm粒径团聚体含量显著高于其他粒径(p<0.05)。

在各个土层中，弃耕地及各复垦模式团聚体含量均随着粒径的减小而减少。在0—20 cm及20—40 cm土层，各复垦模式>0.25 mm粒径团聚体含量显著高于弃耕地(p<0.05)，0.25～0.053 cm粒径中，各复垦模式粒径团聚体含量显著低于弃耕地(p<0.05)；在40—60 cm土层，弃耕地及各复垦模式>0.25 mm粒径土壤团聚体含量没有显著性差异(p<0.05)。不同复垦模式对团聚体数量的影响随着土层深度的加深呈现出减弱的趋势。

注：不同大写字母表示在同一土层同一复垦模式不同粒径间差异显著，不同小写字母表示同一土层同一粒径不同复垦模式间差异显著(p<0.05)，下图同。

图2不同复垦模式土壤团聚体组成分布

2.3 不同复垦模式对土壤团聚体中盐基离子的影响

如图3所示，在0—60 cm土层，各个粒径团聚体中弃耕地Na+含量显著高于其他复垦模式(p<0.05)，其含量为0.48～1.00 g/kg，且<0.053 mm粒径团聚体Na+含量最高，达到0.89 g/kg，而0.25～0.053 mm最低，为0.80 g/kg。不同复垦模式各粒径团聚体中Na+含量表现为弃耕地>单作>间作>轮作，各复垦模式各粒径Na+含量为0.02～0.20 g/kg。在各个土层中，不同复垦模式及不同粒径中Na+含量均显著低于弃耕地(p<0.05)，其中40—60 cm土层Na+含量明显低于0—20 cm和20—40 cm土层。

图3 不同复垦模式不同粒径团聚体中Na+的含量及分布

如图4所示，在0—60 cm土层，各个粒径不同复垦模式土壤团聚体中K+含量均呈现显著差异(p<0.05)，>0.25 mm和0.25～0.053 mm粒径土壤团聚体K+含量均表现为单作>弃耕地>间作>轮作；<0.053 mm粒径土壤团聚体K+含量表现为弃耕地>单作>间作>轮作；不同复垦模式各粒径土壤团聚体中的K+含量差异较显著(p<0.05)，且随着粒径的减小而增加。在0—20 cm和20—40 cm土层中，各个粒径不同复垦模式K+含量大小之间存在显著性差异(p<0.05)，主要表现为弃耕地>单作>间作>轮作，且随着粒径的减小弃耕地及各复垦模式K+含量逐渐增加；在40—60 cm土层中，各个粒径不同复垦模式K+含量差异显著(p<0.05)，各复垦模式>0.25 mm粒径土壤团聚体K+含量显著低于其他粒径(p<0.05)。

图4 不同复垦模式不同粒径团聚体中K+的含量及分布

从图5中可以看出，在0—60 cm土层，各复垦模式在各个粒径土壤团聚体中Mg2+含量均表现为单作>弃耕地>轮作>间作；各复垦模式>0.25 mm粒径Mg2+含量均显著低于<0.53 mm和0.25～0.053 mm粒径土壤团聚体Mg2+含量(p<0.05)；弃耕地和单作0.25～0.053 mm粒径土壤团聚体Mg2+含量显著低于<0.53 mm粒径(p<0.05)，间作和轮作<0.53 mm和0.25～0.053 mm粒径土壤团聚体Mg2+含量间无显著差异(p<0.05)。

在0—20 cm和20—40 cm土层，弃耕地和单作各粒径中Mg2+含量显著高于间作和轮作。在40—60 cm土层，单作在各个粒径中Mg2+含量没有显著差异，各个粒径中单作Mg2+含量均显著高于其他复垦模式。

图5 不同复垦模式不同粒径团聚体中Mg2+的含量及分布

如图6所示，在0—60 cm土层，各个粒径单作Ca2+含量显著高于弃耕地(p<0.05)，间作和轮作Ca2+含量显著低于弃耕地(p<0.05)；在>0.25 mm和0.25～0.053 mm粒径间作Ca2+含量显著高于轮作(p<0.05)；在<0.053 mm粒径轮作Ca2+含量显著高于间作(p<0.05)。>0.25 mm粒径各复垦模式Ca2+含量显著低于其他粒径(p<0.05)；间作在0.25～0.053 mm粒径Ca2+含量显著低于其他粒径(p<0.05)；弃耕地、单作和轮作在<0.053 mm粒径Ca2+含量显著低于其他粒径(p<0.05)。在0—20 cm和20—40 cm土层，各粒径中单作和轮作Ca2+含量显著低于单作和弃耕地(p<0.05)；在40—60 cm土层，单作Ca2+含量显著高于其他复垦模式(p<0.05)，弃耕地Ca2+含量较上层土壤Ca2+含量明显减少(p<0.05)。

图6 不同复垦模式不同粒径团聚体中Ca2+的含量及分布

3 讨论

不同粒级的团聚体在营养元素的保持、供应和转化能力等方面有着不同的作用[12]，一般认为土壤结构的好坏主要看土壤>0.25 mm团聚体的含量，其含量越高，土壤团聚性和结构越好。<0.25 mm的团聚体称为小团聚体,机械稳定性较差，这一级别团聚体所占比重越高，表明土壤愈分散[13-14]。本研究中，各复垦模式>0.25 mm粒径土壤团聚体含量较弃耕地显著增加，单作棉田、间作模式和轮作农田分别较弃耕地增加了15.77%，13.18%和15.55%，0.25～0.053 mm粒径中各复垦模式团聚体显著低于弃耕地(p<0.05)，单作、轮作和间作分别较弃耕地降低了45.94%，41.97%和38.80%，弃耕地及各复垦模式<0.053 mm粒径团聚体含量差异较小。说明弃耕地的不同复垦模式均可以改变土壤的团聚体比例，增加>0.25 mm的大团聚体含量，减少<0.25 mm小团聚体含量，不同复垦模式均改变了土壤团聚结构，增强了团聚体稳定性，改善了土壤的结构。这可能是因为弃耕地复垦后人为水肥管理投入养分，作物残差进入农田归还有机质，加速团聚体形成。Six等[15]在土壤大团聚体周转及土壤有机质变化的胚胎发育模型中认为，当新的植物残茬加入时，可促进团聚体中颗粒有机质(POM)的形成，POM被黏土矿物质和微生物分泌的粘液包裹，形成新微团聚体的核心，在土壤有机质胶结作用下，微团聚体、矿物质和POM结合形成大团聚体，促进土壤大团聚体数量增加。也有研究表明，短期玉米轮作对有机质及团聚体形成有良好的作用[16]。大豆玉米轮作有利于促进团聚体的形成，大豆玉米间作也可激发形成良好团粒结构的潜在能力[11]。豆科—禾本科轮作促进微团聚体的稳定以及大团聚体的形成[17]，与本文研究结果相似。

单作、间作、轮作中不同粒径团聚体Na+含量显著低于弃耕地，分别较弃耕地减少了87.62%，91.02%，95.12%，结果说明恢复耕作可以有效减少土壤中Na+的含量，随着恢复耕作Na+含量明显降低，因为Na+为一价阳离子，被吸附和凝聚的能力较弱，在土壤中比较活跃，易随着灌溉水被淋洗，耕作灌水作用减少土壤中Na+含量[18]。不同复垦模式Na+含量主要集中于表层，说明Na+随着水分的蒸发上升至土壤表层，造成Na+在土壤表层富集。K+的交换能力比Na+强，易被土壤吸附，不易被水淋洗，所以恢复耕作后，K+含量虽然减少但并不如Na+不迅速[19]。Ca2+与Mg2+为二价离子,两种阳离子的化学性质、代换、吸附及凝聚力等性质相近，因此土壤中Ca2+与Mg2+的分布特征和变化趋势可能存在相似性[10,18]。本研究中不同复垦模式Ca2+含量主要集中于<0.053 mm和0.25～0.053 mm 两个粒径团聚体中，不同复垦模式Ca2+含量在>0.25 mm粒径中均显著低于其他粒径，说明Ca2+主要集中于微团聚体中，这是由于小粒径团聚体比表面积较大，能够吸附较多的有机质，有利于有机—无机复合胶体的形成，而Ca2+容易与土壤胶体紧密结合，所以在小团聚体中Ca2+含量较多[20]。

整体而言，不同复垦模式对盐分离子均有影响，单作可显著降低Na+含量，但会使Ca2+，Mg2+，K+含量增加，间作和轮作方式均显著减少盐阳离子含量，且间作和轮作各盐阳离子含量均显著低于单作，说明单作虽然能够减少土壤中的盐阳离子含量，但是相较于轮作及间作盐分离子更易聚集。在植被的恢复过程中，我们采用轮作或间作的复垦模式更有利于盐碱地水溶性阳离子的减少，加快改善该区域盐分含量，为植被创造良好的生长环境。