不同农作方式对阿克苏地区土壤物理特性的影响

丛小涵，王卫霞

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】土壤容重、土壤孔隙度、土壤颗粒组成及土壤导水能力和贮水特征等是重要的土壤物理因子[1]，它们的空间变化不仅决定土壤温度、气体、结构、渗透保水等能力，而且影响土壤养分的运输、供应和生物组成[2]。土壤物理性质同样也是评价土壤质量的重要指标之一[3]，农作方式的不同，土壤的物理性质必然存在不同程度的差异。因此，了解土壤物理性质的空间变异性，对于准确地研究区域土壤水循环和植被生长等具有重要意义。【前人研究进展】合理的农作方式会使土壤结构得到改善进而增强土壤对外界环境变化的抵抗力，而不合理的农作方式则会导致土壤颗粒粗化、质量下降[4]。有研究表明受人类干扰程度较大的农田比干扰较小的林地土壤容重明显增大[5]。土壤孔隙度在土壤结构中起重要作用，是土壤物理学研究的一个重要参数，不同农作方式会显著影响土壤孔隙度[4,6-8]。土壤团粒结构可以反映土壤特性，评价土壤质量。大量研究表明不同的农作方式可以影响土壤团聚体的形成、数量和质量[3,6,7,9]。【本研究切入点】新疆阿克苏地区有着独特的光热条件、肥沃的水土条件和昼夜温差大等天然优势，其瓜果业和农业的发展已经成为该区域乃至我国的特色产业，随着近些年来的农业、瓜果业产业布局和结构的调整，农作方式已由单一的农田、果园单作转变为果农间作模式。迄今为止，对于该地区的研究主要集中于耕层(0～20 cm)土壤的理化性质、养分含量等方面，土壤物理性质的研究也仅限于对耕层土壤容重、含水量、孔隙度的简单对比分析，而对不同农作方式对耕下层土壤物理性质的研究还不够深入[10-13]。【拟解决的关键问题】在阿克苏地区温宿县选择具有代表性的农作方式(单作小麦、单作枣园、枣麦间作园、荒地单作枣园、撂荒地)作为研究对象，研究不同农作方式对深层土壤容重、孔隙度、含水量等的影响，以期为该地区土地管理以及最优林果栽培模式选择提供一定的基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于阿克苏地区温宿县克孜勒镇，地处79°28′～81°30′ E，40°52′～42°21′ N之间，平均海拔2100 m，属于大陆性暖温带干旱气候，四季分明，昼夜温差大，春季升温快而不稳，秋季短暂而降温迅速，多晴少雨，光照充足，空气干燥。年均气温10.10 ℃，极端低温-27.4 ℃，年均降水量65.4 mm，年蒸发量956.3 mm，年均日照时数2747.7 h，年均无霜期185 d。

1.2 研究方法

1.2.1 样地布设与土壤样品的采集 在阿克苏地区温宿县克孜勒镇范围内选择单作小麦(DM)、单作枣园(DZ)、枣麦间作园(ZM)，荒地单作枣园(HZ)、撂荒地(HD)等5种不同的农作方式作为研究对象，其中单作枣园和枣麦间作园均为农田改建的枣园，荒地单作枣园为开荒种植的枣园。枣树年龄均为10年左右，以单作小麦地和撂荒地作为对照样地。在每种农作模式下均选择3个生产园作为试验的重复。每个生产园以“S”形布设6个取样点，0～40 cm土层范围按10 cm间隔采样，40～100 cm土层范围按20 cm间隔采样，把采集的土壤样品带回实验室，进行相关指标的测定。

1.2.2 测定指标与方法 土壤容重采用环刀法测定；土壤自然含水量采用烘干法测定；

土壤饱和含水量利用公式(1)计算：

W=F/B

(1)

式中,F为土壤孔隙度，B为土壤容重；

土壤孔隙度利用公式(2)计算：

F=(1-B/S)× 100%

(2)

式中,F为土壤孔隙度，B为土壤容重，S为土壤密度；

土壤团聚体组成采用湿筛法测定；

用平均重量直径(MWD) 和几何平均直径(GMD)来评价土壤团聚体稳定性，利用公式(3～4)计算：

(3)

(4)

1.3 数据处理

数据采用Excel 2019与SPSS 18.0软件进行数据处理分析，采用Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同农作方式下土壤容重变化

土壤容重是反映土壤结构状况的敏感性指标，在很大程度上可以反映土壤的紧实程度，是评价土壤质量的重要指标之一[10-14]。由表1可以看出，几种不同农作方式下0～100 cm土层平均土壤容重大小依次为：撂荒地>单作小麦>荒地单作枣园>枣麦间作园>单作枣园。由农田更替为枣园及枣麦间作园后，各层土壤容重均表现为下降，下降幅度为1.26%～14.65%,其中只有0～10和80～100 cm土层达到显著水平(P<0.05)。撂荒地改建为枣园后的土壤容重也均表现为下降，下降幅度为1.96%～13.33%，仅有10～20 cm土层下降达到显著水平(P<0.05)。从垂直土壤剖面来看，不同农作方式下土壤容重总体上表现为随着土壤深度的增加呈现出先增加后减小的变化趋势，即在本研究区内土壤表现为先紧实而后疏松的特点。

2.2 不同农作方式下土壤孔隙度变化

土壤孔隙度对土壤通气、水分的保持和转移以及根系的穿插生长有着重要影响，土壤孔隙度大表明土壤较为疏松，其保水与透气性相较之下较为良好[15-16]。对不同农作方式下的土壤孔隙度进行分析，结果如表2所示。不同农作方式下0～100 cm土层土壤平均孔隙度大小依次为：单作枣园>枣麦间作园>荒地单作枣园>单作小麦>撂荒地。由农田更替为枣园或枣麦间作园后，各土层土壤孔隙度均表现为增大，其中0～10、60～80和80～100 cm土层显著增加(P<0.05)。与农田单作小麦相比，枣园和枣麦间作园各土层土壤孔隙度增幅分别为5.45%～18.38%和3.24%～13.64%。撂荒地改建为枣园后土壤总孔隙度仅0～10 cm土层显著增加(P<0.05)，增幅为8.51%。从垂直土壤剖面来看，不同农作方式下土壤孔隙度总体上表现为随着土壤深度的增加呈现出先减小后增加的变化趋势，和土壤容重的剖面分布正好相反。

表1 不同农作方式下土壤容重

2.3 不同农作方式下土壤含水量变化

土壤水分是土壤重要的组成物质，是土壤养分元素循环和流动的主要载体。土壤自然含水量和饱和含水量是评判土壤水分条件的重要指标，能很好地反映土壤的持水、供水能力，并影响土壤内养分的运输[16]。对研究区内不同农作方式下0～100 cm土层土壤的含水量进行测定，结果如表3所示。5种农作方式下土壤自然含水量在垂直剖面上均呈现出随着土壤深度的增加而增大的趋势，饱和含水量则表现为随着土壤深度的增加呈现先减小后增大的趋势。由农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤各层的土壤自然含水量和饱和含水量均表现为增加的趋势，其各自增幅分别为3.82%～27.12%、15.28%～42.28%和1.95%～17.44%、10.28%～31.32%，其中土壤自然含水量的增加均未达到显著水平(P>0.05)，而饱和含水量的增加基本都达到显著水平(P<0.05)。撂荒地改建为枣园后土壤自然含水量和饱和含水量均显著增加(P<0.05)，增幅分别为76.22%～160%和3.03%～15.95%。

表2 不同农作方式下土壤孔隙度

表3 不同农作方式下的含水量

2.4 不同农作方式下土壤团聚体组成变化

通过湿筛得到的土壤大团聚体(>2 mm)在不同农作方式间及土壤剖面上看差异均不明显，0～100 cm土层平均含量依次为：单作小麦>枣麦间作>单作枣园>荒地单作枣园>撂荒地，由农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤大团聚体表现为下降，下降幅度分别为9.77%～29.06%和0.23%～21.72%。撂荒地改建为枣园后的土壤大团聚体含量表现为上升，上升幅度为9.07%～64.92%。

土壤中间团聚体(2～0.25 mm)含量在不同农作方式之间存在一定的差异且在土壤各粒径团聚体中占主体(图1)。在整个0～100 cm土层，单作枣园、枣麦间作、荒地单作枣园、撂荒地和单作小麦中间团聚体含量分别为49.65%、46.19%、43.81%、43.39%和40.81%。由农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤中间团聚体含量均表现为显著上升(P<0.05)，增幅分别为16.64%～22.22%和9.40%～16.79%。撂荒地改建为枣园后土壤中间团聚体含量也表现为增加，增加幅度为0.49%～4.19%。从土壤剖面上看，在小麦地、单作枣园和枣麦间作园中土壤中间团聚体含量随着土壤深度的增加表现为先增加后减小的变化趋势，而在撂荒地和荒地单作枣园中其含量随着土壤深度的增加表现为先减小后增加的趋势。

土壤微团聚体(0.25～0.053 mm)含量在荒地单作枣园和撂荒地土壤显著高于其它3种农作方式(P<0.05)，而在单作枣园模式下最低。由农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤微团聚体含量表现为下降，降幅为2.45%～37.47%和1.87%～18.79%。撂荒地改建为枣园后的土壤微团聚体含量表现为增加，增幅为0.72%～20.11%。

农作方式的变化对土壤粉+黏团聚体(<53 μm)含量的影响较为显著。在0～100 cm土壤深度内，土壤粉+黏团聚体含量为单作小麦(28.67%)>单作枣园(24.61%)>枣麦间作(24.14%)，将农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤粉+黏团聚体含量显著下降(P<0.05)，下降幅度为7.27%～37.56%和3.26%～35.56%。而将撂荒地改建为枣园后，土壤粉+黏团聚体含量下降了5.25%～43.86%。从土壤剖面来看，农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤粉+黏团聚体含量基本上是随着土壤深度的增加而增加，而将撂荒地改建为枣园后，土壤粉+黏团聚体含量则表现为随着土壤深度的增加先增加后降低的趋势。

图1 不同农作方式下土壤团聚体组成Fig.1 Composition of soil aggregates under different farming patterns

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD和GMD值越大表示土壤团聚体平均直径团聚度越高，稳定性越强[17]。不同农作方式的MWD和GMD如图2所示，由农田更替为枣园或枣麦间作园后，随着土壤深度的增加，土壤团聚体稳定性逐渐减弱，而撂荒地和荒地枣园则逐渐增强。农田或撂荒地改建为枣园或枣麦间作园后，土壤MWD与GMD均表现为增加，这表明土壤团聚体的稳定性在增加。

2.5 土壤物理性质之间的相关性分析

土壤的形成是多种因素共同作用的结果，所以土壤容重、含水量、孔隙度、土壤颗粒组成等土壤物理性质会存在一定的相关性。对研究区不同农作方式下土壤物理性质的相关性进行分析，结果如表4所示，土壤容重与孔隙度、饱和含水量呈极显著负相关，与自然含水量呈极显著正相关。土壤孔隙度与自然含水量表现为显著负相关，与饱和含水量表现为显著正相关。土壤团聚体各组分均与其他指标呈显著或极显著的相关性。

图2 不同农作方式下土壤MWD和GMDFig.2 Soil MWD and GMD under different farming patterns

表4 土壤物理性质相关性分析

3 讨 论

土壤容重和土壤孔隙度是土壤基础物理性质指标，土壤容重可以反映土壤的紧密程度，对土壤孔隙度和土壤结构会产生直接影响。土壤孔隙状况则会影响土壤的通气性、透水性以及植物根系穿插的难易程度[6,7,18-20]。不同的农作方式及植物种类均会对土壤容重和土壤孔隙度产生一定影响。本研究区内0～100 cm土层土壤容重范围为1.31～1.66 g/cm3，0～100 cm土层平均土壤容重大小为撂荒地>单作小麦>荒地单作枣园>枣麦间作园>单作枣园，林地与农田地之间除0～10和80～100 cm土层外均无显著性差异。农田或撂荒地更替为枣园或枣麦间作园后各层土壤容重均表现为下降。不同农作方式下0～100 cm土层土壤平均孔隙度大小依次为：单作枣园>枣麦间作园>荒地单作枣园>单作小麦>撂荒地。由农田或撂荒地更替为枣园或枣麦间作园后，各土层土壤孔隙度均表现为增大。枣园和枣麦间作园土壤容重小，而土壤孔隙度大，这可能是由于枣树根系较发达且地表枯落物多，增加了土壤的通气透水性，另外根系的大量生长和穿插作用使土壤孔隙度增加、土壤容重降低[3,6,20]。与枣园和枣麦间作园相比，农田小麦地和撂荒地外源有机物质输入较少，土壤孔隙结构难以形成，从而使土壤容重保持较高水平[6]。高娃等[22]对土默川平原内陆半干旱地区典型的盐渍化区域不同土地利用方式下土壤容重及土壤孔隙度的研究也发现，0～20 cm土层土壤容重表现为荒地>牧草地>改良地>农田地>林地，土壤孔隙度表现为林地最大，荒地最小。

土壤保持水分的能力主要取决于土壤容重和土壤孔隙度。土壤容重越小，土壤相应较疏松，土壤孔隙度就越大，土壤保持水分的能力相对越大；相反土壤容重增大，土壤易发生板结，孔隙度减小同时土壤储存水分的空间相应减小，从而使土壤保持水分的能力降低[7]。本研究对不同农作方式下土壤含水量的分析结果验证了上述说法。农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤的自然含水量与饱和含水量均表现为单作枣园>枣麦间作园>单作小麦，主要是由于单作枣园的土壤容重最小，土壤疏松，土壤孔隙度最大，有利于水分的渗入，从而导致其含水量较高。这说明农田更替为枣园或枣麦间作园后可以有效地改善土壤结构，增加土壤保持水分的能力。

土壤团聚体组成及含量是土壤物理性质的敏感性指标，对土壤的保水保肥能力、抗侵蚀能力有着重要的影响[12]，可以反映土壤结构的稳定性。本研究通过湿筛法分析土壤团聚体组成，不同农作方式下土壤湿筛团聚体组成均以2～0.25 mm的中间团聚体为主，含量达38.95%～53.74%。李鉴霖等[23]研究表明，>0.25 mm的土壤团聚体被认为是土壤中最好的结构体，是维持土壤结构稳定的基础，其含量越高，土壤的结构稳定性越大。本研究中，>0.25 mm的土壤团聚体平均值表现为单作枣园>枣麦间作>单作小麦>荒地单作枣园>撂荒地，这与土壤的NWM和GMD的结果一致。农田改建为枣园或枣麦间作园后>0.25 mm的土壤团聚体含量显著增加(P<0.05)。这可能主要是和枣园和枣麦间作园的植被根系数量和根系分泌物有关，植被根系分泌产生的高分子黏胶物质与土壤颗粒相互作用促进土壤团聚体的形成[24]。撂荒地改建为枣园后，土壤粉+黏团聚体含量下降了5.25%～43.86%。土壤大团聚体、中间团聚体和微团聚体含量则表现为上升，上升幅度分别为9.07%～64.92%、0.49%～4.19%和0.72%～20.11%。这说明荒地改建为枣园后土壤粉+黏团聚体黏合形成了粒径更大的团聚体，由此提高和增强了土壤团聚体的稳定性，这可能是由于荒地改建为枣园后增加了土壤有机质所致[22]。

4 结 论

(1) 不同农作方式下土壤容重总体上表现为随着土壤深度的增加呈现出先增加后减小的变化趋势，即在本研究区内土壤表现为先紧实而后疏松的特点。不同农作方式下0～100 cm土层土壤平均孔隙度大小依次为：单作枣园>枣麦间作园>荒地单作枣园>单作小麦>撂荒地。从垂直土壤剖面来看，不同农作方式下土壤孔隙度的变化趋势和土壤容重的剖面分布正好相反。

(2) 不同农作方式下土壤湿筛团聚体组成均以2～0.25 mm的中间团聚体为主，含量达38.95%～53.74%。农田改建为枣园或枣麦间作园后>0.25 mm的土壤团聚体含量显著增加(P<0.05)。撂荒地改建为枣园后，土壤粉+黏团聚体含量下降了5.25%～43.86%。土壤大团聚体、中间团聚体和微团聚体含量则表现为上升，上升幅度分别为9.07%～64.92%、0.49%～4.19%和0.72%～20.11%。