桑文 王卫超 杨磊 张凤华

摘要：通过新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地田间试验，研究了弃耕地不同恢复年限对土壤团聚体组成分布及稳定性的影响，从而对弃耕地不同恢复年限处理土壤团聚体特性的变化做出评价。结果表明，盐渍化弃耕地开垦后增加了大团聚体数量（特别是>5 mm和5～2 mm粒径团聚体），且随着恢复年限的增加，整体上大团聚体（直径>0.25 mm）比例均呈先下降（恢復1年）后增加的趋势，微团聚体（<0.25 mm）比例呈先增加（恢复1年）后下降的趋势。团聚体R0.25、MWD和GMD恢复1年较弃耕地有所降低，恢复5年、恢复10年和恢复15年均高于弃耕地，且随着恢复年限的增加呈增加的趋势；土壤团聚体D随着恢复年限的增加呈现出相反的趋势。盐渍化弃耕地在恢复5年的土壤中团聚体结构性和稳定性显著高于弃耕地，随着恢复年限的增加表现出增加的趋势。

关键词：弃耕地；团聚体；稳定性；干旱区

中图分类号：S152.4+7 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）14-0027-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.006 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Through the field trials of salinized abandoned farmland in the Manas River basin in Xinjiang，the effects of different restoration years of abandoned farmland on the composition and stability of soil aggregate were studied， and the changes of soil aggregate properties under different restoration years of abandoned farmland were evaluated. The results showed that the number of large aggregates（especially>5 mm and 5～2 mm agglomerates） was increased after reclamation of salted abandoned land，and with the increase of planting period after reclamation，the proportion of large aggregates（diameter>0.25 mm） showed decreased first（after 1 year） and then increased trend，and the proportion of micro-aggregates （<0.25 mm） increased first（after 1 year） and then decreased. The agglomerates R0.25，MWD and GMD decreased in the first year of restoration，and recovered for 5 years，recovered for 10 years and recovered 15 years higher than abandoned farmland，and showed an increased trend with the increase of recovery period. The fractal dimension of soil aggregates showed the opposite trend with the increase of recovery period. The structure and stability of aggregates in salted soils were significantly higher than those in abandoned soils after 5 years of restoration， and showed an increased trend with the increase of recovery period.

Key words： abandoned farmland； aggregates； stability； arid area

土壤盐渍化问题是影响干旱区农业发展和绿洲生态环境稳定的重要因素之一[1]。新疆地处干旱地区，不合理的灌溉及施肥措施等导致原有的水盐平衡被破坏，加之降水少、蒸发量大使土地次生盐渍化问题加剧，导致大量农田被迫弃耕。自2000年以来，随着滴灌技术在新疆地区广泛应用，大量盐渍化弃耕地得以复垦[2]。通过科学合理的垦殖方式不仅能够提高土壤质量，而且能够维持绿洲生态系统的可持续发展。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，由土壤颗粒凝聚、胶结和黏结而相互联结组成[3]。土壤团聚体不仅是评价土壤质量和土壤肥力的主要指标[4]，而且与土壤的抗蚀能力以及环境质量具有密切关系[5]，其大小、数量及其在土壤中的分布状况是土壤重要的物理性质。团聚体由黏粒与有机物质胶结形成，土壤团聚体的形成及其稳定性的提高与土壤中有机碳数量的增加有密切联系[6]；相关研究表明，表土中将近90%的土壤有机碳位于团聚体内[7]。土壤团聚体的粒级分布和稳定性与退耕类型、年限等有明显的关系[8]，不同级别的团聚体对于协调土壤养分的保持与供应、改善孔隙组成、水力学性质和生物学性质具有不同的作用。土壤团聚体R0.25是表征土壤中>0.25 mm粒径的团聚体（大团聚体）所占的比例，其数量与土壤的肥力状况呈正相关[9]。平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）作为土壤团聚体状况综合评价指标已被广泛使用，其值越大表示土壤的平均粒径团聚度越高，团聚体稳定性越强[10]。土壤团粒结构粒径分布的分形维数是表征土壤团聚体的分布状况[11]，土壤团聚体分形维数D与团聚体的分散度呈正相关。当D接近2时，表明团聚体主要由数量较少的大结构体组成[12]，即团粒结构粒径分布的分形维数愈小，土壤中>0.25 mm粒径的团粒含量越高，土壤密度也越小，土壤越疏松，土壤通气度越大，团聚体稳定性也越强[13]。

本课题以干旱区玛纳斯河流域盐渍化弃耕地为研究对象，研究弃耕地恢复后农田土壤团聚体分布、团聚体数量（>0.25 mm的团聚体的比例）、团聚体大小（MWD和GMD）及分形维数（D）的变化，以期探明不同恢复年限土壤团聚体结构稳定性差异，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为干旱区绿洲盐碱地的开发与利用提供理论依据。

1 研究區概况与方法

1.1 研究区概况

研究区位于准噶尔盆地南缘，玛纳斯河流域冲积扇缘地带十户滩镇，干旱少雨，年降水量为110～200 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，年平均气温6.6 ℃，≥10 ℃积温达到3 490 ℃，无霜期148～187 d，属于典型的大陆性气候，研究区域处于冲积洪积扇缘地带，地下水位高，长期处于“盐随水来，水去盐留”的状态，强烈的蒸发加速了盐分的表聚；再加上长期的不合理灌溉加剧了盐渍化进程，形成大面积次生盐渍化土壤。

1.2 研究方法

1.2.1 土样采集与分析 试验点选择因次生盐渍化而弃耕的土地，弃耕年限为29年，对样地进行不同年限的人工垦殖恢复：①原始弃耕地（面积5 hm2）作为对照；②恢复1年处理（种植棉花1年，面积10 hm2）；③恢复5年处理（连续种植棉花5年，面积30 hm2）；④恢复10年处理（连续种植棉花10年，面积20 hm2）；⑤恢复15年处理（连续种植棉花15年，面积30 hm2）。种植过程按以下标准进行：种植作物均为棉花，种植密度为2.4×104株/hm2，采用膜下滴灌方式进行灌溉，整个棉花生长期灌8～10次，年灌水总量为4 500 m3/hm2。并于棉花生长季节，按照氮肥300 kg/hm2和磷肥200 kg/hm2的使用量将氮肥及磷肥通过膜下滴灌方式随水施入。棉花收获后期，秸秆全量还田（施用量6 000～7 500 kg/hm2），同时将尿素（150 kg/hm2）及过磷酸钙（450 kg/hm2）作为基肥深翻施入土壤。分别于原始弃耕地（CK）、恢复1年、恢复5年、恢复10年和恢复15年样地中按照对角线法选取2 m×2 m样点3个，挖取土壤剖面（0～60 cm），并采用环刀法测定土壤容重及含水量。取土壤团聚体样品时，先将土壤表面的植被及其他杂物小心去除，取原状土样装入硬质塑料盒内带回，途中避免对原状土的挤压，将土壤样品在室温下风干，样品达到塑限（土壤含水量约为20%）的程度后，沿土壤自然结构轻轻掰成直径1 cm3左右的小土块，用于土壤团聚体筛分；土层样品经风干过筛后直接用于基本理化性质测定。各处理土壤的基本理化性质见表1。

1.2.2 土壤团聚体的筛分 机械稳定性团聚体的分级采用干筛法。风干过程中，去除植物根系与石块等杂质后，取样品100 g，转移至一组直径为30 cm的套筛，筛子孔径依次为8、5、2、1、0.25和0.053 mm，筛分时间为10 min，筛分结束后，称量各孔径筛子上土样重量Wdi，计算各级团聚体占土样总量的百分比。

1.3 数据处理

对筛分后的各粒级团聚体数据，分别计算大于0.25 mm团聚体的含量（R0.25）、平均重量直径（MWD）、几何均重直径（GMD）和分形维数（D）用于评价团聚体的结构性和稳定性。wi为i 粒级团聚体重量所占的比例，按式（1）计算。

采用SPSS 17.0软件对数据进行显著性检验和相关性分析，采用邓肯法进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 盐渍化弃耕地不同恢复年限土壤团聚体的组成分布

由图1可知，开垦后土壤中大团聚体含量（>0.25 mm）较开垦前增加22.06%，中团聚体（0.250～0.053 mm）较开垦前差异不明显，微团聚体（<0.053 mm）较开垦前降低14.0%。且随着恢复年限的增加，大团聚体（特别是>5 mm和5～2 mm粒径团聚体）比例呈先下降后增加的趋势，恢复1年最低，恢复5年与弃耕地之间差异不显著，恢复10年和恢复15年较弃耕地有显著增加；>5 mm粒径中恢复10年和恢复15年分别较弃耕地增加了17.97%和100.47%，5～2 mm粒径中恢复10年和恢复15年分别较弃耕地增加了32.36%和41.67%；2～1 mm粒径中恢复1年较弃耕地有显著的下降，恢复5年、恢复10年和恢复15年之间差异不显著但显著高于弃耕地，分别较弃耕地增加了18.56%、20.46%和21.33%；1～0.25 mm粒径中恢复1年、恢复5年、恢复10年和恢复15年均显著高于弃耕地，分别较弃耕地增加了51.80%、33.68%、22.46%和50.37%；0.250～0.053 mm粒径团聚体均占不同恢复年限各粒径土壤团聚体比例最高，且随着恢复年限的增加呈递减的趋势，弃耕地、恢复1年和恢复5年之间差异均不显著，恢复10年、恢复15年显著低于弃耕地，分别较弃耕地下降了5.89%和22.10%；<0.053 mm粒径团聚体随着恢复年限的增加整体上呈现出先增加（恢复1年）后下降的趋势，不同恢复年限处理之间差异均显著，恢复5年、恢复10年和恢复15年较弃耕地均有显著的下降，分别降低了12.36%、24.51%和44.81%；

综上所述，随着恢复年限的增加，>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒径团聚体呈现先下降（恢复1年）后增加的趋势；1～0.25 mm粒径中垦殖后各处理均显著高于弃耕地；且恢复1年时增加最显著；0.250～0.053 mm粒径团聚体均占不同恢复年限各粒径土壤团聚体比例最高，随着恢复年限的增加呈现递减的趋势，恢复1年、恢复5年与弃耕地之间差异不显著；<0.053 mm粒径团聚体随着恢复年限的增加呈现先增加（恢复1年）后下降的趋势。

2.2 盐渍化弃耕地不同恢复年限对土壤团聚体稳定性的影响

2.2.1 土壤团聚体R0.25的变化 由图2可知，恢复15年、恢复10年、恢复5年土壤团聚体R0.25较开垦前分别增加了57.06%、23.39%和10.50%，较弃耕地和恢复1年差异显著。0～60 cm土层中随着恢复年限的增加，土壤团聚体R0.25先降低后增加，且各处理之间差异均显著，恢复15年（0.54）最高，恢复1年（0.31）最低；恢复15年土壤团聚体R0.25较恢复10年、恢复5年、恢复1年分别增加了27.29%、42.14%和71.73%。

2.2.2 盐渍化弃耕地不同恢复年限土壤团聚体MWD和GMD的变化 供试土壤团聚体MWD和GMD的变化见图3。由图3可知，弃耕地开垦后土壤团聚体MWD和GMD随着恢复年限的增加，均呈现先降低（恢复1年）后增加的趋势；表现为恢复15年>恢复10年>恢复5年>弃耕地>恢复1年。通过对MWD的分析可以看出，除弃耕地与恢复5年之间差异不显著外，与其余各处理之间差异均显著，恢复1年较弃耕地降低26.16%，恢复10年、恢复15年较弃耕地分别增加20.82%和63.50%，恢复15年（1.67）最高，恢复1年（0.75）最低，恢复15年较恢复10年、恢复5年、恢复1年分别增加35.32%、63.26%和121.42%；GMD表现为不同处理之间差异均显著，恢复1年较弃耕地降低19.10%，恢复5年、恢复10年、恢复15年较弃耕地分别增加7.89%、30.77%和93.92%，恢复15年（0.57）最高，恢复1年（0.24）最低，恢复15年较恢复10年、恢复5年、恢复1年分别增加48.29%、79.74%和139.69%。

2.2.3 盐渍化弃耕地不同恢复年限土壤团聚体分形维数（D）的变化 对供试土样的土壤团聚体数据按照公式（6）进行数学拟合（R2均大于0.90）。由不同恢复年限土壤团聚体D变化（图4）可知，恢复5年、恢复10年和恢复15年较弃耕地分别降低1.35%、2.33%和4.32%。随着恢复年限的增加，D先增加后降低，各处理之间差异均显著，恢复1年（2.67）最高，恢复15年（2.54）最低；恢复15年土壤团聚体D较恢复10年、恢复5年、恢复1年分别降低2.03%、3.00%和4.98%。

3 小结与讨论

研究结果表明，盐渍化弃耕地在开垦后显著增加土壤大团聚体（>0.25 mm）数量，减少了微团聚体（<0.25 mm）数量。>0.25 mm团聚体含量与弃耕地相比增加22.06%。弃耕地开垦后，土壤有机碳含量增加[17]。土壤有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结剂，其含量的增加有利于土壤结构的形成和稳定性的增强[18]。随着开垦年限的增加，其土壤大团聚体数量（R0.25）、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均呈现出先降低（恢复1年）后增加的趋势，且恢复1年土壤团聚体分形维数（D）较弃耕地增加显著，说明恢复1年时土壤中大团聚体数量减少、团聚体的平均粒径团聚度和稳定性均有所降低，可能是由于盐渍化弃耕地在开垦过程中机械耕作等措施破坏了土壤中原有大团聚体的结构，减少了土壤团聚作用的发生[19]，以及垦殖过程改变了原有土壤的温度、湿度及通气性等环境条件，有利于土壤微生物的生长繁殖[20]；同时土壤中有机碳来不及积累，使得土壤中原有的有机碳加速分解，大团聚体碎裂成较小的团聚体[21]。之后随着垦殖年限的持续增加，恢复5年、恢复10年和恢复15年土壤中R0.25、MWD和GMD均表现为增加，此外，D在恢复5年、恢复10年和恢复15年均显著低于弃耕地，且随着恢复年限的增加呈下降的趋势，R0.25、MWD、GMD和D的变化说明随着恢复年限的增加土壤的结构和稳定性都表现出增强的趋势。这是由于随着垦殖年限的增加，一方面土壤中枯枝落叶数量增加，土壤中有机碳数量也随之增加，土壤有机碳作为土壤团聚体的胶结物质，促进了土壤中大团聚体的形成[22]；另一方面本研究采用全量秸秆还田，不但可以显著提高土壤的有机碳含量，形成有机胶结质，还降低了耕作对土壤的过度干扰[23]，范如芹等[24]研究表明秸秆还田能够显著提高大团聚体含量和团聚体稳定率，增加土壤结构体的稳定性，能有效缓解土壤的退化过程。巩文峰等[25]研究也表明传统耕作下的秸秆还田对土壤表层中的土壤团粒形成有促进作用；加之耕作过程中灌溉、施肥等农业措施增加了土壤含水量，使土壤微生物数量和种类增加，改变了原有的土壤结构和生物、化学性质[26]，从而改善了土壤团聚体结构和稳定性。

综上所述，①弃耕地开垦增加了土壤大团聚体数量，减少了微团聚体数量。②土壤团聚体R0.25、MWD和GMD随着恢复年限的增加较原始弃耕地均有显著的增加；土壤团聚体D呈相反的规律。③盐渍化弃耕地随着恢复年限的增加，在恢复5年之后土壤团聚体结构性和稳定性较弃耕地均表现出增强的趋势。

本研究中将盐渍化弃耕地按不同时间进行垦殖，得到不同恢复年限试验结果，垦殖恢复最长年限为15年，但为了进一步研究垦殖恢复过程对盐碱弃耕地土壤肥力等恢复的影响，应设长期定位试验，还需进一步进行验证。

参考文献：

[1] 姚 远，丁建丽，雷 磊，等.干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性[J].生态学报，2003，33（17）：5308-5309.

[2] YANG H C，ZHANG F H，CHEN Y，XU T B，et al. Assessment of reclamation treatments of abandoned farmland in arid region of China[J].Sustainability，2016，8（11）：1183.

[3] 张 华，张甘霖.土壤质量指标和评价方法[J].土壤，2001（6）：326-330，333.

[4] 张兴昌，邵明安.水蚀作用下不同土壤氮与有机质流失[J].应用生态學报，2000，11（2）：231-234.

[5] 王春阳，周建斌，郑险峰，等.不同栽培模式对小麦-玉米轮作体系土壤硝态氮残留的影响[J].植物营养与肥料学报，2007，13（6）：991-997.

[6] 李 睿，江长胜，郝庆菊.缙云山不同土地利用方式下土壤团聚体中活性有机碳分布特征[J].环境科学，2015，36（9）：3439-3437.

[7] 刘中良，宇万太.土壤团聚体中有机碳研究进展[J].中国生态农业学报，2011，19（2）：447-455.

[8] 安韶山，张 玄，张 扬，等.黄土丘陵区植被恢复中不同粒级土壤团聚体有机碳分布特征[J].水土保持学报，2007，21（6）：109-113.

[9] SIX J，ELLIOTT E T，PAUSTIAN K. Soil structure and soil organic matter：П. A normalized stability index and the effect of mineralogy[J].Soil Science Society of America Journal，2000，64：1042-1049.

[10] NIMMO J M，PERKINS K S. Aggregates Stability and Sized Distribution. In：Methods of Soil Analysis，Part 4-Physical Methods[M].Wisconsin，USA：Soil Science Society of America，Inc. Madison，2002.317-328.

[11] 周 虎，吕贻忠，杨志臣，等.保护性耕作对华北平原土壤团聚体特征的影响[J].中国农业科学，2007，40（9）：1973-1979.

[12] CASTRIGNAN？魹 A，STELLUTI M. Fractal geometry and geostatistics for describing the field variability of soil aggregation[J].Agricultural Engineering Research，1999（73）：13-18.

[13] 姚贤良.土壤结构的肥力意义[J].土壤学报，1965，13（1）：111-117.

[14] VAN BAVEL C H M. Mean weight-diameter of soil aggregates as a statistical index of aggregation[J].Soil Science Society of America Proceedings，1950，14：20-23.

[15] MAZURAK A P. Effect of gaseous phase on water stable synthetic aggregates[J].Soil Science，1950，69：135-148.

[16] 杨培岭，罗远培，石元春.用粒径的重量分布表征的土壤分形特征[J].科学通报，1993，38（20）：1896-1899.

[17] ZHANG F H，YANG H C，GALE W J，et al. Temporal changes in soil organic carbon and aggregate-associated organic carbon after reclamation of abandoned，salinized farmland[J].The Journal of Agricultural Science，2017，155（2）：205-215.

[18] 程 曼，朱秋莲，刘 雷，等.宁南山区植被恢复对土壤团聚体水稳定及有机碳粒径分布的影响[J].生态学报，2013，33（9）：2835-2844.

[19] SIX J，ELLIOTT E T，PAUSTIAN K，et al. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal，1998，62：1367-1377.

[20] 蒋先军，李 航，谢德体，等.分形理论在土壤肥力研究中的应用与前景[J].土壤，2007，39（5）：677-683.

[21] SIX J，ELLIOTT E T，PAUSTIAN K.Soil microaggregate turnover and microaggregate formation：A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture[J].Soil Biology and Biochemistry，2000，32（14）：2099-2103.

[22] 李恋卿，潘根兴，张旭辉.退化红壤植被恢复中表层土壤微团聚体及其有机碳的分布变化[J].土壤通报，2000，31（5）：193-195.

[23] BARRETO R C，MADARI B E，MADDOCK J E L，et al. The impact of soil management on aggregation，carbon stabilization and carbon loss as CO2 in the surface layer of a rhodic ferralsol in Southern Brazil[J]. Agriculture， Ecosystems & Environment，2009，132（3-4）：243-251.

[24] 范如芹，梁愛珍，杨学明，等.耕作方式对黑土团聚体含量及特征的影响[J].中国农业科学，2010，43（18）：3767-3775.

[25] 巩文峰，李玲玲，张晓萍，等.保护性耕作对黄土高原旱地表层土壤理化性质变化的影响[J].中国农学通报，2013，29（32）：280-285.

[26] 李 玮，郑子成，李廷轩，等.不同植茶年限土壤团聚体及其有机碳分布特征[J].生态学报，2014，34（21）：6326-6336.