不同開墾年限對新疆綠洲農田土壤理化性質的影響

張曉東, 劉志剛, 熱沙來提·買買提

(1.巴音郭楞職業技術學院 生物工程學院, 新疆 庫爾勒 841000; 2.新疆鄯善縣農技推廣中心, 新疆 鄯善 838200)

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不同開墾年限對新疆綠洲農田土壤理化性質的影響

張曉東1, 劉志剛2, 熱沙來提·買買提1

(1.巴音郭楞職業技術學院 生物工程學院, 新疆 庫爾勒 841000; 2.新疆鄯善縣農技推廣中心, 新疆 鄯善 838200)

研究了不同開墾年限對新疆綠洲農田土壤養分的變化規律，利用主成分得分的方法評價了開墾對新疆綠洲農田土壤質量的影響。結果表明：(1) 開墾有利于新疆綠洲農田土壤有機碳組分和POC/MOC值，開墾初期(0～3 a)增加迅速，9 a后緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平。(2) 不同開墾年限土壤含水量、pH、電導率和全鹽含量均顯著高于未開墾土壤(p<0.05)，土壤含水量和電導率在開墾初期(0～3 a)急劇增加，在開墾6 a前后達到最大值，此后的幾年緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平，土壤pH和全鹽含量隨開墾年限的增加而增加，開墾9 a以后緩慢增加。(3) 開墾9 a以上土壤養分和有效養分含量均顯著高于未開墾土壤(p<0.05)，并且基本呈一致的變化趨勢，即隨著開墾年限的增加呈先增加后趨于平穩或者降低趨勢。(4) 相關性分析表明，不同開墾條件下土壤養分與有效養分均呈現出一定的相關性。(5) 土壤質量的各項指標主成分分析結果表明，基本確定新疆綠洲農田開墾9 a后土壤質量開始退化。綜合上述結果可知：短期的開墾(開墾0～9 a)則有利于提高新疆綠洲農田土壤肥力及土壤養分的有效性，而長期的開墾(開墾年限>13 a)則造成土壤板結和鹽漬化，降低了土壤養分及有效養分含量。

開墾年限; 土壤養分; 綠洲農田; 新疆

土壤是復雜的自然綜合體，具有較大的時空尺度變化，由于氣候、成土條件、成土母質、開墾和耕作方式等導致土壤肥力差異性較大，進而影響土壤養分形態組分和變遷[1-2]。不同開墾方式和開墾年限可以通過改變土壤的水熱條件等影響土壤養分的流動與轉化，合理利用耕地資源可以有效提高土壤質量，增強其對外界環境變化的抵抗力[1,3-4]。近年來隨著精細農業的興起，亟需了解不同開墾年限土壤養分形態組分和變遷，以便于優化土地可持續利用。新疆是中國干旱區最主要的集中區，占國土總面積4%的綠洲卻承載了新疆95%以上的人口，同時，新疆又是我國重要的耕地資源后備基地，從20世紀50年代起，屯墾戍邊擁有大量未開墾地(沒有開墾過的自然土壤)，目前新綠洲面積已占新疆耕地總面積的35%左右[5-7]。由于區域內光熱水土的特殊組合，新疆綠洲農田形成獨具特色的農業，具備了建立優質、高產、高效農業的優越條件[8-9]，但獨特的氣候資源條件也造就了新疆為土壤鹽漬化大區，并且隨著墾殖年限的延長，帶來的土壤板結、肥力下降、鹽漬化等問題[3-4,10-11]。因此，在干旱綠洲區完全灌溉條件下，從時間演替的角度分析新疆綠洲農田開墾后土壤養分和質量的動態變化研究，可為綠洲農田土壤質量的維護和利用提供數據支撐。本研究以新疆瑪河流域綠洲農田為例，研究不同開墾年限對新疆綠洲農田土壤養分的變化規律，利用主成分得分的方法評價墾殖對新疆綠洲農田土壤質量的影響，從而掌握該區域農田土壤退化特征及演變規律，對綠洲農田土壤退化的恢復也有一定的指導意義。

1　材料與方法

1.1研究區概況

瑪河流域是準噶爾盆地最大的內陸河，位于新疆天山北坡的中段，準噶爾盆地南緣(84°43′—86°35′E，43°21′—45°20′N)，面積約為3.1萬km2，≥10℃有效積溫3 400～3 800℃，無霜期160～180 d，日照時數豐富，年平均日照2 600～3 000 h，年蒸發量1 700～2 200 mm，農田灌溉主要靠天山降雨及融水匯集的河流徑流水。瑪河流域存在由于水土開發不當造成嚴重的土地次生鹽漬化現象，近40 a來，瑪河流域已開墾40多萬公頃耕地變荒漠為綠洲，成為新疆最大綠洲農耕區和全國第四大灌溉農業區，隨著水土資源開發利用規模的不斷擴展，土壤退化現象尤其嚴重。自然植被以荒漠和荒漠草原植被為主，主要有芨芨草、駱駝刺、紅柳等，土壤類型為灰漠土，農田開墾前均處于原始狀態，為典型鹽土，開墾后農田主要種植作物為棉花，膜覆棉花、連作的栽培模式以及秋深翻冬灌、秸稈還田的耕作方式[6-7]。2014年7—8月，按照離綠洲中心距離從遠至近選擇從未開墾土地(開墾0 a)和墾殖3 a，6 a，9 a，13 a和20 a等農田土壤為采樣點，每一農田樣地面積10～15 hm2左右，在上述不同墾殖年限農田樣地取0—30 cm混合土樣，每個樣地重復取樣5次，采用四分法將土樣裝入布袋，帶回實驗室自然風干20 d，研磨過0.5 mm篩保存備用。

1.2樣品指標測定

土壤樣品經自然風干后，去除植物根系等雜物過2 mm篩。土壤pH采用電極電位法(2.5∶1水土比浸提液)；土壤電導率采樣電導法；總有機碳和全氮采用元素分析儀(Element，意大利)；全磷采用NaOH堿溶—鉬銻抗比色法；有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；有效氮采用NaOH-H3BO3法；有效鉀和全鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法；不同粒徑土壤顆粒有機碳組分的分離，研磨過0.25 mm篩，采用Anderson和Tiessen的改進法，分離出的組分，60℃水浴鍋蒸干，然后60℃烘干12 h，冷卻，稱重[12]。

1.3統計分析

利用Excel 2003和SPSS 18.00軟件對數據進行分析，單因素方差進行分析(One-way ANOVA)，顯著性分析采用LSD法。

2　結果與分析

2.1不同開墾年限對土壤顆粒有機碳的影響

表1可知，不同粒徑土壤顆粒有機碳在土壤總有機碳中的分配存在較大差異，均顯著高于未開墾土壤(p<0.05)。不同開墾年限砂粒有機碳含量在各粒徑土壤顆粒有機碳含量中含量最小，為0.46～1.35 g/kg，開墾初期(0～3 a)，砂粒有機碳含量增加迅速，9 a前后砂粒有機碳含量達到峰值，此后的幾年緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平，但仍高于未開墾地砂粒有機碳含量。由此可知，墾殖初期對土壤砂粒有機碳的影響較為明顯，9 a左右達到最大值后稍有減少并保持相對穩定水平；粉砂粒有機碳含量最大，為1.62～3.96 g/kg，較砂粒有機碳高出2～3倍，成為土壤固持有機碳的最主要有機碳庫，墾初期(0～3 a)，砂粒有機碳含量增加迅速，9 a前后砂粒有機碳含量達到峰值，此后的幾年緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平，但仍高于未開墾地砂粒有機碳含量；黏粒有機碳含量為1.54～2.97 g/kg，隨著開墾年限的增加呈先增加后降低趨勢，在9 a左右達到最大值后稍有減少并保持相對穩定水平；總有機碳、POC/MOC與不同粒徑土壤顆粒有機碳變化趨勢相一致。與未開墾土壤相比，不同開墾年限砂粒有機碳含量分別高出1.30，1.46，1.93，1.33，1.24倍，粉砂粒分別高出0.87，0.94，1.28，0.88，0.81倍，黏粒分別高出0.38，0.66，0.93，0.82，0.65倍，POC/MOC分別高出0.48，0.62，0.76,0.36，0.28倍，總有機碳分別高出0.49，0.96，1.00，0.90，0.83倍。

表1　土壤中不同粒徑土壤顆粒結合有機碳含量

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2不同開墾年限對土壤理化性質的影響

由圖1可知，不同開墾年限土壤含水量、pH、電導率和全鹽含量均顯著高于未開墾土壤(p<0.05)。土壤含水量變化范圍為5.36%～7.89%，開墾初期(0～3 a)，土壤含水量急劇增加，在開墾6 a前后達到最大值，此后的幾年緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平；土壤pH變化范圍為7.56～8.38，隨開墾年限的增加而增加，開墾初期(0～6 a)，土壤pH緩慢增加，開墾9 a以后急劇增加，此后的幾年則緩慢增加；土壤電導率與土壤含水量變化趨勢相一致，其變化范圍為56.3～86.2 μS/cm2；全鹽含量隨開墾年限的增加而增加，其變化范圍為35.2%～52.7%，在開墾3 a以后顯著增加，而后出現一個平穩增加的趨勢，在13 a以后則急劇增加。與未開墾土壤相比，不同開墾年限土壤含水量分別高出34.51%，47.20%，39.18%，34.89%和34.51%，pH分別高出0.93%，1.19%，13.23%，16.14%和16.80%，電導率分別高出40.67%，50.44%，53.11%，51.51%和42.81%，全鹽分別高出23.58%，33.24%，37.22%，40.06%和52.56%。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1不同開墾年限對土壤理化性質的影響

2.3不同開墾年限對土壤養分的影響

由圖2可知，不同開墾年限土壤養分含量均顯著高于未開墾土壤(p<0.05)，并且基本呈一致的變化趨勢，即隨著開墾年限的增加呈先增加后趨于平穩或者降低趨勢。土壤全氮含量變化范圍為0.87～1.98 g/kg，開墾初期(0～6 a)，土壤全氮緩慢增加，在開墾9 a達到最大值，此后有所降低并趨于平穩；土壤全磷變化范圍為0.82～0.92 g/kg，隨開墾年限的增加而增加，局部有所波動；土壤全鉀含量變化范圍為21.35～32.14 g/kg，在開墾3 a以后顯著增加，而后出現一個平穩增加的趨勢，在開墾9 a達到最大，此后的幾年緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平；土壤有效氮含量變化范圍為32.59～49.53 mg/kg，在開墾3 a以后顯著增加，而后出現一個平穩增加的趨勢，其最大值在開墾13 a達到最大，此后的幾年則急劇下降；土壤有效磷和有效鉀變化范圍分別為1.6～3.1 g/kg，42.6～81.3 mg/kg，二者均隨開墾年限的增加呈先增加后趨于平穩或者降低趨勢，在開墾9 a達到最大值，此后的幾年則緩慢下降并趨于一個相對穩定的水平。與未開墾土壤相比，不同開墾年限土壤全氮含量分別高出41.38%，44.83%，127.59%，88.51%和93.10%，全磷含量分別高出3.66%，10.98%，12.20%，8.54%和10.98%，全鉀含量分別高出34.61%，47.82%，50.4%，44.17%和39.16%，有效氮含量分別高出26.97%，39.67%，45.01%，51.89%和26.67%，有效磷含量分別高出50.00%，81.25%，93.75%，75.00%和81.25%，有效鉀含量分別高出72.54%，76.76%，90.85%，88.73%和85.92%。

圖2不同開墾年限對土壤養分的影響

2.4不同開墾年限土壤養分之間相關性

不同開墾年限土壤養分數據之間進行線性擬合，經統計學檢驗得到擬合度R2，AdjustR2，顯著值(p值)和F值，并在p<0.05和p<0.01水平檢驗顯著性(*和**)。分析結果表明，線性回歸均達到極顯著水平(p<0.01)，各線性回歸關系成立，由表2可知，不同開墾年限土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀之間均存在極顯著的正線性相關關系(p<0.01)，由此表明，不同開墾年限土壤全量養分之間均具有良好的線性正相關性(p<0.01)(表2)。

表2　不同開墾年限土壤養分線性相關性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著，下同。

不同開墾年限土壤養分與有效養分間存在不同的相關關系，Pearson相關性分析結果顯示：土壤有機碳與有效氮和有效鉀呈極顯著正相關(p<0.01)，與有效磷呈顯著正相關(p<0.05)；全氮與有效氮和有效磷呈極顯著正相關(p<0.01)；全磷與有效磷呈極顯著正相關(p<0.01)；全鉀與有效鉀呈極顯著正相關(p<0.01)，與有效氮呈顯著正相關(p<0.05)，詳見表3。

表3　不同開墾年限土壤養分因子相關性

2.5不同開墾年限土壤退化的預警限度

以不同開墾年限的耕地為例，土壤養分及理化性質各項指標作為變量，對不同開墾年限土壤質量狀況進行主成分分析(表4)。本文提取的3個主成分的累積貢獻率達89.784%(≥85%)。第一主成分中有機碳(0.865)、全氮(0.913)及全鉀(0.848)所占的比重遠大于其他指標的系數，它們都是土壤養分及肥力指標，因此該主成分可看做是土壤供給作物養分能力大小的量度，可稱為肥力因子。第二主成分以土壤含水量(0.876)、有效氮(0.893)和有效鉀(0.876)所占的比重較大，它反映的是土壤熟化程度、保水保肥能力，是評價土壤有效肥力和保肥能力的指標。第三主成分中以土壤pH(-0.778)、電導率(-0.814)和全鹽(-0.898)所占的比重較大，其中全鹽的系數最大，它反映的是土壤理化性質演變能力，這對主成分3起明顯的減值作用。此外，全磷所占比重很大，磷是活動性較差的元素，其含量很大程度上取決于水分和鹽離子濃度，它代表著土壤水分狀況的主成分。

表4　主成分因子載荷、特征值、貢獻率及累計貢獻率

由表5可知，不同開墾年限的綠洲農田土壤質量綜合評價值呈單峰曲線，呈先增加后降低趨勢，達到最優化值后開始下降(開墾年限為9 a時，土壤質量綜合評價值達到最大)。開墾初期(3 a)，從近乎原始的、鹽堿嚴重的土地開荒，投入的養分、肥力不足，三個主成分得分都很低，土壤質量情況很差，綜合評價值為負。隨著農田開墾年限的增加，雜草殘體的分解促進了土壤有機質的肥效發揮，加上人為化肥、有機肥投入，土壤質量不斷優化。6～9 a的肥力、保肥能力及水分狀況3個主因子得分均較高，綜合值達到優化狀況。而后由于常年大水漫灌，造成了地下水位不斷升高，土壤次生鹽漬化伴隨發生。同時人們對農田的重用輕養，造成土壤有機質大量消耗，各種綜合因素導致土壤質量開始退化。即在開墾13 a以后，土壤質量明顯退化，綜合評價值已經為負，可將此階段作為反映土壤質量總體退化的預警期，即將9～13 a作為反映土壤肥力總體開始退化的預警值，在開墾13 a，綜合評價值負值較大，土壤質量已經達到嚴重退化階段。在農業生產中需要及時給予農田合理投入，以便充分利用土壤環境的最優狀態或推遲警戒年限的到來，持續發揮農業生產的后勁，避免綠洲農田質量過早退化，造成減產甚至導致棄耕。

表5　主成分得分及綜合評價值

3　討論與結論

新疆作為我國重要的耕地資源后備基地，隨著節水滴灌措施的大面積推廣和水資源合理開發利用，大量自然土壤被開墾是必然的發展趨勢[6-7]。本研究結果顯示新疆綠洲農田開墾會增加土壤養分含量，但是隨著開墾年限的延長，增加趨勢減緩，有機碳中不同組分有機碳墾殖9 a開始下降，從而使土壤自身生產力存在下降趨勢，土壤質量有下降或退化的趨勢。不同開墾年限對土壤養分及理化性質具有較大影響，土壤全量養分和有效養分呈現出一致性的變化規律，隨著開墾年限的增加呈先增加后平緩降低或趨勢穩定的趨勢。已有研究表明，開墾將導致土壤養分不同程度的降低[6,13]；本研究表明，新疆綠洲農田開墾后土壤有機碳及養分呈現增加趨勢，這與Li等[14]和唐光木等[6]研究結果一致。這主要是因為：新疆綠洲處于干旱荒漠區，生物積累少，有機碳初始值低，開墾改變了土壤的理化性質及有機碳組分和性質，特別是水分條件的改善，墾殖初期地上和地下生物量以及輸入土壤的有機物數量大幅度增加，表現出土壤養分含量迅速增加，加上化肥和動物糞肥等有機肥的施入，歸還土壤的動植物殘體和腐殖化物質增加，不同組分有機碳增加迅速，POC/MOC值增大[6-7,13]；開墾3～9 a后土壤水分等條件得到改善，進而改變土壤理化性狀和有機碳組分，隨著墾殖年限的延長，土壤有機碳和養分含量仍是一個增加的過程；開墾后期(9 a以后)，采用統一農業管理措施，土壤生物、化學、物理特性相對穩定，有機物的輸入和輸出之間達到相對均衡，土壤養分趨于一個相對穩定水平，這與Hass等[15]和唐光木等[6]研究的結果相似；而隨著開墾年限的增加，土壤鹽漬程度不斷增加(主要表現為土壤全鹽和電導率隨開墾年限的增加而增加)，短期的開墾(開墾0～13 a)則有利于提高土壤肥力及土壤養分的有效性，而長期的開墾(開墾年限>13 a)則造成農田綠洲土壤板結和鹽漬化，降低了土壤養分及有效養分含量。因此，要提高綠洲農田土壤肥力，則應該從提高土壤有機質含量、合理控制開墾年限與周期開始。此外，針對不同開墾年限土壤養分表現的規律和特征，我們可以從中借鑒經驗促進土地資源的管理及合理有效利用，在今后的土地開墾中，可以大力推進秸稈還田、作物留茬保證土壤養分的有效積累，促進耕地土壤養分的恢復和利用。

針對新疆鹽堿較為嚴重的瑪河流域沖積扇緣區進行實地研究，在開墾條件下土壤有機碳與全氮呈極顯著線性正相關性(p<0.01)，土壤全量養分之間、土壤全量養分與有效養分均呈現出一定的相關性，這與前人的研究結果一致[6-7,13]。通過主層次法分析了農田開墾后土壤特性的變化過程和作用，而文中主層次分析法最主要貢獻在于確定了土壤綜合質量趨于退化的預警年限，通過對反映土壤質量的各項指標進行主成分分析，基本確定綠洲農田開墾9 a土壤整體質量狀況趨向最大，9 a后土壤質量開始退化，由此提供一個反映沖積扇地帶綠洲農田土壤綜合性能的預警值，以便及時采取措施保持農田地力，避免農田土壤過早退化，造成減產甚至導致棄耕，而相對于其它綠洲而言，土壤開墾后開始趨于退化的年限閾值是今后需要繼續研究的內容。

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The Variation of Soil Physicochemical Properties in Farmlands with Different Cultivation Years in Oasis of Xinjiang

ZHANG Xiaodong1, LIU Zhigang2, Reshalaiti·Maimaiti1

(1.BayingolVocationalandTechnologyCollege,Korla,Xinjiang841000,China;2.XinjiangUygurAutonomousRegionAgriculturalTechnologyPromotionCenter,Shanshan,Xinjiang838200,China)

The variation of soil nutrients of the farmlands with different cultivation years in Xinjiang oasis farmland was investigated by using the method of principal component score evaluation to evaluate the quality of the reclamation of oasis farmland in Xinjiang. The results showed that: (1) cultivation practices enhanced the accumulation of total organic carbon and POC/MOC in soils, increased rapidly in the initial period (0～3 years), but the increase was diminished after 9 years of cultivation; (2) soil moisture, pH, electrical conductivity, and the salt content of cultivation lands were significant higher than those of virgin lands (p<0.05), soil moisture and electrical conductivity increased rapidly in the initial period (0～3 years), but the increase was diminished after 6 years of cultivation, while pH and salt content increased with cultivation years, and the increase was diminished after 6 years of cultivation; (3) the contents of soil nutrients and available nutrients of the land with more than 9 cultivation years were significantly higher than those of the virgin lands (p<0.05), which showed first increased and then slowly decreased with cultivation years; (4) correlation analysis showed that total quantity of soil nutrients had a certain correlation with available nutrients; (5) the principal component analysis indicated that the farmland tended to degradation after 9 years of cultivation. Based on the summary of the above results, it can be concluded that short-term cultivation (0～9 years) can improve the effectiveness of soil fertility and nutrients in oasis farmlands of Xinjiang, but long-term cultivation (>13 years) may make soil hard and saline and reduce soil fertility and nutrients.

cultivation years; soil nutrients; oasis farmland; Xinjiang

2015-09-28

2015-10-08

張曉東(1980—),男,重慶開縣人,碩士研究生,講師,從事園藝和土壤修復等教學與研究。E-mail:xiaodong_zhangxj@163.com

S153.6

A

1005-3409(2016)03-0013-06