不同滴灌年限小麥土壤養(yǎng)分積累時空變異特征

喬江飛，賴寧，耿慶龍，李亞莉，李源，楊昊，陳署晃

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院新疆農(nóng)業(yè)遙感中心，烏魯木齊 830991)

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不同滴灌年限小麥土壤養(yǎng)分積累時空變異特征

喬江飛，賴寧，耿慶龍，李亞莉，李源，楊昊，陳署晃

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院新疆農(nóng)業(yè)遙感中心，烏魯木齊 830991)

【目的】研究以滴灌年限為1、3和5年的滴灌小麥農(nóng)田土壤為研究對象，分析距滴灌帶不同位置的養(yǎng)分運移微時空空間分布?！痉椒ā客ㄟ^對土壤剖面樣品的采集，結(jié)合連續(xù)性定位監(jiān)測及地統(tǒng)計分析，研究不同滴灌年限土壤養(yǎng)分積累時空變異規(guī)律?！窘Y(jié)果】在不同滴灌年限各土層土壤養(yǎng)分大部分呈現(xiàn)出中等強度的變異，部分堿解氮及速效磷養(yǎng)分呈現(xiàn)出弱變異性，變異系數(shù)在7.68%～45.6%。在垂直方向上，土壤速效養(yǎng)分含量除了速效鉀外，堿解氮和速效磷都呈現(xiàn)出從表層到底層逐漸降低的規(guī)律。在水平方向上，土壤堿解氮及速效鉀在不同滴灌年限中均呈現(xiàn)出較明顯的變異規(guī)律，且大部分差異性顯著，其養(yǎng)分含量大部分隨距滴灌帶距離的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。【結(jié)論】滴灌冬小麥土壤速效養(yǎng)分在不同滴灌年限中，呈現(xiàn)垂直方向上逐漸降低和水平方向上先升高后降低趨勢(速效磷除外)的空間異質(zhì)性規(guī)律，能夠為合理施肥和作物的生長提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

冬小麥；不同滴灌年限；土壤剖面養(yǎng)分；時空變異

0 引 言

【研究意義】新疆作為國家糧食戰(zhàn)略后備基地，小麥播種面積占到糧食播種面積的53.89%。同時新疆又是我國缺水最嚴(yán)重的省份之一，農(nóng)業(yè)用水量占到總用水量的95%[1]。土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，對作物的生長和產(chǎn)量有重要的影響?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】20世紀(jì)60年代以來國內(nèi)針對農(nóng)用土壤養(yǎng)分空間變異的研究比較多[2-6]。例如對于土壤養(yǎng)分在不同土地利用類型[7]、不同采樣尺度[8-10]、不同種植方式[11]以及不同地形地貌下的空間變異做了一系列的研究。近年來，國內(nèi)外對于中小尺度的土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)行了大量的研究[12-16]?！颈狙芯壳腥朦c】干旱半干旱地區(qū)滴灌冬小麥在不同滴灌年限下土壤中的速效磷、速效鉀等土壤養(yǎng)分的空間變異特性研究報道較少且不系統(tǒng)[17-19]，基礎(chǔ)研究的薄弱限制了滴灌小麥技術(shù)的發(fā)展。研究針對不同滴灌年限冬小麥農(nóng)田土壤，分析土壤養(yǎng)分在土壤剖面0～60 cm土層中積累時空變異特征。【擬解決的關(guān)鍵問題】以滴灌年限為1、3和5年的滴灌小麥農(nóng)田土壤為研究對象，分析冬小麥不同滴灌年限的土壤養(yǎng)分的分布狀況，為制定合理的施肥方案、科學(xué)地施肥措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究地點位于新疆昌吉奇臺縣西地鎮(zhèn)，地處天山北麓沖擊平原，東臨五馬場、南臨坎爾孜，西臨西北灣。西地鎮(zhèn)屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫4.8℃，有效積溫為3 123℃，平均無霜期160 d，平均年降水量176 mm。地勢平坦，土層肥厚，西地鎮(zhèn)是奇臺縣典型的井灌區(qū)，地處沙漠邊緣，晝夜溫差大，日照時間長，農(nóng)作物品質(zhì)優(yōu)良。

在新疆奇臺縣小麥滴灌種植區(qū)，選擇地塊鄰近且土壤類型一致的1年(2014年)、3年(2012年)、5年(2010年)不同耕作年限滴灌農(nóng)田。于2015年7月小麥?zhǔn)斋@后分別對1、3、5年不同滴灌年限的三塊農(nóng)田進(jìn)行微尺度(0～50 cm)的取樣分析，基于時間及位置分辨率大小，采用時空互代的方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間變異分析。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

依據(jù)小麥滴灌帶布設(shè)的1管4行種植方式，以滴灌帶毛管為取樣中心，按行1、行2各20 cm設(shè)置取樣間距，兩邊對稱共取5個點土樣，每個點土樣按五層(0～10、10～20、20～30、30～40和40～60 cm)取樣。每種滴灌年限麥田樣點數(shù)為15個，3種滴灌年限5層共計微尺度取樣225個土壤樣品。圖1

圖1 采樣布點示意

Fig.1 The sampling points

1.2.2 土樣分析

室內(nèi)測試包括土壤有機(jī)質(zhì)(OM)及養(yǎng)分(TN、AN、AP、AK)測定。土壤養(yǎng)分測定項目均采用常規(guī)土壤化學(xué)分析法。土壤有機(jī)質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，全氮(TN)采用凱氏蒸餾法測定，堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷(AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主要使用的統(tǒng)計、繪圖軟件有EXCEL2003，SPSS17.0等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌年限冬小麥土壤養(yǎng)分含量的時空變異特征

利用 SPASS軟件對整個試驗區(qū)不同滴灌年限各土層土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析表明，在滴灌年限為1、3和5年中，從3個養(yǎng)分要素不同土層的平均數(shù)來看，只有速效鉀在滴灌1年和滴灌5年中是呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而先增大后減小的規(guī)律，說明速效鉀養(yǎng)分大部分會聚集于土壤10～30 cm土層處，表層和底層中含量相對較低。速效氮和速效磷的含量變化一致，都是從表層到底層逐漸減小的，說明土壤養(yǎng)分含量大部分聚集于土壤表層，底層土壤養(yǎng)分較少。

按照反映離散程度的變異系數(shù)大小，可將土壤養(yǎng)分變異程度進(jìn)行分級。變異系數(shù)<10%為弱變異程度；變異系數(shù)在10%～100%屬于中等變異程度；變異系數(shù)>100%為強變異程度[20]。研究表明，不同滴灌年限土壤養(yǎng)分的變異性均大部分屬于中等強度的變異，部分屬于弱變異性，變異系數(shù)在7.75%～45.6%。土壤養(yǎng)分的變異程度各不相同，對于土壤堿解氮和速效磷養(yǎng)分的變異性均屬于中等強度，速效鉀養(yǎng)分在滴灌3年10～20和40～60 cm土層中屬于弱變異性，變異系數(shù)為6.96%和9.8%。其中速效磷的變異性相對較強，這與磷移動性較弱，而且當(dāng)季利用率不高會導(dǎo)致土壤中速效磷分布不均有關(guān)。引起土壤養(yǎng)分微尺度變異性的原因可能是人為耕作、灌溉不同等因素。圖2～4

圖2 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤堿解氮含量時空變異特征

Fig.2 Drip irrigation duration of winter wheat in different soil layer soil alkaline hydrolysis of N content of spatial and temporal variation characteristics

圖3 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤速效磷含量時空變異特征

Fig.3 Drip irrigation duration of winter wheat in different spatial and temporal variation of soil available phosphorus in Soil

圖4 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤速效鉀含量時空變異特征

Fig.4 Drip irrigation duration of winter wheat in different soil layer soil available potassium content in spatial and temporal variation characteristics

2.2 不同滴灌年限中冬小麥土壤養(yǎng)分的時空分布結(jié)構(gòu)特征

膜下滴灌濕潤區(qū)與常規(guī)地面灌溉不同, 點水源灌溉時, 水分在重力和毛管力的作用下向土壤深處運移的同時, 也在毛管力和土壤基質(zhì)勢的作用下向水平方向擴(kuò)散, 逐漸濕潤滴頭附近的土壤。在水分向水平方向擴(kuò)散的同時, 土壤中的養(yǎng)分也在隨水移動。

2.2.1 不同滴灌年限中冬小麥土壤堿解氮養(yǎng)分含量垂直與水平分布規(guī)律

通過對冬小麥不同滴灌年限土壤堿解氮養(yǎng)分含量的測定，研究表明，在滴灌年限1和5年中，土壤堿解氮含量垂直方向上隨土層深度的增加而逐漸降低，在滴灌年限為3年各土層中均高于其它兩個滴灌年限。

水平方向，所有土層堿解氮含量都隨距滴灌帶距離的增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在滴灌3年中，0～10、10～20和40～60 cm土層堿解氮含量隨距滴灌距離增加先降低后升高，在20～30和30～40 cm土層中表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。在各土層距滴灌帶40 cm處，滴灌3年和1年的堿解氮含量差異性均顯著，滴灌3年的均高于滴灌1年的堿解氮含量。在0～10、20～30和30～40 cm土層距滴灌帶20 cm處，堿解氮含量在滴灌1和5年里差異性顯著，滴灌5年均高于滴灌1年的堿解氮含量。圖5

注：a1、a2、a3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤堿解氮的分布

Note：a1, a2, a3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm soil alkaline hydrolysis n different distance distribution

圖5 冬小麥在不同年限各土層中土壤堿解氮養(yǎng)分的時空分布

Fig.5 Winter wheat in different duration of each soil alkali-hydrolysable of N in soil nutrient distribution of space and time

2.2.2 不同滴灌年限中冬小麥土壤速效磷養(yǎng)分含量垂直與水平分布規(guī)律

研究表明，滴灌年限1、3、5年中，速效磷含量垂直方向上都隨土層深度的增加而逐漸降低，速效磷含量在滴灌年限為5年的0～10、10～20、20～30和40～60 cm土層均低于其它兩個年限。

水平方向，速效磷分布規(guī)律不明晰；在滴灌年限1年中，0～10、10～20和20～30 cm土層土壤速效磷含量隨距滴灌距離的增加先降低后升高，30～40和40～60 cm土層土壤速效磷含量呈現(xiàn)逐漸增高趨勢。在滴灌年限3年中，除了40～60 cm土層是隨滴灌距離的增加速效磷含量先降低后升高外，其他土層均表現(xiàn)為速效磷含量先升高后降低。在滴灌年限5年中，0～10和40～60 cm土層速效磷含量隨滴灌距離增加逐漸升高，10～20和20～30 cm土層速效磷含量先增加后降低，30～40 cm土層表現(xiàn)為先降低后升高趨勢。在0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層距滴灌帶40 cm處，滴灌1年和滴灌5年中土壤速效磷含量差異性顯著，均表現(xiàn)為滴灌1年速效磷含量高于滴灌5年的，最高值為26.15 mg/kg。圖6

注：b1、b2、b3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤速效磷含量的分布

Note：b1, b2, b3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm of soil available P content in different distance distribution

圖6 冬小麥在不同年限各土層中土壤速效磷養(yǎng)分的時空分布

Fig.6 Winter wheat in different duration of each soil available P in soil nutrient distribution of space and time

2.2.3 不同滴灌年限冬小麥土壤速效鉀養(yǎng)分含量垂直與水平分布規(guī)律

研究表明，垂直方向上，速效鉀養(yǎng)分含量在1和5年滴灌年限中均表現(xiàn)為隨土層的增加而先增大后減小的趨勢，在3年滴灌年限中速效鉀含量隨土層深度增加基本保持不變，在底層稍有降低。且速效鉀含量在滴灌5年年限中各土層均高于其它兩個年限，土壤鉀素養(yǎng)分大部分集聚于20～30 cm土層中。

水平方向，在滴灌年限1、3和5年中，除了滴灌1年的30～40 cm土層速效鉀含量是隨距滴灌帶距離的增加而逐漸降低，和滴灌3年0～10 cm土層速效鉀含量先降低后升高，其他土層則均表現(xiàn)為速效鉀含量隨距滴灌距離增加而先升高后降低的趨勢。說明土壤鉀素含量多聚集于距滴灌帶較遠(yuǎn)處，距滴灌帶20 cm的10～30 cm土層中聚集較多。在10～20 cm土層距滴灌帶40 cm處和30～40 cm滴灌帶處，土壤速效鉀含量在不同滴灌年限差異性不顯著，其余各土層土壤速效鉀在不同滴灌年限均能表現(xiàn)出顯著的差異性。圖7

注：c1、c2、c3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤速效鉀含量的分布

Note：c1, c2, c3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm soil available k content in different distance distribution

圖7 冬小麥在不同年限各土層中土壤速效鉀養(yǎng)分的時空分布

Fig.7 Winter wheat in different duration of each soil available potassium in soil nutrient distribution of space and time

3 討 論

研究表明，土壤養(yǎng)分在不同滴灌年限0～60 cm土層中，從表層到底層堿解氮和速效磷含量分布特點是: 0～10 cm>10～20 cm >20～30 cm>30～40 cm >40～60 cm土層，這與姜益娟等[21]的研究結(jié)論大體一致，這可能與氮磷肥在土壤中轉(zhuǎn)化以及被作物吸收利用不同有關(guān)。在相同滴灌年限中不同土層土壤速效鉀含量變化不大，說明土壤速效鉀的分布具有一定的穩(wěn)定性，這與崔貝等[22]的研究結(jié)果大體相同。土壤養(yǎng)分具有明顯的時空變異特征，了解土壤養(yǎng)分的時空變異規(guī)律，是進(jìn)行農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)決策施肥的重要環(huán)節(jié)。理論上，滴灌的灌溉方式能夠促進(jìn)表層中養(yǎng)分的吸收，施肥灌溉后也會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和水分分布不均，因而研究微尺度下，不同滴灌年限土壤養(yǎng)分的空間分布變異性，有利于合理地進(jìn)行田間科學(xué)施肥。由于植株養(yǎng)分的吸收對土樣養(yǎng)分的空間變異具有一定影響，為提高生產(chǎn)水平和更好的進(jìn)行科學(xué)施肥，有必要在現(xiàn)在的研究基礎(chǔ)上，對不同滴灌年限的植株養(yǎng)分吸收和作物產(chǎn)量與土壤速效氮磷鉀養(yǎng)分的空間和時間分布規(guī)律做進(jìn)一步研究。此外，由于土壤養(yǎng)分具有累積性和連續(xù)變異的特點，隨著時間的變化，其空間自相關(guān)性可能并不是簡單地上升或降低，也可能是沒有規(guī)律性，對土壤養(yǎng)分空間變異研究需要有時間的保證，研究只有1、3、5年三個年限，需要繼續(xù)積累更多年份的實驗數(shù)據(jù)，才能夠更合理的為田間施肥提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

4.1 不同滴灌年限中，土壤養(yǎng)分除了速效鉀養(yǎng)分在滴灌年限為1和5年中是隨土層深度增加而升高后降低，其它要素均呈現(xiàn)出從表層到底層逐漸降低的趨勢。不同滴灌年限土壤剖面養(yǎng)分含量的各層變化強度表現(xiàn)出非均衡關(guān)系，各養(yǎng)分要素變異系數(shù)在7.68%～45.6%，大部分呈中等強度的變異性，少部分為弱變異性。

4.2 土壤養(yǎng)分含量在不同滴灌年限中垂直分布趨勢大體一致，除了速效鉀養(yǎng)分是隨土層深度增加而先升高后降低外，堿解氮和速效磷養(yǎng)分含量均是逐漸降低的趨勢，速效鉀養(yǎng)分含量在20～30 cm土層中最高，均高于其他土層。

4.3 在微尺度條件下土壤養(yǎng)分根據(jù)滴灌年限的不同，空間水平分布表現(xiàn)出一定的規(guī)律。在不同滴灌年限中堿解氮、速效磷和速效鉀養(yǎng)分含量大部分差異性顯著。堿解氮和速效鉀含量大部分在水平方向上表現(xiàn)為隨距滴灌帶距離的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。速效磷含量在水平方向上的分布規(guī)律不明晰，這與磷移動性差和施肥方式等有關(guān)。

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Spatial and Temporal Variation Characteristics of Soil Nutrient Accumulation in Wheat of Different Drip Irrigation Years

QIAO Jiang-fei, LAI Ning, GENG Qing-long, LI Ya-li, LI Yuan, YANG Hao, CHEN Shu-huang

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/XinjiangCenterofAgiculturalRemoteSensing,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 In this study, drip irrigation wheat farmland soil for 1 years, 3 years and 5 years was taken as the research object to analyze spatial and temporal distribution of nutrient transport in different positions of drip irrigation belt. 【Method】Based on the collection of soil profile samples, combined with continuous monitoring and statistical analysis, the temporal and spatial variations of soil nutrient accumulation were studied. 【Result】The soil nutrients in different soil layers of different drip irrigation years showed moderate intensity variation. Some of the alkali hydrolyzable nitrogen and available phosphorus showed weak variability. Coefficient varied between 7.68%-45.6%. In the vertical direction, the content of available nutrients in the soil, except for available potassium, the alkali hydrolyzable nitrogen and available phosphorus decreased gradually from the surface to the bottom. In the horizontal direction, soil alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium showed obvious variation in different drip irrigation years, and most of the differences were significant, and most of the nutrient contents presented a trend of increasing first and then decreasing with the increase of the distance from the drip irrigation belt. 【Conclusion】The spatial heterogeneity of soil nutrients in winter wheat under drip irrigation can provide a theoretical basis for rational fertilization and crop growth.

winter wheat; different drip irrigation years; soil nutrients; spatial and temporal variation

CHEN Shu-huang(1973-), female, native place: Hunan, researcher. research field: Soil fertilizer and agricultural information technology applications, (E-mail) chensh66@163.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.04.011

2017-02-05

國家自然科學(xué)基金項目“滴灌土壤養(yǎng)分的空間變異及其對春小麥生長特性和產(chǎn)量的影響機(jī)制”(41461047)；世界銀行貸款項目“小麥滴灌節(jié)水豐產(chǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用”(XJ00Z13002)；自治區(qū)水利專項項目“小麥滴灌水肥一體化集成示范”(2015T25)；中國-挪威國際合作項目“減少環(huán)境影響和保障可持續(xù)食品安全和糧食安全的創(chuàng)新技術(shù)合作研究”(CHN-2152,14-0039)

喬江飛(1993-)，男，陜西人，實習(xí)研究員，碩士，研究方向為資源環(huán)境與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用，(E-mail)1527283086@qq.com

陳署晃(1973-)，女，湖南人，研究員，碩士，研究方向為土壤肥料與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用，(E-mail) chensh66@163.com

S512；S14

A

1001-4330(2017)04-0667-08

Supported by: The national natural science fund project"Drip irrigation soil nutrient spatial variation and its mechanism of effects on growth characteristics and yield of spring wheat"(41461047);The world bank loan project"Wheat drip irrigation water-saving high technology research and application"(XJ00Z13002); Autonomous region water special project"Wheat drip irrigation, fertilization integrated demonstration"(2015T25); International cooperation project between China and Norway"To reduce environmental impact and the safeguard of sustainable food security and food security of innovation and technology cooperation study"(CHN-2152,14-0039)