覆膜滴灌條件下土地開墾年限對土壤鹽分、養(yǎng)分和硝態(tài)氮分布特征的影響

張少民，白燈莎，劉盛林，周廣威，馮 固

(1.新疆農業(yè)科學院核技術生物技術研究所/農業(yè)部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091；2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；3.山東農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟南 250100)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國鹽漬化大區(qū)，利用膜下滴灌技術的優(yōu)勢(即防止深層滲漏、減少蒸發(fā)、節(jié)水、節(jié)肥和增溫保墑等)開發(fā)鹽堿地植棉是新疆棉花生產的一大特色。1996年起新疆引進滴灌技術，并得到了快速的推廣應用，越來越多的荒地甚至鹽堿地被開發(fā)種植棉花[1]。然而，膜下滴灌是不充分灌溉可能會帶來潛在的土壤次生鹽漬化問題，影響棉花產量和棉花生產。氮施作物生長所必需的三大營養(yǎng)元素之一，對作物生長起著重要的作用[2,3]。氮素是作物生長所必需的三大營養(yǎng)元素之一，對作物的生長發(fā)育起著重要的作用[2,3]。土壤氮素主要有兩種：硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，我國北方旱地土壤氮素的存在形態(tài)主要以硝態(tài)氮為主。隨著農業(yè)集約化程度的提高，過量的氮素通過灌溉進入土壤中，會造成了硝態(tài)氮的淋洗損失，污染地下水。但隨著現(xiàn)代農業(yè)集約化程度的提高，過量的氮肥通過灌溉進入農田后，一部分氮素以硝態(tài)氮形式淋洗進入地下水體，不僅降低了氮肥的利用率，而且還污染了地下水，對環(huán)境造成面源污染[4-6]。膜下滴灌是小定額灌溉，可是近年來研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌棉田同樣存在硝態(tài)氮的淋洗損失[7]。研究在背景均一地塊通過分析鹽堿荒地開墾后土壤鹽分、養(yǎng)分隨植棉年限的變化趨勢，探索該區(qū)限制棉花高產穩(wěn)產的潛在因素，為覆膜滴灌條件下合理開發(fā)利用鹽堿地植棉提供參考?！厩叭搜芯窟M展】有研究認為，膜下滴灌條件下，土壤中的鹽分無法從土體中排出或淋洗到深層，受灌水和水鹽運動的影響，土壤次生鹽漬化趨勢日趨嚴重，0～60 cm以內土層隨滴灌應用年限增加呈積鹽態(tài)勢，鹽分表聚現(xiàn)象明顯[8,9]，且土壤有堿化傾向[10]，現(xiàn)已開墾的荒地中已有40%～50%因次生鹽漬化危害而棄耕[8]；另有研究認為，根區(qū)土壤鹽分隨滴灌應用年限明顯降低[1,11]，土壤pH也明顯下降[12]。由于土壤水鹽運動受到土壤質地、潛水位和根系等的影響[13]?！颈狙芯壳腥朦c】前人對硝態(tài)氮在土壤剖面分布的研究多集中在氮肥用量、灌水量和滴灌方式對土壤硝態(tài)氮淋洗的影響[4-6]，對土地開發(fā)利用過程中土壤剖面硝態(tài)氮的動態(tài)變化的研究相對較少?！緮M解決的關鍵問題】研究土壤鹽分、pH和養(yǎng)分的時空變異，采用以空間代替時間的方法，選擇未開墾的鹽漬化荒地和開墾2～15年的農田研究鹽漬化土壤在農業(yè)開發(fā)利用過程中土壤養(yǎng)分、養(yǎng)分和土壤剖面硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的變化。分析膜下滴灌鹽堿地植棉的限制因素，為新疆鹽堿地植棉的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

2010年在田間調查鹽堿荒地和不同開墾利用利用年限的農田土壤鹽分、養(yǎng)分的空間變化。試驗在新疆農業(yè)科學院經濟作物研究所瑪納斯棉花育種家基地(44°18′N，86°22′E)進行。該地區(qū)平均海拔400 m，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫7.5～8.2℃，年降雨量為180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，土壤屬于硫酸鹽灰漠土，地下水埋深大于4 m。研究區(qū)所有地塊土壤質地基本一致，原始荒地生長的植被為藜科植物，荒地經翻耕后，種植1年油葵，第二年開始種植棉花，該區(qū)自2005年開始應用覆膜滴灌技術種植棉花，棉花種植方式為膜下滴灌(一膜兩管四行)，農田的灌水施肥制度基本一樣，每年棉花生長季節(jié)為4～10月，收獲后秸稈粉碎還田。種植棉花品種為(新陸早47號)。2010年4月播種，播前磷肥(磷酸二胺或重過磷酸鈣)和氮肥(尿素)撒施，機械翻耕和整地后，通過棉花播種機一次完成播種鋪設滴灌帶和鋪膜，膜寬1.45 m，棉花株距0.09 m，播種行距0.20 m，采樣日期2010年10月26日。圖1

圖1 2010年以及1991～2013年平均月降水量
Fig.1 Average monthly precipitation from 1991-2013

1.2 方 法

采用以空間代替時間的方法，研究區(qū)開墾前為鹽堿荒地，自2005年開始陸續(xù)開墾，根據試驗基地內土地的開墾年限，將試驗基地的土地劃分為原始荒地(0)、2年(2)、4年(4)、5年(5)和6年(6)，開墾15年(15)地塊為鄰近棉田，距試驗基地僅10 m，開墾前和試驗基地內土地為同一片荒地，1996年開墾后，覆膜滴灌條件下植棉。每個年限選擇3個樣地作為重復，每個樣地用土鉆采集0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層土壤樣品，每個樣地內共采集3個點(包括1個播種行、1個播種行間和1個兩膜中間)，土壤樣品立即過2 mm土壤篩后混勻。土壤樣品分成2部分保存，一部分風干后，分別測定土壤總鹽、pH、速效磷和有機質(過0.25 mm篩)；一部分立即放入-20℃冰箱保存，用于測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。風干土壤樣品測定鹽分含量、pH，按照1:5的水土比配成懸浮液，震蕩均勻后過濾，取上清液測定電導率(DDS-307電導率儀，上海雷磁儀器廠)和pH(PHS-3C pH計，上海雷磁儀器廠)，然后取25 mL上清液置于30 mL坩堝中，電熱板上加熱，差減法計算土壤總鹽含量。用pH 8.50的NaHCO3浸提后鉬銻抗比色法測定速效磷含量。有機碳測定采用重鉻酸鉀滴定法，無機氮(Nmin)采用1 mol/L CaCl2浸提后連續(xù)流動分析儀測定(AutoAnayzer 3，德國)。

1.3 數(shù)據處理

采用SPSS軟件對數(shù)據進行方差分析和多重比較(LSD)，采用Sigmaplot 10.0軟件(Systat,San Jose,USA)通過非線性回歸法(Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter)或(Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)對數(shù)據進行時間趨勢分析。鹽濃度等百分數(shù)指標和數(shù)據比值等非連續(xù)變量經過反正弦轉換后進行方差分析。

2 結果與分析

2.1不同土地利用年限土壤鹽分和pH的變化規(guī)律

研究表明，鹽堿荒地1 m剖面內土壤含鹽量較高，平均含鹽量為4.58 ms/cm (總鹽含量2.25%)，土壤pH高達9.04，其中0～40 cm土層平均電導率為3.75 ms/cm，而40 cm以下土層平均電導率高達5.14 ms/cm，主要因為采樣時接近10月底，氣溫較低，蒸發(fā)量小，受降水淋洗作用的影響(10月降水量高于多年平均)，上層土壤鹽分向下遷移，導致隨著土層深度的增加土壤含鹽量和pH隨之升高。圖1

覆膜滴灌條件下，土壤鹽分含量與土地開墾年限的關系可擬合為方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤鹽分含量，ms/cm，X表示土地開墾年限，且0≤X<16。土壤鹽分隨開墾年限的增加總體上呈下降趨勢，大體上可分為兩個階段：土地開墾利用前4年為土壤鹽分快速下降階段，1 m剖面土壤鹽分含量平均下降了3.49 ms/cm，下降幅度達75.8%，其中0～20 cm土壤鹽分由3.27 ms/cm下降至0.83 ms/cm，20～40 cm的鹽分由4.24 ms/cm降至1.27 ms/cm；5～15年為土壤鹽分的穩(wěn)定階段，隨著土地開墾利用年限的延長，土壤鹽分變化相對平穩(wěn)，其中0～40 cm土壤平均鹽分含量為0.72 ms/cm (水溶性總鹽含量0.55%)，由于棉花比較耐鹽，此時土壤鹽分已經不是抑制棉花生長發(fā)育的主要因素。

覆膜滴灌條件下，土壤pH隨土地開墾年限發(fā)生了明顯的變化。土地開墾2年后，1 m剖面的土壤pH均呈現(xiàn)下降趨勢，其中0～20 cm土壤pH由開墾前8.88下降到8.50，下降了0.38個單位，20～40 cm土壤pH下降了0.50個單位。土地開墾的2～15年，0～40 cm土壤的pH隨土地開墾年限的變化符合方程：Y=a×e-5×((X-b)/c)^2，其中Y表示土壤pH，X表示土地開墾年限，且0≤X<16，即隨著開墾年限的增加土壤pH呈先升高后降低的趨勢，在土地開墾第10年土壤pH升至最高，而后下降。土壤pH隨土地開墾年限升高的原因，可能是農田管理措施(如滴灌)影響了鹽基八大離子中Na+和HCO3-比例，劉洪亮等[10]研究認為，隨滴灌年限的增加土壤中Na+和HCO3-在鹽基八大離子中所占比例上升而導致了土壤pH的上升。與未開墾荒地相比，40～100 cm的土壤pH隨土地開墾年限的增加整體呈下降趨勢。

土地利用15年后0～40 cm土壤pH仍然維持在9.0左右，作物根系集中分布層pH過高可能是該區(qū)棉花生產的主要制約因素。圖2

注：土壤pH數(shù)據采用非線性回歸分析土壤鹽分數(shù)據采用非線性回歸

Note: Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter, Equation: Exponential Decay, Single, 3 Parameter

圖2 土壤電導率和pH隨土地開墾年限變化
Fig.2 Relationships between soil salinity, pH and years after cultivation

2.2 土壤鹽分和pH的相關關系

研究表明，土壤電導率和總鹽之間存在極顯著的線性相關關系，其回歸方程為：Y=0.23+0.44X(n=90)。式中Y為土壤水溶性總鹽含量(g/kg)，X為電導率值(ms/cm)。兩者的相關系數(shù)r=0.848 5，達到極顯著水平(P<0.001)，由此可見，該區(qū)土壤的電導率可反映該區(qū)土壤水溶性總鹽含量。圖3

注：土壤電導率與總鹽數(shù)據采用線性回歸分析

Note: Equation: Polynomial, Linear

圖3 土壤電導率與總鹽和pH之間關系
Fig.3 Relationships between conductivity, pH and total salt content

2.3 不同土地利用年限土壤養(yǎng)分的變化

研究表明，原始荒地土壤的養(yǎng)分含量較低，土壤有機質、無機氮和速效磷含量分別為5.67 g/kg、3.54 mg/kg和4.91 mg/kg。鹽堿荒地開墾后，土壤有機質和無機氮隨著開墾年限的增加而增加，在第5、6年達到最大值，其中土壤有機質(平均7.23 g/kg)增加了57.7%，無機氮含量(平均9.01 mg/kg)增加了4.9倍，7～15 a 土壤的有機質變化不大，而無機氮含量有所下降；土壤速效磷含量隨開墾年限的變化與有機質和無機氮不同。土地利用前期，與未開墾相比，土壤速效磷含量下顯著下降，開墾2 a土壤的速效磷含量僅為3.20 mg/kg，土地利用的3～5 a，由于無機磷肥的投入，土壤速效磷含量顯著升高，最高可達8.29 mg/kg，土地利用的7～15 a，土壤的速效磷含量變化不大。鹽堿荒地被開墾利用后，農業(yè)管理措施(如施肥和耕作等)能夠顯著提高土壤養(yǎng)分含量，有利于提升土地肥力。圖4

2.4不同土地利用年限土壤剖面硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化

研究表明，自然植被條件下，土壤中硝態(tài)氮含量很低，低于3.0 mg/kg。土地開墾后隨著滴灌技術的應用和化肥的使用，1 m剖面土壤硝態(tài)氮含量顯著增加。0～20和20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量隨開墾年限的變化規(guī)律基本一致，即土地開墾的前6年土壤硝態(tài)氮含量增幅較大，分別增加了8.1和3.3倍，土壤硝態(tài)氮含量最高可達16.6 mg/kg，7～15年土壤硝態(tài)氮含量變化不大，趨于穩(wěn)定。土地開墾第2年40～60 cm土層的硝態(tài)氮含量由開墾前的0.7 mg/kg增加至8.4 mg/kg，增加了10.4倍。而滴灌條件下，無機氮素淋洗到該層導致硝態(tài)氮含量的大幅增加。從60～100 cm土層硝態(tài)氮含量隨開墾年限的變化來看，與未開墾荒地相比，土地開墾的第2年硝態(tài)氮已經遷移到60～80 cm土層，硝態(tài)氮含量從1.7 mg/kg增加至7.6 mg/kg，增加了3.4倍，第4年，土壤的硝態(tài)氮已經在80～100 cm土層累積。

不同開墾年限的棉田土壤銨態(tài)氮的含量較低，且變異較大。其中0～20 cm土層的銨態(tài)氮含量隨土地開墾年限呈先增加后降低的趨勢，在第5、6年達到最高，可達5.0～5.2 mg/kg。其他土層的土壤硝態(tài)氮含量無明顯規(guī)律性。圖5

圖4 土壤養(yǎng)分隨開墾利用年限變化
Fig.4 Changes of soil fertility with years

ofcultivation

注：硝態(tài)氮數(shù)據采用非線性回歸分析

Note: Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)

圖5 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨開墾利用年限變化

Fig.5DistributionofNO3-NandNH4+-Nconcentrationsinsoilprofilewithyearsofcultivation

3 討 論

自1996年起新疆引進膜下滴灌系統(tǒng)，越來越多的荒地以及鹽堿地被開發(fā)種植棉花，推動了新疆耕地面積的擴張和棉花的種植[1]，膜下滴灌是不充分灌溉，長期應用可能會導致土壤的次生鹽漬化[8,10]。研究結果表明，鹽堿荒地開墾利用后，由于采用膜下滴灌技術，減少蒸發(fā)的同時鹽分隨水向下遷移，1 m土層的鹽分顯著下降，土地開墾利用前4年為土壤鹽分快速下降階段，土壤鹽分含量下降75.8%之后，5～15年為鹽分變化的穩(wěn)定階段，其中0～40 cm土壤電導率在0.89 ms/cm以下，土壤鹽分已經不是影響棉花生長的限制因素，這與王振華等[1]研究結果一致。然而，土壤pH隨土地開墾年限的增加先下降而升高，土地開墾利用15年后，0～40 cm土壤pH仍然在9.0左右，土壤存在堿化風險。土地開墾后，農田管理措施(如耕作，施肥等)顯著增加了耕層土壤的養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力。由于新疆淡水資環(huán)匱乏大面積采用膜下滴灌技術大幅度降低了農業(yè)用水。北疆棉田生育期內灌水量在5 300 m3左右，依據土壤含水量情況采用少量多次灌溉，棉花生育期內平均滴灌6～10次，氮肥隨水滴施[14,15]，盡管膜下滴灌是小定額灌溉，但仍然存在氮肥向下深層土壤淋洗損失的現(xiàn)象[6,7]。研究結果表明，土地利用過程中農田管理措施不僅提高了耕層土壤硝態(tài)氮含量，同時也會造成了硝態(tài)氮向深層淋洗，增加了地下水污染的風險。

4 結 論

4.1 土壤鹽分含量與土地開墾年限的關系可擬合為方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤鹽分含量，ms/cm，X表示土地開墾年限，且0≤X<16。土壤鹽分含量隨土地開墾年限的變化大體可分為兩個階段：開墾前4年為鹽分快速下降階段，5～15年為鹽分變化的穩(wěn)定階段，0～40 cm土壤平均鹽分含量為0.72 ms/cm，而土壤pH較高，維持在9.0左右。

4.2 土地開墾后，農田管理措施(耕作、施肥等)提高了土壤養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力。

4.3 覆膜滴灌下開墾鹽堿荒地不僅增加了耕層土壤硝態(tài)氮的含量，也增加了深層土壤硝態(tài)氮含量，現(xiàn)有的灌水施肥制度存在氮素淋洗損失和污染地下水的風險。

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