灌溉方式對(duì)寧夏枸杞園土壤碳庫(kù)特征及枸杞生長(zhǎng)的影響

王 芳，張妹婷，馬麗萍，馬佳偉，南雄雄

(1.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；2.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021；3.青海省生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中心，西寧 810007；4.國(guó)家林業(yè)局枸杞工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

土壤活性有機(jī)碳一般是指在一定的時(shí)空條件下，受環(huán)境條件影響強(qiáng)烈、易氧化分解、對(duì)植物和微生物活性較高的那部分土壤碳素[1]。它包括眾多游離度較高的有機(jī)質(zhì)，如植物殘茬、根類(lèi)物質(zhì)、真菌菌絲、微生物量及其滲出物如多糖等[2,3]，依據(jù)提取方法，土壤活性有機(jī)碳常用易氧化態(tài)碳(POXC)、水溶性碳(DOC)和微生物量碳(MBC)等來(lái)表征[4]。土壤活性有機(jī)碳在土壤有機(jī)碳中所占比重雖然很小，但它對(duì)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)有著重要影響，能更好地反映土壤有機(jī)碳的有效性[5]。已經(jīng)有研究表明，土壤活性有機(jī)碳是用來(lái)評(píng)價(jià)土壤管理措施對(duì)土壤質(zhì)量短期和長(zhǎng)期影響的最靈敏和最可靠的指標(biāo)[6-8]。Lucas和Weil發(fā)現(xiàn)測(cè)定土壤活性有機(jī)碳可以為生產(chǎn)者通過(guò)改善農(nóng)田管理措施，提高作物產(chǎn)量，從而提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)[9]。灌溉是干旱區(qū)最主要的農(nóng)田管理措施，土壤水分是碳循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。在一定范圍內(nèi)，土壤水分與有機(jī)碳儲(chǔ)量具有顯著的相關(guān)性[10]。因此，灌溉方式的改變帶來(lái)的土壤水分含量及其分布的顯著變化勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤活性有機(jī)碳產(chǎn)生重要的影響[11,12]。節(jié)水灌溉是目前國(guó)家推薦且實(shí)施范圍廣的一種農(nóng)田管理措施[13]。

預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)有效農(nóng)田灌溉面積達(dá)到0.667 億hm2以上。寧夏是我國(guó)水資源最為嚴(yán)重匱乏的地區(qū)之一，發(fā)展節(jié)水灌溉已成為破解該區(qū)水資源危機(jī)的最重要舉措。枸杞作為寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物，其種植面積和果實(shí)產(chǎn)量在全國(guó)均占據(jù)重要地位，但傳統(tǒng)生產(chǎn)體系中的大水漫灌、粗放施肥等管理方式已無(wú)法滿(mǎn)足枸杞高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)需求，因此節(jié)水灌溉技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用到枸杞種植上[14-16]。那么灌溉方式的這種改變，帶來(lái)的土壤水分含量及其分布的顯著變化一定會(huì)對(duì)土壤活性有機(jī)碳庫(kù)產(chǎn)生重要影響。

目前多數(shù)枸杞節(jié)水抗旱研究集中在對(duì)地上生物量、產(chǎn)量和水分利用效率的調(diào)控上，或是根系的形態(tài)構(gòu)型變化上，關(guān)于節(jié)水灌溉對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響機(jī)制方面尚未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道。而有關(guān)節(jié)水灌溉條件下枸杞園土壤活性有機(jī)碳庫(kù)變化方面的研究更是鮮有報(bào)道。因此，本研究立足區(qū)域特色，嘗試探索不同灌溉模式對(duì)寧夏枸杞園土壤活性有機(jī)碳庫(kù)及枸杞生長(zhǎng)影響機(jī)制的研究，以便更好地為該區(qū)建立合理的節(jié)水灌溉體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間定位試驗(yàn)在國(guó)家林業(yè)局枸杞工程技術(shù)研究中心的枸杞示范基地(35°25′N(xiāo)，106°10′E)進(jìn)行，海拔約1 110 m，試驗(yàn)區(qū)地處西北內(nèi)陸，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，年平均降水量200 mm，年蒸發(fā)量1 883 mm，年平均氣溫8.5℃，全年無(wú)霜期160～170 d，冬春干旱，四季多風(fēng)。2016年5月開(kāi)始田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前0～20 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)4.76 g/kg，全氮0.32 g/kg，速效磷11.7 mg/kg，速效鉀65 mg/kg，pH 值8.54。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置滴灌和漫灌兩種灌溉處理：其中漫灌與當(dāng)?shù)毓嗨~相同為1 200 m3/hm2；滴灌管平行于枸杞種植方向，鋪設(shè)方式為二管一，即2根滴灌帶管1行枸杞樹(shù)，枸杞為1 m等行距，滴灌帶間距為50 cm，滴頭間距為50 cm，滴頭流量為4 L/h，灌水定額為150 m3/hm2，每次灌水量均通過(guò)水表控制。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積90 m2。為了防止冬季寒冷對(duì)滴灌帶的破壞，滴灌帶于次年春季頭水前鋪設(shè)，冬麥返青后采用不同灌溉方式，具體灌水分配見(jiàn)表1。其余田間管理措施均與大田相同。具體灌溉日期、灌溉量見(jiàn)表1。供試肥料為尿素(含N量46%)、磷酸二氫鉀(含K2O量34%、含P2O5量52%)、硝酸鉀(含K2O量46%、含N量14%)。供試枸杞品種為“寧杞1號(hào)”(5年生)。

1.3 采樣及測(cè)定項(xiàng)目與方法

2018年9月5號(hào)(該月首次灌水前一天)采集0～200 cm土壤剖面樣品，各試驗(yàn)小區(qū)按照“S”形5點(diǎn)采樣，剔除雜物后混合制樣，過(guò)2 mm篩后，于4 ℃冰箱內(nèi)保存，進(jìn)行土壤水分、硝銨態(tài)氮、水溶性有機(jī)碳的測(cè)定；部分樣品風(fēng)干后分別過(guò)1 mm和0.15 mm，進(jìn)行土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳的測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀分別采用重鉻酸鉀稀釋熱法、凱氏定氮法、HClO4-H2SO4法、NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定；土壤速效磷、速效鉀分別采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法、1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法[8]測(cè)定；土壤水分采用烘干法測(cè)定；土壤水溶性有機(jī)碳采用水浸提法(水土比2﹕1)測(cè)定，土壤易氧化有機(jī)碳采用0.02 M高錳酸鉀氧化法測(cè)定；pH采用水土比為2.5︰1的電位法測(cè)定[17]。選取漫灌處理土壤作為參照土壤，滴灌處理土壤為樣品土壤，計(jì)算土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)。

碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算如下[18,19]：

碳庫(kù)指數(shù)(CPI)= 樣品全碳含量(g/kg)/對(duì)照土壤全碳含量(g/kg)

(1)

碳庫(kù)活度(A)= 活性炭含量(g/kg)/非活性炭含量(g/kg)

(2)

碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)= 樣品碳庫(kù)活度/原始土壤碳庫(kù)活度

(3)

碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)= 碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100=CPIAI×100

(4)

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、DPS(Data Processing System)7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)土壤水分含量的影響

通過(guò)對(duì)不同灌溉處理下9月份首個(gè)灌溉日前一天土壤水分含量進(jìn)行分析(圖1)，結(jié)果表明：滴灌與漫灌剖面水分含量整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。其中，20～60 cm土層水分含量最大；0～120 cm土層中，滴灌土壤水分含量顯著高于漫灌，增加幅度達(dá)16.86%～38.52%，其中20～40 cm土層水分含量差別最大；而160～200 cm土層中，漫灌土壤水分含量顯著高于滴灌。

圖1 不同灌溉處理對(duì)土壤水分的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil water content 注：不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著(LSD)，下同。

2.2 不同灌溉方式對(duì)土壤剖面有機(jī)碳含量的影響

通過(guò)對(duì)不同灌溉處理下土壤有機(jī)碳含量分析研究，結(jié)果表明：滴灌與漫灌剖面有機(jī)碳含量整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，分別由3.84 g/kg降至0.61 g/kg和4.08 g/kg降至0.56 g/kg。其中，滴灌0～200 cm土壤中平均有機(jī)碳含量為1.70 g/kg，而漫灌為1.61 g/kg。除0～10 cm土層滴灌處理土壤有機(jī)碳含量(3.84 g/kg)低于漫灌(4.08 g/kg)外，其他(20～200 cm)各層次均高于漫灌處理，增加幅度為1.52%～23.91%，其中40 cm土層呈現(xiàn)出顯著增加(23.91%)，如圖2所示。

圖2 不同灌溉處理對(duì)土壤有機(jī)碳的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil organic carbon

2.3 不同灌溉方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分特征的影響

通過(guò)對(duì)不同灌溉處理下土壤有機(jī)碳組分特征的分析(表2，圖3和圖4)，結(jié)果表明：與漫灌處理相比，滴灌處理對(duì)土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳均有顯著影響，且滴灌與漫灌剖面活性有機(jī)碳含量整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，且表層20～60 cm土層降低幅度最大，層化比系數(shù)也達(dá)到最大；但無(wú)論滴灌還是漫灌處理，40～60 cm土層易氧化態(tài)活性有機(jī)碳含量均明顯降低，層化比系數(shù)分別降低至89.51%和94.17%，從層次分布上出現(xiàn)“斷層”現(xiàn)象。與漫灌處理相比，滴灌處理顯著增加了0～10和10～20 cm表層土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳含量，分別增加了12.99%和18.67%，同時(shí)120～140 cm深層土壤也顯著增加，增加幅度達(dá)38.17%。土壤剖面水溶性有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)與易氧化態(tài)有機(jī)碳類(lèi)似，總體看來(lái)，滴灌處理增加了土壤水溶性有機(jī)碳含量，其中0～10 cm土層顯著增加。

表2 不同灌溉處理下土壤易氧化態(tài)有機(jī)碳含量Tab.2 Effect of different irrigation treatment on POXC

圖3 不同灌溉處理對(duì)易氧化態(tài)有機(jī)碳的影響Fig.3 Effect of different treatments on POXC

圖4 不同灌溉處理對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的影響Fig.4 Effect of different treatments on DOC

2.4 不同灌溉方式對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，滴灌處理土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)均高于漫灌處理。以漫灌處理作為參照土壤(CPMI=100)，滴灌處理0～200 cm土層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)總體平均值為117.10。其中，滴灌處理0～100 cm土層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)處于105.60～119.65之間，變幅平緩，100～180 cm土層處于122.98～141.55之間，變幅較大(見(jiàn)表3)。

2.5 不同灌溉方式下枸杞產(chǎn)量

通過(guò)對(duì)不同灌溉處理下枸杞果實(shí)產(chǎn)量及枸杞果實(shí)特性分析，結(jié)果顯示：一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，滴灌和漫灌處理灌水量分別為306.7和644.3 m3/hm2。與漫灌相比，滴灌處理總產(chǎn)量?jī)H高于漫灌1.4%，但水生產(chǎn)率卻大幅提高，提高了112.12%。分析果實(shí)特性發(fā)現(xiàn)，兩種處理枸杞果實(shí)單果重、果實(shí)橫縱徑無(wú)明顯差異，但滴灌處理縱徑2 cm以上等級(jí)率比漫灌高9.22%(見(jiàn)表4)。

表3 不同灌溉處理下土壤碳庫(kù)管理指數(shù)Tab.3 Effect of different irrigation treatment on CPMI

表4 不同灌溉處理對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響Tab.4 Effect of different irrigation treatment on Goji berry growth

3 討 論

(1)灌溉方式對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響。土壤有機(jī)質(zhì)在土壤-植物體系物質(zhì)循環(huán)和利用方面有著無(wú)可替代的作用，成為人們?cè)u(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力高低的關(guān)鍵因子。土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量水平也直接反應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)的狀況。前人研究表明水分條件是土壤中有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化的決定性因子之一，而對(duì)于西北干旱地區(qū)而言，土壤水分的主要來(lái)源即農(nóng)田灌溉管理措施[20,21]。本試驗(yàn)在其他條件相同的情況下,設(shè)置滴灌和漫灌兩種灌溉定額與灌溉周期均不相同的管理模式進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季的灌溉實(shí)施，滴灌和漫灌兩種灌溉模式下灌水量分別為306.7和644.3 m3/hm2。滴灌比漫灌處理相比，土壤中的水分含量呈現(xiàn)出上層高下層低的趨勢(shì)，主要是由于滴灌屬于高頻率灌溉，灌溉水向下滲漏的量相對(duì)較少，使得枸杞根系主要生長(zhǎng)區(qū)域0～100 cm范圍內(nèi)，土壤水分相對(duì)處于一個(gè)穩(wěn)定供應(yīng)的狀態(tài)。而水分的顯著性差異，使得土壤有機(jī)碳和根系生長(zhǎng)分泌的有機(jī)物質(zhì)在土壤中的分解轉(zhuǎn)化條件差別較大。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不同灌溉農(nóng)田管理操作后，土壤中有機(jī)碳，特別是活性較強(qiáng)、易發(fā)生轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳組分易氧化態(tài)活性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳在滴灌模式下呈現(xiàn)出尤為顯著的提升作用，特別是尤其0～10和10～20 cm表層和120～140 cm深層土壤均有顯著增加。這主要是由于表層區(qū)域由于植物根系生長(zhǎng)、外源有機(jī)肥的施入使得土壤有機(jī)物質(zhì)豐富，但在漫灌條件下每次灌水后土壤水分過(guò)多，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)短期內(nèi)分解轉(zhuǎn)化，尤其是活性有機(jī)碳，且有部分水溶性有機(jī)碳隨著過(guò)多的水分淋洗而損失。同時(shí)，試驗(yàn)研究表明，滴灌和漫灌處理40～60 cm土層易氧化態(tài)活性有機(jī)碳均明顯降低，層化比系數(shù)分別降低至89.51%和94.17%，從層次分布上出現(xiàn)“斷層”現(xiàn)象?？赡苡捎谠撏翆又惺氰坭礁导蟹植紖^(qū)域，土壤微生物活動(dòng)也比較活躍，土壤活性有機(jī)碳更易被分解轉(zhuǎn)化，而60 cm以下，尤其是滴灌條件下，枸杞根系變少、土壤溫度降低、土壤水分含量降低，使得有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化速率明顯降低所致?？梢?jiàn)，合理的灌溉措施，對(duì)增加旱區(qū)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量具有重要意義。通過(guò)合理優(yōu)化土壤水分管理，不僅有利于節(jié)約資源，提高利用效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也是養(yǎng)地用地重要過(guò)程。

(2)灌溉方式對(duì)枸杞產(chǎn)量的影響。由于枸杞種植集中在西北干旱地區(qū)，灌溉管理是其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程必要的生產(chǎn)管理措施，合理的灌溉模式對(duì)于枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)提升十分重要[22]。本研究采用滴灌和漫灌兩種灌溉模式，進(jìn)行枸杞栽培管理，結(jié)果顯示兩種模式下，枸杞總產(chǎn)量差別不明顯，但由于灌溉定額降低了52.40%，滴灌水生產(chǎn)率比漫灌高112.12%，且果實(shí)等級(jí)率有所提高。因此，采用科學(xué)合理的灌溉模式，可以提高水熱資源、養(yǎng)分資源的利用效率，而且有利于提升果品品質(zhì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在寧夏有限的水資源條件下，通過(guò)滴灌能有效調(diào)控土壤碳庫(kù)變化趨勢(shì)，即使在短期內(nèi)，總有機(jī)碳數(shù)量變化不明顯，但通過(guò)水分調(diào)控土壤有機(jī)物質(zhì)的腐解和補(bǔ)給使得活性有機(jī)碳含量提高，土壤有機(jī)碳質(zhì)量明顯提升，有利于培肥枸杞果園土壤，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)。

針對(duì)研究區(qū)域枸杞生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，通過(guò)滴灌模式，生育期內(nèi)灌溉用水量減少一半，能夠滿(mǎn)足生長(zhǎng)需求，枸杞產(chǎn)量保持穩(wěn)定，果品品質(zhì)得到提升，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水熱資源高效利用，農(nóng)業(yè)高效高產(chǎn)的水分管理模式。