新疆典型滴灌棉田土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征

王安意 劉耘華 盛建東

摘 ? ?要：通過對田間不同種植年限土壤剖面養(yǎng)分的監(jiān)測，探明長期滴灌棉田土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征。以種植年限分別為10，14，16年的滴灌棉田土壤養(yǎng)分為研究對象，利用網(wǎng)格布點(diǎn)法，分層采集0～100 cm土壤樣品，測定土壤有機(jī)碳、全氮、速效氮磷鉀等指標(biāo)，分析其時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：（1）研究區(qū)土壤養(yǎng)分均呈現(xiàn)出中等強(qiáng)度的變異，其中，速效鉀隨種植年限增加含量逐漸減少，而有效磷和全氮隨種植年限增加含量逐漸增加，有機(jī)碳和堿解氮未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。（2）全氮、有機(jī)碳、堿解氮含量均呈現(xiàn)出從表層到底層逐漸降低的趨勢，在0～40 cm土層有效磷顯著積累，而速效鉀在表層顯著降低。通過研究長期滴灌棉田不同土壤養(yǎng)分在時(shí)間和空間上出現(xiàn)的變化規(guī)律，可以為新疆棉田土壤培肥和養(yǎng)分資源科學(xué)管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：滴灌棉田;速效養(yǎng)分;碳氮;時(shí)空變異

中圖分類號：S156.4 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.11.019

Spatial-temporal Variation of Soil Nutrients in Typical Drip Irrigation Cotton Fields in Xinjiang

WANG Anyi， LIU Yunhua， SHENG Jiandong

（College of Pratacultural and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University/ Xinjiang Key laboratory of Soil and Plant Ecological Processes， Urumqi，Xinjiang 830052，China）

Abstract：The temporal and spatial variation characteristics of soil nutrients in long-term drip irrigation cotton field were investigated by monitoring soil nutrients in different planting years in the field.Soil nutrients in drip irrigation cotton fields with planting years of 10， 14 and 16 years were selected as the research objects. Soil samples from 0-100 cm were collected by grid distribution method. Soil organic carbon， total nitrogen ， available nitrogen， phosphorus， potassium and other indexes were measured， and their spatial and temporal variations were analyzed.The results showed that：（1） The soil nutrients in the study area showed moderate variation， among which， the content of available potassium decreased gradually with the increase of planting years， while the content of available phosphorus and total nitrogen increased gradually with the increase of planting years， while the content of organic carbon and alkali-hydrolyzable nitrogen did not show an obvious pattern.（2）The contents of total nitrogen， organic carbon and alkali-hydrolyzed nitrogen decreased gradually from the surface layer to the bottom layer. The available P was significantly accumulated in the 0-40 cm soil layer， while the available K was significantly decreased in the surface layer.The temporal and spatial variation of different soil nutrients in cotton field under long-term drip irrigation was studied， It could provide some scientific basis for soil fertilizer cultivation and nutrient resource management in Xinjiang cotton field.

Key words： cotton field; available nutrient; carbon and nitrogen; spatial and temporal variation

土壤養(yǎng)分是土壤肥力最重要的肥力因子之一。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤養(yǎng)分的演變受到自然因素和人為因素的雙重影響[1-2]。新疆棉花產(chǎn)量占到全國的87.4%，單產(chǎn)穩(wěn)居全國領(lǐng)先地位[3]，這與近二十多年膜下滴灌技術(shù)在棉花生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用具有密切的關(guān)系[4]。因此，掌握長期滴灌條件下棉田土壤養(yǎng)分的變化特征，對新疆農(nóng)田土壤培肥、科學(xué)施肥以及綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5-7]。

肥料長期定位實(shí)驗(yàn)可以為研究不同種植年限對土壤肥力及作物產(chǎn)量等方面的影響提供可靠的數(shù)據(jù)，在國內(nèi)外均受到廣泛的重視[8-9]。世界上最早的英國洛桑長期定位試驗(yàn)站建立于1843年，在對肥料施用、作物產(chǎn)量、生物多樣性等方面取得重要成果，對推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用[10-11]。新疆阜康荒漠生態(tài)站于1987年正式建立[12]，賴冬梅等[13]在此對連續(xù)種植17年的棉田進(jìn)行研究，認(rèn)為0～30 cm土層土壤的有機(jī)碳、全氮含量隨土層深度的增加顯著降低;榮井榮等[14]研究認(rèn)為剖面深度以及施肥年限對土壤中有機(jī)碳和無機(jī)碳的含量變化均有顯著的影響。新疆的灰漠土肥力與肥效監(jiān)測站建成于1989年，劉驊等[15]在此得出了當(dāng)前灰漠土農(nóng)田在常規(guī)施肥方式下鉀素的虧缺正在增加，應(yīng)當(dāng)對農(nóng)田土壤補(bǔ)充更多的鉀肥以及配合施用有機(jī)肥或秸稈;王西合等[16]得出灰漠土耕層土壤有機(jī)碳含量與施肥年限間存在顯著相關(guān)性。

因此，本研究在新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場，對三塊不同滴灌種植年限的地塊進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn)采樣，分層采集土壤剖面（0～100 cm）樣品，比較分析滴灌年限對棉田土壤養(yǎng)分垂直變化特征的影響，研究結(jié)果可為制定土壤培肥措施和合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

本研究位于新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場，該農(nóng)場地處天山南麓孔雀河中游，塔里木盆地東北緣（41°67′N， 85°86′E），平均海拔為890～950 m，年均氣溫在10.5℃～11.5℃，年平均降水量為51.5 mm，蒸發(fā)量為2 714.7 mm，無霜期為288 d，該區(qū)域?qū)俅箨懶愿珊禋夂颍寥李愋蜑楣喔}化潮土。該地區(qū)日照時(shí)間長、晝夜溫差大，適宜棉花、香梨等作物的生長[17]。1.2 樣點(diǎn)布置與樣品采集

本試驗(yàn)以包頭湖農(nóng)場一塊143.52 hm2的棉田作為研究區(qū)，根據(jù)滴灌種植年限（10，14，16年），將研究區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域，研究區(qū)內(nèi)田間管理措施基本保持一致（灌溉、施肥及耕作等）。于2018年8月，按照200 m×100 m的間距布設(shè)采樣點(diǎn)，利用GPS定位，在三個(gè)區(qū)域內(nèi)分別布置5，15，17個(gè)樣點(diǎn)，樣品采集深度為100 cm，以20 cm為一個(gè)層次，分為5個(gè)土層，共采集樣品185個(gè)。

1.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定

將采集的土壤樣品自然風(fēng)干后，除去其中礫石和植物殘?bào)w，研磨過篩后進(jìn)行土壤養(yǎng)分測定。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的測定分別采用堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法和 NH4OAC浸提法測定[19];全碳、全氮利用元素分析儀（Euro EA 3000型）測定，無機(jī)碳利用碳酸測定儀測定，有機(jī)碳含量通過全碳含量與無機(jī)碳含量差值獲得。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理分析采用 Microsoft Excel 2007，利用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行不同種植年限和土層之間土壤屬性的方差分析和多重比較，用Origin 2018繪制土壤養(yǎng)分變化的柱狀圖[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)特征

對整個(gè)研究區(qū)各土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析（表1）表明：有機(jī)碳、全氮、堿解氮以及有效磷的含量均隨土層的加深而減少，不同的養(yǎng)分指標(biāo)在剖面上變化不同。其中，土壤有機(jī)碳在0～20 cm土層顯著高于20～100 cm;全氮含量在0～20 cm土層顯著高于60～100 cm土層;在剖面0～20，20～40，40～100 cm等3個(gè)土層之間的堿解氮含量差異顯著;有效磷的含量在0～40 cm土層有明顯下降趨勢，在40 cm土層以下含量趨于穩(wěn)定，其中表層（0～20 cm）有效磷含量顯著高于其余土層;而速效鉀含量隨土層的加深其含量逐漸增加，即40～100 cm土層的速效鉀含量顯著高于0～40 cm。

另外，根據(jù)反映離散程度的變異系數(shù)大小，可以將土壤養(yǎng)分的變異程度進(jìn)行分級。其中變異系數(shù)小于10%為弱變異，變異系數(shù)在10%～100%屬于中等程度變異，變異系數(shù)大于100%為強(qiáng)變異[21]。本研究區(qū)內(nèi)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)在28%～65%范圍內(nèi)，均屬于中等強(qiáng)度的變異。其中，土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和有效磷的變異系數(shù)自表層向下增加，而速效鉀變化不明顯。

2.2 不同種植年限棉田土壤剖面養(yǎng)分變異特征

通過對種植年限和土層厚度與土壤養(yǎng)分進(jìn)行雙因素方差分析可知（表2），不同種植年限對土壤全氮、有效磷、速效鉀的含量均有極顯著的影響作用（P<0.01）;不同的土層深度對全氮、有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和速效鉀均有極顯著的影響作用（P<0.01），種植年限和土層深度對有機(jī)碳還有顯著的交互作用（P<0.05）。

土壤有機(jī)碳含量隨著土層加深其變化總體呈下降趨勢（圖1），其中，在種植10年區(qū)域，20～40 cm土層的含量顯著高于其它土層;在種植14年區(qū)域，0～40 cm和60～80 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于其它土層;在種植16年區(qū)域，有機(jī)碳隨土層深度下降而逐漸減少，并且0～40 cm土層顯著高于40～100 cm;除了在60～80 cm土層有機(jī)碳含量在不同種植年限下無顯著差異。

土壤全氮含量均隨土層的加深而減少（圖1）。其中，種植10年，0～20 cm土層的含量顯著高于60～100 cm土層;種植14年，0～20 cm土層的全氮含量顯著高于20～100 cm土層，而20～100 cm土層之間全氮含量無顯著差異;種植16年，全氮含量在0～20 cm土層顯著高于60～100 cm土層。在同一土層，土壤全氮大都表現(xiàn)出隨著種植年限增加而增加。

土壤剖面速效養(yǎng)分變化特征如下（圖2）：堿解氮的含量隨土層的加深而減少，且0～20 cm，20～40 cm與40～100 cm土層之間的含量差異顯著;種植10年區(qū)域內(nèi)的堿解氮含量在0～40 cm土層顯著高于60～100 cm。在0～60 cm土層，種植10年區(qū)域內(nèi)的堿解氮含量顯著高于種植14，16年。

在3個(gè)種植年限，土壤有效磷含量均隨土層厚度增加快速減少，并且在剖面40 cm處含量發(fā)生驟減至5 mg·kg-1，在40～100 cm土層降低至5 mg·kg-1及以下。隨種植年限的增加，土壤有效磷含量升高，在表層土壤（0～20 cm），3個(gè)種植年限之間含量差異顯著（P<0.05）;在40～100 cm土層，種植14，16年區(qū)域內(nèi)的有效磷含量顯著高于種植10年。

速效鉀含量在不同種植年限區(qū)域均隨土層加深而逐漸增加;種植10年區(qū)域的速效鉀含量在各土層之間差異未達(dá)到顯著水平。種植14，16年區(qū)域內(nèi)的速效鉀含量在0～40 cm土層顯著低于60～100 cm;在0～60 cm土層，種植10年區(qū)域內(nèi)的速效鉀含量顯著高于種植14，16年。

3 結(jié)論與討論

在該研究區(qū)內(nèi)，不同的土層深度對土壤中有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀均有極顯著的影響（P<0.01）。其中，全氮、堿解氮和有效磷的含量均隨土層深度的增加而降低，速效鉀的含量隨土層深度的增加而升高。因?yàn)樾陆靥幐珊祷哪畢^(qū)，鹽堿荒地受水資源等條件的限制，生物積累量少，導(dǎo)致全氮隨著土層的加深，含量逐漸減少[22]。新疆棉田大量施用氮磷肥，導(dǎo)致氮素和磷素在耕作層發(fā)生累積，含量高于底層，且因磷素在土壤中移動性較差，很難移動到40 cm以下的土層，所以其含量在剖面40 cm處發(fā)生驟減，0～40 cm土層有效磷的含量顯著高于40 ～100 cm土層。因新疆地區(qū)鉀肥施用量不足，棉田鉀肥施用量一般為150 kg·hm-2，而棉花吸收鉀素的量為250～300 kg·hm-2。因此，導(dǎo)致土壤表層速效鉀出現(xiàn)耗竭，含量低于底層土壤[23]。另外有機(jī)碳、全氮、堿解氮和有效磷的變異系數(shù)均呈現(xiàn)出隨土層加深而增加的趨勢，這可能與統(tǒng)一的灌溉施肥耕作措施有關(guān)，尤其滴灌有利于提高灌溉和施肥的均勻度，促進(jìn)表層土壤養(yǎng)分的均一化。

種植年限的變化對土壤中全氮、有效磷和速效鉀的含量均有極顯著的影響（P<0.01），不同土層的全氮含量均隨種植年限增加而升高，且種植16年顯著高于種植10年，這主要是因?yàn)橥恋亻_墾后施肥等措施會增加土壤中氮素的含量，且作物的殘?bào)w和凋落物落入土壤中也會增加氮素的積累[24]。因?yàn)樵陂L期施肥條件下，土壤中磷素增加并出現(xiàn)盈余狀態(tài)，所以有效磷在0～20 cm土層的含量隨種植年限的增加而顯著升高[25]。速效鉀的含量隨種植年限增加而減少主要是因?yàn)殁浄适┯貌蛔?，隨著種植年限的增長，鉀素發(fā)生耗竭。

為了掌握長期滴灌棉田土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特性，對包頭湖農(nóng)場研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)進(jìn)行分析得出，不同土層深度對土壤中有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀均有極顯著的影響作用（P<0.01），隨土層深度的增加，全氮、有機(jī)碳和堿解氮含量下降;有效磷含量出現(xiàn)驟減;速效鉀含量逐漸增加。不同種植年限區(qū)域內(nèi)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化趨勢與研究區(qū)整體保持一致。隨著種植年限的增加有效磷和全氮含量逐漸增加;土壤速效鉀含量逐漸減少;有機(jī)碳和堿解氮未呈現(xiàn)出明顯變化。

根據(jù)滴灌棉田土壤養(yǎng)分的變化特征，建議在棉花生產(chǎn)中注重增施有機(jī)肥或加強(qiáng)秸稈還田，實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)控施肥，監(jiān)控土壤有效磷提高到20～25 mg·kg-1后[26]施磷量與棉花攜出量平衡，適度補(bǔ)充鉀肥，為棉花高產(chǎn)高效提供適宜土壤肥力和科學(xué)施肥原則。

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收稿日期：2021-07-23

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)天山雪松計(jì)劃（2019XS05）

作者簡介：王安意（1995—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，在讀碩士生，主要從事土壤資源利用方面研究。

通訊作者簡介：盛建東（1970—），男，山東泰安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤資源利用與改良、養(yǎng)分資源高效利用方面研究。