不同覆膜連作年限對瑪納斯縣棉田土壤質量的影響

茍燕如，楊京京，柴 強，湯慶峰，嚴 涵，胡 洋，鄧朋飛，孫 霞,5，賈宏濤,5

(1.新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.石河子農業(yè)科學研究院，新疆 石河子 532000；3.新疆瑪納斯縣蘭州灣鎮(zhèn)人民政府，新疆 瑪納斯 832200；4.北京市科學技術研究院分析測試研究所(北京市理化分析測試中心)，北京 100089；5.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

地膜覆蓋技術因其增溫、保墑、抑制雜草、促進植物成熟等顯著優(yōu)點，已成為確保棉花高產穩(wěn)產的重要技術手段之一[1]。早在上世紀80年代，新疆就開始在棉花作物上推行地膜覆蓋技術，并取得了巨大成效。截至2019年，新疆當年農田地膜覆蓋面積約為354.80萬hm2，而棉田覆膜總面積約為254.05萬hm2，約占新疆當年農田地膜總覆蓋面積的71.60%；而新疆當年農田地膜總使用量為約24.27萬t，已成為我國地膜覆蓋面積最大、使用量最多的省區(qū)，是農用地膜的重點市場。

地膜的大量使用導致其殘留嚴重，目前新疆地區(qū)單位土地面積平均地膜殘留量高達16.88 kg，已經成為我國最大的地膜污染區(qū)。由于使用的地膜為普通塑料地膜，在自然條件下無法降解，并且尚未采取有效的回收措施，使得農田中地膜殘留量隨著覆膜年限的積累逐年增加，對土壤生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅[2]，導致土壤結構破壞[3]、阻礙土壤水分[4]、釋放有害物質[5]、抑制土壤微生物的活動[6]、降低土壤酶活性和微生物多樣性[7-8]，從而降低了土壤肥力[9]，甚至產生連作障礙。如果沒有采取合理的地膜回收措施，將會影響到棉花品質與產量[10]。

近年來,土壤酶活性成為了土壤質量評價重要的指標之一，在土壤物質循環(huán)與能量轉化過程中起著至關重要的作用,已受到廣泛關注[11]。隨著土壤中地膜殘留量的增加，土壤團聚體水穩(wěn)定性、土壤養(yǎng)分含量、土壤微生物量均表現出下降趨勢[12]；殘膜長期留在土壤中會降低土壤有機質、全氮、銨態(tài)氮、以及速效磷含量,低濃度殘膜會提高土壤微生物活性和豐度,高濃度殘膜則會顯著降低土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性[9]。殘膜會阻隔土壤空氣的流通，使CO2含量上升，導致微生物和土壤動物數量減少，破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[13]。土壤長期覆膜連作導致棉花質量下降、產量降低，嚴重制約著新疆棉花產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究不同覆膜連作年限棉田土壤理化性質、土壤酶活性、微生物量碳、氮的變化，進而對土壤質量進行綜合評價，有效地指導該區(qū)棉花生產，對促進棉田產業(yè)具有重要意義。目前許多學者針對土壤酶活性已展開大量研究工作，但對新疆棉區(qū)土壤酶活性的變化和土壤質量綜合評價研究仍鮮有報道。本研究以瑪納斯縣長期覆膜連作棉田土壤為研究對象,通過分析不同覆膜連作年限棉田土壤理化性質、土壤酶活性、微生物量碳、氮含量變化特征，對該地區(qū)不同覆膜連作年限棉田的土壤質量進行綜合評價，以期為該地區(qū)棉田土壤環(huán)境質量評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆昌吉州瑪納斯縣位于天山北麓、準噶爾盆地南部，地勢自東南向西北傾斜，屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候區(qū)(85°40′～86°31′E,43°21′～45°20′N)。冬季嚴寒、夏季酷熱、干燥少雨、日照充足、蒸發(fā)量大、降水少，平原區(qū)海拔300～500 m，年均氣溫6.6℃，≥10℃積溫3 489.7℃，年降水量110～200 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，無霜期148～187 d，瑪納斯縣是新疆優(yōu)質棉花種植基地之一，主要土壤類型有灌淤土、潮土、灰漠土、風沙土、鹽土，主要經濟作物為棉花。

1.2 樣品采集

2021年4月在瑪納斯縣的蘭州灣(86.12°E，44.50°N)、北五岔鎮(zhèn)(86.31°E，44.52°N)、六戶地鎮(zhèn)(86.13°E，44.65°N)、樂土驛鎮(zhèn)(86.45°E，44.17°N)和包家店鎮(zhèn)(86.33°E，44.36°N)等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)采集土壤樣品，采樣前棉田無翻耕，選取地理位置和海拔相近、土壤質地相似的覆膜連作年限為0、5、10、20、30 a的棉田，同一覆膜連作年限棉田選取10塊樣地，共50個采樣點，采用S形采樣法收集0～10、10～20、20～30 cm土層土壤，清除可見雜物后，利用四分法提取土樣約1 000 g。將一部分新鮮土樣裝入樣品袋中帶回實驗室,用于測定土壤微生物量碳、氮,其余部分經過風干處理后,用于測定土壤理化性質、酶活性等指標。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化性質 采用pH儀和電導儀測定土壤pH和電導率；采用烘干法測定土壤含水率；采用質量法測定土壤總鹽；采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法測定土壤有機質;采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀；采用堿解擴散法測定土壤堿解氮。

1.3.2 土壤酶活性 采用酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性；采用磷酸苯二鈉法測定土壤堿性磷酸酶活性；采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性；采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性。

1.3.3 土壤微生物量碳、氮 采用氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物量碳、氮,用容量法測定微生物量碳，用茚三酮比色法微生物量氮。

1.4 土壤質量綜合評價

1.4.1 評價指標標準化 土壤質量評價指標是對土壤功能和最終評價結果具有顯著影響、借鑒相關研究構建的土壤質量評價指標體系[14-16]。選取土壤含水率(X1)、pH(X2)、電導率(X3)、總鹽(X4)、有機質(X5)、速效磷(X6)、速效鉀(X7)、堿解氮(X8)、過氧化氫酶(X9)、蔗糖酶(X10)、脲酶(X11)、堿性磷酸酶(X12)、微生物量碳(X13)、微生物量氮(X14)作為不同覆膜連作年限棉田土壤質量評價的指標體系。由于測定的各評價指標之間具有不同的量綱，且數量級差別較大，因此對各指標進行無量綱處理之后進行因子分析[17]。

1.4.2 評價指標權重計算 通過主成分分析得到主成分載荷矩陣，公因子方差可反映各評價單項指標對整體方差的貢獻程度，該值越大則對整體方差的貢獻率越大；權重(式1)可反映各評價單項指標對土壤管治的影響程度和貢獻率[18]。

(1)

式中，Wi為第i個評價指標的權重；Ci表示第i個評價指標的公因子方差；n表示評價指標總數。

1.4.3 土壤質量綜合評分 土壤質量評分可反映出土壤質量的總體情況，采用式(2)進行計算。

SQAV=∑bizi

(2)

式中，SQAV為土壤質量評分；bi為個因子的方差貢獻率；Zi為因子得分；i為主成分因子的個數。

1.5 數據分析

使用Excel 2010對數據進行統(tǒng)計，并采用SPSS 25.0對數據進行單因素方差分(ANOVA)和多重比較(LSD)進行顯著性分析。采用Pearson檢驗土樣理化性質和土壤酶活性、微生物量碳、氮間的相關性。采用Origin2021繪圖。

2 結果與分析

2.1 覆膜連作年限對土壤理化性質的影響

由表1可以看出，不同覆膜連作年限土壤的理化性質存在顯著差異(P<0.05)。隨覆膜連作年限的增加，土壤含水率和有機質含量整體呈現增加趨勢，土壤含水率在覆膜連作30 a 20～30 cm土層時最高(11.52%),在覆膜連作0 a 0～10 cm土層時最低(8.65%)；有機質含量在覆膜連作30 a 10～20 cm土層時最高(21.60 g·kg-1)，在覆膜連作0 a 20～30 cm土層時最低(9.95 g·kg-1)；pH值整體呈現先降低后升高趨勢，在覆膜連作0 a 0～10 cm土層時最高(8.46)，比連作10 a時增加了11.02%；電導率和總鹽呈現下降趨勢，在覆膜連作0 a 20～30 cm土層時最高，分別為9.72 mS·cm-1和11.82 g·kg-1，在覆膜連作30 a 0～10 cm土層時最低，分別為0.50 mS·cm-1和0.69 g·kg-1；堿解氮隨覆膜連作年限的增加整體呈現降低趨勢，在覆膜連作0 a 10～20 cm土層含量最高(38.88 mg·kg-1)，比覆膜連作30 a提高了33.47%；速效磷呈現先升高后降低趨勢，在覆膜連作10 a 0～10 cm土層時最高(49.60 mg·kg-1)，顯著高于其他覆膜連作年限；速效鉀呈現波動性下降趨勢，在覆膜連作30 a 20～30 cm土層時含量最低，顯著低于覆膜連作0 a。

在同一覆膜年限下，隨土層深度的增加，土壤含水率、電導率及總鹽總體呈現上升趨勢，而土壤pH值、有機質、速效磷、速效鉀、堿解氮含量總體呈下降趨勢，且不同土層之間存在顯著性差異(P<0.05)。

2.2 覆膜連作年限對土壤酶活性的影響

由圖1可知，隨覆膜連作年限的增加，土壤過氧化氫酶活性無顯著變化，且在不同年限中趨于穩(wěn)定，變化范圍為1.80～2.20 mL·g-1；土壤蔗糖酶活性在覆膜連作0 a 0～10 cm土層時活性最低(3.44 mg·g-1·d-1)，僅為覆膜連作10 a 20～30 cm土層的67.46%。土壤脲酶和堿性磷酸酶活性隨覆膜連作年限的增加呈先升高后降低趨勢，在覆膜連作0 a 20～30 cm土層時活性最低,分別為0.20 mg·g-1·d-1和0.16 mg·g-1·d-1，顯著低于覆膜連作30 a，分別降低了76.74%和65.21%;在覆膜連作10 a 0～10 cm土層時活性最高,分別為0.86 mg·g-1·d-1和0.46 mg·g-1·d-1。

同一覆膜連作年限下，隨土層深度的增加，過氧化氫酶活性變化趨勢不顯著，土壤蔗糖酶在10～20 cm土層時活性顯著高于其他土層，土壤脲酶、堿性磷酸酶活性整體呈現下降趨勢，在20～30 cm土層時活性最低。

2.3 覆膜連作年限對土壤微生物量碳、氮的影響

不同覆膜連作年限棉田土壤微生物量碳、氮含量變化如圖2所示。隨覆膜連作年限的增加，0～10 cm土層土壤微生物量碳含量呈現先增加后減少趨勢，且在覆膜連作20 a和0 a時含量分別為最高(205.26 mg·kg-1)和最低(122.94 mg·kg-1)，與覆膜連作10 a的土壤微生物量碳差異不顯著,土壤微生物量氮隨覆膜連作年限的增加逐漸降低，在覆膜連作5 a時含量最高;10～20 cm土層土壤微生物量碳在覆膜連作10 a時含量最高(193.03 mg·kg-1)，高于覆膜連作0 a，土壤微生物量氮在各覆膜連作年限之間差異不顯著，其含量為16.13～12.90 mg·kg-1;20～30 cm土層土壤微生物量碳在覆膜連作20 a時最高(174.42 mg·kg-1)，在0 a時含量最低(93.99 mg·kg-1)，覆膜連作5 a處理下土壤微生物量氮含量比覆膜連作30 a處理提高了54.46%。

表1 不同覆膜連作下棉田土壤基礎理化性質變化特征Table 1 Characteristics of soil physical and chemical properties in cotton fields of different film mulching

圖1 不同覆膜連作年限0～30 cm土層土壤酶活性的變化Fig.1 Changes of soil enzyme activity in 0～30 cm depth of different mulching years

注：圖1和圖2中小寫字母表示相同年限不同土層間差異顯著(P<0.05)。Note:Lower case letters in figures 1 and 2 indicate significant differences between soil layers of the same age (P<0.05).圖2 不同覆膜連作年限0～30 cm土層土壤微生物量碳、氮含量Fig.2 Carbon and nitrogen content of soil microorganism in 0～30 cm depth of different years mulching

同一覆膜連作年限下，隨土層深度的增加，土壤微生物量物量碳、氮含量整體呈現下降趨勢，在20～30 cm土層時含量最低。

2.4 土壤理化性質和土壤酶活性、微生物量碳、氮的相關性分析

由表2可以看出，過氧化氫酶活性與有機質、速效磷和堿解氮均呈正相關，與速效磷呈極顯著相關關系(P<0.01)，與土壤含水率呈顯著相關關系(P<0.05)；蔗糖酶活性與電導率、總鹽、速效鉀和堿解氮均呈顯著的負相關關系(P<0.05)，與速效磷呈顯著正相關關系(P<0.05)；脲酶活性與pH、電導率、總鹽和速效鉀均呈極顯著的負相關關系，與速效磷呈極顯著正相關關系(P<0.01)；堿性磷酸酶與速效磷呈極顯著正相關關系(P<0.01),與pH、電導率、總鹽和速效鉀呈顯著負相關關系(P<0.05)。土壤微生物量碳與速效磷呈極顯著正相關關系，與pH、電導率、總鹽、速效鉀呈極顯著負相關關系(P<0.01)；微生物量氮與有機質呈極顯著負相關關系(P<0.01)。綜上所述，速效磷是影響土壤酶活性、微生物量碳、氮的主要因素。

表2 土壤理化性質和土壤酶活性、微生物量碳、氮的相關性分析Table 2 Analysis of soil physical and chemical properties and soil enzyme activity,microbial biomass,carbon and nitrogen correlation

2.5 覆膜連作年限下棉田土壤質量綜合分析

在14個評價指標中，選取3個因子作為主要因子，累計貢獻值達到87.420%，可以代表原來14個評價指標(表3)。由表4可知，與第1主成分相關性較高的指標有X9、X11、X13，即土壤過氧化氫酶、脲酶、微生物量碳；第2主成分與X1、X2、X8相關性較高，即土壤含水率、pH、堿解氮；第3主成分與X5、X14相關性較高，即有機質、土壤微生物量氮。

通過計算得出各處理的因子得分及綜合得分情況(表5)，由各因子得分和方差貢獻值加權得到土壤質量綜合得分，不同覆膜連作年限下的土壤質量綜合得分整體表現為10 a>5 a>20 a>30 a>0 a。

3 討 論

3.1 覆膜連作年限對土壤理化性質的影響

棉花是新疆的主要經濟作物，且棉花地膜覆蓋率已達到100%，棉田覆膜占新疆地膜使用量的60%左右。長期覆膜連作會改變棉田土壤理化性質、導致養(yǎng)分嚴重失衡、毒害物質積累等土壤環(huán)境問題[19]。本研究發(fā)現在不同覆膜連作年限下，隨覆膜連作年限的增加，土壤速效磷呈現先升高后降低趨勢，電導率、總鹽、速效鉀、堿解氮總體逐漸減小，這與前人研究結果一致[20-21]，表明覆膜連作年限的增加會降低土壤養(yǎng)分積累，且覆膜年限越長殘膜積累量越多，這說明地膜殘留對土壤養(yǎng)分含量有顯著差異。pH值整體呈現先降低后升高的趨勢，殘留地膜可能會使土壤鹽分、pH值升高。隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量逐漸降低，劉瑜等[22]研究表明棉花連作表層土壤速效磷和速效鉀含量均顯著高于深層,這是由于棉田多年采用覆膜滴灌施肥而造成土壤養(yǎng)分表聚的結果，且表層殘膜量高于深層，這說明地膜殘留對表層土壤養(yǎng)分含量無顯著影響。有機質含量隨土層深度增加逐漸降低，這可能是由于枯枝落葉和棉花根系在表層分解，導致有機質在地表富集；同時，有機質含量逐年增加，這是由于長年秸稈還田所致。

表3 因子特征值及方差貢獻率Table 3 Factor eigenvalue and variance contribution rate

表4 旋轉后土壤生物性狀因子載荷矩陣、公因子方差及權重Table 4 Soil biological trait factor load matrix,public factor variance and weights after rotation

表5 不同覆膜連作年限棉田土壤質量評價Table 5 Results of soil quality of different compound film years

3.2 覆膜連作年限對土壤生物性質的影響

土壤酶活性是指具有催化有機質及其他有機化合物分解和轉化能力的指標,可有效反應土壤質量和健康狀況[23]。本研究中，土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性總體呈現先增加后降低的趨勢，土壤過氧化氫酶活性隨不同覆膜連作年限并無顯著變化，前人研究發(fā)現棉田連作對過氧化氫酶的影響不明顯，與荒地相比，隨覆膜連作年限的增加，土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均呈現出先增加后降低的趨勢[24]。隨覆膜連作年限的增加，土壤微生物量碳含量呈現先增加后減少的趨勢，微生物量氮含量逐漸降低，該結果與郭新送等[25]研究相似，這是由于地膜在土壤中釋放有毒有害物質，破壞土壤結構造，阻礙了土壤空氣的循環(huán)和交換，致使土壤中CO2含量過高，從而降低土壤酶活性和微生物量。pH值、電導率、總鹽和速效鉀對土壤酶活性表現為負效應，有機質和速效磷對土壤活性表現為正效應，這與貢璐等[26]研究基本一致。土壤速效磷與過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性和微生物量碳呈現極顯著相關，與蔗糖酶呈顯著相關，而土壤速效磷是植物所需的營養(yǎng)元素之一，它的主要作用是促進作物體內營養(yǎng)物質的運輸、轉化和積累，提高農作物抗寒和抗病性，能直接供作物吸收利用，是土壤養(yǎng)分供應能力和肥力的重要指標之一[27]，能改善土壤的物理性質，促進微生物和土壤生物的活動，是影響土壤酶活性、微生物量碳、氮的主要因素。

3.3 覆膜連作年限棉田土壤質量綜合評價

土壤質量指標是表示從土壤生產潛力和環(huán)境管理的角度監(jiān)測和評價土壤健康狀況的性狀、功能或條件[28]。土壤質量的高低受自然和人為條件因素影響,且因地區(qū)和土壤類型而異。土壤理化性質、酶活性、微生物量均隨覆膜連作年限發(fā)生變化，進而影響土壤健康?；谝蜃臃治龇ǖ贸龅牟煌材みB作年限棉田土壤質量評分最高的是覆膜連作10 a，其次是5 a，0 a和30 a相對較低，覆膜連作5 a和10 a的棉田地膜殘留量較少，且覆膜可以提高土壤養(yǎng)分含量，有利于土壤養(yǎng)分積累，改善土壤環(huán)境，因此土壤質量狀況較好；而覆膜連作0 a和30 a棉田土壤質量相對較低，說明覆膜連作時間過長或不種作物均不利于棉花生長，這是因為新疆土壤本身鹽堿含量較高，土壤水分和土壤養(yǎng)分等含量較低，加之土地沒有得到有效管理，降雨作用易導致土壤板結，不利于作物生長[29]，而覆膜連作30 a的土壤質量較低，這是由于土壤中地膜殘留逐年積累，甚至對重金屬離子和有機污染均產生吸附作用，導致土壤環(huán)境惡化，危害土壤健康[30]。周斌等[31]研究表明13 a耕作農田土壤質量提高效果明顯，且棉田土壤質量狀況最佳。貢璐等[32]發(fā)現棉田的土壤質量隨覆膜連作年限呈先上升后下降的趨勢,連作8、12 a棉田土壤質量相對較高,連作20、30 a土壤質量有退化趨勢，說明在5～15 a之間土壤質量較高，在20～30 a之間土壤質量較差，這與本文研究結果一致。

4 結 論

1)隨覆膜連作年限的增加，有機質含量逐漸增加，土壤速效磷呈現先升高后降低趨勢，pH、電導率、總鹽、速效鉀、堿解氮呈現降低趨勢；土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性隨著覆膜連作年限的增加呈現先升高后降低的趨勢，土壤過氧化氫酶含量并無顯著變化；微生物量碳呈現先增加后減少趨勢，微生物量氮含量逐年降低；隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、微生物量碳、氮含量逐漸降低。

2)土壤理化性質與土壤酶活性、微生物量碳、氮之間存在一定相關性，速效磷與過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性和微生物量碳呈現極顯著相關，與蔗糖酶活性呈顯著相關，表明土壤速效磷是影響土壤酶活性和微生物量碳、氮的主要因素。

3)土壤質量綜合得分表現為覆膜連作年限10 a>5 a>20 a>30 a>0 a，覆膜連作10 a是土壤養(yǎng)分最佳的年限，有利于提高土壤質量和增加棉花產量。