棗棉間作生態系統內根系和棉花產量分布及土壤養分時空變化1)

宋鋒惠 吳正保 史彥江

(新疆林業科學院，烏魯木齊，830063)

復合農林業在協調農林“爭地”矛盾，提高自然資源利用率，促進人口、糧食、資源和環境的良性循環等方面具有強大的生命力。棗棉間作生態系統既是一種典型的生態型立體農業，也是平原綠化體系中的重要組成部分，在鹽堿、干旱等貧瘠土壤條件地區的生態環境建設中具有十分重要的生態意義。前人對棗糧復合生態系統業已做過大量研究，但其主要集中在對棗樹生物學和生理學特性［1－3］、間作系統結構、種間關系、小氣候、生態和經濟效益［4－9］，以及棗糧間作生態系統內部土壤養分的空間分布等方面［10－12］。棗樹適應性強，極耐旱、耐鹽堿、抗寒，易于栽培管理，現已成為新疆環塔里木盆地綠洲帶的主要栽培果樹之一，棗棉間作生態系統也是新疆主要的農林復合模式之一。在棗棉間作生態系統中，由于棗樹和棉花的根系在空間分布上的重疊現象，不可避免地存在養分的競爭吸收，這些變化都會影響到系統內土壤養分的變異。而目前對于棗棉間作生態系統內部土壤養分的時空異質性研究尚未見報道。本研究在棉花不同生育期內，對棗棉間作生態系統中0＜H(土層深度)≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm土壤中養分的時空變化規律進行測定，以期掌握不同時期棗樹和棉花對土壤養分的競爭吸收特性，為棗棉間作生態系統科學合理的施肥管理和可持續經營提供理論依據。

1 研究區概況

試驗地位于環塔里木盆地干旱區中心地帶的阿克蘇市依干其鄉哈尼喀村，地理坐標N41°07＇～41°08＇，E80°14＇～80°16＇，海拔 1 078 m。屬暖溫帶干旱氣候區，降水量稀少，蒸發量大，氣候干燥。年平均氣溫10℃，1月份平均氣溫－8℃，7月份平均氣溫25℃。年平均降水量100 mm左右。太陽總輻射量544.115 ～590.155 J·cm－2，日照時間2855 ～2 967 h，無霜期205～219 d，風沙浮塵天氣較多，主要集中在春季和夏季。春季升溫快而不穩，秋季降溫快。

2 材料與方法

在棗棉間作模式中，棗樹品種選取2002年定植的、長勢良好的灰棗(Ziziphus jujubaMill.‘Huizao’)，株行距為3 m×4 m，南北林向;棉花品種為當地主栽的“中棉43號”，雙膜8行種植，種植密度約為2.3×105株·hm－2。

田間肥料管理:于6月23日棉花四葉期時，施用75 kg·hm－2尿素、150 kg·hm－2磷酸二氫鉀;7 月25日棉花裂鈴期，施用225 kg·hm－2磷酸二氫鉀。

樣品采集與處理:于棉花出苗期(5月13日)、三葉期(6月7日)、五葉期(6月30日)、現蕾期(7月20日)、開花裂鈴期(7月31日)和吐絮期(9月23日)，在平行于棗樹種植行方向上，以棉花行逐行設置采樣點，根據距兩側棗樹的距離，具體位置為:距離棗樹東側(E)的75、105、135、165 cm 和距離棗樹西側(W)的 95、125、155、185 cm，用土鉆進行取樣，重復3次。取土深度(H)為0＜H≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm，每份土樣取100 g左右，風干后裝入密封袋中，帶回實驗室測定其土壤有機質、速效N、速效K、速效P質量分數。土壤樣品分析方法采用《土壤農業化學分析》［13］。土壤有機質測定采用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法;土壤速效N采用堿解擴散法測定;土壤速效P采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定;速效K采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。

根系的空間分布測定:于棉花吐絮期，在垂直于行間的方向上，采用分層挖掘法，以距離樹干(L)25、75、125、175 cm處為中心設立采樣點。在各采樣點的0＜H≤40 cm的土層中，每隔10 cm取20 cm×20 cm的樣方。每個樣方經破碎過篩仔細挑揀活根，清潔根系表面之后，用標本夾帶回實驗室，置陰涼處晾干根表水分，棗樹以根直徑小于等于1 mm為吸收根的界限進行分類。采用加拿大Epson TwainPro掃描儀獲取形態結構圖像，并用專業的根系分析應用系統Winrhizo軟件，對根長密度進行測定分析，重復調查3株樹。

棉花產量測定:在10月上旬棉花吐絮期，在棗樹東西兩側，距離棗樹東側(E)的 75、105、135、165 cm 和距離棗樹西側(W)的95、125、155、185 cm 處，分別設置3 m×4 m的樣方，調查樣方內棉花的有效株數、單株有效鈴數和單鈴質量，然后將各株棉花采收完畢，分別稱質量，計算棉產量(折合1 hm2計)，重復3次。

試驗數據采用Microsoft Excel 2003和SPSS13.0數據處理系統進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 棗棉間作系統內根系和棉花產量分布規律

由表1結果顯示，在棗棉間作系統內，棗樹吸收根和棉花根系在水平分布上，以100 cm＜L≤150 cm區域內根量最多，達35.1%;在垂直方向上，隨土層深度的增加，根量呈遞減趨勢，0＜H≤20 cm土層根系分布量為20 cm＜H≤40 cm的1.33倍。

表1 棗棉間作系統內根長密度的空間分布

而通過對距棗樹不同距離的籽棉產量進行調查，其結果則表明:不同樣點的棉花產量存在一定的差異，其中棗樹東側樣點的棉花平均產量為4 808.45 kg·hm－2，較棗樹西側棉花產量高出14.74%。

3.2 棗棉間作系統土壤有機質時空分布特性

由表2、圖1的測定結果表明，在棗棉間作生態系統中，土壤有機質質量分數具有一定的時空差異性。

表2 棗棉間作生態系統冬小麥不同生育期土壤養分質量分數比較

從時間上看，土壤有機質質量分數在棉花不同生育期差異比較明顯(p＜0.01)，但在棉花整個生長季節內，土壤有機質質量分數總體呈增加趨勢。在棉花出苗期時，土壤有機質質量分數僅為(21.31±0.12)g·kg－1;棉花三葉期時正值棗樹開花盛期，大量凋落物返還養分于土壤中，有機質質量分數增至(23.54±0.25)g·kg－1，增幅達 10.46%;當棉花在五葉期至現蕾期時，土壤有機質質量分數又呈明顯下降趨勢(p＜0.05);但至開花裂鈴期時，由于受現蕾期打頂等棉花栽培管理措施，土壤獲得的凋零物歸還養分急劇增加，致使土壤有機質質量分數顯著提高(p＜0.01);進入棉花吐絮期，土壤有機質質量分數開始降低，但明顯高于出苗期時土壤有機質質量分數(p＜0.01)。

從水平分布看，在棉花整個生育期內，距棗樹不同距離的樣點土壤有機質質量分數基本維持在(21.95±2.25)～ (23.77 ±0.78)g·kg－1，其中棗樹西側各樣點土壤有機質平均質量分數為23.01 g·kg－1，稍高于東側(22.84 g·kg－1)，這可能與棗樹西側的棉花產量較東側低的現象有關(圖1)。

從垂直方向上看，在棉花整個生育期內，0＜H≤20cm土層中有機質平均質量分數為(24.02±0.68)g·kg－1，明顯高于 20 cm＜H≤40 cm 土層的有機質質量分數 (21.83±0.53)g·kg－1(p＜0.01)，這可能是由于凋零物歸還養分于表層土壤所致。

圖1 棗棉間作生態系統土壤有機質質量分數時空分布特性

3.3 棗棉間作系統土壤速效N時空分布特性

N素是植物必需的三大營養元素之一，對植物的生長發育具有重大影響，本試驗對棗棉間作生態系統土壤速效N質量分數的時空分布特性進行測定，其結果如圖2所示:由表2、圖2可以看出，棗棉間作系統中土壤速效N質量分數具有明顯的時空異質分布特性。

從時間上看，棉花不同時期的土壤速效N質量分數差異達極顯著水平(p＜0.01)。隨棉花生育進程，土壤中速效N質量分數總體呈下降趨勢，其中現蕾期速效N質量分數降幅達27.21%。僅在棉花三葉期和五葉期時，由于田間追施含N素肥料，土壤速效N質量分數出現短暫的增加現象。

在水平分布上看，距棗樹不同位置的0＜H≤40 cm土層速效N質量分數差異明顯，隨距離的增加，土壤速效N質量分數表現出先下降后上升的變化規律。在棉花整個生育期內，樣點 E135cm和W125cm的速效N質量分數最低，分別為103.64 mg·kg－1和 101.61 mg·kg－1，而距樹體最遠的 W185cm樣點速效N質量分數則為137.31 mg·kg－1，兩者差異達極顯著水平(p＜0.01)。同時，棗樹西側土壤速效N 平均質量分數為122.53 mg·kg－1，明顯高于棗樹東側(112.41 mg·kg－1)。分析其原因可能有以下幾點:棗棉間作系統中距樹體100 cm＜L≤150 cm根系分布最為密集，而棗樹基肥施肥范圍在距樹體80 cm＜L≤120 cm處，因而導致距樹體兩側130 cm左右處土壤速效N質量分數明顯低于相鄰樣點;由于棗樹東側的棉花產量較西側高，致使兩側土壤速效N質量分數產生差異。

從垂直分布看，不同土層的速效N質量分數在棉花整個生育期內差異較小(p＞0.05)，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層速效N平均質量分數分別為 118.18、116.76 mg·kg－1。但在棉花不同生育期內，不同深度土層速效N質量分數有所區別。在棉花出苗期，0＜H≤20 cm土層的速效N質量分數為151.04 mg·kg－1，明顯高于20 cm＜H≤40 cm 土層的質量分數(104.88 mg·kg－1)(p＜0.01);但到棉花三葉期和五葉期時，由于此時棉花地上部分生長迅速，以及根系分布較淺等原因，導致0＜H≤20 cm土層的速效N損耗較大，土壤速效N質量分數僅為同期20 cm＜H≤40 cm 土層的 87.92%、66.07%;此后隨著棉花的生長，20 cm＜H≤40 cm土層的養分損耗量開始增大，同時受凋零物對土壤表層養分的補充等原因，導致0＜H≤20 cm土層的速效N質量分數高于20 cm＜H≤40 cm土層。

圖2 棗棉間作生態系統土壤速效N質量分數時空分布特性

3.4 棗棉間作系統土壤速效P時空分布特性

磷是植物生長發育所必須的營養元素，對植物的生命活動和生理功能具有重大影響［14］，對作物產量的提高和品質的改善非常重要。

由表2、圖3顯示，棗棉間作生態系統中土壤速效P質量分數在時空分布上具有明顯的差異性。

從時間角度分析，在棗棉間作生態系統中，0＜H≤40 cm土層速效P質量分數基本上表現出隨棉花生育進程而呈遞減趨勢，僅在棉花五葉期和開花裂鈴期由于田間追肥導致土壤速效P質量分數出現短暫增加現象。但棉花不同生育期內，土壤速效P質量分數降幅有較大差異，其中現蕾期速效P質量分數降幅達47.41%。

從水平分布看，在棉花整個生育期內，土壤速效P質量分數隨距樹體的距離的增加，呈現出先降低再升高的現象，以距樹體130 cm左右處土壤速效P質量分數最低。棗樹東側樣點 E75cm、E105cm、E135cm和E165cm處，0＜H≤40 cm土層速效P質量分數分別為 51.21、39.08、26.66 、33.94 mg·kg－1，其中E135cm處土壤速效P質量分數明顯低于其他樣點(p＜0.01);而棗樹西側樣點 W95cm、W125cm、W155cm 和 W185cm 處，0＜H≤40 cm 土層速效 P 平均質量分數則分別為 34.70、31.72、35.26、43.14 mg·kg－1，以 W125cm 處土壤速效 P 質量分數最低(p＜0.05)。

而從垂直分布看，土壤速效P質量分數隨土層深度的增加而降低。在整個棉花生育期內，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層的速效P平均質量分數分別為 45.99、27.94 mg·kg－1，兩者差異達極顯著水平(p＜0.01)。同時，在0＜H≤20 cm 土層中，速效 P質量分數由出苗期的59.35 mg·kg－1降至吐絮期的36.18 mg·kg－1，速效 P 消耗量為 23.17 mg·kg－1，降幅為39.04%，而20 cm＜H≤40 cm土層的速效P質量分數，則由出苗期的27.48 mg·kg－1降至吐絮期的 13.48 mg·kg－1，速效 P 消耗量 14.00 mg·kg－1，降幅高達50.95%。可見，在棗棉間作系統0＜H≤40 cm土層中，棗樹和棉花對P肥的主要吸收區域集中在0＜H≤20 cm土層內，但20 cm＜H≤40 cm土層則為土壤速效P的主要虧缺區域。

3.5 棗棉間作系統土壤速效K空間分布特性

土壤鉀素營養是影響植物抗旱性、根系生長和作物產量的重要因素［15－16］。

從表2、圖4中可以看出，土壤速效K質量分數在棉花整個生育期表現出一定的時空分布差異性。

圖3 棗棉間作生態系統土壤速效P質量分數時空分布特性

圖4 棗棉間作生態系統土壤速效K質量分數時空分布特性

從時間分布看(表2)，在棗棉間作生態系統內，0＜H≤40 cm土層各樣點速效K平均質量分數基本上隨棉花生育進程而呈逐漸降低的變化趨勢，僅在棉花五葉期和現鈴期時，因棉花追施含K素的肥料而出現短暫增加的現象。但棉花不同生育期內土壤速效K質量分數變幅有較大差異，在棉花三葉期前，土壤中速效K質量分數僅下降9.28%，但至五葉期后，0＜H≤40 cm土層速效K質量分數開始迅速降低。五葉期至現鈴期，土壤中速效K質量分數降幅為21.00%，其后由于在開花裂鈴期時田間追施含K素肥料，導致土壤速效K質量分數有所回升，但在開花裂鈴期至吐絮期時，土壤速效K質量分數又開始大幅下降，由開花裂鈴期時的(225.38±0.66)mg·kg－1急劇降至吐絮期的(160.88±1.23)mg·kg－1，降幅達28.62%。導致在棉花不同生育期土壤速效鉀K質量分數變幅差異較大的原因，可能是由于棉花和棗樹對鉀肥的需求規律所決定的。在棉花處于五葉期(6月份)之前，對K肥的需求較低，當進入7月份，棉田中速效鉀質量分數陡然下降，這與棉花對速效鉀的吸收利用特點有關［17］。同時，此時正逢棗樹坐果期，開始對K肥需求量增大。因此，在棗棉間作生態系統中，當棗樹進入坐果期后，田間即應及時追施K肥，以緩和棗樹和棉花對K肥的競爭吸收態勢。

從水平分布情況分析，在棉花整個生長季節內，距棗樹不同距離的土壤速效K質量分數較為穩定，基本維持在 202.17 ～ 233.67 mg·kg－1。這可能因試驗地土壤速效K質量分數較高，從而導致距棗樹不同距離的速效K質量分數變幅較小。

從垂直分布看，在棉花整個生育期內，不同深度土層的速效K質量分數差異較小，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層速效K質量分數分別為227.28、211.74 mg·kg－1。僅在棉花現蕾期，0＜H≤20 cm 土層的速效K 質量分數為235.58 mg·kg－1，明顯高于20 cm＜H≤40 cm土層的速效K質量分數(191.96 mg·kg－1)，差異達極顯著水平(p＜0.01)。這是由于棉花現蕾期時正值棗樹果實膨大期，此時棗樹和棉花對K肥需求量均較大，因而導致20 cm＜H≤40 cm土層內速效K質量分數急劇下降，降幅達31.56%。

4 結論與討論

土壤有機質是土壤的重要組成部分。盡管土壤有機質只占土壤總質量的很小一部分，耕作土壤表層有機質質量分數通常在5%以下，但它對土壤結構、養分水分的吸收利用和作物產量產生重要影響，在土壤肥力、環境保護、農業可持續發展等方面都有著很重要的作用和意義。土壤有機質的分布并非均一，而是呈現時空異質性，因此，掌握土壤有機質的時空分布規律，可為土壤農化分析取樣和農田養分的精準管理提供合理依據。N、P、K是植物生長發育所必需的三大基本元素，土壤速效N、P、K質量分數及其相對平衡反映了土壤中N、P、K的現實供應狀況，對植物的生長發育起著十分重要的作用。研究土壤養分的時空變化規律對于改善綠洲生態、改良土壤、保持農業穩產和高產具有重要意義。在單作棉田土壤速效養分質量分數常具有顯著的時間、垂直變異特征［16－18］，速效養分質量分數還具有水平變異特征，前人對糧田土壤速效養分水平變異特征的研究相對較多［19－21］。一般認為，在農林復合系統中，土壤養分可以以林木調落物的形式將養分歸還于表層土壤，起到將下部土層養分“泵到”表土層的作用［22－23］。根據生態位理論，生態位重疊是對資源利用性競爭的一個必要條件，但重疊并不一定必然導致競爭，只有在資源供應不足時才導致競爭。

通過本研究結果表明，在試驗區及其相似立地條件和栽培管理水平下，為降低棗棉間作系統中棗樹和棉花的養分競爭態勢，生產中應采取以下措施:在棉花現蕾期時要及時施用N、P肥，而在開花裂鈴期(即棗果膨大期)時則要補施K肥;在距樹體100 cm＜L≤150 cm處，應適當增加N、P肥施用量，以彌補該區域養分虧缺;在棉花播種前要深翻覆土，以提高20 cm＜H≤40 cm土層的有機質和速效P質量分數。

［1］Peixi Su，Xinmin Liu.Photosynthetic charateristics of linze jujube in conditions of high temperature and irradiation［J］.Scientia Horticulturae，2005，104(3):339－350.

［2］趙雨明.旱坡地棗樹蒸騰作用研究［J］.東北林業大學學報，2001，29(4):108－110.

［3］李保國，王永蕙.棗樹葉片的光合速率與葉綠素含量關系的研究［J］.河北林學院學報，1991，6(2):79－84.

［4］同金霞，李新崗，竇春蕊，等.棗糧間作的生態影響及效益分析［J］.西北林學院學報，2003，18(1):89－91.

［5］張繼祥，魏欽平，劉克長，等.棗麥間作系統中光能在作物群體內分布的數值模擬［J］.應用生態學報，2003，14(6):945－948.

［6］師光祿，趙莉藺，苗振旺，等.不同間作棗園害蟲的群落結構與動態［J］.生態學報，2003，14(6):945－948.

［7］馮津，李登科，劉素琪，等.不同生境棗園節肢動物群落的動態［J］.山西農業大學學報，2005，25(2):146－149，156.

［8］李志欣，劉進余，劉春田，等.棗糧間作復合種植對作物生態及產量的動態影響［J］.河北農業大學學報，2002，25(4):45－48，61.

［9］謝英荷，洪堅平，金志南，等.棗麥間作對土壤生態環境的影響［J］.農村生態環境，1996，12(3):27－30.

［10］尹飛，毛任釗，傅伯杰，等.棗糧間作生態系統土壤氮空間分布特性［J］.生態學報，2009，1(1):325－331.

［11］尹飛，毛任釗，傅伯杰，等.棗糧間作養分利用與表觀損失空間差異性［J］.生態學報，2008，6(6):2715－2721.

［12］尹飛，王群，付國占，等.棗糧間作生態系統土壤磷的空間分布特性［J］.河北農業大學，2009，43(4):441－444.

［13］魯如坤.土壤農業化學分析［M］.北京:中國農業科學技術出版社，1999:106－185.

［14］劉開昌，胡昌浩，董樹亭，等.高油玉米需磷特性及磷對籽粒營養品質的影響［J］.作物學報，2001，27(2):267－272.

［15］孫克剛，姚健，焦有，等.棉花的需肥規律與施鉀研究［J］.土壤肥料，1999(3):12－14.

［16］楊玉玲，盛建東，田長彥，等.鹽化灌淤土壤速效氮、磷、鉀空間變異性與棉花生長關系初步研究［J］.中國農業科學，2003，36(5):542－547.

［17］鄭德明，姜益娟，柳維揚.新疆棉田土壤速效養分的時空變異特征研究［J］.棉花學報，2006，18(1):23－26.

［18］朱敏，梁智，徐萬里，等.新疆綠洲棉田土壤養分時空分布特點［J］.新疆農業科學，2009，46(5):1076－1081.

［19］黃紹文，金繼運，楊俐蘋，等.縣級區域糧田土壤養分空間變異與分區管理技術研究［J］.土壤學報，2003，40(1):79－88.

［20］趙軍，劉煥軍，隋躍宇，等.農田黑土有機質和速效氮磷不同尺度空間異質性分析［J］.水土保持學報，2006，20(1):41－45.

［21］王宏庭，金繼運，王斌，等.土壤速效養分空間變異研究［J］.植物營養與肥料學報，2004，10(4):349－354.

［22］Buresh R J，Tian G.Soil improvement by trees in sub－Saharan Africa［J］.Agroforestry Systems，1997，38(1/3):51－76.

［23］Makumba W，Janssen B，Oenema O，et al.The long－term effects of a gliricidia－maize intercropping system in Southern Malawi，on gliricidia and maize yields，and soil properties［J］.Agriculture Ecosystems and Environment，2006，116:85－92.