不同滴灌年限小麥土壤養分積累時空變異特征

喬江飛，賴寧，耿慶龍，李亞莉，李源，楊昊，陳署晃

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/新疆農業科學院新疆農業遙感中心，烏魯木齊 830991)

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不同滴灌年限小麥土壤養分積累時空變異特征

喬江飛，賴寧，耿慶龍，李亞莉，李源，楊昊，陳署晃

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/新疆農業科學院新疆農業遙感中心，烏魯木齊 830991)

【目的】研究以滴灌年限為1、3和5年的滴灌小麥農田土壤為研究對象，分析距滴灌帶不同位置的養分運移微時空空間分布。【方法】通過對土壤剖面樣品的采集，結合連續性定位監測及地統計分析，研究不同滴灌年限土壤養分積累時空變異規律。【結果】在不同滴灌年限各土層土壤養分大部分呈現出中等強度的變異，部分堿解氮及速效磷養分呈現出弱變異性，變異系數在7.68%～45.6%。在垂直方向上，土壤速效養分含量除了速效鉀外，堿解氮和速效磷都呈現出從表層到底層逐漸降低的規律。在水平方向上，土壤堿解氮及速效鉀在不同滴灌年限中均呈現出較明顯的變異規律，且大部分差異性顯著，其養分含量大部分隨距滴灌帶距離的增加而呈現出先升高后降低的趨勢。【結論】滴灌冬小麥土壤速效養分在不同滴灌年限中，呈現垂直方向上逐漸降低和水平方向上先升高后降低趨勢(速效磷除外)的空間異質性規律，能夠為合理施肥和作物的生長提供基礎的理論依據。

冬小麥；不同滴灌年限；土壤剖面養分；時空變異

0 引 言

【研究意義】新疆作為國家糧食戰略后備基地，小麥播種面積占到糧食播種面積的53.89%。同時新疆又是我國缺水最嚴重的省份之一，農業用水量占到總用水量的95%[1]。土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質的含量是衡量土壤肥力的重要指標，對作物的生長和產量有重要的影響。【前人研究進展】20世紀60年代以來國內針對農用土壤養分空間變異的研究比較多[2-6]。例如對于土壤養分在不同土地利用類型[7]、不同采樣尺度[8-10]、不同種植方式[11]以及不同地形地貌下的空間變異做了一系列的研究。近年來，國內外對于中小尺度的土壤養分空間變異進行了大量的研究[12-16]。【本研究切入點】干旱半干旱地區滴灌冬小麥在不同滴灌年限下土壤中的速效磷、速效鉀等土壤養分的空間變異特性研究報道較少且不系統[17-19]，基礎研究的薄弱限制了滴灌小麥技術的發展。研究針對不同滴灌年限冬小麥農田土壤，分析土壤養分在土壤剖面0～60 cm土層中積累時空變異特征。【擬解決的關鍵問題】以滴灌年限為1、3和5年的滴灌小麥農田土壤為研究對象，分析冬小麥不同滴灌年限的土壤養分的分布狀況，為制定合理的施肥方案、科學地施肥措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究地點位于新疆昌吉奇臺縣西地鎮，地處天山北麓沖擊平原，東臨五馬場、南臨坎爾孜，西臨西北灣。西地鎮屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫4.8℃，有效積溫為3 123℃，平均無霜期160 d，平均年降水量176 mm。地勢平坦，土層肥厚，西地鎮是奇臺縣典型的井灌區，地處沙漠邊緣，晝夜溫差大，日照時間長，農作物品質優良。

在新疆奇臺縣小麥滴灌種植區，選擇地塊鄰近且土壤類型一致的1年(2014年)、3年(2012年)、5年(2010年)不同耕作年限滴灌農田。于2015年7月小麥收獲后分別對1、3、5年不同滴灌年限的三塊農田進行微尺度(0～50 cm)的取樣分析，基于時間及位置分辨率大小，采用時空互代的方法進行土壤養分空間變異分析。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

依據小麥滴灌帶布設的1管4行種植方式，以滴灌帶毛管為取樣中心，按行1、行2各20 cm設置取樣間距，兩邊對稱共取5個點土樣，每個點土樣按五層(0～10、10～20、20～30、30～40和40～60 cm)取樣。每種滴灌年限麥田樣點數為15個，3種滴灌年限5層共計微尺度取樣225個土壤樣品。圖1

圖1 采樣布點示意

Fig.1 The sampling points

1.2.2 土樣分析

室內測試包括土壤有機質(OM)及養分(TN、AN、AP、AK)測定。土壤養分測定項目均采用常規土壤化學分析法。土壤有機質(OM)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，全氮(TN)采用凱氏蒸餾法測定，堿解氮(AN)采用堿解擴散法測定，速效磷(AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法測定。

1.3 數據處理

主要使用的統計、繪圖軟件有EXCEL2003，SPSS17.0等。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌年限冬小麥土壤養分含量的時空變異特征

利用 SPASS軟件對整個試驗區不同滴灌年限各土層土壤養分含量進行描述性統計分析表明，在滴灌年限為1、3和5年中，從3個養分要素不同土層的平均數來看，只有速效鉀在滴灌1年和滴灌5年中是呈現出隨土層深度的增加而先增大后減小的規律，說明速效鉀養分大部分會聚集于土壤10～30 cm土層處，表層和底層中含量相對較低。速效氮和速效磷的含量變化一致，都是從表層到底層逐漸減小的，說明土壤養分含量大部分聚集于土壤表層，底層土壤養分較少。

按照反映離散程度的變異系數大小，可將土壤養分變異程度進行分級。變異系數<10%為弱變異程度；變異系數在10%～100%屬于中等變異程度；變異系數>100%為強變異程度[20]。研究表明，不同滴灌年限土壤養分的變異性均大部分屬于中等強度的變異，部分屬于弱變異性，變異系數在7.75%～45.6%。土壤養分的變異程度各不相同，對于土壤堿解氮和速效磷養分的變異性均屬于中等強度，速效鉀養分在滴灌3年10～20和40～60 cm土層中屬于弱變異性，變異系數為6.96%和9.8%。其中速效磷的變異性相對較強，這與磷移動性較弱，而且當季利用率不高會導致土壤中速效磷分布不均有關。引起土壤養分微尺度變異性的原因可能是人為耕作、灌溉不同等因素。圖2～4

圖2 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤堿解氮含量時空變異特征

Fig.2 Drip irrigation duration of winter wheat in different soil layer soil alkaline hydrolysis of N content of spatial and temporal variation characteristics

圖3 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤速效磷含量時空變異特征

Fig.3 Drip irrigation duration of winter wheat in different spatial and temporal variation of soil available phosphorus in Soil

圖4 不同滴灌年限冬小麥中不同土層土壤速效鉀含量時空變異特征

Fig.4 Drip irrigation duration of winter wheat in different soil layer soil available potassium content in spatial and temporal variation characteristics

2.2 不同滴灌年限中冬小麥土壤養分的時空分布結構特征

膜下滴灌濕潤區與常規地面灌溉不同, 點水源灌溉時, 水分在重力和毛管力的作用下向土壤深處運移的同時, 也在毛管力和土壤基質勢的作用下向水平方向擴散, 逐漸濕潤滴頭附近的土壤。在水分向水平方向擴散的同時, 土壤中的養分也在隨水移動。

2.2.1 不同滴灌年限中冬小麥土壤堿解氮養分含量垂直與水平分布規律

通過對冬小麥不同滴灌年限土壤堿解氮養分含量的測定，研究表明，在滴灌年限1和5年中，土壤堿解氮含量垂直方向上隨土層深度的增加而逐漸降低，在滴灌年限為3年各土層中均高于其它兩個滴灌年限。

水平方向，所有土層堿解氮含量都隨距滴灌帶距離的增加而呈現出先升高后降低的趨勢。在滴灌3年中，0～10、10～20和40～60 cm土層堿解氮含量隨距滴灌距離增加先降低后升高，在20～30和30～40 cm土層中表現為逐漸降低的趨勢。在各土層距滴灌帶40 cm處，滴灌3年和1年的堿解氮含量差異性均顯著，滴灌3年的均高于滴灌1年的堿解氮含量。在0～10、20～30和30～40 cm土層距滴灌帶20 cm處，堿解氮含量在滴灌1和5年里差異性顯著，滴灌5年均高于滴灌1年的堿解氮含量。圖5

注：a1、a2、a3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤堿解氮的分布

Note：a1, a2, a3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm soil alkaline hydrolysis n different distance distribution

圖5 冬小麥在不同年限各土層中土壤堿解氮養分的時空分布

Fig.5 Winter wheat in different duration of each soil alkali-hydrolysable of N in soil nutrient distribution of space and time

2.2.2 不同滴灌年限中冬小麥土壤速效磷養分含量垂直與水平分布規律

研究表明，滴灌年限1、3、5年中，速效磷含量垂直方向上都隨土層深度的增加而逐漸降低，速效磷含量在滴灌年限為5年的0～10、10～20、20～30和40～60 cm土層均低于其它兩個年限。

水平方向，速效磷分布規律不明晰；在滴灌年限1年中，0～10、10～20和20～30 cm土層土壤速效磷含量隨距滴灌距離的增加先降低后升高，30～40和40～60 cm土層土壤速效磷含量呈現逐漸增高趨勢。在滴灌年限3年中，除了40～60 cm土層是隨滴灌距離的增加速效磷含量先降低后升高外，其他土層均表現為速效磷含量先升高后降低。在滴灌年限5年中，0～10和40～60 cm土層速效磷含量隨滴灌距離增加逐漸升高，10～20和20～30 cm土層速效磷含量先增加后降低，30～40 cm土層表現為先降低后升高趨勢。在0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層距滴灌帶40 cm處，滴灌1年和滴灌5年中土壤速效磷含量差異性顯著，均表現為滴灌1年速效磷含量高于滴灌5年的，最高值為26.15 mg/kg。圖6

注：b1、b2、b3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤速效磷含量的分布

Note：b1, b2, b3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm of soil available P content in different distance distribution

圖6 冬小麥在不同年限各土層中土壤速效磷養分的時空分布

Fig.6 Winter wheat in different duration of each soil available P in soil nutrient distribution of space and time

2.2.3 不同滴灌年限冬小麥土壤速效鉀養分含量垂直與水平分布規律

研究表明，垂直方向上，速效鉀養分含量在1和5年滴灌年限中均表現為隨土層的增加而先增大后減小的趨勢，在3年滴灌年限中速效鉀含量隨土層深度增加基本保持不變，在底層稍有降低。且速效鉀含量在滴灌5年年限中各土層均高于其它兩個年限，土壤鉀素養分大部分集聚于20～30 cm土層中。

水平方向，在滴灌年限1、3和5年中，除了滴灌1年的30～40 cm土層速效鉀含量是隨距滴灌帶距離的增加而逐漸降低，和滴灌3年0～10 cm土層速效鉀含量先降低后升高，其他土層則均表現為速效鉀含量隨距滴灌距離增加而先升高后降低的趨勢。說明土壤鉀素含量多聚集于距滴灌帶較遠處，距滴灌帶20 cm的10～30 cm土層中聚集較多。在10～20 cm土層距滴灌帶40 cm處和30～40 cm滴灌帶處，土壤速效鉀含量在不同滴灌年限差異性不顯著，其余各土層土壤速效鉀在不同滴灌年限均能表現出顯著的差異性。圖7

注：c1、c2、c3分別表示距滴灌帶0、20、40 cm不同距離土壤速效鉀含量的分布

Note：c1, c2, c3, respectively from the drip irrigation belt 0 cm, 20 cm, 40 cm soil available k content in different distance distribution

圖7 冬小麥在不同年限各土層中土壤速效鉀養分的時空分布

Fig.7 Winter wheat in different duration of each soil available potassium in soil nutrient distribution of space and time

3 討 論

研究表明，土壤養分在不同滴灌年限0～60 cm土層中，從表層到底層堿解氮和速效磷含量分布特點是: 0～10 cm>10～20 cm >20～30 cm>30～40 cm >40～60 cm土層，這與姜益娟等[21]的研究結論大體一致，這可能與氮磷肥在土壤中轉化以及被作物吸收利用不同有關。在相同滴灌年限中不同土層土壤速效鉀含量變化不大，說明土壤速效鉀的分布具有一定的穩定性，這與崔貝等[22]的研究結果大體相同。土壤養分具有明顯的時空變異特征，了解土壤養分的時空變異規律，是進行農業精準決策施肥的重要環節。理論上，滴灌的灌溉方式能夠促進表層中養分的吸收，施肥灌溉后也會導致土壤養分和水分分布不均，因而研究微尺度下，不同滴灌年限土壤養分的空間分布變異性，有利于合理地進行田間科學施肥。由于植株養分的吸收對土樣養分的空間變異具有一定影響，為提高生產水平和更好的進行科學施肥，有必要在現在的研究基礎上，對不同滴灌年限的植株養分吸收和作物產量與土壤速效氮磷鉀養分的空間和時間分布規律做進一步研究。此外，由于土壤養分具有累積性和連續變異的特點，隨著時間的變化，其空間自相關性可能并不是簡單地上升或降低，也可能是沒有規律性，對土壤養分空間變異研究需要有時間的保證，研究只有1、3、5年三個年限，需要繼續積累更多年份的實驗數據，才能夠更合理的為田間施肥提供科學依據。

4 結 論

4.1 不同滴灌年限中，土壤養分除了速效鉀養分在滴灌年限為1和5年中是隨土層深度增加而升高后降低，其它要素均呈現出從表層到底層逐漸降低的趨勢。不同滴灌年限土壤剖面養分含量的各層變化強度表現出非均衡關系，各養分要素變異系數在7.68%～45.6%，大部分呈中等強度的變異性，少部分為弱變異性。

4.2 土壤養分含量在不同滴灌年限中垂直分布趨勢大體一致，除了速效鉀養分是隨土層深度增加而先升高后降低外，堿解氮和速效磷養分含量均是逐漸降低的趨勢，速效鉀養分含量在20～30 cm土層中最高，均高于其他土層。

4.3 在微尺度條件下土壤養分根據滴灌年限的不同，空間水平分布表現出一定的規律。在不同滴灌年限中堿解氮、速效磷和速效鉀養分含量大部分差異性顯著。堿解氮和速效鉀含量大部分在水平方向上表現為隨距滴灌帶距離的增加而呈現先升高后降低的趨勢。速效磷含量在水平方向上的分布規律不明晰，這與磷移動性差和施肥方式等有關。

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Spatial and Temporal Variation Characteristics of Soil Nutrient Accumulation in Wheat of Different Drip Irrigation Years

QIAO Jiang-fei, LAI Ning, GENG Qing-long, LI Ya-li, LI Yuan, YANG Hao, CHEN Shu-huang

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/XinjiangCenterofAgiculturalRemoteSensing,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 In this study, drip irrigation wheat farmland soil for 1 years, 3 years and 5 years was taken as the research object to analyze spatial and temporal distribution of nutrient transport in different positions of drip irrigation belt. 【Method】Based on the collection of soil profile samples, combined with continuous monitoring and statistical analysis, the temporal and spatial variations of soil nutrient accumulation were studied. 【Result】The soil nutrients in different soil layers of different drip irrigation years showed moderate intensity variation. Some of the alkali hydrolyzable nitrogen and available phosphorus showed weak variability. Coefficient varied between 7.68%-45.6%. In the vertical direction, the content of available nutrients in the soil, except for available potassium, the alkali hydrolyzable nitrogen and available phosphorus decreased gradually from the surface to the bottom. In the horizontal direction, soil alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium showed obvious variation in different drip irrigation years, and most of the differences were significant, and most of the nutrient contents presented a trend of increasing first and then decreasing with the increase of the distance from the drip irrigation belt. 【Conclusion】The spatial heterogeneity of soil nutrients in winter wheat under drip irrigation can provide a theoretical basis for rational fertilization and crop growth.

winter wheat; different drip irrigation years; soil nutrients; spatial and temporal variation

CHEN Shu-huang(1973-), female, native place: Hunan, researcher. research field: Soil fertilizer and agricultural information technology applications, (E-mail) chensh66@163.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.04.011

2017-02-05

國家自然科學基金項目“滴灌土壤養分的空間變異及其對春小麥生長特性和產量的影響機制”(41461047)；世界銀行貸款項目“小麥滴灌節水豐產技術研究與應用”(XJ00Z13002)；自治區水利專項項目“小麥滴灌水肥一體化集成示范”(2015T25)；中國-挪威國際合作項目“減少環境影響和保障可持續食品安全和糧食安全的創新技術合作研究”(CHN-2152,14-0039)

喬江飛(1993-)，男，陜西人，實習研究員，碩士，研究方向為資源環境與農業信息技術應用，(E-mail)1527283086@qq.com

陳署晃(1973-)，女，湖南人，研究員，碩士，研究方向為土壤肥料與農業信息技術應用，(E-mail) chensh66@163.com

S512；S14

A

1001-4330(2017)04-0667-08

Supported by: The national natural science fund project"Drip irrigation soil nutrient spatial variation and its mechanism of effects on growth characteristics and yield of spring wheat"(41461047);The world bank loan project"Wheat drip irrigation water-saving high technology research and application"(XJ00Z13002); Autonomous region water special project"Wheat drip irrigation, fertilization integrated demonstration"(2015T25); International cooperation project between China and Norway"To reduce environmental impact and the safeguard of sustainable food security and food security of innovation and technology cooperation study"(CHN-2152,14-0039)