灌溉方式對寧夏枸杞園土壤碳庫特征及枸杞生長的影響

王 芳，張妹婷，馬麗萍，馬佳偉，南雄雄

(1.寧夏大學資源環境學院，銀川 750021；2.教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，銀川 750021；3.青海省生態環境遙感監測中心，西寧 810007；4.國家林業局枸杞工程技術研究中心，銀川 750021)

土壤活性有機碳一般是指在一定的時空條件下，受環境條件影響強烈、易氧化分解、對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質，如植物殘茬、根類物質、真菌菌絲、微生物量及其滲出物如多糖等[2,3]，依據提取方法，土壤活性有機碳常用易氧化態碳(POXC)、水溶性碳(DOC)和微生物量碳(MBC)等來表征[4]。土壤活性有機碳在土壤有機碳中所占比重雖然很小，但它對土壤養分的轉化供應有著重要影響，能更好地反映土壤有機碳的有效性[5]。已經有研究表明，土壤活性有機碳是用來評價土壤管理措施對土壤質量短期和長期影響的最靈敏和最可靠的指標[6-8]。Lucas和Weil發現測定土壤活性有機碳可以為生產者通過改善農田管理措施，提高作物產量，從而提高土壤質量提供理論依據[9]。灌溉是干旱區最主要的農田管理措施，土壤水分是碳循環過程的關鍵驅動因子。在一定范圍內，土壤水分與有機碳儲量具有顯著的相關性[10]。因此，灌溉方式的改變帶來的土壤水分含量及其分布的顯著變化勢必會對土壤活性有機碳產生重要的影響[11,12]。節水灌溉是目前國家推薦且實施范圍廣的一種農田管理措施[13]。

預計到2020年全國有效農田灌溉面積達到0.667 億hm2以上。寧夏是我國水資源最為嚴重匱乏的地區之一，發展節水灌溉已成為破解該區水資源危機的最重要舉措。枸杞作為寧夏優勢特色作物，其種植面積和果實產量在全國均占據重要地位，但傳統生產體系中的大水漫灌、粗放施肥等管理方式已無法滿足枸杞高產優質高效的生產需求，因此節水灌溉技術逐漸推廣應用到枸杞種植上[14-16]。那么灌溉方式的這種改變，帶來的土壤水分含量及其分布的顯著變化一定會對土壤活性有機碳庫產生重要影響。

目前多數枸杞節水抗旱研究集中在對地上生物量、產量和水分利用效率的調控上，或是根系的形態構型變化上，關于節水灌溉對土壤有機碳庫的影響機制方面尚未見系統報道。而有關節水灌溉條件下枸杞園土壤活性有機碳庫變化方面的研究更是鮮有報道。因此，本研究立足區域特色，嘗試探索不同灌溉模式對寧夏枸杞園土壤活性有機碳庫及枸杞生長影響機制的研究，以便更好地為該區建立合理的節水灌溉體系提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

田間定位試驗在國家林業局枸杞工程技術研究中心的枸杞示范基地(35°25′N，106°10′E)進行，海拔約1 110 m，試驗區地處西北內陸，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，晝夜溫差大，年平均降水量200 mm，年蒸發量1 883 mm，年平均氣溫8.5℃，全年無霜期160～170 d，冬春干旱，四季多風。2016年5月開始田間試驗。試驗前0～20 cm土壤的化學性質為：有機質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 試驗設計

試驗設置滴灌和漫灌兩種灌溉處理：其中漫灌與當地灌水定額相同為1 200 m3/hm2；滴灌管平行于枸杞種植方向，鋪設方式為二管一，即2根滴灌帶管1行枸杞樹，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，每次灌水量均通過水表控制。每個處理3次重復，每個小區面積90 m2。為了防止冬季寒冷對滴灌帶的破壞，滴灌帶于次年春季頭水前鋪設，冬麥返青后采用不同灌溉方式，具體灌水分配見表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”(5年生)。

1.3 采樣及測定項目與方法

2018年9月5號(該月首次灌水前一天)采集0～200 cm土壤剖面樣品，各試驗小區按照“S”形5點采樣，剔除雜物后混合制樣，過2 mm篩后，于4 ℃冰箱內保存，進行土壤水分、硝銨態氮、水溶性有機碳的測定；部分樣品風干后分別過1 mm和0.15 mm，進行土壤有機碳和易氧化有機碳的測定。土壤有機質、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-火焰光度計法[8]測定；土壤水分采用烘干法測定；土壤水溶性有機碳采用水浸提法(水土比2﹕1)測定，土壤易氧化有機碳采用0.02 M高錳酸鉀氧化法測定；pH采用水土比為2.5︰1的電位法測定[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，計算土壤碳庫管理指數(CPMI)。

碳庫管理指數計算如下[18,19]：

碳庫指數(CPI)= 樣品全碳含量(g/kg)/對照土壤全碳含量(g/kg)

(1)

碳庫活度(A)= 活性炭含量(g/kg)/非活性炭含量(g/kg)

(2)

碳庫活度指數(AI)= 樣品碳庫活度/原始土壤碳庫活度

(3)

碳庫管理指數(CPMI)= 碳庫指數×碳庫活度指數×100=CPIAI×100

(4)

1.4 數據分析及處理

試驗數據采用Microsoft Excel、DPS(Data Processing System)7.05統計軟件進行方差分析和多重比較(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對土壤水分含量的影響

通過對不同灌溉處理下9月份首個灌溉日前一天土壤水分含量進行分析(圖1)，結果表明：滴灌與漫灌剖面水分含量整體呈現出逐漸降低的趨勢。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 不同灌溉處理對土壤水分的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil water content 注：不同小寫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 不同灌溉方式對土壤剖面有機碳含量的影響

通過對不同灌溉處理下土壤有機碳含量分析研究，結果表明：滴灌與漫灌剖面有機碳含量整體呈現出逐漸降低的趨勢，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土層呈現出顯著增加(23.91%)，如圖2所示。

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

2.3 不同灌溉方式對土壤有機碳組分特征的影響

通過對不同灌溉處理下土壤有機碳組分特征的分析(表2，圖3和圖4)，結果表明：與漫灌處理相比，滴灌處理對土壤易氧化態有機碳和水溶性有機碳均有顯著影響，且滴灌與漫灌剖面活性有機碳含量整體呈現出逐漸降低的趨勢，且表層20～60 cm土層降低幅度最大，層化比系數也達到最大；但無論滴灌還是漫灌處理，40～60 cm土層易氧化態活性有機碳含量均明顯降低，層化比系數分別降低至89.51%和94.17%，從層次分布上出現“斷層”現象。與漫灌處理相比，滴灌處理顯著增加了0～10和10～20 cm表層土壤易氧化態有機碳含量，分別增加了12.99%和18.67%，同時120～140 cm深層土壤也顯著增加，增加幅度達38.17%。土壤剖面水溶性有機碳含量變化趨勢與易氧化態有機碳類似，總體看來，滴灌處理增加了土壤水溶性有機碳含量，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有機碳含量Tab.2 Effect of different irrigation treatment on POXC

圖3 不同灌溉處理對易氧化態有機碳的影響Fig.3 Effect of different treatments on POXC

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

2.4 不同灌溉方式對土壤碳庫管理指數的影響

通過對土壤碳庫管理指數進一步分析發現，滴灌處理土壤碳庫管理指數(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土層土壤碳庫管理指數總體平均值為117.10。其中，滴灌處理0～100 cm土層土壤碳庫管理指數處于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(見表3)。

2.5 不同灌溉方式下枸杞產量

通過對不同灌溉處理下枸杞果實產量及枸杞果實特性分析，結果顯示：一個生長季內，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，滴灌處理總產量僅高于漫灌1.4%，但水生產率卻大幅提高，提高了112.12%。分析果實特性發現，兩種處理枸杞果實單果重、果實橫縱徑無明顯差異，但滴灌處理縱徑2 cm以上等級率比漫灌高9.22%(見表4)。

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

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

3 討 論

(1)灌溉方式對土壤有機碳庫的影響。土壤有機質在土壤-植物體系物質循環和利用方面有著無可替代的作用，成為人們評價土壤質量和生產力高低的關鍵因子。土壤有機碳的數量和質量水平也直接反應土壤有機質的狀況。前人研究表明水分條件是土壤中有機碳分解轉化的決定性因子之一，而對于西北干旱地區而言，土壤水分的主要來源即農田灌溉管理措施[20,21]。本試驗在其他條件相同的情況下,設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行比較，經過一個生長季的灌溉實施，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出上層高下層低的趨勢，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較少，使得枸杞根系主要生長區域0～100 cm范圍內，土壤水分相對處于一個穩定供應的狀態。而水分的顯著性差異，使得土壤有機碳和根系生長分泌的有機物質在土壤中的分解轉化條件差別較大。研究發現經過長期不同灌溉農田管理操作后，土壤中有機碳，特別是活性較強、易發生轉化的有機碳組分易氧化態活性有機碳和水溶性有機碳在滴灌模式下呈現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域由于植物根系生長、外源有機肥的施入使得土壤有機物質豐富，但在漫灌條件下每次灌水后土壤水分過多，促進了有機質短期內分解轉化，尤其是活性有機碳，且有部分水溶性有機碳隨著過多的水分淋洗而損失。同時，試驗研究表明，滴灌和漫灌處理40～60 cm土層易氧化態活性有機碳均明顯降低，層化比系數分別降低至89.51%和94.17%，從層次分布上出現“斷層”現象?？赡苡捎谠撏翆又惺氰坭礁导蟹植紖^域，土壤微生物活動也比較活躍，土壤活性有機碳更易被分解轉化，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，使得有機碳分解轉化速率明顯降低所致。可見，合理的灌溉措施，對增加旱區土壤碳庫儲量具有重要意義。通過合理優化土壤水分管理，不僅有利于節約資源，提高利用效率，降低生產成本，同時也是養地用地重要過程。

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

4 結 語

在寧夏有限的水資源條件下，通過滴灌能有效調控土壤碳庫變化趨勢，即使在短期內，總有機碳數量變化不明顯，但通過水分調控土壤有機物質的腐解和補給使得活性有機碳含量提高，土壤有機碳質量明顯提升，有利于培肥枸杞果園土壤，實現長期可持續生產。

針對研究區域枸杞生產管理現狀，通過滴灌模式，生育期內灌溉用水量減少一半，能夠滿足生長需求，枸杞產量保持穩定，果品品質得到提升，是實現區域水熱資源高效利用，農業高效高產的水分管理模式。