青海主要枸杞產區不同耕作措施對灰棕漠土理化性質影響及肥力綜合評價

楊一凡, 吳發啟, 段紅騰, 徐 寧

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100)

土壤養分和機械組成作為土壤的重要屬性，是土壤母質、氣候、土地利用方式和人為耕作管理等各種因素共同作用的結果[1-2]。土壤養分的不足會導致土壤肥力退化進而影響作物的產量，通過合理選擇耕作措施，調節土壤養分的循環與平衡是提高土壤肥力的重要手段[3]。目前，隨著農業發展的現代化，如何維持和提高土壤肥力狀況已經成為農業可持續發展的熱點問題[4]。保護性耕作措施作為發展可持續農業的一項重要技術,包括少免耕、地膜覆蓋、溝壟種植等措施[5]。相比于傳統耕作,保護性耕作能顯著減少水土流失,對提高土壤肥力,增加農地產量等貢獻突出。因此,研究耕作措施對土壤理化性質的影響對于提高農田生產力、減少干旱區侵蝕等具有重要意義。

枸杞具有耐寒、耐旱、適應性強、材質優、效益高等特點[6]，同時又具有較好的生態及經濟效益。隨著枸杞種植帶來的經濟效益逐年遞增，枸杞種植區往往通過不斷擴大種植面積的方式來增加收入，從而忽略了土壤肥力、耕作措施、優化施肥等的重要性。結果導致土壤肥力下降，枸杞的單位面積產量偏低。目前研究區只有小面積的枸杞地采用溝壟覆膜的耕作方式，70%以上的區域仍然沿用傳統的平作露地種植方式。因此對枸杞種植區現有的耕作措施進行綜合對比，科學評價不同措施下的土壤肥力的差異很有意義。

目前對青海枸杞主要種植區土壤理化性質的研究較少。以往對青海土壤研究多集中在宏觀的土地利用狀況[7]。部分學者對土壤的研究只限于單個元素的基礎上。邱權等[8]的研究結果表明，不同深度的土壤與養分含量間存在一定的差異性，但兩者間的變化規律不明顯。陳輝[9]對柴達木盆地東部土壤有機質分布規律進行了研究，得出土壤有機質的積累與土壤的理化性質密切相關，并隨生物氣候條件的變化呈地域性更替。在耕作措施方面，研究大多以小麥，玉米等作物的土壤作為研究對象[10]，而以枸杞地土壤作為研究對象探究不同耕作措施對土壤理化性質的影響少之又少。因此，本研究從改善枸杞地土壤理化性質角度出發，探究不同耕作措施(平作露地、平作覆膜、溝壟露地、溝壟覆膜)對灰棕漠土理化性質的影響，并對4種耕作措施下的土壤肥力進行綜合評價，以期查明該區域枸杞種植地土壤養分狀況，為青海省枸杞主要種植區選擇合理的耕作措施、提高土壤肥力提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省德令哈市懷頭他拉鎮，海拔2 800～3 000 m，年均降雨量約120 mm，蒸發量2 736 mm，年均氣溫4.32℃。主要土壤類型是灰棕漠土，質地為砂質壤土。枸杞園建立在平原上，種植面積共2 800 hm2。20世紀初政府對耕地進行了土地治理，開始了枸杞的產業化發展。由于該地區土壤質地粗、多礫石、保水性差，再加之降雨量少，蒸發量大，因此枸杞地水分與肥料供給采用滴灌，水肥一體化如今已初成規模并投入使用。

1.2 樣地選擇及樣品采集

研究區枸杞地共分為4種不同的類型：溝壟露地種植(HLL)、溝壟覆膜種植(HLM)、平作露地種植(HPL)、平作覆膜種植(HPM)，枸杞均為6年生且未種枸杞前立地條件基本一致。本試驗以上述4種枸杞地為研究對象，平作露地作為對照，研究區建有水肥一體化車間，因此所有枸杞地的灌水量和施肥量都相同。試驗用土取自上述4種不同耕作措施的枸杞地，在每種枸杞地選擇3個采樣小區作為重復。于2018年5月進行了調查和布點，將采樣點平均分布于每個采樣小區，使其點位均勻分布，利用土鉆分層取0—20 cm和20—40 cm深度的土樣，根據不同采樣小區的面積大小，在同一小區取15個點，土樣的采集使用“S”型取樣法。采集的樣品放置于室內風干，將風干后的土樣研磨，并對樣品進行前期處理。

1.3 樣品測定

對樣品各指標進行測定，具體的測定方法見表1。

表1 土壤理化性質測定指標及方法

1.4 數據處理

所有樣品都通過3次重復，并以平均值加誤差線的形式表示，采用Excel 2007進行數據整理和制表，采用SPSS 21.0軟件進行方差分析、相關性分析、土壤養分特征指標的統計分析，采用Origin 8.0進行繪圖。

土壤肥力綜合評價采用改進的Nemerow綜合指數法[11-12]，具體步驟如下：

本研究參數的選擇以及各屬性因子的分類標準主要參照全國第二次土壤普查分級標準[13]，見表2。參數包含：速效氮、速效磷、速效鉀、有機質、全氮、全磷、全鉀、pH值。以上選取的各個參數之間不可直接加和，為了消除各參數間量綱的差別，先要進行標準化處理，方法如下:

當屬性值屬于差一級時，即Ci

(1)

當屬性值屬于中等一級時，即Xa

(2)

當屬性值屬于較好一級時，即Xc

(3)

當屬性值屬于好一級時，即Ci>Xp時:

Pi=3

(4)

式中:Pi為分肥力指數；Ci為某屬性測定值；Xa，Xc，Xp為土壤各屬性因子值的分級標準。通過上述公式的標準化得到的各項土壤肥力指數比較接近且具有可比性，最切合實際的是：當有的指標測定值超過好的標準Xp時，測定值將不再升高，體現了作物生長發育中對某些屬性的需求量存在一個上限閾值[14]，并非越高越好。以上公式雖然可以計算出各單項指標的分肥力指數，但用其直接評價土壤肥力水平缺乏科學性與嚴謹性，因此，采用改進的Nemerow綜合指數法計算綜合肥力指數。公式如下：

(5)

式中：Ps為土壤綜合肥力指數；Pi avg為土壤各屬性分肥力指數的平均值；Pi min為各分肥力指數中的最小值；n為參評因子數量。為了突出最差養分指標對土壤肥力的影響，反映植株生長的最小因子律，原內梅羅式中的Pi max被修正的內梅羅式中用Pi min取代，增加修正項(n-1)/n來反映可信度，即評價指標越多，可信度越高。

表2 土壤各屬性的分級標準

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施土壤機械組成比較

本研究中采用中國制土壤質地分類標準。4種耕作措施下0—40 cm土層土壤機械組成見表3，砂粒含量(>0.05 mm)為61.44%～91.72%，粉粒(0.002～0.05 mm)含量為7.88%～35.50%，黏粒(<0.002 mm)含量為0.24%～3.06%。研究區砂粒含量很高，粉粒含量相對較少，黏粒含量極其少，這除與成土母質有關外，還與當地的侵蝕方式有關，由于該地區風沙侵蝕嚴重，研究區又地處平原，因此質地較輕的粉粒和黏粒被不斷的搬移，質地較重的砂粒的質量分數會變大。4種處理不同土層之間表現出：砂粒含量0—20 cm土層均小于20—40 cm土層；粉粒含量0—20 cm土層均大于20—40 cm土層；黏粒含量除紅枸杞平地露地外，其余均表現出0—20 cm土層大于20—40 cm土層。相同土層不同處理之間土壤顆粒組成也呈現出一定的差異：紅枸杞平地露地兩個土層砂粒含量均顯著高于其他樣地，差異性極其顯著(p<0.05)；紅枸杞溝壟覆膜的兩個土層粉粒和黏粒含量均顯著高于其他樣地。

不同耕作措施條件下，砂粒含量表現為平作露地>溝壟露地>平作覆膜>溝壟覆膜，說明覆膜和溝壟種植不僅能顯著減弱風蝕對土壤機械組成的影響，同時也能改良土壤的機械組成。

2.2 研究區土壤養分統計

將所取土壤的8項養分指標進行匯總，得到不同耕作措施下不同土層養分的平均狀況(表4)。結果表明，研究區土壤養分差異明顯。綜合兩個土層分析，速效氮、有機質、全氮：HLM>HPM>HLL>HPL;速效鉀、全鉀：HLM>HPL>HPM>HLL；速效磷：HLL>HPL>HLM>HPM；pH值：HPL>HPM>HLM>HLL；全鉀：HLL措施顯著高于其他措施。

表3 土壤顆粒組成

注：此表為1987年中國制，不同字母表示不同樣地指標之間差異顯著(p<0.05)，下表同。

表4 不同耕作措施土壤養分特征

養分指標的變異系數(CV)是土壤性質的內在反映，不僅能反饋不同土壤養分抵抗外界條件的敏感性，而且能反映出土壤養分的空間變異程度[15]。將所取的兩層土壤養分含量求算術平均并進行統計(表5)，結果表明：土壤平均pH值為8.19，研究區土壤為弱堿性，pH值的CV僅為4.27%，空間變異性很小。此外，除速效磷外，研究區速效養分的CV均大于對應的全量養分的CV。這是因為全量養分主要受成土母質中礦物成分的影響，大多以穩態存在。研究區位于平原上，幾乎不受坡度因素的影響，成土母質一致并且分布均勻，因此變異系數相對較小。而速效養分與農業生產、管理方式、耕作施肥以及枯落物等因素有很大的關系，因此其變異系數對比于全量養分相對較大。

表5 研究區土壤養分統計

結合統計結果，依據全國第二次土壤普查標準對研究區土壤養分狀況進行級別劃分，結果表明：全鉀和速效鉀含量屬于3級(中等)；全磷和速效磷含量屬于4級(稍缺)；速效氮和有機質含量屬于5級(缺)；全氮含量屬于6級(極缺)。

2.3 不同耕作措施土壤pH值及速效養分分析

土壤pH值是研究土壤理化性質的基礎，微生物活動、土壤有機質分解及養分的轉化等均與之相關。從整體來看(圖1)，土壤pH值處于7.78～8.92，表現為弱堿性。pH值在不同土層之間差異不大。在不同耕作措施下，相比于對照，其他處理均能不同程度上降低各土層土壤的pH值，且差異性顯著(p<0.05)。這表明，溝壟覆膜種植一定程度上降低了各層土壤的pH值,這與王東等[16]研究結果相似。

注：HPL為平作露地，HPM為平作覆膜，HLL為溝壟露地，HLM為溝壟覆膜，下圖同。

圖1 不同耕作措施下的pH值與速效養分

研究區土壤速效氮和速效磷含量缺乏，速效鉀含量正常。土壤速效氮、速效磷、速效鉀的含量均表現為0—20 cm土層明顯高于20—40 cm土層，其中速效氮和速效磷的垂直方向差異性尤為明顯。在不同耕作措施下，0—20 cm土層，HLM處理速效氮比對照HPL處理增加了115.55%，20—40 cm土層HLM速效氮含量可達HPL處理的10倍之多。可見，溝壟覆膜有助于土壤速效氮含量的增加。溝壟措施較平地種植速效磷含量略微有所升高，然而，覆膜措施與露地種植相比，速效磷含量卻明顯下降。土壤速效鉀表現出0—20 cm土層含量稍大于20—40 cm土層，水平方向，HLM處理的速效鉀含量均高于其他3個處理，且差異性顯著(p<0.05)。

由上可知，溝壟覆膜綜合措施在一定程度上增加了兩個土層速效氮和速效鉀的含量，其中速效氮的增幅較明顯，相反覆膜處理卻降低了土壤速效磷的含量。

2.4 不同耕作措施土壤有機質及全量養分分析

有機質不僅為植物提供生長所需的營養元素，而且對土壤結構的形成、土壤保水保土功能的維持起著重要作用[17]。由圖2可知，4種耕作措施下的土壤有機質平均含量處于10 g/kg以下，只有HLM處理0—20 cm土壤有機質大于10 g/kg，該地區的土壤有機質含量在10 g/kg以下，灰棕漠土營養貧瘠是致使作物生長乏力的重要因素。從土壤剖面來看，表層土壤顯著高于底層土壤，其中HLM處理表層土壤有機質比深層土壤提高了67.04%。說明研究區土層深度顯著影響有機質剖面分布，其規律呈現遞減趨勢，這與武小鋼[18]等的研究結論一致。不同耕作措施之間，起壟種植與平作相比差異性不明顯，呈現較小波動，覆膜處理相比于露地種植，其有機質含量明顯提升，差異性達到顯著水平。說明覆膜可以顯著提升土壤有機質含量。

研究區土壤全量養分表現出鉀素正常，氮素和磷素缺乏的狀況。從土壤剖面看，表層土壤全氮含量均高于20—40 cm土層，其中HLM處理最為明顯，達到50%，全磷和全鉀含量在垂直方向差異性不顯著。不同耕作措施之間，全量養分變異系數處于10.98%～26.47%，差異性與速效養分相比較小，養分含量均表現出溝壟覆膜處理與其他3個處理相比差異性顯著，說明在土壤全量養分方面，溝壟覆膜處理對氮、磷、鉀均具有提升作用。

2.5 土壤養分相關性分析

以研究區整體為對象，對土壤各個養分指標做相關性分析，分析結果見表6：按照兩兩一組形成28組關系，相關系數的絕對值處于0.001～0.827。有機質與全氮相關系數最大，為0.827。有研究表明，土壤中的有機肥料是全氮的主要來源，土壤全氮的95%來源于有機質[19]，因此全氮與有機質存在極大的相關性。速效鉀與pH值間相關系數最小，為0.001。速效氮與所有養分指標都存在極顯著性正相關關系；有機質除與速效磷、速效鉀無顯著性相關外，與其他養分指標都存在極顯著性正相關，與pH值也存在顯著性負相關；說明土壤有機質與速效氮的變化是本研究區其他養分變化的關鍵原因。pH值與其他7個養分指標的相關性除速效磷外，都是負相關，表明在青海枸杞種植區中pH值越低的土壤養分狀況越好。其中與全氮和全磷呈現極顯著負相關關系，表明pH值對全氮和全磷的影響最為強烈。全氮、全磷、全鉀除與速效磷相關性弱外，與其他養分指標都存在顯著、極顯著的相關性。表明土壤全量養分與除速效磷之外的養分指標關系密切。研究還發現，速效磷除與速效氮極顯著正相關外，與其他養分指標都不存在強相關性，具有很好的獨立性。

圖2 不同耕作措施下的有機質和全量養分

表6 研究區總體土壤養分特征指標之間的相關性分析

注：*表示p<0.05，**表示p<0.01。

2.6 不同耕作措施土壤肥力綜合評價

土壤肥力綜合評價值不僅可以用數字來直觀表達復雜多變的土壤肥力，而且其評價結果還能夠較好地反映研究區土壤養分水平的基本狀況。本研究中選用8項土壤養分指標，將其代入前文所述公式(1)—(5)計算4種不同的耕作措施下枸杞地的土壤肥力綜合指數。計算結果見表7。

由表7可知，不同耕作措施下土壤肥力存在一定的差異，土壤各屬性分肥力指數平均值表現為紅枸杞溝壟覆膜樣地最高，達到了1.642，而對照處理紅枸杞平地露地最低，只有1.178。4種耕作措施綜合肥力指數表現為：溝壟覆膜>平作覆膜>溝壟露地>平作露地。得出一般性規律：各項養分指標越高，綜合評價得分值高，土壤環境越優。平作覆膜與平作露地相比土壤綜合肥力指數較高，表明覆膜措施相比于不覆膜對土壤肥力有提高作用；溝壟露地與平作露地相比土壤綜合肥力指數也有所提高，表明溝壟種植相比于平地種植對土壤肥力有提高作用。平作覆膜>溝壟露地>平作露地，說明覆膜措施對土壤肥力的提升作用優于溝壟措施，因此溝壟措施與覆膜措施一起使用，即壟膜處理對土壤肥力的提升作用最大。

表7 枸杞種植區土壤肥力指數

注：Pi avg為土壤各屬性分肥力指數的平均值；Pi min為各分肥力指數的最小值。

3 討 論

3.1 不同耕作措施土壤機械組成分析與評價

研究區土壤的機械組成均以砂粒為主，由此可見該地區灰棕漠土是一種粗顆粒土壤，保水蓄肥能力不足，與普通耕地土壤理化性質存在很大的差異。首先，這與成土母質以及研究區所處的氣候類型有關，這是差異形成的先導因素；其次，風蝕量巨大、幾乎無水蝕的獨特侵蝕方式使得質地較重的砂粒含量不斷積累，這是差異形成的重要因素；而不同作物以及耕作方式的差異造就了研究區形成明顯土壤機械組成差異的主要因素[20]。研究表明，枸杞地土壤長期在當地獨特的氣候條件下，在土壤機械組成改善功能上，采用溝壟覆膜種植能有效改善土壤含沙量高的現象。因此在結合成本因素的同時，有必要多采用溝壟覆膜的耕作措施，無論是保墑增溫、減小風蝕，還是降低土壤含沙量方面都具有很好的效果。

3.2 不同耕作措施土壤養分分析與評價

土壤酸堿性影響著土壤微生物的活性、礦物質及有機質的轉化，并在土壤養分循環中扮演著重要角色[21]。研究區土壤pH值偏高，變異系數很小，導致土壤堿性程度變高，因此不利于土壤積累養分。

研究區有機質整體含量較低，溝壟措施能略微提升表層土壤有機質含量，而溝壟覆膜處理對有機質的提升可達67.04%，究其原因：一方面，覆膜提高了土壤溫度和水分含量，改善了微生物的生長環境，有助于微生物的生長和代謝，加速有機質的分解；另一方面，良好的溝壟覆膜生長環境會促進植物根系的生長，增加根系的分泌物，使得土壤有機質含量升高，并且覆膜一定程度上阻礙了土壤與空氣間的氣體交換，導致膜內二氧化碳濃度升高，不利于土壤的呼吸，促進農田碳的積累，而且覆膜處理會提高表層土壤的含水率，也會對土壤呼吸起到一定的抑制作用[22]。20—40 cm土層有機質含量明顯少于表層土壤，且不同處理間差異性只體現在覆膜與露地種植的差異上。崔志強等[23]也得出了相同的結果：覆膜處理能提升有機質含量，特別是表層土壤活性有機質含量。還有研究表明：土壤有機質含量與粉粒和黏粒的含量呈正相關關系，與砂粒呈負相關關系。究其原因，土壤細顆粒對有機質的吸附作用是有機質積累的主要因素[24]，研究區土壤機械組成顯示，4種耕作措施枸杞地都呈現出粉粒、黏粒稀缺的狀態，與結果一致。

研究區土壤全氮和速效氮屬于缺乏等級。研究得出：無論是全氮還是速效氮，溝壟覆膜措施均可提高其含量，尤其是覆膜處理，提升效果明顯。不同土層之間表現為：表層土壤含氮量均高于底層土壤。土壤氮素的流失主要有3條途徑：硝酸鹽的淋失、土壤侵蝕以及氨氣和氧化亞氮等氣體的排放[25]。首先，溝壟覆膜能夠改變硝酸鹽時空分布，明顯提高表層土壤硝酸鹽含量，在土壤表層出現匯集現象[26]；其次研究區的侵蝕類型主要為風蝕，溝壟覆膜處理能很大程度減弱風蝕帶來的危害；最后覆膜措施改變了土壤中氨的揮發過程，顯著降低了氨的揮發，有研究指出覆膜使土壤反硝化細菌造成的銨態氮揮發損失減少90%左右，有效提高了氮的利用率[27]。因此無論是防治侵蝕還是提高土壤氮素利用率，溝壟覆膜都是首選措施。

研究區鉀素含量正常，相比于氮素和磷素，溝壟覆膜對其含量的提升效果并非很大。磷素作為土壤養分的重要影響因素，其在研究區的含量呈現出一定的差異。速效磷表現出溝壟措施優于平地，而覆膜措施則會降低速效磷的含量。全磷的變化趨勢則等同于氮素，均表現出溝壟覆膜處理最優。究其原因，覆膜提高了微生物活性，加速有機磷的礦化，枸杞產量升高需要消耗更多的速效磷，導致覆膜處理土壤的速效磷水平低于露地種植。杜社妮等[28]研究發現：地膜覆蓋后土壤速效磷略有下降，但全磷增加12.5%，原因是覆膜能夠減少土壤侵蝕。

3.3 不同耕作措施土壤肥力綜合評價

土壤肥力綜合評價能夠更加科學系統地得出4種不同耕作措施下土壤肥力水平的高低。目前，雖然我國還未提供明確的土壤肥力劃分的標準方法，但是本試驗中所使用的改進的內梅羅綜合指數法可以科學地表現出不同耕作措施下土壤肥力的綜合評價值。結果顯示：溝壟覆膜>平作覆膜>溝壟露地>平作露地。因此，枸杞園在今后的生產中應在考慮防沙治沙效率和經濟效益的同時，合理配肥施肥，在耕作措施選擇上應該多采用溝壟覆膜的種植方法，當地風蝕嚴重且營養元素流失嚴重，溝壟覆膜措施非常適合當地實際情況，應予以推廣。

4 結論與建議

青海主要枸杞產區土壤養分含量整體較低，屬于“中等—極缺”水平。除紅枸杞溝壟覆膜措施相對較好之外，其余措施無論是土壤顆粒組成還是土壤養分狀況都不太理想。溝壟覆膜措施與傳統耕作措施相比，不僅具有改善土壤機械組成的作用，同時可以增加土壤的各養分含量，從而提高土壤的綜合肥力水平。試驗地溝壟覆膜處理相比于對照處理土壤綜合肥力指數提高了43.33%。因此在年降水量不足300 mm的干旱區，溝壟覆膜耕作措施應該在干旱區大力推廣。(1) 作物和土壤是相互選擇性適應的關系，因此在改善土壤理化性質方面，根據土壤養分的豐缺、植物的生長需求情況來進行選擇。依據研究結果，該地區應多施氮肥和磷肥，同時鑒于研究區有機質含量整體較低，可以考慮施肥中適當配比有機肥。(2) 從耕作模式方面來講,溝壟覆膜耕作模式遠遠優于其他耕作模式。而當前枸杞園大多采用平地裸地耕作模式，因此枸杞園應采用溝壟種植、覆蓋地膜的耕作方式，其在當地的效果無論是防治侵蝕還是提高土壤的理化性質方面都遠遠優于不覆膜平作。