2006-2018年策勒綠洲農田不同施肥量對土壤養分的影響

范琳杰, 李向義, 林麗莎, 熱甫開 提·沙比提, 薛 偉

(1.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 新疆荒漠植物根系生態與植被修復重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 3.新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測試驗站, 新疆 策勒 848300; 4.中國科學院大學, 北京 100049; 5.蘭州大學, 蘭州 730000)

土壤是人類賴以生存的基本生產資料，是植物生長發育的基礎。土壤養分是土壤生態系統的重要組成部分，是衡量土壤肥力大小的重要指標，土壤肥力的高低直接影響著作物生長[1-3]。新疆是我國陸地面積最大的省份，隨著人口的增長和農業的發展，新疆綠洲擴張明顯，其中農田是綠洲擴張進程中的主要土地利用類型。沙漠綠洲是干旱地區的主要糧食產區之一，新疆的綠洲面積占總面積的8%，卻集中了新疆90%的耕地和90%以上的人口[4-5]。因此研究綠洲農田土壤養分變化，有助于了解人為干擾及肥力投入對綠洲土壤的影響，進而有利于進行綠洲土壤養分的維護。

化肥被認為是提高作物產量和農業利潤的主要投入之一，但平衡施肥是高效使用化肥實現可持續高產的關鍵[6]。在綠洲化開墾種植過程中，肥料的投入和使用，是除水環境因子外，影響綠洲農田土壤肥力最重要的因素[7-9]。不同肥力投入使土壤養分朝不同方向發展，長期施肥和連續耕作使土壤質量發生變化[10-13]。策勒地區土壤含鉀豐富[14]，當地農民習慣施用大量有機肥，同時施加氮、磷肥。本文以策勒綠洲為研究區域，結合當地農民習慣，自2006—2018年，分析近13 a策勒綠洲農田在開墾過程中施入不同量農家肥和氮、磷肥處理對土壤養分的影響，旨在為干旱區綠洲農田農業生產及環境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在策勒國家站荒漠草地生態系統觀測站進行。研究區位于塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲—荒漠過渡帶，地理坐標為35°17′55″—39°30′00″ N，80°03′24″—82°10′34″ E。該地區屬于典型的大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.9℃，極端最高氣溫41.9℃，極端最低氣溫-23.9℃，0℃以上積溫達到4 340℃，無霜期長，為農作物提供了有利的光熱資源[15]。年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發量2 595.3 mm，水資源短缺，水資源補給以昆侖山區融雪河流為主。常年多風并以西北風為主風向，土壤以風沙土為主[16]。

1.2 試驗設計和處理

根據研究區水源補給狀況及當地農民的耕作習慣，選取3塊試驗樣地：首先選取策勒國家站荒漠與綠洲交錯帶兩塊已開墾農田樣地，其中一塊自開始開墾長期進行高施肥量投入，定義為高投入農田(farmland with higher manure input，HMF)，代表農田開墾后經濟條件較好的農戶對其進行較大量的施肥量投入；另一塊自開始開墾長期進行正常肥量投入，定義為常規農田(farmland with nommal manure input，NMF)，代表了大多數當地居民開墾農田后選擇的施肥強度；根據試驗需要在兩塊樣地旁邊選擇一塊新墾農田，該樣地于2004年開始開墾，定義為新墾農田(new farmland，NEF)，該樣地除灌溉外不進行額外的肥料投入，代表了一種臨時的開墾模式，該類型農田可能在開墾后由于灌溉水源不能及時得到保障而隨時進行撂荒。3塊農田均位于綠洲荒漠交錯帶，可以代表綠洲開墾過程中的農田利用模式，且灌溉水源以地下水為主。

每塊樣地面積為100 m×100 m，各樣地主要作物為棉花。所有樣地均種植同一品種棉花，施肥、灌水和管理和當地農民一致。施肥種類為農家肥(牛羊糞)和無機肥(磷酸二銨和尿素)。在2006—2018年研究期間，HMF與NMF樣地的施肥量不變，而NEF樣地則不進行任何肥料施入，3塊樣地都保證灌溉用水。由于綠洲荒漠交錯帶開墾前為荒漠草甸區，植被主要是駱駝刺(AlhagisparsifoliaSchap.)，因此為綜合對比農田不同肥力投入下土壤養分的差異性，在新墾農田(NEF)附近建立一駱駝刺對照樣地(CTP)。各地具體情況詳見表1。

表1 試驗樣地概況

1.3 土壤取樣與分析

取各樣地表層土壤(0—20 cm)樣品進行分析。分別于2006—2010年、2017—2018年進行采樣，在每年10月份棉花采摘完后，用不銹鋼土鉆(直徑2 cm)采集0—20 cm耕層土壤，每個樣地隨機選取6處進行取樣。樣品置于塑料封口袋中帶回實驗室風干，并進行去根處理。對土壤化學性質進行測定，具體包括土壤有機質(SOM)，pH值，全氮(TN)，堿解氮(AN)，有效磷(AP)，速效鉀(AK)6項指標。

土壤有機質測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤pH值采用酸度計法(水土比2.5∶1)測定；土壤全氮測定采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提—火焰光度計測定[17]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel進行數據整理，運用Oringn 2018作圖，并運用SPSS 21.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥量對土壤pH值和有機質含量影響

隨著處理年限的增加，施肥樣地土壤有機質含量出現不同程度的增加趨勢(圖1)。在綠洲農田不同施肥處理下，研究區HMF樣地土壤有機質含量顯著高于NMF，NEF和CTP樣地土壤有機質含量(p<0.05)。pH值變化范圍為：7.6～8.9，在不同處理下，NEF樣地土壤pH值最高，兩塊施肥(HMF，NMF)處理樣地和未開墾(CTP)樣地土壤pH值無明顯差異，與開墾未施肥(NEF)樣地相比，施肥處理促進了土壤酸化。

2.2 土壤氮含量變化特征

在2006—2018年，研究區HMF樣地土壤全氮含量基本處于最高水平(圖2)。自2007年起，研究區HMF樣地土壤全氮含量顯著高于其他兩塊樣地土壤全氮含量(p<0.05)，研究區NEF和CTP樣地土壤全氮含量無顯著性差異(p>0.05)。在2006—2018年，研究區HMF樣地土壤堿解氮含量都處于最高水平，相同年份土壤堿解氮含量的順序為HMF>HMF>NEF。在綠洲農田不同施肥處理下，研究區HMF樣地堿解氮含量顯著高于其他3塊樣地堿解氮含量(p<0.05)。

注：相同小寫字母表示相同年份差異不顯著(p>0.05)，不同小寫字母表示相同年份間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖2 研究區不同施肥處理下土壤全氮和堿解氮含量的變化

2.3 不同施肥量對土壤有效磷和速效鉀含量影響

在2006—2018年，研究區HMF樣地土壤有效磷含量都處于最高水平(圖3)。2006—2018年，研究區HMF樣地土壤有效磷含量顯著高于其他3塊樣地(p<0.05)，NEF和NEF樣地土壤有效磷含量無顯著性差異(p>0.05)。在綠洲農田不同施肥處理下，研究區CTP樣地土壤速效鉀含量與NMF，HMF和NEF這3塊樣地在存在顯著性差異(p<0.05)，研究區NMF和HMF樣地土壤速效鉀含量顯著高于NEF樣地(p<0.05)。

圖3 研究區不同施肥處理下土壤有效磷和速效鉀含量的變化

2.4 2006-2018年不同施肥下土壤養分平均值

從2006—2018年平均含量來看，與CTP和NEF樣地相比，施肥均能提高土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量(表2)。HMF樣地養分增加量較多，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量較CTP樣地分別增加204.22%，146.73%，46.45%，633.75%，較NEF樣地增加160.21%，118.71%，129.53%，801.96%。由于施肥主要是農家肥和氮、磷肥，土壤氮、磷含量增加量較多。

表2 2006-2018年不同施肥處理土壤養分平均含量

2.5 土壤pH值和養分含量的相關性分析

對綠洲農田不同施肥處理下3塊樣地土壤pH值和養分含量進行Pearson相關性分析，各指標的相關性關系見表3。從表3可以看出，無論在哪種施肥處理下，土壤pH值與有機質含量有極顯著的正相關性(p<0.01)，與速效鉀含量呈顯著或極顯著的負相關性；有機質含量與有效磷含量有極顯著的正相關性(p<0.001)。

表3 土壤pH值與養分含量的相關性分析

3 討 論

研究不同施肥對土壤養分的影響，有利于土壤養分的可持續利用管理[18]。在2006—2018年，通過對研究區4塊不同施肥處理樣地土壤表層養分進行數據分析，結果表明 HMF樣地各養分指標值顯著高于其他3塊樣地(p<0.05)，NMF樣地各養分指標值顯著高于NEF樣地和CTP樣地(p<0.05)，NEF樣和CTP樣地各養分指標值處于最低水平，但CTP樣地土壤速效鉀含量顯著高于其他3塊樣地(p<0.05)。不同施肥處理對干旱區綠洲農田土壤養分指標產生顯著影響，這和桂東偉[19]和周曉兵[20]等的研究結果一致。

土壤有機質是土壤肥力的重要方面，其質量和數量直接或間接影響土壤潛在的生產力，是土壤養分的重要來源[21]。土壤有機質的穩定水平取決于農田有機碳投入和輸出間的平衡，不同肥力投入導致耕地土壤變化的差異，影響土壤理化性質，改變土壤肥力，并且直接影響土壤有機質的分解及轉化[22-23]。本研究中，在綠洲不同施肥處理下，土壤有機質的含量有明顯的差異(p<0.05)，且在2006—2018年，都表現為土壤表層有機質含量：HMF>NMF>NEF>CTP，高肥力投入顯著增加了土壤有機質含量，這與陳文婷[24]和徐華清[25]的研究結果一致。新墾農田沒有養分投入，但有種植農作物，可能是農作物的枯枝落葉增加了土壤有機質含量，所以新墾農田有機質較未開墾對照樣地含量高。

土壤氮素是植物吸收的大量元素之一，是衡量土壤養分最重要的指標[26]。磷是土壤中植物生長和發育所必需的營養元素，構成植物體內的許多重要化合物[27]。本研究中，在綠洲農田不同施肥處理下，土壤全氮、堿解氮、有效磷的含量有明顯的差異，高投入農田的年肥料總氮、總磷含量施入量最高，土壤全氮、堿解氮、有效磷的含量顯著高于其他3塊樣地(p<0.05)，常規投入農田全氮含量顯著高于無施肥樣地和未開墾對照樣地(p<0.05)。土壤中的氮素主要是受人類的生產活動，如耕作、施肥與灌溉等措施影響到氮素的循環與積累[28]，本研究中，在綠洲不同施肥處理下，肥料的投入增加了土壤全氮、堿解氮含量，說明新疆綠洲農田在種植過程中要重視氮肥的施入[29]。

土壤速效鉀含量對作物的生長具有重要作用，本研究中，在綠洲農田不同施肥處理下，土壤速效鉀含量有明顯的差異(p<0.05)，在2006—2018年，總體上土壤速效鉀含量：CTP(204.91 mg/kg)>HMF)(160.87 mg/kg)>NMF(155.40 mg/kg)>NEF(125.63 mg/kg)。根據土壤養分等級評定分析速效鉀含量對應的水平等級(<100 mg/kg為嚴重缺鉀；100～125 mg/kg為缺鉀；125～155 mg/kg為適量；>155 mg/kg為富鉀)來分析判斷[30]，本區域的不同施肥處理下，CTP，HMF樣地、NMF樣地速效鉀為鉀富集，NEF樣地速效鉀為鉀適量。風沙土的鉀元素比較充足，長期施肥提高了土壤速效鉀含量，但長期不施肥土壤速效鉀含量并沒有顯著降低，表明土壤中速效鉀含量與土壤本身的鉀含量有關[31-32]。

從長期不同量施肥下4塊樣地土壤養分的平均值來看，長期定位施肥對策勒綠洲農田土壤養分有積極影響，高投入農田土壤養分含量平均值最高，常規投入農田次之，開墾未投入農田和未開墾對照農田養分含量指標基本處于最低水平。張曉東等[33]對新疆瑪河流域綠洲農田不同開墾年限下土壤養分的含量進行分析，發現長期的開墾(開墾年限>13 a)會使綠洲農田土壤退化，降低了土壤養分及有效養分含量。蘇永中等[34]對臨澤邊緣綠洲沙地農田進行長期施肥定位試驗，表明農田開墾和合理化施肥對綠洲土壤養分有積極影響。本研究中，肥料的投入對綠洲農田土壤養分產生積極影響，高肥料施入量的土壤養分指標含量也相對較高。土壤pH值是土壤重要的理化性質之一，它直接或間接影響土壤養分的存在狀態和轉化[35-36]。本研究中，隨著處理年限的增加，土壤pH值有增加趨勢，但相同年份，未開墾農田和兩塊施肥農田土壤pH值較低。可能是氮肥的施入降低了土壤pH值[37]。對4塊樣地土壤pH值和養分含量進行相關性分析，土壤pH值與速效鉀含量呈顯著或極顯著的負相關性。研究過程中，施肥主要是有機肥和氮、磷肥，但施肥樣地速效鉀含量顯著高于開墾未施肥樣地。研究表明策勒綠洲開墾過程中施肥可以改善土壤鹽堿化，降低土壤pH值從而促進土壤養分活化，增加土壤有效養分的吸收[38]。

4 結 論

通過2006—2018年對策勒長期不同施肥量對土壤養分的影響進行分析，結果表明長期高施肥量投入顯著增加了土壤養分，肥料施入對綠洲農田土壤養分產生積極的影響。新開墾農田樣地由于開墾過程中未進行肥力投入土壤養分含量在4塊樣地中基本處于最低水平，說明綠洲農田在短期開墾及開墾過程進行肥料投入的重要性，在綠洲化過程中，需要進行物質能量投入及進行合理的農田管理。對于風沙土來說，土壤鉀元素含量較高，制約土壤肥力的因素在于氮元素和磷元素，策勒綠洲農田在開墾及開墾過程中應該合理進行氮肥和磷肥的投入。