2006-2018年策勒綠洲農(nóng)田不同施肥量對土壤養(yǎng)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(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆荒漠植物根系生態(tài)與植被修復(fù)重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測試驗站, 新疆 策勒 848300; 4.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 5.蘭州大學(xué), 蘭州 730000)

土壤是人類賴以生存的基本生產(chǎn)資料，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。土壤養(yǎng)分是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是衡量土壤肥力大小的重要指標(biāo)，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(nóng)業(yè)的發(fā)展，新疆綠洲擴張明顯，其中農(nóng)田是綠洲擴張進(jìn)程中的主要土地利用類型。沙漠綠洲是干旱地區(qū)的主要糧食產(chǎn)區(qū)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(nóng)田土壤養(yǎng)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(jìn)而有利于進(jìn)行綠洲土壤養(yǎng)分的維護。

化肥被認(rèn)為是提高作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)利潤的主要投入之一，但平衡施肥是高效使用化肥實現(xiàn)可持續(xù)高產(chǎn)的關(guān)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(huán)境因子外，影響綠洲農(nóng)田土壤肥力最重要的因素[7-9]。不同肥力投入使土壤養(yǎng)分朝不同方向發(fā)展，長期施肥和連續(xù)耕作使土壤質(zhì)量發(fā)生變化[10-13]。策勒地區(qū)土壤含鉀豐富[14]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)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(qū)域，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，自2006—2018年，分析近13 a策勒綠洲農(nóng)田在開墾過程中施入不同量農(nóng)家肥和氮、磷肥處理對土壤養(yǎng)分的影響，旨在為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在策勒國家站荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)觀測站進(jìn)行。研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲—荒漠過渡帶，地理坐標(biāo)為35°17′55″—39°30′00″ N，80°03′24″—82°10′34″ E。該地區(qū)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(dá)到4 340℃，無霜期長，為農(nóng)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(fā)量2 595.3 mm，水資源短缺，水資源補給以昆侖山區(qū)融雪河流為主。常年多風(fēng)并以西北風(fēng)為主風(fēng)向，土壤以風(fēng)沙土為主[16]。

1.2 試驗設(shè)計和處理

根據(jù)研究區(qū)水源補給狀況及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的耕作習(xí)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(nóng)田樣地，其中一塊自開始開墾長期進(jìn)行高施肥量投入，定義為高投入農(nóng)田(farmland with higher manure input，HMF)，代表農(nóng)田開墾后經(jīng)濟條件較好的農(nóng)戶對其進(jìn)行較大量的施肥量投入；另一塊自開始開墾長期進(jìn)行正常肥量投入，定義為常規(guī)農(nóng)田(farmland with nommal manure input，NMF)，代表了大多數(shù)當(dāng)?shù)鼐用耖_墾農(nóng)田后選擇的施肥強度；根據(jù)試驗需要在兩塊樣地旁邊選擇一塊新墾農(nóng)田，該樣地于2004年開始開墾，定義為新墾農(nóng)田(new farmland，NEF)，該樣地除灌溉外不進(jìn)行額外的肥料投入，代表了一種臨時的開墾模式，該類型農(nóng)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(jìn)行撂荒。3塊農(nóng)田均位于綠洲荒漠交錯帶，可以代表綠洲開墾過程中的農(nóng)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(dāng)?shù)剞r(nóng)民一致。施肥種類為農(nóng)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(jìn)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(qū)，植被主要是駱駝刺(AlhagisparsifoliaSchap.)，因此為綜合對比農(nóng)田不同肥力投入下土壤養(yǎng)分的差異性，在新墾農(nóng)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(jìn)行分析。分別于2006—2010年、2017—2018年進(jìn)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(jìn)行取樣。樣品置于塑料封口袋中帶回實驗室風(fēng)干，并進(jìn)行去根處理。對土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，具體包括土壤有機質(zhì)(SOM)，pH值，全氮(TN)，堿解氮(AN)，有效磷(AP)，速效鉀(AK)6項指標(biāo)。

土壤有機質(zhì)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(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運用Oringn 2018作圖，并運用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量對土壤pH值和有機質(zhì)含量影響

隨著處理年限的增加，施肥樣地土壤有機質(zhì)含量出現(xiàn)不同程度的增加趨勢(圖1)。在綠洲農(nóng)田不同施肥處理下，研究區(qū)HMF樣地土壤有機質(zhì)含量顯著高于NMF，NEF和CTP樣地土壤有機質(zhì)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(jìn)了土壤酸化。

2.2 土壤氮含量變化特征

在2006—2018年，研究區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(nóng)田不同施肥處理下，研究區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(nóng)田不同施肥處理下，研究區(qū)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(qū)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(qū)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(yǎng)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(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量(表2)。HMF樣地養(yǎng)分增加量較多，土壤有機質(zhì)、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(nóng)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(yǎng)分平均含量

2.5 土壤pH值和養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析

對綠洲農(nóng)田不同施肥處理下3塊樣地土壤pH值和養(yǎng)分含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，各指標(biāo)的相關(guān)性關(guān)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(zhì)含量有極顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，與速效鉀含量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)性；有機質(zhì)含量與有效磷含量有極顯著的正相關(guān)性(p<0.001)。

表3 土壤pH值與養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析

3 討 論

研究不同施肥對土壤養(yǎng)分的影響，有利于土壤養(yǎng)分的可持續(xù)利用管理[18]。在2006—2018年，通過對研究區(qū)4塊不同施肥處理樣地土壤表層養(yǎng)分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明 HMF樣地各養(yǎng)分指標(biāo)值顯著高于其他3塊樣地(p<0.05)，NMF樣地各養(yǎng)分指標(biāo)值顯著高于NEF樣地和CTP樣地(p<0.05)，NEF樣和CTP樣地各養(yǎng)分指標(biāo)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(qū)綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響，這和桂東偉[19]和周曉兵[20]等的研究結(jié)果一致。

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要方面，其質(zhì)量和數(shù)量直接或間接影響土壤潛在的生產(chǎn)力，是土壤養(yǎng)分的重要來源[21]。土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定水平取決于農(nóng)田有機碳投入和輸出間的平衡，不同肥力投入導(dǎo)致耕地土壤變化的差異，影響土壤理化性質(zhì)，改變土壤肥力，并且直接影響土壤有機質(zhì)的分解及轉(zhuǎn)化[22-23]。本研究中，在綠洲不同施肥處理下，土壤有機質(zhì)的含量有明顯的差異(p<0.05)，且在2006—2018年，都表現(xiàn)為土壤表層有機質(zhì)含量：HMF>NMF>NEF>CTP，高肥力投入顯著增加了土壤有機質(zhì)含量，這與陳文婷[24]和徐華清[25]的研究結(jié)果一致。新墾農(nóng)田沒有養(yǎng)分投入，但有種植農(nóng)作物，可能是農(nóng)作物的枯枝落葉增加了土壤有機質(zhì)含量，所以新墾農(nóng)田有機質(zhì)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(yǎng)分最重要的指標(biāo)[26]。磷是土壤中植物生長和發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，構(gòu)成植物體內(nèi)的許多重要化合物[27]。本研究中，在綠洲農(nóng)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(nóng)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(guī)投入農(nóng)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(chǎn)活動，如耕作、施肥與灌溉等措施影響到氮素的循環(huán)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(nóng)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(nóng)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(jù)土壤養(yǎng)分等級評定分析速效鉀含量對應(yīng)的水平等級(<100 mg/kg為嚴(yán)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(qū)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(fēng)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(guān)[31-32]。

從長期不同量施肥下4塊樣地土壤養(yǎng)分的平均值來看，長期定位施肥對策勒綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分有積極影響，高投入農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量平均值最高，常規(guī)投入農(nóng)田次之，開墾未投入農(nóng)田和未開墾對照農(nóng)田養(yǎng)分含量指標(biāo)基本處于最低水平。張曉東等[33]對新疆瑪河流域綠洲農(nóng)田不同開墾年限下土壤養(yǎng)分的含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)長期的開墾(開墾年限>13 a)會使綠洲農(nóng)田土壤退化，降低了土壤養(yǎng)分及有效養(yǎng)分含量。蘇永中等[34]對臨澤邊緣綠洲沙地農(nóng)田進(jìn)行長期施肥定位試驗，表明農(nóng)田開墾和合理化施肥對綠洲土壤養(yǎng)分有積極影響。本研究中，肥料的投入對綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分產(chǎn)生積極影響，高肥料施入量的土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量也相對較高。土壤pH值是土壤重要的理化性質(zhì)之一，它直接或間接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)和轉(zhuǎn)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(nóng)田和兩塊施肥農(nóng)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(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，土壤pH值與速效鉀含量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)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(jìn)土壤養(yǎng)分活化，增加土壤有效養(yǎng)分的吸收[38]。

4 結(jié) 論

通過2006—2018年對策勒長期不同施肥量對土壤養(yǎng)分的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明長期高施肥量投入顯著增加了土壤養(yǎng)分，肥料施入對綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分產(chǎn)生積極的影響。新開墾農(nóng)田樣地由于開墾過程中未進(jìn)行肥力投入土壤養(yǎng)分含量在4塊樣地中基本處于最低水平，說明綠洲農(nóng)田在短期開墾及開墾過程進(jìn)行肥料投入的重要性，在綠洲化過程中，需要進(jìn)行物質(zhì)能量投入及進(jìn)行合理的農(nóng)田管理。對于風(fēng)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(nóng)田在開墾及開墾過程中應(yīng)該合理進(jìn)行氮肥和磷肥的投入。