新疆典型滴灌棉田土壤養分的時空變異特征

王安意 劉耘華 盛建東

摘 ? ?要：通過對田間不同種植年限土壤剖面養分的監測，探明長期滴灌棉田土壤養分的時空變異特征。以種植年限分別為10，14，16年的滴灌棉田土壤養分為研究對象，利用網格布點法，分層采集0～100 cm土壤樣品，測定土壤有機碳、全氮、速效氮磷鉀等指標，分析其時空變化特征。結果表明：（1）研究區土壤養分均呈現出中等強度的變異，其中，速效鉀隨種植年限增加含量逐漸減少，而有效磷和全氮隨種植年限增加含量逐漸增加，有機碳和堿解氮未呈現出明顯規律。（2）全氮、有機碳、堿解氮含量均呈現出從表層到底層逐漸降低的趨勢，在0～40 cm土層有效磷顯著積累，而速效鉀在表層顯著降低。通過研究長期滴灌棉田不同土壤養分在時間和空間上出現的變化規律，可以為新疆棉田土壤培肥和養分資源科學管理提供一定的科學依據。

關鍵詞：滴灌棉田;速效養分;碳氮;時空變異

中圖分類號：S156.4 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.11.019

Spatial-temporal Variation of Soil Nutrients in Typical Drip Irrigation Cotton Fields in Xinjiang

WANG Anyi， LIU Yunhua， SHENG Jiandong

（College of Pratacultural and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University/ Xinjiang Key laboratory of Soil and Plant Ecological Processes， Urumqi，Xinjiang 830052，China）

Abstract：The temporal and spatial variation characteristics of soil nutrients in long-term drip irrigation cotton field were investigated by monitoring soil nutrients in different planting years in the field.Soil nutrients in drip irrigation cotton fields with planting years of 10， 14 and 16 years were selected as the research objects. Soil samples from 0-100 cm were collected by grid distribution method. Soil organic carbon， total nitrogen ， available nitrogen， phosphorus， potassium and other indexes were measured， and their spatial and temporal variations were analyzed.The results showed that：（1） The soil nutrients in the study area showed moderate variation， among which， the content of available potassium decreased gradually with the increase of planting years， while the content of available phosphorus and total nitrogen increased gradually with the increase of planting years， while the content of organic carbon and alkali-hydrolyzable nitrogen did not show an obvious pattern.（2）The contents of total nitrogen， organic carbon and alkali-hydrolyzed nitrogen decreased gradually from the surface layer to the bottom layer. The available P was significantly accumulated in the 0-40 cm soil layer， while the available K was significantly decreased in the surface layer.The temporal and spatial variation of different soil nutrients in cotton field under long-term drip irrigation was studied， It could provide some scientific basis for soil fertilizer cultivation and nutrient resource management in Xinjiang cotton field.

Key words： cotton field; available nutrient; carbon and nitrogen; spatial and temporal variation

土壤養分是土壤肥力最重要的肥力因子之一。在農田生態系統中，土壤養分的演變受到自然因素和人為因素的雙重影響[1-2]。新疆棉花產量占到全國的87.4%，單產穩居全國領先地位[3]，這與近二十多年膜下滴灌技術在棉花生產中廣泛應用具有密切的關系[4]。因此，掌握長期滴灌條件下棉田土壤養分的變化特征，對新疆農田土壤培肥、科學施肥以及綠洲農業可持續發展具有重要意義[5-7]。

肥料長期定位實驗可以為研究不同種植年限對土壤肥力及作物產量等方面的影響提供可靠的數據，在國內外均受到廣泛的重視[8-9]。世界上最早的英國洛桑長期定位試驗站建立于1843年，在對肥料施用、作物產量、生物多樣性等方面取得重要成果，對推動農業生產發揮了重要作用[10-11]。新疆阜康荒漠生態站于1987年正式建立[12]，賴冬梅等[13]在此對連續種植17年的棉田進行研究，認為0～30 cm土層土壤的有機碳、全氮含量隨土層深度的增加顯著降低;榮井榮等[14]研究認為剖面深度以及施肥年限對土壤中有機碳和無機碳的含量變化均有顯著的影響。新疆的灰漠土肥力與肥效監測站建成于1989年，劉驊等[15]在此得出了當前灰漠土農田在常規施肥方式下鉀素的虧缺正在增加，應當對農田土壤補充更多的鉀肥以及配合施用有機肥或秸稈;王西合等[16]得出灰漠土耕層土壤有機碳含量與施肥年限間存在顯著相關性。

因此，本研究在新疆庫爾勒市包頭湖農場，對三塊不同滴灌種植年限的地塊進行網格布點采樣，分層采集土壤剖面（0～100 cm）樣品，比較分析滴灌年限對棉田土壤養分垂直變化特征的影響，研究結果可為制定土壤培肥措施和合理施肥提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區自然概況

本研究位于新疆庫爾勒市包頭湖農場，該農場地處天山南麓孔雀河中游，塔里木盆地東北緣（41°67′N， 85°86′E），平均海拔為890～950 m，年均氣溫在10.5℃～11.5℃，年平均降水量為51.5 mm，蒸發量為2 714.7 mm，無霜期為288 d，該區域屬大陸性干旱氣候，土壤類型為灌耕鹽化潮土。該地區日照時間長、晝夜溫差大，適宜棉花、香梨等作物的生長[17]。1.2 樣點布置與樣品采集

本試驗以包頭湖農場一塊143.52 hm2的棉田作為研究區，根據滴灌種植年限（10，14，16年），將研究區劃分為3個區域，研究區內田間管理措施基本保持一致（灌溉、施肥及耕作等）。于2018年8月，按照200 m×100 m的間距布設采樣點，利用GPS定位，在三個區域內分別布置5，15，17個樣點，樣品采集深度為100 cm，以20 cm為一個層次，分為5個土層，共采集樣品185個。

1.3 土壤養分指標測定

將采集的土壤樣品自然風干后，除去其中礫石和植物殘體，研磨過篩后進行土壤養分測定。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的測定分別采用堿解擴散法、鉬銻抗比色法和 NH4OAC浸提法測定[19];全碳、全氮利用元素分析儀（Euro EA 3000型）測定，無機碳利用碳酸測定儀測定，有機碳含量通過全碳含量與無機碳含量差值獲得。

1.4 數據分析

數據整理分析采用 Microsoft Excel 2007，利用SPSS 25.0 軟件進行不同種植年限和土層之間土壤屬性的方差分析和多重比較，用Origin 2018繪制土壤養分變化的柱狀圖[20]。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤養分統計特征

對整個研究區各土壤養分指標進行常規統計分析（表1）表明：有機碳、全氮、堿解氮以及有效磷的含量均隨土層的加深而減少，不同的養分指標在剖面上變化不同。其中，土壤有機碳在0～20 cm土層顯著高于20～100 cm;全氮含量在0～20 cm土層顯著高于60～100 cm土層;在剖面0～20，20～40，40～100 cm等3個土層之間的堿解氮含量差異顯著;有效磷的含量在0～40 cm土層有明顯下降趨勢，在40 cm土層以下含量趨于穩定，其中表層（0～20 cm）有效磷含量顯著高于其余土層;而速效鉀含量隨土層的加深其含量逐漸增加，即40～100 cm土層的速效鉀含量顯著高于0～40 cm。

另外，根據反映離散程度的變異系數大小，可以將土壤養分的變異程度進行分級。其中變異系數小于10%為弱變異，變異系數在10%～100%屬于中等程度變異，變異系數大于100%為強變異[21]。本研究區內土壤各養分指標的變異系數在28%～65%范圍內，均屬于中等強度的變異。其中，土壤有機碳、全氮、堿解氮和有效磷的變異系數自表層向下增加，而速效鉀變化不明顯。

2.2 不同種植年限棉田土壤剖面養分變異特征

通過對種植年限和土層厚度與土壤養分進行雙因素方差分析可知（表2），不同種植年限對土壤全氮、有效磷、速效鉀的含量均有極顯著的影響作用（P<0.01）;不同的土層深度對全氮、有機碳、堿解氮、有效磷和速效鉀均有極顯著的影響作用（P<0.01），種植年限和土層深度對有機碳還有顯著的交互作用（P<0.05）。

土壤有機碳含量隨著土層加深其變化總體呈下降趨勢（圖1），其中，在種植10年區域，20～40 cm土層的含量顯著高于其它土層;在種植14年區域，0～40 cm和60～80 cm土層有機碳含量顯著高于其它土層;在種植16年區域，有機碳隨土層深度下降而逐漸減少，并且0～40 cm土層顯著高于40～100 cm;除了在60～80 cm土層有機碳含量在不同種植年限下無顯著差異。

土壤全氮含量均隨土層的加深而減少（圖1）。其中，種植10年，0～20 cm土層的含量顯著高于60～100 cm土層;種植14年，0～20 cm土層的全氮含量顯著高于20～100 cm土層，而20～100 cm土層之間全氮含量無顯著差異;種植16年，全氮含量在0～20 cm土層顯著高于60～100 cm土層。在同一土層，土壤全氮大都表現出隨著種植年限增加而增加。

土壤剖面速效養分變化特征如下（圖2）：堿解氮的含量隨土層的加深而減少，且0～20 cm，20～40 cm與40～100 cm土層之間的含量差異顯著;種植10年區域內的堿解氮含量在0～40 cm土層顯著高于60～100 cm。在0～60 cm土層，種植10年區域內的堿解氮含量顯著高于種植14，16年。

在3個種植年限，土壤有效磷含量均隨土層厚度增加快速減少，并且在剖面40 cm處含量發生驟減至5 mg·kg-1，在40～100 cm土層降低至5 mg·kg-1及以下。隨種植年限的增加，土壤有效磷含量升高，在表層土壤（0～20 cm），3個種植年限之間含量差異顯著（P<0.05）;在40～100 cm土層，種植14，16年區域內的有效磷含量顯著高于種植10年。

速效鉀含量在不同種植年限區域均隨土層加深而逐漸增加;種植10年區域的速效鉀含量在各土層之間差異未達到顯著水平。種植14，16年區域內的速效鉀含量在0～40 cm土層顯著低于60～100 cm;在0～60 cm土層，種植10年區域內的速效鉀含量顯著高于種植14，16年。

3 結論與討論

在該研究區內，不同的土層深度對土壤中有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀均有極顯著的影響（P<0.01）。其中，全氮、堿解氮和有效磷的含量均隨土層深度的增加而降低，速效鉀的含量隨土層深度的增加而升高。因為新疆地處干旱荒漠區，鹽堿荒地受水資源等條件的限制，生物積累量少，導致全氮隨著土層的加深，含量逐漸減少[22]。新疆棉田大量施用氮磷肥，導致氮素和磷素在耕作層發生累積，含量高于底層，且因磷素在土壤中移動性較差，很難移動到40 cm以下的土層，所以其含量在剖面40 cm處發生驟減，0～40 cm土層有效磷的含量顯著高于40 ～100 cm土層。因新疆地區鉀肥施用量不足，棉田鉀肥施用量一般為150 kg·hm-2，而棉花吸收鉀素的量為250～300 kg·hm-2。因此，導致土壤表層速效鉀出現耗竭，含量低于底層土壤[23]。另外有機碳、全氮、堿解氮和有效磷的變異系數均呈現出隨土層加深而增加的趨勢，這可能與統一的灌溉施肥耕作措施有關，尤其滴灌有利于提高灌溉和施肥的均勻度，促進表層土壤養分的均一化。

種植年限的變化對土壤中全氮、有效磷和速效鉀的含量均有極顯著的影響（P<0.01），不同土層的全氮含量均隨種植年限增加而升高，且種植16年顯著高于種植10年，這主要是因為土地開墾后施肥等措施會增加土壤中氮素的含量，且作物的殘體和凋落物落入土壤中也會增加氮素的積累[24]。因為在長期施肥條件下，土壤中磷素增加并出現盈余狀態，所以有效磷在0～20 cm土層的含量隨種植年限的增加而顯著升高[25]。速效鉀的含量隨種植年限增加而減少主要是因為鉀肥施用不足，隨著種植年限的增長，鉀素發生耗竭。

為了掌握長期滴灌棉田土壤養分的時空變異特性，對包頭湖農場研究區內各采樣點進行分析得出，不同土層深度對土壤中有機碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀均有極顯著的影響作用（P<0.01），隨土層深度的增加，全氮、有機碳和堿解氮含量下降;有效磷含量出現驟減;速效鉀含量逐漸增加。不同種植年限區域內的土壤養分指標變化趨勢與研究區整體保持一致。隨著種植年限的增加有效磷和全氮含量逐漸增加;土壤速效鉀含量逐漸減少;有機碳和堿解氮未呈現出明顯變化。

根據滴灌棉田土壤養分的變化特征，建議在棉花生產中注重增施有機肥或加強秸稈還田，實時動態調控施肥，監控土壤有效磷提高到20～25 mg·kg-1后[26]施磷量與棉花攜出量平衡，適度補充鉀肥，為棉花高產高效提供適宜土壤肥力和科學施肥原則。

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收稿日期：2021-07-23

基金項目：新疆維吾爾自治區天山雪松計劃（2019XS05）

作者簡介：王安意（1995—），女，內蒙古赤峰人，在讀碩士生，主要從事土壤資源利用方面研究。

通訊作者簡介：盛建東（1970—），男，山東泰安人，教授，博士生導師，主要從事土壤資源利用與改良、養分資源高效利用方面研究。