不同耕种时间下沙漠-绿洲交错带土壤养分变化特征研究

栾福明，王 芳



不同耕种时间下沙漠-绿洲交错带土壤养分变化特征研究

栾福明，王 芳

（丽水学院商学院，浙江 丽水323000）

摘 要：比较研究了不同耕种时间下新疆奇台县沙漠-绿洲交错带用地的土壤养分含量及相关指数变化。结果表明：不同耕种时间用地的土壤养分呈正态或对数正态分布，速效养分为中等变异性，其余均为弱变异性；土壤pH值和全盐含量均随着耕作时间的延长而下降，由高到低表现为盐碱地＞荒地＞灌木林地＞3年耕种地＞5年耕种地＞10年耕种地；土壤养分指数（SNI）和养分等级均以未耕地为最高，耕种地为最低，且耕种地的SNI值随耕种年限的增加呈现先减后增的趋势；各土壤养分含量（全钾磷除外）均随着耕种时间的延长而下降，降幅表现为速效养分＞有机质＞全量养分，而速效养分的降幅由小到大为速效磷（-4.49 mg/kg·a）＜碱解氮（-14.88 mg/kg·a）＜速效钾（-38.18 mg/kg·a）；未耕地的年均土壤养分退化指数（SNDI，-10.56%）明显慢于耕种地（-21.16%），而耕种地的SNDI均值在最初3年为-4.32%，随后2年（5年）是-6.49%，而后5年（10年）仅为-0.79%，即早期退化速度快，之后（＞5年）退化速度减缓。速效氮磷钾退化指数远大于全氮磷钾。

关键词：土壤养分；养分指数；耕种时间

耕地作为农业生产活动的主要对象和最重要的物资基础，是人类赖以生存和繁衍的最基本土地资源。土壤养分变化是研究土壤演变的焦点之一，它不仅仅可以改善耕地中土壤的生产力、肥力，而且具有协调土壤养分、水分、气、热的功能［1-2］，对耕地的可持续利用发挥着重要作用，关系到农业的发展和经济的稳定。不同耕种时间是影响土壤性质演变方向和强度的关键因子，土壤理化性质的改变不仅是自然属性，更是人为因素作用的结果［3-5］。尤其是当耕种年限发生变化时，土壤养分含量必将随之改变。国内外众多学者对土地养分变化与土壤肥力的关系进行了相关研究，主要集中在土壤肥力评价、养分与生产力之间关系、土壤理化性状的变化与土地利用的方式［6-9］等方面。相关研究表明，土壤有机质、土壤容重、全量和速效养分等的变化大多由土地耕种引起［10-15］。

奇台县位于新疆东北部，耕地资源充足，土地生产力对地区粮食的生产、耕地的可持续利用至关重要。关于土壤养分演变已有较多研究［16-20］，但对典型干旱区的研究相对较少，尤其是对新疆地区不同耕种年限耕地土壤养分的变化研究仍不多见［16-18］，尚需加大研究的力度和深度。因此，我们选取古尔班通古特沙漠南缘与奇台绿洲交错带为研究区，探讨了不同耕种时间用地土壤养分的变化特征，以期为新疆土地的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于古尔班通古特沙漠南缘与奇台县绿洲的交错带，地理坐标为89°13′～91°22′E、43°25′～49°29′N，南倚天山，北临北塔山，地势南北高，分布有开垦河、碧流河、吉布库河、水磨河等河流。该区属中温带大陆性干旱半干旱气候区，气候干燥。年平均气温 5.5℃，年平均相对湿度60%，年平均无霜期153 d，年平均降水量为176 mm，蒸发潜力2 141 mm。该区的土壤有机质类型、分布特征在新疆以及干旱区具有典型的代表性。

1.2 试验材料

2014年9月，在奇台绿洲-沙漠的交错带，分别选择不同耕种时间的用地，包括荒地（猪毛菜Salsola collina、芦苇Phragmites、花花柴Karelinia caspica为主）、盐碱地（几乎无植被）、灌木林地（柽柳Tamarix chinensis 为主）、3年耕种地、5年耕种地、10年耕种地6种。采用五点梅花法进行采样，挖取深度为0～20 cm的土壤剖面并取样。分别从每种样地的不同位置挖取土壤剖面8个，每个剖面重复3次，再将3个土壤样本混合均匀，每类样地共取得24个样本。

土壤样本在室内自然风干，人工去除沙子、石砾等杂质后用棍棒研磨，分散后过1 mm筛进行处理。最后，将所有处理过的土壤样本送中国科学院新疆生态与地理研究所土壤理化分析实验室测定养分含量（表1）。

表 1 土壤理化性质的测定

1.3 研究方法

1.3.1 土壤养分指数法 土壤养分指数（Soil Nutrient Index，SNI）反映土壤有机质含量对不同耕种时间的响应程度。利用相对系数法将土壤各养分量纲进行归一化处理，可以得到各土壤养分指标的隶属度值：式中，Ci表示不同养分指标的隶属度值，fi表示原始值，fmax表示最大值。根据土壤养分指数公式［16］，计算不同耕种时间的土壤养分指数：

式中，Ki表示权重系数，Ci表示不同养分指标的隶属度值。本研究利用该指数对土壤养分进行综合评价。

1.3.2 土壤养分退化指数法 土壤养分退化指数（Soil Nutrient Degradation Index，SNDI）以某类用地为基准地，假设其他类型用地均由其转变而来，然后分别计算其他用地与基准土地之间在土壤养分属性上的差异，最后将土壤属性的差异求和并进行平均运算，从而计算出不同耕种时间的土壤养分退化指数［18-20］。

式中，p1，p1，…pn表示某种用地的土壤养分属性值；p1，p1，…pn表示基准地土壤属性1，2，…n的值；n表示入选的土壤属性数量。SNDI值为负，表明土壤发生退化；SNDI值为正，说明土壤养分质量有所提高。

数据分析、图表绘制均通过Excel、DPS8.0及SPSS19.2软件实现。

2 结果与分析

2.1 不同耕种时间下土壤养分特征

2.1.1 土壤养分的分布类型 偏度是表示偏离正态分布程度的参数，偏度值越接近0，数据越服从正态分布；峰度则是统计数据分布陡峭程度的度量，峰度值越接近或者等于0，数据越服从正态分布［18］。由表2可知，0～20 cm土层，有机质、全氮、全钾 、碱解氮的偏度值和峰度值均接近于0，对原始数据进行K-S正态检验后发现四者属于正态分布；而全磷、速效磷、速效钾的偏度值和峰度值都距0较远，对其进行K-S正态检验后发现三者属于对数正态分布（表2）。

2.1.2 土壤养分含量差异 荒地和盐碱地反映了研究区土壤养分的背景值，因此在养分循环开始之初，人类活动干扰时间较短的3年耕种地的有机质、全氮、碱解氮、速效磷及速效钾含量高，仅是土壤养分背景值较高条件下的延续。而后随着耕种时间（＞5年）的延长，农作物对土壤养分的消耗需求增加，5年、10年耕种地的有机质、全氮、碱解氮、速效磷及速效钾含量则出现不同程度的下降。但随着耕种年限的增加，土壤养分循环系统的功能进一步完善，与5年耕种地相比，10年耕种地的全氮、有机质、碱解氮及速效磷的含量逐渐增加。土壤全钾及全磷含量主要受成土母质中矿物成分影响，空间分布较为均匀［6］，各类用地全磷含量的变幅以灌木林地最高（23.53%），3年耕种地最低（8.86%），其余则介于10.53%～22.22%之间；而全钾比重变化幅度最高的则为10年耕种地（11.89%），最低的为5年耕种地（1.20%），其余用地则在3.19%～11.71%之间变化。研究发现，荒地、盐碱地、全氮、碱解氮、速效磷及速效钾的有机质养分含量相对较高。速效养分的大小反映了植物生长期间养分利用率的高低，其含量受土壤性质的影响，且与施肥等人类活动关系密切 （表2）。

2.1.3 土壤养分的变异性 土壤有机质、全量养分（全氮、全磷、全钾）和速效养分（速效磷和碱解氮、速效钾）对不同耕种时间的响应明显（表2）。按照变异等级的划分标准，变异系数（CV）＜10%称为弱变异性，10%≤CV≤100%则为中等变异性，CV＞100%则为强变异性［18］。研究发现，0～20 cm土层，不同耕种时间土壤养分的变异性不同，除速效氮磷钾均为中等变异性，其余土壤养分均属于弱变异性，其变异系数介于0.06%～5.23%。其中，速效钾的变异系数最高为65.59%，碱解氮（19.24%）次之，再次是速效磷（10.23%）；全磷的变异性最小，其变异系数低于0.06%；有机质的变异系数为5.25%；全氮和全钾的变异性则相对较低，其值均低于0.4%。速效养分的变异性较大，说明二者的空间分布受人类活动、垦殖耕种、垦荒施肥、耕种时间等因素的影响相对较大［8］。综上所述，不同耕种时间土壤养分的变异性表现为：速效钾＞碱解氮＞速效磷＞有机质＞全钾＞全氮＞全磷。

2.1.4 土壤全盐和pH值的变化 土壤的全盐含量和pH值影响着土壤养分形态和养分的有效性。研究发现，土壤pH值和全盐含量与不同耕种时间下的用地有极显著的相关关系，两者由高到低依次为：盐碱地＞荒地＞灌木林地＞3年耕种地＞5年耕种地＞10年耕种地。未耕地（耕种地几乎全部由荒地开垦而成，因此荒地、盐碱地、灌木林地的耕龄均可视为0）明显高于耕种地，且随着耕作时间（3年）的延长，土壤pH值和全盐含量均表现出明显的下降趋势，但是下降速率不同。以由荒地转化而来的耕种地而言，3年耕种地的土壤pH值和全盐含量均比荒地下降11.35%和84.98%；耕种10 年之后，两者均比3年耕种地降低1.93%和 66.55%，即耕种早期（＜3年）降幅较快，后期（＞5年）较慢（表3）。

在人类活动干扰时间不等的耕种地中，多年（5年、10年）耕种地的土壤pH 值和全盐含量明显低于耕种时间较短的3年耕种地。这是由于荒地和盐碱地改良为耕种地过程中，农药、化肥的大量施用，尤其是半腐熟有机肥料和酸性肥料的投入，致使土壤酸化程度加强，而碱化程度逐渐减弱，因此土壤pH值明显下降。而随着耕种时间的延长，人类干扰的时间、强度的增加，“暗管排盐”等农业技术的提高，以及土壤熟化程度的加深，使土壤性质发生了明显改变，土壤盐分含量也明显降低。

表2 0～20 cm土层土壤养分分布特征

表 3 不同耕种时间下土壤pH值和全盐均值的变化

2.1.5 土壤养分评价 从土壤养分指数（SNI）看，不同耕种时间的土壤养分指数不同，未耕地（盐碱地、荒地、灌木林地）的SNI均高于耕种地（3年、5年、10年地）。随着耕种年限的增加，耕种地的SNI值呈现出先减少后增加的变化态势。SNI值由低到高的排序为：5年地＜3年地＜10年地＜灌木林地＜荒地＜盐碱地（图1）。

图1 不同耕种时间用地的土壤养分指数

利用DPS软件，采用最短距离法将不同耕种年限的SNI进行聚类分析，结果发现，研究区不同耕种时间的土壤养分指数聚成4类：SNI最高的是盐碱地，为一级，其指数高达8.85；荒地和灌木林地属于二级，SNI值分别为7.42和7.31；10年耕种地和3年耕种地是三级，SNI值分别为6.55和6.45；5年耕种地属于四级，SNI值最低（仅5.73，图2）。

图2 土壤养分等级判定的聚类分析

总体而言，耕种地的SNI平均值（7.86）明显小于未耕地（6.24）。由于盐碱地植被最少，几乎没有新的土壤养分输入，但SNI值却最高，说明研究区在人类耕种活动之前土壤就比较肥沃。荒地和灌木林地多源于盐碱地，受人类耕种活动影响较小，因此未耕地的SNI值具有较高特点。耕种地均由研究区的盐碱地或荒地开辟而成，人类活动的干扰性比较强，在新的养分循环系统尚不完善、功能较低（≤5年）时［10］，耕作时间愈长，对原有土地的土壤养分的消耗量愈大，则土壤养分含量的等级就越低。因此，3年耕种地的SNI值等级明显高于5年耕种地，但一方面，随着耕作年限（＞5年）的延长，新的土壤养分循环系统得以完善和提高，土壤养分含量的等级逐渐增强；另一方面，部分耕地因肥力较低、产出效益不明显，耕种数年（≤3年）后便被放弃，所以5年耕种地的土壤养分等级明显低于3年和10年耕种地。

2.2 不同耕种时间下土壤养分演变特征

本研究假设盐碱地是基准地，其他耕种时间均由基准地转变而来，借助SPSS软件建立了研究区不同耕种年限土壤养分动态变化趋势图，探讨不同耕种时间下土壤养分水平及退化情况。

2.2.1 土壤养分含量动态变化 就养分含量而言，耕种地的速效养分含量均随着耕作年限的延长而降低，且变化趋势具有很强的相似性（图3），反映出尽管每年都有大量有机肥料施用以及秸秆焚烧等植物残体还田，但其值仍然少于农作物从土壤中吸收的养分。有机质和全量养分（全钾含量随着耕种时间的增加呈上升趋势，故不作详细讨论）含量的变化趋势相似，均表现为先降低后上升，但与速效养分的变化存在一定差异。就养分变化速率而言，其由快到慢依次为速效养分＞有机质＞全量养分（全氮），说明人类活动的干扰对速效养分的影响明显高于有机质和全量养分。

研究发现，土壤速效养分的降幅表现为速效磷（-4.49%）＜碱解氮（-14.88%）＜速效钾（-38.18%），后者分别是中者和前者的2.6倍、8.5倍。土壤碱解氮是作物氮素营养的主要来源，是全氮中能被作物直接吸收的部分，其数量对作物生长至关重要。虽然碱解氮能反映近期土壤的氮素供应能力，但其在土壤中的含量不够稳定，易受土壤水热条件和生物活动的影响而发生变化［16］。

荒地和盐碱地开辟为耕种地后，随着耕作年限（≤3年）的增加，有机质、全氮含量均出现不同程度的增加，但有机质的增幅在耕种之初较快、之后较慢，全氮的变化则是由慢变快。随着耕种时间（＞3年）的增加，两者含量急剧下降，下降速率分别达25.57%和21.15%。经过较长时间（＞10年）的熟化以及施肥等人类干扰活动之后，有机质、全氮含量均出现不同程度的上升，其增幅分别达到8.14%和8.47%。

综上所述，虽然研究区农业耕作措施（施肥、耕地等）在一定程度上改善了土壤水、肥组合等条件，一定程度上改善了土壤中有机物质的矿化速率以及速效养分含量，但农作物的生长对速效养分的需求明显高于全量养分，因此造成速效养分的急剧减少。有机质和全氮含量变化的原因可能是，在耕种早期，大量有机肥料的投入导致其含量增加；随着耕作时间（＞3年）的延长，收获作物时从土壤带走大量养分，虽然仍投入有机肥料，但土壤养分得不到及时补充，其积累速度有所减缓，致使有机质含量降低。

图3 不同耕种时间土壤养分的动态变化

2.2.2 土壤养分退化指数动态变化 研究区荒地多源自于盐碱地，虽然地处少雨、干旱的自然环境，生物生长速度相对缓慢，但其土壤养分分解的速度也较慢，养分流失量很少，因此SNDI值（-11.30%）明显低于耕种地（3年、5年、10年）。耕种地土壤养分的退化程度非常显著，且随着耕种年限的延长，SNDI值呈逐渐降低的趋势。3年耕种地的SNDI值为-12.95%，可见其受人类活动的干扰程度相对较小、较弱；至5年耕种地的SNDI值上升至-20.03%；而10年耕种地则增加到-23.96%，表明在最初耕种的几年（≤5年），耕种地的土壤养分退化速度相对较快，随着耕作年限的增加（＞5年）其退化速度有所减缓（图4）。

图4 不同耕种时间的土壤养分退化指数

2.2.3 全量和速效养分的土壤养分退化指数比较 为深入探讨不同耕种时间下土壤全量养分和速效养分的差异，本研究比较了两者的SNDI值。0～20 cm土层土壤速效养分不仅含量低，而且退化指数均远远大于全量养分。其中，速效养分的SNDI值由最初（盐碱地）的-19.34%降至10年耕种地的-52.69%，而同期全量养分的SNDI值则从2.02%降至-3.68%，表明全量养分的整体退化程度相对较小（图5）。

图5 不同耕种时间土地全量养分和速效养分的土壤退化指数变化

3　结论与讨论

本研究结果表明，有机质、全氮、全钾、碱解氮呈正态分布；而全磷、速效磷、速效钾则呈对数正态分布状态。不同用地类型土壤养分的变异性不同，除速效养分为中等变异性外，其他土壤养分均属于弱变异性。

土壤pH值和全盐含量与不同耕种时间的用地均呈极显著关系，两者由高到低依次均表现为：盐碱地＞荒地＞灌木林地＞3年耕种地＞5年耕种地＞10年耕种地。两者在耕种地的含量明显低于未耕地，且随着耕作时间（3年）的延长，两者均表现出明显的下降趋势，但下降速度在耕种早期较快、后期（10年）较慢。

随着利用年限的增加，全磷含量保持相对稳定的状态，而全钾的比重则随着耕种时间（＞5年）的增加而呈上升趋势，其余养分含量则均出现不同程度的降低，其降幅表现为速效养分＞有机质＞全量养分。而速效养分的降幅由低到高依次为速效磷（-4.49%）＜碱解氮（-14.88%）＜速效钾（-38.18%），后者的退化程度是中者的2.6倍，是前者的8.5倍。

不同耕种时间用地的土壤养分指数由低到高的排序为：5年耕种地＜3年耕种地＜10年耕种地＜灌木林地＜荒地＜盐碱地。而随着耕种年限的增加，耕种地的SNI值呈现先减少后增加的变化态势，且耕种地SNI均值明显小于未耕地。

土壤速效养分（氮磷钾）退化指数远大于全量养分（氮磷钾）。3 年、5 年的耕种地的SNDI值依次为-12.95%、-20.01%，而10年耕种地仅为-23.96%。前两年的退化指数增加-7.06%，而后5年仅增加了-3.95%，说明耕种地的土壤养分退化程度在最初几年（≤5年）退化速度快、之后（＞5年）则相对较慢。这可能是因为耕地属于人类活动干扰性较强的用地类型，在新的养分循环系统尚不完善时、功能较低（≤5年）时，耕作年限愈长，作物对背景值养分的消耗量越大，因此土壤养分退化速度快。但随着耕种年限的延长（＞5年），新的土壤养分循环系统得到进一步的完善和加强，土壤养分退化速度有所减缓。

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（责任编辑 杨贤智）

中图分类号：S158.3

文献标识码：A

文章编号：1004-874X（2016）03-0093-08

收稿日期：2015-09-18

基金项目：国家自然科学基金（41171165）

作者简介：栾福明（1984-），男，博士，讲师，E-mail： luanfuming999@163.com

Study on soil nutrient content and change characteristics in desert-oasis ecotone under different cultivation years

LUAN Fu-ming，WANG Fang
（Business College of Lishui University，Lishui 323000，China）

Abstract：The Qitai County，Xinjiang Uygur Autonomous Region was takenas study area，methods of soil nutrient index and soil nutrient degeneration index were selected to be used to study the soil nutrient content index characteristics，evolvement and degradation degree of lands in Gurbantunggut Desert-Qitai Oasis ecotone. The results showed that，the soil nutrients of lands under different cultivation years showed a normal distribution or logarithmic normal distribution，available nutrients（rapidly available potassium，alkaline hydrolysis nitrogen，rapid available phosphorus） were all medium variability，and the rest were low variability. Soil pH value and total salt content decreased with the cultivation year extending，with the order of land-use types' contents or values：alkali soil ＞ wasteland＞shrubland＞ 3-year farmland＞ 5-year farmland＞ 10-year farmland. The values of soil nutrient index （SNI） and nutrient rank were the highest in uncultivated land，while they were the lowest in cultivated land，and the SNI in cultivated land decreased with the cultivation year extending. Soil nutrient contents all decreased with the cultivation year extending except the total potassium and phosphorous，and the order of degree of reduction form high to low was as follows：available nutrients ＞ organic matter ＞ total nutrients. The degree of reduction in available nutrients was obvious，and the order of degree of reduction form low to high was as follows： rapid available phosphorus （-4.49% mg/kg·a ＜ alkaline hydrolysis nitrogen（-14.88% mg/kg·a）＜ rapidly available potassium（-38.18% mg/kg·a） . The annual mean soil nutrient degradation index （SNDI） of uncultivated land was -10.56%，and which in cultivated land was -21.16%，so the SNDI in uncultivated land was significantly slower than that of cultivated land. The SNDI in cultivated land was -4.32% in the first three years，and it was -6.49% in the following two years（5 year），and it finally was -0.79% in the following five years（10 year），it meant that the soil degradation rate was quicker in early，with the extension of cultivation year，its degradation slowed down. The SNDIs of rapidly available potassium，alkaline hydrolysis nitrogen，rapid available phosphorus were obviouslyfaster than those of total nitrogen，phosphorus，potassium in cultivated land.

Key words：soil nutrient；nutrient index；cultivation years