灌溉方式对宁夏枸杞园土壤碳库特征及枸杞生长的影响

王 芳，张妹婷，马丽萍，马佳伟，南雄雄

(1.宁夏大学资源环境学院，银川 750021；2.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川 750021；3.青海省生态环境遥感监测中心，西宁 810007；4.国家林业局枸杞工程技术研究中心，银川 750021)

土壤活性有机碳一般是指在一定的时空条件下，受环境条件影响强烈、易氧化分解、对植物和微生物活性较高的那部分土壤碳素[1]。它包括众多游离度较高的有机质，如植物残茬、根类物质、真菌菌丝、微生物量及其渗出物如多糖等[2,3]，依据提取方法，土壤活性有机碳常用易氧化态碳(POXC)、水溶性碳(DOC)和微生物量碳(MBC)等来表征[4]。土壤活性有机碳在土壤有机碳中所占比重虽然很小，但它对土壤养分的转化供应有着重要影响，能更好地反映土壤有机碳的有效性[5]。已经有研究表明，土壤活性有机碳是用来评价土壤管理措施对土壤质量短期和长期影响的最灵敏和最可靠的指标[6-8]。Lucas和Weil发现测定土壤活性有机碳可以为生产者通过改善农田管理措施，提高作物产量，从而提高土壤质量提供理论依据[9]。灌溉是干旱区最主要的农田管理措施，土壤水分是碳循环过程的关键驱动因子。在一定范围内，土壤水分与有机碳储量具有显著的相关性[10]。因此，灌溉方式的改变带来的土壤水分含量及其分布的显著变化势必会对土壤活性有机碳产生重要的影响[11,12]。节水灌溉是目前国家推荐且实施范围广的一种农田管理措施[13]。

预计到2020年全国有效农田灌溉面积达到0.667 亿hm2以上。宁夏是我国水资源最为严重匮乏的地区之一，发展节水灌溉已成为破解该区水资源危机的最重要举措。枸杞作为宁夏优势特色作物，其种植面积和果实产量在全国均占据重要地位，但传统生产体系中的大水漫灌、粗放施肥等管理方式已无法满足枸杞高产优质高效的生产需求，因此节水灌溉技术逐渐推广应用到枸杞种植上[14-16]。那么灌溉方式的这种改变，带来的土壤水分含量及其分布的显著变化一定会对土壤活性有机碳库产生重要影响。

目前多数枸杞节水抗旱研究集中在对地上生物量、产量和水分利用效率的调控上，或是根系的形态构型变化上，关于节水灌溉对土壤有机碳库的影响机制方面尚未见系统报道。而有关节水灌溉条件下枸杞园土壤活性有机碳库变化方面的研究更是鲜有报道。因此，本研究立足区域特色，尝试探索不同灌溉模式对宁夏枸杞园土壤活性有机碳库及枸杞生长影响机制的研究，以便更好地为该区建立合理的节水灌溉体系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间定位试验在国家林业局枸杞工程技术研究中心的枸杞示范基地(35°25′N，106°10′E)进行，海拔约1 110 m，试验区地处西北内陆，属于暖温带大陆性季风气候，昼夜温差大，年平均降水量200 mm，年蒸发量1 883 mm，年平均气温8.5℃，全年无霜期160～170 d，冬春干旱，四季多风。2016年5月开始田间试验。试验前0～20 cm土壤的化学性质为：有机质4.76 g/kg，全氮0.32 g/kg，速效磷11.7 mg/kg，速效钾65 mg/kg，pH 值8.54。

1.2 试验设计

试验设置滴灌和漫灌两种灌溉处理：其中漫灌与当地灌水定额相同为1 200 m3/hm2；滴灌管平行于枸杞种植方向，铺设方式为二管一，即2根滴灌带管1行枸杞树，枸杞为1 m等行距，滴灌带间距为50 cm，滴头间距为50 cm，滴头流量为4 L/h，灌水定额为150 m3/hm2，每次灌水量均通过水表控制。每个处理3次重复，每个小区面积90 m2。为了防止冬季寒冷对滴灌带的破坏，滴灌带于次年春季头水前铺设，冬麦返青后采用不同灌溉方式，具体灌水分配见表1。其余田间管理措施均与大田相同。具体灌溉日期、灌溉量见表1。供试肥料为尿素(含N量46%)、磷酸二氢钾(含K2O量34%、含P2O5量52%)、硝酸钾(含K2O量46%、含N量14%)。供试枸杞品种为“宁杞1号”(5年生)。

1.3 采样及测定项目与方法

2018年9月5号(该月首次灌水前一天)采集0～200 cm土壤剖面样品，各试验小区按照“S”形5点采样，剔除杂物后混合制样，过2 mm筛后，于4 ℃冰箱内保存，进行土壤水分、硝铵态氮、水溶性有机碳的测定；部分样品风干后分别过1 mm和0.15 mm，进行土壤有机碳和易氧化有机碳的测定。土壤有机质、全氮、全磷、全钾分别采用重铬酸钾稀释热法、凯氏定氮法、HClO4-H2SO4法、NaOH熔融-火焰光度法测定；土壤速效磷、速效钾分别采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法、1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度计法[8]测定；土壤水分采用烘干法测定；土壤水溶性有机碳采用水浸提法(水土比2﹕1)测定，土壤易氧化有机碳采用0.02 M高锰酸钾氧化法测定；pH采用水土比为2.5︰1的电位法测定[17]。选取漫灌处理土壤作为参照土壤，滴灌处理土壤为样品土壤，计算土壤碳库管理指数(CPMI)。

碳库管理指数计算如下[18,19]：

碳库指数(CPI)= 样品全碳含量(g/kg)/对照土壤全碳含量(g/kg)

(1)

碳库活度(A)= 活性炭含量(g/kg)/非活性炭含量(g/kg)

(2)

碳库活度指数(AI)= 样品碳库活度/原始土壤碳库活度

(3)

碳库管理指数(CPMI)= 碳库指数×碳库活度指数×100=CPIAI×100

(4)

1.4 数据分析及处理

试验数据采用Microsoft Excel、DPS(Data Processing System)7.05统计软件进行方差分析和多重比较(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对土壤水分含量的影响

通过对不同灌溉处理下9月份首个灌溉日前一天土壤水分含量进行分析(图1)，结果表明：滴灌与漫灌剖面水分含量整体呈现出逐渐降低的趋势。其中，20～60 cm土层水分含量最大；0～120 cm土层中，滴灌土壤水分含量显著高于漫灌，增加幅度达16.86%～38.52%，其中20～40 cm土层水分含量差别最大；而160～200 cm土层中，漫灌土壤水分含量显著高于滴灌。

图1 不同灌溉处理对土壤水分的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil water content 注：不同小写字母表示同一土层不同处理在0.05水平差异显著(LSD)，下同。

2.2 不同灌溉方式对土壤剖面有机碳含量的影响

通过对不同灌溉处理下土壤有机碳含量分析研究，结果表明：滴灌与漫灌剖面有机碳含量整体呈现出逐渐降低的趋势，分别由3.84 g/kg降至0.61 g/kg和4.08 g/kg降至0.56 g/kg。其中，滴灌0～200 cm土壤中平均有机碳含量为1.70 g/kg，而漫灌为1.61 g/kg。除0～10 cm土层滴灌处理土壤有机碳含量(3.84 g/kg)低于漫灌(4.08 g/kg)外，其他(20～200 cm)各层次均高于漫灌处理，增加幅度为1.52%～23.91%，其中40 cm土层呈现出显著增加(23.91%)，如图2所示。

图2 不同灌溉处理对土壤有机碳的影响Fig.2 Effect of different treatments on soil organic carbon

2.3 不同灌溉方式对土壤有机碳组分特征的影响

通过对不同灌溉处理下土壤有机碳组分特征的分析(表2，图3和图4)，结果表明：与漫灌处理相比，滴灌处理对土壤易氧化态有机碳和水溶性有机碳均有显著影响，且滴灌与漫灌剖面活性有机碳含量整体呈现出逐渐降低的趋势，且表层20～60 cm土层降低幅度最大，层化比系数也达到最大；但无论滴灌还是漫灌处理，40～60 cm土层易氧化态活性有机碳含量均明显降低，层化比系数分别降低至89.51%和94.17%，从层次分布上出现“断层”现象。与漫灌处理相比，滴灌处理显著增加了0～10和10～20 cm表层土壤易氧化态有机碳含量，分别增加了12.99%和18.67%，同时120～140 cm深层土壤也显著增加，增加幅度达38.17%。土壤剖面水溶性有机碳含量变化趋势与易氧化态有机碳类似，总体看来，滴灌处理增加了土壤水溶性有机碳含量，其中0～10 cm土层显著增加。

表2 不同灌溉处理下土壤易氧化态有机碳含量Tab.2 Effect of different irrigation treatment on POXC

图3 不同灌溉处理对易氧化态有机碳的影响Fig.3 Effect of different treatments on POXC

图4 不同灌溉处理对土壤水溶性有机碳的影响Fig.4 Effect of different treatments on DOC

2.4 不同灌溉方式对土壤碳库管理指数的影响

通过对土壤碳库管理指数进一步分析发现，滴灌处理土壤碳库管理指数(CPMI)均高于漫灌处理。以漫灌处理作为参照土壤(CPMI=100)，滴灌处理0～200 cm土层土壤碳库管理指数总体平均值为117.10。其中，滴灌处理0～100 cm土层土壤碳库管理指数处于105.60～119.65之间，变幅平缓，100～180 cm土层处于122.98～141.55之间，变幅较大(见表3)。

2.5 不同灌溉方式下枸杞产量

通过对不同灌溉处理下枸杞果实产量及枸杞果实特性分析，结果显示：一个生长季内，滴灌和漫灌处理灌水量分别为306.7和644.3 m3/hm2。与漫灌相比，滴灌处理总产量仅高于漫灌1.4%，但水生产率却大幅提高，提高了112.12%。分析果实特性发现，两种处理枸杞果实单果重、果实横纵径无明显差异，但滴灌处理纵径2 cm以上等级率比漫灌高9.22%(见表4)。

表3 不同灌溉处理下土壤碳库管理指数Tab.3 Effect of different irrigation treatment on CPMI

表4 不同灌溉处理对枸杞生长的影响Tab.4 Effect of different irrigation treatment on Goji berry growth

3 讨 论

(1)灌溉方式对土壤有机碳库的影响。土壤有机质在土壤-植物体系物质循环和利用方面有着无可替代的作用，成为人们评价土壤质量和生产力高低的关键因子。土壤有机碳的数量和质量水平也直接反应土壤有机质的状况。前人研究表明水分条件是土壤中有机碳分解转化的决定性因子之一，而对于西北干旱地区而言，土壤水分的主要来源即农田灌溉管理措施[20,21]。本试验在其他条件相同的情况下,设置滴灌和漫灌两种灌溉定额与灌溉周期均不相同的管理模式进行比较，经过一个生长季的灌溉实施，滴灌和漫灌两种灌溉模式下灌水量分别为306.7和644.3 m3/hm2。滴灌比漫灌处理相比，土壤中的水分含量呈现出上层高下层低的趋势，主要是由于滴灌属于高频率灌溉，灌溉水向下渗漏的量相对较少，使得枸杞根系主要生长区域0～100 cm范围内，土壤水分相对处于一个稳定供应的状态。而水分的显著性差异，使得土壤有机碳和根系生长分泌的有机物质在土壤中的分解转化条件差别较大。研究发现经过长期不同灌溉农田管理操作后，土壤中有机碳，特别是活性较强、易发生转化的有机碳组分易氧化态活性有机碳和水溶性有机碳在滴灌模式下呈现出尤为显著的提升作用，特别是尤其0～10和10～20 cm表层和120～140 cm深层土壤均有显著增加。这主要是由于表层区域由于植物根系生长、外源有机肥的施入使得土壤有机物质丰富，但在漫灌条件下每次灌水后土壤水分过多，促进了有机质短期内分解转化，尤其是活性有机碳，且有部分水溶性有机碳随着过多的水分淋洗而损失。同时，试验研究表明，滴灌和漫灌处理40～60 cm土层易氧化态活性有机碳均明显降低，层化比系数分别降低至89.51%和94.17%，从层次分布上出现“断层”现象。可能由于该土层中是枸杞根系集中分布区域，土壤微生物活动也比较活跃，土壤活性有机碳更易被分解转化，而60 cm以下，尤其是滴灌条件下，枸杞根系变少、土壤温度降低、土壤水分含量降低，使得有机碳分解转化速率明显降低所致。可见，合理的灌溉措施，对增加旱区土壤碳库储量具有重要意义。通过合理优化土壤水分管理，不仅有利于节约资源，提高利用效率，降低生产成本，同时也是养地用地重要过程。

(2)灌溉方式对枸杞产量的影响。由于枸杞种植集中在西北干旱地区，灌溉管理是其生长发育过程必要的生产管理措施，合理的灌溉模式对于枸杞产量和品质提升十分重要[22]。本研究采用滴灌和漫灌两种灌溉模式，进行枸杞栽培管理，结果显示两种模式下，枸杞总产量差别不明显，但由于灌溉定额降低了52.40%，滴灌水生产率比漫灌高112.12%，且果实等级率有所提高。因此，采用科学合理的灌溉模式，可以提高水热资源、养分资源的利用效率，而且有利于提升果品品质。

4 结 语

在宁夏有限的水资源条件下，通过滴灌能有效调控土壤碳库变化趋势，即使在短期内，总有机碳数量变化不明显，但通过水分调控土壤有机物质的腐解和补给使得活性有机碳含量提高，土壤有机碳质量明显提升，有利于培肥枸杞果园土壤，实现长期可持续生产。

针对研究区域枸杞生产管理现状，通过滴灌模式，生育期内灌溉用水量减少一半，能够满足生长需求，枸杞产量保持稳定，果品品质得到提升，是实现区域水热资源高效利用，农业高效高产的水分管理模式。