赣北植棉区棉花不同播期土壤氮素空间分布特征分析*

刘帅，胡启星，孙巨龙，白志刚，崔爱花

(江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

土壤是作物生长发育的基础，土壤养分是土壤质量的关键因素[1]，氮素是作物从土壤中获取量最多的元素之一，也是作物生长发育所必需的元素之一[2]。对于土壤氮素的研究，国内外学者从多角度进行了分析[3-4]。土壤空间是不同区域高度相关的连续变异体，具有较高的空间异质性[5]，这就导致即使在相同土壤类型下，不同空间位置土壤氮素也具有明显差异[6]。不同播期棉株冠层发育进程差异较大，由此导致的冠层光合有效辐射截获率亦差异较大[7]，进而导致棉株对于养分的吸收不尽相同。

土壤氮素是影响棉花生长发育以及产量形成的重要因素，探索棉花不同播期对土壤氮素空间分布的影响，全面精确地了解土壤氮素的空间分布特征，是实现土壤氮素高效利用的前提，为指导赣北植棉区棉花实现高产提供重要依据。

1材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年在江西省棉花研究所试验基地(江西省九江市，29°42′N，115°51′E)进行，试验材料为中棉425(CCRI 425)，由中国农业科学院棉花研究所提供。试验采用随机区组设计，设置3个播期处理，分别为M1(5月10日)、M2(5月20日)、M3(5月30日)，3次重复，采用直播方式，等行距种植，播种密度为8.25万株/hm2，行距为76 cm，小区面积为54.72 m2。

该地块土壤类型为壤质灰潮土，播种前耕作表层有机质含量为1.43 g/kg，全氮为1.05 g/kg，速效磷为65 mg/kg，速效钾为248 mg/kg。播前施用复合肥450 kg/hm2，并于开花期追施复合肥(氮、磷、钾有效养分含量分别为25%、10%和16%)600 kg/hm2，施肥方式为棉行间沟施。试验地耕作制度为多年棉花连作，冬季空闲。田间施肥、打顶、化控等管理措施与当地大田生产相同。

1.2 取样与测定方法

在棉花收获结束后进行田间土壤取样，取样日期为11月15～16日。取样方法为空间网格法：即以棉行位置为横向距离0 cm点，向垂直棉行的左右两边每间隔20 cm为横向距离各取两点，共计5点，取样点依次为横向距离-40 cm、-20 cm、0 cm、20 cm、40 cm；在每个点处垂直地面向下每间隔20 cm取一点，即0 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm处取样(图1)，每个小区样品共计25份。取回土壤在室内自然条件下风干，磨碎，过100目筛(0.15 mm)，测定土壤全氮含量。

图1 棉田土壤网格取样法

土壤全氮含量测定方法为凯氏定氮法[8]。

1.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010进行统计分析，空间统计采用Surfer 12进行分析，采用单因素方差分析和Duncan`s检验进行差异显著性检验。

2结果与分析

2.1 播期对棉田空间位点氮素的影响

空间异质性是客观存在的，为分析不同播期下网格取样法下空间相关性，采用环境科学空间统计软件(GS+)对3个播期的土壤氮素含量进行半方差函数模型拟合。M1、M2和M3播期的块金值与基台值的比值分别为0.0597、0.0020和0.0004，而一般认为块基比<0.25时，空间变量为强烈的空间自相关[9]，可以看出在该取样尺度下3个播期均存在强烈的空间自相关性。

由图2可知，土壤氮素水平随土壤深度的增加逐渐减小，在横向距离0 cm的土壤表层处，各处理氮素含量分别为1.03、1.02、1.00 g/kg；土壤氮素在表层0～20 cm处含量较高，M1、M2、M3在该位置氮素含量分别为0.74～1.06 g/kg、0.85～1.12 g/kg、0.83～1.03 g/kg；在土壤深度20～60 cm处，各处理氮素含量分别为0.64～0.83 g/kg、0.60～1.03 g/kg、0.70～0.96 g/kg；在土壤深度60～80 cm处，各处理氮素含量分别为0.59～0.71 g/kg、0.54～0.67 g/kg、0.60～0.76 g/kg；总的来说，棉田土壤氮素随播期推迟而增加，即M1播期

图2 三个播期的棉田土壤氮素空间分布

2.2 播期对棉田空间剖面线氮素的影响

为观察棉田土壤空间剖面线氮素变化情况，在横向距离40 cm处(约为棉行中间位置)和横向距离0 cm处(棉行位置)观察氮素水平变化。

在横向40 cm处，M1处理在纵向距离0～20 cm内土壤氮素水平逐渐降低到0.78 g/kg以下，在20～80 cm处土壤氮素保持在0.6 g/kg与0.78 g/kg之间，M2处理在纵向距离0～40 cm内土壤氮素降低速率较小，该位置氮素含量为0.9～1.12 g/kg，在纵向距离40～60 cm内降低速率较大，氮素含量为0.65～0.9 g/kg，M3处理土壤氮素含量随土壤深度的增加呈均匀的降低趋势(图3)。

图3 横向距离40 cm处土壤氮素含量纵向变化

在横向距离0 cm处，M1处理在0～20 cm处氮素含量下降速率较大，在20～80 cm处氮素含量降低速率较小，M2处理在纵向距离60 cm处氮素含量较低，为0.60 g/kg，之后随纵向距离的增加略有升高，M3处理在纵向距离0～80 cm内氮素含量降低速率较为一致(图4)。

图4 横向距离0 cm处土壤氮素含量纵向变化

由图5可以看出，在棉行位置(横向距离0 cm)，M1处理在横向距离-40～40 cm内变化不大，M2、M3处理氮素含量低于棉行中间位置(横向距离40 cm)；在纵向距离40 cm处，M1、M3处理在横向距离0 cm处氮素含量低于-40 cm和40 cm处，M2处理在横向距离0 cm处低于40 cm处。随着纵向距离的增加，各空间剖面线氮素含量有所降低，且随着播期的推迟，在横向距离0 cm处氮素含量有降低的趋势。

图5 纵向距离20 cm处土壤氮素含量横向变化

图6 纵向距离40 cm处土壤氮素含量横向变化

2.3 播期对棉田空间区域氮素的影响

将横向-13～13 cm处看做棉行区域，将-40～-13 cm、13～40 cm处看做行间区域，将纵向0～26 cm处看做棉田土壤上部区域，将26～53 cm处看做中部区域，将53～80 cm处看做下部区域，以不同空间区域分析氮素含量差异

由表1可知，随播期的推迟，棉行位置氮素含量逐渐升高，且M1处理显著低于M3；在行间位置，氮素含量亦随播期的推迟呈升高趋势，M1处理显著低于M2、M3处理；在同一播期下，棉行处氮素含量与行间处差别不大。同一播期下，氮素含量在上部区域最高，中部次之，下部最低；在上部、中部、下部空间区域，M1处理均低于M3处理。

表1 棉田不同空间区域(g/kg)

3讨论与结论

以往的研究表明，在连作棉田中，土壤养分的空间分布与棉花根系分布存在一定的相关性，根系生长处由于长期存在根系残留物，导致根系所在位置养分含量较高[10]。本研究中棉行位置氮素含量与行间位置差别不大，这可能是由于赣北植棉区田间施肥方式和降雨量大引起的。李腾，等[11]在对土壤速效磷的研究中发现随着土壤深度的增加，土壤速效磷呈现出逐渐递减的趋势，且在0～40 cm土层较为明显。赣北植棉区5月10日播期处理土壤氮素含量在0～20 cm土层下降速率较大；5月20日播期处理在0～40 cm土层下降速率较大；5月30日播期处理在0～80 cm土层均保持较大的下降速率。

随着播期的推迟，有效生育期缩短，从而影响棉株生物量和养分累积[12]，间接影响土壤氮素含量。杨长琴，等[13]的研究表明，随着播期的推迟，棉株生物量降低，同时植株和生殖器官的养分积累量也有所降低。本研究发现晚播(5月30日)棉田土壤的养分含量较早播(5月10日)高，这与棉株发育情况有直接关系。

综上所述，赣北植棉区土壤氮素含量随土层深度的增加呈逐渐降低的趋势，与播期的推迟大致呈负相关关系，但不同空间区域略有不同；采用空间网格法对棉田土壤进行氮素空间分布分析，有助于精确了解赣北植棉区长期连作棉田土壤质量情况，为棉田施肥、土壤改良等提供依据。