新疆典型滴灌棉田土壤养分的时空变异特征

王安意 刘耘华 盛建东

摘    要：通過对田间不同种植年限土壤剖面养分的监测，探明长期滴灌棉田土壤养分的时空变异特征。以种植年限分别为10，14，16年的滴灌棉田土壤养分为研究对象，利用网格布点法，分层采集0～100 cm土壤样品，测定土壤有机碳、全氮、速效氮磷钾等指标，分析其时空变化特征。结果表明：（1）研究区土壤养分均呈现出中等强度的变异，其中，速效钾随种植年限增加含量逐渐减少，而有效磷和全氮随种植年限增加含量逐渐增加，有机碳和碱解氮未呈现出明显规律。（2）全氮、有机碳、碱解氮含量均呈现出从表层到底层逐渐降低的趋势，在0～40 cm土层有效磷显著积累，而速效钾在表层显著降低。通过研究长期滴灌棉田不同土壤养分在时间和空间上出现的变化规律，可以为新疆棉田土壤培肥和养分资源科学管理提供一定的科学依据。

关键词：滴灌棉田;速效养分;碳氮;时空变异

中图分类号：S156.4         文献标识码：A           DOI 编码：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

土壤养分是土壤肥力最重要的肥力因子之一。在农田生态系统中，土壤养分的演变受到自然因素和人为因素的双重影响[1-2]。新疆棉花产量占到全国的87.4%，单产稳居全国领先地位[3]，这与近二十多年膜下滴灌技术在棉花生产中广泛应用具有密切的关系[4]。因此，掌握长期滴灌条件下棉田土壤养分的变化特征，对新疆农田土壤培肥、科学施肥以及绿洲农业可持续发展具有重要意义[5-7]。

肥料长期定位实验可以为研究不同种植年限对土壤肥力及作物产量等方面的影响提供可靠的数据，在国内外均受到广泛的重视[8-9]。世界上最早的英国洛桑长期定位试验站建立于1843年，在对肥料施用、作物产量、生物多樣性等方面取得重要成果，对推动农业生产发挥了重要作用[10-11]。新疆阜康荒漠生态站于1987年正式建立[12]，赖冬梅等[13]在此对连续种植17年的棉田进行研究，认为0～30 cm土层土壤的有机碳、全氮含量随土层深度的增加显著降低;荣井荣等[14]研究认为剖面深度以及施肥年限对土壤中有机碳和无机碳的含量变化均有显著的影响。新疆的灰漠土肥力与肥效监测站建成于1989年，刘骅等[15]在此得出了当前灰漠土农田在常规施肥方式下钾素的亏缺正在增加，应当对农田土壤补充更多的钾肥以及配合施用有机肥或秸秆;王西合等[16]得出灰漠土耕层土壤有机碳含量与施肥年限间存在显著相关性。

因此，本研究在新疆库尔勒市包头湖农场，对三块不同滴灌种植年限的地块进行网格布点采样，分层采集土壤剖面（0～100 cm）样品，比较分析滴灌年限对棉田土壤养分垂直变化特征的影响，研究结果可为制定土壤培肥措施和合理施肥提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

本研究位于新疆库尔勒市包头湖农场，该农场地处天山南麓孔雀河中游，塔里木盆地东北缘（41°67′N， 85°86′E），平均海拔为890～950 m，年均气温在10.5℃～11.5℃，年平均降水量为51.5 mm，蒸发量为2 714.7 mm，无霜期为288 d，该区域属大陆性干旱气候，土壤类型为灌耕盐化潮土。该地区日照时间长、昼夜温差大，适宜棉花、香梨等作物的生长[17]。1.2 样点布置与样品采集

本试验以包头湖农场一块143.52 hm2的棉田作为研究区，根据滴灌种植年限（10，14，16年），将研究区划分为3个区域，研究区内田间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的间距布设采样点，利用GPS定位，在三个区域内分别布置5，15，17个样点，样品采集深度为100 cm，以20 cm为一个层次，分为5个土层，共采集样品185个。

1.3 土壤养分指标测定

将采集的土壤样品自然风干后，除去其中砾石和植物残体，研磨过筛后进行土壤养分测定。土壤碱解氮、有效磷、速效钾的测定分别采用碱解扩散法、钼锑抗比色法和 NH4OAC浸提法测定[19];全碳、全氮利用元素分析仪（Euro EA 3000型）测定，无机碳利用碳酸测定仪测定，有机碳含量通过全碳含量与无机碳含量差值获得。

1.4 数据分析

数据整理分析采用 Microsoft Excel 2007，利用SPSS 25.0 软件进行不同种植年限和土层之间土壤属性的方差分析和多重比较，用Origin 2018绘制土壤养分变化的柱状图[20]。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤养分统计特征

对整个研究区各土壤养分指标进行常规统计分析（表1）表明：有机碳、全氮、碱解氮以及有效磷的含量均随土层的加深而减少，不同的养分指标在剖面上变化不同。其中，土壤有机碳在0～20 cm土层显著高于20～100 cm;全氮含量在0～20 cm土层显著高于60～100 cm土层;在剖面0～20，20～40，40～100 cm等3个土层之间的碱解氮含量差异显著;有效磷的含量在0～40 cm土层有明显下降趋势，在40 cm土层以下含量趋于稳定，其中表层（0～20 cm）有效磷含量显著高于其余土层;而速效钾含量随土层的加深其含量逐渐增加，即40～100 cm土层的速效钾含量显著高于0～40 cm。

另外，根据反映离散程度的变异系数大小，可以将土壤养分的变异程度进行分级。其中变异系数小于10%为弱变异，变异系数在10%～100%属于中等程度变异，变异系数大于100%为强变异[21]。本研究区内土壤各养分指标的变异系数在28%～65%范围内，均属于中等强度的变异。其中，土壤有机碳、全氮、碱解氮和有效磷的变异系数自表层向下增加，而速效钾变化不明显。

2.2 不同种植年限棉田土壤剖面养分变异特征

通过对种植年限和土层厚度与土壤养分进行双因素方差分析可知（表2），不同种植年限对土壤全氮、有效磷、速效钾的含量均有极显著的影响作用（P<0.01）;不同的土层深度对全氮、有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾均有极显著的影响作用（P<0.01），种植年限和土层深度对有机碳还有显著的交互作用（P<0.05）。

土壤有机碳含量随着土层加深其变化总体呈下降趋势（图1），其中，在种植10年区域，20～40 cm土层的含量显著高于其它土层;在种植14年区域，0～40 cm和60～80 cm土层有机碳含量显著高于其它土层;在种植16年区域，有机碳随土层深度下降而逐渐减少，并且0～40 cm土层显著高于40～100 cm;除了在60～80 cm土层有机碳含量在不同种植年限下无显著差异。

土壤全氮含量均随土层的加深而减少（图1）。其中，种植10年，0～20 cm土层的含量显著高于60～100 cm土层;种植14年，0～20 cm土层的全氮含量显著高于20～100 cm土层，而20～100 cm土层之间全氮含量无显著差异;种植16年，全氮含量在0～20 cm土层显著高于60～100 cm土层。在同一土层，土壤全氮大都表现出随着种植年限增加而增加。

土壤剖面速效养分变化特征如下（图2）：碱解氮的含量随土层的加深而减少，且0～20 cm，20～40 cm与40～100 cm土层之间的含量差异显著;种植10年区域内的碱解氮含量在0～40 cm土层显著高于60～100 cm。在0～60 cm土层，种植10年区域内的碱解氮含量显著高于种植14，16年。

在3个种植年限，土壤有效磷含量均随土层厚度增加快速减少，并且在剖面40 cm处含量发生骤减至5 mg·kg-1，在40～100 cm土层降低至5 mg·kg-1及以下。随种植年限的增加，土壤有效磷含量升高，在表层土壤（0～20 cm），3个种植年限之间含量差异显著（P<0.05）;在40～100 cm土层，种植14，16年区域内的有效磷含量显著高于种植10年。

速效钾含量在不同种植年限区域均随土层加深而逐渐增加;种植10年区域的速效钾含量在各土层之间差异未达到显著水平。种植14，16年区域内的速效钾含量在0～40 cm土层显著低于60～100 cm;在0～60 cm土层，种植10年区域内的速效钾含量显著高于种植14，16年。

3 结论与讨论

在该研究区内，不同的土层深度对土壤中有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾均有极显著的影响（P<0.01）。其中，全氮、碱解氮和有效磷的含量均随土层深度的增加而降低，速效钾的含量随土层深度的增加而升高。因为新疆地处干旱荒漠区，盐碱荒地受水资源等条件的限制，生物积累量少，导致全氮随着土层的加深，含量逐渐减少[22]。新疆棉田大量施用氮磷肥，导致氮素和磷素在耕作层发生累积，含量高于底层，且因磷素在土壤中移动性较差，很难移动到40 cm以下的土层，所以其含量在剖面40 cm处发生骤减，0～40 cm土层有效磷的含量显著高于40 ～100 cm土层。因新疆地区钾肥施用量不足，棉田钾肥施用量一般为150 kg·hm-2，而棉花吸收鉀素的量为250～300 kg·hm-2。因此，导致土壤表层速效钾出现耗竭，含量低于底层土壤[23]。另外有机碳、全氮、碱解氮和有效磷的变异系数均呈现出随土层加深而增加的趋势，这可能与统一的灌溉施肥耕作措施有关，尤其滴灌有利于提高灌溉和施肥的均匀度，促进表层土壤养分的均一化。

种植年限的变化对土壤中全氮、有效磷和速效钾的含量均有极显著的影响（P<0.01），不同土层的全氮含量均随种植年限增加而升高，且种植16年显著高于种植10年，这主要是因为土地开垦后施肥等措施会增加土壤中氮素的含量，且作物的残体和凋落物落入土壤中也会增加氮素的积累[24]。因为在长期施肥条件下，土壤中磷素增加并出现盈余状态，所以有效磷在0～20 cm土层的含量随种植年限的增加而显著升高[25]。速效钾的含量随种植年限增加而减少主要是因为钾肥施用不足，随着种植年限的增长，钾素发生耗竭。

为了掌握长期滴灌棉田土壤养分的时空变异特性，对包头湖农场研究区内各采样点进行分析得出，不同土层深度对土壤中有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾均有极显著的影响作用（P<0.01），随土层深度的增加，全氮、有机碳和碱解氮含量下降;有效磷含量出现骤减;速效钾含量逐渐增加。不同种植年限区域内的土壤养分指标变化趋势与研究区整体保持一致。随着种植年限的增加有效磷和全氮含量逐渐增加;土壤速效钾含量逐渐减少;有机碳和碱解氮未呈现出明显变化。

根据滴灌棉田土壤养分的变化特征，建议在棉花生产中注重增施有机肥或加强秸秆还田，实时动态调控施肥，监控土壤有效磷提高到20～25 mg·kg-1后[26]施磷量与棉花携出量平衡，适度补充钾肥，为棉花高产高效提供适宜土壤肥力和科学施肥原则。

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收稿日期：2021-07-23

基金项目：新疆维吾尔自治区天山雪松计划（2019XS05）

作者简介：王安意（1995—），女，内蒙古赤峰人，在读硕士生，主要从事土壤资源利用方面研究。

通讯作者简介：盛建东（1970—），男，山东泰安人，教授，博士生导师，主要从事土壤资源利用与改良、养分资源高效利用方面研究。