不同覆膜连作年限对玛纳斯县棉田土壤质量的影响

苟燕如，杨京京，柴 强，汤庆峰，严 涵，胡 洋，邓朋飞，孙 霞,5，贾宏涛,5

(1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.石河子农业科学研究院，新疆 石河子 532000；3.新疆玛纳斯县兰州湾镇人民政府，新疆 玛纳斯 832200；4.北京市科学技术研究院分析测试研究所(北京市理化分析测试中心)，北京 100089；5.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

地膜覆盖技术因其增温、保墒、抑制杂草、促进植物成熟等显著优点，已成为确保棉花高产稳产的重要技术手段之一[1]。早在上世纪80年代，新疆就开始在棉花作物上推行地膜覆盖技术，并取得了巨大成效。截至2019年，新疆当年农田地膜覆盖面积约为354.80万hm2，而棉田覆膜总面积约为254.05万hm2，约占新疆当年农田地膜总覆盖面积的71.60%；而新疆当年农田地膜总使用量为约24.27万t，已成为我国地膜覆盖面积最大、使用量最多的省区，是农用地膜的重点市场。

地膜的大量使用导致其残留严重，目前新疆地区单位土地面积平均地膜残留量高达16.88 kg，已经成为我国最大的地膜污染区。由于使用的地膜为普通塑料地膜，在自然条件下无法降解，并且尚未采取有效的回收措施，使得农田中地膜残留量随着覆膜年限的积累逐年增加，对土壤生态环境造成严重威胁[2]，导致土壤结构破坏[3]、阻碍土壤水分[4]、释放有害物质[5]、抑制土壤微生物的活动[6]、降低土壤酶活性和微生物多样性[7-8]，从而降低了土壤肥力[9]，甚至产生连作障碍。如果没有采取合理的地膜回收措施，将会影响到棉花品质与产量[10]。

近年来,土壤酶活性成为了土壤质量评价重要的指标之一，在土壤物质循环与能量转化过程中起着至关重要的作用,已受到广泛关注[11]。随着土壤中地膜残留量的增加，土壤团聚体水稳定性、土壤养分含量、土壤微生物量均表现出下降趋势[12]；残膜长期留在土壤中会降低土壤有机质、全氮、铵态氮、以及速效磷含量,低浓度残膜会提高土壤微生物活性和丰度,高浓度残膜则会显著降低土壤微生物量、微生物群落丰度和土壤酶活性[9]。残膜会阻隔土壤空气的流通，使CO2含量上升，导致微生物和土壤动物数量减少，破坏土壤生态系统的良性循环[13]。土壤长期覆膜连作导致棉花质量下降、产量降低，严重制约着新疆棉花产业的可持续发展。因此，研究不同覆膜连作年限棉田土壤理化性质、土壤酶活性、微生物量碳、氮的变化，进而对土壤质量进行综合评价，有效地指导该区棉花生产，对促进棉田产业具有重要意义。目前许多学者针对土壤酶活性已展开大量研究工作，但对新疆棉区土壤酶活性的变化和土壤质量综合评价研究仍鲜有报道。本研究以玛纳斯县长期覆膜连作棉田土壤为研究对象,通过分析不同覆膜连作年限棉田土壤理化性质、土壤酶活性、微生物量碳、氮含量变化特征，对该地区不同覆膜连作年限棉田的土壤质量进行综合评价，以期为该地区棉田土壤环境质量评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆昌吉州玛纳斯县位于天山北麓、准噶尔盆地南部，地势自东南向西北倾斜，属温带大陆性干旱半干旱气候区(85°40′～86°31′E,43°21′～45°20′N)。冬季严寒、夏季酷热、干燥少雨、日照充足、蒸发量大、降水少，平原区海拔300～500 m，年均气温6.6℃，≥10℃积温3 489.7℃，年降水量110～200 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，无霜期148～187 d，玛纳斯县是新疆优质棉花种植基地之一，主要土壤类型有灌淤土、潮土、灰漠土、风沙土、盐土，主要经济作物为棉花。

1.2 样品采集

2021年4月在玛纳斯县的兰州湾(86.12°E，44.50°N)、北五岔镇(86.31°E，44.52°N)、六户地镇(86.13°E，44.65°N)、乐土驿镇(86.45°E，44.17°N)和包家店镇(86.33°E，44.36°N)等5个乡镇采集土壤样品，采样前棉田无翻耕，选取地理位置和海拔相近、土壤质地相似的覆膜连作年限为0、5、10、20、30 a的棉田，同一覆膜连作年限棉田选取10块样地，共50个采样点，采用S形采样法收集0～10、10～20、20～30 cm土层土壤，清除可见杂物后，利用四分法提取土样约1 000 g。将一部分新鲜土样装入样品袋中带回实验室,用于测定土壤微生物量碳、氮,其余部分经过风干处理后,用于测定土壤理化性质、酶活性等指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性质 采用pH仪和电导仪测定土壤pH和电导率；采用烘干法测定土壤含水率；采用质量法测定土壤总盐；采用重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法测定土壤有机质;采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷；采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮。

1.3.2 土壤酶活性 采用酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性；采用磷酸苯二钠法测定土壤碱性磷酸酶活性；采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性；采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性。

1.3.3 土壤微生物量碳、氮 采用氯仿熏蒸浸提法测定土壤微生物量碳、氮,用容量法测定微生物量碳，用茚三酮比色法微生物量氮。

1.4 土壤质量综合评价

1.4.1 评价指标标准化 土壤质量评价指标是对土壤功能和最终评价结果具有显著影响、借鉴相关研究构建的土壤质量评价指标体系[14-16]。选取土壤含水率(X1)、pH(X2)、电导率(X3)、总盐(X4)、有机质(X5)、速效磷(X6)、速效钾(X7)、碱解氮(X8)、过氧化氢酶(X9)、蔗糖酶(X10)、脲酶(X11)、碱性磷酸酶(X12)、微生物量碳(X13)、微生物量氮(X14)作为不同覆膜连作年限棉田土壤质量评价的指标体系。由于测定的各评价指标之间具有不同的量纲，且数量级差别较大，因此对各指标进行无量纲处理之后进行因子分析[17]。

1.4.2 评价指标权重计算 通过主成分分析得到主成分载荷矩阵，公因子方差可反映各评价单项指标对整体方差的贡献程度，该值越大则对整体方差的贡献率越大；权重(式1)可反映各评价单项指标对土壤管治的影响程度和贡献率[18]。

(1)

式中，Wi为第i个评价指标的权重；Ci表示第i个评价指标的公因子方差；n表示评价指标总数。

1.4.3 土壤质量综合评分 土壤质量评分可反映出土壤质量的总体情况，采用式(2)进行计算。

SQAV=∑bizi

(2)

式中，SQAV为土壤质量评分；bi为个因子的方差贡献率；Zi为因子得分；i为主成分因子的个数。

1.5 数据分析

使用Excel 2010对数据进行统计，并采用SPSS 25.0对数据进行单因素方差分(ANOVA)和多重比较(LSD)进行显著性分析。采用Pearson检验土样理化性质和土壤酶活性、微生物量碳、氮间的相关性。采用Origin2021绘图。

2 结果与分析

2.1 覆膜连作年限对土壤理化性质的影响

由表1可以看出，不同覆膜连作年限土壤的理化性质存在显著差异(P<0.05)。随覆膜连作年限的增加，土壤含水率和有机质含量整体呈现增加趋势，土壤含水率在覆膜连作30 a 20～30 cm土层时最高(11.52%),在覆膜连作0 a 0～10 cm土层时最低(8.65%)；有机质含量在覆膜连作30 a 10～20 cm土层时最高(21.60 g·kg-1)，在覆膜连作0 a 20～30 cm土层时最低(9.95 g·kg-1)；pH值整体呈现先降低后升高趋势，在覆膜连作0 a 0～10 cm土层时最高(8.46)，比连作10 a时增加了11.02%；电导率和总盐呈现下降趋势，在覆膜连作0 a 20～30 cm土层时最高，分别为9.72 mS·cm-1和11.82 g·kg-1，在覆膜连作30 a 0～10 cm土层时最低，分别为0.50 mS·cm-1和0.69 g·kg-1；碱解氮随覆膜连作年限的增加整体呈现降低趋势，在覆膜连作0 a 10～20 cm土层含量最高(38.88 mg·kg-1)，比覆膜连作30 a提高了33.47%；速效磷呈现先升高后降低趋势，在覆膜连作10 a 0～10 cm土层时最高(49.60 mg·kg-1)，显著高于其他覆膜连作年限；速效钾呈现波动性下降趋势，在覆膜连作30 a 20～30 cm土层时含量最低，显著低于覆膜连作0 a。

在同一覆膜年限下，随土层深度的增加，土壤含水率、电导率及总盐总体呈现上升趋势，而土壤pH值、有机质、速效磷、速效钾、碱解氮含量总体呈下降趋势，且不同土层之间存在显著性差异(P<0.05)。

2.2 覆膜连作年限对土壤酶活性的影响

由图1可知，随覆膜连作年限的增加，土壤过氧化氢酶活性无显著变化，且在不同年限中趋于稳定，变化范围为1.80～2.20 mL·g-1；土壤蔗糖酶活性在覆膜连作0 a 0～10 cm土层时活性最低(3.44 mg·g-1·d-1)，仅为覆膜连作10 a 20～30 cm土层的67.46%。土壤脲酶和碱性磷酸酶活性随覆膜连作年限的增加呈先升高后降低趋势，在覆膜连作0 a 20～30 cm土层时活性最低,分别为0.20 mg·g-1·d-1和0.16 mg·g-1·d-1，显著低于覆膜连作30 a，分别降低了76.74%和65.21%;在覆膜连作10 a 0～10 cm土层时活性最高,分别为0.86 mg·g-1·d-1和0.46 mg·g-1·d-1。

同一覆膜连作年限下，随土层深度的增加，过氧化氢酶活性变化趋势不显著，土壤蔗糖酶在10～20 cm土层时活性显著高于其他土层，土壤脲酶、碱性磷酸酶活性整体呈现下降趋势，在20～30 cm土层时活性最低。

2.3 覆膜连作年限对土壤微生物量碳、氮的影响

不同覆膜连作年限棉田土壤微生物量碳、氮含量变化如图2所示。随覆膜连作年限的增加，0～10 cm土层土壤微生物量碳含量呈现先增加后减少趋势，且在覆膜连作20 a和0 a时含量分别为最高(205.26 mg·kg-1)和最低(122.94 mg·kg-1)，与覆膜连作10 a的土壤微生物量碳差异不显著,土壤微生物量氮随覆膜连作年限的增加逐渐降低，在覆膜连作5 a时含量最高;10～20 cm土层土壤微生物量碳在覆膜连作10 a时含量最高(193.03 mg·kg-1)，高于覆膜连作0 a，土壤微生物量氮在各覆膜连作年限之间差异不显著，其含量为16.13～12.90 mg·kg-1;20～30 cm土层土壤微生物量碳在覆膜连作20 a时最高(174.42 mg·kg-1)，在0 a时含量最低(93.99 mg·kg-1)，覆膜连作5 a处理下土壤微生物量氮含量比覆膜连作30 a处理提高了54.46%。

表1 不同覆膜连作下棉田土壤基础理化性质变化特征Table 1 Characteristics of soil physical and chemical properties in cotton fields of different film mulching

图1 不同覆膜连作年限0～30 cm土层土壤酶活性的变化Fig.1 Changes of soil enzyme activity in 0～30 cm depth of different mulching years

注：图1和图2中小写字母表示相同年限不同土层间差异显著(P<0.05)。Note:Lower case letters in figures 1 and 2 indicate significant differences between soil layers of the same age (P<0.05).图2 不同覆膜连作年限0～30 cm土层土壤微生物量碳、氮含量Fig.2 Carbon and nitrogen content of soil microorganism in 0～30 cm depth of different years mulching

同一覆膜连作年限下，随土层深度的增加，土壤微生物量物量碳、氮含量整体呈现下降趋势，在20～30 cm土层时含量最低。

2.4 土壤理化性质和土壤酶活性、微生物量碳、氮的相关性分析

由表2可以看出，过氧化氢酶活性与有机质、速效磷和碱解氮均呈正相关，与速效磷呈极显著相关关系(P<0.01)，与土壤含水率呈显著相关关系(P<0.05)；蔗糖酶活性与电导率、总盐、速效钾和碱解氮均呈显著的负相关关系(P<0.05)，与速效磷呈显著正相关关系(P<0.05)；脲酶活性与pH、电导率、总盐和速效钾均呈极显著的负相关关系，与速效磷呈极显著正相关关系(P<0.01)；碱性磷酸酶与速效磷呈极显著正相关关系(P<0.01),与pH、电导率、总盐和速效钾呈显著负相关关系(P<0.05)。土壤微生物量碳与速效磷呈极显著正相关关系，与pH、电导率、总盐、速效钾呈极显著负相关关系(P<0.01)；微生物量氮与有机质呈极显著负相关关系(P<0.01)。综上所述，速效磷是影响土壤酶活性、微生物量碳、氮的主要因素。

表2 土壤理化性质和土壤酶活性、微生物量碳、氮的相关性分析Table 2 Analysis of soil physical and chemical properties and soil enzyme activity,microbial biomass,carbon and nitrogen correlation

2.5 覆膜连作年限下棉田土壤质量综合分析

在14个评价指标中，选取3个因子作为主要因子，累计贡献值达到87.420%，可以代表原来14个评价指标(表3)。由表4可知，与第1主成分相关性较高的指标有X9、X11、X13，即土壤过氧化氢酶、脲酶、微生物量碳；第2主成分与X1、X2、X8相关性较高，即土壤含水率、pH、碱解氮；第3主成分与X5、X14相关性较高，即有机质、土壤微生物量氮。

通过计算得出各处理的因子得分及综合得分情况(表5)，由各因子得分和方差贡献值加权得到土壤质量综合得分，不同覆膜连作年限下的土壤质量综合得分整体表现为10 a>5 a>20 a>30 a>0 a。

3 讨 论

3.1 覆膜连作年限对土壤理化性质的影响

棉花是新疆的主要经济作物，且棉花地膜覆盖率已达到100%，棉田覆膜占新疆地膜使用量的60%左右。长期覆膜连作会改变棉田土壤理化性质、导致养分严重失衡、毒害物质积累等土壤环境问题[19]。本研究发现在不同覆膜连作年限下，随覆膜连作年限的增加，土壤速效磷呈现先升高后降低趋势，电导率、总盐、速效钾、碱解氮总体逐渐减小，这与前人研究结果一致[20-21]，表明覆膜连作年限的增加会降低土壤养分积累，且覆膜年限越长残膜积累量越多，这说明地膜残留对土壤养分含量有显著差异。pH值整体呈现先降低后升高的趋势，残留地膜可能会使土壤盐分、pH值升高。随着土层深度的增加，土壤养分含量逐渐降低，刘瑜等[22]研究表明棉花连作表层土壤速效磷和速效钾含量均显著高于深层,这是由于棉田多年采用覆膜滴灌施肥而造成土壤养分表聚的结果，且表层残膜量高于深层，这说明地膜残留对表层土壤养分含量无显著影响。有机质含量随土层深度增加逐渐降低，这可能是由于枯枝落叶和棉花根系在表层分解，导致有机质在地表富集；同时，有机质含量逐年增加，这是由于长年秸秆还田所致。

表3 因子特征值及方差贡献率Table 3 Factor eigenvalue and variance contribution rate

表4 旋转后土壤生物性状因子载荷矩阵、公因子方差及权重Table 4 Soil biological trait factor load matrix,public factor variance and weights after rotation

表5 不同覆膜连作年限棉田土壤质量评价Table 5 Results of soil quality of different compound film years

3.2 覆膜连作年限对土壤生物性质的影响

土壤酶活性是指具有催化有机质及其他有机化合物分解和转化能力的指标,可有效反应土壤质量和健康状况[23]。本研究中，土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性总体呈现先增加后降低的趋势，土壤过氧化氢酶活性随不同覆膜连作年限并无显著变化，前人研究发现棉田连作对过氧化氢酶的影响不明显，与荒地相比，随覆膜连作年限的增加，土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均呈现出先增加后降低的趋势[24]。随覆膜连作年限的增加，土壤微生物量碳含量呈现先增加后减少的趋势，微生物量氮含量逐渐降低，该结果与郭新送等[25]研究相似，这是由于地膜在土壤中释放有毒有害物质，破坏土壤结构造，阻碍了土壤空气的循环和交换，致使土壤中CO2含量过高，从而降低土壤酶活性和微生物量。pH值、电导率、总盐和速效钾对土壤酶活性表现为负效应，有机质和速效磷对土壤活性表现为正效应，这与贡璐等[26]研究基本一致。土壤速效磷与过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶活性和微生物量碳呈现极显著相关，与蔗糖酶呈显著相关，而土壤速效磷是植物所需的营养元素之一，它的主要作用是促进作物体内营养物质的运输、转化和积累，提高农作物抗寒和抗病性，能直接供作物吸收利用，是土壤养分供应能力和肥力的重要指标之一[27]，能改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活动，是影响土壤酶活性、微生物量碳、氮的主要因素。

3.3 覆膜连作年限棉田土壤质量综合评价

土壤质量指标是表示从土壤生产潜力和环境管理的角度监测和评价土壤健康状况的性状、功能或条件[28]。土壤质量的高低受自然和人为条件因素影响,且因地区和土壤类型而异。土壤理化性质、酶活性、微生物量均随覆膜连作年限发生变化，进而影响土壤健康。基于因子分析法得出的不同覆膜连作年限棉田土壤质量评分最高的是覆膜连作10 a，其次是5 a，0 a和30 a相对较低，覆膜连作5 a和10 a的棉田地膜残留量较少，且覆膜可以提高土壤养分含量，有利于土壤养分积累，改善土壤环境，因此土壤质量状况较好；而覆膜连作0 a和30 a棉田土壤质量相对较低，说明覆膜连作时间过长或不种作物均不利于棉花生长，这是因为新疆土壤本身盐碱含量较高，土壤水分和土壤养分等含量较低，加之土地没有得到有效管理，降雨作用易导致土壤板结，不利于作物生长[29]，而覆膜连作30 a的土壤质量较低，这是由于土壤中地膜残留逐年积累，甚至对重金属离子和有机污染均产生吸附作用，导致土壤环境恶化，危害土壤健康[30]。周斌等[31]研究表明13 a耕作农田土壤质量提高效果明显，且棉田土壤质量状况最佳。贡璐等[32]发现棉田的土壤质量随覆膜连作年限呈先上升后下降的趋势,连作8、12 a棉田土壤质量相对较高,连作20、30 a土壤质量有退化趋势，说明在5～15 a之间土壤质量较高，在20～30 a之间土壤质量较差，这与本文研究结果一致。

4 结 论

1)随覆膜连作年限的增加，有机质含量逐渐增加，土壤速效磷呈现先升高后降低趋势，pH、电导率、总盐、速效钾、碱解氮呈现降低趋势；土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性随着覆膜连作年限的增加呈现先升高后降低的趋势，土壤过氧化氢酶含量并无显著变化；微生物量碳呈现先增加后减少趋势，微生物量氮含量逐年降低；随着土层深度的增加，土壤养分、土壤酶活性、微生物量碳、氮含量逐渐降低。

2)土壤理化性质与土壤酶活性、微生物量碳、氮之间存在一定相关性，速效磷与过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶活性和微生物量碳呈现极显著相关，与蔗糖酶活性呈显著相关，表明土壤速效磷是影响土壤酶活性和微生物量碳、氮的主要因素。

3)土壤质量综合得分表现为覆膜连作年限10 a>5 a>20 a>30 a>0 a，覆膜连作10 a是土壤养分最佳的年限，有利于提高土壤质量和增加棉花产量。