新疆阿拉尔植棉区土壤养分丰缺状况评价

焦润兴,卜东升,张涛,邵延慧,陈玲,水涌

(新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所,新疆 阿拉尔 843300)

棉花作为重要的农产品和经济作物,是新疆主要的支柱产业之一,2020年新疆植棉面积为2 501.9 khm2,达到了全国的78.9%,棉花产量为5 161 kt,占全国总产量的87.3%[1]。阿拉尔市作为我国重要的优质棉生产基地之一,植棉土壤的养分含量是棉花生长发育的基础,直接影响棉花的产量和品质。通过测定土壤养分,为棉田土壤培肥、科学施肥提供理论依据[2-3]。近年来,随着农业生产方式和传统种植结构的变化,使得阿拉尔植棉区的土壤养分状况出现了明显变化。因此,为保证棉花健康生长,必须了解当前植棉区土壤肥力状况,优化棉花施肥管理方式,进而实现阿拉尔市棉花产业的可持续发展。张涛等[4]分析了阿拉尔地区耕地土壤养分情况,结果表明土壤中有机质、全氮和碱解氮含量缺乏,速效磷和速效钾含量偏高,应提高有机肥用量,适当减少磷肥用量,补充微量锌、锰和硼肥配比。李春梅等[5]连续3年在阿拉尔十一团开展田间试验,推荐阿拉尔地区棉花氮肥适宜用量为 270 kg·hm-2,可获得棉花高产,并减少收获期土壤养分残留。蔡利华等[6]研究发现阿拉尔垦区土壤有机质含量低,碱解氮含量存在两极化,总体属轻盐化土。前人对土壤养分的研究仅以阿拉尔耕地整体状况为研究对象,由于阿拉尔不同团镇种植结构存在差异,部分团镇近年来大力发展特色林果业和设施农业,植棉面积和土壤养分状况均发生了较大变化,对不同团镇植棉区的土壤养分状况缺乏针对性研究。本研究旨在明确阿拉尔植棉区土壤养分丰缺状况并提出合理施肥建议,为阿拉尔各团镇土壤养分平衡管理和科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

阿拉尔市地处塔里木盆地西北边,衔接阿克苏河、塔里木河、台兰河和多浪河水系。地理坐标为40°22′～40°57′N,80°30′～81°58′E。东西相距约281 km,南北相距约180 km。阿拉尔市所在地区,属典型的大陆性荒漠气候,也是纯灌溉型农业区。年降水量19.8～81.4 mm,蒸发量1 870～2 660 mm,年平均气温7.5～11.5 ℃,日照2 654～3 025 h,年有效积温3 450～4 423 ℃,年均无霜期200 d以上。

1.2 土壤样品采集与制备

依据“S”形取样法,于2021年10—11月在阿拉尔市15个团镇采集耕层0～20 cm土壤。结合研究区的实际情况,共采集棉田土壤样品150个,依据师市棉田土壤养分动态监测项目实施方案以及不同团镇农作物种植结构的差异,其中 2团、3团、10团和16团选取有代表性采样点5个,6团、9团、11团和12团各15个,1团、5团、7团、8团、13团、14团和托喀依乡各10个。将采集的土壤样品及时送回实验室,平摊为2～3 cm的薄层于阴凉处自然风干,经研磨、过筛后编号装袋备用。

1.3 评价指标及检测方法

选取土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值、土壤全盐量9个指标对土壤肥力进行评价。土壤样品各理化性质的检测方法按农业及林业行业相关标准执行,其中有机质的执行标准为LY/T 1237—1999,采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;全氮、碱解氮的执行标准为LY/T 1228—2015,土壤全氮采用凯氏定氮法测定,碱解氮采用碱解扩散法测定;全磷、速效磷的执行标准为LY/T 1232—2015,全磷采用碱熔法测定,速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;全钾、速效钾的执行标准为LY/T 1234—2015,全钾采用碱熔法测定,速效钾采用1 mol·L-1乙酸铵浸提-火焰光度计测定;pH值的执行标准为NY/T 1121.2—2006,采用酸度计法测定,水土比2.5∶1;全盐量的执行标准为LY/T 1251—1999,采用电导法测定,水土比5∶1。

1.4 土壤养分、pH值和盐分评价标准

土壤养分和pH值分级依据全国第二次土壤普查养分分级标准。鉴于阿拉尔植棉区土壤盐分组成以氯化物-硫酸盐为主,土壤盐分分级依据新疆土壤盐渍化程度中的氯化物-硫酸盐分级标准,分级标准见表1和表2。

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准[7]

表2 新疆土壤盐渍化程度分级标准[8]

1.5 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel 2010对试验结果进行处理分析。

各指标等级分布比例(%)=测试样点数/该团镇采样点总数×100%。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质

阿拉尔市棉田土壤有机质最高含量为22.8 g·kg-1,最低含量为4.74 g·kg-1,平均含量为11.6 g·kg-1,变异系数为27.6%,中等比例为1.3%,较缺、缺乏和极缺比例分别为69.3%、26.7%和2.7%。5团有机质平均含量最高,为17.4 g·kg-1,变异系数为25.7%,中等比例为20.0%;9团有机质平均含量最低,为8.03 g·kg-1,变异系数为28.2%;其中9团、12团和13团极度缺乏比例分别为6.7%、13.3%和10.0%。

在15个团镇中仅5团土壤有机质含量达到中等水平,其他14个团镇的有机质含量均处于较缺、缺乏和极缺水平(表3)。

表3 阿拉尔市棉田土壤有机质含量

2.2 土壤全氮、全磷与全钾

阿拉尔市棉田土壤全氮平均含量处于较缺乏水平,均值为0.95 g·kg-1,变异系数为41.1%,缺乏比例占到整体的74.0%,其中较缺、缺乏和极缺比例分别为46.0%、26.0%和2.0%,丰富和较丰比例均为4.0%,中等比例为18.0%。阿拉尔市棉田土壤全磷含量整体处于中等及以上水平,均值为0.97 g·kg-1,变异系数为12.1%,其中丰富、较丰和中等比例分别为32.0%、60.0%和8.0%。阿拉尔市棉田土壤全钾平均含量为19.0 g·kg-1,变异系数为12.5%,较丰及中等比例分别为28.0%和70.0%,较缺比例仅为2.0%,整体处于中等及以上水平(表4、表5)。

表4 阿拉尔市棉田土壤养分含量

表5 阿拉尔市棉田土壤养分等级分布

2.3 土壤碱解氮

阿拉尔市棉田土壤碱解氮含量最高为273 mg·kg-1,最低为11.0 mg·kg-1,均值为71.8 mg·kg-1,变异系数为59.1%,其中丰富、较丰、中等、较缺、缺乏和极缺比例分别为3.3%、7.3%、12.7%、32.7%、36.0%和8.0%。

在15个团镇中,3团棉田土壤碱解氮含量丰富比例最高为20%,其余均为缺乏和极缺水平,所占比例均为40%,变异系数为119.0%,变异系数大表明各取样点间离散程度、变幅较大;7团棉田土壤碱解氮含量中等及以上和偏低水平各占50%;8团棉田土壤碱解氮含量中等及以上和较缺比例各占50%;1团、2团和12团棉田土壤碱解氮含量均处于中等及以下水平;5团、16团和托喀依乡棉田土壤碱解氮含量整体处于较缺、缺乏或极缺状态(表6)。

表6 阿拉尔市棉田土壤碱解氮含量

2.4 土壤速效磷

阿拉尔市棉田土壤速效磷含量整体偏高,均值为42.7 mg·kg-1,最大值达到101 mg·kg-1,最小值为8.30 mg·kg-1,变异系数为45.0%,丰富和较丰比例分别为49.3%和42.7%,中等比例为6.7%,较缺比例仅为1.3%,表明目前该地区大多数耕层土壤速效磷处于盈余状态。

在实际生产中,农民不断增加磷肥用量,远远超过作物吸收量,土壤中的磷有连年累加效应,从而导致土壤供磷能力大幅增加,所以生产上应合理施用磷肥,提高磷肥当季利用率,减少土壤磷素累积(表7)。

表7 阿拉尔市棉田土壤速效磷含量

2.5 土壤速效钾

阿拉尔市棉田土壤速效钾平均含量为183 mg·kg-1,最大值489 mg·kg-1,最小值23.5 mg·kg-1,变异系数为41.0%,丰富、较丰和中等比例分别为36.0%、31.3%和20.7%,较缺比例为10.7%,缺乏和极缺比例均为0.7%。2团和16团棉田土壤速效钾含量偏高,丰富和较丰比例分别为80.0%和20.0%;6团、8团、13团、14团和托喀依乡5个团镇棉田土壤速效钾含量均处于中等及偏高水平;1团、3团、5团、7团、10团、11团和12团7个团镇棉田土壤速效钾含量处于丰富、较丰、中等和较缺4个水平,不存在缺乏和极缺水平;在该地区15个团镇中,仅有9团棉田耕层土壤速效钾含量存在缺乏和极缺水平,各占6.7%,中等和较缺比例各占33.3%,丰富比例为20.0%,在生产上应适当增施钾肥,后期大田生产管理中适量追施钾肥,增加土壤中速效钾含量,从而提高棉花纤维品质,增加种子的含油量,提高霜前花率,促进棉花早熟。

综合来看,除少数团镇需要适当增施钾肥,大部分团镇棉田耕层土壤供钾能力尚可(表8)。

表8 阿拉尔市棉田土壤速效钾含量

2.6 土壤pH

阿拉尔市棉田土壤pH平均值为8.06,最大值为8.99,最小值为7.32,变异系数为3.6%,强碱性、弱碱性和中性比例分别为6.7%,91.3%和2.0%,不存在酸性土壤。鉴于阿拉尔垦区棉田土壤pH现状,生产上可以通过采用物理、化学和生物改良措施进行综合治理,降低土壤酸碱度,改良土壤理化性质,提高土壤肥力,保证棉花持续高产稳产(表9)。

表9 阿拉尔市棉田土壤pH情况

2.7 土壤全盐量

阿拉尔市棉田土壤全盐量均值为4.1 g·kg-1,最大值为16.4 g·kg-1,最小值为0.1 g·kg-1,变异系数为81.6%,变异系数较大,表明各团镇取样点间变异程度较大。

整体来看,阿拉尔市棉田土壤非盐渍化所占比例最高,达到86.7%,轻度盐渍化、中度盐渍化和重度盐渍化所占比例分别为7.3%、4.7%和1.3%,无盐土。2团、3团、5团、7团、13团、14团和托喀依乡7个团镇棉田土壤均为非盐渍化,其他8个团镇存在不同比例的轻度、中度或重度盐渍化土壤,仅1团和12团个别棉田土壤达到重度盐渍化(表10)。

表10 阿拉尔市棉田土壤全盐量

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究结果与2013年卜东升等[9]在有机质、全磷和全钾含量方面结果一致,全氮和碱解氮含量虽然有所增加,但仍然处于低水平,速效磷、速效钾和全盐量均有所提高。土壤有机质是土壤养分的重要来源,也是土壤微生物必不可少的碳源和能源,使土壤具有保肥性和缓冲性[10]。本研究中,仅5团植棉区土壤有机质含量达到中等水平,其他14个团镇的有机质含量均处于低水平。一般来说,土壤有机质含量越高,其物理性能相对越好,供肥潜力也越高[11]。

氮、磷、钾是农作物生长的必需营养元素,化肥对于提高农作物产量具有不可替代的作用,但是平衡施肥对于化肥高效使用和作物持续高产具有重要意义[12]。本研究中,阿拉尔市棉田耕层土壤全氮含量均值为0.95 g·kg-1,碱解氮含量均值为71.8 mg·kg-1,均处于较缺乏水平;土壤全磷平均含量为0.97 g·kg-1,全钾平均含量为19.0 g·kg-1,处于中等及以上水平;土壤速效磷和速效钾平均含量分别为42.7 mg·kg-1和183 mg·kg-1,整体偏高,在该地区15个团镇中,仅有9团棉田耕层土壤速效钾含量存在缺乏和极缺水平;总的来说,阿拉尔市植棉区表现为土壤氮素含量缺乏,磷、钾元素含量富足。长期以来,棉花产量的提升是以氮素的高投入为基础[13]。因此,在实际生产中,农民偏重施用氮肥,这与土壤氮素表现的缺乏状态相悖,原因可能是由于地表径流、氨挥发、反硝化及淋溶等造成施入氮素的损失[14]。磷、钾元素含量偏高,这可能与常年磷、钾肥投入量较大有一定关系。因此,建议该地区在以后的农业生产中,合理控制磷、钾肥的施用量,对于氮肥的补充施用,应考虑当地的实际情况,可以通过有机肥和化学氮肥配施或者棉花秸秆还田配施氮肥等途径增加土壤全氮含量,维持土壤肥力[15]。化肥作为速效肥料优点是起效快、作用明显,但易于淋失和挥发,降低肥料利用率,引起土壤次生盐渍化和土壤板结,在生产实际中,可通过增施有机肥、有机肥部分替代化肥改善土壤物理、化学及生物学特性,提高养分资源利用率[16-17]。

土壤pH值和含盐量是土壤重要的理化性质。本研究结果中,9团、12团、13团、14团、16团和托喀依乡棉田耕层土壤pH达到强碱性。由于新疆灌区土壤盐渍化类型、障碍特征以及农业生产条件特点与全国其他区域土壤盐渍化存在很大差异,因此本研究中土壤盐渍化程度分级采用新疆土壤通用分级标准,该分类标准是根据乔木等对近25 a来塔里木盆地灌区土壤盐渍化时空变化的研究得出的,阿拉尔植棉区处于塔里木盆地灌区,并且该区域盐分类型为氯化物-硫酸盐型,依据该分级标准,仅有13.3%的土壤处于不同程度的盐渍化水平,这可能是农民意识到土壤盐渍化对农作物的危害,在生产中注重洗盐、排盐,使得0～20 cm土壤盐渍化水平不高。另外,由于阿拉尔植棉区长期以来均采用冬、春灌的种植模式进行洗盐、排盐,且土壤样品采集时间为10—11月份,未处于返盐期,采样点选择均为多年种植的棉田,未选择新开垦耕地,研究结果表明阿拉尔植棉区大多数土壤处于非盐渍化状态,因此该结论符合目前阿拉尔植棉区土壤盐渍化程度现状,并且具有一定的现实意义。对于碱性和盐渍化土壤,可以通过物理改良、化学改良、生物改良和工程改良等方式来治理盐渍化土壤,或外施有机肥来改善土壤理化性质,降低土壤pH值,遏制土壤盐渍化趋势,从而促进土壤养分活化,增加作物对土壤有效养分的吸收[18-20]。

3.2 结论

土壤养分丰缺状况调查是对棉花进行合理施肥与养分管理的主要依据,本研究通过对阿拉尔植棉区150份土壤样品进行检测分析,主要得出以下结论:

(1)有机质、全氮和碱解氮平均含量分别为11.6 g·kg-1、0.95 g·kg-1和71.8 mg·kg-1,整体处于低水平。在农业生产中,可通过秸秆还田、种植绿肥、增施有机肥等有效途径,培肥地力,同时增施适量氮肥增加棉田土壤碱解氮含量,维系土壤养分平衡。

(2)土壤全磷和全钾平均含量分别为0.97 g·kg-1和19.0 g·kg-1整体处于中等及以上水平;速效磷和速效钾均值分别为42.7 mg·kg-1和183 mg·kg-1,整体偏高。鉴于阿拉尔垦区棉田土壤速效磷含量较高,在供水有保障的前提下,建议磷肥全部随水滴施,有助于增加棉铃重,促进棉花早熟。

(3)土壤pH值整体呈碱性,均值为8.06;土壤全盐量均值为4.1 g·kg-1,非盐渍化土壤所占比例达到86.7%。整体来看,阿拉尔植棉区大多数土壤处于非盐渍化状态,仅部分土壤存在不同程度的盐渍化水平。

优质高产植棉区的土壤养分应保持在一个充足而不过量的水平,养分投入量过高或比例不协调,会造成肥料利用率低,增加环境风险。建议该地区合理施用化肥,增施有机肥以提升土壤肥力,结合土壤养分丰缺状况继续推进测土配方施肥技术和水肥一体化养分综合管理技术,从而逐步实现棉花高产高效。