沙漠-綠洲交錯帶小麥地土壤養分變化特征對耕種時間的響應

欒福明, 熊黑鋼, 王 芳, 時 卉, 王昭國, 張 芳, 李 東

(1.麗水學院 商學院, 浙江 麗水 323000; 2.北京聯合大學 應用文理學院, 北京 100191;3.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 4.中國科學院大學, 北京100049;5.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 6.新疆財經大學 旅游學院, 烏魯木齊 830012)

沙漠-綠洲交錯帶小麥地土壤養分變化特征對耕種時間的響應

欒福明1, 熊黑鋼2, 王 芳3,4, 時 卉3,4, 王昭國3,4, 張 芳5, 李 東6

(1.麗水學院 商學院, 浙江 麗水 323000; 2.北京聯合大學 應用文理學院, 北京 100191;3.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 4.中國科學院大學, 北京100049;5.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 6.新疆財經大學 旅游學院, 烏魯木齊 830012)

利用相關分析及土壤退化指數，對比研究了古爾班通古特沙漠與奇臺縣綠洲交錯帶荒地、鹽堿地、小麥地土壤的養分含量、指數的特征、變化規律和退化程度。結果表明：(1) 土壤有機質與表層全氮呈相關性較高的正相關，與堿解氮相關性差。(2) 土壤表層速效養分含量下降快于下層。(3) 隨耕種時間的延長，小麥地土壤養分的全氮、全磷、全鉀含量變化較小，而速效成分均大幅度的下降。其中，速效鉀下降速度最快，達-38.18 mg/(kg·a)，堿解氮其次，為-14.875 mg/(kg·a)；速效磷僅為-4.486 mg/(kg·a)。(4) 未耕地的土壤養分退化指數(SNDI)為-11.30%，明顯低于耕種的小麥地。(5) 小麥地的年均土壤養分退化指數在最初的3年里為4.317%，隨后的2年(5年)是6.485%，而后5年(10年僅為0.788%，即早期退化速度快，隨著耕作年限的增加(>5年)，土壤退化速度迅速減緩。

奇臺縣; 沙漠—綠洲交錯帶; 土壤養分; 土壤養分退化指數

土地養分變化關系到地區農業的發展和經濟的穩定。土地利用方式以及耕作年限發生變化時，土壤養分含量必將隨之改變。國內外眾多學者對土地利用類型及其變化與土壤肥力的關系進行了相關的研究，多集中在土壤肥力評價[1-2]、養分與生產力之間關系[3]、土壤理化性狀的變化與土地利用的方式[4-9]等方面。并指出土壤容重、有機質、全氮、全鉀和速效鉀等元素的大部分變異都是由土地利用方式變化引起的[10-16]。目前我國東部地區適宜耕作的土地基本已全部得到利用。新疆地域遼闊，耕地后備資源豐富(鹽堿地、荒地等)，集中成片宜耕土地將達32萬hm2，占全國宜耕土地總量的35.5%。但對后備耕地被開發后，土壤養分狀況隨時間的變化研究較少。準確反映土壤養分對不同耕種時間響應的真實情況，可為研究土壤質量的恢復奠定基礎，對科學合理利用土地資源有十分重要的意義。

奇臺縣是全國糧食生產百強縣，小麥是其最主要的糧食作物，產量占全部糧食總產量的60%左右。本文選取具有典型性和代表性的古爾班通古特沙漠南緣的綠洲交錯帶為研究區，重點探討鹽堿地、荒地開墾為小麥地后的土壤養分特征、變化趨勢及對不同開墾時間的響應程度，旨在為科學合理地利用后備耕地，為其施肥、改良提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于新疆奇臺縣一中林場，北距古爾班通古特沙漠南緣不足1 km，是典型的荒漠—綠洲交錯帶。其為開墾河、碧流河、吉布庫河、水磨河等河流下游的奇臺綠洲平原最南端。地理坐標89°13′—91°22′E，43°25′—49°29′N。早期地下水位較高，為0.5～1.0 m，鹽漬化非常嚴重，近些年由于發展農業，大量抽取地下水灌溉，水位已降至3～5 m。在此過程中一些鹽堿地(主要植物為鹽節木、豬毛菜)逐漸轉化為荒地(主要植物是蘆葦、芨芨草、大葉補血草、花花柴、駱駝蓬)。農田則由開發荒地而來。本區屬中溫帶大陸性干旱半干旱氣候區，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，氣候干燥。年平均氣溫5.5℃。7月平均氣溫22.6℃，1月平均氣溫-18.9℃，極端最低氣溫-37.3℃，年平均相對濕度60%，年平均無霜期153 d，年平均降水量為176 mm，蒸發潛力2 141 mm。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與實驗處理

2010年9月，在研究區分別選擇鹽堿地、荒地、和小麥地(3年耕種地、5年耕種地、10年耕種地)，采用S形采樣法對各地類土壤進行采樣。從每種樣地的不同位置挖取土壤剖面5個，采集深度為0—20 cm，20—40 cm的土壤樣品。每樣重復3次，再對3個土壤樣本進行混合，共取得90個樣本(其中鹽堿地只采集了5個樣品)。

各小麥地均為機井灌溉的水澆地，耕種方式相同。一般肥料使用量為有機肥300 kg/hm2，尿素600 kg/hm2，過磷酸鈣375 kg/hm2，硫酸鉀375 kg/hm2。由于農田管理者一直沒有變化，其耕種管理方式、方法(小麥地施肥量、有機肥與無機肥的比例、農藥使用量、灌溉量、灌溉次數、除草等)各年基本相同。小麥年產量基本在300 kg左右。樣品在實驗室經自然風干，去除較大的沙礫等雜質，并過1 mm篩進行混合均勻。所有土壤有機質及各養分含量等理化性質的測定均由中國科學院新疆生態與地理研究所土壤理化分析實驗室完成。重鉻酸鉀—硫酸溶液氧化法測有機質；堿解—擴散法測堿解氮；電位法測pH；而全氮、全磷、全鉀分別用半微量開氏法、硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法、NaOH熔融—火焰光度法測定；速效磷、速效鉀的測定則分別用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，乙酸銨浸提—原子吸收法。

2.2 研究方法

土壤養分退化指數(SNDI, Soil Nutrient Degradation Index)的計算首先是以某種土地利用類型作為基準，假設其他的土地都是由其轉變而來；然后，計算土壤各個養分屬性在其他土地與基準土地利用類型之間的差異；最后，將各個屬性的差異求和平均，從而得到各土地利用類型的土壤養分退化指數[17-18]。公式如下：

式中：SNDI——土壤養分退化指數：p1，p2，…，pn——某種土地的土壤養分屬性值(包括土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀)；p1′，p2′，…，pn′——基準土地利用類型下土壤屬性1，2，…，n的值；n——選擇的土壤屬性數。

土壤退化指數可為正數或負數，正數表示土壤養分含量增加，土壤質量有所提高；負數則表明土壤發生退化。本文選取鹽堿地作為土壤養分退化指數計算的基準地。

3 結果與分析

3.1 土壤養分特征

3.1.1 有機質與氮 耕地土壤中的氮素主要來源于施肥和動植物殘體。通過對各土壤的全氮和有機質含量進行相關性分析，發現不論是在表層還是在下層，二者均呈極顯著的正相關(圖1a，c)。氮素的垂直分布主要受制于土壤有機質的分布。表層土壤有機質含量豐富，氮素含量也最高，兩者的相關性好(R2=0.9382)。下層土壤有機質含量較低，所以氮素含量也較少，相關性較差(R2=0.7475)。土壤全氮素含量與有機質變化趨勢一致。

堿解氮包括無機態氮和結構簡單能為作物直接吸收利用的有機態氮，可供作物近期吸收利用。堿解氮含量的高低，取決于有機質含量的高低和質量的好壞以及施用氮素化肥數量的多少。無論是在表層，還是在下層，堿解氮與有機質的相關性均較差(圖1b，d)。

圖1 不同深度有機質與全氮、堿解氮相關性

3.1.2 全磷鉀與速效磷鉀 土壤中可被植物吸收的磷組分，包括全部水溶性磷、部分吸附態磷及有機態磷，有的土壤中還包括某些沉淀態磷。土壤表層中的全磷是影響速效磷含量的主要因素,兩者呈顯著性正相關。而下層兩者的相關性不大(圖2a，b)。

土壤中全鉀對速效鉀的含量有顯著的影響,表層及下層相關系數分別為0.89，0.92，(P<0.001)，且均為負相關，即全鉀含量越高，速效鉀越少(圖2c，d)。這與在半干旱區在一定條件下，土壤全鉀和速效鉀含量的變化呈負相關關系的研究結果相一致[19]。

圖2 不同深度全磷與速效磷、全鉀與速效鉀相關性

3.2土壤速效養分含量變化

3.2.1 不同時間土壤速效養分平均變化 小麥地各土壤速效養分均隨著耕種時間的延長，含量下降(圖3)，反映出盡管每年都有植物殘體(包括各種秸稈的焚燒)和各種肥料的施用，但其仍然低于農作物從土壤中吸收的養分。

土壤速效成分下降速度由大到小的順序是，速效鉀(-38.18 mg/kg)，堿解氮為-14.88 mg/kg，速效磷(-4.49 mg/kg)。前者是后者的8.5倍，是中者的2.6倍。土壤堿解氮是作物氮素營養的主要來源，是全氮當中能被作物直接吸收的部分，其數量對作物生長至關重要[20]。雖然堿解氮能反映近期土壤的氮素供應能力，但其在土壤中的含量不夠穩定，易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發生變化。

圖3 不同耕作年限土壤速效養分的動態變化

3.2.2 不同深度土壤速效養分變化 各土壤速效養分(速效磷、速效鉀、堿解氮)與耕種年限的相關性表現出3個特點(圖4)。(1) 隨著耕種時間的延長，不論在表層還是在下層土壤速效氮磷鉀均呈現不斷下降的趨勢。(2) 各速效成分與時間的相關性以及變化速率均為表層大于下層。(3) 不論是表層還是下層，各土壤速效養分與耕種年限的相關性由大到小的順序均為，堿解氮(表層0.97，下層0.94)、速效磷(表層0.85，下層0.56)、速效鉀(表層0.75，下層0.39)，并且速效鉀變化速率最快(表層-50.71 mg/(kg·a)，下層-25.65 mg/(kg·a)，其次是堿解氮(表層-18.42 mg/(kg·a)，下層-11.33 mg/(kg·a)]，而速效磷變化最慢[(表層-5.19 mg/(kg·a)，下層-3.78 mg/(kg·a)]。總體上，養分含量均呈現不同程度的下降，但堿解氮、速效磷及速效鉀含量下降較大，而全氮、全磷、全鉀含量變化較小。

圖4 不同深度土壤速效養分變化

3.3不同耕種時間的土壤養分退化指數(SNDI)差異

3.3.1 不同土地土壤養分退化指數的變化 荒地多源自于鹽堿地，雖然干旱、少雨，生物生長緩慢，但其土壤養分分解流失很少，在土壤中減少速度慢。因此，土壤養分退化指數明顯低于小麥地(3 年，5 年，10 年耕種地)，僅為-11.30%(圖5)。小麥地土壤養分的退化程度顯著(通過P=0.05水平下顯著性檢驗)，而且隨著耕作時間的延長，呈現出逐漸降低的趨勢。耕種3 年小麥地的退化指數，為-12.95%，表明其受人類活動的干擾性相對較弱。到5年，土壤養分退化指數的增加至-20.025%。而10 年耕地，則是-23.96%，說明小麥地的土壤養分退化程度在最初的幾年里(≤5 年)，退化速度比較快，隨著耕作年限的增加(>5 年)，土壤養分退化速度減緩(圖5)。

圖5 不同耕種時間的土壤養分退化指數

3.3.2 不同深度的土壤養分退化 除荒地外，土壤養分退化指數在小麥地的表層(0—20 cm)均大于下層(20—40 cm)(圖6)。前者土壤退化速率是-5.32，后者為-3.51，反映出雖然各小麥地均施用化肥，但土壤養分含量仍然在減少，并且表層養分含量降低速度高于下層。表層土壤養分≤5年的退化速度快，>5年后則迅速減緩。下層土壤養分≤3年時，略有增加，但≥3年后迅速下降，其中3～5年下降速率為-4.04；5～10 年為-8.38。

圖6 不同深度的土壤養分退化指數

3.3.3 不同養分的土壤退化指數 為了深入探討速效氮磷鉀與全氮磷鉀在不同耕種時間小麥地土壤中的差異， 分別計算兩者的土壤養分退化指數(圖7)。表層(0—20 cm)，土壤養分速效氮磷鉀不僅含量低，而且退化指數均遠遠大于全氮磷鉀。但在下層(20—40 cm)則相反，土壤全氮磷鉀退化速度大于速效氮磷鉀；20—40 cm的土壤全氮磷鉀退化指數在各種地中均為正值，僅在0—20 cm土層中>5年的耕種地才顯示出輕度虧損。退化最快的是0—20 cm速效氮磷鉀，其次為20—40 cm的全氮磷鉀，再次是0—20 cm的全氮磷鉀。有意思的是20—40 cm的速效氮磷鉀下降速度最慢，比表層的速效氮磷鉀慢近4倍，反映出其整體變化相對較小。

4 結論與討論

(1) 有機質與全氮含量呈正比，在表層其決定系數可達0.94，但與堿解氮含量的相關性差，反映出干旱環境下有機質分解緩慢。

圖7 不同深度全氮、磷、鉀及速效氮、磷、鉀的土壤退化指數

(2) 隨著小麥地耕種時間加長，土壤速效氮磷鉀均出現下降趨勢，而且表層土壤養分的速效氮磷鉀下降速度大于下層。其中，下降最快的為速效鉀，其次是堿解氮。

(3) 全鉀與速效鉀呈顯著的負相關，即全鉀越高，速效鉀越低，因此，如何解決全鉀與速效鉀的矛盾，是今后需要重點研究的。

(4) 土壤的速效氮磷鉀退化指數遠大于全氮磷鉀退化指數。同時，耕種3 年，5 年的小麥地土壤退化指數分別為-12.95%，-20.01%，而10 年的僅為-23.96%。后5 年退化指數僅增加了-3.95%，表明小麥地前期土壤退化速度遠遠大于后期。這可能預示著，耕地屬于人類活動干擾性較強的土地利用類型，在新的養分循環系統尚不完善、功能較低(≤5 年)時[10]。耕作時限越長，對背景值養分的消耗量越大。因此，土壤養分退化速度快。但隨著耕種時間的延長(>5 年)，新的土壤養分循環系統得到加強和完善，土壤養分退化速度減緩。

(5) 研究區主要受自然環境變化影響的未耕地(荒地)土壤養分退化指數明顯低于不同耕種年限(3 年，5 年，10 年小麥地)的以人類耕種活動為主的耕地。這表明干旱區交錯帶小麥地土壤養分退化程度更多地受控于人類活動干擾強度。

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ResponsesofSoilNutrientsVariationCharacteristicstotheCultivationYearsinWheatlandofDesert-OasisEcotone

LUAN Fu-ming1, XIONG Hei-gang2, WANG Fang3,4, SHI Hui3,4, WANG Zhao-guo3,4, ZHANG Fang5, LI Dong6

(1.GollegeofBusiness,LishuiUniversity,Lishui,Zhejiang323000,China; 2.CollegeofArtandScience,BeijingUnionUniversity,Beijing100083,China; 3.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 4.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 5.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 6.CollegeofTourism,XinjiangUniversityofFinance&Economics,Urumqi830012,China)

In this paper, a comparative study was conducted to investigate soil nutrient content, index characteristics, evolvement rules and degradation degree of wastelands, alkali soils, wheat lands in the Gurbantunggut Desert-Qitai Oasis ecotone by using correlation analysis and soil degradation index(SNDI). The results showed that the positive correlation between soil organic matter of the surface layer and total nitrogen was higher, and soil organic matter of the surface layer had the poor relation to available nitrogen; available nutrients of the surface layer declined faster than those in the deeper layers; with the extension of cultivation years in wheat lands, the total nitrogen, total phosphorus, total potassium content changed little, and the available nutrients presented the great decrease, and available kalium [-38.18 mg/(kg·a)], available nitrogen[-14.875 mg/(kg·a)], available phosphorus [-4.486 mg/(kg·a)] were ranked the first, the second, and the third, respectively; SNDI of the untilled lands was -11.30%, and it was significantly lower than that that in wheat lands; SNDI in untilled lands was 4.317% in the first three years, and it was 6.485% in the following two years(5 a), and it finally was 0.788% in the following five years(10 a), which meant the soil degradation rate was faster in the early years, with the extension of cultivation years, SNDI reduced slowly.

Qitai county; desert-oasis ecotone; soil nutrients; soil nutrient degradation index

2013-11-01

：2013-12-17

國家自然科學基金(41171165,41261049);北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目(IDHT20130322);北京聯合大學人才強校計劃人才資助項目(BPHR2012E01)

欒福明(1984—),男,山東膠南人,博士,主要從事旅游地理與區域發展研究。E-mail:luanfuming999@163.com

熊黑鋼(1956—),男,湖南湘鄉人,教授,博士生導師,主要從事干旱區及人地關系研究。E-mail:xhg1956@sohu.com

S153

：A

：1005-3409(2014)05-0049-05