覆膜滴灌條件下土地開墾年限對土壤鹽分、養分和硝態氮分布特征的影響

張少民，白燈莎，劉盛林，周廣威，馮 固

(1.新疆農業科學院核技術生物技術研究所/農業部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3.山東農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 250100)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國鹽漬化大區，利用膜下滴灌技術的優勢(即防止深層滲漏、減少蒸發、節水、節肥和增溫保墑等)開發鹽堿地植棉是新疆棉花生產的一大特色。1996年起新疆引進滴灌技術，并得到了快速的推廣應用，越來越多的荒地甚至鹽堿地被開發種植棉花[1]。然而，膜下滴灌是不充分灌溉可能會帶來潛在的土壤次生鹽漬化問題，影響棉花產量和棉花生產。氮施作物生長所必需的三大營養元素之一，對作物生長起著重要的作用[2,3]。氮素是作物生長所必需的三大營養元素之一，對作物的生長發育起著重要的作用[2,3]。土壤氮素主要有兩種：硝態氮和銨態氮，我國北方旱地土壤氮素的存在形態主要以硝態氮為主。隨著農業集約化程度的提高，過量的氮素通過灌溉進入土壤中，會造成了硝態氮的淋洗損失，污染地下水。但隨著現代農業集約化程度的提高，過量的氮肥通過灌溉進入農田后，一部分氮素以硝態氮形式淋洗進入地下水體，不僅降低了氮肥的利用率，而且還污染了地下水，對環境造成面源污染[4-6]。膜下滴灌是小定額灌溉，可是近年來研究發現膜下滴灌棉田同樣存在硝態氮的淋洗損失[7]。研究在背景均一地塊通過分析鹽堿荒地開墾后土壤鹽分、養分隨植棉年限的變化趨勢，探索該區限制棉花高產穩產的潛在因素，為覆膜滴灌條件下合理開發利用鹽堿地植棉提供參考。【前人研究進展】有研究認為，膜下滴灌條件下，土壤中的鹽分無法從土體中排出或淋洗到深層，受灌水和水鹽運動的影響，土壤次生鹽漬化趨勢日趨嚴重，0～60 cm以內土層隨滴灌應用年限增加呈積鹽態勢，鹽分表聚現象明顯[8,9]，且土壤有堿化傾向[10]，現已開墾的荒地中已有40%～50%因次生鹽漬化危害而棄耕[8]；另有研究認為，根區土壤鹽分隨滴灌應用年限明顯降低[1,11]，土壤pH也明顯下降[12]。由于土壤水鹽運動受到土壤質地、潛水位和根系等的影響[13]。【本研究切入點】前人對硝態氮在土壤剖面分布的研究多集中在氮肥用量、灌水量和滴灌方式對土壤硝態氮淋洗的影響[4-6]，對土地開發利用過程中土壤剖面硝態氮的動態變化的研究相對較少。【擬解決的關鍵問題】研究土壤鹽分、pH和養分的時空變異，采用以空間代替時間的方法，選擇未開墾的鹽漬化荒地和開墾2～15年的農田研究鹽漬化土壤在農業開發利用過程中土壤養分、養分和土壤剖面硝態氮、銨態氮的變化。分析膜下滴灌鹽堿地植棉的限制因素，為新疆鹽堿地植棉的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

2010年在田間調查鹽堿荒地和不同開墾利用利用年限的農田土壤鹽分、養分的空間變化。試驗在新疆農業科學院經濟作物研究所瑪納斯棉花育種家基地(44°18′N，86°22′E)進行。該地區平均海拔400 m，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫7.5～8.2℃，年降雨量為180～270 mm，年蒸發量1 000～1 500 mm，土壤屬于硫酸鹽灰漠土，地下水埋深大于4 m。研究區所有地塊土壤質地基本一致，原始荒地生長的植被為藜科植物，荒地經翻耕后，種植1年油葵，第二年開始種植棉花，該區自2005年開始應用覆膜滴灌技術種植棉花，棉花種植方式為膜下滴灌(一膜兩管四行)，農田的灌水施肥制度基本一樣，每年棉花生長季節為4～10月，收獲后秸稈粉碎還田。種植棉花品種為(新陸早47號)。2010年4月播種，播前磷肥(磷酸二胺或重過磷酸鈣)和氮肥(尿素)撒施，機械翻耕和整地后，通過棉花播種機一次完成播種鋪設滴灌帶和鋪膜，膜寬1.45 m，棉花株距0.09 m，播種行距0.20 m，采樣日期2010年10月26日。圖1

圖1 2010年以及1991～2013年平均月降水量
Fig.1 Average monthly precipitation from 1991-2013

1.2 方 法

采用以空間代替時間的方法，研究區開墾前為鹽堿荒地，自2005年開始陸續開墾，根據試驗基地內土地的開墾年限，將試驗基地的土地劃分為原始荒地(0)、2年(2)、4年(4)、5年(5)和6年(6)，開墾15年(15)地塊為鄰近棉田，距試驗基地僅10 m，開墾前和試驗基地內土地為同一片荒地，1996年開墾后，覆膜滴灌條件下植棉。每個年限選擇3個樣地作為重復，每個樣地用土鉆采集0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層土壤樣品，每個樣地內共采集3個點(包括1個播種行、1個播種行間和1個兩膜中間)，土壤樣品立即過2 mm土壤篩后混勻。土壤樣品分成2部分保存，一部分風干后，分別測定土壤總鹽、pH、速效磷和有機質(過0.25 mm篩)；一部分立即放入-20℃冰箱保存，用于測定土壤銨態氮和硝態氮。風干土壤樣品測定鹽分含量、pH，按照1:5的水土比配成懸浮液，震蕩均勻后過濾，取上清液測定電導率(DDS-307電導率儀，上海雷磁儀器廠)和pH(PHS-3C pH計，上海雷磁儀器廠)，然后取25 mL上清液置于30 mL坩堝中，電熱板上加熱，差減法計算土壤總鹽含量。用pH 8.50的NaHCO3浸提后鉬銻抗比色法測定速效磷含量。有機碳測定采用重鉻酸鉀滴定法，無機氮(Nmin)采用1 mol/L CaCl2浸提后連續流動分析儀測定(AutoAnayzer 3，德國)。

1.3 數據處理

采用SPSS軟件對數據進行方差分析和多重比較(LSD)，采用Sigmaplot 10.0軟件(Systat,San Jose,USA)通過非線性回歸法(Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter)或(Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)對數據進行時間趨勢分析。鹽濃度等百分數指標和數據比值等非連續變量經過反正弦轉換后進行方差分析。

2 結果與分析

2.1不同土地利用年限土壤鹽分和pH的變化規律

研究表明，鹽堿荒地1 m剖面內土壤含鹽量較高，平均含鹽量為4.58 ms/cm (總鹽含量2.25%)，土壤pH高達9.04，其中0～40 cm土層平均電導率為3.75 ms/cm，而40 cm以下土層平均電導率高達5.14 ms/cm，主要因為采樣時接近10月底，氣溫較低，蒸發量小，受降水淋洗作用的影響(10月降水量高于多年平均)，上層土壤鹽分向下遷移，導致隨著土層深度的增加土壤含鹽量和pH隨之升高。圖1

覆膜滴灌條件下，土壤鹽分含量與土地開墾年限的關系可擬合為方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤鹽分含量，ms/cm，X表示土地開墾年限，且0≤X<16。土壤鹽分隨開墾年限的增加總體上呈下降趨勢，大體上可分為兩個階段：土地開墾利用前4年為土壤鹽分快速下降階段，1 m剖面土壤鹽分含量平均下降了3.49 ms/cm，下降幅度達75.8%，其中0～20 cm土壤鹽分由3.27 ms/cm下降至0.83 ms/cm，20～40 cm的鹽分由4.24 ms/cm降至1.27 ms/cm；5～15年為土壤鹽分的穩定階段，隨著土地開墾利用年限的延長，土壤鹽分變化相對平穩，其中0～40 cm土壤平均鹽分含量為0.72 ms/cm (水溶性總鹽含量0.55%)，由于棉花比較耐鹽，此時土壤鹽分已經不是抑制棉花生長發育的主要因素。

覆膜滴灌條件下，土壤pH隨土地開墾年限發生了明顯的變化。土地開墾2年后，1 m剖面的土壤pH均呈現下降趨勢，其中0～20 cm土壤pH由開墾前8.88下降到8.50，下降了0.38個單位，20～40 cm土壤pH下降了0.50個單位。土地開墾的2～15年，0～40 cm土壤的pH隨土地開墾年限的變化符合方程：Y=a×e-5×((X-b)/c)^2，其中Y表示土壤pH，X表示土地開墾年限，且0≤X<16，即隨著開墾年限的增加土壤pH呈先升高后降低的趨勢，在土地開墾第10年土壤pH升至最高，而后下降。土壤pH隨土地開墾年限升高的原因，可能是農田管理措施(如滴灌)影響了鹽基八大離子中Na+和HCO3-比例，劉洪亮等[10]研究認為，隨滴灌年限的增加土壤中Na+和HCO3-在鹽基八大離子中所占比例上升而導致了土壤pH的上升。與未開墾荒地相比，40～100 cm的土壤pH隨土地開墾年限的增加整體呈下降趨勢。

土地利用15年后0～40 cm土壤pH仍然維持在9.0左右，作物根系集中分布層pH過高可能是該區棉花生產的主要制約因素。圖2

注：土壤pH數據采用非線性回歸分析土壤鹽分數據采用非線性回歸

Note: Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter, Equation: Exponential Decay, Single, 3 Parameter

圖2 土壤電導率和pH隨土地開墾年限變化
Fig.2 Relationships between soil salinity, pH and years after cultivation

2.2 土壤鹽分和pH的相關關系

研究表明，土壤電導率和總鹽之間存在極顯著的線性相關關系，其回歸方程為：Y=0.23+0.44X(n=90)。式中Y為土壤水溶性總鹽含量(g/kg)，X為電導率值(ms/cm)。兩者的相關系數r=0.848 5，達到極顯著水平(P<0.001)，由此可見，該區土壤的電導率可反映該區土壤水溶性總鹽含量。圖3

注：土壤電導率與總鹽數據采用線性回歸分析

Note: Equation: Polynomial, Linear

圖3 土壤電導率與總鹽和pH之間關系
Fig.3 Relationships between conductivity, pH and total salt content

2.3 不同土地利用年限土壤養分的變化

研究表明，原始荒地土壤的養分含量較低，土壤有機質、無機氮和速效磷含量分別為5.67 g/kg、3.54 mg/kg和4.91 mg/kg。鹽堿荒地開墾后，土壤有機質和無機氮隨著開墾年限的增加而增加，在第5、6年達到最大值，其中土壤有機質(平均7.23 g/kg)增加了57.7%，無機氮含量(平均9.01 mg/kg)增加了4.9倍，7～15 a 土壤的有機質變化不大，而無機氮含量有所下降；土壤速效磷含量隨開墾年限的變化與有機質和無機氮不同。土地利用前期，與未開墾相比，土壤速效磷含量下顯著下降，開墾2 a土壤的速效磷含量僅為3.20 mg/kg，土地利用的3～5 a，由于無機磷肥的投入，土壤速效磷含量顯著升高，最高可達8.29 mg/kg，土地利用的7～15 a，土壤的速效磷含量變化不大。鹽堿荒地被開墾利用后，農業管理措施(如施肥和耕作等)能夠顯著提高土壤養分含量，有利于提升土地肥力。圖4

2.4不同土地利用年限土壤剖面硝態氮和銨態氮的變化

研究表明，自然植被條件下，土壤中硝態氮含量很低，低于3.0 mg/kg。土地開墾后隨著滴灌技術的應用和化肥的使用，1 m剖面土壤硝態氮含量顯著增加。0～20和20～40 cm土層的硝態氮含量隨開墾年限的變化規律基本一致，即土地開墾的前6年土壤硝態氮含量增幅較大，分別增加了8.1和3.3倍，土壤硝態氮含量最高可達16.6 mg/kg，7～15年土壤硝態氮含量變化不大，趨于穩定。土地開墾第2年40～60 cm土層的硝態氮含量由開墾前的0.7 mg/kg增加至8.4 mg/kg，增加了10.4倍。而滴灌條件下，無機氮素淋洗到該層導致硝態氮含量的大幅增加。從60～100 cm土層硝態氮含量隨開墾年限的變化來看，與未開墾荒地相比，土地開墾的第2年硝態氮已經遷移到60～80 cm土層，硝態氮含量從1.7 mg/kg增加至7.6 mg/kg，增加了3.4倍，第4年，土壤的硝態氮已經在80～100 cm土層累積。

不同開墾年限的棉田土壤銨態氮的含量較低，且變異較大。其中0～20 cm土層的銨態氮含量隨土地開墾年限呈先增加后降低的趨勢，在第5、6年達到最高，可達5.0～5.2 mg/kg。其他土層的土壤硝態氮含量無明顯規律性。圖5

圖4 土壤養分隨開墾利用年限變化
Fig.4 Changes of soil fertility with years

ofcultivation

注：硝態氮數據采用非線性回歸分析

Note: Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)

圖5 土壤銨態氮和硝態氮隨開墾利用年限變化

Fig.5DistributionofNO3-NandNH4+-Nconcentrationsinsoilprofilewithyearsofcultivation

3 討 論

自1996年起新疆引進膜下滴灌系統，越來越多的荒地以及鹽堿地被開發種植棉花，推動了新疆耕地面積的擴張和棉花的種植[1]，膜下滴灌是不充分灌溉，長期應用可能會導致土壤的次生鹽漬化[8,10]。研究結果表明，鹽堿荒地開墾利用后，由于采用膜下滴灌技術，減少蒸發的同時鹽分隨水向下遷移，1 m土層的鹽分顯著下降，土地開墾利用前4年為土壤鹽分快速下降階段，土壤鹽分含量下降75.8%之后，5～15年為鹽分變化的穩定階段，其中0～40 cm土壤電導率在0.89 ms/cm以下，土壤鹽分已經不是影響棉花生長的限制因素，這與王振華等[1]研究結果一致。然而，土壤pH隨土地開墾年限的增加先下降而升高，土地開墾利用15年后，0～40 cm土壤pH仍然在9.0左右，土壤存在堿化風險。土地開墾后，農田管理措施(如耕作，施肥等)顯著增加了耕層土壤的養分含量，提高了土壤肥力。由于新疆淡水資環匱乏大面積采用膜下滴灌技術大幅度降低了農業用水。北疆棉田生育期內灌水量在5 300 m3左右，依據土壤含水量情況采用少量多次灌溉，棉花生育期內平均滴灌6～10次，氮肥隨水滴施[14,15]，盡管膜下滴灌是小定額灌溉，但仍然存在氮肥向下深層土壤淋洗損失的現象[6,7]。研究結果表明，土地利用過程中農田管理措施不僅提高了耕層土壤硝態氮含量，同時也會造成了硝態氮向深層淋洗，增加了地下水污染的風險。

4 結 論

4.1 土壤鹽分含量與土地開墾年限的關系可擬合為方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤鹽分含量，ms/cm，X表示土地開墾年限，且0≤X<16。土壤鹽分含量隨土地開墾年限的變化大體可分為兩個階段：開墾前4年為鹽分快速下降階段，5～15年為鹽分變化的穩定階段，0～40 cm土壤平均鹽分含量為0.72 ms/cm，而土壤pH較高，維持在9.0左右。

4.2 土地開墾后，農田管理措施(耕作、施肥等)提高了土壤養分含量，提高了土壤肥力。

4.3 覆膜滴灌下開墾鹽堿荒地不僅增加了耕層土壤硝態氮的含量，也增加了深層土壤硝態氮含量，現有的灌水施肥制度存在氮素淋洗損失和污染地下水的風險。

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