劉曉涵 馬靜 韓秋靜 趙世民 王惠 馬君紅 于建軍 葉協鋒



摘 要:以河南省洛陽市植煙土壤為研究對象,應用常規統計學方法和冗余分析方法,分析20個典型煙田不同土層(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm)土壤基礎肥力和全鹽量,并探討了土壤肥力與鹽離子的關系。結果表明:(1)有機質(OM)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)含量均以0~20 cm土層最高,其中有機質和速效鉀隨著土層加深而減少,堿解氮、速效磷含量表現出先降后升趨勢;各土層主要以堿性為主,0~20 cm的pH最低;全鹽量自上而下呈現先降后升的趨勢;(2)冗余分析結果表明,土壤有機質(OM)在0~100 cm與K+、Na+、Ca2+和SO42?表現出較好的相關性;堿解氮(AN)在0~40 cm與K+有正相關性,與Na+有負相關性;速效磷(AP)在0~100 cm受Ca2+和SO42?影響較大,在0~80 cm與K+有較強的相關性;速效鉀(AK)在不同土層與鹽離子的相關性不同;pH與HCO3?有較強的相關性。綜合考慮,洛陽典型植煙土壤表層肥力較高,鹽分較多聚集在表層和底層土壤,其中K+對各肥力指標均有較大影響,Cl?則隨著土層加深對肥力指標影響增強,其余各離子與肥力表現無明顯規律。
關鍵詞:植煙土壤;鹽分;基礎肥力;冗余分析;洛陽
中圖分類號:S572.06 文章編號:1007-5119(2018)06-0021-08 DOI:10.13496/j.issn.1007-5119.2018.06.004
土壤肥力是農業生產的基礎,是作物產量和品質的關鍵影響因子,了解土壤肥力可為科學施肥提供依據[1]。評價土壤肥力的方法較多,一般將對植物生長發育影響較大的pH、有機質、堿解氮、速效鉀和速效磷作為主要評價指標。對烤煙而言土壤肥力的豐缺至關重要,它不僅影響煙草的生長發育,還影響烤后煙葉的質量[2],但隨著現代農業生產中化肥的大量施用和有機肥施用的不足,土壤肥力正逐步下降,同時伴隨著土壤鹽含量的增加;而不合理的灌溉方式加劇了土壤肥力的缺失和土壤的次生鹽漬化水平[3-4]。
研究發現在烤煙生長旺盛期,氣候炎熱,蒸發量大,較易引起鹽分表聚,鹽分離子主要以NO3?、K+、Ca2+、Cl?、SO42?為主[5]。葉協鋒[6]研究表明,河南省12個地市的植煙土壤均有不同程度的鹽漬化,個別地區甚至達到中度鹽漬化。高鹽含量不僅會導致土壤質量下降,影響養分的平衡供應和離子之間的平衡吸收,降低土壤養分的有效性[3-4],同時鹽分的積累會造成土壤生理干旱,烤煙根系吸水受阻,葉片光合、呼吸作用減弱,正常生理代謝遭到破壞,降低煙草的抗逆能力和品質[7]。目前已有關于植煙土壤肥力的研究[6],也有對土壤鹽分與有機質、速效鉀、速效磷和堿解氮等土壤肥力指標相關性的分析[8],但大多是基于全鹽量的水平。由于不同地區的氣候條件、成土母質以及栽培管理措施的差異致使土壤鹽漬化的成因不同,其鹽分組成與離子比例呈現區域性特征[9],且在同一地區土壤中各種離子含量呈現較強的空間變異性[10],因此在研究土壤鹽漬化與土壤肥力之間的關系時,僅使用土壤全鹽量來描述,難以精準評價各種鹽離子對土壤肥力影響的差異。為此,本文以河南省洛陽市典型植煙土壤為研究對象,重點研究土壤全鹽量的垂直分布規律以及土壤鹽分離子與養分之間的關系,旨在為烤煙合理施肥、優化管理,實現烤煙優質豐產提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗區概況
洛陽市介于東經112°16'~112°37',北緯34°32'~34°45',位于河南省西部,屬于暖溫帶大陸性季風氣候,四季分明,年均日照時數為2 291.6 h,年均降雨量578 mm,平均氣溫14.8 ℃。境內東北部為伊洛河平原,其余大部屬豫西山區,地勢總體上為西高東低,山區、丘陵和平原各占45.5%、40.7%和13.8%。洛陽煙區屬黃淮海煙區,植煙面積較廣,常年植煙面積約為10 000 hm2,年產烤煙17 500 t,土壤以偏堿性的褐土分布范圍最廣,紅黏土有少量分布,其他土類包括黃棕壤、紫色土、水稻土等。
1.2 土樣采集
2017年在烤煙施肥移栽前在洛陽市植煙區汝陽、嵩縣、洛寧和宜陽取樣,采樣地多為丘陵和平 原,海拔在200~500 m,綜合考慮主要植煙土壤類型和烤煙長勢,在每個縣選取5塊代表性煙田,按0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm的土層進行取樣,同一土層多個土樣混勻后按“四分法”縮分,保留1 kg帶回。土樣放置陰涼處自然風干、去雜和磨碎后,分別過20目(0.84 mm)和100目(0.15 mm)篩,標記后作為待測樣保存。
1.3 測定方法
土壤指標測定方法為[11]:pH為電位法,有機質(OM)為重鉻酸鉀-硫酸消化容量法,速效氮(AN)為堿解擴散法,速效磷(AP)為碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色分光光度法,速效鉀(AK)為醋酸銨提取-火焰光度法,全鹽量為離子質量分數加和法:Ca2+、Mg2+、SO42?采用EDTA滴定法,CO32?、HCO3?采用雙指示劑中和滴定法,Cl?采用硝酸銀滴定法,Na+、K+采用火焰分光光度計法測定。
1.4 數據處理
采用IBM Statistics SPSS 22.0進行統計分析,采用Microsoft Excel 2016和Graphpad Prism 7.0進
行圖表制作,采用國際標準通用軟件CANOCO 5.0進行冗余分析(RDA),排序結果用雙序圖表示[12]。
2 結 果
2.1 植煙土壤鹽分垂直分布特征
王遵親等[13]將土壤含鹽量劃分為5個等級,如表1。依此標準,采集的100個分層土樣中,93%為非鹽漬化土,5%為輕度鹽漬化土,2%為重度鹽漬化土,其中0~20 cm土樣中,98%為非鹽漬化土,2%為重度鹽漬化土。從表2可知,土壤鹽含量自上而下呈現先降后升的變化趨勢,0~20 cm土層全鹽量均值為0.59 g/kg;20~40 cm、40~60 cm土層土壤全鹽量降至最低,均值為0.54 g/kg;60~100 cm土層中全鹽量又有所升高,80~100 cm土層全鹽量平均值最高,為0.61 g/kg。0~20 cm和40~60 cm土層全鹽量變異系數分別為35.96%和36.72%,變化幅度較小,20~40 cm和60~100 cm各土層全鹽量變異較大,變異系數均超過了40%,表明深層土壤全鹽量存在較大差異,且由偏度系數和峰度系數可知,60~100 cm土層全鹽量均偏向平均值右側,分布不集中。
2.2 植煙土壤肥力垂直分布特征
從圖1來看,各土層土壤pH多呈堿性,在0~20 cm土層中,有10%的土壤處于植煙土壤適宜pH范圍(5.5~6.5)[6];而20~100 cm土層中pH大多為堿性。土壤有機質則隨著土層加深,含量逐漸降低,其中0~20 cm土壤有機質含量多在8~12 g/kg,較我國普遍認為的優質煙的土壤適宜有機質含量范圍(15~35 g/kg)[14]低,僅有5%的樣點處于適宜含量范圍內。土壤堿解氮含量表現為淺層土壤堿解氮含量略高,中層土壤堿解氮含量分布集中,其中0~20 cm土層堿解氮含量最高,為58.79~111.55 mg/kg,有3個樣點處于優質煙適宜堿解氮含量范圍內(100~150 mg/kg)[14]。土壤速效磷含量隨著土層加深逐漸降低,0~20 cm土層土壤速效磷含量最高,平均值為13.04 mg/kg,分布較為分散,而烤煙適宜的速效磷含量為10~20 mg/kg[14],由此可知,85%的土壤速效磷含量屬于中高水平。土壤速效鉀含量在150 mg/kg以上可滿足優質烤煙生產的要求[15],由圖可知土壤速效鉀含量在72.08~238.53 mg/kg,其中0~20 cm土層速效鉀平均含量最高,為156.38 mg/kg,有40%的樣點速效鉀含量均值達到適宜水平,而20~100 cm速效鉀含量呈緩慢下降趨勢。
2.3 洛陽植煙地區土壤鹽離子與肥力的關系分析
2.3.1 土壤鹽離子與肥力的相關性分析 土壤肥力與土壤各離子的相關性分析(表3)表明,在0~100 cm土壤中OM與Ca2+存在顯著的負相關關系,相關系數為?0.226;OM與K+存在極顯著的正相關關系,相關系數為0.319;OM與Na+的相關系數為?0.298;AN與K+呈顯著正相關關系,與Na+呈顯著負相關關系,相關系數分別為0.219和?0.252;AK與各離子相關性不顯著;AP與K+呈顯著正相關關系;pH與HCO3?呈極顯著負相關關系。
2.3.2 土壤鹽離子與肥力的冗余分析 進一步采用冗余分析法(RDA),將土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42?、HCO3?和Cl?作為環境因子,將OM、AN、AP、AK和pH作為研究對象,繪制線性排序圖對不同土層土壤鹽分離子與肥力進行分析(圖2)。圖中環境因子(土壤鹽離子)用空心箭頭表示,研究對象(肥力指標)用實心箭頭表示,空心箭頭的長度越長代表這個環境因子對研究對象的分布影響越大;空心箭頭與實心箭頭之間的夾角可以表示研究對象與環境因子之間的相關性,夾角越小,相關性越大[12]。
由圖2可知,在0~80 cm土層中,OM和K+保持一定正相關性,但在80~100 cm土層中,兩者變為負相關,在所有土層中OM始終與Na+、Ca2+和SO42?的箭頭呈反向,說明Na+、Ca2+和SO42?與OM有負相關性;在0~100 cm土層中,AN與Na+的箭頭始終呈反向,表示AN與Na+在全土層呈負
相關性,而AN與Ca2+在0~80 cm有負相關性,在80~100 cm相關性不強,與K+也僅在0~40 cm有一定的正相關關系;AK與各離子的相關性在不同土層表現不一,其中與Cl?在20~40 cm土層呈正相關性,與HCO3?在40~60 cm土層呈負相關性,在60~80 cm與K+離子呈正相關性,在80~100 cm與SO42?呈一定的負相關性;AP在0~80 cm與K+箭頭夾角較小,呈現一定的正相關性,在全土層與SO42?和Ca2+呈現一定的負相關性,與其他離子的相關性在不同土層表現不一致;pH與HCO3?在0~100 cm箭頭夾角較小,即兩者始終呈現負相關性,與其他離子相關性變化較大。K+的箭頭在0~100 cm長度始終較長,說明K+對于主要土壤肥力指標的影響程度較大;SO42?箭頭的長度在各土層變化較平穩,即對各土層肥力指標的貢獻較為穩定;Cl?箭頭的長度隨著深度的增加逐漸增強,說明隨著土層加深,Cl?對各肥力指標的影響逐漸增加,其余離子變化在各土層的變化無明顯規律。
3 討 論
洛陽植煙土壤全鹽量以耕層(0~20 cm)較高,隨著土層加深,全鹽量呈現先降后升的趨勢,并表現出明顯的底聚。研究表明鹽分的分布可能與自然和人為因素有關,隨著土層的加深,耕作和栽培因素影響減弱,地形、地下水位等結構性因素影響增強[16]。植煙土壤長期施用化肥,煙草生長后期正值8—9月,氣溫高、土壤水分蒸發快,地下水位上移 易導致表層鹽聚[5],致使0~20 cm土層含鹽量最高;而灌溉和雨水淋溶也是影響鹽分遷移和積累的重要因素[17],煙草生長時期自然降雨和大田灌溉會將鹽分向下淋洗,這可能是80~100 cm土層含鹽量升高的原因;李志等[18]的研究表明氯化物在土壤中表現出很強的表聚性,硫酸鹽呈底聚趨勢,土壤鹽含量越高,表聚現象越明顯。根據分析,洛陽植煙區取樣點土壤鹽漬化程度較小,硫酸根離子和氯離子均存在,因而引起鹽分表聚和底聚;而20~80 cm土壤含鹽量呈下降趨勢,這可能是農田機械耕作導致的緊實犁底層阻礙了鹽分隨水下移[19],也可能與洛陽地處半干潤地區,降雨量偏低,制約了鹽分隨
水下移的程度有關。
對洛陽植煙土壤進行分析時發現,0~20 cm土層土壤肥力良好,土層加深,各肥力指標變化不一,這可能與根系分泌物及脫落物產生有機質有關[20],也可能與耕層土壤常年施肥相關。在諸多離子中,K+、SO42?和HCO3?與土壤各肥力指標關系密切,這可能與煙田施肥種類和植煙土壤類型有關。洛陽煙區主要使用煙草專用復合肥,其中鉀肥以硫酸鉀為主[21],使得煙田K+、SO42?的含量較高,這可能是淺層土壤中K+和SO42?與各肥力指標相關性較大的原因,HCO3?對土壤肥力的影響可能與土壤pH的變化相關[22]。在20~100 cm土層中,K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42?、HCO3?、Cl?均對土壤肥力指標有一定程度影響,且這種影響呈現兩面性,即鹽分離子可以影響土壤中諸多因素來增加或降低土壤肥力。其中Na+水解后與HCO3?、CO3?結合,會造成土壤堿性增大,土壤膠體高度分散,破壞土壤物理結構,影響肥力釋放[23];Ca2+對磷素有固定作用,Ca2+含量高會降低土壤速效磷的含量[24],也會降低速效鉀的有效性[25];土壤中Mg2+含量增加能改善土壤的氮磷鉀水平,提高土壤相關養分的含量[26];Cl?可增強土壤中性磷酸酶活性,降低堿性磷酸酶活性,影響土壤速效磷含量[27],且其含量過高則會減少土壤微生物含量,進而降低土壤肥力。有研究指出荒漠鹽生植物所處土壤含水量較低,作物根系會增強對水分的吸收提高根際滲透勢,使養分向根系移動,起到“營養泵”的作用,從而造成表層土壤速效養分虧缺程度比內陸地區要小[28];土壤中的鹽分也會對菌群的活性起到一定的抑制作用,使土壤微生物的種群數目減少,間接對土壤肥力產生不良影響[29];而土層加深,土壤中微生物數量較少,腐解作用逐漸減弱,這也是土壤肥力隨著土層加深而降低的原因[28]。
離子與pH之間也具有顯著相關性,歐陽磊等[30]表示pH為5.5~6.5時,土壤有效鈣、有效硫、有效鎂和水溶性氯離子的含量豐富,能夠滿足優質烤煙需要,因此離子與土壤pH有著密不可分的關聯,趙蘭坡等[31]試驗表明,土壤pH隨著土壤剖面的加深而增加,這種變化與可溶鹽總量有關,土壤中可溶鹽總量越高,其pH也越高。本文研究指出在0~100 cm土層pH與HCO3?相關性較強,原因可能為根系吸收陽離子后,殘存的HCO3?等由于和土壤膠體帶有相同的負電荷[32],很容易與水解離出的H+結合,致使土壤pH升高;而與Ca2+、Mg2+在不同土層相關性表現不一致,可能與這兩種離子在不同土層含量不一致有關。
4 結 論
洛陽植煙土壤含鹽量呈現明顯的表聚和底聚分布特征,部分地區已表現出輕度鹽漬化。耕層土壤有機質、堿解氮含量略低,速效磷、速效鉀含量部分處于適宜烤煙種植范圍內,土壤pH整體偏高;不同土層中鹽分離子對土壤肥力指標的影響不同,表層土壤中K+、Na+、HCO3?、SO42?等貢獻較大,其中K+對OM、AN和AP均存在顯著影響;隨著土層加深,HCO3?、SO42?對肥力指標的影響減弱,而Cl?的影響變大。
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