贛北植棉區(qū)棉花不同播期土壤氮素空間分布特征分析*

劉帥，胡啟星，孫巨龍，白志剛，崔愛花

(江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

土壤是作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]，氮素是作物從土壤中獲取量最多的元素之一，也是作物生長發(fā)育所必需的元素之一[2]。對于土壤氮素的研究，國內(nèi)外學(xué)者從多角度進(jìn)行了分析[3-4]。土壤空間是不同區(qū)域高度相關(guān)的連續(xù)變異體，具有較高的空間異質(zhì)性[5]，這就導(dǎo)致即使在相同土壤類型下，不同空間位置土壤氮素也具有明顯差異[6]。不同播期棉株冠層發(fā)育進(jìn)程差異較大，由此導(dǎo)致的冠層光合有效輻射截獲率亦差異較大[7]，進(jìn)而導(dǎo)致棉株對于養(yǎng)分的吸收不盡相同。

土壤氮素是影響棉花生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成的重要因素，探索棉花不同播期對土壤氮素空間分布的影響，全面精確地了解土壤氮素的空間分布特征，是實(shí)現(xiàn)土壤氮素高效利用的前提，為指導(dǎo)贛北植棉區(qū)棉花實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)提供重要依據(jù)。

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在江西省棉花研究所試驗(yàn)基地(江西省九江市，29°42′N，115°51′E)進(jìn)行，試驗(yàn)材料為中棉425(CCRI 425)，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3個播期處理，分別為M1(5月10日)、M2(5月20日)、M3(5月30日)，3次重復(fù)，采用直播方式，等行距種植，播種密度為8.25萬株/hm2，行距為76 cm，小區(qū)面積為54.72 m2。

該地塊土壤類型為壤質(zhì)灰潮土，播種前耕作表層有機(jī)質(zhì)含量為1.43 g/kg，全氮為1.05 g/kg，速效磷為65 mg/kg，速效鉀為248 mg/kg。播前施用復(fù)合肥450 kg/hm2，并于開花期追施復(fù)合肥(氮、磷、鉀有效養(yǎng)分含量分別為25%、10%和16%)600 kg/hm2，施肥方式為棉行間溝施。試驗(yàn)地耕作制度為多年棉花連作，冬季空閑。田間施肥、打頂、化控等管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)相同。

1.2 取樣與測定方法

在棉花收獲結(jié)束后進(jìn)行田間土壤取樣，取樣日期為11月15～16日。取樣方法為空間網(wǎng)格法：即以棉行位置為橫向距離0 cm點(diǎn)，向垂直棉行的左右兩邊每間隔20 cm為橫向距離各取兩點(diǎn)，共計(jì)5點(diǎn)，取樣點(diǎn)依次為橫向距離-40 cm、-20 cm、0 cm、20 cm、40 cm；在每個點(diǎn)處垂直地面向下每間隔20 cm取一點(diǎn)，即0 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm處取樣(圖1)，每個小區(qū)樣品共計(jì)25份。取回土壤在室內(nèi)自然條件下風(fēng)干，磨碎，過100目篩(0.15 mm)，測定土壤全氮含量。

圖1 棉田土壤網(wǎng)格取樣法

土壤全氮含量測定方法為凱氏定氮法[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，空間統(tǒng)計(jì)采用Surfer 12進(jìn)行分析，采用單因素方差分析和Duncan`s檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1 播期對棉田空間位點(diǎn)氮素的影響

空間異質(zhì)性是客觀存在的，為分析不同播期下網(wǎng)格取樣法下空間相關(guān)性，采用環(huán)境科學(xué)空間統(tǒng)計(jì)軟件(GS+)對3個播期的土壤氮素含量進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合。M1、M2和M3播期的塊金值與基臺值的比值分別為0.0597、0.0020和0.0004，而一般認(rèn)為塊基比<0.25時(shí)，空間變量為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)[9]，可以看出在該取樣尺度下3個播期均存在強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。

由圖2可知，土壤氮素水平隨土壤深度的增加逐漸減小，在橫向距離0 cm的土壤表層處，各處理氮素含量分別為1.03、1.02、1.00 g/kg；土壤氮素在表層0～20 cm處含量較高，M1、M2、M3在該位置氮素含量分別為0.74～1.06 g/kg、0.85～1.12 g/kg、0.83～1.03 g/kg；在土壤深度20～60 cm處，各處理氮素含量分別為0.64～0.83 g/kg、0.60～1.03 g/kg、0.70～0.96 g/kg；在土壤深度60～80 cm處，各處理氮素含量分別為0.59～0.71 g/kg、0.54～0.67 g/kg、0.60～0.76 g/kg；總的來說，棉田土壤氮素隨播期推遲而增加，即M1播期

圖2 三個播期的棉田土壤氮素空間分布

2.2 播期對棉田空間剖面線氮素的影響

為觀察棉田土壤空間剖面線氮素變化情況，在橫向距離40 cm處(約為棉行中間位置)和橫向距離0 cm處(棉行位置)觀察氮素水平變化。

在橫向40 cm處，M1處理在縱向距離0～20 cm內(nèi)土壤氮素水平逐漸降低到0.78 g/kg以下，在20～80 cm處土壤氮素保持在0.6 g/kg與0.78 g/kg之間，M2處理在縱向距離0～40 cm內(nèi)土壤氮素降低速率較小，該位置氮素含量為0.9～1.12 g/kg，在縱向距離40～60 cm內(nèi)降低速率較大，氮素含量為0.65～0.9 g/kg，M3處理土壤氮素含量隨土壤深度的增加呈均勻的降低趨勢(圖3)。

圖3 橫向距離40 cm處土壤氮素含量縱向變化

在橫向距離0 cm處，M1處理在0～20 cm處氮素含量下降速率較大，在20～80 cm處氮素含量降低速率較小，M2處理在縱向距離60 cm處氮素含量較低，為0.60 g/kg，之后隨縱向距離的增加略有升高，M3處理在縱向距離0～80 cm內(nèi)氮素含量降低速率較為一致(圖4)。

圖4 橫向距離0 cm處土壤氮素含量縱向變化

由圖5可以看出，在棉行位置(橫向距離0 cm)，M1處理在橫向距離-40～40 cm內(nèi)變化不大，M2、M3處理氮素含量低于棉行中間位置(橫向距離40 cm)；在縱向距離40 cm處，M1、M3處理在橫向距離0 cm處氮素含量低于-40 cm和40 cm處，M2處理在橫向距離0 cm處低于40 cm處。隨著縱向距離的增加，各空間剖面線氮素含量有所降低，且隨著播期的推遲，在橫向距離0 cm處氮素含量有降低的趨勢。

圖5 縱向距離20 cm處土壤氮素含量橫向變化

圖6 縱向距離40 cm處土壤氮素含量橫向變化

2.3 播期對棉田空間區(qū)域氮素的影響

將橫向-13～13 cm處看做棉行區(qū)域，將-40～-13 cm、13～40 cm處看做行間區(qū)域，將縱向0～26 cm處看做棉田土壤上部區(qū)域，將26～53 cm處看做中部區(qū)域，將53～80 cm處看做下部區(qū)域，以不同空間區(qū)域分析氮素含量差異

由表1可知，隨播期的推遲，棉行位置氮素含量逐漸升高，且M1處理顯著低于M3；在行間位置，氮素含量亦隨播期的推遲呈升高趨勢，M1處理顯著低于M2、M3處理；在同一播期下，棉行處氮素含量與行間處差別不大。同一播期下，氮素含量在上部區(qū)域最高，中部次之，下部最低；在上部、中部、下部空間區(qū)域，M1處理均低于M3處理。

表1 棉田不同空間區(qū)域(g/kg)

3討論與結(jié)論

以往的研究表明，在連作棉田中，土壤養(yǎng)分的空間分布與棉花根系分布存在一定的相關(guān)性，根系生長處由于長期存在根系殘留物，導(dǎo)致根系所在位置養(yǎng)分含量較高[10]。本研究中棉行位置氮素含量與行間位置差別不大，這可能是由于贛北植棉區(qū)田間施肥方式和降雨量大引起的。李騰，等[11]在對土壤速效磷的研究中發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度的增加，土壤速效磷呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，且在0～40 cm土層較為明顯。贛北植棉區(qū)5月10日播期處理土壤氮素含量在0～20 cm土層下降速率較大；5月20日播期處理在0～40 cm土層下降速率較大；5月30日播期處理在0～80 cm土層均保持較大的下降速率。

隨著播期的推遲，有效生育期縮短，從而影響棉株生物量和養(yǎng)分累積[12]，間接影響土壤氮素含量。楊長琴，等[13]的研究表明，隨著播期的推遲，棉株生物量降低，同時(shí)植株和生殖器官的養(yǎng)分積累量也有所降低。本研究發(fā)現(xiàn)晚播(5月30日)棉田土壤的養(yǎng)分含量較早播(5月10日)高，這與棉株發(fā)育情況有直接關(guān)系。

綜上所述，贛北植棉區(qū)土壤氮素含量隨土層深度的增加呈逐漸降低的趨勢，與播期的推遲大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同空間區(qū)域略有不同；采用空間網(wǎng)格法對棉田土壤進(jìn)行氮素空間分布分析，有助于精確了解贛北植棉區(qū)長期連作棉田土壤質(zhì)量情況，為棉田施肥、土壤改良等提供依據(jù)。