瑪河流域不同連作年限棉田土壤質量分析及綜合評價

姜 艷，劉東陽，李健梅，王 鵬

1.石河子大學農學院農業資源與環境系，新疆 石河子 832000; 2.新疆農墾科學院作物研究所，新疆 石河子 832000;3.內蒙古通遼市經濟作物工作站，內蒙古 通遼 028000)

土壤質量對農業可持續發展至關重要，土壤質量評價是國內外學者關注的焦點。農田土壤受農作物品種、耕作方式、田間管理措施、農藥、化肥、土壤理化性質等多因素影響[1-4]，導致土壤質量評價尤為困難，目前評價指標和評價方法尚未有統一標準[5-6]。土壤肥力是土壤質量的基礎，對農田土壤質量評價更多地偏向農田土壤肥力相關研究[7-13]；隨著工業和城市化快速發展，重金屬污染逐年累積，加重了土壤重金屬污染，也成為當前土壤質量評價的重要指標之一[2,14-15]。

新疆瑪河流域屬于干旱半干旱區，荒漠化和鹽漬化嚴重，農田土壤肥力逐年下降，在這樣的環境背景下，棉花作為新疆的主要農作物，一方面施肥量比其他農作物更大；另一方面棉花連作面積逐年增大，據統計，當前南疆連作棉區面積占50%，北疆占65%，一些縣(團場)高達85%以上。高施肥加之長期連作，導致棉田土壤肥力下降，重金屬污染不斷加劇[16-19]，土壤環境惡化[20-24]，棉田土壤質量問題日益突出，嚴重制約了棉花產量和品質的持續提高，因此迫切需要開展長期連作棉田土壤質量評價。

有關農田土壤質量方面的研究較多，Kirchmann等[25]選取pH值、速效磷、鎘含量等作為評價指標對農業土壤質量進行了等級劃分；鄭琦等[2]采用3種評價方法根據土壤理化性質、重金屬及農藥污染指標對新疆棉田土壤質量進行了評價；王瓊等[5]通過分析土壤理化指標構建了基于遙感技術的棉田土壤質量評價指標體系和評價方法；趙麗莉等[26]選取土壤理化性質及土壤養分作為評價指標，采用綜合指數法對新疆博湖縣耕地進行了土壤質量評價；文雯等[27]根據石河子墾區耕地土壤Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、As和Hg等8種重金屬分布特征評價了土壤環境。在長期連作土壤質量評價方面，王海江等[14]分析了瑪河流域連作棉田土壤重金屬分布特征；貢璐等[28]綜合土壤理化、生物性質，基于因子分析和聚類分析法評價了塔河上游不同連作年限棉田土壤質量差異并劃分了等級；韓春麗等[20]、劉建國等[23]針對長期連作對棉花生長及土壤理化特性的影響做了相關研究，但沒有對不同連作棉田土壤質量狀況作出綜合評價。以上研究環境、氣候等不相同，評價指標和評價方法也不盡相同；且針對棉花長期連作評價因子多是單方面的，或是僅對比分析了不同連作年限土壤理化性質，或是針對土壤重金屬指標進行了污染評價，綜合考慮土壤養分及重金屬的多因子綜合量化評價研究相對較少。

針對以上問題，本研究以新疆瑪河流域不同連作年限棉田為研究對象，綜合考慮棉田土壤養分及重金屬指標，對比分析不同連作年限各指標特征，確定能夠反映出新疆綠洲棉田土壤環境質量綜合規律的敏感指標，并采用因子分析法對不同連作年限棉田土壤質量進行綜合評分，通過土壤綜合質量指數法(SQI)對不同連作年限棉田土壤質量進行等級劃分。探尋連作棉田可持續發展的障礙因素，并針對不利因素在土壤質量可能發生退化、惡化之前盡早提出預警，及時加強農田土壤質量調控力度，以期為農業管理和政策制定提供理論依據，實現新疆棉業持續高效發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017、2018年在新疆生產建設兵團農八師石河子總場進行。該區域位于荒漠綠洲過渡帶，東經85°50′-86°02′，北緯44°18′-45°12′，海拔約440 m，屬典型的干旱荒漠區，主要土壤類型是灰漠土。無霜期160～180 d，≥10℃積溫3 800℃，日照豐富，年日照時數約2 600～3 000 h，年均降雨量200 mm左右，年蒸發量1 700～2 200 mm，風沙頻繁，水資源短缺。

1.2 試驗設計

試驗采用空間代替時間的方法，在同一海拔區選擇地理位置相近、土壤條件相似、當前棉花品種一致的連作1、5、10、15、20 a和25 a以上的6塊棉田為研究樣地，其中1 a棉田為荒地開墾種植。灌溉方式均為滴灌，全生育期滴水約10次，6月初灌頭水，之后每隔10 d左右滴水1次，至8月底停水。整個生育期灌溉施肥同步進行，各棉田施肥種類和數量一致，主要包括尿素、磷酸二胺等。種植模式均為一膜六行(66+10)、一膜三管配置，株距均為12 cm。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 評價指標 土壤質量評價指標對土壤功能和最終評價結果具有顯著影響，借鑒相關研究構建的土壤質量評價指標體系[24-26]，將6個土壤養分指標(全氮、速效鉀、速效磷、有機質、鹽分、pH值)和6個重金屬(Cr、Cd、Pb、Ni、Cu、As)指標確定為不同連作棉田土壤質量評價的指標體系。

1.3.2 采樣方法 不同連作年限棉田土壤于2017、2018年連續兩年在秋季棉花收獲后選點，各樣地設置3個典型樣方，設置3次重復，采集表層0～20 cm土樣，處理后測定土壤含鹽量、pH值、有機質、速效磷、速效鉀、全氮以及As、Cd、Cr、Ni、Cu 和Pb等12個指標。

1.3.3 指標測定方法 pH值采用酸度計法；鹽含量采用質量法；有機質含量采用K2Cr2O7-H2SO2消煮結合FeSO4容量法；全氮含量采用凱氏定氮法；速效磷含量采用Olsen法；速效鉀含量采用中性NH4Ac(1 mol·L-1)浸提-火焰光度法；重金屬As、Cd、Cr、Ni、Cu 和 Pb含量采用電感耦合離子體光譜儀測定。

1.4 數據處理及評價模型

采用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。通過因子分析法中的主成分分析提取主要因子及主成分特征值、貢獻率，計算各指標參數權重。

1.4.1 指標權重計算 不同評價指標對土壤質量的貢獻程度不一樣，權重可反映各評價單項指標對土壤綜合質量的影響程度和貢獻率。為了定量分析每個指標的重要性和貢獻率，提高評價結果的可靠性，本研究通過確定各評價指標的公因子方差，結合公式(1)來計算各指標權重[29]。

(1)

式中，αi表示第i個評價指標的權重；Hi表示第i個評價指標的公因子方差；n表示指標總數。

1.4.2 因子分析法綜合評分 由于各單項評價指標只是從不同側面反映了土壤質量狀況，并不能作出綜合性評價[24,27]，土壤質量評分可綜合考慮各指標的特點和重要性，對土壤質量整體情況做出評分，具體評分方法如公式(2)[30]。

SQAV=∑bizi

(2)

式中，SQAV為土壤質量評分；bi表示各因子的方差貢獻率；zi為因子得分，zi=∑xijyij，xij為第i個變量在第j個因子處的因子得分系數，yij為第i個變量在第j個因子處的標準化值。

1.4.3 土壤綜合質量指數法 將12個土壤質量評價指標分為正向指標和逆向指標，正向指標的含量越多，對土壤的積極作用越明顯，反之稱為逆向指標。結合各評價指標的分級標準(表1，表2)，綜合土壤養分及重金屬污染物對不同連作年限棉田土壤質量進行評價，具體模型如公式(3)[31]：

(3)

式中，SQI為土壤綜合質量指數，SFI為土壤養分指數，SFI=土壤養分實測值(Si)/各養分分級高級標準值(S1)，SFImin為SFI的最小值，SFIave為SFI的平均值；PI=土壤污染物實測值(Ci)/國家二級標準值(C1)，C1包括6種重金屬及土壤 pH 值和鹽分含量；重金屬按照國家二級標準取值(表2)；pH值和含鹽量結合新疆土壤高鹽堿特點取五級最大值[2]。

表1 新疆棉區土壤化學性狀等級劃分國家二級標準/(mg·kg-1)

表2 新疆棉區土壤重金屬含量評價標準/(mg·kg-1)

1.4.4 土壤重金屬污染評價 Muller地質累積指數法(ISHM)可反映人為活動對土壤環境的影響[32]，也可對不同連作年限土壤表層重金屬進行污染評價(表3)，計算方法如公式(4)。

(4)

式中,ISHM為地質累積指數；Ci為重金屬元素i的實測含量(mg·kg-1)；k為修正系數，本研究取1.5；BEi為重金屬元素i的新疆土壤背景值(mg·kg-1)[14]。

2 結果與分析

2.1 不同連作年限棉田土壤養分含量分析

棉田土壤表現為弱堿性，隨連作年限增加pH值先下降后上升，種植棉花1 a時pH值最大(7.898)，之后降低，至10 a時降低至最小(7.702)，其后開始上升，至連作25 a時與1 a僅相差0.012，差異不顯著(P>0.05)；其他連作年限處理pH值差異顯著(P<0.05)(圖1A)。土壤含鹽量在3.465～3.829 g·kg-1之間，屬輕度鹽化，隨連作年限增加含鹽量基本呈上升趨勢，僅在連作10 a時稍有下降，至20、25 a時上升到最大(3.801～3.856 g·kg-1)(圖1B)。有機質含量隨連作年限增加呈先上升后下降的趨勢，其中連作10 a含量達最高(19.97 g·kg-1)，25 a時降低至14.93 g·kg-1，接近于1a的水平(圖1C)。全氮含量從種植1 a(0.40 g·kg-1)開始逐年遞增，25 a時含量達0.90 g·kg-1，各年限間差異顯著(P<0.05)(圖1D)。土壤速效鉀含量在連作5 a時最大，其次是連作10 a，之后隨連作年限增加呈降低趨勢(圖1E)；速效磷含量隨連作年限增加呈下降趨勢，其中連作5、10 a含量最高(圖1F)。

注：不同小寫字母表示不同連作年限間有顯著差異，下同。Note: Different lowercase letters indicate that there were significant differences among different continuous cropping years. The same below.圖1 不同連作年限棉田土壤化學性狀Fig.1 Soil chemical properties of continuous cropping cotton field for different years

棉田土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Pb、As和Cd含量隨連作年限增加而增加，至連作25 a含量最高，且25 a顯著高于其他年限(P<0.05)(圖2)。其中Cr含量在棉花種植1 a時最低，Ni、Cu和Cd含量在連作5 a時最低(圖2A)，As和Pb在連作1 a和5 a時均較低，且兩者差異不顯著(P>0.05)(圖2C、2F)。各連作年限Cr、Ni、Cu和As含量均超過新疆背景值(表2)，而Cd含量是在連作10 a時超過新疆背景值，Pb含量在各連作年限種均小于背景值。

圖2 不同連作年限棉田土壤重金屬含量Fig.2 Soil heavy metals content of continuous cropping cotton field for different years

2.2 不同連作年限棉田土壤質量評價

2.2.1 單項評價指標量化及標準化 為了消除量綱的影響及在數量級上的差別，首先對12個評價指標進行標準化變換，得到各指標累積貢獻率(表4)。可以看出，前2個因子可以代表12個指標的89.932%的信息，即把12個指標綜合成2個因子完全能反映土壤原始總體特征。

表3 土壤重金屬污染評價分級標準

表4 各因子特征值、方差貢獻率及累積貢獻率

2.2.2 單項指標權重分析 為了分析12個指標對第一、第二因子的重要程度，計算了公因子方差和各指標權重(表5)。可以看出，第一主因子與6種重金屬均呈正相關，與速效鉀、速效磷兩個養分指標呈負相關，說明土壤重金屬污染重，不利于土壤磷鉀含量的提高。第二主因子與土壤有機質正相關(>0.911)，與pH值呈負相關，說明不同連作棉田土壤由鹽堿化向中性演變的過程更有利于土壤有機質積累。由各指標權重可以看出，土壤全氮、pH值及重金屬Cr、Pb和Cd貢獻率最大。

表5 旋轉后的因子載荷矩陣、公因子方差及權重

2.2.3 土壤重金屬污染指數分析 土壤重金屬污染指數(表6)表明，Pb在連作1～25 a均表現為ISHM<0，As在連作20 a和25 a時ISHM>0，Cu在各連作年限均表現為ISHM>0；其他3種重金屬(Cr、Ni和Cd)在短期連作1、5 a和10 a時ISHM<0，連作15 a之后ISHM>0。

2.2.4 土壤質量綜合評價 通過評價指標因子得分可獲得各因子在不同連作年限中的得分情況，最后由各因子方差貢獻率(表4)和因子得分加權得到不同年限棉田土壤質量綜合評分(表7)。可以看出，棉田土壤質量評分最高的為連作10 a，其次分別是5、15、20、1 a和25 a。

表6 不同連作年限棉田土壤重金屬ISHM值

表7 不同連作年限棉田土壤質量評價結果

進一步通過土壤綜合質量評價指數法計算SQI值(表8)，對照土壤污染指數評價分級標準(表3)，可以得出連作5 a和10 a的棉田土壤質量為“高”，連作15 a和20 a棉田土壤為“中”；連作1 a和25 a棉田土壤質量狀況較差，為“低”，不利于土壤質量提升。土壤綜合質量評價指數法評價結果(表8)與因子分析法(表7)得出的結果一致，說明該兩種方法得出的結論有一定借鑒價值。

表8 不同連作年限棉田土壤質量預警結果

3 討 論

3.1 長期連作對土壤養分的影響

連作對土壤養分的影響目前還存在一定爭論，有研究認為作物連作后造成土壤養分虧缺和失衡；但也研究得出，并不是所有長期連作作物均會導致土壤養分下降。如劉方等[33]研究認為正常施肥條件下，烤煙長期連作后土壤有效養分不但沒有虧缺反而出現不同程度積累現象；孫小花等[34]研究發現長期連作顯著降低土壤有機碳含量；貢璐等[28]研究得出連作10～15 a的棉田土壤有機質、養分明顯提高；劉建國等[23]研究表明長期連作棉田土壤有效鉀、磷含量均降低，土壤有機質含量顯著上升。本研究棉田土壤pH值表現為開墾種植1 a時最高，后期連作5、10 a時快速下降，至15 a時pH值又開始逐漸升高，主要原因是從1 a開始，種植年限越長，耕翻等越頻繁，土壤表層pH值降低越快，此外棉田施肥也會引起土壤酸化；至連作15 a又逐漸升高，是因為膜下滴灌使地下水位升高，深層鹽分隨水分蒸發向表層聚集，鹽離子濃度增加，pH值升高，這也正是土壤鹽分隨連作年限增加呈上升趨勢的原因(圖1A，B)。陳緒蘭等[35]、齊莎等[36]研究得出土壤pH值隨連作年限增加表現為上升趨勢。土壤有機質含量隨連作年限增加呈先上升后下降趨勢，至連作10 a有機質含量達最高(圖1C)，這可能是因為一方面機械作業增加導致土壤疏松多孔，有機質含量增加；另一方面，新疆棉花施肥量大，同時常年棉花秸稈還田導致連作10、15 a時土壤有機質含量呈現出逐年累積趨勢。連作10 a之后有機質含量大幅下降，說明連作年限超過10 a棉花大量不間斷地吸收土壤養分，導致連作25 a時棉田有機質含量大幅度下降，接近于剛開墾1 a的棉田水平。土壤全氮和速效磷含量在長期連作后逐年累積(圖1D，F)，原因可能是在新疆普遍重施氮磷肥，長期連作會導致全氮和速效磷在土壤中積累[14]。速效鉀含量則從連作10 a后顯著降低(圖1E)，這與玉蘇甫等[37]研究得出的綠洲棉田連作年限增加會導致土壤含鉀量顯著下降的結論一致。這是因為新疆鉀肥施用量相對較少，而在長期連作10 a后棉花會從土壤中吸收大量鉀素，造成土壤缺鉀，致使土壤中的氮、磷、鉀比例失調。

3.2 長期連作下棉田土壤重金屬污染情況

土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Pb、As和Cd含量均隨連作年限增長而增加，因此認為長期連作會導致土壤積累重金屬，這與很多學者認為新疆天山北坡棉田土壤重金屬富集嚴重的結論一致[15,38]。土壤重金屬污染指數(ISHM)表明，Pb在各連作年限均表現為無污染，而Cu含量則表現為超標；Cr、Ni和Cd在10 a以下的短期連作中均不存在污染情況，但連作15 a開始出現重金屬富集；As在連作20 a和25 a時出現輕度污染。總體看來，連作年限超過15 a土壤會出現不同程度的重金屬污染問題。

3.3 不同連作棉田土壤質量評價

基于因子分析法得出的不同連作年限棉田土壤質量評分SQAV最高的是連作10 a，其次是5 a，最低的是1 a和25 a，這與土壤綜合質量指數SQI評價法得出的5 a和10 a棉田土壤質量為“高”，1 a和25 a為“低”的結果相一致，表明兩種方法均有一定的合理性。綜合兩種方法得出的結論，研究認為連作5 a和10 a的棉田土壤質量狀況最佳，土壤pH值和含鹽量低，有利于土壤有機質積累，Pb、Cr、Ni、Cd和As等5種重金屬均為“無污染”狀態，說明10 a以下的短期連作有利于減弱棉田土壤鹽堿程度，養分含量升高，土壤綜合質量趨好。連作15 a和20 a土壤質量等級為“中”，自15 a開始出現重金屬Cr、Ni、Cd等富集明顯，有機質呈降低趨勢，pH值和鹽堿量增大，土壤綜合質量下降。而連作1 a和25 a土壤質量為“低”，說明連作時間過長和剛剛開墾種植的棉田均不利于土壤質量提升，1 a和25 a土壤pH值和含鹽量均相對較大，這是因為新疆土壤本身鹽堿含量較高，1 a種植時間太短、土壤水、氮磷鉀肥等含量較低，不利于改良土壤；之后隨著種植年限延長，耕地翻土、施肥等降低土壤酸化，土壤表層pH值迅速降低；但連作時間超過15 a又開始增加，至25 a時達最大，是因為25 a的長期連作膜下滴灌使地下水位升高，深層鹽分隨水蒸發向表層聚集，鹽離子濃度增加，鹽分含量最高，pH值升高，土壤鹽堿化嚴重，不利于土壤養分儲備，土壤綜合質量較差。貢璐等[28]研究同樣認為8、12 a連作棉田土壤質量相對較高，長期(20、30 a)連作土壤質量有退化趨勢；與丁峰等[39]對新疆天山北坡經濟帶不同年限(0～11 a) 連作滴灌棉田土壤質量變化趨勢的研究結果相同；周斌等[40]也提出13 a耕作農田土壤質量提高效果明顯；范君華等[41]對不同連作年限棉田的研究發現，與新開墾棉田相比，連作15 a后棉田土壤有機質、全氮含量增加；Xu等[42]研究認為連作5～10 a后通過輪作、倒茬能緩解土壤壓力，提升土壤質量。以上研究區域不同，土壤質量評價指標不同，但結論均為長時間單一種植模式使棉田土壤質量不斷退化。

4 結 論

土壤質量評價指標和方法決定了評價結果的可靠性，本研究選取土壤養分及重金屬作為評價指標，因子分析評價法和土壤質量綜合評價指數法得出的結論均為連作5 a和10 a更有利于提升土壤質量和棉花提質增效；而開墾初期1 a及長期連作10 a以上的棉田土壤質量有不同程度退化。本研究與前人研究選取指標不同但結論一致，說明評價方法和指標的選取有一定參考性。但研究未選取微生物和環境指標，指標選取不夠全面，尚未建立完善的新疆綠洲不同連作年限棉田土壤質量評價指標體系，試驗數據還需進一步積累，在多年觀測數據的基礎上才能更加科學地展開土壤質量評價，這也是未來工作的重點。此外，土壤重金屬在不同連作年限棉田土壤中的污染情況與兩種土壤質量評價方法得出的結論吻合，即長期連作會導致重金屬富集，不利于土壤質量提升，說明重金屬可以作為不同連作年限棉田土壤質量評價的指標之一，進一步分析不同連作年限棉田土壤重金屬污染機制是將來的研究重點。