瑪納斯河流域不同灌區棉田土壤銨態氮和硝態氮變化特征及影響因素*

石軒，李艷紅，李發東，3，4

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054

2. 新疆維吾爾自治區重點實驗室/新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆烏魯木齊 830054

3. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

4. 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190

農田土壤中的氮素對于農作物的生長起著重要的作用，通常情況下，植物生長過程中所吸收的土壤里的氮素相較其他元素要高，因此氮素往往成為影響植物生長的主要元素。氮肥在土壤中相比其他肥料不太穩定，所以在作物不同的生長期，氮肥作為追肥可以提高其利用效率［1］。近年來，大多數國內外學者對土壤中氮素的影響因素進行了諸多研究。國內學者研究了土壤水分、溫度等對土壤氮素的影響，發現在土壤水分和溫度都較低的情況下，土壤礦化速度會減慢，從而導致作物吸收土壤中氮素的速度減慢［2］。而國外學者發現在不同的施肥方式（施氮量和施肥方式）［3］，降雨量導致的土壤含水量變化［4］，灌溉方式［5］等，都會影響土壤中氮素的多寡。對于農田土壤銨態氮和硝態氮變化，主要側重于田間模擬試驗，通過人工控制參數來研究［6］，關于不同農田開發年限，土壤銨態氮和硝態氮以及季節變化的研究較為薄弱。

瑪河灌區作為新疆最大的棉花種植區和全國第4 大灌溉農業區［7］，灌溉歷史悠久，對區域氣候、土壤質量及農業經濟等有著重要的作用。目前，諸多學者從田間試驗的角度，通過人工控制水分、施肥量［8］等對農田銨態氮和硝態氮進行了研究。結果表明，土壤水熱條件、施肥量、pH、鹽分是影響土壤銨態氮和硝態氮的主要因素，但是對整個瑪河灌區土壤銨態氮和硝態氮（N-N、NN）動態變化和影響因素的研究較少。因此，本文以瑪河流域各個灌區的棉田土壤為研究對象，研究了不同灌區土壤銨態氮和硝態氮的動態變化及其影響因素，通過和其他農田生態系統以及流域土壤銨態氮和硝態氮的對比，探討瑪河流域土壤銨態氮和硝態氮的變化特征，為農田施肥管理和農田生態環境保護提供科學依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

瑪納斯河（簡稱瑪河）灌區位于天山北坡，準噶爾盆地南緣，地理位置85°00'～86°32'E，44°10'～45°14'N，總面積約8.40×103km2，是新疆最大的荒漠綠洲農耕區和全國第4大灌溉農業區，棉花種植面積占作物種植面積的70%以上［9］。灌區內氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，屬典型干旱大陸性氣候。灌區年日照時數2 550～3 100 h，年均降水量110～200 mm，年均蒸發量1 500～2 000 mm，無霜期148～187 d；瑪河灌區地勢南高北低，自西向東劃分為下野地灌區、安集海灌區、金溝河灌區、石河子灌區和莫索灣灌區以及新湖總場灌區等6大子灌區［10］（見圖1，表1）。

表1 各灌區施氮肥量、開發年份和灌區面積Table 1 Average annual fertilization amount，development years and irrigation area in each irrigation area

圖1 瑪納斯河流域棉田土壤采樣點分布Fig.1 Distribution of soil sampling points in cotton field in Manas river basin

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集方法2019 年5 月、8 月、10 月在瑪河流域棉田土壤按照不同的灌區進行了多點和重復采樣，采樣深度分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm，確保每個采樣點都是膜下棉田土壤。共設置采樣點24 個，按照五點法用鐵鍬和土鉆等工具進行采樣，共采集土壤樣品1 800 個（圖1）。各灌區面積不同，采樣點數量也不同。

1.2.2 樣品測定方法在土樣采集完畢后立即帶回實驗室，立即裝入保鮮袋中低溫保存，用于室內土壤銨態氮和硝態氮的測定，同時記錄采樣點的每公頃全年施氮量、農田開發年限以及土壤含水量等指標。土壤銨態氮和硝態氮采用2 mol/L KCl浸提，使用雙波長紫外比色法測定［11］。

1.2.3 數據處理使用Microsoft Office Excel 2019 進行數據描述性統計分析，采用單因素方差分析方法進行方差分析，使用最小顯著差（LSD）法對顯著性進行多重比較，利用Pearson 相關分析銨態氮硝態氮含量和土壤因子的關系，采用t檢驗比較棉花不同生長期銨態氮和硝態氮的差異，采用origin進行作圖，利用建立逐步回歸方程進行各因素之間的通徑分析，使用克里金插值法繪制瑪河流域氮肥施用量分布圖。

2 結果與分析

2.1 銨態氮和硝態氮變化規律

銨態氮和硝態氮都是可以直接被植物根系吸收的氮，同時也是衡量土壤肥力的重要指標。通過對瑪河流域各個灌區不同深度的棉田土壤研究后發現（圖2），各大灌區銨態氮的含量在5、8、10 月份隨著土層深度的增加而減少，但是表層（0～5 cm）的銨態氮含量顯著低于5～10 cm 土層，且占總銨態氮含量的比例低于5～10 cm 土層，各個灌區5、8、10 月份5～10 cm 處的銨態氮含量均為最大值。從季節來看，各個灌區銨態氮的含量具有明顯的季節變化，8 月份時，各灌區的銨態氮含量出現最大值，并且除石河子灌區外，最大值都在5～10 cm 處土層，分別為：下野地灌區（13.8 mg/kg）、安集海灌區（7.88 mg/kg）金溝河灌區（5.81 mg/kg）、莫索灣灌區（12.15 mg/kg）、新湖總場灌區（8.11 mg/kg），石河子灌區銨態氮最大值在0～5 cm 處，為6.18 mg/kg；而各灌區的最小值則出現在10 月份，除下野地灌區（3.18 mg/kg）和莫索灣灌區（2.88 mg/kg）在20～40 cm 土層處外，其他灌區最小值均在40～60 cm 處，分別為：安集海灌區（1.69 mg/kg）、金溝河灌區（1.36 mg/kg）、石河子灌區（0.98 mg/kg）、新湖總場灌區（1.68 mg/kg）。從圖中可以看出硝態氮的含量在5、8、10 月份各個灌區均隨著土層的增加呈現先減少再上升的趨勢，并且最小值均在棉花的根系位置10～40 cm 處。從季節變化來看，各個灌區硝態氮含量的最大值出現在8 月份，并且最大值均在0～5 cm、5～10 cm 處，分別為下野地灌區（1.16 mg/kg）、安集海灌區（1.11 mg/kg）、金溝河灌區（1.27 mg/kg）、莫索灣灌區（1.37 mg/kg）石河子灌區（1.14 mg/kg）、新湖總場灌區（1.12 mg/kg）；各灌區的最小值出現在5月份，并且都處在土壤中層，分別為：下野地灌區（0.7 mg/kg）、安集海灌區（0.43 mg/kg）、金溝河灌區（0.25 mg/kg）、莫索灣灌區（0.53 mg/kg） 石河子灌區（0.65 mg/kg）、新湖總場灌區（0.63 mg/kg）。不同灌區之間的土壤銨態氮和硝態氮也有差異，銨態氮均值表現為下野地灌區((11.5±0.308)mg/kg)＞莫索灣灌區((10.22±0.57)mg/kg)＞安集海灌區((6.85±0.68)mg/kg)＞新湖總場灌區((6.58±0.49)mg/kg)＞金溝河灌區((6.85±0.68) mg/kg)＞石河子灌區((6.58±0.31)mg/kg)；硝態氮均值表現為下野地灌區((1.36±0.11) mg/kg)＞莫索灣灌區((1.3±0.06) mg/kg)＞安集海灌區((1.2±0.07)mg/kg)＞新湖總場灌區((1.05±0.11) mg/kg)＞石河子灌區((1.04±0.09) mg/kg)＞金溝河灌區((1.2±0.07)mg/kg)。灌區之間來看，下野地灌區和莫索灣灌區的銨、硝態氮含量與金溝河灌區、石河子灌區相比差異顯著，而安集海和新湖總場之間的銨、硝態氮含量差異不顯著。銨態氮和硝態氮的變異系數可以表示這兩種速效氮對于施肥、灌溉等人為因素或者土質、地形等結構性因素的反饋以及自身的穩定性，各個灌區5、8、10 月份銨態氮和硝態氮的變異系數分別在21%～33%、17%～36%、19%～43%之間，處于中等變異強度，說明銨態氮和硝態氮的含量主要受到土壤環境的影響，且速效氮類的土壤養分比較容易淋失，除此之外還可能受到施肥和灌溉等因素的影響［12］。

圖2 各個灌區土壤銨態氮、硝態氮的季節變化Fig.2 The seasonal variation of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in various irrigation area

2.2 不同灌區棉田土壤環境因子的動態變化

由圖3可知，各個灌區的土壤全鹽的含量均隨著土層深度的增加而增加；土壤溫度在5 月和8 月隨著土層深度的增加而下降，10 月份呈現相反的變化規律；含水量在5 月、8 月和10 月的變化不相同，5 月是隨著土壤深度的增加而增加，8 月時則呈現先下降后上升的趨勢，10 月時隨著土層深度的增加而下降；pH在5月、8月、10月變化均隨著土層深度的增加而下降，但是下降幅度較小，其中pH在各土層的變異程度為弱變異強度（3.83%～11.25%）。各灌區土壤環境因子的變化具有較明顯的季節性，土壤溫度、全鹽、土壤含水量的平均值均為8 月＞5 月＞10 月，土壤pH 的最大均值在5月，最小值出現在8月，并且土壤含水量、土壤溫度在不同季節之間差異較顯著（P＜0.05）。不同灌區之間的土壤環境因子也各不相同，土壤溫度、pH、全鹽的含量均為下野地灌區＞莫索灣灌區＞安集海灌區＞新湖總場灌區＞金溝河灌區＞石河子灌區，土壤含水量變化則為石河子灌區＞金溝河灌區＞安集海灌區＞新湖總場灌區＞莫索灣灌區＞下野地灌區。各灌區土壤全鹽的含量平均值分別為下野地灌區（8.61～15.03 g/kg）、安集海灌區（5.44～12.9 g/kg）、金溝河灌區（6.95～8.10 g/kg）、莫索灣灌區（10.46～14.53 g/kg）、石河子灌區（5.55～6.67 g/kg）、新湖總場灌區（8.93～11.04 g/kg），根據鹽漬化分級標準，各灌區土壤均屬于中度和輕度鹽漬化，而各灌區pH 均大于7.3，根據全國第二次土壤普查標準，各灌區土壤均屬于堿性土。

圖3 不同灌區土壤理化性質變化Fig.3 The change of soil physical and chemical properties in various irrigation areas

2.3 瑪河流域各灌區氮肥施用量的分布

根據采樣時調查，走訪以及2018 年新疆統計年鑒資料，繪制出瑪河流域氮肥施用量分布圖。由圖4可知，瑪河流域棉田土壤氮肥施用量較為規律，從南向北依次增加，平均年氮肥施用量：下野地灌區和莫索灣灌區相同（75 kg/hm2），安集海灌區70 kg/hm2，金溝河灌區和新湖總場灌區都為65 kg/hm2，氮肥施用量最少的石河子灌區為60 kg/hm2，由于各灌區開發年限較長，土壤養分基本穩定，導致各灌區氮肥施用量按照地形和土壤類型等呈現帶狀分布，北部靠近古爾班通古特沙漠，土壤肥力較差，并且開發年限較晚，所施氮肥較多，而南部靠近天山北麓，土壤肥力、地方小氣候等條件相對較好，開發年限較長，在保持土壤肥力的情況下所施氮肥較少。

圖4 不同灌區農田每年每公頃施氮量Fig.4 The annual nitrogen application rate per hectare in various irrigation areas

2.4 不同灌區棉田土壤銨態氮硝態氮含量與土壤環境因子關系分析

2.4.1 相關性分析由表2 可知，各灌區土壤理化性質的變化與銨態氮硝態氮含量的關系較為密切，各灌區銨態氮含量在各月與pH 呈顯著負相關，與全鹽呈顯著正相關，在5 月和8 月與含水量呈顯著正相關，但是在10 月份與土壤含水量相關性并不顯著，在各月與溫度無顯著相關性；各灌區土壤硝態氮含量在各月都與土壤含水量和全鹽呈顯著正相關，和土壤溫度呈顯著負相關，但是和pH并無顯著相關關系。

表2 不同灌區下土壤銨態氮硝態氮和含量與理化性質的相關性分析1）Table 2 The correlationship between the contents of ammonium nitrogen&nitrate nitrogen and the physical and chemical properties of soils in various irrigation areas

2.4.2 通徑分析通信分析中可以使用直接系數和間接系數表達其他不易定量化的因變量和自變量的之間的相對重要性。不同灌區的氮肥施用量和開發年限也在不同程度地影響銨態氮和硝態氮和含量，并且這種影響較其他土壤理化因子來說更加復雜，為了綜合這些因素之間的關系，選擇直接通徑系數和間接通徑系數之和，來解釋土壤理化性質和氮肥使用量以及農田開發年限對于銨態氮和硝態氮含量的影響程度（表3 和4）。結果表明，下野地灌區和莫索灣灌區5、8月土壤含水量、氮肥施用量和土壤溫度對銨態氮含量的直接作用較大，pH 的間接負效應較大，開發年限的間接作用較大，而10 月份時全鹽和pH 的直接作用較大；安集海灌區和新湖總場灌區5、8 月份氮肥施用量和全鹽的直接作用較大，土壤含水量和開發年限的間接作用較大，而pH 主要體現在間接負效應中，10 月份時，土壤含水量和氮肥施用量的間接作用較明顯，開發年限的直接作用較大，pH 的間接負效應較大；石河子灌區和金溝河灌區在5、8和10 月份中，土壤含水量和全鹽的直接作用均較大，施肥量、開發年限間接影響銨態氮的含量，并且pH的間接負效應也較為明顯。

表3 各灌區土壤環境因子對土壤銨態氮的通徑系數Table 3 The path coefficient of soil environmental factors to soil ammonium nitrogen in various irrigation areas

表4 為下野地灌區和莫索灣灌區5 月和8 月土壤含水量、氮肥施用量對于土壤硝態氮含量的直接作用較大，開發年限和全鹽的間接作用較大，溫度的間接負效應也較明顯，而10 月時，影響硝態氮含量的直接因子為溫度的負效應和全鹽的正效應，含水量和氮肥施用量以及開發年限則主要體現為間接影響；安集海灌區和新湖總場灌區5月、8月和10月的直接影響因素均為氮肥施用量的正效應和溫度的負效應，開發年限、土壤含水量和全鹽對硝態氮的間接影響較大；石河子灌區和金溝河灌區在5、8 月時主要受到含水量和全鹽的直接影響，溫度的負效應和施肥量、開發年限則體現為間接影響，10 月時，含水量和溫度對硝態氮含量產生直接影響，開發年限和全鹽以及氮肥施用量則產生間接影響。

表4 各灌區土壤環境因子對土壤硝態氮的通徑系數Table 4 The path coefficient of soil environmental factors to soil nitrate nitrogen in various irrigation areas

3 討 論

3.1 各灌區棉田土壤銨態氮硝態氮差異分析

瑪河流域從天山北坡到古爾班通古特沙漠分別為：山前平原綠洲，人工綠洲，綠洲與荒漠過渡帶三大自然帶。由于金溝河、寧家河、瑪納斯河等流域內河流流經地方不同，使得瑪河流域形成了地貌、土壤鹽漬化和小氣候等特點不同的6大灌區［13］；再加上各灌區利用膜下滴灌技術年限的不同，氮肥施用量情況不同［14］，導致瑪河流域各灌區土壤的銨態氮和硝態氮含量的差異。就整個瑪河灌區來說，銨態氮和硝態氮的含量在不同季節都主要分布在表層，并且由表層向下逐漸減少，這與王旭洋［15］的研究結果相同，可能與水肥一體化等滴灌技術有關。下野地灌區和莫索灣灌區的銨態氮硝態氮含量最高，金溝河灌區和石河子灌區的銨、硝態氮含量最低，主要是因為下野地灌區和莫索灣灌區所處綠洲荒漠過渡帶，土壤肥力較差，鹽漬化比較嚴重，開發時間相較于其他灌區較短，并且目前還處于開發狀態，需要使用大量的肥料來保持土壤的肥力［16］，而不同的地形地貌特點導致下野地灌區和莫索灣灌區的pH 要明顯高于其他灌區，對銨態氮的分部也有較大影響，并且不同灌區的銨態氮硝態氮隨著全鹽的減少而減少，這一點在土壤鹽漬化程度較低的石河子灌區和金溝河灌區表現更為明顯。瑪河流域不同月份的銨態氮和硝態氮含量主要和銨態氮硝態氮的特性有關，但同時也與施肥量以及灌區各自的開發年限也有一定的關系，5 和8 月都是生長季，需要大量的肥料來保證棉花的生長，滴灌所采用的水肥一體化技術，使得銨態氮和硝態氮的含量不斷增加，而在10 月份停止施肥后，硝態氮作為氧化態，是陰離子，不易被土壤膠體吸附的特性導致硝態氮較為容易流失，所以10 月份，雖然滴灌結束，土壤含水量下降，使得硝態氮在溫度低的時候更能發揮作用［17］。其中，瑪河流域各灌區不同月份土壤銨態氮和硝態氮含量遠低于黃土高原王東溝小流域農田土壤［18］，這可能是瑪河流域與黃土高原王東溝小流域的氣候、農作物類型、土壤pH 的變化范圍以及施肥量等影響因子的差異有關；同時，土壤銨態氮硝態氮含量也低于江漢平原典型農業小流域土壤，這可能是二者的土壤養分含量存在差異［19］。與黃河三角洲流域相比，瑪河流域的硝態氮含量明顯較低，但是銨態氮差距并不明顯，這可能是因為瑪河流域主要靠人工滴灌，水分變化周期較長，導致銨態氮的脫氮不太明顯，而硝態氮含量較低可能由于瑪河流域與黃河三角洲流域的土壤類型導致的溶質運移條件不同［20］。通過對各個灌區土壤銨態氮硝態氮的變異系數對比，發現變異程度均屬于中等變異強度，但是硝態氮對土壤環境的變化響應更為敏感，銨態氮較為穩定，這與劉合滿［21］的研究結果不一致，可能是因為土壤類型，氣候等影響有關，但是與白軍紅［22］的研究結果類似，可能與氣候，土壤養分等環境因子有關。通過分析發現，瑪河流域各個灌區的土壤環境變化使銨態氮硝態氮含量低于其他流域農田，所以在評價瑪河流域農田土壤氮肥養分時應與其他區域的標準有所不同［23］。

3.2 棉田土壤環境因子對土壤銨態氮和硝態氮的影響

銨態氮硝態氮的季節變化是對不同棉花生長期土壤理化性質的反映［24］，并且不同生長期土壤理化性質對銨態氮硝態氮的影響程度有差別。不同灌區的土壤類型、小氣候、施氮量和開發年限等因素共同影響了銨態氮硝態氮的含量，一方面土壤類型影響了溶質運移，導致銨態氮硝態氮在不同土層的分布有所差別，另一方面，由于研究區是農田土壤，這就導致了土壤含水、全鹽、pH、等因素主要受制于人為影響，再加上不同灌區的開發年限、施氮量等因素影響了銨態氮和硝態氮在空間上的分布。各月的土壤pH、全鹽和含水量等養分因子對銨態氮和硝態氮的直接影響和間接影響較大，因為銨態氮和硝態氮與土壤養分含量密切相關，銨態氮易溶于水，并且易被土壤吸附，但是在堿性土壤中容易揮發；硝態氮受熱會分解放出氧氣，并且吸濕性比較強，所以不同灌區的環境因子對銨態氮硝態氮含量的影響有所不同。這與孟盈等［25］的研究結果一致。而各個灌區的開發年限和施肥量等因素對土壤銨態氮硝態氮間接影響較大，在各個灌區，開發年限較少的地方銨態氮硝態氮含量較大，這是因為農田開發年限較短的地方需要大量的肥料來保持農田的肥力，并且在施氮量較高的地方，銨態氮和硝態氮的含量也較高［26］，開發年限和施氮量對銨態氮和硝態氮的影響在施肥結束后的10月更為明顯。綜上所述，瑪河流域不同灌區棉田土壤下，土壤養分和理化性質等對銨態氮硝態氮含量的直接影響較大，而農田開發年限，施氮量等對銨態氮硝態氮的含量間接影響較大。

4 結 論

通過2019 年對瑪河流域不同灌區棉田土壤銨態氮和硝態氮的研究，得出如下結論：

1）銨態氮硝態氮含量在各月變化較為明顯，各個灌區銨態氮含量為8 月＞5 月＞10 月，硝態氮含量為8 月＞10 月＞5 月，并且在各月，銨態氮和硝態氮含量均聚集在表層，隨著土層深度的增加逐漸減少；

2）在各灌區中，銨態氮和硝態氮的分布在瑪河流域呈現由南向北逐漸增加的趨勢，下野地灌區和莫索灣灌區為最大值，新湖總場灌區和安集海灌區次之，含量最小的灌區為金溝河灌區和石河子灌區；

3）土壤環境因子中，pH、全鹽和含水量等養分因素對銨態氮和硝態氮的直接影響和間接影響較大，而各個灌區的開發年限和施肥量等因素對土壤銨態氮硝態氮間接影響較大。