不同鹽漬化棉田土壤肥力質量評價

摘要：為評價新疆沙雅縣不同鹽漬化棉田土壤肥力質量，探討綠洲棉田鹽漬化與土壤肥力的關系。以沙雅縣核心植棉區為研究對象，采用野外試驗和室內測試相結合的方法，測定土壤7項理化指標，利用主成分分析法確定評價指標權重，運用土壤肥力綜合指數法對棉田土壤肥力狀況進行評價。結果表明，不同鹽漬化水平棉田的土壤容重和堿解氮含量無顯著差異，非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田的多數養分指標含量差異顯著，而鹽漬化棉田間的多數指標含量比較接近。非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田的土壤肥力綜合指數差異顯著，鹽漬化棉田間土壤肥力綜合指數無顯著差異，土壤鹽漬化影響棉田肥力狀況；回歸分析可進一步反映它們的關系，土壤全鹽量與土壤肥力綜合指數（IFI）呈拋物線變化趨勢，隨著土壤全鹽量的增加，養分有效性降低，土壤生物活性受到抑制，從而影響土壤肥力的形成和積累，當全鹽量大于8.83 g/kg時，指數呈上升趨勢，土壤全鹽量（x）與IFI（y）的回歸方程為y=0.643 1-0.063 6x+0.003 6x2（r2=0.489 1）。

關鍵詞：棉田；土壤鹽漬化；土壤肥力質量；主成分分析；新疆沙雅縣

中圖分類號：S562" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）06-0033-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.007 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Evaluation of soil fertility quality in different salinized cotton fields：Taking Shaya County， Xinjiang as an example

WU Chu-penga，b，SHENG Jian-donga，b，HU Yu-tonga，b，CHENG Zhi-huia

（a. College of Resources and Environment； b. Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes，

Xinjiang Agricultural University，Urumqi" 830052，China）

Abstract： To evaluate the soil fertility quality in different salinized cotton fields in Shaya County， Xinjiang， the relationship between salinization and soil fertility in oasis cotton fields was discussed. Taking the core cotton planting areas of Shaya County as the research object， a combination of field experiments and indoor tests was adopted，seven physical and chemical indexes of soil were measured， and the weight of evaluation indexes was determined by principal component analysis. The soil integrated fertility index was used to evaluate the soil fertility of cotton fields. The results showed that there was no significant difference in soil bulk density and alkaline nitrogen content between cotton fields with different salinization levels. The content of most nutrient indicators in non salinized and salinized cotton fields showed significant differences， while the content of most indicators in salinized cotton fields was relatively similar.The soil integrated fertility index in non saline cotton fields was significantly different from that in saline cotton fields， while there was no significant difference in the soil integrated fertility index in saline cotton fields soil salinization affected the fertility status of cotton fields；regression analysis could further reflect their relationship. The total salt content of soil and the soil integrated fertility index （IFI） showed a parabola trend. With the increase of total salt content of soil， nutrient availability decreased， and soil biological activity was inhibited， thus affecting the formation and accumulation of soil fertility. When the total salt content was greater than 8.83 g/kg， the index showed an upward trend， and the regression equation between soil total salt content （x） and IFI （y） was y=0.643 1-0.063 6x+0.003 6x2（r2=0.489 1）.

Key words：cotton fields； soil salinization； soil fertility quality； principal component analysis； Shaya County， Xinjiang

目前，全球鹽漬地面積約為897×106 hm2，耕地鹽漬化已成為全球性農業生態環境問題［1］。中國鹽漬地分布范圍廣，鹽漬地面積約占全球鹽漬地面積的10%［2］。由于西北干旱和半干旱地區地處內陸，氣候干熱多風，土壤鹽漬化較普遍。通常情況下，鹽分離子均為植物生長所需養分，但由于部分離子大量集聚，濃度過高，造成植物生理干旱和毒害作用［3］。沙雅縣位于南疆渭干河-庫車河流域，地勢平坦，土壤含鹽量高［4］，地下潛水位高［5］，沙性質地，在干熱多風的氣候因素驅動下，表層土壤極易積聚鹽分，且由于長期連作棉花、過度施肥、過量灌溉和不合理耕作制度，棉田土壤鹽漬分化程度加強，土壤鹽漬化和次生鹽漬化已成為限制該縣棉田農業可持續發展的主要障礙［6］。

土壤肥力質量是土壤維持土地生產能力的綜合反映［7］，開展土壤肥力質量評價工作對維持土壤綜合肥力的穩定和協調至關重要，是農田土地資源開發利用的重要研究方向［8，9］。土壤作為棉花生長的基質，其土壤質量狀況亦備受關注。范君華等［10］、易海艷等［11］和田立文等［12］研究新疆主要棉區土壤養分分布特征。鄭琦等［9，13］探究棉田重金屬污染對棉田土壤質量的影響。隨著長期連作，棉田土壤質量變化受到廣泛關注，有學者研究不同連作年限對棉田土壤理化狀況、產量和土壤生物活性的影響［10，14，15］。在評價方法上，國內外評價方法多樣，方法各有優劣，主成分分析法應用較廣泛，Gong等［16］利用主成分分析法，結合土壤質量指數法對新疆玉田-和田綠洲棉田土壤質量進行評價，指導棉田合理開發利用和科學管理。Kamal等［17］利用主成分分析法，結合3種形式土壤質量指數模型評價鹽漬化農田土壤質量。各參評指標間由于量綱、數量級和作用的差異，需要對指標變量進行標準化處理，使變量之間具有可比性，以便科學評價。一般采用隸屬度函數模型，將指標結果轉換為0～1的分值。本研究采用非線性評分模型，對土壤指標進行轉換，效果與模糊方法基本一致，因此該模型也常被使用［18-21］。

隨著學術界對農田鹽漬化研究的重視，相關研究課題逐漸增多，主要圍繞區域農田土壤鹽漬化的驅動力以及成因分析［4，22］、鹽漬化特征［6，23］、土壤鹽漬化時空變異［22，24］及預測［25］、土壤剖面水鹽運移及變化［26］等研究。一般來說，土壤鹽漬化后會使土壤溶液滲透壓增加，水氣交換受阻，影響土壤理化狀況，土壤鹽漬化與土壤肥力質量的關系受到重視［15，27-29］。但棉花屬于耐鹽性作物，其土壤肥力狀況與一般作物有所不同，探討棉田土壤鹽漬化與肥力質量狀況的關系具有重要理論價值和實際意義。目前對棉田鹽漬化與土壤綜合肥力質量關系的研究較少。基于此，本研究以新疆沙雅縣不同鹽漬化棉田為研究對象，評價棉田土壤肥力綜合狀況，并進一步探討棉田土壤鹽漬化與土壤肥力質量的關系，為土壤鹽漬化防治提供治理思路，促進棉田土壤肥力提高。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

沙雅縣位于新疆阿克蘇地區東南部，東經81°45′—84°47′、北緯39°31′—41°25′。綠洲棉田區分布于渭干河綠洲平原，整體地形呈北高南低的態勢，北臨天山，其余三面皆被塔克拉瑪干沙漠包圍，生態環境脆弱。因屬溫帶內陸性干旱氣候類型，氣候干熱，多風沙，降水量小，年均降水量57.44 mm，蒸發量大，年均蒸發量為降水量的42.3倍。年日照時數3 030 h，日照時間長，熱量充足，年均氣溫10.7 ℃，全年無霜期188 d，能為作物生長提供良好的光溫條件。多盛行偏北風或東北風。棉區主要土壤類型為草甸土、潮土、鹽土和風沙土，土壤質地偏沙性，棉田耕層厚度較淺。由于獨特的自然地理條件和成熟完備的栽培技術，沙雅縣棉花種植面積約" 1 333 km2，被譽為“中國塔里木棉花之鄉”。

1.2 土壤樣品采集與處理

本研究以沙雅縣海樓鎮、紅旗鄉、努爾巴克鄉和古勒巴格鄉等鄉鎮棉田核心示范區為樣品采集區，共計49塊棉田。遵循隨機、均勻的土樣采集原則，采集棉田表層0～20 cm土壤，向四周輻射采集15～20個土壤分樣點，混合成1個待測樣品，以反映每塊棉田的土壤狀況。同時，調查并記錄棉田表面土壤特征。

土壤養分性質和物理屬性對棉田土壤肥力質量的影響較大，綜合考慮縣域棉田自然狀況和經營模式，本次目標評價指標選用土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和容重等理化指標。野外采集樣品經充分混勻，挑出根系、秸稈和地膜等雜物，反復四分法取舍，留取1.0～1.5 kg樣品裝入自封袋。回實驗室后，再經室內風干、研磨和過篩以供測試。容重樣品利用環刀采集，每個樣點采集2～3個樣品，結果取均值。

1.3 樣品測定

有機質含量的測定采用干燒法；全氮含量采用半微量凱氏法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；速效鉀含量采用CH3COONH4浸提-火焰光度法測定；速效磷含量采用NaHCO3浸提法測定；棉田容重利用環刀法采集原狀土樣，測定其含水量，計算土壤容重；全鹽量采用烘干重量法測定［30］。

1.4 土壤肥力狀況評價方法

1.4.1 土壤肥力指標評分模型 采用非線性評分模型［18］，將土壤肥力指標測定值轉換為0～1的分值，計算公式如下：

式中，Fi為土壤第i項指標得分；x為指標測定值；xo為指標平均值；b為方程斜率，“越多越好”的指標將被賦值-2.5，本評價指標中全氮、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀等指標均屬于此類型；“越少越好”的指標則賦值2.5［21］。

1.4.2 土壤肥力評價指標權重 本評價指標權重的確定采用主成分分析法。它是一種能夠在保證原始數據信息丟失最少的情況下，將較多變量整合為少量主成分，同時，可反映出觀測變量與主成分之間的相關性，但各主成分變量之間不存在線性相關的多元統計方法。成分公因子方差是主成分對每個指標的方差解釋度，可反映某項指標對整體方差的貢獻程度，其值越大則說明對土壤肥力的作用越大。各指標權重為評價指標公因子方差占所有指標公因子方差之和的比重［31］。

1.4.3 棉田土壤肥力綜合指數 依非線性模型評分值和主成分分析所得權重進行整合求值，土壤肥力綜合指數（Integrated fertility index）的計算公式如下：

式中，IFI為土壤肥力綜合指數；Wi為第i項指標的權重；Fi為第i項指標得分；n為指標數量。

1.5 數據分析處理

采用SPSS 18.0軟件對測試數據進行統計分析；利用單因素方差分析中最小顯著性檢驗法（LSD）對棉田不同鹽漬化程度的土壤理化屬性進行多重比較；基于RStudio構建PCA模型提取公因子方差；采用ggplot2軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同鹽漬化程度的棉田土壤理化特征比較

根據棉田土壤全鹽量的監測結果，結合新疆土壤鹽漬化分類標準［32］，確定不同鹽漬化程度棉田分布狀況（表1），其中，非鹽漬化棉田22塊，輕度鹽漬化棉田11塊，中度鹽漬化棉田6塊，重度鹽漬化棉田10塊。由圖1可知，非鹽漬化棉田土壤有機質、全氮、堿解氮和速效磷指標含量最高，而重度鹽漬化棉地土壤速效鉀含量最高。結合養分分級標準［33］可知，沙雅縣非鹽漬化棉田、輕度鹽漬化棉田和中度鹽漬化棉田的土壤有機質含量適中。輕度鹽漬化棉田和重度鹽漬化棉田的土壤全氮含量中度，非鹽漬化棉田的土壤全氮含量較豐富，但中度鹽漬化棉田的土壤全氮含量較缺乏。不同鹽漬水平棉田的土壤堿解氮均低于最低分級水平，含量極缺乏。非鹽漬化棉田的土壤速效磷含量豐富，鹽漬化棉田的土壤速效磷含量均呈中等狀況。重度鹽漬化棉田的土壤速效鉀含量較豐富，其余棉田的土壤速效鉀含量適中。沙雅縣棉田的土壤容重整體偏大，差異性較小，土壤過緊。土壤有機質、全氮和速效磷等養分指標含量均隨土壤鹽漬化程度的增加整體呈降低趨勢，土壤速效鉀隨土壤鹽漬化程度的增加整體呈增加趨勢。

除堿解氮含量和土壤容重在不同鹽漬化程度間的差異不顯著外，土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀等養分指標含量在不同鹽漬化程度間存在顯著差異。非鹽漬化棉田土壤有機質含量與中度鹽漬化、重度鹽漬化存在顯著差異，與輕度鹽漬化差異不顯著。非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田土壤全氮含量、速效磷含量均存在顯著差異，說明土壤鹽漬化能夠顯著影響有機質、全氮和速效磷等養分指標含量積累。輕度鹽漬化棉田與中度鹽漬化、重度鹽漬化棉田土壤全氮含量差異不顯著，中度鹽漬化棉田與輕度鹽漬化、重度鹽漬化棉田土壤速效鉀含量、速效磷含量差異不顯著。重度鹽漬化棉田與中度鹽漬化棉田土壤全氮含量存在顯著差異，輕度鹽漬化棉田與重度鹽漬化棉田土壤速效磷含量存在顯著差異，重度鹽漬化、非鹽漬化棉田土壤速效鉀含量與輕度鹽漬化棉田存在顯著差異。

2.2 不同鹽漬化程度的棉田土壤肥力質量評價

經KMO檢驗，KMO統計量大于0.5，符合主成分分析檢驗要求。Bartlett球狀度檢驗結果P小于0.05，表明各項變量相互獨立，可做進一步分析。由表2可知，全氮、速效磷、有機質和速效鉀指標公因子方差較大，占比接近90%。這些指標權重較大，整體上對土壤肥力的作用較大，而堿解氮和容重的權重較小，對土壤肥力的作用較小。各項指標權重排序依次為全氮gt;速效磷gt;有機質gt;速效鉀gt;堿解氮gt;容重。

利用式（1）和式（2），結合指標變量的評分和權重，計算棉田土壤肥力綜合指數（IFI），沙雅縣49塊棉田土壤肥力綜合指數（IFI）為0.24～0.68，數值越大，土壤肥力越高（IFI平均值為0.48），變異系數為24.83%，中等變異。

2.3 棉田鹽漬化與土壤肥力質量的關系

以土壤肥力綜合指數的平均值劃分2類質量樣地，質量指數≥0.48的樣地數占48.98%，此類樣地以非鹽漬化棉田為主，數量占87.50%。而質量指數lt;0.48的樣地數則占51.02%，此類樣地以鹽漬化棉田為主，鹽漬化棉田占96.00%，說明采用指數平均值的劃分方法可較好地區分非鹽漬化棉田和鹽漬化棉田。

利用單因素分析研究不同鹽漬化水平的棉田土壤肥力質量差異。如圖2所示，非鹽漬化棉田土壤肥力綜合指數最高，中度鹽漬化棉田土壤肥力綜合指數最低，但鹽漬化棉田間的土壤肥力綜合指數差異不顯著（P＞0.05），非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田間的土壤肥力綜合指數存在顯著差異（P＜0.05）。

通過ggplot2構建擬合回歸模型，并繪制棉田土壤全鹽量與土壤肥力綜合指數的關系散點圖。如圖3所示，土壤全鹽量（x）與棉田土壤肥力綜合指數（y）的回歸關系方程式為y=0.643 1-0.063 6x+0.003 6x2，r2=0.489 1，該模型相比線性模型有較好的擬合效果。棉田土壤肥力綜合指數隨土壤全鹽量增加呈拋物線變化趨勢。對該方程求解可知，棉田土壤全鹽量增加到8.83 g/kg的過程中，土壤肥力綜合指數呈下降的趨勢，在此區間內，全鹽量越低，土壤各指標屬性表現越佳；而當全鹽量超過8.83 g/kg時，土壤肥力綜合指數又呈平緩上升趨勢，土壤已接近重度鹽漬化，一般作物的正常生長發育受到限制。

3 小結與討論

3.1 小結

非鹽漬化棉田土壤有機質、全氮、堿解氮和速效磷等指標含量最高，而重度鹽漬化棉田土壤速效鉀含量最高。除土壤容重和堿解氮含量在不同鹽漬化間無顯著差異外，非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田間多數養分指標含量差異顯著。

由于多數指標含量差異顯著，土壤肥力狀況也表現出明顯差異，非鹽漬化棉田與鹽漬化棉田的土壤肥力質量差異顯著，而鹽漬化棉田間差異不顯著，說明土壤鹽漬化影響棉田土壤理化狀況，這就需要改善棉田鹽漬化狀況。通過回歸模型進一步反映土壤鹽漬化與土壤肥力質量關系，結果表明，土壤全鹽量與土壤肥力綜合指數呈拋物線變化趨勢，由于土壤鹽漬化影響棉花生長，棉田養分有效性降低，土壤生物活性受到抑制，從而降低土壤肥力，故表現出下降趨勢，但鹽分量超過一定值后，隨著土壤全鹽量的增加，土壤肥力綜合指數又呈上升的趨勢，擬合模型為y=0.643 1-0.063 6x+0.003 6x2，r2=0.489 1。

3.2 討論

沙雅縣棉田土壤肥力質量狀況是長期耕作和自然條件綜合作用的結果。本研究中棉田種植方式、經營管理方式和氣候因素比較一致，減少了大量需要評價和分析的影響因素，極大減輕了工作量。為反映棉田土壤肥力特征，選取土壤有機質、全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷和容重等進行分析。不同鹽漬化水平棉田間多數養分指標含量適中，其中棉田速效磷含量和速效鉀含量與前人研究結果［10，34］一致，棉田多偏施磷肥，且磷的移動性小，被棉花利用率小，與土壤離子結合形成難溶態的緩效磷，從而不斷積累［13］，此外，土壤成土母質中鉀素本就豐富［29］，當季利用量少，所以速效磷和速效鉀含量比較充足。然而，土壤有機質和全氮與相關研究結果［35］存在差異，這主要是由于棉花收獲后，田間存留許多殘茬，經分解后釋放養分，且長期重施氮肥［36］和一定年限連作棉花［15，37］，從而導致土壤養分相對充足。

從不同鹽漬化棉田土壤理化特征的比較分析可知。相比鹽漬化棉田，非鹽漬化棉田多數養分含量較高，且與鹽漬化棉田差異顯著，說明土壤鹽漬化影響棉田土壤肥力狀況。由于棉田大部分堿解氮被棉花吸收，且受水熱條件變化和生物活動等環境因素的影響較大，棉田堿解氮極缺乏，堿解氮特征與梁智等［14］、朱敏等［34］、劉建國等［36］的研究結果一致，南疆長期連作棉花，其堿解氮含量仍然比較缺乏，第二次全國土壤普查結果也表明新疆土壤缺氮、富鉀［33］。輕度、中度和重度鹽漬化棉田間多數土壤養分指標含量無顯著差異，說明含量比較接近。此外，從田間實地調查可知，在分布著鹽斑的棉田中，棉苗難以存活，說明土壤鹽漬化已經明顯影響棉花正常生長。

受土壤質地影響［38］，土壤壓實，長期連作［39］，偏施化肥［40］，棉田經營過程中缺乏中耕管理，導致棉田土壤容重整體偏大。此外，棉田土壤鉀素多源于成土母質［29］，且與棉田秸稈和根的殘留也有關系［41］，與鹽分共同積累于土壤，所以鹽漬化越嚴重的棉田，土壤速效鉀含量也越高，故重度鹽漬化棉田速效鉀含量較高。

土壤肥力綜合指數評價可綜合反映土壤肥力屬性的狀態和性能［7］。土壤鹽漬化已是限制沙雅縣棉田土壤肥力質量的主要障礙［4］，但由于棉花可適應一定程度土壤鹽漬化，其土壤理化狀況與一般作物類型土壤有所不同，研究并反映它們之間的關系，對科學經營管理和土壤培肥改良有重要意義。本研究表明，非鹽漬化棉田與各鹽漬化棉田存在顯著差異，而鹽漬化棉田間多數指標含量比較接近，土壤肥力綜合指數并沒有表現出明顯差異，說明出現土壤鹽漬化現象的棉田土壤肥力受鹽漬化影響。通過回歸模型分析進一步揭示它們之間的聯系，土壤全鹽量與棉田土壤肥力綜合指數呈拋物線變化趨勢，即隨著棉田全鹽量的增加，土壤肥力下降得比較快，但當超過8.83 g/kg后，指數呈上升態勢，這可能是因為土壤鹽分在不斷增加的過程中，棉花正常生長狀態受限，土壤養分有效性降低［28，42］，抑制土壤生物活性［15，28，42］，導致土壤肥力難以積累，但土壤速效鉀含量又不斷增加，從而拉高指數。如能聯系棉花產量或生長狀況，則可進一步分析曲線拐點的意義和作用，這也是今后需要繼續研究的方面。本研究結果可為防治棉田鹽漬化提供新的治理思路。

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收稿日期：2022-03-20

基金項目：新疆維吾爾自治區重大科技專項（2020A01002-3）

作者簡介：吳楚鵬（1995-），男，廣東揭陽人，在讀碩士研究生，研究方向為農業資源利用，（電話）13360394865（電子信箱）2078143296@qq.com；通信作者，胡雨彤（1989-），女，安徽亳州人，副教授，博士，主要從事養分資源高效利用研究，（電話）13899905549（電子信箱）hyt_533@163.com。