枣棉间作生态系统内根系和棉花产量分布及土壤养分时空变化1)

宋锋惠 吴正保 史彦江

(新疆林业科学院，乌鲁木齐，830063)

复合农林业在协调农林“争地”矛盾，提高自然资源利用率，促进人口、粮食、资源和环境的良性循环等方面具有强大的生命力。枣棉间作生态系统既是一种典型的生态型立体农业，也是平原绿化体系中的重要组成部分，在盐碱、干旱等贫瘠土壤条件地区的生态环境建设中具有十分重要的生态意义。前人对枣粮复合生态系统业已做过大量研究，但其主要集中在对枣树生物学和生理学特性［1－3］、间作系统结构、种间关系、小气候、生态和经济效益［4－9］，以及枣粮间作生态系统内部土壤养分的空间分布等方面［10－12］。枣树适应性强，极耐旱、耐盐碱、抗寒，易于栽培管理，现已成为新疆环塔里木盆地绿洲带的主要栽培果树之一，枣棉间作生态系统也是新疆主要的农林复合模式之一。在枣棉间作生态系统中，由于枣树和棉花的根系在空间分布上的重叠现象，不可避免地存在养分的竞争吸收，这些变化都会影响到系统内土壤养分的变异。而目前对于枣棉间作生态系统内部土壤养分的时空异质性研究尚未见报道。本研究在棉花不同生育期内，对枣棉间作生态系统中0＜H(土层深度)≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm土壤中养分的时空变化规律进行测定，以期掌握不同时期枣树和棉花对土壤养分的竞争吸收特性，为枣棉间作生态系统科学合理的施肥管理和可持续经营提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于环塔里木盆地干旱区中心地带的阿克苏市依干其乡哈尼喀村，地理坐标N41°07＇～41°08＇，E80°14＇～80°16＇，海拔 1 078 m。属暖温带干旱气候区，降水量稀少，蒸发量大，气候干燥。年平均气温10℃，1月份平均气温－8℃，7月份平均气温25℃。年平均降水量100 mm左右。太阳总辐射量544.115 ～590.155 J·cm－2，日照时间2855 ～2 967 h，无霜期205～219 d，风沙浮尘天气较多，主要集中在春季和夏季。春季升温快而不稳，秋季降温快。

2 材料与方法

在枣棉间作模式中，枣树品种选取2002年定植的、长势良好的灰枣(Ziziphus jujubaMill.‘Huizao’)，株行距为3 m×4 m，南北林向;棉花品种为当地主栽的“中棉43号”，双膜8行种植，种植密度约为2.3×105株·hm－2。

田间肥料管理:于6月23日棉花四叶期时，施用75 kg·hm－2尿素、150 kg·hm－2磷酸二氢钾;7 月25日棉花裂铃期，施用225 kg·hm－2磷酸二氢钾。

样品采集与处理:于棉花出苗期(5月13日)、三叶期(6月7日)、五叶期(6月30日)、现蕾期(7月20日)、开花裂铃期(7月31日)和吐絮期(9月23日)，在平行于枣树种植行方向上，以棉花行逐行设置采样点，根据距两侧枣树的距离，具体位置为:距离枣树东侧(E)的75、105、135、165 cm 和距离枣树西侧(W)的 95、125、155、185 cm，用土钻进行取样，重复3次。取土深度(H)为0＜H≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm，每份土样取100 g左右，风干后装入密封袋中，带回实验室测定其土壤有机质、速效N、速效K、速效P质量分数。土壤样品分析方法采用《土壤农业化学分析》［13］。土壤有机质测定采用浓硫酸—重铬酸钾外加热法;土壤速效N采用碱解扩散法测定;土壤速效P采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定;速效K采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。

根系的空间分布测定:于棉花吐絮期，在垂直于行间的方向上，采用分层挖掘法，以距离树干(L)25、75、125、175 cm处为中心设立采样点。在各采样点的0＜H≤40 cm的土层中，每隔10 cm取20 cm×20 cm的样方。每个样方经破碎过筛仔细挑拣活根，清洁根系表面之后，用标本夹带回实验室，置阴凉处晾干根表水分，枣树以根直径小于等于1 mm为吸收根的界限进行分类。采用加拿大Epson TwainPro扫描仪获取形态结构图像，并用专业的根系分析应用系统Winrhizo软件，对根长密度进行测定分析，重复调查3株树。

棉花产量测定:在10月上旬棉花吐絮期，在枣树东西两侧，距离枣树东侧(E)的 75、105、135、165 cm 和距离枣树西侧(W)的95、125、155、185 cm 处，分别设置3 m×4 m的样方，调查样方内棉花的有效株数、单株有效铃数和单铃质量，然后将各株棉花采收完毕，分别称质量，计算棉产量(折合1 hm2计)，重复3次。

试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS13.0数据处理系统进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 枣棉间作系统内根系和棉花产量分布规律

由表1结果显示，在枣棉间作系统内，枣树吸收根和棉花根系在水平分布上，以100 cm＜L≤150 cm区域内根量最多，达35.1%;在垂直方向上，随土层深度的增加，根量呈递减趋势，0＜H≤20 cm土层根系分布量为20 cm＜H≤40 cm的1.33倍。

表1 枣棉间作系统内根长密度的空间分布

而通过对距枣树不同距离的籽棉产量进行调查，其结果则表明:不同样点的棉花产量存在一定的差异，其中枣树东侧样点的棉花平均产量为4 808.45 kg·hm－2，较枣树西侧棉花产量高出14.74%。

3.2 枣棉间作系统土壤有机质时空分布特性

由表2、图1的测定结果表明，在枣棉间作生态系统中，土壤有机质质量分数具有一定的时空差异性。

表2 枣棉间作生态系统冬小麦不同生育期土壤养分质量分数比较

从时间上看，土壤有机质质量分数在棉花不同生育期差异比较明显(p＜0.01)，但在棉花整个生长季节内，土壤有机质质量分数总体呈增加趋势。在棉花出苗期时，土壤有机质质量分数仅为(21.31±0.12)g·kg－1;棉花三叶期时正值枣树开花盛期，大量凋落物返还养分于土壤中，有机质质量分数增至(23.54±0.25)g·kg－1，增幅达 10.46%;当棉花在五叶期至现蕾期时，土壤有机质质量分数又呈明显下降趋势(p＜0.05);但至开花裂铃期时，由于受现蕾期打顶等棉花栽培管理措施，土壤获得的凋零物归还养分急剧增加，致使土壤有机质质量分数显著提高(p＜0.01);进入棉花吐絮期，土壤有机质质量分数开始降低，但明显高于出苗期时土壤有机质质量分数(p＜0.01)。

从水平分布看，在棉花整个生育期内，距枣树不同距离的样点土壤有机质质量分数基本维持在(21.95±2.25)～ (23.77 ±0.78)g·kg－1，其中枣树西侧各样点土壤有机质平均质量分数为23.01 g·kg－1，稍高于东侧(22.84 g·kg－1)，这可能与枣树西侧的棉花产量较东侧低的现象有关(图1)。

从垂直方向上看，在棉花整个生育期内，0＜H≤20cm土层中有机质平均质量分数为(24.02±0.68)g·kg－1，明显高于 20 cm＜H≤40 cm 土层的有机质质量分数 (21.83±0.53)g·kg－1(p＜0.01)，这可能是由于凋零物归还养分于表层土壤所致。

图1 枣棉间作生态系统土壤有机质质量分数时空分布特性

3.3 枣棉间作系统土壤速效N时空分布特性

N素是植物必需的三大营养元素之一，对植物的生长发育具有重大影响，本试验对枣棉间作生态系统土壤速效N质量分数的时空分布特性进行测定，其结果如图2所示:由表2、图2可以看出，枣棉间作系统中土壤速效N质量分数具有明显的时空异质分布特性。

从时间上看，棉花不同时期的土壤速效N质量分数差异达极显著水平(p＜0.01)。随棉花生育进程，土壤中速效N质量分数总体呈下降趋势，其中现蕾期速效N质量分数降幅达27.21%。仅在棉花三叶期和五叶期时，由于田间追施含N素肥料，土壤速效N质量分数出现短暂的增加现象。

在水平分布上看，距枣树不同位置的0＜H≤40 cm土层速效N质量分数差异明显，随距离的增加，土壤速效N质量分数表现出先下降后上升的变化规律。在棉花整个生育期内，样点 E135cm和W125cm的速效N质量分数最低，分别为103.64 mg·kg－1和 101.61 mg·kg－1，而距树体最远的 W185cm样点速效N质量分数则为137.31 mg·kg－1，两者差异达极显著水平(p＜0.01)。同时，枣树西侧土壤速效N 平均质量分数为122.53 mg·kg－1，明显高于枣树东侧(112.41 mg·kg－1)。分析其原因可能有以下几点:枣棉间作系统中距树体100 cm＜L≤150 cm根系分布最为密集，而枣树基肥施肥范围在距树体80 cm＜L≤120 cm处，因而导致距树体两侧130 cm左右处土壤速效N质量分数明显低于相邻样点;由于枣树东侧的棉花产量较西侧高，致使两侧土壤速效N质量分数产生差异。

从垂直分布看，不同土层的速效N质量分数在棉花整个生育期内差异较小(p＞0.05)，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土层速效N平均质量分数分别为 118.18、116.76 mg·kg－1。但在棉花不同生育期内，不同深度土层速效N质量分数有所区别。在棉花出苗期，0＜H≤20 cm土层的速效N质量分数为151.04 mg·kg－1，明显高于20 cm＜H≤40 cm 土层的质量分数(104.88 mg·kg－1)(p＜0.01);但到棉花三叶期和五叶期时，由于此时棉花地上部分生长迅速，以及根系分布较浅等原因，导致0＜H≤20 cm土层的速效N损耗较大，土壤速效N质量分数仅为同期20 cm＜H≤40 cm 土层的 87.92%、66.07%;此后随着棉花的生长，20 cm＜H≤40 cm土层的养分损耗量开始增大，同时受凋零物对土壤表层养分的补充等原因，导致0＜H≤20 cm土层的速效N质量分数高于20 cm＜H≤40 cm土层。

图2 枣棉间作生态系统土壤速效N质量分数时空分布特性

3.4 枣棉间作系统土壤速效P时空分布特性

磷是植物生长发育所必须的营养元素，对植物的生命活动和生理功能具有重大影响［14］，对作物产量的提高和品质的改善非常重要。

由表2、图3显示，枣棉间作生态系统中土壤速效P质量分数在时空分布上具有明显的差异性。

从时间角度分析，在枣棉间作生态系统中，0＜H≤40 cm土层速效P质量分数基本上表现出随棉花生育进程而呈递减趋势，仅在棉花五叶期和开花裂铃期由于田间追肥导致土壤速效P质量分数出现短暂增加现象。但棉花不同生育期内，土壤速效P质量分数降幅有较大差异，其中现蕾期速效P质量分数降幅达47.41%。

从水平分布看，在棉花整个生育期内，土壤速效P质量分数随距树体的距离的增加，呈现出先降低再升高的现象，以距树体130 cm左右处土壤速效P质量分数最低。枣树东侧样点 E75cm、E105cm、E135cm和E165cm处，0＜H≤40 cm土层速效P质量分数分别为 51.21、39.08、26.66 、33.94 mg·kg－1，其中E135cm处土壤速效P质量分数明显低于其他样点(p＜0.01);而枣树西侧样点 W95cm、W125cm、W155cm 和 W185cm 处，0＜H≤40 cm 土层速效 P 平均质量分数则分别为 34.70、31.72、35.26、43.14 mg·kg－1，以 W125cm 处土壤速效 P 质量分数最低(p＜0.05)。

而从垂直分布看，土壤速效P质量分数随土层深度的增加而降低。在整个棉花生育期内，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土层的速效P平均质量分数分别为 45.99、27.94 mg·kg－1，两者差异达极显著水平(p＜0.01)。同时，在0＜H≤20 cm 土层中，速效 P质量分数由出苗期的59.35 mg·kg－1降至吐絮期的36.18 mg·kg－1，速效 P 消耗量为 23.17 mg·kg－1，降幅为39.04%，而20 cm＜H≤40 cm土层的速效P质量分数，则由出苗期的27.48 mg·kg－1降至吐絮期的 13.48 mg·kg－1，速效 P 消耗量 14.00 mg·kg－1，降幅高达50.95%。可见，在枣棉间作系统0＜H≤40 cm土层中，枣树和棉花对P肥的主要吸收区域集中在0＜H≤20 cm土层内，但20 cm＜H≤40 cm土层则为土壤速效P的主要亏缺区域。

3.5 枣棉间作系统土壤速效K空间分布特性

土壤钾素营养是影响植物抗旱性、根系生长和作物产量的重要因素［15－16］。

从表2、图4中可以看出，土壤速效K质量分数在棉花整个生育期表现出一定的时空分布差异性。

图3 枣棉间作生态系统土壤速效P质量分数时空分布特性

图4 枣棉间作生态系统土壤速效K质量分数时空分布特性

从时间分布看(表2)，在枣棉间作生态系统内，0＜H≤40 cm土层各样点速效K平均质量分数基本上随棉花生育进程而呈逐渐降低的变化趋势，仅在棉花五叶期和现铃期时，因棉花追施含K素的肥料而出现短暂增加的现象。但棉花不同生育期内土壤速效K质量分数变幅有较大差异，在棉花三叶期前，土壤中速效K质量分数仅下降9.28%，但至五叶期后，0＜H≤40 cm土层速效K质量分数开始迅速降低。五叶期至现铃期，土壤中速效K质量分数降幅为21.00%，其后由于在开花裂铃期时田间追施含K素肥料，导致土壤速效K质量分数有所回升，但在开花裂铃期至吐絮期时，土壤速效K质量分数又开始大幅下降，由开花裂铃期时的(225.38±0.66)mg·kg－1急剧降至吐絮期的(160.88±1.23)mg·kg－1，降幅达28.62%。导致在棉花不同生育期土壤速效钾K质量分数变幅差异较大的原因，可能是由于棉花和枣树对钾肥的需求规律所决定的。在棉花处于五叶期(6月份)之前，对K肥的需求较低，当进入7月份，棉田中速效钾质量分数陡然下降，这与棉花对速效钾的吸收利用特点有关［17］。同时，此时正逢枣树坐果期，开始对K肥需求量增大。因此，在枣棉间作生态系统中，当枣树进入坐果期后，田间即应及时追施K肥，以缓和枣树和棉花对K肥的竞争吸收态势。

从水平分布情况分析，在棉花整个生长季节内，距枣树不同距离的土壤速效K质量分数较为稳定，基本维持在 202.17 ～ 233.67 mg·kg－1。这可能因试验地土壤速效K质量分数较高，从而导致距枣树不同距离的速效K质量分数变幅较小。

从垂直分布看，在棉花整个生育期内，不同深度土层的速效K质量分数差异较小，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土层速效K质量分数分别为227.28、211.74 mg·kg－1。仅在棉花现蕾期，0＜H≤20 cm 土层的速效K 质量分数为235.58 mg·kg－1，明显高于20 cm＜H≤40 cm土层的速效K质量分数(191.96 mg·kg－1)，差异达极显著水平(p＜0.01)。这是由于棉花现蕾期时正值枣树果实膨大期，此时枣树和棉花对K肥需求量均较大，因而导致20 cm＜H≤40 cm土层内速效K质量分数急剧下降，降幅达31.56%。

4 结论与讨论

土壤有机质是土壤的重要组成部分。尽管土壤有机质只占土壤总质量的很小一部分，耕作土壤表层有机质质量分数通常在5%以下，但它对土壤结构、养分水分的吸收利用和作物产量产生重要影响，在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都有着很重要的作用和意义。土壤有机质的分布并非均一，而是呈现时空异质性，因此，掌握土壤有机质的时空分布规律，可为土壤农化分析取样和农田养分的精准管理提供合理依据。N、P、K是植物生长发育所必需的三大基本元素，土壤速效N、P、K质量分数及其相对平衡反映了土壤中N、P、K的现实供应状况，对植物的生长发育起着十分重要的作用。研究土壤养分的时空变化规律对于改善绿洲生态、改良土壤、保持农业稳产和高产具有重要意义。在单作棉田土壤速效养分质量分数常具有显著的时间、垂直变异特征［16－18］，速效养分质量分数还具有水平变异特征，前人对粮田土壤速效养分水平变异特征的研究相对较多［19－21］。一般认为，在农林复合系统中，土壤养分可以以林木调落物的形式将养分归还于表层土壤，起到将下部土层养分“泵到”表土层的作用［22－23］。根据生态位理论，生态位重叠是对资源利用性竞争的一个必要条件，但重叠并不一定必然导致竞争，只有在资源供应不足时才导致竞争。

通过本研究结果表明，在试验区及其相似立地条件和栽培管理水平下，为降低枣棉间作系统中枣树和棉花的养分竞争态势，生产中应采取以下措施:在棉花现蕾期时要及时施用N、P肥，而在开花裂铃期(即枣果膨大期)时则要补施K肥;在距树体100 cm＜L≤150 cm处，应适当增加N、P肥施用量，以弥补该区域养分亏缺;在棉花播种前要深翻覆土，以提高20 cm＜H≤40 cm土层的有机质和速效P质量分数。

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