覆膜滴灌条件下土地开垦年限对土壤盐分、养分和硝态氮分布特征的影响

张少民，白灯莎，刘盛林，周广威，冯 固

(1.新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3.山东农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国盐渍化大区，利用膜下滴灌技术的优势(即防止深层渗漏、减少蒸发、节水、节肥和增温保墒等)开发盐碱地植棉是新疆棉花生产的一大特色。1996年起新疆引进滴灌技术，并得到了快速的推广应用，越来越多的荒地甚至盐碱地被开发种植棉花[1]。然而，膜下滴灌是不充分灌溉可能会带来潜在的土壤次生盐渍化问题，影响棉花产量和棉花生产。氮施作物生长所必需的三大营养元素之一，对作物生长起着重要的作用[2,3]。氮素是作物生长所必需的三大营养元素之一，对作物的生长发育起着重要的作用[2,3]。土壤氮素主要有两种：硝态氮和铵态氮，我国北方旱地土壤氮素的存在形态主要以硝态氮为主。随着农业集约化程度的提高，过量的氮素通过灌溉进入土壤中，会造成了硝态氮的淋洗损失，污染地下水。但随着现代农业集约化程度的提高，过量的氮肥通过灌溉进入农田后，一部分氮素以硝态氮形式淋洗进入地下水体，不仅降低了氮肥的利用率，而且还污染了地下水，对环境造成面源污染[4-6]。膜下滴灌是小定额灌溉，可是近年来研究发现膜下滴灌棉田同样存在硝态氮的淋洗损失[7]。研究在背景均一地块通过分析盐碱荒地开垦后土壤盐分、养分随植棉年限的变化趋势，探索该区限制棉花高产稳产的潜在因素，为覆膜滴灌条件下合理开发利用盐碱地植棉提供参考。【前人研究进展】有研究认为，膜下滴灌条件下，土壤中的盐分无法从土体中排出或淋洗到深层，受灌水和水盐运动的影响，土壤次生盐渍化趋势日趋严重，0～60 cm以内土层随滴灌应用年限增加呈积盐态势，盐分表聚现象明显[8,9]，且土壤有碱化倾向[10]，现已开垦的荒地中已有40%～50%因次生盐渍化危害而弃耕[8]；另有研究认为，根区土壤盐分随滴灌应用年限明显降低[1,11]，土壤pH也明显下降[12]。由于土壤水盐运动受到土壤质地、潜水位和根系等的影响[13]。【本研究切入点】前人对硝态氮在土壤剖面分布的研究多集中在氮肥用量、灌水量和滴灌方式对土壤硝态氮淋洗的影响[4-6]，对土地开发利用过程中土壤剖面硝态氮的动态变化的研究相对较少。【拟解决的关键问题】研究土壤盐分、pH和养分的时空变异，采用以空间代替时间的方法，选择未开垦的盐渍化荒地和开垦2～15年的农田研究盐渍化土壤在农业开发利用过程中土壤养分、养分和土壤剖面硝态氮、铵态氮的变化。分析膜下滴灌盐碱地植棉的限制因素，为新疆盐碱地植棉的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

2010年在田间调查盐碱荒地和不同开垦利用利用年限的农田土壤盐分、养分的空间变化。试验在新疆农业科学院经济作物研究所玛纳斯棉花育种家基地(44°18′N，86°22′E)进行。该地区平均海拔400 m，属于温带大陆性干旱半干旱气候，年平均气温7.5～8.2℃，年降雨量为180～270 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm，土壤属于硫酸盐灰漠土，地下水埋深大于4 m。研究区所有地块土壤质地基本一致，原始荒地生长的植被为藜科植物，荒地经翻耕后，种植1年油葵，第二年开始种植棉花，该区自2005年开始应用覆膜滴灌技术种植棉花，棉花种植方式为膜下滴灌(一膜两管四行)，农田的灌水施肥制度基本一样，每年棉花生长季节为4～10月，收获后秸秆粉碎还田。种植棉花品种为(新陆早47号)。2010年4月播种，播前磷肥(磷酸二胺或重过磷酸钙)和氮肥(尿素)撒施，机械翻耕和整地后，通过棉花播种机一次完成播种铺设滴灌带和铺膜，膜宽1.45 m，棉花株距0.09 m，播种行距0.20 m，采样日期2010年10月26日。图1

图1 2010年以及1991～2013年平均月降水量
Fig.1 Average monthly precipitation from 1991-2013

1.2 方 法

采用以空间代替时间的方法，研究区开垦前为盐碱荒地，自2005年开始陆续开垦，根据试验基地内土地的开垦年限，将试验基地的土地划分为原始荒地(0)、2年(2)、4年(4)、5年(5)和6年(6)，开垦15年(15)地块为邻近棉田，距试验基地仅10 m，开垦前和试验基地内土地为同一片荒地，1996年开垦后，覆膜滴灌条件下植棉。每个年限选择3个样地作为重复，每个样地用土钻采集0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层土壤样品，每个样地内共采集3个点(包括1个播种行、1个播种行间和1个两膜中间)，土壤样品立即过2 mm土壤筛后混匀。土壤样品分成2部分保存，一部分风干后，分别测定土壤总盐、pH、速效磷和有机质(过0.25 mm筛)；一部分立即放入-20℃冰箱保存，用于测定土壤铵态氮和硝态氮。风干土壤样品测定盐分含量、pH，按照1:5的水土比配成悬浮液，震荡均匀后过滤，取上清液测定电导率(DDS-307电导率仪，上海雷磁仪器厂)和pH(PHS-3C pH计，上海雷磁仪器厂)，然后取25 mL上清液置于30 mL坩埚中，电热板上加热，差减法计算土壤总盐含量。用pH 8.50的NaHCO3浸提后钼锑抗比色法测定速效磷含量。有机碳测定采用重铬酸钾滴定法，无机氮(Nmin)采用1 mol/L CaCl2浸提后连续流动分析仪测定(AutoAnayzer 3，德国)。

1.3 数据处理

采用SPSS软件对数据进行方差分析和多重比较(LSD)，采用Sigmaplot 10.0软件(Systat,San Jose,USA)通过非线性回归法(Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter)或(Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)对数据进行时间趋势分析。盐浓度等百分数指标和数据比值等非连续变量经过反正弦转换后进行方差分析。

2 结果与分析

2.1不同土地利用年限土壤盐分和pH的变化规律

研究表明，盐碱荒地1 m剖面内土壤含盐量较高，平均含盐量为4.58 ms/cm (总盐含量2.25%)，土壤pH高达9.04，其中0～40 cm土层平均电导率为3.75 ms/cm，而40 cm以下土层平均电导率高达5.14 ms/cm，主要因为采样时接近10月底，气温较低，蒸发量小，受降水淋洗作用的影响(10月降水量高于多年平均)，上层土壤盐分向下迁移，导致随着土层深度的增加土壤含盐量和pH随之升高。图1

覆膜滴灌条件下，土壤盐分含量与土地开垦年限的关系可拟合为方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤盐分含量，ms/cm，X表示土地开垦年限，且0≤X<16。土壤盐分随开垦年限的增加总体上呈下降趋势，大体上可分为两个阶段：土地开垦利用前4年为土壤盐分快速下降阶段，1 m剖面土壤盐分含量平均下降了3.49 ms/cm，下降幅度达75.8%，其中0～20 cm土壤盐分由3.27 ms/cm下降至0.83 ms/cm，20～40 cm的盐分由4.24 ms/cm降至1.27 ms/cm；5～15年为土壤盐分的稳定阶段，随着土地开垦利用年限的延长，土壤盐分变化相对平稳，其中0～40 cm土壤平均盐分含量为0.72 ms/cm (水溶性总盐含量0.55%)，由于棉花比较耐盐，此时土壤盐分已经不是抑制棉花生长发育的主要因素。

覆膜滴灌条件下，土壤pH随土地开垦年限发生了明显的变化。土地开垦2年后，1 m剖面的土壤pH均呈现下降趋势，其中0～20 cm土壤pH由开垦前8.88下降到8.50，下降了0.38个单位，20～40 cm土壤pH下降了0.50个单位。土地开垦的2～15年，0～40 cm土壤的pH随土地开垦年限的变化符合方程：Y=a×e-5×((X-b)/c)^2，其中Y表示土壤pH，X表示土地开垦年限，且0≤X<16，即随着开垦年限的增加土壤pH呈先升高后降低的趋势，在土地开垦第10年土壤pH升至最高，而后下降。土壤pH随土地开垦年限升高的原因，可能是农田管理措施(如滴灌)影响了盐基八大离子中Na+和HCO3-比例，刘洪亮等[10]研究认为，随滴灌年限的增加土壤中Na+和HCO3-在盐基八大离子中所占比例上升而导致了土壤pH的上升。与未开垦荒地相比，40～100 cm的土壤pH随土地开垦年限的增加整体呈下降趋势。

土地利用15年后0～40 cm土壤pH仍然维持在9.0左右，作物根系集中分布层pH过高可能是该区棉花生产的主要制约因素。图2

注：土壤pH数据采用非线性回归分析土壤盐分数据采用非线性回归

Note: Equation: Peak, Gaussian, 3 Parameter, Equation: Exponential Decay, Single, 3 Parameter

图2 土壤电导率和pH随土地开垦年限变化
Fig.2 Relationships between soil salinity, pH and years after cultivation

2.2 土壤盐分和pH的相关关系

研究表明，土壤电导率和总盐之间存在极显著的线性相关关系，其回归方程为：Y=0.23+0.44X(n=90)。式中Y为土壤水溶性总盐含量(g/kg)，X为电导率值(ms/cm)。两者的相关系数r=0.848 5，达到极显著水平(P<0.001)，由此可见，该区土壤的电导率可反映该区土壤水溶性总盐含量。图3

注：土壤电导率与总盐数据采用线性回归分析

Note: Equation: Polynomial, Linear

图3 土壤电导率与总盐和pH之间关系
Fig.3 Relationships between conductivity, pH and total salt content

2.3 不同土地利用年限土壤养分的变化

研究表明，原始荒地土壤的养分含量较低，土壤有机质、无机氮和速效磷含量分别为5.67 g/kg、3.54 mg/kg和4.91 mg/kg。盐碱荒地开垦后，土壤有机质和无机氮随着开垦年限的增加而增加，在第5、6年达到最大值，其中土壤有机质(平均7.23 g/kg)增加了57.7%，无机氮含量(平均9.01 mg/kg)增加了4.9倍，7～15 a 土壤的有机质变化不大，而无机氮含量有所下降；土壤速效磷含量随开垦年限的变化与有机质和无机氮不同。土地利用前期，与未开垦相比，土壤速效磷含量下显著下降，开垦2 a土壤的速效磷含量仅为3.20 mg/kg，土地利用的3～5 a，由于无机磷肥的投入，土壤速效磷含量显著升高，最高可达8.29 mg/kg，土地利用的7～15 a，土壤的速效磷含量变化不大。盐碱荒地被开垦利用后，农业管理措施(如施肥和耕作等)能够显著提高土壤养分含量，有利于提升土地肥力。图4

2.4不同土地利用年限土壤剖面硝态氮和铵态氮的变化

研究表明，自然植被条件下，土壤中硝态氮含量很低，低于3.0 mg/kg。土地开垦后随着滴灌技术的应用和化肥的使用，1 m剖面土壤硝态氮含量显著增加。0～20和20～40 cm土层的硝态氮含量随开垦年限的变化规律基本一致，即土地开垦的前6年土壤硝态氮含量增幅较大，分别增加了8.1和3.3倍，土壤硝态氮含量最高可达16.6 mg/kg，7～15年土壤硝态氮含量变化不大，趋于稳定。土地开垦第2年40～60 cm土层的硝态氮含量由开垦前的0.7 mg/kg增加至8.4 mg/kg，增加了10.4倍。而滴灌条件下，无机氮素淋洗到该层导致硝态氮含量的大幅增加。从60～100 cm土层硝态氮含量随开垦年限的变化来看，与未开垦荒地相比，土地开垦的第2年硝态氮已经迁移到60～80 cm土层，硝态氮含量从1.7 mg/kg增加至7.6 mg/kg，增加了3.4倍，第4年，土壤的硝态氮已经在80～100 cm土层累积。

不同开垦年限的棉田土壤铵态氮的含量较低，且变异较大。其中0～20 cm土层的铵态氮含量随土地开垦年限呈先增加后降低的趋势，在第5、6年达到最高，可达5.0～5.2 mg/kg。其他土层的土壤硝态氮含量无明显规律性。图5

图4 土壤养分随开垦利用年限变化
Fig.4 Changes of soil fertility with years

ofcultivation

注：硝态氮数据采用非线性回归分析

Note: Equation: Sigmoidal, Sigmoid, 3 Parameter)

图5 土壤铵态氮和硝态氮随开垦利用年限变化

Fig.5DistributionofNO3-NandNH4+-Nconcentrationsinsoilprofilewithyearsofcultivation

3 讨 论

自1996年起新疆引进膜下滴灌系统，越来越多的荒地以及盐碱地被开发种植棉花，推动了新疆耕地面积的扩张和棉花的种植[1]，膜下滴灌是不充分灌溉，长期应用可能会导致土壤的次生盐渍化[8,10]。研究结果表明，盐碱荒地开垦利用后，由于采用膜下滴灌技术，减少蒸发的同时盐分随水向下迁移，1 m土层的盐分显著下降，土地开垦利用前4年为土壤盐分快速下降阶段，土壤盐分含量下降75.8%之后，5～15年为盐分变化的稳定阶段，其中0～40 cm土壤电导率在0.89 ms/cm以下，土壤盐分已经不是影响棉花生长的限制因素，这与王振华等[1]研究结果一致。然而，土壤pH随土地开垦年限的增加先下降而升高，土地开垦利用15年后，0～40 cm土壤pH仍然在9.0左右，土壤存在碱化风险。土地开垦后，农田管理措施(如耕作，施肥等)显著增加了耕层土壤的养分含量，提高了土壤肥力。由于新疆淡水资环匮乏大面积采用膜下滴灌技术大幅度降低了农业用水。北疆棉田生育期内灌水量在5 300 m3左右，依据土壤含水量情况采用少量多次灌溉，棉花生育期内平均滴灌6～10次，氮肥随水滴施[14,15]，尽管膜下滴灌是小定额灌溉，但仍然存在氮肥向下深层土壤淋洗损失的现象[6,7]。研究结果表明，土地利用过程中农田管理措施不仅提高了耕层土壤硝态氮含量，同时也会造成了硝态氮向深层淋洗，增加了地下水污染的风险。

4 结 论

4.1 土壤盐分含量与土地开垦年限的关系可拟合为方程：Y=a+b×ec×X，其中Y表示土壤盐分含量，ms/cm，X表示土地开垦年限，且0≤X<16。土壤盐分含量随土地开垦年限的变化大体可分为两个阶段：开垦前4年为盐分快速下降阶段，5～15年为盐分变化的稳定阶段，0～40 cm土壤平均盐分含量为0.72 ms/cm，而土壤pH较高，维持在9.0左右。

4.2 土地开垦后，农田管理措施(耕作、施肥等)提高了土壤养分含量，提高了土壤肥力。

4.3 覆膜滴灌下开垦盐碱荒地不仅增加了耕层土壤硝态氮的含量，也增加了深层土壤硝态氮含量，现有的灌水施肥制度存在氮素淋洗损失和污染地下水的风险。

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