玛河流域不同连作年限棉田土壤质量分析及综合评价

姜 艳，刘东阳，李健梅，王 鹏

1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832000; 2.新疆农垦科学院作物研究所，新疆 石河子 832000;3.内蒙古通辽市经济作物工作站，内蒙古 通辽 028000)

土壤质量对农业可持续发展至关重要，土壤质量评价是国内外学者关注的焦点。农田土壤受农作物品种、耕作方式、田间管理措施、农药、化肥、土壤理化性质等多因素影响[1-4]，导致土壤质量评价尤为困难，目前评价指标和评价方法尚未有统一标准[5-6]。土壤肥力是土壤质量的基础，对农田土壤质量评价更多地偏向农田土壤肥力相关研究[7-13]；随着工业和城市化快速发展，重金属污染逐年累积，加重了土壤重金属污染，也成为当前土壤质量评价的重要指标之一[2,14-15]。

新疆玛河流域属于干旱半干旱区，荒漠化和盐渍化严重，农田土壤肥力逐年下降，在这样的环境背景下，棉花作为新疆的主要农作物，一方面施肥量比其他农作物更大；另一方面棉花连作面积逐年增大，据统计，当前南疆连作棉区面积占50%，北疆占65%，一些县(团场)高达85%以上。高施肥加之长期连作，导致棉田土壤肥力下降，重金属污染不断加剧[16-19]，土壤环境恶化[20-24]，棉田土壤质量问题日益突出，严重制约了棉花产量和品质的持续提高，因此迫切需要开展长期连作棉田土壤质量评价。

有关农田土壤质量方面的研究较多，Kirchmann等[25]选取pH值、速效磷、镉含量等作为评价指标对农业土壤质量进行了等级划分；郑琦等[2]采用3种评价方法根据土壤理化性质、重金属及农药污染指标对新疆棉田土壤质量进行了评价；王琼等[5]通过分析土壤理化指标构建了基于遥感技术的棉田土壤质量评价指标体系和评价方法；赵丽莉等[26]选取土壤理化性质及土壤养分作为评价指标，采用综合指数法对新疆博湖县耕地进行了土壤质量评价；文雯等[27]根据石河子垦区耕地土壤Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、As和Hg等8种重金属分布特征评价了土壤环境。在长期连作土壤质量评价方面，王海江等[14]分析了玛河流域连作棉田土壤重金属分布特征；贡璐等[28]综合土壤理化、生物性质，基于因子分析和聚类分析法评价了塔河上游不同连作年限棉田土壤质量差异并划分了等级；韩春丽等[20]、刘建国等[23]针对长期连作对棉花生长及土壤理化特性的影响做了相关研究，但没有对不同连作棉田土壤质量状况作出综合评价。以上研究环境、气候等不相同，评价指标和评价方法也不尽相同；且针对棉花长期连作评价因子多是单方面的，或是仅对比分析了不同连作年限土壤理化性质，或是针对土壤重金属指标进行了污染评价，综合考虑土壤养分及重金属的多因子综合量化评价研究相对较少。

针对以上问题，本研究以新疆玛河流域不同连作年限棉田为研究对象，综合考虑棉田土壤养分及重金属指标，对比分析不同连作年限各指标特征，确定能够反映出新疆绿洲棉田土壤环境质量综合规律的敏感指标，并采用因子分析法对不同连作年限棉田土壤质量进行综合评分，通过土壤综合质量指数法(SQI)对不同连作年限棉田土壤质量进行等级划分。探寻连作棉田可持续发展的障碍因素，并针对不利因素在土壤质量可能发生退化、恶化之前尽早提出预警，及时加强农田土壤质量调控力度，以期为农业管理和政策制定提供理论依据，实现新疆棉业持续高效发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017、2018年在新疆生产建设兵团农八师石河子总场进行。该区域位于荒漠绿洲过渡带，东经85°50′-86°02′，北纬44°18′-45°12′，海拔约440 m，属典型的干旱荒漠区，主要土壤类型是灰漠土。无霜期160～180 d，≥10℃积温3 800℃，日照丰富，年日照时数约2 600～3 000 h，年均降雨量200 mm左右，年蒸发量1 700～2 200 mm，风沙频繁，水资源短缺。

1.2 试验设计

试验采用空间代替时间的方法，在同一海拔区选择地理位置相近、土壤条件相似、当前棉花品种一致的连作1、5、10、15、20 a和25 a以上的6块棉田为研究样地，其中1 a棉田为荒地开垦种植。灌溉方式均为滴灌，全生育期滴水约10次，6月初灌头水，之后每隔10 d左右滴水1次，至8月底停水。整个生育期灌溉施肥同步进行，各棉田施肥种类和数量一致，主要包括尿素、磷酸二胺等。种植模式均为一膜六行(66+10)、一膜三管配置，株距均为12 cm。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 评价指标 土壤质量评价指标对土壤功能和最终评价结果具有显著影响，借鉴相关研究构建的土壤质量评价指标体系[24-26]，将6个土壤养分指标(全氮、速效钾、速效磷、有机质、盐分、pH值)和6个重金属(Cr、Cd、Pb、Ni、Cu、As)指标确定为不同连作棉田土壤质量评价的指标体系。

1.3.2 采样方法 不同连作年限棉田土壤于2017、2018年连续两年在秋季棉花收获后选点，各样地设置3个典型样方，设置3次重复，采集表层0～20 cm土样，处理后测定土壤含盐量、pH值、有机质、速效磷、速效钾、全氮以及As、Cd、Cr、Ni、Cu 和Pb等12个指标。

1.3.3 指标测定方法 pH值采用酸度计法；盐含量采用质量法；有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO2消煮结合FeSO4容量法；全氮含量采用凯氏定氮法；速效磷含量采用Olsen法；速效钾含量采用中性NH4Ac(1 mol·L-1)浸提-火焰光度法；重金属As、Cd、Cr、Ni、Cu 和 Pb含量采用电感耦合离子体光谱仪测定。

1.4 数据处理及评价模型

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析。通过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、贡献率，计算各指标参数权重。

1.4.1 指标权重计算 不同评价指标对土壤质量的贡献程度不一样，权重可反映各评价单项指标对土壤综合质量的影响程度和贡献率。为了定量分析每个指标的重要性和贡献率，提高评价结果的可靠性，本研究通过确定各评价指标的公因子方差，结合公式(1)来计算各指标权重[29]。

(1)

式中，αi表示第i个评价指标的权重；Hi表示第i个评价指标的公因子方差；n表示指标总数。

1.4.2 因子分析法综合评分 由于各单项评价指标只是从不同侧面反映了土壤质量状况，并不能作出综合性评价[24,27]，土壤质量评分可综合考虑各指标的特点和重要性，对土壤质量整体情况做出评分，具体评分方法如公式(2)[30]。

SQAV=∑bizi

(2)

式中，SQAV为土壤质量评分；bi表示各因子的方差贡献率；zi为因子得分，zi=∑xijyij，xij为第i个变量在第j个因子处的因子得分系数，yij为第i个变量在第j个因子处的标准化值。

1.4.3 土壤综合质量指数法 将12个土壤质量评价指标分为正向指标和逆向指标，正向指标的含量越多，对土壤的积极作用越明显，反之称为逆向指标。结合各评价指标的分级标准(表1，表2)，综合土壤养分及重金属污染物对不同连作年限棉田土壤质量进行评价，具体模型如公式(3)[31]：

(3)

式中，SQI为土壤综合质量指数，SFI为土壤养分指数，SFI=土壤养分实测值(Si)/各养分分级高级标准值(S1)，SFImin为SFI的最小值，SFIave为SFI的平均值；PI=土壤污染物实测值(Ci)/国家二级标准值(C1)，C1包括6种重金属及土壤 pH 值和盐分含量；重金属按照国家二级标准取值(表2)；pH值和含盐量结合新疆土壤高盐碱特点取五级最大值[2]。

表1 新疆棉区土壤化学性状等级划分国家二级标准/(mg·kg-1)

表2 新疆棉区土壤重金属含量评价标准/(mg·kg-1)

1.4.4 土壤重金属污染评价 Muller地质累积指数法(ISHM)可反映人为活动对土壤环境的影响[32]，也可对不同连作年限土壤表层重金属进行污染评价(表3)，计算方法如公式(4)。

(4)

式中,ISHM为地质累积指数；Ci为重金属元素i的实测含量(mg·kg-1)；k为修正系数，本研究取1.5；BEi为重金属元素i的新疆土壤背景值(mg·kg-1)[14]。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限棉田土壤养分含量分析

棉田土壤表现为弱碱性，随连作年限增加pH值先下降后上升，种植棉花1 a时pH值最大(7.898)，之后降低，至10 a时降低至最小(7.702)，其后开始上升，至连作25 a时与1 a仅相差0.012，差异不显著(P>0.05)；其他连作年限处理pH值差异显著(P<0.05)(图1A)。土壤含盐量在3.465～3.829 g·kg-1之间，属轻度盐化，随连作年限增加含盐量基本呈上升趋势，仅在连作10 a时稍有下降，至20、25 a时上升到最大(3.801～3.856 g·kg-1)(图1B)。有机质含量随连作年限增加呈先上升后下降的趋势，其中连作10 a含量达最高(19.97 g·kg-1)，25 a时降低至14.93 g·kg-1，接近于1a的水平(图1C)。全氮含量从种植1 a(0.40 g·kg-1)开始逐年递增，25 a时含量达0.90 g·kg-1，各年限间差异显著(P<0.05)(图1D)。土壤速效钾含量在连作5 a时最大，其次是连作10 a，之后随连作年限增加呈降低趋势(图1E)；速效磷含量随连作年限增加呈下降趋势，其中连作5、10 a含量最高(图1F)。

注：不同小写字母表示不同连作年限间有显著差异，下同。Note: Different lowercase letters indicate that there were significant differences among different continuous cropping years. The same below.图1 不同连作年限棉田土壤化学性状Fig.1 Soil chemical properties of continuous cropping cotton field for different years

棉田土壤重金属Cr、Ni、Cu、Pb、As和Cd含量随连作年限增加而增加，至连作25 a含量最高，且25 a显著高于其他年限(P<0.05)(图2)。其中Cr含量在棉花种植1 a时最低，Ni、Cu和Cd含量在连作5 a时最低(图2A)，As和Pb在连作1 a和5 a时均较低，且两者差异不显著(P>0.05)(图2C、2F)。各连作年限Cr、Ni、Cu和As含量均超过新疆背景值(表2)，而Cd含量是在连作10 a时超过新疆背景值，Pb含量在各连作年限种均小于背景值。

图2 不同连作年限棉田土壤重金属含量Fig.2 Soil heavy metals content of continuous cropping cotton field for different years

2.2 不同连作年限棉田土壤质量评价

2.2.1 单项评价指标量化及标准化 为了消除量纲的影响及在数量级上的差别，首先对12个评价指标进行标准化变换，得到各指标累积贡献率(表4)。可以看出，前2个因子可以代表12个指标的89.932%的信息，即把12个指标综合成2个因子完全能反映土壤原始总体特征。

表3 土壤重金属污染评价分级标准

表4 各因子特征值、方差贡献率及累积贡献率

2.2.2 单项指标权重分析 为了分析12个指标对第一、第二因子的重要程度，计算了公因子方差和各指标权重(表5)。可以看出，第一主因子与6种重金属均呈正相关，与速效钾、速效磷两个养分指标呈负相关，说明土壤重金属污染重，不利于土壤磷钾含量的提高。第二主因子与土壤有机质正相关(>0.911)，与pH值呈负相关，说明不同连作棉田土壤由盐碱化向中性演变的过程更有利于土壤有机质积累。由各指标权重可以看出，土壤全氮、pH值及重金属Cr、Pb和Cd贡献率最大。

表5 旋转后的因子载荷矩阵、公因子方差及权重

2.2.3 土壤重金属污染指数分析 土壤重金属污染指数(表6)表明，Pb在连作1～25 a均表现为ISHM<0，As在连作20 a和25 a时ISHM>0，Cu在各连作年限均表现为ISHM>0；其他3种重金属(Cr、Ni和Cd)在短期连作1、5 a和10 a时ISHM<0，连作15 a之后ISHM>0。

2.2.4 土壤质量综合评价 通过评价指标因子得分可获得各因子在不同连作年限中的得分情况，最后由各因子方差贡献率(表4)和因子得分加权得到不同年限棉田土壤质量综合评分(表7)。可以看出，棉田土壤质量评分最高的为连作10 a，其次分别是5、15、20、1 a和25 a。

表6 不同连作年限棉田土壤重金属ISHM值

表7 不同连作年限棉田土壤质量评价结果

进一步通过土壤综合质量评价指数法计算SQI值(表8)，对照土壤污染指数评价分级标准(表3)，可以得出连作5 a和10 a的棉田土壤质量为“高”，连作15 a和20 a棉田土壤为“中”；连作1 a和25 a棉田土壤质量状况较差，为“低”，不利于土壤质量提升。土壤综合质量评价指数法评价结果(表8)与因子分析法(表7)得出的结果一致，说明该两种方法得出的结论有一定借鉴价值。

表8 不同连作年限棉田土壤质量预警结果

3 讨 论

3.1 长期连作对土壤养分的影响

连作对土壤养分的影响目前还存在一定争论，有研究认为作物连作后造成土壤养分亏缺和失衡；但也研究得出，并不是所有长期连作作物均会导致土壤养分下降。如刘方等[33]研究认为正常施肥条件下，烤烟长期连作后土壤有效养分不但没有亏缺反而出现不同程度积累现象；孙小花等[34]研究发现长期连作显著降低土壤有机碳含量；贡璐等[28]研究得出连作10～15 a的棉田土壤有机质、养分明显提高；刘建国等[23]研究表明长期连作棉田土壤有效钾、磷含量均降低，土壤有机质含量显著上升。本研究棉田土壤pH值表现为开垦种植1 a时最高，后期连作5、10 a时快速下降，至15 a时pH值又开始逐渐升高，主要原因是从1 a开始，种植年限越长，耕翻等越频繁，土壤表层pH值降低越快，此外棉田施肥也会引起土壤酸化；至连作15 a又逐渐升高，是因为膜下滴灌使地下水位升高，深层盐分随水分蒸发向表层聚集，盐离子浓度增加，pH值升高，这也正是土壤盐分随连作年限增加呈上升趋势的原因(图1A，B)。陈绪兰等[35]、齐莎等[36]研究得出土壤pH值随连作年限增加表现为上升趋势。土壤有机质含量随连作年限增加呈先上升后下降趋势，至连作10 a有机质含量达最高(图1C)，这可能是因为一方面机械作业增加导致土壤疏松多孔，有机质含量增加；另一方面，新疆棉花施肥量大，同时常年棉花秸秆还田导致连作10、15 a时土壤有机质含量呈现出逐年累积趋势。连作10 a之后有机质含量大幅下降，说明连作年限超过10 a棉花大量不间断地吸收土壤养分，导致连作25 a时棉田有机质含量大幅度下降，接近于刚开垦1 a的棉田水平。土壤全氮和速效磷含量在长期连作后逐年累积(图1D，F)，原因可能是在新疆普遍重施氮磷肥，长期连作会导致全氮和速效磷在土壤中积累[14]。速效钾含量则从连作10 a后显著降低(图1E)，这与玉苏甫等[37]研究得出的绿洲棉田连作年限增加会导致土壤含钾量显著下降的结论一致。这是因为新疆钾肥施用量相对较少，而在长期连作10 a后棉花会从土壤中吸收大量钾素，造成土壤缺钾，致使土壤中的氮、磷、钾比例失调。

3.2 长期连作下棉田土壤重金属污染情况

土壤重金属Cr、Ni、Cu、Pb、As和Cd含量均随连作年限增长而增加，因此认为长期连作会导致土壤积累重金属，这与很多学者认为新疆天山北坡棉田土壤重金属富集严重的结论一致[15,38]。土壤重金属污染指数(ISHM)表明，Pb在各连作年限均表现为无污染，而Cu含量则表现为超标；Cr、Ni和Cd在10 a以下的短期连作中均不存在污染情况，但连作15 a开始出现重金属富集；As在连作20 a和25 a时出现轻度污染。总体看来，连作年限超过15 a土壤会出现不同程度的重金属污染问题。

3.3 不同连作棉田土壤质量评价

基于因子分析法得出的不同连作年限棉田土壤质量评分SQAV最高的是连作10 a，其次是5 a，最低的是1 a和25 a，这与土壤综合质量指数SQI评价法得出的5 a和10 a棉田土壤质量为“高”，1 a和25 a为“低”的结果相一致，表明两种方法均有一定的合理性。综合两种方法得出的结论，研究认为连作5 a和10 a的棉田土壤质量状况最佳，土壤pH值和含盐量低，有利于土壤有机质积累，Pb、Cr、Ni、Cd和As等5种重金属均为“无污染”状态，说明10 a以下的短期连作有利于减弱棉田土壤盐碱程度，养分含量升高，土壤综合质量趋好。连作15 a和20 a土壤质量等级为“中”，自15 a开始出现重金属Cr、Ni、Cd等富集明显，有机质呈降低趋势，pH值和盐碱量增大，土壤综合质量下降。而连作1 a和25 a土壤质量为“低”，说明连作时间过长和刚刚开垦种植的棉田均不利于土壤质量提升，1 a和25 a土壤pH值和含盐量均相对较大，这是因为新疆土壤本身盐碱含量较高，1 a种植时间太短、土壤水、氮磷钾肥等含量较低，不利于改良土壤；之后随着种植年限延长，耕地翻土、施肥等降低土壤酸化，土壤表层pH值迅速降低；但连作时间超过15 a又开始增加，至25 a时达最大，是因为25 a的长期连作膜下滴灌使地下水位升高，深层盐分随水蒸发向表层聚集，盐离子浓度增加，盐分含量最高，pH值升高，土壤盐碱化严重，不利于土壤养分储备，土壤综合质量较差。贡璐等[28]研究同样认为8、12 a连作棉田土壤质量相对较高，长期(20、30 a)连作土壤质量有退化趋势；与丁峰等[39]对新疆天山北坡经济带不同年限(0～11 a) 连作滴灌棉田土壤质量变化趋势的研究结果相同；周斌等[40]也提出13 a耕作农田土壤质量提高效果明显；范君华等[41]对不同连作年限棉田的研究发现，与新开垦棉田相比，连作15 a后棉田土壤有机质、全氮含量增加；Xu等[42]研究认为连作5～10 a后通过轮作、倒茬能缓解土壤压力，提升土壤质量。以上研究区域不同，土壤质量评价指标不同，但结论均为长时间单一种植模式使棉田土壤质量不断退化。

4 结 论

土壤质量评价指标和方法决定了评价结果的可靠性，本研究选取土壤养分及重金属作为评价指标，因子分析评价法和土壤质量综合评价指数法得出的结论均为连作5 a和10 a更有利于提升土壤质量和棉花提质增效；而开垦初期1 a及长期连作10 a以上的棉田土壤质量有不同程度退化。本研究与前人研究选取指标不同但结论一致，说明评价方法和指标的选取有一定参考性。但研究未选取微生物和环境指标，指标选取不够全面，尚未建立完善的新疆绿洲不同连作年限棉田土壤质量评价指标体系，试验数据还需进一步积累，在多年观测数据的基础上才能更加科学地展开土壤质量评价，这也是未来工作的重点。此外，土壤重金属在不同连作年限棉田土壤中的污染情况与两种土壤质量评价方法得出的结论吻合，即长期连作会导致重金属富集，不利于土壤质量提升，说明重金属可以作为不同连作年限棉田土壤质量评价的指标之一，进一步分析不同连作年限棉田土壤重金属污染机制是将来的研究重点。