ABSTRACT

Soil total N, total P, total K organic matter and soil available N, P and K are the three elements that provide fertility for crop growth. The former characterizes soil basic nutrients and the latter can effectively absorb and utilize soil available nutrients for crops. In order to understand soil total amount, soil available nutrients change, nutrient utilization and production effect of drip irrigation crops, 12 crops (spring wheat, spring wheat, soil available nutrients, soil available nutrients) are based on drip irrigation. The 1008 test data of 144 fixed-point samples from paddy, potato, millet, soybean, rape, sunflower, beet, melon, tomato, carrot and alfalfa fields were collected. The results showed that the content of soil total N was stable in 95% confidence interval, and the content of soil total P, K and organic matter changed obviously. Soil available N, P and K had similar characteristics. The results showed that the N absorption of drip irrigation soil was stable, and the P and K utilization fluctuated greatly. With the non-linear increase of drip irrigation unit water consumption and yield, soil total and available nutrients decreased from high to low, soil total nutrients decreased by 42.6% - 25.8%, soil available nutrients decreased by 58.5% - 34.8%, and the decline rate was significantly greater than that of soil total nutrients, reflecting the soil available nutrient capacity. The average soil available nutrient consumption of 12 drip irrigation crops was 19.6%. Among them, 11.2% - 55.2% was used as low yield drip irrigation crops (rape, melon, sunflower, soybean, spring wheat, rice, millet), and 1.3% - 5.5% was used as drip irrigation crops (tomato, carrot, sugar beet, potato, alfalfa) with relatively high yield. The results showed that the soil water and fertility potential of drip irrigation farmland was friendly to the ecological environment. Good regulation and control can provide reference.

Keywords:Drip Irrigation, Farmland Ecology, Soil Nutrients, Change Analysis

滴灌农田土壤养分变化分析

孟新伟¹，周和平^2*

¹新疆第九师农业科学研究所，新疆 额敏

²新疆水利管理总站，新疆 乌鲁木齐

收稿日期：2019年2月27日；录用日期：2019年3月13日；发布日期：2019年3月20日

摘 要

土壤全N全P全K有机质及土壤速效N、P、K是农田作物生长提供肥力的三要素，前者表征土壤基础养分后者表征可为作物有效吸收利用土壤有效养分，为了解滴灌作物生长农田水肥环境土壤全量及土壤速效养分变化、养分利用及其生产效果，基于滴灌12种作物(春麦、水稻、土豆、谷子、大豆、油菜、葵花、甜菜、打瓜、番茄、胡萝卜、苜蓿)农田144个定点取样形成的1008检测数据，采用灌区调查结合数理统计方法分析结果显示，95%置信区间土壤全N含量平稳，土壤全P、K和有机质含量变化明显，土壤速效N、P、K有类似变化特点，表明滴灌土壤N素吸收稳定，土壤P、K利用变化波动较大；随着滴灌单位用水量和产量呈非线性增加，土壤全量和土壤有效养分呈现由高降低变化，滴灌土壤全量养分下降42.6%~25.8%，土壤速效养分下降58.5%~34.8%，下降率明显大于土壤全量养分，体现了土壤速效性养分容易吸收特性；12种滴灌作物平均土壤速效养分耗用19.6%，其中：耗用11.2%~55.2%为产量较低滴灌作物(油菜、打瓜、葵花、黄豆、春麦、水稻、谷子)，耗用1.3%~5.5%是产量相对较高滴灌作物(蕃茄、胡萝卜、甜菜、土豆、苜蓿)，分析结果为滴灌农田土壤水肥气势生态环境友好调控提供参考。

关键词 :滴灌，农田生态，土壤养分，变化分析

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1. 引言

膜下滴灌是干旱区新疆农业高效用水主要灌溉模式，在水肥调控节水增产方面对社会经济生态协调发展产生重要作用。滴灌作物生长水肥投入及其农田土壤养分变化，是滴灌节水新方式的灌溉农业新状态。因此，近年滴灌条件下的土壤养分吸收变化试验研究多见报道。在滴灌土壤养分积累和变化方面，一些学者多以滴灌小麦、棉花进行分析，对1至3年生长的滴灌小麦农田取样检测统计分析 [1] 认为，不同滴灌年限各土层土壤养分大部分呈现中等强度变异，部分速效氮和速效磷养分呈现弱变异性，变异系数在7.68%~45.6%。垂直方向土壤速效养分含量除速效钾外，速效氮和速效磷呈现由表到底层逐渐减少；水平方向土壤速效氮和速效钾含量，随着离滴灌距离增加呈现先升后降趋势，这为合理滴灌施肥方案提供了参考依据 [2] 。小麦生长季内施肥相对不足时，前期土壤氮素供应基本平衡，但小麦生长后期土壤速效氮含量有一定程度下降，土壤速效磷含量总体呈下降趋势，土壤磷素供应亏缺明显，土壤速效钾含量小麦生长季较稳定基本平衡。应用地统计方法 [3] [4] 对滴灌棉田土壤养分空间变异特征分析表明，有机质、速效氮、速效磷、速效钾空间变异量为25%~75%，主要由结构性和随机性因素共同引起，土壤速效氮、速效磷含量处于中低水平，速效钾养分含量较高，空间变异性不明显 [5] [6] 。滴灌棉田土壤速效养分分布特征试验研究表明，高、中、低产田3个处理土壤速效氮养分变化趋势相同，3个处理0 cm~60 cm垂直变异随棉花生育期的推进呈现先增后减趋势，各处理土壤速效磷养分时空变化趋势基本一致，均表现先升后降趋势，各处理土壤速效钾养分随生育期表现较平缓，这些分析有助于了解掌握土壤速效N、P、K在不同土壤深度变化分布，为滴灌棉田生长与土壤养分动态变化及施肥需求提供依据。在滴灌作物土壤养分吸收利用研究方面， [7] 不同配方施肥对膜下滴灌水稻产量试验结果表明，高水肥处理可获得高产，配方肥可显著提高水稻千粒重和地上部分生物量。干旱区滴灌春小麦氮、磷、钾养分吸收试验结果显示 [8] ，随着施肥量增加，滴灌春小麦N、P、K养分吸收量增加，氮肥快速吸收起始时间最早，钾肥次之，磷肥最晚，拔节至抽穗期N、P、K吸收量占全生育期吸收总量分别为66%~79%、62%~69%、66%~70%。通过农田地下滴灌和膜下滴灌两种方式的取样分析结果表明 [9] ，地下滴灌土壤速效氮和速效钾含量随着滴头距离增加而增加，而速效磷含量趋势则相反，膜下滴灌速效钾和速效磷与地下滴灌一致，速效氮含量则是滴头附近最高，滴灌施肥0 cm~100 cm土体中土壤养分残留量膜下滴灌一般高于地下滴灌尤其是氮的残留量较高。在土壤养分供给滴灌作物影响研究方面， [10] 采用水肥滴灌大枣试验结果表明，滴灌大枣生长过程中，土壤氮素表现在新梢、枣果生长期明显加速变化过程，土壤速效磷，表现在枣果成熟期迅速加大，枣果生长和成熟期，土壤速效钾含量变化最为剧烈。对于农田土壤肥力不足与滴灌棉花连作调查统计分析表明 [11] ，多年连作滴灌棉花，导致土壤养分吸收不均衡，致使部分滴灌棉田后期出现斑驳黄花、叶缘卷曲、叶面皱缩等，棉花上部空果枝多，僵瓣增多，提前吐絮产量降低。

本文基于灌区滴灌作物生长环境三年定点144个土壤取样，采用调查统计分析方法，分析春麦、水稻、土豆、谷子、大豆、油菜、葵花、甜菜、打瓜、番茄、胡萝卜、苜蓿12种滴灌作物土壤全量和土壤速效养分变化特征、滴灌水肥和土壤养分利用效率，为滴灌农田土壤养分生态可持续利用提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 灌区概况

调查研究分析位于新疆昌吉农业灌区，87˚18'E、44˚01'N，平均海拔600 m。地处天山北坡带头屯河流域冲积、洪积南缘，多年平均降水181.7 mm、蒸发1739.1 mm、日照7.8 h，气温13.1℃，≥0℃积温3834.3℃以上，属典型内陆干旱气候。试区分布棕漠土，质地为中、轻壤土，0 cm~120 cm土壤干容重1.46 g/cm³~1.65 g/cm³，耕作层1.50 g/cm³~1.60 g/cm³，0 cm~120 cm田间持水量(干土重) 18.8%~23.9%，耕作层20.1%~23.4%。地下水埋深3.0 m~4.5 m，地表与地下水矿化度分别为0.2 g/L、0.6 g/L，耕层土壤全盐含量0.12%，土壤pH值8.7碱性。耕作层多年平均土壤有机质1.51%，土壤全氮、全磷、全钾分别为0.09%、0.07%、1.51%，速效(或称有效)氮、磷、钾，分别为0.0054%、0.0069%、0.0479%，肥力中等偏下，表现缺氮少磷钾富特点。

2.2. 分析方法

灌区种植有近20余种滴灌作物，本研究进行12种滴灌作物土壤养分变化研究分析，12种滴灌作物分别为：春小麦、水稻、土豆、谷子、大豆、油菜、葵花、甜菜、打瓜、蕃茄、胡萝卜、苜蓿。为了解收获前后土壤理化状态，以12种滴灌作物为基本单元，进行土壤容重、作物生长期施肥量、作物产量调查统计；对12种滴灌作物农田耕层土壤采用5点对角线方法，在作物收获后于2016年~2018年定期11月耕作层0 cm~20 cm土壤采样，并送土壤理化分析室进行土壤有机质、全量养分(N、P、K)、速效养分(N、P、K)检测，土壤样品化验分析土壤有机质为重铬酸钾容量法，土壤N、P、K含量检测方法分别为凯氏定氮法、0.5 mol/L NaHCO₃浸提——钼锑抗比色法和火焰光度计测定。滴灌作物生育期土壤养分变化(吸收养分量)，为收获后土壤养分测定值与生长前期测定值之差，并扣除作物生长期施肥量，统计数据方差显著性检验及数理计算采用Excel 2007分析。

3. 结果与分析

3.1. 滴灌土壤养分总体变化

对滴灌作物收获后不同灌溉用水定额及产量情况实际调查，每种滴灌作物土壤耕作层(20 cm)取4个土样，12种滴灌作物48个土壤样品，三年定期滴灌作物土壤采样共形成144个土壤样品，化验分析土壤全量养分(N、P、K、有机质)和土壤速效养分(N、P、K)获得1008个检测数据。统计数据在95%置信区间统计检验(表1)结果显示，以土壤全N养分含量为例，最大、最小值为1.758 g/kg和0.210 g/kg，平均0.829 g/kg，标准差0.378 g/kg，方差0.143；土壤速效养分N最大、最小值为163.6 mg/kg和5.9 mg/kg，平均值49.9 mg/kg，标准差32.3 mg/kg，方差1044.7。从分析结果可以看出，滴灌作物土壤养分总体变化呈现出：土壤全量养分，全N含量表现平稳，土壤全P、全K和土壤有机质含量变化较大，尤其是土壤有机质含量变化差异明显；土壤速效养分，速效N、速效P、速效K含量远低于土壤全量养分，但养分总体有类似变化特点，这说明，滴灌环境作物生长土壤养分吸收变化，表现出土壤N素吸收稳定，而土壤P和土壤K吸收利用变化较大且不稳定。

表1. 滴灌作物土壤养分总体变化95%置信度统计检验

3.2. 滴灌不同用水量及产量与土壤养分变化

基于滴灌作物不同灌溉用水定额及产量调查统计与土壤全量养分和土壤速效养分测定结果如表2和表3所示。由分析结果可以明显看出以下方面变化：

1) 12种滴灌作物随着单位用水量的增加作物产量呈现非线性增加的同时，土壤全量和土壤有效养分基本处于由高降低变化趋势，如春小麦用水量由2505 m³/hm²增加至4380 m³/hm²，产量由4755 kg/hm²增加至5700 kg/hm²最高后又降至5320 kg/hm²，与此同时，对应的土壤全N量由1.15 g/kg下降至0.48 g/kg；土壤全P量由0.91 g/kg下降至0.51 g/kg；土壤全K量由17.97 g/kg下降至16.56 g/kg后反弹至16.79 g/kg；土壤有机质由20.43 g/kg下降至8.57 g/kg。对应的土壤速效N量由52.2 mg/kg增至69.9后下降至20.1 mg/kg；土壤速效P量由99.3 mg/kg下降至17.0 mg/kg；土壤速效K量由532 mg/kg增至599后下降至336反弹稳定在370 mg/kg。

2) 将土壤养分综合平均，取最大、小值之差与最大值之比计算土壤综合养分下降率结果(图1)可以看出，不同滴灌作物土壤养分均有不同程度的下降率：滴灌土壤全量养分综合下降42.6%~25.8%，土壤养分下降最大的滴灌作物是葵花最小为打瓜，平均下降率36.1%，综合下降率由大变小的滴灌作物：葵花、番茄、胡萝卜、黄豆、苜蓿、甜菜、谷子、春麦、油菜、土豆、水稻、打瓜；滴灌土壤速效养分综合下降率58.5%~34.8%，下降最大的滴灌作物是葵花最小为油菜，平均下降率49.9%，综合下降率由大变小的滴灌作物：葵花、土豆、黄豆、甜菜、胡萝卜、番茄、苜蓿、水稻、打瓜、谷子、春麦、油菜。

表2. 滴灌作物用水及产量与土壤全量养分结果

表3. 滴灌作物用水及产量与土壤速效养分结果

图1. 不同滴灌作物综合土壤养分下降率

由土壤全量养分和速效养分下降程度来看，滴灌作物土壤速效养分下降率明显大于土壤全量养分，但不同作物下降整体范围差别不是很大。这体现了滴灌作物吸收利用土壤速效性养分比土壤全量养分高的基本特性。

3.3. 滴灌土壤养分利用分析

土壤速效养分是可以为滴灌作物生长期利用的有效养分，因此，基于滴灌作物收获后耕作层(20 cm)土壤有效养分测定值与生长前期测定值之差，扣除作物生长期施肥量，同时采用环刀法测定单位体积农田耕作层土壤质量的参数土壤容重，由此计算分析滴灌土壤养分吸收利用分析结果(表4)可以看出，滴灌作物不同则对土壤速效养分吸收利用量有差别，12种滴灌作物平均对土壤速效N、速效P和速效K利用量分别是142 kg/hm²、343 kg/hm²和664 kg/hm²，三项之合为1150 kg/hm²。从滴灌土壤速效养分利用结构来看，12种滴灌作物速效N用量最多是滴灌黄豆213 kg/hm²，相对少是谷子102 kg/hm²；速效P用量最多是滴灌甜菜650 kg/hm²，相对较少是滴灌春麦212 kg/hm²；速效K用量多滴灌葵花888 kg/hm²，相对较少是滴灌甜菜364 kg/hm²；速效养分N、P、K用量多是滴灌葵花1340 kg/hm²，相对较少是滴灌土豆924 kg/hm²。进一步分析看出，双子叶滴灌作物耗用土壤速效N、速效P较多，而单子叶滴灌作物耗用土壤速效N、速效P相对较少。

表4. 滴灌土壤速效养分利用量分析

图2为滴灌作物平均产量对土壤速效养分耗用分析，结果显示，不同滴灌作物每产出100 kg产量，土壤速效养分(N、P、K)耗用不同：12种滴灌作物平均土壤速效养分的耗用率为19.6 %，滴灌作物油菜耗用最大55.2%，耗用11.2%~55.2%主要体现在单位产量相对较低滴灌作物(油菜、打瓜、葵花、黄豆、春麦、水稻、谷子)，耗用1.3%~5.5%主要是单位产量较高滴灌作物(蕃茄、胡萝卜、甜菜、土豆、苜蓿)。

图2. 滴灌作物产量土壤速效养分耗用率(%)

4. 结论与讨论

4.1. 结论

滴灌作物土壤养分变化初步分析表明，土壤全量N含量表现平稳，土壤全P、全K和土壤有机质含量变化差异明显，土壤速效养分N、P、K含量低于土壤全量养分，但具有类似变化特点，说明土壤N素吸收稳定，土壤P、K吸收利用相对变化较大；滴灌作物用水量和产量增加的同时，土壤全量和土壤有效养分呈现由高降低变化趋势：土壤全量下降42.6%~25.8%，土壤速效养分下降58.5%~34.8%，下降程度明显大于土壤全量养分；滴灌作物对土壤速效N、P、K利用量分别是142 kg/hm²、343 kg/hm²和664 kg/hm²，由滴灌作物种类结构来看，双子叶作物耗用土壤速效N、速效P较多，而单子叶滴灌作物耗用土壤速效N、速效P相对较少，滴灌作物每产出100 kg产量，12种作物平均土壤速效养分耗用19.6 %，土壤速效养分耗用较多11.2%~55.2%主要是产量相对较低作物，耗用较少1.3%~5.5%主要是产量较高作物。

4.2. 讨论

本文分析结果有助于了解滴灌条件下土壤肥力和土壤有效养分与滴灌作物生长相互作用，对于滴灌作物产量形成的土壤全量和速效养分变化及吸收状态，注重滴灌农田土壤水肥气势生态环境友好，充分发挥滴灌节水农田土壤生态效应，提高土地利用质量及综合产出能力具有实际意义，基于此本项目尚有待于进一步开展滴灌土壤养分高效利用、施肥投入产出及滴灌农田土壤生态可持续问题研究。

文章引用

孟新伟,周和平. 滴灌农田土壤养分变化分析
Analysis of Soil Nutrient Change in Drip Irrigation Farmland[J]. 水土保持, 2019, 07(01): 9-18. https://doi.org/10.12677/OJSWC.2019.71002

参考文献