新疆滴灌棉田35年耕地土壤肥力演变趋势分析——以芳草湖农场为例

Analysis on the Evolution Trend of Cultivated Land Soil Fertility in Drip Irrigation Cotton Field in Xinjiang in 35 Years —Taking Fangcaohu Farm as an Example

马旭 Xu MA , 高翔 Xiang GAO , 梁飞 Fei LIANG

1 新疆生产建设兵团第六师农业技术推广站新疆五家渠 831300 Agricultural Technique Extension Station of Division 6 in Xinjiang Production and Construction Corps, Wujiaqu, Xinjiang 831300, China 2 石河子工程职业技术学院新疆石河子 832000 Shihezi Engineering Technical College, Shihezi, Xinjiang 832000, China 3 新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所新疆石河子 832000 Institute of Farmland Water Conservancy and Soil-Fertilizer, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Science, Shihezi, Xinjiang 832000, China

Author notes:

Correspondence to: 高翔(1969—)，女，大学本科，高级讲师，主要从事耕地作业农机教学与研究工作；184129007@qq.com

摘要：

随着北疆棉区棉花连作面积的逐年增大和连作时间的不断延长，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。以芳草湖农场为例，利用1985年、1996年、2006年和2020年对芳草湖农场土壤养分的调查数据，分析了农场35年耕地土壤肥力变化的趋势。结果表明：从1985年到2020年，滴灌棉田耕地土壤肥力整体呈上升趋势，有机质、全氮、有效磷、速效钾的质量分数分别增加了51%、82%、262%、182%；耕地土壤有机质和全氮含量仍处于低肥力状态，有效磷含量在2020年达到高肥力状态，速效钾含量1996—2020年均处于极高肥力状态。建议北疆棉区结合土壤肥力状况和水肥一体化技术，继续实施秸秆还田、控制磷钾肥用量、改变施肥位点和合理补充中微量元素的科学施肥措施。

关键词：

土壤肥力; 棉田; 有机质; 中微量元素; 养分; 演变趋势;

Abstract：

With the increase of cotton continuous cropping area and the extension of continuous cropping time in Northern Xinjiang, the soil quality problem of cotton field is becoming increasingly prominent, which seriously restricts the continuous improvement of cotton yield and quality. Taking Fangcaohu farm as an example, using the survey data of soil nutrients in 1985, 1996, 2006 and 2020, the change trend of cultivated land soil fertility in the farm in 35 years is analyzed. The results show that from 1985 to 2020, the overall soil fertility of drip irrigation cotton field show an upward trend, and the mass fractions of organic matter, total nitrogen, available phosphorus and available potassium increased by 51%, 82%, 262% and 182% respectively. The content of soil organic matter and total nitrogen in cultivated land is still in a low fertility state, the content of available phosphorus has reached a high fertility state in 2020, and the content of available potassium has been in a very high fertility state from 1996 to 2020. It is suggested that the cotton region in Northern Xinjiang should continue to implement scientific fertilization measures such as returning straw to the field, controlling the amount of phosphorus and potassium fertilizer, changing fertilization sites and reasonably supplementing medium and trace elements in combination with soil fertility and water and fertilizer integration technology.

Keyword：

soil fertility; cotton field; organic matter; nutrient; medium and trace element; evolution trend;

0 前言

土壤肥力是衡量土壤能够提供作物所需各种养分能力的重要指标^[1]，是农业可持续发展的基础。培肥是维持农业土壤肥力水平最重要的措施之一，了解土壤肥力的变化规律可为合理利用土壤资源和科学施肥提供依据^[2]。单一作物长期种植造成土壤养分的变化是引起土壤连作障碍的重要因素之一^[3]。迫于人口增加和经济增长的需求，单一作物大面积连作在许多地区仍然普遍存在，新疆棉区棉花连作便是一种无法避免的普遍种植模式^[4]。丁峰等^[5]对新疆天山北坡经济带滴灌棉田不同年限的连作耕地土壤质量的研究表明，土壤中有机质的含量先升后降，平均含量整体增加；全氮、有效磷的含量呈S形上升趋势，速效钾则呈明显下降趋势。高文翠等^[6]的研究表明，随连作年限的延长，棉田土壤中有机碳的含量在时间尺度上表现为先增后降，连作1~5 a时土壤中总有机碳含量增加，连作5~17 a时总有机碳含量显著下降。

棉花是新疆农业的支柱产业，受经济利益驱动，北疆棉区长期进行棉花连作。芳草湖农场有37 000 hm²耕地，是兵团最大的中心团场，农业生产条件和技术水平在北疆垦区具有代表性，区域棉田一方面施肥量比其他农作物大^[7]，另一方面棉花连作面积和时间逐年增大和延长，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肥力演变趋势研究。同时，芳草湖农场土壤基础资料保存较完整，分析芳草湖农场多年间土壤养分的变化，可以为北疆棉区的科学施肥和土壤质量管理工作提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

芳草湖农场位于新疆维吾尔自治区呼图壁县境内大片的河漫平原中，全年无霜期142~184 d(平均163 d)，不低于10 ℃的积温3 649.8 ℃，热量条件满足特早熟-早熟棉花生产要求；地势平坦，土壤类型为灌耕灰漠土，土壤质地以壤土为主；辖区面积1 129.6 km²，耕地面积37 333 hm²；主要作物有棉花、加工番茄、小麦、葡萄、葫芦、食葵、打瓜等，其中棉花的占比为播种面积的三分之二以上，是主要的农业经济作物。

1.2 数据来源

数据来源于1985年(全国第二次土壤普查)、1996年(团场取样化验结果)、2006年(测土配方数据)和2020年(第三次全国土地调查)对土壤养分的调查，数据指标包括有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，相关肥力评价因子测定方法参照《土壤农业化学分析方法》^[8]；棉花产量水平来源于新疆生产建设兵团第六师的统计数据。

1.3 数据处理

对棉田土壤养分含量的均值、相对标准偏差进行分析，土壤养分分级参照全国第二次土壤普查分级标准^[9]和国家标准《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)^[10]，主要养分含量分级指标体系见表 1。数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0软件处理和分析，采用Sigmaplot 12.5作图。

表 1

土壤中主要养分含量分级指标

肥力等级水平	w(有机质)/ (g·kg^-1)	w(全氮)/ (g·kg^-1)	w(有效磷)/ (mg·kg^-1)	w(速效钾)/ (mg·kg^-1)
极低	＜6	＜0.5	＜5	＜50
低肥	6~20	0.5~1.0	5~10	50~100
中肥	20~30	1.0~1.5	10~20	100~150
高肥	30~40	1.5~2.0	20~40	150~200
极高	＞40	＞2.0	＞40	＞200

2 结果与分析

2.1 35年棉田土壤中有机质含量的变化趋势

土壤有机质具有协调土壤养分、水分和气、热的功能，是土壤肥力的重要指标^[11]。根据马鄂超^[12]的研究，1988年兵团秸秆还田390.17万亩(1亩=667 m²)，土壤有机质质量分数由1980年的0.25%~0.70%提高至0.70%~1.20%。由图 1可以看出，新疆棉田土壤中有机质的质量分数总体呈上升趋势，从1985年的11.7 g/kg升至2020年的17.7 g/kg，但是有机质水平仍处于低肥范围。土壤有机质含量增加的主要原因可能与新疆滴灌棉田秸秆还田有关，秸秆作为重要的有机肥源，连作结合秸秆还田年限延长，棉田土壤有机质含量稳定性逐渐提高^[13]。

图 1

35年棉田土壤中有机质含量的变化趋势

2.2 35年棉田土壤中全氮含量的变化趋势

氮素是各种农作物在生长发育阶段中不可缺少的重要元素之一，也是土壤养分的重要组成部分。土壤全氮是土壤中各种形态氮素含量的总和，在一定程度上可代表土壤的供氮水平，与土壤肥力和农业生产过程密切相关^[12]。由图 2可知：新疆滴灌棉田土壤中全氮的质量分数呈上升趋势，从1985年的0.60 g/kg升至2020年的1.09 g/kg，35年土壤全氮的质量分数涨幅达到82%；2006年以前新疆滴灌棉田土壤中全氮含量处于低肥水平，2006—2020年全氮含量的涨幅较快，2020年已达到中肥条件。新疆棉田土壤中全氮含量上升与施肥量增加有关，新疆兵团第六师的统计数据显示，芳草湖农场全部化肥用量1985年为974 t，1996年为7 532 t，2006年为9 063 t；2020年芳草湖农场化肥总用量为19 241 t，其中氮肥6 150 t、磷肥5 653 t、钾肥1 151 t、复合肥6 287 t。

图 2

35年棉田土壤中全氮含量的变化趋势

2.3 35年棉田土壤中有效磷含量的变化趋势

磷是重要的养分资源，对农作物的生长、产量及品质均具有重要影响^[13]。土壤有效磷是指能被植物直接吸收和利用的无机磷或者小分子有机磷，是评价土壤供磷能力的重要指标^[14]。由图 3可知：新疆滴灌棉田土壤中有效磷的质量分数呈上升趋势，从1985年的8.60 mg/kg升至2020年的31.1 mg/kg，35年土壤中速效磷的质量分数增加了262%；由1985年的低肥水平逐步发展成中肥水平(1996—2006年)，2020年已达到高肥水平。其主要原因是区域肥料用量逐年增加，尤其磷肥利用率低，土壤残留量较大。

图 3

35年棉田土壤中有效磷含量的变化趋势

2.4 35年棉田土壤中速效钾含量的变化趋势

土壤速效钾能够直观反映土壤钾素水平和供应能力，作为作物生长周期内可以获取的主要养分，直接影响农产品的产量和品质^[15]。由图 4可知：新疆滴灌棉田土壤中速效钾的质量分数呈上升趋势，从1985年的196.9 mg/kg升至2020年的554.4 mg/kg，35年土壤中速效钾的质量分数提高了182%；除1985年芳草湖农场土壤中速效钾含量为高肥水平外，1996—2020年均处于极高水平。其主要原因与新疆土壤的成土母质中富含钾矿石和灌溉水中普遍含有钾、钠离子有一定的关系，同时不能忽视施肥对土壤速效钾累积的影响。

图 4

35年棉田土壤中速效钾含量的变化趋势

2.5 35年皮棉产量的变化趋势

新疆滴灌棉田棉花产量直接影响当地农民的收入和区域社会的经济发展。由图 5可知：芳草湖农场滴灌棉田的皮棉平均产量从1985年的494 kg/hm²增加至2006年的2 295 kg/hm²，20年间提高了3.6倍；虽然2006—2020年间芳草湖农场的化肥用量提高了2.12倍，但皮棉产量基本上无大的变化，说明过量施肥不能带来棉花的增产，因此建议合理施肥，控制肥料投入总量。

图 5

35年皮棉平均产量的变化趋势

3 结语

(1) 新疆滴灌棉田35年耕地土壤肥力演变趋势

从1985年到2020年，新疆滴灌棉田耕地土壤肥力整体呈现上升趋势，其中有机质含量增加了51%，全氮含量增加了82%，速效磷含量增加了262%，速效钾含量增加了182%；耕地土壤中有机质和全氮含量增加较慢，按照主要养分含量分级指标体系分析，有机质和全氮含量仍处于低肥水平；速效磷含量增加较快，已由1985年的低肥水平逐步发展到1996—2006年的中肥水平，2020年达到了高肥水平；速效钾含量也增加较快，从1985年的高肥水平发展到1995—2020年的极高水平；20年间皮棉产量提高了3.6倍；2006—2020年间化肥用量提高了2.12倍，但皮棉产量无明显增加。

(2) 新疆滴灌棉田施肥建议

新疆滴灌棉田应结合土壤肥力状况和水肥一体化技术进行施肥。首先，秸秆还田应继续实施，通过合理实施棉花秸秆还田技术，提升耕地中的有机质和全氮含量；其次，应控制磷肥、钾肥用量，通过水肥一体化技术在棉花需肥关键期合理施用磷肥、钾肥，做到因缺补缺；再次，新疆棉田实现水肥一体化后，棉花根系分布范围发生了极大的变化，大量的根系分布在滴灌带周围，因此在施肥中应充分考虑根系分布范围，做到根区施肥；最后，根据前期研究结果，硼、锌、锰等微量元素分布不均匀，部分耕地处于缺乏状态^[16]，应充分利用水肥一体化技术并结合测土配方技术，合理配施中微量元素肥料。

ckwx 参考文献

毛伟, 李文西, 陈明, 等. 近30年扬州市耕地土壤肥力变异特征及其驱动因素分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(11): 1998-2009.

全国农业技术推广服务中心. 耕地质量演变趋势研究[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2008: 1-15.

李天来, 杨丽娟. 作物连作障碍的克服——难解的问题[J]. 中国农业科学, 2016, 49(5): 916-918.

李雪源, 郑巨云, 王俊铎, 等. 中国棉业科技进步30年——新疆篇[J]. 中国棉花, 2009, 36(增刊1): 24-29.

丁峰, 徐万里, 梁智, 等. 新疆天山北坡经济带滴灌棉田土壤质量演变趋势分析[J]. 农业科技通讯, 2009(3): 42-45.

高文翠, 杨卫君, 史春玲, 等. 膜下滴灌连作棉田土壤有机碳及其活性变化分析[J]. 新疆农业科学, 2021, 58(9): 1603-1609.

姜艳, 刘东阳, 李健梅, 等. 玛河流域不同连作年限棉田土壤质量分析及综合评价[J]. 干旱地区农业研究, 2021, 39(4): 186-193.

鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.

全国土壤普查办公室. 中国土壤[M]. 北京: 中国农业出版社, 1998.

全国土壤质量标准化技术委员会. 耕地质量等级: GB/T 33469—2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

孙娇, 周涛, 郭鑫年, 等. 添加秸秆及生物质炭对风沙土有机碳及其活性组分的影响[J]. 土壤, 2021, 53(4): 802-808.

马鄂超. 略论秸秆还田的效果及其措施[J]. 新疆农垦科技, 1989(5): 37-38.

常汉达, 王晶, 张凤华. 棉花长期连作结合秸秆还田对土壤颗粒有机碳及红外光谱特征的影响[J]. 应用生态学报, 2019, 30(4): 1218-1226.

白由路. 植物营养与肥料研究的回顾与展望[J]. 中国农业科学, 2015, 48(17): 3477-3492.

章文龙, 曾从盛, 陈晓艳, 等. 闽江河口湿地土壤速效磷时空分布与来源[J]. 生态学杂志, 2015, 34(1): 168-174.

马旭. 农六师芳草湖农场土壤养分变化趋势分析[J]. 新疆农垦科技, 2012, 35(8): 37-38.