研究区位于青海省德令哈市怀头他拉镇,海拔2 800～3 000 m,年均降雨量约120 mm,蒸发量2 736 mm,年均气温4.32℃。主要土壤类型是灰棕漠土,质地为砂质壤土。枸杞园建立在平原上,种植面积共2 800 hm²。20世纪初政府对耕地进行了土地治理,开始了枸杞的产业化发展。由于该地区土壤质地粗、多砾石、保水性差,再加之降雨量少,蒸发量大,因此枸杞地水分与肥料供给采用滴灌,水肥一体化如今已初成规模并投入使用。

研究区枸杞地共分为4种不同的类型:沟垄露地种植(HLL)、沟垄覆膜种植(HLM)、平作露地种植(HPL)、平作覆膜种植(HPM),枸杞均为6年生且未种枸杞前立地条件基本一致。本试验以上述4种枸杞地为研究对象,平作露地作为对照,研究区建有水肥一体化车间,因此所有枸杞地的灌水量和施肥量都相同。试验用土取自上述4种不同耕作措施的枸杞地,在每种枸杞地选择3个采样小区作为重复。于2018年5月进行了调查和布点,将采样点平均分布于每个采样小区,使其点位均匀分布,利用土钻分层取0—20 cm和20—40 cm深度的土样,根据不同采样小区的面积大小,在同一小区取15个点,土样的采集使用“S”型取样法。采集的样品放置于室内风干,将风干后的土样研磨,并对样品进行前期处理。

对样品各指标进行测定,具体的测定方法见表1。

表1 土壤理化性质测定指标及方法

所有样品都通过3次重复,并以平均值加误差线的形式表示,采用Excel 2007进行数据整理和制表,采用SPSS 21.0软件进行方差分析、相关性分析、土壤养分特征指标的统计分析,采用Origin 8.0进行绘图。

土壤肥力综合评价采用改进的Nemerow综合指数法^[11-12],具体步骤如下:

本研究参数的选择以及各属性因子的分类标准主要参照全国第二次土壤普查分级标准^[13],见表2。参数包含:速效氮、速效磷、速效钾、有机质、全氮、全磷、全钾、pH值。以上选取的各个参数之间不可直接加和,为了消除各参数间量纲的差别,先要进行标准化处理,方法如下:

当属性值属于差一级时,即C_ia时:

P_i=(C_i)/(X_a)(P_i≤1)(1)

当属性值属于中等一级时,即X_aic

P_i=1+((C_i-X_a))/((X_c-X_a))(1i≤2)(2)

当属性值属于较好一级时,即X_cip

P_i=2+((C_i-X_c))/((X_p-X_c))(2i≤3)(3)

当属性值属于好一级时,即C_i>X_p时:

P_i=3(4)

式中:P_i为分肥力指数; C_i为某属性测定值; X_a,X_c,X_p为土壤各属性因子值的分级标准。通过上述公式的标准化得到的各项土壤肥力指数比较接近且具有可比性,最切合实际的是:当有的指标测定值超过好的标准X_p时,测定值将不再升高,体现了作物生长发育中对某些属性的需求量存在一个上限阈值^[14],并非越高越好。以上公式虽然可以计算出各单项指标的分肥力指数,但用其直接评价土壤肥力水平缺乏科学性与严谨性,因此,采用改进的Nemerow综合指数法计算综合肥力指数。公式如下:

式中:P_s为土壤综合肥力指数; P_{i avg}为土壤各属性分肥力指数的平均值; P_{i min}为各分肥力指数中的最小值; n为参评因子数量。为了突出最差养分指标对土壤肥力的影响,反映植株生长的最小因子律,原内梅罗式中的P_{i max}被修正的内梅罗式中用P_{i min}取代,增加修正项(n-1)/n来反映可信度,即评价指标越多,可信度越高。

表2 土壤各属性的分级标准

本研究中采用中国制土壤质地分类标准。4种耕作措施下0—40 cm土层土壤机械组成见表3,砂粒含量(>0.05 mm)为61.44%～91.72%,粉粒(0.002～0.05 mm)含量为7.88%～35.50%,黏粒(<0.002 mm)含量为0.24%～3.06%。研究区砂粒含量很高,粉粒含量相对较少,黏粒含量极其少,这除与成土母质有关外,还与当地的侵蚀方式有关,由于该地区风沙侵蚀严重,研究区又地处平原,因此质地较轻的粉粒和黏粒被不断的搬移,质地较重的砂粒的质量分数会变大。4种处理不同土层之间表现出:砂粒含量0—20 cm土层均小于20—40 cm土层; 粉粒含量0—20 cm土层均大于20—40 cm土层; 黏粒含量除红枸杞平地露地外,其余均表现出0—20 cm土层大于20—40 cm土层。相同土层不同处理之间土壤颗粒组成也呈现出一定的差异:红枸杞平地露地两个土层砂粒含量均显著高于其他样地,差异性极其显著(p<0.05); 红枸杞沟垄覆膜的两个土层粉粒和黏粒含量均显著高于其他样地。

不同耕作措施条件下,砂粒含量表现为平作露地>沟垄露地>平作覆膜>沟垄覆膜,说明覆膜和沟垄种植不仅能显著减弱风蚀对土壤机械组成的影响,同时也能改良土壤的机械组成。

将所取土壤的8项养分指标进行汇总,得到不同耕作措施下不同土层养分的平均状况(表4)。结果表明,研究区土壤养分差异明显。综合两个土层分析,速效氮、有机质、全氮:HLM>HPM>HLL>HPL; 速效钾、全钾:HLM>HPL>HPM>HLL; 速效磷:HLL>HPL>HLM>HPM; pH值:HPL>HPM>HLM>HLL; 全钾:HLL措施显著高于其他措施。

表3 土壤颗粒组成

表4 不同耕作措施土壤养分特征

养分指标的变异系数(CV)是土壤性质的内在反映,不仅能反馈不同土壤养分抵抗外界条件的敏感性,而且能反映出土壤养分的空间变异程度^[15]。将所取的两层土壤养分含量求算术平均并进行统计(表5),结果表明:土壤平均pH值为8.19,研究区土壤为弱碱性,pH值的CV仅为4.27%,空间变异性很小。此外,除速效磷外,研究区速效养分的CV均大于对应的全量养分的CV。这是因为全量养分主要受成土母质中矿物成分的影响,大多以稳态存在。研究区位于平原上,几乎不受坡度因素的影响,成土母质一致并且分布均匀,因此变异系数相对较小。而速效养分与农业生产、管理方式、耕作施肥以及枯落物等因素有很大的关系,因此其变异系数对比于全量养分相对较大。

表5 研究区土壤养分统计

结合统计结果,依据全国第二次土壤普查标准对研究区土壤养分状况进行级别划分,结果表明:全钾和速效钾含量属于3级(中等); 全磷和速效磷含量属于4级(稍缺); 速效氮和有机质含量属于5级(缺); 全氮含量属于6级(极缺)。

土壤pH值是研究土壤理化性质的基础,微生物活动、土壤有机质分解及养分的转化等均与之相关。从整体来看(图1),土壤pH值处于7.78～8.92,表现为弱碱性。pH值在不同土层之间差异不大。在不同耕作措施下,相比于对照,其他处理均能不同程度上降低各土层土壤的pH值,且差异性显著(p<0.05)。这表明,沟垄覆膜种植一定程度上降低了各层土壤的pH值,这与王东等^[16]研究结果相似。

图1 不同耕作措施下的pH值与速效养分

研究区土壤速效氮和速效磷含量缺乏,速效钾含量正常。土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量均表现为0—20 cm土层明显高于20—40 cm土层,其中速效氮和速效磷的垂直方向差异性尤为明显。在不同耕作措施下,0—20 cm土层,HLM处理速效氮比对照HPL处理增加了115.55%,20—40 cm土层HLM速效氮含量可达HPL处理的10倍之多。可见,沟垄覆膜有助于土壤速效氮含量的增加。沟垄措施较平地种植速效磷含量略微有所升高,然而,覆膜措施与露地种植相比,速效磷含量却明显下降。土壤速效钾表现出0—20 cm土层含量稍大于20—40 cm土层,水平方向,HLM处理的速效钾含量均高于其他3个处理,且差异性显著(p<0.05)。

由上可知,沟垄覆膜综合措施在一定程度上增加了两个土层速效氮和速效钾的含量,其中速效氮的增幅较明显,相反覆膜处理却降低了土壤速效磷的含量。

有机质不仅为植物提供生长所需的营养元素,而且对土壤结构的形成、土壤保水保土功能的维持起着重要作用^[17]。由图2可知,4种耕作措施下的土壤有机质平均含量处于10 g/kg以下,只有HLM处理0—20 cm土壤有机质大于10 g/kg,该地区的土壤有机质含量在10 g/kg以下,灰棕漠土营养贫瘠是致使作物生长乏力的重要因素。从土壤剖面来看,表层土壤显著高于底层土壤,其中HLM处理表层土壤有机质比深层土壤提高了67.04%。说明研究区土层深度显著影响有机质剖面分布,其规律呈现递减趋势,这与武小钢^[18]等的研究结论一致。不同耕作措施之间,起垄种植与平作相比差异性不明显,呈现较小波动,覆膜处理相比于露地种植,其有机质含量明显提升,差异性达到显著水平。说明覆膜可以显著提升土壤有机质含量。

研究区土壤全量养分表现出钾素正常,氮素和磷素缺乏的状况。从土壤剖面看,表层土壤全氮含量均高于20—40 cm土层,其中HLM处理最为明显,达到50%,全磷和全钾含量在垂直方向差异性不显著。不同耕作措施之间,全量养分变异系数处于10.98%～26.47%,差异性与速效养分相比较小,养分含量均表现出沟垄覆膜处理与其他3个处理相比差异性显著,说明在土壤全量养分方面,沟垄覆膜处理对氮、磷、钾均具有提升作用。

以研究区整体为对象,对土壤各个养分指标做相关性分析,分析结果见表6:按照两两一组形成28组关系,相关系数的绝对值处于0.001～0.827。有机质与全氮相关系数最大,为0.827。有研究表明,土壤中的有机肥料是全氮的主要来源,土壤全氮的95%来源于有机质^[19],因此全氮与有机质存在极大的相关性。速效钾与pH值间相关系数最小,为0.001。速效氮与所有养分指标都存在极显著性正相关关系; 有机质除与速效磷、速效钾无显著性相关外,与其他养分指标都存在极显著性正相关,与pH值也存在显著性负相关; 说明土壤有机质与速效氮的变化是本研究区其他养分变化的关键原因。pH值与其他7个养分指标的相关性除速效磷外,都是负相关,表明在青海枸杞种植区中pH值越低的土壤养分状况越好。其中与全氮和全磷呈现极显著负相关关系,表明pH值对全氮和全磷的影响最为强烈。全氮、全磷、全钾除与速效磷相关性弱外,与其他养分指标都存在显著、极显著的相关性。表明土壤全量养分与除速效磷之外的养分指标关系密切。研究还发现,速效磷除与速效氮极显著正相关外,与其他养分指标都不存在强相关性,具有很好的独立性。

图2 不同耕作措施下的有机质和全量养分

表6 研究区总体土壤养分特征指标之间的相关性分析

土壤肥力综合评价值不仅可以用数字来直观表达复杂多变的土壤肥力,而且其评价结果还能够较好地反映研究区土壤养分水平的基本状况。本研究中选用8项土壤养分指标,将其代入前文所述公式(1)—(5)计算4种不同的耕作措施下枸杞地的土壤肥力综合指数。计算结果见表7。

由表7可知,不同耕作措施下土壤肥力存在一定的差异,土壤各属性分肥力指数平均值表现为红枸杞沟垄覆膜样地最高,达到了1.642,而对照处理红枸杞平地露地最低,只有1.178。4种耕作措施综合肥力指数表现为:沟垄覆膜>平作覆膜>沟垄露地>平作露地。得出一般性规律:各项养分指标越高,综合评价得分值高,土壤环境越优。平作覆膜与平作露地相比土壤综合肥力指数较高,表明覆膜措施相比于不覆膜对土壤肥力有提高作用; 沟垄露地与平作露地相比土壤综合肥力指数也有所提高,表明沟垄种植相比于平地种植对土壤肥力有提高作用。平作覆膜>沟垄露地>平作露地,说明覆膜措施对土壤肥力的提升作用优于沟垄措施,因此沟垄措施与覆膜措施一起使用,即垄膜处理对土壤肥力的提升作用最大。

表7 枸杞种植区土壤肥力指数

研究区土壤的机械组成均以砂粒为主,由此可见该地区灰棕漠土是一种粗颗粒土壤,保水蓄肥能力不足,与普通耕地土壤理化性质存在很大的差异。首先,这与成土母质以及研究区所处的气候类型有关,这是差异形成的先导因素; 其次,风蚀量巨大、几乎无水蚀的独特侵蚀方式使得质地较重的砂粒含量不断积累,这是差异形成的重要因素; 而不同作物以及耕作方式的差异造就了研究区形成明显土壤机械组成差异的主要因素^[20]。研究表明,枸杞地土壤长期在当地独特的气候条件下,在土壤机械组成改善功能上,采用沟垄覆膜种植能有效改善土壤含沙量高的现象。因此在结合成本因素的同时,有必要多采用沟垄覆膜的耕作措施,无论是保墒增温、减小风蚀,还是降低土壤含沙量方面都具有很好的效果。

土壤酸碱性影响着土壤微生物的活性、矿物质及有机质的转化,并在土壤养分循环中扮演着重要角色^[21]。研究区土壤pH值偏高,变异系数很小,导致土壤碱性程度变高,因此不利于土壤积累养分。

研究区有机质整体含量较低,沟垄措施能略微提升表层土壤有机质含量,而沟垄覆膜处理对有机质的提升可达67.04%,究其原因:一方面,覆膜提高了土壤温度和水分含量,改善了微生物的生长环境,有助于微生物的生长和代谢,加速有机质的分解; 另一方面,良好的沟垄覆膜生长环境会促进植物根系的生长,增加根系的分泌物,使得土壤有机质含量升高,并且覆膜一定程度上阻碍了土壤与空气间的气体交换,导致膜内二氧化碳浓度升高,不利于土壤的呼吸,促进农田碳的积累,而且覆膜处理会提高表层土壤的含水率,也会对土壤呼吸起到一定的抑制作用^[22]。20—40 cm土层有机质含量明显少于表层土壤,且不同处理间差异性只体现在覆膜与露地种植的差异上。崔志强等^[23]也得出了相同的结果:覆膜处理能提升有机质含量,特别是表层土壤活性有机质含量。还有研究表明:土壤有机质含量与粉粒和黏粒的含量呈正相关关系,与砂粒呈负相关关系。究其原因,土壤细颗粒对有机质的吸附作用是有机质积累的主要因素^[24],研究区土壤机械组成显示,4种耕作措施枸杞地都呈现出粉粒、黏粒稀缺的状态,与结果一致。

研究区土壤全氮和速效氮属于缺乏等级。研究得出:无论是全氮还是速效氮,沟垄覆膜措施均可提高其含量,尤其是覆膜处理,提升效果明显。不同土层之间表现为:表层土壤含氮量均高于底层土壤。土壤氮素的流失主要有3条途径:硝酸盐的淋失、土壤侵蚀以及氨气和氧化亚氮等气体的排放^[25]。首先,沟垄覆膜能够改变硝酸盐时空分布,明显提高表层土壤硝酸盐含量,在土壤表层出现汇集现象^[26]; 其次研究区的侵蚀类型主要为风蚀,沟垄覆膜处理能很大程度减弱风蚀带来的危害; 最后覆膜措施改变了土壤中氨的挥发过程,显著降低了氨的挥发,有研究指出覆膜使土壤反硝化细菌造成的铵态氮挥发损失减少90%左右,有效提高了氮的利用率^[27]。因此无论是防治侵蚀还是提高土壤氮素利用率,沟垄覆膜都是首选措施。

研究区钾素含量正常,相比于氮素和磷素,沟垄覆膜对其含量的提升效果并非很大。磷素作为土壤养分的重要影响因素,其在研究区的含量呈现出一定的差异。速效磷表现出沟垄措施优于平地,而覆膜措施则会降低速效磷的含量。全磷的变化趋势则等同于氮素,均表现出沟垄覆膜处理最优。究其原因,覆膜提高了微生物活性,加速有机磷的矿化,枸杞产量升高需要消耗更多的速效磷,导致覆膜处理土壤的速效磷水平低于露地种植。杜社妮等^[28]研究发现:地膜覆盖后土壤速效磷略有下降,但全磷增加12.5%,原因是覆膜能够减少土壤侵蚀。

土壤肥力综合评价能够更加科学系统地得出4种不同耕作措施下土壤肥力水平的高低。目前,虽然我国还未提供明确的土壤肥力划分的标准方法,但是本试验中所使用的改进的内梅罗综合指数法可以科学地表现出不同耕作措施下土壤肥力的综合评价值。结果显示:沟垄覆膜>平作覆膜>沟垄露地>平作露地。因此,枸杞园在今后的生产中应在考虑防沙治沙效率和经济效益的同时,合理配肥施肥,在耕作措施选择上应该多采用沟垄覆膜的种植方法,当地风蚀严重且营养元素流失严重,沟垄覆膜措施非常适合当地实际情况,应予以推广。