棉田土質演變規律分析范文

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土壤質量是土壤肥力質量、土壤環境質量及土壤健康質量三個既相對獨立又有機聯系的組分之綜合[1],它是土壤支持生物生產能力、凈化環境能力和促進動植物和人類健康能力的集中體現。土壤質量水平關系到農業的可持續發展,土壤質量演變趨勢已成為現代土壤學研究的前沿和核心問題。新疆是我國重要的棉花生產基地,連續15年種植面積、總產、單產、質量、商品率、外調等居全國首位,總產量已占全國的三分之一以上、全球的10%[2]。新疆農民收入的31%~50%來自棉花。研究表明,土壤退化取決于土壤利用的時間、方式及投入的養分條件[3]。長江三角洲隨著種植年限增加,土壤NO3--N、有效磷、pH和容重以及微生物區系發生了很大的變化,有可能是引起土壤質量改變的重要因素[4]。黑土的有機質、全氮、全硫和全磷隨著開墾時間不斷降低,速效磷有增高的趨勢[5]。煙地和韭菜連作土壤全氮、全磷、有機質、堿解氮和速效鉀含量逐漸增加[6-7]。對膜下滴灌、轉基因棉田土壤酶活性及棉田土壤質量已有報道[8-10],然而從土壤質量角度開展有關連作棉田土壤理化性質及生物學性狀演變等研究的報道較少,本研究以連作棉田為研究對象,測定土壤理化及生物學指標,探索棉田土壤質量演變規律,以期為棉田土壤持續利用管理提供借鑒和預警作用。

1材料和方法

1.1土壤取樣試驗于2008年在農一師三團進行,土樣取自28個條田。土壤質地為灌淤土,用5點取樣,采樣深度0~20cm,將不同位點的土樣混勻、風干后過篩備用。

1.2測定方法土壤有機質用重鉻酸鉀容量法外加熱法;全氮用半微量凱氏法;速效氮用堿解擴散法;速效磷用鉬藍比色法;速效鉀用火焰光度法;碳酸氫根用雙指示劑中和滴定法;氯離子用硝酸銀滴定法;鈣離子和鎂離子用EDFA絡合滴定法;硫酸根用EDTA間接滴定法;鉀和鈉含量用火焰光度法[11]。土壤酶脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性測定用靛酚藍比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉比色法、高錳酸鉀滴定法[12]。

1.3數據處理運用DPS數據處理軟件,對實驗數據進行統計分析。2結果分析

2.1不同種植年限棉田土壤理化性質和土壤酶演變

2.1.1棉田土壤養分、鹽分和土壤酶變化。由表1可知,土壤養分含量和土壤酶活性隨連作時間表現為:0~5年迅速增加,5~10年緩慢下降,10~20年又緩慢增加,20年后迅速下降,總體上呈現升高趨勢,然而有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性在連作10年時較小,酸性轉化酶活性在5年時較低,脲酶活性變化不明顯。連續種植后土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量、過氧化氫酶、酸性轉化酶、堿性磷酸酶和脲酶活性比荒地均有所增加(表1)。土壤鹽分指標中碳酸氫根含量隨連作時間逐漸增大,氯離子、鈉+鉀含量逐漸減小,鈣離子和總鹽含量0~10年時降低,10~15年時升高,15年后降低。硫酸根含量0~15年時升高,15年以后降低。鎂離子含量變化趨勢是升高→降低→升高→降低→升高。連續種植后碳酸氫根含量增加了2.38%~5.68%,氯離子和Na+K含量下降了32.94%~41.52%和7.16%~26.47%。碳酸氫根、氯離子和鎂離子含量10年后趨于平穩。硫酸根、總鹽和鈣離子含量5年后趨于平穩,鈉+鉀含量變化不大(表1)。

2.2連作棉田土壤質量影響的綜合分析及預警研究

2.2.1土壤因子分析。因子分析法是在主成分分析法上發展起來的一種多元統計方法,其基本思想是采用降維的方法將具有交互相關的原始觀測數據歸納為幾個綜合因子。這幾個綜合因子也稱為公因子,其不僅能盡可能多地保留原有的眾多因子的信息,而且各因子之間又是相互獨立的。以土壤養分、鹽分含量以及土壤酶活性作為變量,對這些變量進行主成分分析,找出具有代表性的主導因子,在不損失或少損失信息的條件下從多個變量中構建相互獨立的綜合變量,從而做出正確的評價。把累計貢獻率大于85%作為標準,選取主導因子。由表2可知,前4個特征值大于1(累計貢獻率大于85%),因此提取前4個因子。其中,第一個主成分的方差占所有方差的53.80%,占總方差的一半以上,前4個主成分的方差貢獻率達85.05%,所以,選前4個主成分已經足夠描述土壤養分、土壤鹽分含量和土壤酶活性性狀。第1主成分中有機質、全氮、速效磷含量、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性有較大正向荷載(0.8以上),鈣離子和總鹽含量具有較大的負向荷載(-0.8),可見第1主成分反映了土壤養分含量與土壤酶活性因子。第2主成分中鎂離子含量有較大的因子荷載;第3主成分中氯離子含量有較大的因子荷載。第4主成分中鈉+鉀離子含量有較大的因子荷載。因此第2、3、4主成分稱為土壤鹽分因子。公因子方差是全部公因子對變量Xi的總方差貢獻。從表2可以看出,4個主成分可以解釋>90%的有機質、全氮、鈉+鉀離子、氯離子、總鹽、鈣離子、鎂離子和硫酸根含量的變異性;可解釋>80%的堿性磷酸酶、酸性轉化酶活性和速效鉀含量的變異性;可解釋>70%的過氧化氫酶活性、速效磷和碳酸氫根含量的變異性;可解釋>50%的脲酶活性的變異性。4個主成分僅對脲酶活性的解釋程度不足60%?？梢?4個主成分可以解釋大部分土壤屬性指標的變異性。Norm值的幾何意義為該變量在由主成分組成的多維空間中的矢量常模(Norm)的長度。由表2可見,鎂離子、速效鉀以及鈉+鉀含量對所有主成分的綜合荷載較小,其余指標的綜合荷載較大,解釋綜合信息的能力就較強。

2.2.2土壤主成分綜合得分。通過因子得分系數矩陣,分別計算不同年限土壤質量指標在因子1、2、3和4的得分F1、F2、F3和F4。綜合主成分得分ΣF=0.5380×F1+0.1472×F2+0.0892×F3+0.0761×F4,它反映了棉田土壤質量的綜合水平,得分為正值表示棉田土壤質量的主成分在平均水平之上,得分為負則表明在平均水平以下。由圖1可見,連作25年的棉田土壤質量因子得分為1.15,位居第一,連作5年的得分為-0.03,土壤質量因子得分最低。0~10年間隨連作年限增加,土壤質量因子得分逐漸減少,10年以后又逐漸增大,由此可知,棉田連作預警時間為10年。

3討論與結論

土壤酶在土壤肥力的改善過程中,參與了腐殖質的合成與分解,動植物和微生物殘體的水解與轉化以及土壤有機、無機化合物的各種氧化還原反應等一切復雜的生物化學過程,其活性與土壤肥力的重要因素呈顯著相關,從而反映了土壤酶在土壤養分的循環代謝過程中起著重要的作用[13]。前人研究表明,棉花連作后土壤堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性逐漸增強大[14]、呈階梯式上升[15]、先增加后減少趨勢[16]、脲酶、堿性磷酸酶活性下降[17];連作5~10年,土壤酶活性較低,連作障礙較明顯[18]。本研究結果是土壤養分和土壤酶活性隨連作時間呈現增加趨勢。土壤養分含量、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性在連作10年時最低,酸性轉化酶活性在連作5年時最低,脲酶活性變化不明顯。由此可見,同一作物連作對土壤酶活性影響的研究結果并不一致。隨連作年限的增加,土壤鹽分指標中碳酸氫根含量逐漸增大,氯離子、鈉+鉀含量逐漸減小,鈣離子、總鹽、硫酸根和鎂離子含量有升有降。碳酸氫根、氯離子和鎂離子含量在連作10年后趨于平穩,硫酸根、總鹽和鈣離子含量在連作5年后趨于平穩,鈉+鉀含量變化不大。因此,在土壤管理上,應進行平衡施肥、有機與無機配施,針對不同土壤的變化特點,降低土壤鈣離子、總鹽、硫酸根和鎂離子含量,合理輪作倒茬促使土壤質量穩定合理提高。張鳳華等[19]研究表明,瑪納斯河流域綠洲農田隨開墾年限的增加,農田土壤質量總體表現為良性發展而后逐漸退化,可將10~15年作為該區域土壤質量總體退化的預警期。孫波等[20]研究表明:當生荒地開墾成熟地時,常常在開始的頭10年,其土壤質量會迅速下降,之后,當投入大于產出時,土壤質量則會慢慢得到改善。本實驗結果與張鳳華等和孫波等的研究結果相似,連作0~10年土壤質量綜合得分逐漸減少,10年以后又逐漸增大,由此可知,棉田連作最長為10年。