宋鋒惠 吳正保 史彥江

(新疆林業(yè)科學院，烏魯木齊，830063)

復合農(nóng)林業(yè)在協(xié)調(diào)農(nóng)林“爭地”矛盾，提高自然資源利用率，促進人口、糧食、資源和環(huán)境的良性循環(huán)等方面具有強大的生命力。棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)既是一種典型的生態(tài)型立體農(nóng)業(yè)，也是平原綠化體系中的重要組成部分，在鹽堿、干旱等貧瘠土壤條件地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)中具有十分重要的生態(tài)意義。前人對棗糧復合生態(tài)系統(tǒng)業(yè)已做過大量研究，但其主要集中在對棗樹生物學和生理學特性［1－3］、間作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、種間關(guān)系、小氣候、生態(tài)和經(jīng)濟效益［4－9］，以及棗糧間作生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部土壤養(yǎng)分的空間分布等方面［10－12］。棗樹適應性強，極耐旱、耐鹽堿、抗寒，易于栽培管理，現(xiàn)已成為新疆環(huán)塔里木盆地綠洲帶的主要栽培果樹之一，棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)也是新疆主要的農(nóng)林復合模式之一。在棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中，由于棗樹和棉花的根系在空間分布上的重疊現(xiàn)象，不可避免地存在養(yǎng)分的競爭吸收，這些變化都會影響到系統(tǒng)內(nèi)土壤養(yǎng)分的變異。而目前對于棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部土壤養(yǎng)分的時空異質(zhì)性研究尚未見報道。本研究在棉花不同生育期內(nèi)，對棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中0＜H(土層深度)≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm土壤中養(yǎng)分的時空變化規(guī)律進行測定，以期掌握不同時期棗樹和棉花對土壤養(yǎng)分的競爭吸收特性，為棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)科學合理的施肥管理和可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于環(huán)塔里木盆地干旱區(qū)中心地帶的阿克蘇市依干其鄉(xiāng)哈尼喀村，地理坐標N41°07＇～41°08＇，E80°14＇～80°16＇，海拔 1 078 m。屬暖溫帶干旱氣候區(qū)，降水量稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥。年平均氣溫10℃，1月份平均氣溫－8℃，7月份平均氣溫25℃。年平均降水量100 mm左右。太陽總輻射量544.115 ～590.155 J·cm－2，日照時間2855 ～2 967 h，無霜期205～219 d，風沙浮塵天氣較多，主要集中在春季和夏季。春季升溫快而不穩(wěn)，秋季降溫快。

2 材料與方法

在棗棉間作模式中，棗樹品種選取2002年定植的、長勢良好的灰棗(Ziziphus jujubaMill.‘Huizao’)，株行距為3 m×4 m，南北林向;棉花品種為當?shù)刂髟缘摹爸忻?3號”，雙膜8行種植，種植密度約為2.3×105株·hm－2。

田間肥料管理:于6月23日棉花四葉期時，施用75 kg·hm－2尿素、150 kg·hm－2磷酸二氫鉀;7 月25日棉花裂鈴期，施用225 kg·hm－2磷酸二氫鉀。

樣品采集與處理:于棉花出苗期(5月13日)、三葉期(6月7日)、五葉期(6月30日)、現(xiàn)蕾期(7月20日)、開花裂鈴期(7月31日)和吐絮期(9月23日)，在平行于棗樹種植行方向上，以棉花行逐行設(shè)置采樣點，根據(jù)距兩側(cè)棗樹的距離，具體位置為:距離棗樹東側(cè)(E)的75、105、135、165 cm 和距離棗樹西側(cè)(W)的 95、125、155、185 cm，用土鉆進行取樣，重復3次。取土深度(H)為0＜H≤20 cm和20 cm＜H≤40 cm，每份土樣取100 g左右，風干后裝入密封袋中，帶回實驗室測定其土壤有機質(zhì)、速效N、速效K、速效P質(zhì)量分數(shù)。土壤樣品分析方法采用《土壤農(nóng)業(yè)化學分析》［13］。土壤有機質(zhì)測定采用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法;土壤速效N采用堿解擴散法測定;土壤速效P采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定;速效K采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。

根系的空間分布測定:于棉花吐絮期，在垂直于行間的方向上，采用分層挖掘法，以距離樹干(L)25、75、125、175 cm處為中心設(shè)立采樣點。在各采樣點的0＜H≤40 cm的土層中，每隔10 cm取20 cm×20 cm的樣方。每個樣方經(jīng)破碎過篩仔細挑揀活根，清潔根系表面之后，用標本夾帶回實驗室，置陰涼處晾干根表水分，棗樹以根直徑小于等于1 mm為吸收根的界限進行分類。采用加拿大Epson TwainPro掃描儀獲取形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，并用專業(yè)的根系分析應用系統(tǒng)Winrhizo軟件，對根長密度進行測定分析，重復調(diào)查3株樹。

棉花產(chǎn)量測定:在10月上旬棉花吐絮期，在棗樹東西兩側(cè)，距離棗樹東側(cè)(E)的 75、105、135、165 cm 和距離棗樹西側(cè)(W)的95、125、155、185 cm 處，分別設(shè)置3 m×4 m的樣方，調(diào)查樣方內(nèi)棉花的有效株數(shù)、單株有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，然后將各株棉花采收完畢，分別稱質(zhì)量，計算棉產(chǎn)量(折合1 hm2計)，重復3次。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS13.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 棗棉間作系統(tǒng)內(nèi)根系和棉花產(chǎn)量分布規(guī)律

由表1結(jié)果顯示，在棗棉間作系統(tǒng)內(nèi)，棗樹吸收根和棉花根系在水平分布上，以100 cm＜L≤150 cm區(qū)域內(nèi)根量最多，達35.1%;在垂直方向上，隨土層深度的增加，根量呈遞減趨勢，0＜H≤20 cm土層根系分布量為20 cm＜H≤40 cm的1.33倍。

表1 棗棉間作系統(tǒng)內(nèi)根長密度的空間分布

而通過對距棗樹不同距離的籽棉產(chǎn)量進行調(diào)查，其結(jié)果則表明:不同樣點的棉花產(chǎn)量存在一定的差異，其中棗樹東側(cè)樣點的棉花平均產(chǎn)量為4 808.45 kg·hm－2，較棗樹西側(cè)棉花產(chǎn)量高出14.74%。

3.2 棗棉間作系統(tǒng)土壤有機質(zhì)時空分布特性

由表2、圖1的測定結(jié)果表明，在棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)具有一定的時空差異性。

表2 棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)冬小麥不同生育期土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)比較

從時間上看，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在棉花不同生育期差異比較明顯(p＜0.01)，但在棉花整個生長季節(jié)內(nèi)，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)總體呈增加趨勢。在棉花出苗期時，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)僅為(21.31±0.12)g·kg－1;棉花三葉期時正值棗樹開花盛期，大量凋落物返還養(yǎng)分于土壤中，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增至(23.54±0.25)g·kg－1，增幅達 10.46%;當棉花在五葉期至現(xiàn)蕾期時，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)又呈明顯下降趨勢(p＜0.05);但至開花裂鈴期時，由于受現(xiàn)蕾期打頂?shù)让藁ㄔ耘喙芾泶胧寥阔@得的凋零物歸還養(yǎng)分急劇增加，致使土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)顯著提高(p＜0.01);進入棉花吐絮期，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)開始降低，但明顯高于出苗期時土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(p＜0.01)。

從水平分布看，在棉花整個生育期內(nèi)，距棗樹不同距離的樣點土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)基本維持在(21.95±2.25)～ (23.77 ±0.78)g·kg－1，其中棗樹西側(cè)各樣點土壤有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為23.01 g·kg－1，稍高于東側(cè)(22.84 g·kg－1)，這可能與棗樹西側(cè)的棉花產(chǎn)量較東側(cè)低的現(xiàn)象有關(guān)(圖1)。

從垂直方向上看，在棉花整個生育期內(nèi)，0＜H≤20cm土層中有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為(24.02±0.68)g·kg－1，明顯高于 20 cm＜H≤40 cm 土層的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù) (21.83±0.53)g·kg－1(p＜0.01)，這可能是由于凋零物歸還養(yǎng)分于表層土壤所致。

圖1 棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)時空分布特性

3.3 棗棉間作系統(tǒng)土壤速效N時空分布特性

N素是植物必需的三大營養(yǎng)元素之一，對植物的生長發(fā)育具有重大影響，本試驗對棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)土壤速效N質(zhì)量分數(shù)的時空分布特性進行測定，其結(jié)果如圖2所示:由表2、圖2可以看出，棗棉間作系統(tǒng)中土壤速效N質(zhì)量分數(shù)具有明顯的時空異質(zhì)分布特性。

從時間上看，棉花不同時期的土壤速效N質(zhì)量分數(shù)差異達極顯著水平(p＜0.01)。隨棉花生育進程，土壤中速效N質(zhì)量分數(shù)總體呈下降趨勢，其中現(xiàn)蕾期速效N質(zhì)量分數(shù)降幅達27.21%。僅在棉花三葉期和五葉期時，由于田間追施含N素肥料，土壤速效N質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)短暫的增加現(xiàn)象。

在水平分布上看，距棗樹不同位置的0＜H≤40 cm土層速效N質(zhì)量分數(shù)差異明顯，隨距離的增加，土壤速效N質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)出先下降后上升的變化規(guī)律。在棉花整個生育期內(nèi)，樣點 E135cm和W125cm的速效N質(zhì)量分數(shù)最低，分別為103.64 mg·kg－1和 101.61 mg·kg－1，而距樹體最遠的 W185cm樣點速效N質(zhì)量分數(shù)則為137.31 mg·kg－1，兩者差異達極顯著水平(p＜0.01)。同時，棗樹西側(cè)土壤速效N 平均質(zhì)量分數(shù)為122.53 mg·kg－1，明顯高于棗樹東側(cè)(112.41 mg·kg－1)。分析其原因可能有以下幾點:棗棉間作系統(tǒng)中距樹體100 cm＜L≤150 cm根系分布最為密集，而棗樹基肥施肥范圍在距樹體80 cm＜L≤120 cm處，因而導致距樹體兩側(cè)130 cm左右處土壤速效N質(zhì)量分數(shù)明顯低于相鄰樣點;由于棗樹東側(cè)的棉花產(chǎn)量較西側(cè)高，致使兩側(cè)土壤速效N質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生差異。

從垂直分布看，不同土層的速效N質(zhì)量分數(shù)在棉花整個生育期內(nèi)差異較小(p＞0.05)，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層速效N平均質(zhì)量分數(shù)分別為 118.18、116.76 mg·kg－1。但在棉花不同生育期內(nèi)，不同深度土層速效N質(zhì)量分數(shù)有所區(qū)別。在棉花出苗期，0＜H≤20 cm土層的速效N質(zhì)量分數(shù)為151.04 mg·kg－1，明顯高于20 cm＜H≤40 cm 土層的質(zhì)量分數(shù)(104.88 mg·kg－1)(p＜0.01);但到棉花三葉期和五葉期時，由于此時棉花地上部分生長迅速，以及根系分布較淺等原因，導致0＜H≤20 cm土層的速效N損耗較大，土壤速效N質(zhì)量分數(shù)僅為同期20 cm＜H≤40 cm 土層的 87.92%、66.07%;此后隨著棉花的生長，20 cm＜H≤40 cm土層的養(yǎng)分損耗量開始增大，同時受凋零物對土壤表層養(yǎng)分的補充等原因，導致0＜H≤20 cm土層的速效N質(zhì)量分數(shù)高于20 cm＜H≤40 cm土層。

圖2 棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)土壤速效N質(zhì)量分數(shù)時空分布特性

3.4 棗棉間作系統(tǒng)土壤速效P時空分布特性

磷是植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素，對植物的生命活動和生理功能具有重大影響［14］，對作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善非常重要。

由表2、圖3顯示，棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中土壤速效P質(zhì)量分數(shù)在時空分布上具有明顯的差異性。

從時間角度分析，在棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中，0＜H≤40 cm土層速效P質(zhì)量分數(shù)基本上表現(xiàn)出隨棉花生育進程而呈遞減趨勢，僅在棉花五葉期和開花裂鈴期由于田間追肥導致土壤速效P質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)短暫增加現(xiàn)象。但棉花不同生育期內(nèi)，土壤速效P質(zhì)量分數(shù)降幅有較大差異，其中現(xiàn)蕾期速效P質(zhì)量分數(shù)降幅達47.41%。

從水平分布看，在棉花整個生育期內(nèi)，土壤速效P質(zhì)量分數(shù)隨距樹體的距離的增加，呈現(xiàn)出先降低再升高的現(xiàn)象，以距樹體130 cm左右處土壤速效P質(zhì)量分數(shù)最低。棗樹東側(cè)樣點 E75cm、E105cm、E135cm和E165cm處，0＜H≤40 cm土層速效P質(zhì)量分數(shù)分別為 51.21、39.08、26.66 、33.94 mg·kg－1，其中E135cm處土壤速效P質(zhì)量分數(shù)明顯低于其他樣點(p＜0.01);而棗樹西側(cè)樣點 W95cm、W125cm、W155cm 和 W185cm 處，0＜H≤40 cm 土層速效 P 平均質(zhì)量分數(shù)則分別為 34.70、31.72、35.26、43.14 mg·kg－1，以 W125cm 處土壤速效 P 質(zhì)量分數(shù)最低(p＜0.05)。

而從垂直分布看，土壤速效P質(zhì)量分數(shù)隨土層深度的增加而降低。在整個棉花生育期內(nèi)，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層的速效P平均質(zhì)量分數(shù)分別為 45.99、27.94 mg·kg－1，兩者差異達極顯著水平(p＜0.01)。同時，在0＜H≤20 cm 土層中，速效 P質(zhì)量分數(shù)由出苗期的59.35 mg·kg－1降至吐絮期的36.18 mg·kg－1，速效 P 消耗量為 23.17 mg·kg－1，降幅為39.04%，而20 cm＜H≤40 cm土層的速效P質(zhì)量分數(shù)，則由出苗期的27.48 mg·kg－1降至吐絮期的 13.48 mg·kg－1，速效 P 消耗量 14.00 mg·kg－1，降幅高達50.95%?？梢?，在棗棉間作系統(tǒng)0＜H≤40 cm土層中，棗樹和棉花對P肥的主要吸收區(qū)域集中在0＜H≤20 cm土層內(nèi)，但20 cm＜H≤40 cm土層則為土壤速效P的主要虧缺區(qū)域。

3.5 棗棉間作系統(tǒng)土壤速效K空間分布特性

土壤鉀素營養(yǎng)是影響植物抗旱性、根系生長和作物產(chǎn)量的重要因素［15－16］。

從表2、圖4中可以看出，土壤速效K質(zhì)量分數(shù)在棉花整個生育期表現(xiàn)出一定的時空分布差異性。

圖3 棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)土壤速效P質(zhì)量分數(shù)時空分布特性

圖4 棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)土壤速效K質(zhì)量分數(shù)時空分布特性

從時間分布看(表2)，在棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，0＜H≤40 cm土層各樣點速效K平均質(zhì)量分數(shù)基本上隨棉花生育進程而呈逐漸降低的變化趨勢，僅在棉花五葉期和現(xiàn)鈴期時，因棉花追施含K素的肥料而出現(xiàn)短暫增加的現(xiàn)象。但棉花不同生育期內(nèi)土壤速效K質(zhì)量分數(shù)變幅有較大差異，在棉花三葉期前，土壤中速效K質(zhì)量分數(shù)僅下降9.28%，但至五葉期后，0＜H≤40 cm土層速效K質(zhì)量分數(shù)開始迅速降低。五葉期至現(xiàn)鈴期，土壤中速效K質(zhì)量分數(shù)降幅為21.00%，其后由于在開花裂鈴期時田間追施含K素肥料，導致土壤速效K質(zhì)量分數(shù)有所回升，但在開花裂鈴期至吐絮期時，土壤速效K質(zhì)量分數(shù)又開始大幅下降，由開花裂鈴期時的(225.38±0.66)mg·kg－1急劇降至吐絮期的(160.88±1.23)mg·kg－1，降幅達28.62%。導致在棉花不同生育期土壤速效鉀K質(zhì)量分數(shù)變幅差異較大的原因，可能是由于棉花和棗樹對鉀肥的需求規(guī)律所決定的。在棉花處于五葉期(6月份)之前，對K肥的需求較低，當進入7月份，棉田中速效鉀質(zhì)量分數(shù)陡然下降，這與棉花對速效鉀的吸收利用特點有關(guān)［17］。同時，此時正逢棗樹坐果期，開始對K肥需求量增大。因此，在棗棉間作生態(tài)系統(tǒng)中，當棗樹進入坐果期后，田間即應及時追施K肥，以緩和棗樹和棉花對K肥的競爭吸收態(tài)勢。

從水平分布情況分析，在棉花整個生長季節(jié)內(nèi)，距棗樹不同距離的土壤速效K質(zhì)量分數(shù)較為穩(wěn)定，基本維持在 202.17 ～ 233.67 mg·kg－1。這可能因試驗地土壤速效K質(zhì)量分數(shù)較高，從而導致距棗樹不同距離的速效K質(zhì)量分數(shù)變幅較小。

從垂直分布看，在棉花整個生育期內(nèi)，不同深度土層的速效K質(zhì)量分數(shù)差異較小，0＜H≤20 cm、20 cm＜H≤40 cm土層速效K質(zhì)量分數(shù)分別為227.28、211.74 mg·kg－1。僅在棉花現(xiàn)蕾期，0＜H≤20 cm 土層的速效K 質(zhì)量分數(shù)為235.58 mg·kg－1，明顯高于20 cm＜H≤40 cm土層的速效K質(zhì)量分數(shù)(191.96 mg·kg－1)，差異達極顯著水平(p＜0.01)。這是由于棉花現(xiàn)蕾期時正值棗樹果實膨大期，此時棗樹和棉花對K肥需求量均較大，因而導致20 cm＜H≤40 cm土層內(nèi)速效K質(zhì)量分數(shù)急劇下降，降幅達31.56%。

4 結(jié)論與討論

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分。盡管土壤有機質(zhì)只占土壤總質(zhì)量的很小一部分，耕作土壤表層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)通常在5%以下，但它對土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分水分的吸收利用和作物產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響，在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著很重要的作用和意義。土壤有機質(zhì)的分布并非均一，而是呈現(xiàn)時空異質(zhì)性，因此，掌握土壤有機質(zhì)的時空分布規(guī)律，可為土壤農(nóng)化分析取樣和農(nóng)田養(yǎng)分的精準管理提供合理依據(jù)。N、P、K是植物生長發(fā)育所必需的三大基本元素，土壤速效N、P、K質(zhì)量分數(shù)及其相對平衡反映了土壤中N、P、K的現(xiàn)實供應狀況，對植物的生長發(fā)育起著十分重要的作用。研究土壤養(yǎng)分的時空變化規(guī)律對于改善綠洲生態(tài)、改良土壤、保持農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)具有重要意義。在單作棉田土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)常具有顯著的時間、垂直變異特征［16－18］，速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)還具有水平變異特征，前人對糧田土壤速效養(yǎng)分水平變異特征的研究相對較多［19－21］。一般認為，在農(nóng)林復合系統(tǒng)中，土壤養(yǎng)分可以以林木調(diào)落物的形式將養(yǎng)分歸還于表層土壤，起到將下部土層養(yǎng)分“泵到”表土層的作用［22－23］。根據(jù)生態(tài)位理論，生態(tài)位重疊是對資源利用性競爭的一個必要條件，但重疊并不一定必然導致競爭，只有在資源供應不足時才導致競爭。

通過本研究結(jié)果表明，在試驗區(qū)及其相似立地條件和栽培管理水平下，為降低棗棉間作系統(tǒng)中棗樹和棉花的養(yǎng)分競爭態(tài)勢，生產(chǎn)中應采取以下措施:在棉花現(xiàn)蕾期時要及時施用N、P肥，而在開花裂鈴期(即棗果膨大期)時則要補施K肥;在距樹體100 cm＜L≤150 cm處，應適當增加N、P肥施用量，以彌補該區(qū)域養(yǎng)分虧缺;在棉花播種前要深翻覆土，以提高20 cm＜H≤40 cm土層的有機質(zhì)和速效P質(zhì)量分數(shù)。

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