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棉田土质演变规律分析

2012/06/27 阅读:

土壤质量是土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量三个既相对独立又有机联系的组分之综合[1],它是土壤支持生物生产能力、净化环境能力和促进动植物和人类健康能力的集中体现。土壤质量水平关系到农业的可持续发展,土壤质量演变趋势已成为现代土壤学研究的前沿和核心问题。新疆是我国重要的棉花生产基地,连续15年种植面积、总产、单产、质量、商品率、外调等居全国首位,总产量已占全国的三分之一以上、全球的10%[2]。新疆农民收入的31%~50%来自棉花。研究表明,土壤退化取决于土壤利用的时间、方式及投入的养分条件[3]。长江三角洲随着种植年限增加,土壤NO3--N、有效磷、pH和容重以及微生物区系发生了很大的变化,有可能是引起土壤质量改变的重要因素[4]。黑土的有机质、全氮、全硫和全磷随着开垦时间不断降低,速效磷有增高的趋势[5]。烟地和韭菜连作土壤全氮、全磷、有机质、碱解氮和速效钾含量逐渐增加[6-7]。对膜下滴灌、转基因棉田土壤酶活性及棉田土壤质量已有报道[8-10],然而从土壤质量角度开展有关连作棉田土壤理化性质及生物学性状演变等研究的报道较少,本研究以连作棉田为研究对象,测定土壤理化及生物学指标,探索棉田土壤质量演变规律,以期为棉田土壤持续利用管理提供借鉴和预警作用。

1材料和方法

1.1土壤取样试验于2008年在农一师三团进行,土样取自28个条田。土壤质地为灌淤土,用5点取样,采样深度0~20cm,将不同位点的土样混匀、风干后过筛备用。

1.2测定方法土壤有机质用重铬酸钾容量法外加热法;全氮用半微量凯氏法;速效氮用碱解扩散法;速效磷用钼蓝比色法;速效钾用火焰光度法;碳酸氢根用双指示剂中和滴定法;氯离子用硝酸银滴定法;钙离子和镁离子用EDFA络合滴定法;硫酸根用EDTA间接滴定法;钾和钠含量用火焰光度法[11]。土壤酶脲酶、转化酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性测定用靛酚蓝比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法[12]。

1.3数据处理运用DPS数据处理软件,对实验数据进行统计分析。2结果分析

2.1不同种植年限棉田土壤理化性质和土壤酶演变

2.1.1棉田土壤养分、盐分和土壤酶变化。由表1可知,土壤养分含量和土壤酶活性随连作时间表现为:0~5年迅速增加,5~10年缓慢下降,10~20年又缓慢增加,20年后迅速下降,总体上呈现升高趋势,然而有机质、全氮、速效磷、速效钾含量、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性在连作10年时较小,酸性转化酶活性在5年时较低,脲酶活性变化不明显。连续种植后土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量、过氧化氢酶、酸性转化酶、碱性磷酸酶和脲酶活性比荒地均有所增加(表1)。土壤盐分指标中碳酸氢根含量随连作时间逐渐增大,氯离子、钠+钾含量逐渐减小,钙离子和总盐含量0~10年时降低,10~15年时升高,15年后降低。硫酸根含量0~15年时升高,15年以后降低。镁离子含量变化趋势是升高→降低→升高→降低→升高。连续种植后碳酸氢根含量增加了2.38%~5.68%,氯离子和Na+K含量下降了32.94%~41.52%和7.16%~26.47%。碳酸氢根、氯离子和镁离子含量10年后趋于平稳。硫酸根、总盐和钙离子含量5年后趋于平稳,钠+钾含量变化不大(表1)。

2.2连作棉田土壤质量影响的综合分析及预警研究

2.2.1土壤因子分析。因子分析法是在主成分分析法上发展起来的一种多元统计方法,其基本思想是采用降维的方法将具有交互相关的原始观测数据归纳为几个综合因子。这几个综合因子也称为公因子,其不仅能尽可能多地保留原有的众多因子的信息,而且各因子之间又是相互独立的。以土壤养分、盐分含量以及土壤酶活性作为变量,对这些变量进行主成分分析,找出具有代表性的主导因子,在不损失或少损失信息的条件下从多个变量中构建相互独立的综合变量,从而做出正确的评价。把累计贡献率大于85%作为标准,选取主导因子。由表2可知,前4个特征值大于1(累计贡献率大于85%),因此提取前4个因子。其中,第一个主成分的方差占所有方差的53.80%,占总方差的一半以上,前4个主成分的方差贡献率达85.05%,所以,选前4个主成分已经足够描述土壤养分、土壤盐分含量和土壤酶活性性状。第1主成分中有机质、全氮、速效磷含量、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性有较大正向荷载(0.8以上),钙离子和总盐含量具有较大的负向荷载(-0.8),可见第1主成分反映了土壤养分含量与土壤酶活性因子。第2主成分中镁离子含量有较大的因子荷载;第3主成分中氯离子含量有较大的因子荷载。第4主成分中钠+钾离子含量有较大的因子荷载。因此第2、3、4主成分称为土壤盐分因子。公因子方差是全部公因子对变量Xi的总方差贡献。从表2可以看出,4个主成分可以解释>90%的有机质、全氮、钠+钾离子、氯离子、总盐、钙离子、镁离子和硫酸根含量的变异性;可解释>80%的碱性磷酸酶、酸性转化酶活性和速效钾含量的变异性;可解释>70%的过氧化氢酶活性、速效磷和碳酸氢根含量的变异性;可解释>50%的脲酶活性的变异性。4个主成分仅对脲酶活性的解释程度不足60%。可见,4个主成分可以解释大部分土壤属性指标的变异性。Norm值的几何意义为该变量在由主成分组成的多维空间中的矢量常模(Norm)的长度。由表2可见,镁离子、速效钾以及钠+钾含量对所有主成分的综合荷载较小,其余指标的综合荷载较大,解释综合信息的能力就较强。

2.2.2土壤主成分综合得分。通过因子得分系数矩阵,分别计算不同年限土壤质量指标在因子1、2、3和4的得分F1、F2、F3和F4。综合主成分得分ΣF=0.5380×F1+0.1472×F2+0.0892×F3+0.0761×F4,它反映了棉田土壤质量的综合水平,得分为正值表示棉田土壤质量的主成分在平均水平之上,得分为负则表明在平均水平以下。由图1可见,连作25年的棉田土壤质量因子得分为1.15,位居第一,连作5年的得分为-0.03,土壤质量因子得分最低。0~10年间随连作年限增加,土壤质量因子得分逐渐减少,10年以后又逐渐增大,由此可知,棉田连作预警时间为10年。

3讨论与结论

土壤酶在土壤肥力的改善过程中,参与了腐殖质的合成与分解,动植物和微生物残体的水解与转化以及土壤有机、无机化合物的各种氧化还原反应等一切复杂的生物化学过程,其活性与土壤肥力的重要因素呈显著相关,从而反映了土壤酶在土壤养分的循环代谢过程中起着重要的作用[13]。前人研究表明,棉花连作后土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性逐渐增强大[14]、呈阶梯式上升[15]、先增加后减少趋势[16]、脲酶、碱性磷酸酶活性下降[17];连作5~10年,土壤酶活性较低,连作障碍较明显[18]。本研究结果是土壤养分和土壤酶活性随连作时间呈现增加趋势。土壤养分含量、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性在连作10年时最低,酸性转化酶活性在连作5年时最低,脲酶活性变化不明显。由此可见,同一作物连作对土壤酶活性影响的研究结果并不一致。随连作年限的增加,土壤盐分指标中碳酸氢根含量逐渐增大,氯离子、钠+钾含量逐渐减小,钙离子、总盐、硫酸根和镁离子含量有升有降。碳酸氢根、氯离子和镁离子含量在连作10年后趋于平稳,硫酸根、总盐和钙离子含量在连作5年后趋于平稳,钠+钾含量变化不大。因此,在土壤管理上,应进行平衡施肥、有机与无机配施,针对不同土壤的变化特点,降低土壤钙离子、总盐、硫酸根和镁离子含量,合理轮作倒茬促使土壤质量稳定合理提高。张凤华等[19]研究表明,玛纳斯河流域绿洲农田随开垦年限的增加,农田土壤质量总体表现为良性发展而后逐渐退化,可将10~15年作为该区域土壤质量总体退化的预警期。孙波等[20]研究表明:当生荒地开垦成熟地时,常常在开始的头10年,其土壤质量会迅速下降,之后,当投入大于产出时,土壤质量则会慢慢得到改善。本实验结果与张凤华等和孙波等的研究结果相似,连作0~10年土壤质量综合得分逐渐减少,10年以后又逐渐增大,由此可知,棉田连作最长为10年。

棉田土质演变规律分析

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