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土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量三個既相對獨立又有機聯(lián)系的組分之綜合[1],它是土壤支持生物生產(chǎn)能力、凈化環(huán)境能力和促進動植物和人類健康能力的集中體現(xiàn)。土壤質(zhì)量水平關(guān)系到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,土壤質(zhì)量演變趨勢已成為現(xiàn)代土壤學(xué)研究的前沿和核心問題。新疆是我國重要的棉花生產(chǎn)基地,連續(xù)15年種植面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)、質(zhì)量、商品率、外調(diào)等居全國首位,總產(chǎn)量已占全國的三分之一以上、全球的10%[2]。新疆農(nóng)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(yǎng)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(qū)系發(fā)生了很大的變化,有可能是引起土壤質(zhì)量改變的重要因素[4]。黑土的有機質(zhì)、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(zhì)、堿解氮和速效鉀含量逐漸增加[6-7]。對膜下滴灌、轉(zhuǎn)基因棉田土壤酶活性及棉田土壤質(zhì)量已有報道[8-10],然而從土壤質(zhì)量角度開展有關(guān)連作棉田土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)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(xué)指標(biāo),探索棉田土壤質(zhì)量演變規(guī)律,以期為棉田土壤持續(xù)利用管理提供借鑒和預(yù)警作用。

1材料和方法

1.1土壤取樣試驗于2008年在農(nóng)一師三團進行,土樣取自28個條田。土壤質(zhì)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(fēng)干后過篩備用。

1.2測定方法土壤有機質(zhì)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(luò)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)處理運用DPS數(shù)據(jù)處理軟件,對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。2結(jié)果分析

2.1不同種植年限棉田土壤理化性質(zhì)和土壤酶演變

2.1.1棉田土壤養(yǎng)分、鹽分和土壤酶變化。由表1可知,土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性隨連作時間表現(xiàn)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(xiàn)升高趨勢,然而有機質(zhì)、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(zhuǎn)化酶活性在5年時較低,脲酶活性變化不明顯。連續(xù)種植后土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量、過氧化氫酶、酸性轉(zhuǎn)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(biāo)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(xù)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(wěn)。硫酸根、總鹽和鈣離子含量5年后趨于平穩(wěn),鈉+鉀含量變化不大(表1)。

2.2連作棉田土壤質(zhì)量影響的綜合分析及預(yù)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(fā)展起來的一種多元統(tǒng)計方法,其基本思想是采用降維的方法將具有交互相關(guān)的原始觀測數(shù)據(jù)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(yǎng)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(dǎo)因子,在不損失或少損失信息的條件下從多個變量中構(gòu)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(biāo)準(zhǔn),選取主導(dǎo)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(jīng)足夠描述土壤養(yǎng)分、土壤鹽分含量和土壤酶活性性狀。第1主成分中有機質(zhì)、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(yǎng)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(zhì)、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(zhuǎn)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%。可見,4個主成分可以解釋大部分土壤屬性指標(biāo)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(biāo)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(shù)矩陣,分別計算不同年限土壤質(zhì)量指標(biāo)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(zhì)量的綜合水平,得分為正值表示棉田土壤質(zhì)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(zhì)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(zhì)量因子得分最低。0~10年間隨連作年限增加,土壤質(zhì)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(yù)警時間為10年。

3討論與結(jié)論

土壤酶在土壤肥力的改善過程中,參與了腐殖質(zhì)的合成與分解,動植物和微生物殘體的水解與轉(zhuǎn)化以及土壤有機、無機化合物的各種氧化還原反應(yīng)等一切復(fù)雜的生物化學(xué)過程,其活性與土壤肥力的重要因素呈顯著相關(guān),從而反映了土壤酶在土壤養(yǎng)分的循環(huán)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(jié)果是土壤養(yǎng)分和土壤酶活性隨連作時間呈現(xiàn)增加趨勢。土壤養(yǎng)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(zhuǎn)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(jié)果并不一致。隨連作年限的增加,土壤鹽分指標(biāo)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(wěn),硫酸根、總鹽和鈣離子含量在連作5年后趨于平穩(wěn),鈉+鉀含量變化不大。因此,在土壤管理上,應(yīng)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(zhì)量穩(wěn)定合理提高。張鳳華等[19]研究表明,瑪納斯河流域綠洲農(nóng)田隨開墾年限的增加,農(nóng)田土壤質(zhì)量總體表現(xiàn)為良性發(fā)展而后逐漸退化,可將10~15年作為該區(qū)域土壤質(zhì)量總體退化的預(yù)警期。孫波等[20]研究表明:當(dāng)生荒地開墾成熟地時,常常在開始的頭10年,其土壤質(zhì)量會迅速下降,之后,當(dāng)投入大于產(chǎn)出時,土壤質(zhì)量則會慢慢得到改善。本實驗結(jié)果與張鳳華等和孫波等的研究結(jié)果相似,連作0~10年土壤質(zhì)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。