辽西地区覆膜条件对不同土层土壤氮磷钾累积量的影响

冯 晨，孙占祥*，王宝荣，郑家明*，冯良山，张 哲，白 伟，杨 宁，关连珠

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所，辽宁 沈阳 110161；2.西北农林科技大学资源与环境学院，陕西 杨凌 712100；3.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110016)

辽西北风沙半干旱区是辽宁省重要的粮食生产基地，该区域光、热资源丰富，增产潜力巨大，但水分是限制其农业生产发展的主要因素。该区域年均降水量仅为400～500 mm，且70%～80%的降水以径流和土壤无效蒸发的形式损失。另外，该区域降水变率大，常呈现春季少，夏季集中特点，这种季节性水资源匮乏，降水年内分配不均导致农业干旱现象频发，严重制约着区域农业的持续发展。

地膜覆盖技术因其具有有效减少地面蒸发，提高作物水分利用效率[1-3]，提高土壤温度[4-6]，增加作物产量[7-12]等重要作用，对于干旱半干旱区农业生产意义重大。目前有关地膜覆盖条件下土壤水分、温度、作物产量方面的研究很多[13-15]，但关于该条件下养分的变化规律研究较少[16-18]。针对区域特征的不同覆膜条件下土壤养分含量对比及剖面分布规律方面更是极少涉及。为此，本试验以辽西北风沙半干旱区为研究区域，以农业部辽宁阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站为研究平台，设置裸地种植、春季覆膜和秋季覆膜3种处理，拟通过对土壤剖面各层次全量氮、磷、钾的定量分析，明确辽宁省西北半干旱区覆膜条件下土壤全量养分的含量及剖面分布差异，为丰富农田地膜覆盖理论研究，探明半干旱区不同覆膜方式下土壤养分变化规律提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于阜新市阜新蒙古族自治县阜新镇(东经121°46′，北纬42°09′)农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站，该区域属温带季风大陆性气候，年均气温6～8℃，5～9月的日照时数1 200～1 300 h，无霜期135～165 d。年降水量仅350～500 mm，且大部分降水集中在6～8月，降水变率大，“十年九春旱”是当地基本气候特征。

试验区土壤为褐土，土壤基本理化性质如下：容重1.35 g/cm3，pH值6.95，有机质15.36 g/kg，全氮0.90 g/kg，全磷0.76 g/kg，全钾28.46 g/kg，碱解氮101.12 mg/kg，有效磷106.13 mg/kg，速效钾105.47 mg/kg。试验区种植方式为春玉米连作，供试玉米品种为郑单958。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设置3种处理，分别为：裸地种植(T1)、春季覆膜(T2)和秋季覆膜(T3),试验重复3次，共9个小区。每小区面积60 m2(10 m×6 m)。秋覆膜处理于2013年11月进行提前覆膜；其它处理于2014年4月26日进行整地、施肥和播种，其中春覆膜处理于施肥后覆膜，再打孔播种；春玉米种植密度为60 000株/hm2，行距50 cm，株距33 cm。播种(或秋覆膜)时施尿素(N 46%)520 kg/hm2，三元复合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)300 kg/hm2，其他管理正常，2014年9月22日收获。

1.3 样品采集

土壤样品于秋收后采集,分别取各试验处理(T1、T2和T3)0～60 cm土壤，每10 cm一个层次，样品采集后在室内自然风干后磨细，过0.15 mm筛待用。

1.4 测定方法和计算方法

土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤全磷含量用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定，土壤全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定。

土壤全氮(磷、钾)累积量(kg/hm2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤全氮(磷、钾)含量(g/kg)×1 000/10。

1.5 数据处理

所得数据采用Excel 2007进行数据整理和作图，使用SPSS 19.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤全氮累积量及剖面分布规律的影响

由表1可知，3种处理下土壤全氮含量变化各有不同，其中秋覆膜处理下0～60 cm土层土壤全氮含量变化范围为0.43～1.31 g/kg(平均含氮量0.69 g/kg)，全氮累积量为5 375.76 kg/hm2；春覆膜处理下各土层全氮含量为0.55～1.41 g/kg(平均含氮量0.79 g/kg)，全氮累积量高于秋覆膜，为6 190.40 kg/hm2；裸地处理平均含氮量为0.76 g/kg，累积量5 953.39 kg/hm2。由此可见，秋覆膜处理下作物收获后土体中留存的全氮累积量最少，说明在秋覆膜条件下作物能够吸收利用更多的土壤氮养分。通过计算，发现0～40 cm土层春覆膜与秋覆膜处理下土壤全氮累积量较裸地处理分别提高34.4%和21.0%，表现为春覆膜>秋覆膜>裸地；而40～60 cm土层，裸地处理全氮累积量为秋覆膜处理的2.16倍，同时比春覆膜处理高65.7%，即裸地>春覆膜>秋覆膜，这也说明了覆膜可使土壤氮素上移，有助于利用较深层次氮素资源。

表1 不同处理土壤剖面全氮含量和全氮累积量

注：表中同列不同小写字母表示差异达0.05显著水平，下同。

3种处理下土壤全氮的剖面分布情况也各不相同(图1)。春覆膜处理下土壤全氮在土体内随深度增加呈现减少的趋势，秋覆膜处理总体上也表现为从表层向下的减少趋势，而裸地处理全氮量则呈现先减少再增加的趋势。

图1 不同覆膜处理土壤全氮剖面分布规律

2.2 不同覆膜处理对土壤全磷累积量及剖面分布规律的影响

由表2可知，不同覆膜条件下土壤全磷含量变化有所不同，春覆膜、秋覆膜和裸地处理下0～60 cm土层土壤全磷含量变化范围分别为0.52～0.86 g/kg、0.52～0.94 g/kg和0.54～0.86 g/kg；通过对土壤全磷累积量的计算可知，0～40 cm土层，秋覆膜处理的全磷累积量比裸地处理高17.0%，而40～60 cm土层的全磷累积则表现为裸地处理比春覆膜和秋覆膜处理分别提高44.2%和39.4%；说明覆膜同样有助于利用下层磷素资源，可使不易移动的土壤磷素随溶质发生一定程度的上移。3种处理0～60 cm土层土壤全磷累积量分别为4 967.86、5 588.52和5 543.27 g/kg，秋覆膜处理全磷累积量可比春覆膜处理提高12.49%。

表2 不同处理土壤剖面全磷含量和全磷累积量

各处理的全磷剖面分布规律(图2)显示，与全氮分布相似，两种覆膜处理全磷含量总体上均随土壤深度增加而减少。裸地处理在0～40 cm土层全磷含量也随土壤深度增加而减少，且其含量总体上低于春覆膜和秋覆膜处理，但在40～60 cm土层，其全磷含量有所上升。春覆膜处理的磷含量多集中于0～20 cm土层，秋覆膜处理集中于0～30 cm土层，而裸地处理的全磷除在表层含量较高外，40～60 cm土层也是全磷集中层次。

图2 不同覆膜处理土壤全磷剖面分布规律

2.3 不同覆膜处理对土壤全钾累积量及剖面分布规律的影响

试验结果(表3)表明，各层次土壤全钾含量无较大差距，但处理间全钾含量差异显著。春覆膜、秋覆膜和裸地3种处理下土壤全钾含量(0～60 cm剖面平均含钾量)分别为28.75、29.33和26.83 g/kg，即秋覆膜>春覆膜>裸地。通过对土壤全钾累积量的计算可知，0～60 cm土层秋覆膜(228 762.60 g/kg)与春覆膜(224 235.34 g/kg)处理下土壤全钾累积量分别比裸地处理(210 598.26 g/kg)高8.6%和6.5%。其中，0～40 cm土层春覆膜与秋覆膜处理下土壤全钾累积量分别比裸地高6.4%和5.1%；40～60 cm土层2种覆膜处理分别比裸地高6.7%和16.3%。

表3 不同处理土壤剖面全钾含量和全钾累积量

0～60 cm土壤全钾剖面分布规律(图3)显示，各处理土壤全钾含量在剖面分布上均无显著变化，即使是表层土壤也没有显示出全钾聚集的特征。

图3 不同覆膜处理土壤全钾剖面分布规律

3 结论与讨论

在辽西半干旱区，覆膜可有效提高0～40 cm土层土壤全量氮、磷、钾的累积量，与裸地相比，春覆膜与秋覆膜可使土壤全氮累积量提高34.4%和21.0%，全钾提高6.4%和5.1%，秋覆膜处理下全磷累积量增加17.0%；40～60 cm土层，裸地处理全氮和全磷累积量显著高于2种覆膜处理。

从养分的剖面分布规律来看，覆膜处理土壤全氮和全磷随剖面深度的增加呈逐渐减少规律，裸地处理呈现先减少再增加的规律。不同处理间土壤全钾累积量差异显著，但剖面分布规律相似，即随剖面加深全钾含量均无显著变化。

本项研究中，3种处理0～10 cm土层全氮、全磷含量均高于10～60 cm土层，这可能归因于以下两方面：一是试验中施肥集中于表层，因此0～10 cm土层的养分输入量相应高于其它土壤层次；二是作物根系大多集中于20～40 cm土层，因此该层次养分消耗量相对高于0～10 cm土层。而在40～60 cm土层，裸地处理土壤全氮和全磷含量高于秋覆膜和春覆膜处理，这是因为一方面裸地处理没有地膜保护，降水后氮、磷等随水向深层移动；而秋覆膜和春覆膜处理，由于地膜覆盖的保护作用，缺乏降水淋洗，因此深层累积量少，表层含量高[19]；另一方面覆膜可改善土壤水热条件[20-22]，膜下深层土壤中的水分由于毛管作用而不断上升，水分含量的多少及其在土体内的运移状况对土壤中的养分特别是依靠质流作用在土体内移动的营养元素有很大影响。