毛烏素沙地玉米不同種植年限砒砂巖與沙復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮的關(guān)系

張海歐, 王歡元, 孫嬰嬰

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710075; 2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 陜西 西安 710048)

土壤有機質(zhì)和全氮是土壤肥力總體狀況的重要指標(biāo)，其可以改善土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)。土壤有機質(zhì)含有植物需要的多種養(yǎng)分，是植物養(yǎng)分的主要來源之一，其含量既影響植物的生長發(fā)育，又對其他營養(yǎng)元素含量有一定的影響，特別是氮素存在的主要場地[1-4]。土壤全氮能夠綜合反映土壤的氮素狀況，標(biāo)志土壤氮素的總量，其包括所有形式的有機氮和無機氮素，土壤全氮是供應(yīng)植被有效氮素的源和庫[2,5]。土壤有機質(zhì)和氮素是各國土壤分析和實驗室測定的例行項目，其含量及動態(tài)平衡不僅直接影響著土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力，而且對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)有重要意義[6-8]。毛烏素沙地是中國農(nóng)牧交錯區(qū)的典型代表，耕地開發(fā)潛力巨大，但生態(tài)環(huán)境脆弱，土地沙化嚴(yán)重，分布在毛烏素沙地周邊的砒砂巖，水土流失嚴(yán)重，被稱為“環(huán)境癌癥”，沙和砒砂巖在當(dāng)?shù)乇蝗罕姺Q為“兩害”。陜西省土地工程建設(shè)集團研究團隊從資源合理利用的角度出發(fā)，遵循區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡的規(guī)律，就地取材，利用兩者在成土中的互補性，將砒砂巖與沙按不同的比例復(fù)配成土，變“兩害”為“一寶”，成功破解了砒砂巖與沙治理和資源化利用的難題。然而，作為一種新型復(fù)配土，其結(jié)構(gòu)能否持續(xù)穩(wěn)定發(fā)育，經(jīng)過長期種植保水、保肥能力演變趨勢有待研究。目前，有關(guān)砒砂巖與沙復(fù)配土壤的理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量等研究較多[9-16]，而對于不同種植年限下復(fù)配土壤有機質(zhì)和全氮的時間尺度變化及二者的關(guān)聯(lián)性研究卻少見報道。本文通過對毛烏素沙地不同比例砒砂巖與沙復(fù)配土壤在2013—2016年的土壤有機質(zhì)和全氮的時空分布特征、動態(tài)變化趨勢及兩者間的相關(guān)性進行研究，以期揭示不同比例砒砂巖與沙復(fù)配土壤碳氮的變化規(guī)律，為這種新型復(fù)配土的肥力提升及土地整治提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)，這對實現(xiàn)新造土壤的穩(wěn)定性和可持續(xù)利用發(fā)展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)域設(shè)在毛烏素沙地榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村。榆陽區(qū)(109°28′58″—109°30′10″E， 38°27′53″—38°28′23″N)位于陜西北部，海拔1 206～1 215 m之間，毛烏素沙漠南緣，無定河中游。試驗區(qū)屬典型中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水時空分布不勻，氣候干燥，冬長夏短，四季分明，日照充足，春季多風(fēng)干旱，秋季溫涼濕潤。2013—2016年均氣溫8.1 ℃，≥10 ℃積溫3 307.5 ℃且持續(xù)天數(shù)為168 d。2013—2016年平均無霜期154 d，年平均降水量413.9 mm，60.9%降雨集中在7—9月份，雨熱同期。年極端降雨最大695.4 mm(1964年)，最小159.6 mm(1965年)；日最大降水量為141.7 mm(1951年8月15日)。2013—2016年平均日照時數(shù)2 879 h，日照百分率65%。年總輻射量606.9 kJ/cm2。項目區(qū)土壤類型主要以風(fēng)沙土為主，全氮含量0.075%，全磷含量0.63 g/kg，全鉀含量26.51 g/kg，有機質(zhì)含量0.03%。

1.2 試驗方法

在毛烏素沙地陜西榆林市榆陽區(qū)的小紀(jì)汗鄉(xiāng)于2013—2016年每年9月底玉米收獲后采集試驗所用土壤樣品，采樣點位于陜西省土地工程建設(shè)集團建設(shè)的大田試驗小區(qū)。試驗地為15 m×12 m的小區(qū)，在考慮混合復(fù)配土壤的混合比例時，將小區(qū)平均分為3個5 m×12 m的次小區(qū)，分別考慮了1∶1，1∶2，1∶5等3個混合比例，每個小區(qū)只是在表層30 cm覆蓋了不同混合比例的復(fù)合土壤(砒砂巖盡量粉碎，最好直徑在4 cm以下，保證表層砒砂巖與沙按比例均勻混合覆蓋)，30 cm以下為當(dāng)?shù)厣惩?。分別采集3個小區(qū)中1∶1，1∶2，1∶5次小區(qū)的0—30 cm 表層土壤，每個小區(qū)采集重復(fù)土樣3個，每次采集土樣共計9個，然后帶回實驗室用于測定復(fù)配土物理性質(zhì)和養(yǎng)分含量等結(jié)構(gòu)與性質(zhì)指標(biāo)。土壤樣品的采集與制備按照《土壤理化分析與剖面描述》[17]進行。有機質(zhì)依據(jù)[土壤有機質(zhì)的測定(NYT1121.6-2006)]以重鉻酸鉀法測定[18]，全氮利用全自動間斷化學(xué)分析儀Cleverchem 200(德國)測定。3種比例復(fù)配土壤的主要物理性質(zhì)詳見表1。

表1 砒砂巖與沙復(fù)配土壤主要物理性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件進行T檢驗。對試驗數(shù)據(jù)進行整理和繪圖采用Excel軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限下復(fù)配土壤有機質(zhì)變化特征

不同種植年限下不同比例復(fù)配土壤有機質(zhì)變化特征如圖1所示。1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤有機質(zhì)含量均隨著作物種植年限的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，體現(xiàn)了風(fēng)沙土經(jīng)砒砂巖與沙復(fù)配成后土壤生物生產(chǎn)力增加，提升了復(fù)配土壤的固碳能力。其中1∶1復(fù)配土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定上升趨勢，1∶2，1∶5兩種復(fù)配土的有機質(zhì)含量則變動幅度較大，這是由于土壤有機質(zhì)含量與黏粒有關(guān)，土壤黏粒含量越大有機質(zhì)含量越高，而1∶1復(fù)配土壤黏粒含量大于1∶2，1∶5，1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤有機質(zhì)含量從2013年的1.3，1.0和0.8 g/kg，分別上升到2016年的4.6，3.3和2.9 g/kg，分別增加了2.5，2.3，2.1倍。1∶1復(fù)配土壤機質(zhì)含量增加速率大于1∶2與1∶5，這是由于砒砂巖與沙按1∶1，1∶2，1∶5比例混合后，風(fēng)沙土質(zhì)地呈現(xiàn)出從壤土—砂壤—砂壤的變化趨勢，隨著砒砂巖含量的增加質(zhì)地條件變好。黏粒含量1∶1>1∶2>1∶5，而含黏粒含量高的土壤吸收性能強，能從土壤液相介質(zhì)中吸收和保存較多的有效養(yǎng)分。經(jīng)過4 a作物種植后，到2016年1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤有機質(zhì)平均含量分別為2.95，2.27和1.85 g/kg，并且2013—2016年3種復(fù)配土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5，但其土壤耕層有機質(zhì)含量始終均較低，變幅在0.08%～0.46%，屬于全國耕地土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)中有機質(zhì)分級的6級(<0.6%)[18]。一般認為，土壤有機質(zhì)含量>2%的土壤比較肥沃，所以總體上來說，毛烏素沙地新造砒砂巖與沙復(fù)配土壤的有機質(zhì)含量有待提高。

2.2 不同種植年限下復(fù)配土壤全氮變化特征

2013—2016年復(fù)配土壤全氮含量變化特征如圖2所示。3種比例復(fù)配土壤全氮含量隨著種植年限的增加，其含量呈穩(wěn)定增加趨勢。砒砂巖與沙復(fù)配比例不同，土壤全氮含量隨作物種植年限增加的變化亦不同。1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤全氮含量從2013年的0.18，0.11和0.08 g/kg，分別上升到2016年的0.47，0.43和0.30 g/kg，分別增加了1.6，2.9，2.7倍，3者各自相對于2013年變化差異極顯著(p<0.01)。其中，1∶2復(fù)配土壤全氮含量增加速率明顯大于1∶1與1∶5，這可能是由于土壤的氮礦化作用與種植年限之間的交互作用顯著影響了復(fù)配土壤耕層的全氮含量，土壤的礦化氮隨砂粒的增多而增高，隨黏粒、粉粒增多而降低。3種復(fù)配土壤中，2013—2016年作物收獲后測得復(fù)配土壤平均全氮含量大小順序為1∶1(0.35 g/kg)>1∶2(0.28 g/kg)>1∶5(0.21 g/kg)。在其4 a間砒砂巖比沙為1∶1的復(fù)配土壤全氮含量明顯高于其他復(fù)配比例，這是由于隨著砒砂巖含量的增加復(fù)配土壤砂粒含量逐漸降低，黏粒、粉粒含量逐漸增加，全氮含量隨之呈增加趨勢。3種比例復(fù)配土壤全氮含量百分比的平均值均小于0.05%，根據(jù)陜西省第二次土壤普查土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，其均處于7級及以下水平。

圖1 不同種植年限下不同比例復(fù)配土壤有機質(zhì)變化特征

圖2 不同種植年限下不同比例復(fù)配土壤全氮變化特征

2.3 不同種植年限下復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮的相關(guān)性分析

不同種植年限下復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮的相關(guān)性如圖3所示。在0—30 cm耕作層不同種植年限的3種比例復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮呈正相關(guān)。3種比例復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮相關(guān)性排序為1∶2>1∶1>1∶5，其中砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶1，1∶2類型復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮呈現(xiàn)出極顯著(p<0.01)的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.860，0.891 7；1∶5的復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮含量顯著相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)0.737 6。

圖3 不同種植年限下復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

復(fù)配比例(砒砂巖含量)是新造土壤養(yǎng)分的物質(zhì)基礎(chǔ)，種植季數(shù)是新造土壤養(yǎng)分的動力學(xué)過程及條件，二者都是影響砒砂巖與沙復(fù)配土壤有機質(zhì)和全氮含量的重要因子。3種比例復(fù)配土壤有機質(zhì)和全氮含量均隨著作物種植年限的增加而呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢，復(fù)配土壤理化結(jié)構(gòu)呈良性發(fā)展趨勢。

但復(fù)配土壤有機質(zhì)、全氮含量仍然較低，不能滿足實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，這正是沙地治理工程中在提升有機物含量難度大，周期長條件，利用無機的砒砂巖改良沙土結(jié)構(gòu)特性的科學(xué)基礎(chǔ)。因此，提高新造復(fù)配土壤中養(yǎng)分含量，必須通過后期施用有機肥、種植綠肥、秸稈還田等措施。

不同種植年限的3種比例復(fù)配土壤有機質(zhì)與全氮均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。這主要是由于土壤中的氮素有一大部分是以腐殖質(zhì)形式存在，其主要來源于有機質(zhì)，因此不同比例復(fù)配土壤中有機質(zhì)含量的增加可以間接的增加土壤的全氮含量。此結(jié)果與楊麗霞[7]等對陜北黃土丘陵區(qū)不同植被類型群落多樣性與土壤有機質(zhì)、全氮關(guān)系研究研究結(jié)果一致，與黨廷輝[19]對有機質(zhì)、全氮、土壤質(zhì)地與土壤供氮能力的關(guān)系中的研究結(jié)果一致。

從質(zhì)地與有機質(zhì)、全氮關(guān)系的角度分析得出，不同比例復(fù)配土壤中黏粒和粉粒含量越高，土壤有機質(zhì)和全氮含量越高，土壤有機質(zhì)和全氮與黏粒、粉粒含量之間均呈顯著正相關(guān)，與砂粒含量之間呈顯著負相關(guān)，即反之隨著砂粒含量的增加土壤有機質(zhì)和全氮含量呈降低趨勢。此結(jié)論與王瑩[20]對土壤有機質(zhì)與氮磷鉀的相關(guān)性研究結(jié)果一致，并且與袁子茹等[21]對祁連山不同草地類型土壤有機質(zhì)與全氮分布的關(guān)系的研究結(jié)果相似。