不同客土覆蓋厚度對河灘地土壤養(yǎng)分分布的影響

張海歐, 張 揚(yáng)

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710021)

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是衡量土壤肥力整體狀態(tài)的重要指標(biāo)，其對土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的改善具有重要的作用[1-2]。土壤有機(jī)質(zhì)含有植物生長需要的礦物養(yǎng)分和有機(jī)營養(yǎng)，是植物生長所必需營養(yǎng)元素的主要來源之一，其對土壤的結(jié)構(gòu)性、保水保肥性、通氣性、保墑性等主要特性具有重要的影響[3-4]。土壤中有機(jī)質(zhì)的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[3-4]。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(jī)氮和無機(jī)氮素，土壤全氮是供應(yīng)植被有效氮素的源和庫[2,5-6]。土壤有機(jī)質(zhì)和氮素被列為土壤肥力評價的必需指標(biāo)和土壤分析、實(shí)驗(yàn)室測定的常規(guī)指標(biāo)，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[7-10]。

河灘地在我國各地區(qū)均有分布廣泛[11]，作為一種重要的耕地后備資源。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)僅陜西省境內(nèi)可開發(fā)利用的此類型土地面積就達(dá)2.33×104hm2，主要分布在陜西的關(guān)中和陜南等地區(qū)[12]，該地區(qū)光照條件充足，降水量豐沛，地下水埋藏較淺，具備發(fā)展生態(tài)高值農(nóng)田的環(huán)境條件。然而，河灘地土地主要是由礫石和砂礫組成，地表粗大礫石裸露，土地貧瘠、農(nóng)作物根本無法生長，長期處于荒蕪狀態(tài)，整治開發(fā)利用難度極大。李娟等[13-14]經(jīng)過長期科學(xué)研究及工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)通過客土覆蓋的技術(shù)可將河灘地整治成農(nóng)用地，并進(jìn)行了工程示范。但是提升土地質(zhì)量及提高耕作層穩(wěn)定性等技術(shù)難題，仍困擾著河灘地的整治工作。目前，國內(nèi)外在污損或工礦廢棄地等方面對客土覆蓋方式及土壤理化性質(zhì)的研究較多[15-16]，而對于河灘地這種裸巖石礫土地類型的不同覆土厚度土壤的養(yǎng)分特征研究卻鮮見報道。本文通過對舊河道河灘地土地整治中不同覆土厚度條件下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的分布特征、動態(tài)變化趨勢及兩者間的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期揭示河灘地土地整治中不同覆土厚度下土壤碳氮的空間分布特征，不僅為這類土地的土壤肥力提升及土地整治提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)，也對實(shí)現(xiàn)土壤資源的合理利用及其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

野外觀測試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置于渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)(東經(jīng)108°57′—109°26′和北緯34°42′—35°06′)，處于鄂爾多斯地臺南邊緣，與渭河地塹北邊緣的斜坡地帶。屬于典型中暖溫帶大陸性氣候，降水季節(jié)分配很不均勻，一年中幾乎80%的降雨集中在夏季的6～83個月，期間日降水量≥50 mm的暴雨天氣常有發(fā)生。干濕季節(jié)分明，干季長于濕季，春季風(fēng)多，降雨較少，地表的蒸發(fā)量較大，土壤失墑快，春旱嚴(yán)重。全年蒸發(fā)量1 000—1 300 mm，是降雨量的2.0～2.3倍。6月蒸發(fā)量最大，為189.5 mm，12月最小，為44.9 mm。無霜期225 d，年平均氣溫13.4 ℃，夏季最高氣溫41.8 ℃，冬季寒冷干燥，最低氣溫-22.0～-10.0 ℃。當(dāng)?shù)氐闹饕r(nóng)作物為小麥、玉米和棉花等。

1.2 試驗(yàn)方法

建立1∶100比例的物理模型試驗(yàn)裝置，包括模擬河道、灌溉渠、試驗(yàn)田和觀測通道4個部分，試驗(yàn)裝置布設(shè)6塊試驗(yàn)田，即6個處理(見圖1)，每塊試驗(yàn)田面積為2.0 m×4 m，共占地48 m2。根據(jù)立地條件，考慮光照、微地形等因素的均一性，6塊試驗(yàn)田采取自東向西“一”字型布設(shè)，先挖出2 m的深坑，分別填入相應(yīng)厚度的砂石和客土，覆蓋當(dāng)?shù)攸S綿土厚度分別設(shè)為30，40，50，60，80，100 cm，模擬實(shí)地條件，客土以下分別填裝170，160，150，140，120，100 cm厚度的礫石(80%)和沙土(20%)混合物，每個處理小區(qū)設(shè)有圍擋，避免串水串肥。

圖1 陜西省渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)河灘地試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)于2015—2017年執(zhí)行，每年10月初進(jìn)行冬小麥種植，次年的6月初收獲。小麥種植與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作措施保持一致，露地種植采取行播，行距15～20 cm，株距保持在1～2 cm，播深5～6 cm。所有小區(qū)均采用相同的灌溉與施肥處理，播種前1～2 d施入復(fù)合肥(N 90 kg/hm2; P 40 kg/hm2; K 75 kg/hm2)，并結(jié)合灌水在拔節(jié)期追施。灌溉時間和量，采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民普遍采用的模式，根據(jù)天氣情況、土壤水分狀況，使0—60 cm土壤層的田間最大持水量保持在75%～80%。小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行土壤樣品采集，每個小區(qū)按對角線選取5點(diǎn)，每10 cm分層取樣，按照各處理的土層厚度用土鉆取土層混合土樣，每個處理取3次重復(fù)土樣，自然風(fēng)干過篩后，用于理化性質(zhì)的測定，并計(jì)算3 a試驗(yàn)結(jié)果的平均值，分析土壤養(yǎng)分的變化情況。土壤田間持水量采用室內(nèi)環(huán)刀法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法測定，全氮利用全自動間斷化學(xué)分析儀Cleverchem200(德國)測定。試驗(yàn)所用當(dāng)?shù)攸S綿土的主要理化性質(zhì)詳見表1。

表1 陜西省渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)黃綿土主要理化性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆土厚度下有機(jī)質(zhì)分布

土壤有機(jī)質(zhì)含量能夠指示土壤肥力水平的狀況，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤疏松、團(tuán)聚體含量高、作物生長良好[17-18]。利用在裸巖石礫地表層覆蓋客土的方式整治河灘地，土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同覆土厚度下隨土層深度的變化特征見圖2。不同覆土厚度下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度增加呈現(xiàn)降低趨勢，其中0—20 cm表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量最高，其與40—60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量相比最高可達(dá)4.63倍，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80，C100在0—20 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量分別占0—60 cm整個土層有機(jī)質(zhì)含量的64%，60%，55%，57%，56%，58%。0—40 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)的總含量的大小順序?yàn)镃60(42.76 g/kg)>C50(38.2 g/kg)>C40(33.9 g/kg)>C80(32.38 g/kg)>C100(29.79 g/kg)>C30(24.99 g/kg)，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，且其中在0—40 cm土層中覆土厚度為60 cm(C60)，50 cm(C50)的有機(jī)質(zhì)含量分別是覆土厚度為30 cm(C30)有機(jī)質(zhì)含量的1.69，1.51倍?？屯梁穸葹?0 cm(C60)和50 cm(C50)平均有機(jī)質(zhì)含量分別占0—10，10—20和20—40 cm各土層客土厚度有機(jī)質(zhì)含量的39%，38%和41%，因此，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50和C60)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于其他覆土厚度類型。

2.2 不同覆土厚度下全氮變化特征

不同覆土厚度下，相同土層深度土壤全氮含量具有較大變化(見圖3)。客土厚度為30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量隨土層厚度增加呈顯著減少趨勢；客土厚度為50 cm(C50)和60 cm(C60)全氮含量也隨土層加深而減少，但程度遠(yuǎn)低于C30和C40；而客土厚度為30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量在0—40 cm土層中分布較為均勻。不同客土厚度0—20 cm表層土壤的全氮含量最高，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80和C100在0—20 cm土層的全氮含量分別占0—60 cm整個土層全氮含量的62%，61%，57%，56%，56%和55%。

注：C30，C40，C50，C60，C80，C100分別代表容土厚度為30，40，50，60，80，100 cm。下同。

圖3 不同覆土厚度土壤全氮分布特征

同一土層的不同客土覆蓋厚度下，土壤全氮含量具有顯著差異(p<0.05)?？屯梁穸葹?0 cm(C60)的全氮含量明顯的高于其他覆土厚度樣地，該覆土厚度下0—10 cm淺表層土壤全氮含量高達(dá)1.079 g/kg，其含量是客土厚度分別為30(C30)，40(C40)，100 cm(C100)的2.05，1.46及0.68倍；其次，客土厚度為50 cm(C50)表層土壤全氮含量較高，0—10，10—20和20—40 cm各層土壤全氮含量為0.924，0.825，0.703 g/kg。不同客土厚度0—40 cm土層平均全氮含量表現(xiàn)為C60(0.953 g/kg)>C50(0.817 g/kg)>C80(0.760 g/kg)>C40(0.625 g/kg)>C100(0.581 g/kg)>C30(0.404 g/kg)，客土厚度為60 cm(C60)和50 cm(C50)平均全氮含量分別占0—10，10—20，20—40 cm各土層客土厚度全氮含量的42%，25%和26%，因此，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50，C60)的土壤全氮含量高于其他覆土厚度類型。

2.3 不同客土覆蓋厚度有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)性分析

由表2不同客土覆蓋厚度0—40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的相關(guān)性分析可知，不同覆土厚度下0—40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮呈正相關(guān)關(guān)系，且不同客土覆蓋厚度下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的相關(guān)性回歸系數(shù)差異較大，說明不同覆土厚度有機(jī)質(zhì)和全氮的相關(guān)程度不同?？屯梁穸葹?0 cm(C50)和60 cm(C60)試驗(yàn)樣地的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量呈現(xiàn)出極顯著(p<0.01)的正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.913，0.927；土壤有機(jī)質(zhì)與全氮在客土覆蓋厚度為C30，C40，C80和C100時具有顯著的正相關(guān)性(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別是0.639，0.789，0.884，0.851。因此，客土層厚度為50—60 cm時，有利于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的積累，并且與其他覆土厚度類型相比，C50和C60覆土厚度下0—40 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的平均含量最高。

表2 不同客土覆蓋厚度0-40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的相關(guān)性

2.4 不同土層深度有機(jī)質(zhì)與全氮的關(guān)系

隨著新造土壤種植年限的增加，各土層土壤結(jié)構(gòu)形成、養(yǎng)分含量積累情況差異較大，不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)性分析見圖4，不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)與全氮相關(guān)性大小不同，但都呈正相關(guān)性。當(dāng)土層深度為0—10，10—20和20—40 cm時，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)性為極顯著(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別是0.911，0.839，0.946。由分析可知，0—40 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨著土層深度增加，有機(jī)質(zhì)與全氮之間的相關(guān)性呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，當(dāng)土層深度為40—60 cm時，相關(guān)系數(shù)為0.737，小于其他土層的相關(guān)性。

3 討 論

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是表征土壤肥力水平和評價土壤質(zhì)量發(fā)育狀況的重要指標(biāo)[5]。雷建容等[17]、袁子茹等[18]分別對川中丘陵區(qū)、祁連山不同草地類型下不同土層深度土壤的空間分布狀況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土層深度對土壤養(yǎng)分含量具有顯著影響(p<0.05)，表層土壤養(yǎng)分含量最高。本研究結(jié)果表明，不同覆土厚度下，土層深度與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著土層深度增加養(yǎng)分含量呈現(xiàn)減小的趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮主要分布在表層土壤(0—30 cm)中，體現(xiàn)了明顯的表聚性。這是由于試驗(yàn)作物玉米和小麥均為淺根系植物，其根系生長所需要的營養(yǎng)區(qū)在0—30 cm土層厚度，30 cm以下的土層是作物根系生長的固定區(qū)。而且在表層0—30 cm以上，枯枝落葉等調(diào)落物在土壤中累積，隨著植物的根系分泌物進(jìn)行逐漸分解，養(yǎng)分隨之釋放返回土壤，以此循環(huán)過程不斷釋放、積累養(yǎng)分進(jìn)入土壤。同時在分解過程中產(chǎn)生酸類物質(zhì)加速土壤礦物的分解與變化，且植物吸收土壤養(yǎng)分通過生物微循環(huán)在表層土壤中富集，所以養(yǎng)分含量高。

土壤中有機(jī)質(zhì)是氮素存在的主要場地，二者之間有一定相關(guān)性[3-4]。分析不同厚度客土覆蓋整治河灘地后土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量及關(guān)系，對于評價土壤肥力，制定合理施肥措施具有重要意義。結(jié)果表明，不同土層深度和不同客土覆蓋厚度下，表層土壤(0—30 cm)有機(jī)質(zhì)與全氮均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性(p<0.05)，此結(jié)論與楊麗霞等[1]、朱代文等[11]、雷建容等[17]、袁子茹等[18]學(xué)者，分別對陜北黃土丘陵區(qū)、潼關(guān)縣河灘地新增耕地、祁連山不同草地類型、川中丘陵區(qū)等地區(qū)類型的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮之間的關(guān)系研究結(jié)果一致。這是由于有機(jī)質(zhì)主要分布于土壤表層，相關(guān)研究顯示[19-20]，表層土壤中的氮素95%以上是以有機(jī)結(jié)合(腐殖質(zhì)等)的形態(tài)存在，即土壤有機(jī)質(zhì)含量對全氮的消長具有重大的影響，氮素中包含了土壤有機(jī)質(zhì)的一部分，有機(jī)質(zhì)中氮素含量相對固定。因此，不同土層中有機(jī)質(zhì)含量增加，可以提高土壤中全氮含量，并且不同客土覆蓋厚度全氮與有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律相似。

圖4 陜西省渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)性

不同覆土厚度的差異對作物耕作層土壤的結(jié)構(gòu)性、保水保肥性、通氣性等具有重要影響，從而直接影響作物耕作層的形成。合理的覆土厚度對形成作物耕作層及改善耕作層土壤通氣能力具有積極的作用，已有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)客土厚度為50 cm作物產(chǎn)量最高[13-14]。本研究發(fā)現(xiàn)客土覆蓋厚度對土壤養(yǎng)分的分布具有顯著的影響(p<0.05)，50—60 cm(C50，C60)的客土覆蓋厚度下耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均高于其他覆土厚度類型，并且客土厚度為50 cm(C50)和60 cm(C60)的試驗(yàn)樣地的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(p<0.01)。50—60 cm土層是常見作物根系生長能夠影響的土層范圍，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[13-14,21-23]，相比較其他客土覆蓋厚度，50—60 cm客土覆蓋厚度下耕層土壤容重較大(1.5～1.6 g/cm3)，土壤間的孔隙度較小。具有較大容重的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，水分和養(yǎng)分滲漏能力差，保水保肥性好，并且滲漏能力隨時間的變化弱。結(jié)合工程實(shí)際認(rèn)為50—60 cm客土覆蓋厚度合理，工程成本適中，同時適宜常見作物生長且穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

4 結(jié) 論

客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50和C60)時，相比其他覆土厚度類型，整治后的河灘地各土層土壤養(yǎng)分積累速度快，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量在各土層深度中最高，二者呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，因此，對于陜西關(guān)中河灘地整治中黃綿土覆蓋厚度50—60 cm為最佳。本研究僅對土地整治后河灘地不同客土層厚度與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮關(guān)系進(jìn)行了研究，要更深入認(rèn)識河灘地土地整治后土壤碳庫、氮庫和客土覆蓋厚度相互之間的關(guān)系，則還需要從機(jī)理上進(jìn)行探索研究。