農(nóng)業(yè)利用對砂質土壤中有機質與養(yǎng)分構成的影響

石其偉,楊瓊瑤, 陶娟花,章明奎

（1.浙江省紹興市柯橋區(qū)農(nóng)業(yè)水產(chǎn)技術推廣站，浙江 柯橋 312030；2.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058）

砂土因粗顆粒多、細顆粒少、土體松散、養(yǎng)分含量低下、保蓄能力弱［1-4］、抗旱能力差［5］、有機物質礦化迅速［6］、養(yǎng)分容易淋失［7-9］等原因，其對多數(shù)農(nóng)作物的適宜性較差［2］。但我國優(yōu)質耕地資源緊缺，又因砂土具有通透性能好、易耕作、春季土壤升溫快等優(yōu)點，比較適合瓜類、根菜類蔬菜的生長，因此許多區(qū)位條件較好的砂土常被開墾用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。砂土的基礎地力較低，了解其有機質和養(yǎng)分組成特點，對科學管理這類土壤及合理施肥具有實際指導意義。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為達到作物高產(chǎn)的目標，常常需通過大量施肥來提高砂土的生產(chǎn)力［10-11］。同時，近年來一些地方在耕地地力提升時也常常把砂土作為提升對象［3］，并按常規(guī)土壤的提升要求進行改良，使砂土有效養(yǎng)分的積累明顯高于其相應的自然土壤。近年來，隨著大棚種植的發(fā)展，在砂土上開展了大棚種植，通過養(yǎng)分供給，也使得其養(yǎng)分積累明顯高于露天種植。以往研究較多關注砂土的肥效與總體肥力特點［12-14］及物質的淋失［15-17］，對養(yǎng)分積累過程中氮磷鉀養(yǎng)分組成和有機質組分的變化規(guī)律了解較少。而對大量施肥和強化培肥后砂土中的養(yǎng)分穩(wěn)定性如何、是否會引起環(huán)境問題等知之甚少。為此，本研究選擇浙江省兩種典型砂質土壤，通過對荒地、露天栽培和大棚栽培等條件下的土壤進行采樣分析，研究了砂質土壤有機質和氮磷鉀養(yǎng)分的構成特點及其與養(yǎng)分積累的關系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

研究選擇的兩種砂土分別為清水砂和淡涂砂，均屬潮土土類、灰潮土亞類。前者形成于河流沖積母質上，分布于河谷平原的河流兩岸；后者形成于淺海沉積物，主要分布于杭州灣南岸。清水砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分別為854、95、51 g/kg；淡涂砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分別為817、138、45 g/kg。分別在錢塘江中上游的河谷平原及杭州灣附近采集了30個代表性清水砂和淡涂砂表層土壤（采樣深度為0~20 cm，為多分點采集樣品的混合樣）。每一種土壤的利用方式包括荒地、露天旱地和大棚旱地等3類，分別代表自然狀態(tài)、一般農(nóng)地和集約農(nóng)地。用于采樣的露天旱地和大棚旱地利用時間在10年以上，每類用地各采集10個樣品。同時，在河谷平原典型區(qū)（清水砂區(qū)）分別采集荒地、露天旱地和大棚旱地的剖面分層樣，每個剖面按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm分層采集。

1.2 試驗方法

樣品經(jīng)室內自然風干后，過2 mm土篩，取部分樣進一步研磨過0.125 mm土篩。分析內容包括pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、顆粒態(tài)有機質、有效磷、速效鉀、水溶性鉀、NH4-N、NO3-N含量及磷的化學形態(tài)。其中，土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀采用常規(guī)法測定［18］；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定［18］；土壤速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；水溶性鉀用去離子水提取-火焰光度法測定；NH4-N、NO3-N采用2 mol/L KCl提取，分別用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定；土壤中顆粒態(tài)有機質采用密度-篩分法測定［19］；土壤磷形態(tài)采用Hedley等的方法［20］測定。所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007處理，統(tǒng)計分析采用軟件SPSS 12.0完成。

2 結果與分析

2.1 有機質的組成及其與有機質積累的關系

由于成土母質的差異，淡涂砂的pH值高于清水砂，但兩種土壤農(nóng)業(yè)利用后pH值均呈下降趨勢，其中以大棚種植的土壤酸化較為明顯（表1）。清水砂和淡涂砂的有機質含量均較低，都在15 g/kg以下，兩者的平均有機質含量分別為6.56和6.89 g/kg，表明砂質土壤有機質不易積累，處于較低水平。對于清水砂，無論是露天種植還是大棚種植，其有機質含量與荒地比較，均沒有呈現(xiàn)增加趨勢；同時，它們的腐植質含量、顆粒態(tài)有機質和非顆粒態(tài)有機質含量受利用方式的影響也較小。而淡涂砂在露天種植和大棚種植后土壤有機質含量有較為明顯的增加；相應地，露天種植和大棚種植后淡涂砂土的腐植質含量、顆粒態(tài)有機質和非顆粒態(tài)有機質含量也明顯高于荒地土壤。

表1 2種砂質土壤的pH值和有機質組分含量

兩種砂質土壤的有機質以腐植質形態(tài)存在的比例也較低，均在45%以下，清水砂和淡涂砂中腐植質占有機質的比例平均分別只有33.52%和35.00%；相應地，顆粒態(tài)有機質的占比平均分別為22.71%和27.63%。結果表明，砂質土壤中有機質不僅含量低，而且其穩(wěn)定性也不高，約有20%以上的有機質以活性較高的顆粒態(tài)有機質形態(tài)存在。

表2顯示了兩種砂質土壤中各形態(tài)有機質組分與土壤有機質積累的相關性。砂質土壤中腐植質、顆粒態(tài)有機質和非顆粒態(tài)有機質含量均隨著土壤中有機質的積累而積累，但腐植質比例與土壤有機質含量呈負相關，顆粒態(tài)有機質占比與土壤有機質含量呈正相關，說明隨著土壤中有機質的積累，通過腐殖化作用形成的腐植酸比例逐漸下降，而以顆粒態(tài)有機質形式存在的有機質比例相對增加。這表明，隨著砂質土壤中有機質的積累，土壤中有機質的穩(wěn)定性有下降趨勢。

表2 兩種砂質土壤中有機質組分與有機質含量的相關性（n=30）

2.2 氮素組成及其與氮素積累的關系

由表3可知，砂質土壤農(nóng)業(yè)利用后全氮含量均有明顯的增加，表明氮在砂質土壤中比有機質更易積累，但總體上清水砂和淡涂砂的全氮含量均處于較低的水平，分別為0.43、0.49 g/kg。在荒地和露天種植條件下，2種砂質土壤的礦質氮（NH4-N和NO3-N）的積累均較少，這顯然與砂質土壤對NH4-N和NO3-N的吸持能力較弱有關。但在大棚種植條件下，2種砂質土壤中均有較高的NH4-N和NO3-N積累，尤其以NO3-N的積累最為明顯。砂土中NO3-N的積累明顯高于NH4-N，這與砂質土壤通氣性較好等有關。

相關分析表明，清水砂和淡涂砂的NH4-N含量與全氮含量的相關系數(shù)分別為0.515**和0.503**（n=30），NO3-N含量與全氮含量的相關系數(shù)分別為0.286*和0.384*（n=30）。隨著土壤全氮的積累，土壤中NH4-N和NO3-N含量也有增加的趨勢，但它們之間的相關系數(shù)較低，表明砂質土壤中NH4-N和NO3-N含量在更大程度上受降水淋洗等其他因素的影響，其中NO3-N含量受外部環(huán)境的影響更明顯。

2.3 鉀素組成及其與鉀積累的關系

砂質土壤全鉀含量很低，清水砂和淡涂砂的全鉀平均含量分別為11.09、13.18 g/kg（表3）。農(nóng)業(yè)利用后兩種砂質土壤全鉀含量均略有增加；而速效鉀和水溶性鉀含量的增加較為明顯，特別是在大棚種植條件下，清水砂和淡涂砂的速效鉀和水溶性鉀含量均達到荒地的數(shù)倍甚至10余倍。

表3 兩種砂質土壤中氮和鉀的組分

相關分析也表明（表4），清水砂中速效鉀、水溶性鉀含量及水溶鉀占速效鉀的比例均與土壤全鉀含量呈顯著的正相關；但在淡涂砂中，這種相關性不明顯。但兩種砂質土壤中速效鉀、水溶性鉀含量及水溶性鉀占速效鉀的比例間相關性均達到極顯著的水平。對比土壤速效鉀和水溶性鉀含量的變化及它們之間的相關性可知，隨著土壤鉀的積累，有更高比例的速效鉀以水溶態(tài)形式存在。表明這些積累在砂質土壤中的速效鉀多以水溶性形式存在，易隨降水流失。

表4 兩種砂質土壤中鉀組分之間的相關性（n=30）

2.4 磷素組成及其與磷積累的關系

荒地砂質土壤全磷含量較低，大部分在0.40 g/kg以下（表5），但農(nóng)業(yè)利用后，兩種砂質土壤全磷明顯積累，在大棚種植條件下清水砂和淡涂砂的全磷含量都達到了較高的水平。隨著全磷的積累，土壤有效磷含量呈現(xiàn)迅速的增加，2種砂質土壤農(nóng)用后速效磷含量都達到荒地的10倍以上。磷形態(tài)分析結果表明，隨著土壤全磷的積累，土壤各態(tài)磷的絕對含量均呈現(xiàn)增加的趨勢，但各形態(tài)磷占全磷的百分組成的變化有所差別，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性較高的磷組分呈現(xiàn)明顯的增加，NaOH-IP和HCl-P的比例也呈現(xiàn)增加的趨勢，而NaOH-OP和殘余態(tài)磷的比例趨向下降（表6）。

表5 兩種砂質土壤中磷的組分

表6 兩種砂質土壤中磷組分之間的相關性（n=30）

2.5 養(yǎng)分的剖面垂直分布

表7為從河谷平原（清水砂區(qū)）采集的荒地、露天旱地和大棚旱地剖面樣中養(yǎng)分的垂直分布情況。由表7可知，荒地剖面的養(yǎng)分含量普遍較低，有機質含量與其他兩種用地無明顯的差別。但無論是有機質還是其他養(yǎng)分在荒疏地條件下都具有明顯的表聚特點，即說明在低養(yǎng)分積累條件下，砂質土壤養(yǎng)分在植物生物富集的作用下具向表層富集的特點。在露天種植的農(nóng)地中，有效氮、有效磷、有效鉀含量都比荒地有明顯的增加，若以80~100 cm土層養(yǎng)分為參照，有效氮、有效鉀均有向下遷移的跡象，但有效磷仍表現(xiàn)出明顯的表聚特點，而有效氮和有效鉀的最高含量出現(xiàn)在表下層，表明有效氮和鉀比磷更易發(fā)生垂直遷移。而在大棚種植條件下，有效氮、有效磷、有效鉀含量都有明顯的增加，這些養(yǎng)分的垂直遷移也很明顯，但它們都呈現(xiàn)表層高于下層土壤的特點。

表7 不同利用方式下砂質土壤中養(yǎng)分的垂直分布

3 討論

3.1 砂質土壤中有機質的積累特點

有機質是土壤的重要組成部分，其含量和組分的變化都會深刻影響土壤系統(tǒng)中的多個過程，同時其也是土壤肥力和基礎地力最重要的物質基礎，直接影響土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等。因此，提高土壤有機質含量一直是農(nóng)田培肥的重要方向。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種有機物質的輸入與輸出都會對土壤有機質的平衡的因素產(chǎn)生很大的影響。一般來說，影響土壤有機質平衡大致有生物、物理、化學和社會經(jīng)濟等［21］。其中，物理、化學因素主要指能夠穩(wěn)定土壤中有機碳的相關因素，包括土壤質地、水分條件、土壤結構、土壤生物因子等。進入農(nóng)田土壤的有機物質可通過礦化和腐殖化作用轉變?yōu)橥寥烙袡C質，其在土壤中腐解1年后的殘留量與原加入量的比值稱為腐殖化系數(shù)，后者除受進入土壤有機物料的組成、水熱條件影響外，還與土壤性狀密切相關［22］。積累在土壤中的有機質主要通過與無機分子相互作用避免被微生物利用而穩(wěn)定在土壤中，其作用的機制包括配位交換、氫鍵、陽離子鍵橋和范德華力等多種形式［23］，其中，黏土礦物和金屬氧化物是有機質結合的主要載體。因此，土壤中黏土礦物和鐵鋁氧化物數(shù)量的多少直接影響土壤有機質積累的潛力。本研究的結果表明，2種砂土的有機質平均含量分別只有6.56和6.89 g/kg，都在15 g/kg以下，遠低于同一地區(qū)其他耕地土壤有機質的平均含量（30.12 g/kg）［24］，表明砂質土壤有機質不易積累，處于較低水平，這顯然與砂土缺乏黏粒（黏土礦物和鐵鋁氧化物）對有機質的保護有關。即由于土壤質地較輕，進入土壤的有機物質腐殖化程度較低，不利于有機質的積累。

土壤中的有機質可以不同形態(tài)存在，Elliott［25］采用密度法對有機質進行分組，分為游離態(tài)輕組、粗顆粒有機質、細顆粒有機質、礦物結合態(tài)有機質，其中礦物結合態(tài)有機質主要以腐植質形態(tài)存在，是相對穩(wěn)定的有機質。本文結果表明，砂質土壤中以腐植質形態(tài)存在的有機質比例較低，平均分別只有33.52%和35.00%，低于其他農(nóng)田土壤［26］；并且隨著有機質的積累土壤中有機質的穩(wěn)定性有下降趨勢（腐植酸比例逐漸下降），表明砂質土壤中有機質不僅含量低，而且其穩(wěn)定性也不高，這顯然也與砂土缺少黏粒有關，即由于黏土礦物和鐵鋁氧化物的缺乏，進入土壤中的有機質不易形成礦物結合態(tài)有機質，有較大比例的有機質以活性較高的顆粒態(tài)有機質或游離態(tài)輕組形態(tài)存在。

另外，本研究結果表明：清水砂無論是露天種植還是大棚種植其有機質含量與荒地比較均沒有呈現(xiàn)增加趨勢；而淡涂砂在露天種植和大棚種植后土壤有機質含量有較為明顯的增加。這可能與淡涂砂成土母質是淺海沉積物，其荒地主要是新形成的土壤，成土時間較短，因此其農(nóng)用后有機質有積累趨勢；而清水砂成土母質為河流沖積物，無論是農(nóng)田還是荒地其形成都有一定的時間，都已存在一定的有機質積累過程。

3.2 砂質土壤中氮磷鉀的積累特點

農(nóng)田土壤養(yǎng)分高低除與成土母質有關外，還深受施肥的影響。大量的定位試驗表明［27-29］，土壤中養(yǎng)分的積累隨肥料施用量和施用年限的增加而增加。但土壤中養(yǎng)分積累對施肥的相應在不同土壤中有所差異，特別是土壤中有效態(tài)養(yǎng)分的積累并不與養(yǎng)分積累總量呈等比例變化，其原因一般認為與不同土壤類型的組分和性狀不同有關［30-31］。在一般情況下，土壤中的主要養(yǎng)分（包括氮、磷、鉀）主要存在于黏粒中，特別是氮素和磷素主要以有機質結合態(tài)或黏土礦物結合態(tài)形式存在，因此，在不施肥的條件下，砂土因缺乏膠體物質，其氮、磷、鉀含量一般都較低，本研究中荒地的全氮、全磷和全鉀含量分別在0.42、0.41和15.00 g/kg以下，與此有關。通過肥料方式進入土壤的氮、磷、鉀可與土壤組分發(fā)生作用，成為土壤的重要養(yǎng)分組成，其中氮素主要通過微生物同化作用成為有機質的主要組分；磷同時可與黏土礦物、氧化物和有機質發(fā)生作用，成為有機質的組分，或被黏土礦物、氧化物吸附固定；而鉀主要通過與膠體表面的陽離子發(fā)生交換而被土壤吸附或固定。有效養(yǎng)分（含NH4-N、NO3-N、有效磷、速效鉀）是指能被植物吸收利用部分的氮、磷、鉀，它們主要是與土壤松結合的氮、磷、鉀。因此，土壤組分的差異可直接影響進入土壤中的氮、磷、鉀的行為。當土壤中含有豐富的有機質、黏土礦物、氧化物時，氮、磷、鉀易被土壤吸附固定，其活性相對較低；相反，當土壤中缺乏有機質、黏土礦物、氧化物時，氮、磷、鉀不易被土壤吸附固定，其活性相對較高。砂土因缺少有機質、黏土礦物、氧化物，進入砂土的肥料氮、磷、鉀具有較高的生物有效性，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性較高的磷組分呈現(xiàn)明顯的增加。因此，在大棚種植環(huán)境下，砂土中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效鉀的積累非常明顯，速效鉀、水溶性鉀、速效磷含量均達到荒地的數(shù)倍甚至10余倍。但同時由于砂土缺乏有效的吸附物質（有機質、黏土礦物、氧化物），對養(yǎng)分的吸持能力較弱，有效養(yǎng)分在土壤中的積累除有利于作物吸收外，其也可隨水分運動進入環(huán)境，對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，在露天種植環(huán)境下砂質土壤中NH4-N、NO3-N、速效鉀不易在表土積累，容易發(fā)生淋失。

4 結論

本研究表明，荒地砂質土壤中有效養(yǎng)分含量普遍較低，但表聚明顯，在農(nóng)用后土壤磷和氮呈現(xiàn)了明顯的富集現(xiàn)象。露天種植與大棚種植之間砂質土壤養(yǎng)分垂直分布有明顯的差別，前者土壤有效養(yǎng)分垂直下移顯著，其中有效氮和鉀含量的高值出現(xiàn)在亞表層；而后者土壤有效養(yǎng)分雖存在下移，但仍顯現(xiàn)明顯的表聚。砂質土壤中積累的有機質多為不穩(wěn)定有機質，有機質中腐植酸占比較低，顆粒態(tài)有機質占比隨土壤有機質的積累呈增加趨勢。砂質土壤中的速效鉀有較高比例以水溶態(tài)存在；活性較高的磷隨土壤磷素積累呈明顯增加。因有較高比例的氮、磷、鉀以高活性形態(tài)存在，砂質農(nóng)田土壤存在較大的養(yǎng)分流失風險。