毛烏素沙地玉米不同種植年限砒砂巖與沙復配土壤有機質與全氮的關系

張海歐, 王歡元, 孫嬰嬰

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司 陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司 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研究中心, 陜西 西安 710075; 2.西安理工大學 水利水電學院, 陜西 西安 710048)

土壤有機質和全氮是土壤肥力總體狀況的重要指標，其可以改善土壤物理、化學和生物性質。土壤有機質含有植物需要的多種養分，是植物養分的主要來源之一，其含量既影響植物的生長發育，又對其他營養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，土壤全氮是供應植被有效氮素的源和庫[2,5]。土壤有機質和氮素是各國土壤分析和實驗室測定的例行項目，其含量及動態平衡不僅直接影響著土壤質量和土地生產力，而且對生態系統中碳氮循環有重要意義[6-8]。毛烏素沙地是中國農牧交錯區的典型代表，耕地開發潛力巨大，但生態環境脆弱，土地沙化嚴重，分布在毛烏素沙地周邊的砒砂巖，水土流失嚴重，被稱為“環境癌癥”，沙和砒砂巖在當地被群眾稱為“兩害”。陜西省土地工程建設集團研究團隊從資源合理利用的角度出發，遵循區域生態環境平衡的規律，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，作為一種新型復配土，其結構能否持續穩定發育，經過長期種植保水、保肥能力演變趨勢有待研究。目前，有關砒砂巖與沙復配土壤的理化性質、作物產量等研究較多[9-16]，而對于不同種植年限下復配土壤有機質和全氮的時間尺度變化及二者的關聯性研究卻少見報道。本文通過對毛烏素沙地不同比例砒砂巖與沙復配土壤在2013—2016年的土壤有機質和全氮的時空分布特征、動態變化趨勢及兩者間的相關性進行研究，以期揭示不同比例砒砂巖與沙復配土壤碳氮的變化規律，為這種新型復配土的肥力提升及土地整治提供技術支撐和理論依據，這對實現新造土壤的穩定性和可持續利用發展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區域設在毛烏素沙地榆林市榆陽區小紀汗鄉大紀汗村。榆陽區(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。試驗區屬典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，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 ℃且持續天數為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2 879 h，日照百分率65%。年總輻射量606.9 kJ/cm2。項目區土壤類型主要以風沙土為主，全氮含量0.075%，全磷含量0.63 g/kg，全鉀含量26.51 g/kg，有機質含量0.03%。

1.2 試驗方法

在毛烏素沙地陜西榆林市榆陽區的小紀汗鄉于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集團建設的大田試驗小區。試驗地為15 m×12 m的小區，在考慮混合復配土壤的混合比例時，將小區平均分為3個5 m×12 m的次小區，分別考慮了1∶1，1∶2，1∶5等3個混合比例，每個小區只是在表層30 cm覆蓋了不同混合比例的復合土壤(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以下為當地沙土。分別采集3個小區中1∶1，1∶2，1∶5次小區的0—30 cm 表層土壤，每個小區采集重復土樣3個，每次采集土樣共計9個，然后帶回實驗室用于測定復配土物理性質和養分含量等結構與性質指標。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。有機質依據[土壤有機質的測定(NYT1121.6-2006)]以重鉻酸鉀法測定[18]，全氮利用全自動間斷化學分析儀Cleverchem 200(德國)測定。3種比例復配土壤的主要物理性質詳見表1。

表1 砒砂巖與沙復配土壤主要物理性質

1.3 數據處理

采用SPSS 13.0統計分析軟件進行T檢驗。對試驗數據進行整理和繪圖采用Excel軟件。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限下復配土壤有機質變化特征

不同種植年限下不同比例復配土壤有機質變化特征如圖1所示。1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質含量均隨著作物種植年限的增加而呈現上升趨勢，體現了風沙土經砒砂巖與沙復配成后土壤生物生產力增加，提升了復配土壤的固碳能力。其中1∶1復配土壤有機質呈現出較好的穩定上升趨勢，1∶2，1∶5兩種復配土的有機質含量則變動幅度較大，這是由于土壤有機質含量與黏粒有關，土壤黏粒含量越大有機質含量越高，而1∶1復配土壤黏粒含量大于1∶2，1∶5，1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質含量從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復配土壤機質含量增加速率大于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，風沙土質地呈現出從壤土—砂壤—砂壤的變化趨勢，隨著砒砂巖含量的增加質地條件變好。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，能從土壤液相介質中吸收和保存較多的有效養分。經過4 a作物種植后，到2016年1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質平均含量分別為2.95，2.27和1.85 g/kg，并且2013—2016年3種復配土壤有機質含量均表現為1∶1>1∶2>1∶5，但其土壤耕層有機質含量始終均較低，變幅在0.08%～0.46%，屬于全國耕地土壤養分分級標準中有機質分級的6級(<0.6%)[18]。一般認為，土壤有機質含量>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配土壤的有機質含量有待提高。

2.2 不同種植年限下復配土壤全氮變化特征

2013—2016年復配土壤全氮含量變化特征如圖2所示。3種比例復配土壤全氮含量隨著種植年限的增加，其含量呈穩定增加趨勢。砒砂巖與沙復配比例不同，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種復配土壤中，2013—2016年作物收獲后測得復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的復配土壤全氮含量明顯高于其他復配比例，這是由于隨著砒砂巖含量的增加復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種比例復配土壤全氮含量百分比的平均值均小于0.05%，根據陜西省第二次土壤普查土壤肥力分級標準，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配土壤有機質變化特征

圖2 不同種植年限下不同比例復配土壤全氮變化特征

2.3 不同種植年限下復配土壤有機質與全氮的相關性分析

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

圖3 不同種植年限下復配土壤有機質與全氮的相關性

3 討論與結論

復配比例(砒砂巖含量)是新造土壤養分的物質基礎，種植季數是新造土壤養分的動力學過程及條件，二者都是影響砒砂巖與沙復配土壤有機質和全氮含量的重要因子。3種比例復配土壤有機質和全氮含量均隨著作物種植年限的增加而呈現穩定上升趨勢，復配土壤理化結構呈良性發展趨勢。

但復配土壤有機質、全氮含量仍然較低，不能滿足實際農業生產的需要，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構特性的科學基礎。因此，提高新造復配土壤中養分含量，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種比例復配土壤有機質與全氮均呈現顯著正相關。這主要是由于土壤中的氮素有一大部分是以腐殖質形式存在，其主要來源于有機質，因此不同比例復配土壤中有機質含量的增加可以間接的增加土壤的全氮含量。此結果與楊麗霞[7]等對陜北黃土丘陵區不同植被類型群落多樣性與土壤有機質、全氮關系研究研究結果一致，與黨廷輝[19]對有機質、全氮、土壤質地與土壤供氮能力的關系中的研究結果一致。

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