旱地果園土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)氮素含量的影響

張述強(qiáng)，姚志龍

（隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅慶陽(yáng) 745000）

0 引言

果園土壤有機(jī)質(zhì)中通常含有植物所需的各種營(yíng)養(yǎng)成分，特別是土壤氮素養(yǎng)分含量較高。果園土壤的有機(jī)質(zhì)為果樹的生長(zhǎng)發(fā)育提供了大量的營(yíng)養(yǎng)元素和生理活性物質(zhì)，與果樹的產(chǎn)量、果實(shí)的品質(zhì)等有密切關(guān)系，是慶陽(yáng)市果園高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)水果生產(chǎn)的基本條件[1]。提高慶陽(yáng)市果園土壤有機(jī)質(zhì)含量是穩(wěn)定慶陽(yáng)市果園土壤肥力的關(guān)鍵[2-3]。同時(shí)，果園土壤氮素中的全氮、堿解氮與有機(jī)質(zhì)含量緊密相關(guān)，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低直接影響氮素的綜合供應(yīng)與利用水平。但是果園土壤有機(jī)質(zhì)含量下降目前在世界以及中國(guó)都普遍存在[2-4]。研究結(jié)果表明，當(dāng)前制約中國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一是果園土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較低[5]。據(jù)進(jìn)一步調(diào)查結(jié)果顯示，慶陽(yáng)市所有果園的土壤有機(jī)質(zhì)含量仍在中、低標(biāo)準(zhǔn)的含量范圍內(nèi)。目前中國(guó)存在的主要土壤環(huán)境問(wèn)題是有機(jī)肥料不足與高度依賴化肥，而疏于對(duì)有機(jī)肥的利用和投入，致使果園土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增幅緩慢，嚴(yán)重影響和制約了慶陽(yáng)地區(qū)果園土壤肥力的提高與土壤質(zhì)量的改善。果園土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素相關(guān)性是慶陽(yáng)地區(qū)衡量果園土壤綜合利用肥力和果園土壤質(zhì)量的重要環(huán)境科學(xué)依據(jù)，也是世界碳循環(huán)的重要源和匯，更是土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[6]。同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素也是中國(guó)土壤物質(zhì)構(gòu)成中有機(jī)質(zhì)的重要物質(zhì)組分，盡管它們僅占土壤有機(jī)質(zhì)總量的很小一部分，但在提高土壤的肥力、環(huán)境的保護(hù)、農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等各個(gè)方面有著重要的作用和意義[7-8]。土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量直接影響土壤的耐肥性、保墑性、緩沖性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等，也直接影響中國(guó)土壤的肥力[9]。同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量變化是制約土壤肥力與土壤環(huán)境質(zhì)量的最重要因素，也是制約土壤理化性質(zhì)（如土壤水分、通氣狀況、抗蝕能力、供肥保肥能力、有效養(yǎng)分吸收等）的一個(gè)關(guān)鍵因素[10]。氮是各種植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，是決定和調(diào)節(jié)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和其功能的重要關(guān)鍵元素[11]。因此，了解研究本區(qū)域土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮的含量，不僅可以作為施肥的依據(jù)和參考，還有助于判斷土壤肥力程度，制定相應(yīng)的施肥與增產(chǎn)措施。

本研究以慶陽(yáng)地區(qū)果園土壤為研究對(duì)象，對(duì)果園土壤中的有機(jī)質(zhì)和土壤氮素養(yǎng)分的相關(guān)性進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，研究了果園土壤中不同土層的有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮以及全氮和堿解氮之間的相關(guān)性，尋找有機(jī)質(zhì)和土壤氮素的空間分布變化規(guī)律，以期為果園土壤的可持續(xù)利用和蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)的概況

慶陽(yáng)市位于甘肅省最東部，陜甘寧三省區(qū)的交匯處，系西北黃河中下游黃土高原溝壑區(qū)，位于35°15′—37°10′N，106°20′—108°45′E，海拔885～2082 m，屬西北中下游黃土高原蘋果生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū)，土層深厚，氣候溫和，雨量適中，光照充足，晝夜光照溫差大，自然條件得天獨(dú)厚，非常適宜蘋果等果樹的生長(zhǎng)，群眾和農(nóng)民素有在莊前屋后就地栽植果樹的生活習(xí)慣。同時(shí)慶陽(yáng)市紅富士蘋果是蘊(yùn)涵了中國(guó)隴東地區(qū)黃土高原獨(dú)特風(fēng)情的金秋佳果，產(chǎn)于符合農(nóng)業(yè)部?jī)?yōu)勢(shì)蘋果區(qū)劃栽培的最佳產(chǎn)區(qū)和優(yōu)生帶，氣候和地理?xiàng)l件完全符合農(nóng)業(yè)部?jī)?yōu)勢(shì)蘋果生產(chǎn)的7項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)和6項(xiàng)輔助指標(biāo)，是主要生產(chǎn)中國(guó)優(yōu)質(zhì)紅富士?jī)?yōu)勢(shì)蘋果的適生區(qū)，其中以果實(shí)硬度大、色澤鮮艷、蠟質(zhì)層厚、酸甜適度、耐貯耐運(yùn)、食用安全等特點(diǎn)而著稱。

1.2 樣品的采集與處理

2017—2019年，連續(xù)3年于每年春夏之交的3—5月，定點(diǎn)在慶陽(yáng)蘋果主產(chǎn)縣的30個(gè)果園，隨機(jī)采取0～20 cm和20～40 cm土層土樣60個(gè)，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤樣品預(yù)處理，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量以及堿解氮含量，按果園和土層分別求3年平均值進(jìn)行空間分布變異分析和相關(guān)性分析。

1.3 分析方法

土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

使用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 果園土壤有機(jī)質(zhì)和氮素養(yǎng)分空間分布分析

由表1可得，慶陽(yáng)地區(qū)果園土壤由于土層深度不同果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量隨深度變化的范圍分別是0～20 cm 為 6.74～32.7 g/kg，平均有機(jī)質(zhì)含量約為14.7 g/kg，變異系數(shù)為29.60%，20～40 cm的含量為5.64～22.7 g/kg，平均有機(jī)質(zhì)含量約為11.6 g/kg，變異系數(shù)為28.87%；全氮含量的變化范圍分別是0～20 cm的為0.49～1.94 g/kg，平均全氮含量為1.0 g/kg，變異系數(shù)為26.04%，20～40 cm全氮含量為0.4～1.43 g/kg，平均全氮含量為0.8 g/kg，變異系數(shù)為22.98%；堿解氮含量的變化范圍分別0～20 cm為37.8～136.5 mg/kg，平均堿解氮含量為71.8 mg/kg，變異系數(shù)為28.9%，20～40 cm的為17.8～98.2 mg/kg，平均堿解氮含量為49.7 mg/kg，變異系數(shù)為37.7%。變異系數(shù)的大小一般是指該地區(qū)土壤養(yǎng)分屬性空間變異性大小，變異系數(shù)小于10%為土壤弱變異性，變異系數(shù)大于100%時(shí)為土壤強(qiáng)變異性，在這兩者之間土壤呈中等變異性，從表1中的土壤變異系數(shù)可獲得，該區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮以及堿解氮的土壤養(yǎng)分變異系數(shù)均很大，說(shuō)明這些土壤養(yǎng)分之間都具有一定的養(yǎng)分屬性空間，具有一定程度變化的變異性，均屬于中等變異性的土壤類型[13]。另外，通過(guò)表2可直接獲得全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該研究區(qū)果園土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮以及堿解氮的養(yǎng)分含量在0～20 cm和20～40 cm的土層間都屬于中等偏下的水平。

表1 果園土壤養(yǎng)分含量及變異性分析

表2 全國(guó)第二次土壤調(diào)查養(yǎng)分分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2 有機(jī)質(zhì)含量的變化

圖1 不同土層有機(jī)質(zhì)的含量變化結(jié)果表明，0～20 cm果園土壤的有機(jī)質(zhì)平均含量為14.7 g/kg，其中11號(hào)果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量最高為32.7 g/kg，26號(hào)果園土壤有機(jī)質(zhì)含量最低為6.74 g/kg。20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為11.6 g/kg，第11號(hào)果園土壤有機(jī)質(zhì)含量最高為22.7 g/kg，26號(hào)果園土壤有機(jī)質(zhì)含量最低為5.64 g/kg。隨著果樹種植年限的增加，土壤深度的不同，土壤的有機(jī)質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。以胥繼東等[14]對(duì)渭北旱塬果園研究表明，在果樹栽培期間，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量約在14 g/kg左右；但20 cm以下各土層有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出隨園齡的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯減少。這與果樹種植年限、不同果園施肥量以及果園有機(jī)質(zhì)增加而積累在土壤表層有關(guān)，使得土壤有機(jī)質(zhì)隨土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)的積累量逐漸減少[15]。

圖1 果園土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.3 全氮含量的變化

圖2 不同土層全氮含量變化結(jié)果表明，0～20 cm果園土壤全氮含量平均為1.0 g/kg，其中11號(hào)果園土壤全氮含量最高為1.94 g/kg，26號(hào)果園土壤全氮含量最低為0.49 g/kg。20～40 cm果園土壤全氮平均含量為0.8 g/kg，11號(hào)果園土壤全氮含量最高為1.43 g/kg，26號(hào)果園土壤全氮含量最低為0.4 g/kg。這表明，果園土壤的全氮含量隨著土壤深度的增加而減少。

圖2 蘋果土壤全氮含量的變化

2.4 堿解氮含量的變化

圖3 是不同土層堿解氮含量的變化，結(jié)果為0～20 cm果園土壤的堿解氮平均含量為71.8 mg/kg，其中11號(hào)果園土壤的堿解氮含量最高，為136.5 mg/kg，26號(hào)果園土壤的堿解氮含量最低，為37.8 mg/kg。20～40 cm果園土壤的堿解氮平均含量為49.7 mg/kg，其中11號(hào)果園土壤的堿解氮含量最高為98.2 mg/kg，26號(hào)果園土壤的堿解氮含量為最低17.8 mg/kg。說(shuō)明0～20 cm的土壤堿解氮含量比20～40 cm的土壤堿解氮含量在數(shù)值上高很多，這與果農(nóng)對(duì)不同果園使用的氮肥有關(guān)。

圖3 果園土壤堿解氮含量的變化

2.5 果園土壤有機(jī)質(zhì)含量與氮素養(yǎng)分的相關(guān)性

2.5.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量的相關(guān)性 如圖4、5所示，土壤的有機(jī)質(zhì)和土壤的全氮含量的30組數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，0～20 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的全氮含量之間的相關(guān)性系數(shù)為R2=0.940，線性回歸方程為y=0.055x+0.140；20～40 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的全氮含量之間的相關(guān)性系數(shù)為R2=0.721，線性回歸方程為y=0.045x+0.250。R2范圍是0～1，R2的值越靠近1，其擬合度越高，越接近0，則擬合度越低。研究表明0～20 cm和20～40 cm土層土壤的有機(jī)質(zhì)含量和土壤的全氮含量的R2值都接近1，其吻合度很高，果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量變化對(duì)土壤全氮含量有很大影響。從圖4和圖5的2個(gè)土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮關(guān)系圖來(lái)看，樣品的總有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量之間的相關(guān)性較高，0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮含量都有較好的正向線性相關(guān)關(guān)系。簡(jiǎn)單的說(shuō)，土壤的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的全氮含量有很高的相關(guān)性。但根據(jù)土壤層次的不同，利用方法的差異和施肥方法的差異，對(duì)相關(guān)性和分析會(huì)有很大的影響。土壤的全氮變異可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)變化引起的[16]。

圖4 土壤有機(jī)質(zhì)(x)和土壤全氮(y)線性相關(guān)性(0～20 cm)

圖5 土壤有機(jī)質(zhì)(x)和土壤全氮(y)線性相關(guān)性(20～40 cm)

2.5.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量的相關(guān)性 如圖6、7所示，分析了土壤有機(jī)質(zhì)與土壤的堿解氮含量的30組相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示0～20 cm之間土壤的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的堿解氮含量之間的相關(guān)性系數(shù)為R2=0.414，線性回歸方程為y=3.061x+26.65；20～40 cm果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量與土壤的堿解氮含量之間的相關(guān)性系數(shù)為R2=0.158，線回歸方程為y=2.237x+23.84。這表明0～20 cm和20～40 cm果園土壤的有機(jī)質(zhì)和土壤堿解氮的R2值都接近0，擬合度很差。果園土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化對(duì)土壤堿解氮含量的變化影響不大。

圖6 土壤有機(jī)質(zhì)(x)和土壤堿解氮(y)線性關(guān)系(0～20 cm)

圖7 土壤有機(jī)質(zhì)(x)和土壤堿解氮(y)線性相關(guān)性(20～40 cm)

2.5.3 土壤全氮的含量與堿解氮含量的關(guān)系 圖8、9的結(jié)果表明，通過(guò)分析土壤全氮與土壤堿解氮含量的30組數(shù)據(jù)可知，0～20 cm果園土壤全氮的含量與土壤堿解氮的含量之間的相關(guān)系數(shù)為R2=0.441，一次回歸方程為y=55.28x+18.83；20～40 cm果園土壤全氮的含量與土壤堿解氮的含量之間的相關(guān)系數(shù)為R2=0.298，一次線性回歸方程為y=57.47x+5.141。這說(shuō)明0～20 cm和20～40 cm果園土壤的全氮與土壤的堿解氮的R2值都接近0，吻合度很低。果園土壤全氮含量的變化對(duì)土壤堿解氮含量變化影響很小。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于果園土壤目前大多實(shí)行的都是高度密集的集約化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，果樹在吸收土壤養(yǎng)分中大量氮素時(shí)，受土壤氮肥使用量的影響更大而忽略了其他肥料的均衡配合使用。

圖8 土壤全氮(x)和土壤堿解氮(y)線性相關(guān)性(0～20 cm)

圖9 土壤全氮(x)和土壤堿解氮(y)線性相關(guān)性(20～40 cm)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

慶陽(yáng)果園土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和堿解氮含量均表現(xiàn)為0～20 cm土層＞20～40 cm土層。不同土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變異系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，都表現(xiàn)為0～20 cm土層＞20～40 cm土層，且土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的變異性均屬于中等偏低水平。

不同土層間土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量之間的相關(guān)性都表現(xiàn)為極顯著，0～20 cm土層土壤的有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量、全氮含量與堿解氮含量之間相關(guān)性都表現(xiàn)為顯著，而20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量、全氮含量與堿解氮含量之間的相關(guān)性都不顯著。

3.2 討論

不同果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和堿解氮含量的差異：慶陽(yáng)地區(qū)不同果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和堿解氮含量都在中等偏低水平，且果園不同土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和堿解氮含量也不相同。其原因有如下幾點(diǎn)：（1）果樹栽培年限的不同；（2）果園栽培模式不同；（3）施肥方式和施肥量的不同；（4）土壤耕作管理模式不同。由于大量的勞動(dòng)力外出，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)發(fā)展緩慢，有機(jī)肥料不足，許多果農(nóng)只重視化肥的利用，忽視有機(jī)肥使用，使得果園土壤有機(jī)質(zhì)及其相關(guān)的土壤全氮含量普遍較低，且不同果園差異較為明顯。

不同土層有機(jī)質(zhì)與氮素養(yǎng)分的差異：有機(jī)質(zhì)含量偏低是中國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)目前存在的主要問(wèn)題。研究分析得，0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)與氮素養(yǎng)分的相關(guān)性均高于20～40 cm土層。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：一是施肥時(shí)肥料都在土壤表層；二是下層土壤有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的條件差或者下層土壤有機(jī)質(zhì)本身含量低，而且還受外來(lái)氮素的影響較大，因?yàn)榧竟?jié)性集中降水使部分可溶性氮（主要是硝態(tài)氮和一些小分子氨基酸）滲透到下層，甚至一些銨態(tài)氮在強(qiáng)降雨的情況下也會(huì)淋溶到下層，在其基數(shù)很小的情況下，一個(gè)很小的干擾因子可能會(huì)影響其相關(guān)性。

果園土壤有機(jī)質(zhì)與全氮呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)。土壤中的全氮養(yǎng)分主要來(lái)自土壤有機(jī)質(zhì)的含氮化合物，不管是土壤有機(jī)質(zhì)還是土壤全氮，在一定的生態(tài)條件和土壤條件下，是相對(duì)穩(wěn)定的肥力性狀，施肥尤其是化學(xué)肥料對(duì)其影響微乎其微。

果園土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮含量對(duì)堿解氮含量的影響：堿解氮含量的多少?zèng)Q于有機(jī)質(zhì)含量以及施入化學(xué)氮肥的量[19]。果樹營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求量較大，但黃土高原果園土壤普遍缺乏有機(jī)質(zhì)，所以土壤天然供應(yīng)速效氮量很少，人為施肥對(duì)果園速效氮含量影響相對(duì)較大，而且不同果園化學(xué)氮肥施用量和施用方式存在較大差異，再加之不同果園土壤有機(jī)質(zhì)的積累量以全氮的利用率也存在較大差異[20]。導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮與堿解氮含量之間的相關(guān)性不甚顯著。

果園土壤的有機(jī)質(zhì)含量和氮素養(yǎng)分都是衡量土壤肥力及土壤質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此增加果園氮素營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)質(zhì)含量是必不可少的。增加的方法：（1）多施用有機(jī)肥，如腐熟的畜禽糞便、堆肥等各種農(nóng)家肥，以提高有機(jī)質(zhì)和全氮的含量；（2）利用無(wú)害化處理的果樹落葉及殘枝，可制作成自制有機(jī)肥返還果園土壤，變廢為寶，綠色循環(huán)利用。