土地整治對土壤有機質(zhì)及碳含量的影響
——以延安治溝造地項目為例

張盼盼，何 靖

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；4.自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710075)

1 引言

針對延安地區(qū)耕地面積減少，水土流失異常嚴(yán)峻、糧食安全無法保障等問題[1]，結(jié)合延安市地處黃土高原，黃土高原土壤顆粒細(xì)，土質(zhì)松軟，含有豐富的礦物質(zhì)養(yǎng)分，利于耕作[2]，且延安市可供開發(fā)利用的溝道土地約140余萬方，土地資源豐富[3]。延安應(yīng)實施大規(guī)模坡轉(zhuǎn)溝、淤轉(zhuǎn)造，大力開展治溝造地，快速增加高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田面積、改善溝域生態(tài)環(huán)境，促進區(qū)域統(tǒng)籌、城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)、人地和諧發(fā)展[4]。

治溝造地工程是一個綜合復(fù)雜的工程，項目實施包含土地平整工程、田間道路工程、灌溉與排水工程以及農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程等[5]，勢必會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質(zhì)的含量只占土壤總量的很小一部分，但它在土壤肥力上起著多方面的作用卻是顯著的，對土壤形成、土壤肥力、環(huán)境保護及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著極其重要作用的意義[6]；土壤有機碳是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心，反映了土壤截留碳的能力，與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)[7]；活性有機碳雖含量小但有效性高，對作物養(yǎng)分供應(yīng)有直接關(guān)系[7]。目前關(guān)于治溝造地相關(guān)研究多集中在效益評價分析及耕地質(zhì)量研究方面[8]，對土壤有機質(zhì)、有機碳、活性有機碳的影響研究較少。因此，探討同一地區(qū)治溝造地前后及同一地類不同整治年限與土壤有機質(zhì)和土壤碳含量的響應(yīng)關(guān)系，揭示治溝造地對土壤有機質(zhì)和土壤碳含量的影響特征，可為溝道高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及治溝造地工程的實施、推廣提供科學(xué)決策和理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

治溝造地項目區(qū)位于陜西省延安市，延安屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，內(nèi)陸干旱半干旱氣候，四季分明、日照充足、晝夜溫差大，年均氣溫7.7～10.6 ℃，年均降水量500 mm左右，地貌以黃土高原、丘陵為主，地勢西北高東南低。供試土樣取自陜西省延安市寶塔區(qū)羊圈溝流域、顧屯村、麻洞川，安塞閆橋片區(qū)，子長九玉溝、南鄭溝，這些區(qū)域均種植玉米，一年一熟，化肥一次性施入。研究區(qū)概況見表1，寶塔區(qū)整治完成年份為2015年，距采樣時間為5年；安塞區(qū)整治完成年份為2018年，距采樣時間為3年；子長縣整治完成年份為2019年，距采樣時間為2年。

表1 整理區(qū)概況

2.2 樣品采集

本研究鑒于操作方便采用間接方法，即通過同一時間在整治后和鄰近的未整治的坡面采樣作為整治前后土樣進行比較研究。在延安寶塔區(qū)羊圈溝的上、中、下游各設(shè)立一個區(qū)域10 m×10 m大小的樣地，按照五點混合的方式采集0～20 cm耕作層范圍內(nèi)的土壤樣品，每塊樣地采集5個點進行混合，同時在相鄰未治溝造地的溝道以同樣的方式進行樣品采集，采集時避開施肥和糞堆等點狀污染物，其他區(qū)域采樣方式同羊圈溝。6個地點共采集土壤樣品36個，每個土壤樣品約1000 g，土壤去除雜物后，自然風(fēng)干、磨碎過篩備用，每個樣品3次重復(fù)，采樣時間為2020年5月。

2.3 測定方法與數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS和Excel進行處理，用Origin軟件進行制圖。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定[9]，土壤有機碳采用TOC/TN分析儀(MultiC/N3100)測定[10]，活性有機碳采用紫外分光光度計[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地整治對土壤有機質(zhì)的影響

3.1.1 治溝造地前后對土壤有機質(zhì)影響

治溝造地前后土壤有機質(zhì)含量的變化(圖1)。由圖1可見，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量治溝造地后較之前都有所提升，變幅在0.41～2.32 mg/g；寶塔區(qū)羊圈溝提升了28.38%，顧屯提升了75.78%，麻洞川提升了72.53%；安塞閆橋片區(qū)土壤有機質(zhì)提升了20.71%；子長縣采樣區(qū)土壤有機質(zhì)平均提升了0.315 mg/g，子長九玉溝提升了16.73%，南鄭溝提升了11.28%。

圖1 治溝造地前后土壤有機質(zhì)含量的變化

對研究區(qū)土壤活性有機質(zhì)含量進行差異性分析，結(jié)果見表1，治溝造地前后土壤有機質(zhì)含量差異非常顯著，說明治溝造地對提升土壤的有機質(zhì)具有明顯促進作用。

表1 研究區(qū)治溝造地前后土壤有機質(zhì)含量差異性分析

3.1.2 不同整治年限對土壤有機質(zhì)的影響

研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤有機質(zhì)含量變化見表2，寶塔區(qū)治溝造地項目采樣區(qū)土壤有機質(zhì)整治后較整治前平均提升了1.71 mg/g，提升幅度約為58.90%；安塞區(qū)采樣區(qū)土壤有機質(zhì)平均提升了1.69 mg/g，提升幅度約為20.71%；子長縣采樣區(qū)土壤有機質(zhì)平均提升了0.315 mg/g，提升幅度約為14.01%。土壤有機質(zhì)提升情況5年>3年>2年。

表2 研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤有機質(zhì)含量變化

3.2 土地整治對土壤碳含量的影響

3.2.1 治溝造地前后對土壤有機碳的影響

治溝造地前后土壤有機碳含量的變化見圖2。由圖2可見，研究區(qū)土壤有機碳含量治溝造地后較之前有所提升，變幅在0.05～0.80mg/g；寶塔羊圈溝土壤有機碳提升了0.19‰，顧屯提升了1.48‰，麻洞川提升了1.09‰；安塞閆橋片區(qū)土壤有機碳提升了0.52‰；子長九玉溝提升了0.19‰，南鄭溝提升了0.09‰。

圖2 治溝造地前后土壤有機碳含量的變化

對研究區(qū)土壤有機碳含量進行差異性分析，結(jié)果見表3，治溝造地前后土壤有機碳含量差異顯著。治溝造地有利于土壤有機碳含量的提升。

表3 研究區(qū)治溝造地前后土壤有機碳含量差異性分析

3.2.2 不同整治年限對土壤有機碳的影響

研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤有機碳含量變化見表4。寶塔區(qū)治溝造地項目采樣區(qū)土壤有機碳整治后較整治前平均提升了0.50 mg/g，提升幅度約為9.19%；安塞區(qū)采樣區(qū)土壤有機質(zhì)平均提升了0.42 mg/g，提升幅度約為5.15%；子長縣采樣區(qū)土壤有機質(zhì)平均提升了0.08 mg/g，提升幅度約為1.36%。土壤有機碳提升情況5年>3年>2年。

表4 研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤有機碳含量變化

3.2.3 治溝造地前后對土壤活性有機碳的影響

治溝造地前后土壤活性有機碳含量變化見圖3。由圖3可知，研究區(qū)域治溝造地后土壤活性有機碳含量均高于治溝造地前，變幅在0.12～0.77 mg/g；寶塔羊圈溝土壤活性有機碳提升了37.50%，顧屯提升了61.11%，麻洞川提升了107.57%；安塞閆橋片區(qū)土壤活性有機碳提升了17.15%；子長九玉溝提升了17.02%，南鄭溝提升了187.01%。

圖3 治溝造地前后土壤活性有機碳含量的變化

對研究區(qū)土壤活性有機碳含量進行差異性分析，結(jié)果見表5，治溝造地前后土壤活性有機碳含量差異顯著，可見治溝造地工程有助于提高土壤活性有機碳含量。

表5 研究區(qū)治溝造地前后土壤活性有機碳含量差異性分析

3.2.4 不同整治年限對土壤活性有機碳的影響

研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤活性有機碳含量變化見表6。寶塔區(qū)治溝造地項目采樣區(qū)土壤活性有機碳整治后較整治前平均提升了0.54 mg/g，提升幅度約為70%；安塞區(qū)采樣區(qū)土壤活性有機碳平均提升了0.42 mg/g，提升幅度約為17.15%；子長縣采樣區(qū)土壤活性有機碳平均提升了0.05 mg/g，提升幅度約為69.87%。土壤活性有機碳提升含量5年>2年>1年，提升幅度5年>1年>2年。

表6 研究區(qū)域治溝造地不同年限土壤活性有機碳含量變化

3.3 土壤有機質(zhì)與土壤碳含量的關(guān)系

治溝造地后研究區(qū)域土壤有機質(zhì)、有機碳和活性有機碳散點圖見圖4，從圖4中可以看出，三者變化趨勢基本一致。經(jīng)相關(guān)分析(表7)，土壤有機質(zhì)與有機碳、活性有機碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系，具有高度一致性。

圖4 治溝造地后土壤有機質(zhì)、有機碳和活性有機碳含量

表7 研究區(qū)域土壤有機質(zhì)、有機碳和活性有機碳的相關(guān)性

4 討論

有研究表明，土壤耕作層的熟化1 cm厚需要400年的沉積[12]。治溝造地工程中的土地平整工程剝離了表層土壤，但短時間內(nèi)增加了土壤有機質(zhì)含量、養(yǎng)分狀態(tài)等，這和前人的研究成果一致[13～17]。如若在工程設(shè)計過程中利用剝離表土回填技術(shù)，可以加快土壤熟化進程。

治溝造地工程包含的田間道路工程、灌溉與排水工程以及農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程措施，伴隨著生產(chǎn)條件的改善，利于作物生長和生物量的積累；農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程的實施增加了林地面積，利于形成農(nóng)田防護生態(tài)林系統(tǒng)的形成，對維護生態(tài)系統(tǒng)平衡、保持水土、保障生態(tài)安全有積極作用[18]。探討治溝造地工程措施對土壤有機質(zhì)及土壤碳含量的影響，可揭示治溝造地措施下土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。土壤有機質(zhì)及碳含量影響著作物產(chǎn)量[19～21]，土壤活性有機碳是土壤有機碳庫中對物理、化學(xué)等各種干擾因素響應(yīng)最為敏感的組分，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著重要的作用[22]，在實際生產(chǎn)中，治溝造地項目區(qū)可以因地制宜，采用秸稈還田、合理配施有機肥，提高農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化利用率，可有效提高整治后土壤有機質(zhì)及碳含量，改善土壤肥力。本次研究中土壤樣本較少，不能更全面的分析治溝造地對土壤造成的影響。從目前實驗結(jié)果來看，治溝造地工程對提高土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)有促進作用，深入研究土壤有機質(zhì)及碳含量與土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系對于評價治溝造地工程措施土壤環(huán)境質(zhì)量功能、指導(dǎo)實際生產(chǎn)等方面具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)延安治溝造地工程實施后，土壤有機質(zhì)含量升高，變幅在0.41～2.32mg/g；針對土壤有機質(zhì)提升水平，整治年限5年>2年>1年。

(2)土壤有機碳含量有一定程度升高，0.05～0.80 mg/g；針對土壤有機碳提升水平，整治年限5年>2年>1年。

(3)土壤活性有機碳有一定幅度的提高，變幅在0.12～0.77mg/g；土壤活性有機碳提升含量5年>2年>1年，提升幅度5年>1年>2年。

(4)土壤有機質(zhì)、有機碳和活性有機碳三者變化與施工前差異顯著，經(jīng)相關(guān)性分析，土壤有機質(zhì)、土壤有機碳、活性有機碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系。可見治溝造地工程有助于提高土壤有機質(zhì)和碳含量。