東北黑土區坡面澇漬對土壤養分的影響

羅廣惠　馬富亮　符素華等

摘要

[目的]研究東北黑土區坡面澇漬地季節性漬水對土壤養分的影響。[方法]選取不同坡面上5組澇漬地和與澇漬地相鄰的坡耕地為研究對象，對它們的化學性質進行測定，采用ttest評判澇漬土壤與耕作土壤養分含量差異，并且用Pearson相關性分析說明土壤含水量對土壤養分的影響。[結果]與耕作土壤相比，澇漬土壤全氮含量高出約19%，銨態氮含量高3.6倍，而硝態氮含量低約51%；澇漬土壤與耕作土壤相比全磷含量差異不顯著，而有效磷含量低約26%；澇漬土壤與耕作土壤全鉀及速效鉀含量差異不明顯，緩效鉀含量低約11%。通過相關分析，發現土壤含水量與有機質、全氮、銨態氮、速效鉀含量顯著正相關，與pH、硝態氮含量、緩效鉀含量顯著負相關，與全磷、有效磷、全鉀含量相關性不顯著。[結論]澇漬土壤養分潛力、有效性都較高，土壤養分的形態、含量受澇漬的影響較大。改善坡面澇漬的水分狀況將有利于土壤養分的進一步釋放，達到澇漬土壤改良的效果。

關鍵詞 澇漬土壤；耕作土壤；土壤含水量；土壤養分；東北黑土區

中圖分類號 S151.9+5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-095-04

Effects of Waterlogging on Soil Nutrient on the Gentle Slope Zone in the Black Soil Region of Northeast China

LUO Guanghui， MA Fuliang， FU Suhua et al

（State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， School of Geography， Beijing Normal University， Beijing 100875）

Abstract [Objective] The study aims to study the effects of waterlogging on soil nutrient on the gentle slope zone in the black soil region of Northeast China. [Method] Soil water and chemical properties of the waterlogged soil and adjacent normal cultivated soil were measured and analyzed. [Result] Comparing to cultivated soil， the contents of total nitrogen and ammonia nitrogen of waterlogged soil were 19% and 360% higher respectively， while， nitrate nitrogen content was 51% lower. Total phosphorus content had no obvious difference in and out waterlogged land， but waterlogged soil had 26% less available phosphorus. Total potassium and rapidly available potassium contents of waterlogged soil had no obvious difference with cultivated soil.While in the waterlogged land， slowly available potassium contents was 11% lower. Correlation analysis showed that soil water content had significantly positive correlations with contents of 0， total nitrogen and ammonia nitrogen， rapidly available potassium. And it had negative correlations with pH， contents of nitrate nitrogen. [Conclusion] Overall， the potential of waterlogged soil nutrients was higher. And waterlogging had obvious effects on soil nutrient.

Key words Waterlogged soil； Cultivated soil； Soil water content； Soil nutrient； Black soil region of northeast China

澇漬地是易澇易漬耕地的簡稱，通常指常年、經常性或季節性滯水的農業用地[1]。澇漬會引起土壤氧氣不足，嚴重影響作物生長[2]。澇漬現象普遍存在于東北黑土區，主要分布在松嫩-三江平原和廣大丘陵漫崗地，嚴重威脅墾區的農業生產，造成糧食豐產不豐收、單產不高、總產不穩的現象。分布在丘陵漫崗地的澇漬地又稱坡濕地[3]，即坡面澇漬地或“尿炕地”。坡面澇漬地通常是季節性漬水，尤其是在春播與秋收時節，漬水嚴重[4]。澇漬地零星分布于大面積的坡耕地中，大小一般在0.67～60.00 hm2之間[5]，不僅影響作物生長，而且使農業機械不能連續作業，給播種、田間管理、收獲帶來不便。

土壤漬水會改變土壤的氣、熱狀況，形成還原性環境。這種環境又會影響到土壤養分的形態轉化及含量變化。目前，國內學者研究表明，水稻土、沼澤土等土壤含水量會影響土壤氮、磷、鉀素的形態及含量變化。黃東邁等[6]通過對水稻土銨態氮含量動態監測，發現土壤銨態氮和硝態氮轉化與土壤氧化還原狀況有很大的關系。趙振達等[7-8]研究表明，土壤含水量會影響土壤氨揮發損失過程。眾多研究表明，酸性土壤淹水后土壤磷的有效性會提高[9-10]。史建文等[9]通過設置不同土壤含水量對鉀素固定的試驗，發現高含水量會使土壤固鉀作用減弱，鉀的有效性提高。

目前的研究多是針對低地平原漬水土壤，且這些研究多涉及兩種以上不同的土壤類型，就同一土壤類型下漬水對土壤養分的影響研究較少。東北黑土區坡面澇漬土壤與周圍耕作土壤同屬于黑土，只是澇漬土壤含水量較周圍耕作土壤高，尤其是在春、秋季節，但是目前尚缺乏針對同種土壤類型下季節性漬水的坡面澇漬地和與其相鄰坡耕地的土壤養分差異的對比研究。弄清坡面澇漬土壤與耕作土壤之間的養分差異，對研究坡面澇漬對土壤養分的影響以及坡面澇漬地的治理具有現實指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于東北黑土區黑龍江省九三農墾分局鶴山農場（125°16′E，48°58′N）的鶴北小流域（圖1），地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶，地形起伏和緩，坡度一般為1°～3°，部分耕地坡度在3°～6°之間，坡長較長，一般達1 000～2 000 m，也有坡長超過3 500 m的，當地人稱之為“漫川漫崗”。該區氣候屬寒溫帶大陸性半濕潤氣候區，年平均氣溫為0 ℃，年降水量在550 mm左右，降雨集中于夏季。該區屬于典型黑土區，目前坡耕地黑土層厚度和犁底層深度在30～60 cm之間。自然植被以草原化草甸植物為主，分布散片的天然次生林，多數為柞樹林。自1955年后該區黑土被開墾為農田，主要種植大豆、玉米和春小麥。坡面澇漬地一般位于坡面的中上部。澇漬地土壤剖面中一般存在質地黏重的隔水層[4]，土壤滲透性弱，持水能力強，易導致表層土壤過濕成澇，使得澇漬地內難以種植農作物，或種植作物后作物淹水生長不良，一般為荒草地。

圖1 鶴北小流域澇漬地空間分布

1.2 材料

通過野外調查，在鶴北小流域不同坡面上選取5塊典型坡面澇漬地LZD81、LZD83、LZD84、LZD86、LZD73（圖1）。在選定的每組坡面澇漬地和與其相鄰的坡耕地內按照“十”字形進行布點取樣。圖2 為其中一組坡面澇漬地LZD83與坡耕地土壤養分測定采樣點圖。在每塊澇漬地內布5個采樣點，在澇漬地周圍坡耕地內不同的方位布4個采樣點，每組坡面澇漬地與坡耕地布9個采樣點，5組，共45個采樣點。2012年8月在各采樣點耕層用四分法取土。一份經風干、研磨、過篩后保存，于2012 年12月～2013年6月測定土壤pH、有機質、全氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀和緩效鉀；另一份直接放在冰箱（4 ℃）內保存，用于測定銨態氮和硝態氮。同時，在7～9月，在這些點采樣3次，用于測定土壤含水量。另外，在LZD81、LZD84兩組坡面澇漬地及與其相鄰的坡耕地內進行網格布點，監測土壤含水量動態變化。圖3為澇漬地LZD81土壤水分監測布點圖。在2012～2014年4～9月份，每隔約10 d采樣1次，測定土壤含水量。

1.3 測試方法

根據土壤農化分析[5]以及北京師范大學分析測試中心資料，對土樣進行測試。土壤含水量用烘干法測定；土壤pH用電位法測定；有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定；全氮含量用半微量開氏法測定；銨態氮含量用靛酚藍比色法測定；硝態氮含量用酚二磺酸比色法測定。全磷、全鉀含量用酸解ICP光譜法測定；有效磷含量用碳酸氫鈉浸提比色法測定；速效鉀含量用NH4OAc浸提火焰光度法測定；緩效鉀含量用熱硝酸浸提火焰光度法測定。

43卷15期 羅廣惠等 東北黑土區坡面澇漬對土壤養分的影響

1.4 數據處理

應用統計軟件（Excel、SPSS等）和Origin軟件，對測定的土壤養分數據進行數據處理、統計分析和圖表制作，得到澇漬土壤與耕作土壤含水量、土壤養分含量狀況。采用IndependentSamples ttest，評判澇漬土壤與耕作土壤養分含量差異是否具有統計意義。采用 Pearson 相關性分析，說明土壤含水量與土壤氮、磷、鉀等養分含量的相關性。對兩組坡面澇漬土壤及與其相鄰的耕作土壤含水量動態監測數據進行統計，得到坡面澇漬土壤與耕作土壤含水量季節變化。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量差異

由圖4可知，2012～2014年坡面澇漬土壤含水量明顯高于耕作土壤， 4～10月份坡面澇漬土壤含水量平均值為34.95%，而耕作土壤含水量平均值為2855%，澇漬土壤含水量比耕作土壤高出22.38%。澇漬土壤含水量季節變化明顯，其土壤水分變化過程可分3個時期：①春季至夏初（4、5月份）土壤含水量為35.31%～3725%，土壤含水量較高，為土壤融濕期；②在夏季及初秋（6～8月）由于土壤水分蒸發強烈，土壤含水量下降，為2949%～3096%，是土壤低濕期，但其含水量依然遠高于坡耕地土壤；③秋季（8～10月）土壤含水量再次上升，為3793%～44.13%，是土壤的聚濕期，澇漬地內漬水嚴重。這說明該區坡面澇漬地有明顯季節性漬水現象，尤其在春、秋季節漬水嚴重。這與喬樵等[4]研究結論基本一致。

圖4 坡面澇漬土壤與耕作土壤含水量季節變化

2.2 土壤養分含量差異

2.2.1

氮素。由圖5可知，澇漬土壤全氮含量高于耕作土壤。由表1可知，澇漬土壤與耕作土壤全氮含量均值分別為2.65和2.23 g/kg，澇漬土壤比耕作土壤全氮含量高約19%。ttest結果也顯示，二者土壤全氮含量差異在0.05水平顯著。銨態氮和硝態氮是植物可以直接吸收利用的速效氮。圖5還表明，澇漬土壤銨態氮含量較高，而耕作土壤硝態氮含量較高，澇漬土壤與耕作土壤銨態氮含量的平均值分別為8.47和1.84 mg/kg，澇漬土壤比耕作土壤高3.6倍，硝態氮含量的均值分別為1.53和3.13 mg/kg，澇漬土壤比耕作土壤低51%左右。ttest結果顯示，澇漬土壤與耕作土壤銨態氮及硝態氮含量之間差異在0.01水平顯著，即澇漬土壤與耕作土壤的氮素類型及含量差異在0.05水平顯著，澇漬土壤全氮含量明顯高于耕作土壤，速效氮素以銨態氮為主，硝態氮含量較少。

2.2.2

磷素。由圖6可知，澇漬土壤全磷含量和有效磷含量都低于耕作土壤。澇漬土壤與耕作土壤全磷含量的均值分別為0.68和0.72 g/kg，澇漬土壤比耕作土壤低約5.6%。ttest結果表明，二者全磷含量差異不顯著。耕作土壤的有效磷含量高達34.46 mg/kg，澇漬土壤為26.17 mg/kg，澇漬土壤有效磷含量比耕作土壤低26%。ttest結果表明，二者有效磷含量之間差異在0.01水平顯著。可知，澇漬土壤的磷素含量相對耕作土壤較低。

2.2.3

鉀素。由圖7可知，相對于耕作土壤，澇漬土壤全鉀、緩效鉀含量均較低，而速效鉀含量較高。由表1可知，澇漬土壤與耕作土壤土壤全鉀含量均值分別為16.94和17.42 g/kg，二者差異不大。 ttest結果也表明，坡面澇漬地與坡耕地土壤全鉀含量間差異不顯著。澇漬土壤與耕作土壤速效鉀含量都很高，屬于極高等級，均值分別為254.12和244.10 mg/kg，ttest表明坡面澇漬地內外速效鉀之間差異不顯著。澇漬土壤緩效鉀含量比耕作土壤低11%，均值分別為639.39和721.32 mg/kg，且ttest結果表明坡面澇漬土壤與耕作土壤緩效鉀含量差異在0.01水平顯著，即澇漬土壤與耕作土壤的全鉀與速效鉀含量差異不大，澇漬土壤的緩效鉀含量較低。

2.3 土壤水分與土壤養分的相互關系

土壤水分變化會改變土壤的氣、熱狀況，影響土壤pH、氧化還原條件，從而影響土壤有機質的分解過程。這些變化又會進一步影響土壤氮、磷、鉀養分的形態轉化及含量變化。通過對監測的土壤屬性進行相關性分析，發現土壤含水量與pH、有機質、全氮、銨態氮、硝態氮、速效鉀與緩效鉀含量間都存在0.05水平顯著相關性，而與全磷、有效磷、全鉀的相關性不顯著。可見，土壤水分是影響養分變化的重要因素。

2.3.1

土壤水分對氮的影響。由表2可知，全氮含量與土壤含水量及有機質含量呈0.01水平顯著正相關。土壤全氮以有機態氮為主，有機質含量高的土壤全氮含量也高；另外，干濕交替狀況也是產生全氮水平分異的主要原因[11-12]。澇漬土壤含水量較高，有機態氮含量也較高，同時較長的淹水周期抑制了土壤脫氮過程的進行，使得澇漬土壤全氮含量較高。

由表2可知，土壤銨態氮含量與土壤水分呈0.01水平顯著正相關，而硝態氮含量與土壤含水量呈0.05水平顯著負相關。土壤銨態氮和硝態氮含量變化主要受到土壤水分、氧化還原環境、pH等因素的影響[13]。氧化還原狀況是影響速效氮素的形態變化的主要因素。在氧化狀態下土壤速效氮素以硝態氮為主，在還原狀態下以銨態氮為主[6]。澇漬地土壤漬水使得土壤長期處于還原環境下，硝化作用受到抑制，而反硝化作用加強，使得澇漬土壤銨態氮含量上升而硝態氮含量下降。同時，土壤pH會影響硝化作用的進行。當土壤酸性較強時，土壤中硝化作用遲緩或無硝化作用[14]；澇漬土壤pH較低，硝化作用遲緩，土壤銨態氮向硝態氮的轉化受阻。另外，土壤中銨態氮的損失途徑包括氨揮發損失，而氨揮發過程受到土壤含水量的影響。當含水量適中（18%～25%）時，氨揮發最快，而當土壤水分過高（>30%）時，氨揮發較慢[7-8]。研究中，澇漬土壤含水量長期高于30%，氨揮發較慢。因此，澇漬使得土壤全氮、銨態氮含量上升，硝態氮損失嚴重。

2.3.2

土壤水分對磷的影響。由表2可知，土壤全磷、有效磷含量均與土壤含水量相關性不顯著，而且澇漬土壤的全磷、有效磷含量均低于耕作土壤。然而，眾多研究表明，在淹水條件下，由于土壤的氧化還原電位降低，磷酸高鐵被還原為磷酸亞鐵，同時由于酸性土壤淹水pH升高，FeP、AlP溶解度增加，土壤中磷的有效性會提高[15-16]。研究中澇漬土壤全磷和有效磷含量低于耕作土壤主要是受耕作施肥的影響，鶴山農場坡耕地N、P2O5、K2O施肥配比約為1.0∶1.3∶0.3[17]，磷肥比例最大。在長期大量的磷肥施用下，耕作土壤全磷、有效磷含量升高。另一方面，土壤pH是影響土壤磷素有效性的重要因素。研究中，土壤有效磷含量與pH呈顯著正相關，澇漬土壤pH相對坡耕地降低，不利于土壤磷酸鐵的水解作用，抑制澇漬土壤磷有效性的提高。

2.3.3

土壤水分對鉀的影響。由表2可知，土壤含水量與全鉀含量相關性不顯著，與速效鉀在0.05水平顯著正相關，與緩效鉀在0.01水平顯著負相關，因此澇漬土壤緩效鉀含量降低，速效鉀含量升高，而澇漬土壤與耕作土壤全鉀含量差異并不顯著。澇漬對土壤全鉀含量的影響不大是由于土壤中全鉀以礦物晶格中的鉀為主，與土壤含水量的相關性不大。但是，土壤含水量直接影響鉀素的固定和釋放[9-10]。當水分含量較高時，礦物膨脹，晶間鉀與溶液間鉀可自由交換，不易被固定，被固定的緩效鉀較少。同時，在淹水還原條件下土壤溶液中有大量的可溶性 Fe2+和Mn2+，能從黏土復合體中取代出交換性鉀，促使緩效鉀轉化為速效鉀。因此，澇漬能促進土壤鉀素的釋放，使得澇漬土壤的緩效鉀含量降低，速效鉀含量升高。

3 結論與討論

根據澇漬土壤與耕作土壤養分含量差異的分析以及土壤含水量與氮、磷、鉀的相關性分析，可以得出東北黑土區季節性漬水引起的坡面澇漬對土壤養分的影響。

（1）研究區坡面澇漬土壤全氮含量明顯高于耕作土壤，澇漬土壤的速效氮以銨態氮為主，幾乎不含硝態氮。土壤含水量與全氮、銨態氮呈顯著正相關關系，與硝態氮呈顯著負相關關系。澇漬對氮素含量變化和形態轉化的影響較大。

（2）研究區耕作土壤與澇漬土壤全磷含量無明顯的差異。受施肥的影響，耕作土壤有效磷含量遠遠大于澇漬土壤。相關性分析表明，土壤含水量與全磷、有效磷含量的相關性不大。

（3）研究區坡面澇漬土壤與耕作全鉀的含量差異不大。土壤含水量對速效鉀和緩效鉀轉化的影響較大。澇漬土壤緩效鉀含量明顯低于耕作土壤，速效鉀含量略高于耕地。澇漬使得鉀的有效性提高。

總體上，季節性漬水對澇漬土壤養分的形態轉化和含量變化的影響較大，澇漬土壤養分潛力很高，一些速效養分含量也較高。因此，澇漬對該區土壤養分的影響不是限制作物生長的主要因素，而水分變化引起的土壤物理性質以及氧化還原環境的改變有待于進一步研究。改善該區澇漬土壤水分狀況，將有利于土壤有機養分的進一步釋放，同時將改善土壤的物理性質及還原狀態，有利于作物的生長以及機械耕作，從而達到坡面澇漬地土壤改良的效果。

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