不同客土覆蓋厚度對河灘地土壤養分分布的影響

張海歐, 張 揚

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司自然資源部 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 710021)

土壤有機質和全氮是衡量土壤肥力整體狀態的重要指標，其對土壤的物理、化學和生物性質的改善具有重要的作用[1-2]。土壤有機質含有植物生長需要的礦物養分和有機營養，是植物生長所必需營養元素的主要來源之一，其對土壤的結構性、保水保肥性、通氣性、保墑性等主要特性具有重要的影響[3-4]。土壤中有機質的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[3-4]。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[2,5-6]。土壤有機質和氮素被列為土壤肥力評價的必需指標和土壤分析、實驗室測定的常規指標，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[7-10]。

河灘地在我國各地區均有分布廣泛[11]，作為一種重要的耕地后備資源。據有關數據統計僅陜西省境內可開發利用的此類型土地面積就達2.33×104hm2，主要分布在陜西的關中和陜南等地區[12]，該地區光照條件充足，降水量豐沛，地下水埋藏較淺，具備發展生態高值農田的環境條件。然而，河灘地土地主要是由礫石和砂礫組成，地表粗大礫石裸露，土地貧瘠、農作物根本無法生長，長期處于荒蕪狀態，整治開發利用難度極大。李娟等[13-14]經過長期科學研究及工程實踐，發現通過客土覆蓋的技術可將河灘地整治成農用地，并進行了工程示范。但是提升土地質量及提高耕作層穩定性等技術難題，仍困擾著河灘地的整治工作。目前，國內外在污損或工礦廢棄地等方面對客土覆蓋方式及土壤理化性質的研究較多[15-16]，而對于河灘地這種裸巖石礫土地類型的不同覆土厚度土壤的養分特征研究卻鮮見報道。本文通過對舊河道河灘地土地整治中不同覆土厚度條件下土壤有機質和全氮的分布特征、動態變化趨勢及兩者間的關系進行了研究，以期揭示河灘地土地整治中不同覆土厚度下土壤碳氮的空間分布特征，不僅為這類土地的土壤肥力提升及土地整治提供技術支撐和理論依據，也對實現土壤資源的合理利用及其可持續發展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

野外觀測試驗地點設置于渭南市富平縣杜村鎮(東經108°57′—109°26′和北緯34°42′—35°06′)，處于鄂爾多斯地臺南邊緣，與渭河地塹北邊緣的斜坡地帶。屬于典型中暖溫帶大陸性氣候，降水季節分配很不均勻，一年中幾乎80%的降雨集中在夏季的6～83個月，期間日降水量≥50 mm的暴雨天氣常有發生。干濕季節分明，干季長于濕季，春季風多，降雨較少，地表的蒸發量較大，土壤失墑快，春旱嚴重。全年蒸發量1 000—1 300 mm，是降雨量的2.0～2.3倍。6月蒸發量最大，為189.5 mm，12月最小，為44.9 mm。無霜期225 d，年平均氣溫13.4 ℃，夏季最高氣溫41.8 ℃，冬季寒冷干燥，最低氣溫-22.0～-10.0 ℃。當地的主要農作物為小麥、玉米和棉花等。

1.2 試驗方法

建立1∶100比例的物理模型試驗裝置，包括模擬河道、灌溉渠、試驗田和觀測通道4個部分，試驗裝置布設6塊試驗田，即6個處理(見圖1)，每塊試驗田面積為2.0 m×4 m，共占地48 m2。根據立地條件，考慮光照、微地形等因素的均一性，6塊試驗田采取自東向西“一”字型布設，先挖出2 m的深坑，分別填入相應厚度的砂石和客土，覆蓋當地黃綿土厚度分別設為30，40，50，60，80，100 cm，模擬實地條件，客土以下分別填裝170，160，150，140，120，100 cm厚度的礫石(80%)和沙土(20%)混合物，每個處理小區設有圍擋，避免串水串肥。

圖1 陜西省渭南市富平縣杜村鎮河灘地試驗裝置示意圖

試驗于2015—2017年執行，每年10月初進行冬小麥種植，次年的6月初收獲。小麥種植與當地的農作措施保持一致，露地種植采取行播，行距15～20 cm，株距保持在1～2 cm，播深5～6 cm。所有小區均采用相同的灌溉與施肥處理，播種前1～2 d施入復合肥(N 90 kg/hm2; P 40 kg/hm2; K 75 kg/hm2)，并結合灌水在拔節期追施。灌溉時間和量，采用當地農民普遍采用的模式，根據天氣情況、土壤水分狀況，使0—60 cm土壤層的田間最大持水量保持在75%～80%。小麥收獲后進行土壤樣品采集，每個小區按對角線選取5點，每10 cm分層取樣，按照各處理的土層厚度用土鉆取土層混合土樣，每個處理取3次重復土樣，自然風干過篩后，用于理化性質的測定，并計算3 a試驗結果的平均值，分析土壤養分的變化情況。土壤田間持水量采用室內環刀法測定，有機質采用重鉻酸鉀法測定，全氮利用全自動間斷化學分析儀Cleverchem200(德國)測定。試驗所用當地黃綿土的主要理化性質詳見表1。

表1 陜西省渭南市富平縣杜村鎮黃綿土主要理化性質

2 結果與分析

2.1 不同覆土厚度下有機質分布

土壤有機質含量能夠指示土壤肥力水平的狀況，有機質含量高的土壤疏松、團聚體含量高、作物生長良好[17-18]。利用在裸巖石礫地表層覆蓋客土的方式整治河灘地，土壤有機質含量在不同覆土厚度下隨土層深度的變化特征見圖2。不同覆土厚度下，土壤有機質含量均隨土層深度增加呈現降低趨勢，其中0—20 cm表層土壤的有機質含量最高，其與40—60 cm土層有機質含量相比最高可達4.63倍，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80，C100在0—20 cm土層的有機質含量分別占0—60 cm整個土層有機質含量的64%，60%，55%，57%，56%，58%。0—40 cm土層中土壤有機質的總含量的大小順序為C60(42.76 g/kg)>C50(38.2 g/kg)>C40(33.9 g/kg)>C80(32.38 g/kg)>C100(29.79 g/kg)>C30(24.99 g/kg)，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm的土壤有機質含量最高，且其中在0—40 cm土層中覆土厚度為60 cm(C60)，50 cm(C50)的有機質含量分別是覆土厚度為30 cm(C30)有機質含量的1.69，1.51倍?？屯梁穸葹?0 cm(C60)和50 cm(C50)平均有機質含量分別占0—10，10—20和20—40 cm各土層客土厚度有機質含量的39%，38%和41%，因此，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50和C60)的土壤有機質含量均高于其他覆土厚度類型。

2.2 不同覆土厚度下全氮變化特征

不同覆土厚度下，相同土層深度土壤全氮含量具有較大變化(見圖3)。客土厚度為30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量隨土層厚度增加呈顯著減少趨勢；客土厚度為50 cm(C50)和60 cm(C60)全氮含量也隨土層加深而減少，但程度遠低于C30和C40；而客土厚度為30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量在0—40 cm土層中分布較為均勻。不同客土厚度0—20 cm表層土壤的全氮含量最高，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80和C100在0—20 cm土層的全氮含量分別占0—60 cm整個土層全氮含量的62%，61%，57%，56%，56%和55%。

注：C30，C40，C50，C60，C80，C100分別代表容土厚度為30，40，50，60，80，100 cm。下同。

圖3 不同覆土厚度土壤全氮分布特征

同一土層的不同客土覆蓋厚度下，土壤全氮含量具有顯著差異(p<0.05)。客土厚度為60 cm(C60)的全氮含量明顯的高于其他覆土厚度樣地，該覆土厚度下0—10 cm淺表層土壤全氮含量高達1.079 g/kg，其含量是客土厚度分別為30(C30)，40(C40)，100 cm(C100)的2.05，1.46及0.68倍；其次，客土厚度為50 cm(C50)表層土壤全氮含量較高，0—10，10—20和20—40 cm各層土壤全氮含量為0.924，0.825，0.703 g/kg。不同客土厚度0—40 cm土層平均全氮含量表現為C60(0.953 g/kg)>C50(0.817 g/kg)>C80(0.760 g/kg)>C40(0.625 g/kg)>C100(0.581 g/kg)>C30(0.404 g/kg)，客土厚度為60 cm(C60)和50 cm(C50)平均全氮含量分別占0—10，10—20，20—40 cm各土層客土厚度全氮含量的42%，25%和26%，因此，不同土層中客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50，C60)的土壤全氮含量高于其他覆土厚度類型。

2.3 不同客土覆蓋厚度有機質與全氮的相關性分析

由表2不同客土覆蓋厚度0—40 cm土層土壤有機質與全氮分布的相關性分析可知，不同覆土厚度下0—40 cm土層土壤有機質與全氮呈正相關關系，且不同客土覆蓋厚度下土壤有機質和全氮的相關性回歸系數差異較大，說明不同覆土厚度有機質和全氮的相關程度不同。客土厚度為50 cm(C50)和60 cm(C60)試驗樣地的土壤有機質與全氮含量呈現出極顯著(p<0.01)的正相關性，其相關系數分別為0.913，0.927；土壤有機質與全氮在客土覆蓋厚度為C30，C40，C80和C100時具有顯著的正相關性(p<0.05)，相關系數分別是0.639，0.789，0.884，0.851。因此，客土層厚度為50—60 cm時，有利于土壤有機質和全氮的積累，并且與其他覆土厚度類型相比，C50和C60覆土厚度下0—40 cm表層土壤有機質與全氮的平均含量最高。

表2 不同客土覆蓋厚度0-40 cm土層土壤有機質與全氮分布的相關性

2.4 不同土層深度有機質與全氮的關系

隨著新造土壤種植年限的增加，各土層土壤結構形成、養分含量積累情況差異較大，不同土層深度土壤有機質與全氮的相關性分析見圖4，不同土層深度土壤有機質與全氮相關性大小不同，但都呈正相關性。當土層深度為0—10，10—20和20—40 cm時，土壤有機質與全氮含量相關性為極顯著(p<0.01)，相關系數分別是0.911，0.839，0.946。由分析可知，0—40 cm表層土壤有機質與全氮呈現極顯著的正相關關系，隨著土層深度增加，有機質與全氮之間的相關性呈現出逐漸減少的趨勢，當土層深度為40—60 cm時，相關系數為0.737，小于其他土層的相關性。

3 討 論

土壤有機質和全氮是表征土壤肥力水平和評價土壤質量發育狀況的重要指標[5]。雷建容等[17]、袁子茹等[18]分別對川中丘陵區、祁連山不同草地類型下不同土層深度土壤的空間分布狀況進行了研究，發現土層深度對土壤養分含量具有顯著影響(p<0.05)，表層土壤養分含量最高。本研究結果表明，不同覆土厚度下，土層深度與土壤有機質和全氮含量均呈現負相關關系，隨著土層深度增加養分含量呈現減小的趨勢，土壤有機質、全氮主要分布在表層土壤(0—30 cm)中，體現了明顯的表聚性。這是由于試驗作物玉米和小麥均為淺根系植物，其根系生長所需要的營養區在0—30 cm土層厚度，30 cm以下的土層是作物根系生長的固定區。而且在表層0—30 cm以上，枯枝落葉等調落物在土壤中累積，隨著植物的根系分泌物進行逐漸分解，養分隨之釋放返回土壤，以此循環過程不斷釋放、積累養分進入土壤。同時在分解過程中產生酸類物質加速土壤礦物的分解與變化，且植物吸收土壤養分通過生物微循環在表層土壤中富集，所以養分含量高。

土壤中有機質是氮素存在的主要場地，二者之間有一定相關性[3-4]。分析不同厚度客土覆蓋整治河灘地后土壤有機質和全氮含量及關系，對于評價土壤肥力，制定合理施肥措施具有重要意義。結果表明，不同土層深度和不同客土覆蓋厚度下，表層土壤(0—30 cm)有機質與全氮均呈現出顯著的正相關性(p<0.05)，此結論與楊麗霞等[1]、朱代文等[11]、雷建容等[17]、袁子茹等[18]學者，分別對陜北黃土丘陵區、潼關縣河灘地新增耕地、祁連山不同草地類型、川中丘陵區等地區類型的土壤有機質和全氮之間的關系研究結果一致。這是由于有機質主要分布于土壤表層，相關研究顯示[19-20]，表層土壤中的氮素95%以上是以有機結合(腐殖質等)的形態存在，即土壤有機質含量對全氮的消長具有重大的影響，氮素中包含了土壤有機質的一部分，有機質中氮素含量相對固定。因此，不同土層中有機質含量增加，可以提高土壤中全氮含量，并且不同客土覆蓋厚度全氮與有機質含量變化規律相似。

圖4 陜西省渭南市富平縣杜村鎮不同土層深度土壤有機質與全氮的相關性

不同覆土厚度的差異對作物耕作層土壤的結構性、保水保肥性、通氣性等具有重要影響，從而直接影響作物耕作層的形成。合理的覆土厚度對形成作物耕作層及改善耕作層土壤通氣能力具有積極的作用，已有相關研究發現客土厚度為50 cm作物產量最高[13-14]。本研究發現客土覆蓋厚度對土壤養分的分布具有顯著的影響(p<0.05)，50—60 cm(C50，C60)的客土覆蓋厚度下耕層土壤有機質、全氮含量均高于其他覆土厚度類型，并且客土厚度為50 cm(C50)和60 cm(C60)的試驗樣地的土壤有機質與全氮含量呈現出極顯著正相關(p<0.01)。50—60 cm土層是常見作物根系生長能夠影響的土層范圍，根據相關研究結果[13-14,21-23]，相比較其他客土覆蓋厚度，50—60 cm客土覆蓋厚度下耕層土壤容重較大(1.5～1.6 g/cm3)，土壤間的孔隙度較小。具有較大容重的土體結構穩定性強，水分和養分滲漏能力差，保水保肥性好，并且滲漏能力隨時間的變化弱。結合工程實際認為50—60 cm客土覆蓋厚度合理，工程成本適中，同時適宜常見作物生長且穩產高產。

4 結 論

客土覆蓋厚度為50—60 cm(C50和C60)時，相比其他覆土厚度類型，整治后的河灘地各土層土壤養分積累速度快，土壤有機質和全氮含量在各土層深度中最高，二者呈現出極顯著的正相關關系(p<0.01)，因此，對于陜西關中河灘地整治中黃綿土覆蓋厚度50—60 cm為最佳。本研究僅對土地整治后河灘地不同客土層厚度與土壤有機質和全氮關系進行了研究，要更深入認識河灘地土地整治后土壤碳庫、氮庫和客土覆蓋厚度相互之間的關系，則還需要從機理上進行探索研究。