旱地果園土壤有機質對氮素含量的影響

張述強，姚志龍

（隴東學院農林科技學院，甘肅慶陽 745000）

0 引言

果園土壤有機質中通常含有植物所需的各種營養成分，特別是土壤氮素養分含量較高。果園土壤的有機質為果樹的生長發育提供了大量的營養元素和生理活性物質，與果樹的產量、果實的品質等有密切關系，是慶陽市果園高產、穩產、優質水果生產的基本條件[1]。提高慶陽市果園土壤有機質含量是穩定慶陽市果園土壤肥力的關鍵[2-3]。同時，果園土壤氮素中的全氮、堿解氮與有機質含量緊密相關，土壤中有機質含量的高低直接影響氮素的綜合供應與利用水平。但是果園土壤有機質含量下降目前在世界以及中國都普遍存在[2-4]。研究結果表明，當前制約中國蘋果產業穩定和可持續發展的主要問題之一是果園土壤中的有機質含量較低[5]。據進一步調查結果顯示，慶陽市所有果園的土壤有機質含量仍在中、低標準的含量范圍內。目前中國存在的主要土壤環境問題是有機肥料不足與高度依賴化肥，而疏于對有機肥的利用和投入，致使果園土壤中的有機質含量增幅緩慢，嚴重影響和制約了慶陽地區果園土壤肥力的提高與土壤質量的改善。果園土壤有機質和土壤氮素相關性是慶陽地區衡量果園土壤綜合利用肥力和果園土壤質量的重要環境科學依據，也是世界碳循環的重要源和匯，更是土壤科學、環境科學研究的熱點之一[6]。同時土壤有機質和土壤氮素也是中國土壤物質構成中有機質的重要物質組分，盡管它們僅占土壤有機質總量的很小一部分，但在提高土壤的肥力、環境的保護、農業的可持續發展等各個方面有著重要的作用和意義[7-8]。土壤有機質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，也直接影響中國土壤的肥力[9]。同時土壤有機質的數量與質量變化是制約土壤肥力與土壤環境質量的最重要因素，也是制約土壤理化性質（如土壤水分、通氣狀況、抗蝕能力、供肥保肥能力、有效養分吸收等）的一個關鍵因素[10]。氮是各種植物生長和發育所需的大量營養元素，是決定和調節中國陸地生態系統生產量、結構和其功能的重要關鍵元素[11]。因此，了解研究本區域土壤中的有機質、全氮、堿解氮的含量，不僅可以作為施肥的依據和參考，還有助于判斷土壤肥力程度，制定相應的施肥與增產措施。

本研究以慶陽地區果園土壤為研究對象，對果園土壤中的有機質和土壤氮素養分的相關性進行了試驗和分析，研究了果園土壤中不同土層的有機質與全氮、堿解氮以及全氮和堿解氮之間的相關性，尋找有機質和土壤氮素的空間分布變化規律，以期為果園土壤的可持續利用和蘋果產業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區的概況

慶陽市位于甘肅省最東部，陜甘寧三省區的交匯處，系西北黃河中下游黃土高原溝壑區，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優勢區，土層深厚，氣候溫和，雨量適中，光照充足，晝夜光照溫差大，自然條件得天獨厚，非常適宜蘋果等果樹的生長，群眾和農民素有在莊前屋后就地栽植果樹的生活習慣。同時慶陽市紅富士蘋果是蘊涵了中國隴東地區黃土高原獨特風情的金秋佳果，產于符合農業部優勢蘋果區劃栽培的最佳產區和優生帶，氣候和地理條件完全符合農業部優勢蘋果生產的7項生態指標和6項輔助指標，是主要生產中國優質紅富士優勢蘋果的適生區，其中以果實硬度大、色澤鮮艷、蠟質層厚、酸甜適度、耐貯耐運、食用安全等特點而著稱。

1.2 樣品的采集與處理

2017—2019年，連續3年于每年春夏之交的3—5月，定點在慶陽蘋果主產縣的30個果園，隨機采取0～20 cm和20～40 cm土層土樣60個，按標準進行土壤樣品預處理，測定土壤有機質含量、全氮含量以及堿解氮含量，按果園和土層分別求3年平均值進行空間分布變異分析和相關性分析。

1.3 分析方法

土壤有機質用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴散法[12]。

1.4 數據處理方法

使用Excel軟件對數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 果園土壤有機質和氮素養分空間分布分析

由表1可得，慶陽地區果園土壤由于土層深度不同果園土壤的有機質含量隨深度變化的范圍分別是0～20 cm 為 6.74～32.7 g/kg，平均有機質含量約為14.7 g/kg，變異系數為29.60%，20～40 cm的含量為5.64～22.7 g/kg，平均有機質含量約為11.6 g/kg，變異系數為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，變異系數為37.7%。變異系數的大小一般是指該地區土壤養分屬性空間變異性大小，變異系數小于10%為土壤弱變異性，變異系數大于100%時為土壤強變異性，在這兩者之間土壤呈中等變異性，從表1中的土壤變異系數可獲得，該區土壤的有機質、全氮以及堿解氮的土壤養分變異系數均很大，說明這些土壤養分之間都具有一定的養分屬性空間，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，通過表2可直接獲得全國第二次土壤普查的養分含量分級標準。該研究區果園土壤的有機質、全氮以及堿解氮的養分含量在0～20 cm和20～40 cm的土層間都屬于中等偏下的水平。

表1 果園土壤養分含量及變異性分析

表2 全國第二次土壤調查養分分類標準

2.2 有機質含量的變化

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

圖1 果園土壤有機質含量的變化

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號果園土壤全氮含量最高為1.94 g/kg，26號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號果園土壤全氮含量最高為1.43 g/kg，26號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號果園土壤的堿解氮含量最高，為136.5 mg/kg，26號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號果園土壤的堿解氮含量最高為98.2 mg/kg，26號果園土壤的堿解氮含量為最低17.8 mg/kg。說明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值上高很多，這與果農對不同果園使用的氮肥有關。

圖3 果園土壤堿解氮含量的變化

2.5 果園土壤有機質含量與氮素養分的相關性

2.5.1 土壤有機質含量與全氮含量的相關性 如圖4、5所示，土壤的有機質和土壤的全氮含量的30組數據分析結果顯示，0～20 cm土壤的有機質含量與土壤的全氮含量之間的相關性系數為R2=0.940，線性回歸方程為y=0.055x+0.140；20～40 cm土壤的有機質含量與土壤的全氮含量之間的相關性系數為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土層土壤的有機質含量和土壤的全氮含量的R2值都接近1，其吻合度很高，果園土壤的有機質含量變化對土壤全氮含量有很大影響。從圖4和圖5的2個土壤的有機質和全氮關系圖來看，樣品的總有機質含量和全氮含量之間的相關性較高，0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤的有機質和全氮含量都有較好的正向線性相關關系。簡單的說，土壤的有機質含量與土壤的全氮含量有很高的相關性。但根據土壤層次的不同，利用方法的差異和施肥方法的差異，對相關性和分析會有很大的影響。土壤的全氮變異可能是因為土壤有機質變化引起的[16]。

圖4 土壤有機質(x)和土壤全氮(y)線性相關性(0～20 cm)

圖5 土壤有機質(x)和土壤全氮(y)線性相關性(20～40 cm)

2.5.2 土壤有機質含量與堿解氮含量的相關性 如圖6、7所示，分析了土壤有機質與土壤的堿解氮含量的30組相關數據，結果顯示0～20 cm之間土壤的有機質含量與土壤的堿解氮含量之間的相關性系數為R2=0.414，線性回歸方程為y=3.061x+26.65；20～40 cm果園土壤的有機質含量與土壤的堿解氮含量之間的相關性系數為R2=0.158，線回歸方程為y=2.237x+23.84。這表明0～20 cm和20～40 cm果園土壤的有機質和土壤堿解氮的R2值都接近0，擬合度很差。果園土壤有機質含量的變化對土壤堿解氮含量的變化影響不大。

圖6 土壤有機質(x)和土壤堿解氮(y)線性關系(0～20 cm)

圖7 土壤有機質(x)和土壤堿解氮(y)線性相關性(20～40 cm)

2.5.3 土壤全氮的含量與堿解氮含量的關系 圖8、9的結果表明，通過分析土壤全氮與土壤堿解氮含量的30組數據可知，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系數為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系數為R2=0.298，一次線性回歸方程為y=57.47x+5.141。這說明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土壤堿解氮含量變化影響很小。造成這種現象的主要原因是由于果園土壤目前大多實行的都是高度密集的集約化生產經營，果樹在吸收土壤養分中大量氮素時，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)線性相關性(0～20 cm)

圖9 土壤全氮(x)和土壤堿解氮(y)線性相關性(20～40 cm)

3 結論與討論

3.1 結論

慶陽果園土壤有機質含量、全氮含量和堿解氮含量均表現為0～20 cm土層＞20～40 cm土層。不同土層土壤有機質和全氮含量的變異系數相對穩定，都表現為0～20 cm土層＞20～40 cm土層，且土壤有機質、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質含量與全氮含量之間的相關性都表現為極顯著，0～20 cm土層土壤的有機質含量與堿解氮含量、全氮含量與堿解氮含量之間相關性都表現為顯著，而20～40 cm土層土壤有機質含量與堿解氮含量、全氮含量與堿解氮含量之間的相關性都不顯著。

3.2 討論

不同果園土壤的有機質含量、全氮含量和堿解氮含量的差異：慶陽地區不同果園土壤的有機質含量、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質含量、全氮含量和堿解氮含量也不相同。其原因有如下幾點：（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。由于大量的勞動力外出，當地養殖業發展緩慢，有機肥料不足，許多果農只重視化肥的利用，忽視有機肥使用，使得果園土壤有機質及其相關的土壤全氮含量普遍較低，且不同果園差異較為明顯。

不同土層有機質與氮素養分的差異：有機質含量偏低是中國蘋果主產區目前存在的主要問題。研究分析得，0～20 cm土層土壤有機質與氮素養分的相關性均高于20～40 cm土層。造成這一現象的主要原因有：一是施肥時肥料都在土壤表層；二是下層土壤有機質分解轉化的條件差或者下層土壤有機質本身含量低，而且還受外來氮素的影響較大，因為季節性集中降水使部分可溶性氮（主要是硝態氮和一些小分子氨基酸）滲透到下層，甚至一些銨態氮在強降雨的情況下也會淋溶到下層，在其基數很小的情況下，一個很小的干擾因子可能會影響其相關性。

果園土壤有機質與全氮呈現極顯著線性相關。土壤中的全氮養分主要來自土壤有機質的含氮化合物，不管是土壤有機質還是土壤全氮，在一定的生態條件和土壤條件下，是相對穩定的肥力性狀，施肥尤其是化學肥料對其影響微乎其微。

果園土壤的有機質和全氮含量對堿解氮含量的影響：堿解氮含量的多少決于有機質含量以及施入化學氮肥的量[19]。果樹營養生長對氮素的需求量較大，但黃土高原果園土壤普遍缺乏有機質，所以土壤天然供應速效氮量很少，人為施肥對果園速效氮含量影響相對較大，而且不同果園化學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質的積累量以全氮的利用率也存在較大差異[20]。導致了土壤有機質、土壤全氮與堿解氮含量之間的相關性不甚顯著。

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