毛乌素沙地玉米不同种植年限砒砂岩与沙复配土壤有机质与全氮的关系

张海欧, 王欢元, 孙婴婴

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室 陕西省土地整治工程技术研究中心, 陕西 西安 710075; 2.西安理工大学 水利水电学院, 陕西 西安 710048)

土壤有机质和全氮是土壤肥力总体状况的重要指标，其可以改善土壤物理、化学和生物性质。土壤有机质含有植物需要的多种养分，是植物养分的主要来源之一，其含量既影响植物的生长发育，又对其他营养元素含量有一定的影响，特别是氮素存在的主要场地[1-4]。土壤全氮能够综合反映土壤的氮素状况，标志土壤氮素的总量，其包括所有形式的有机氮和无机氮素，土壤全氮是供应植被有效氮素的源和库[2,5]。土壤有机质和氮素是各国土壤分析和实验室测定的例行项目，其含量及动态平衡不仅直接影响着土壤质量和土地生产力，而且对生态系统中碳氮循环有重要意义[6-8]。毛乌素沙地是中国农牧交错区的典型代表，耕地开发潜力巨大，但生态环境脆弱，土地沙化严重，分布在毛乌素沙地周边的砒砂岩，水土流失严重，被称为“环境癌症”，沙和砒砂岩在当地被群众称为“两害”。陕西省土地工程建设集团研究团队从资源合理利用的角度出发，遵循区域生态环境平衡的规律，就地取材，利用两者在成土中的互补性，将砒砂岩与沙按不同的比例复配成土，变“两害”为“一宝”，成功破解了砒砂岩与沙治理和资源化利用的难题。然而，作为一种新型复配土，其结构能否持续稳定发育，经过长期种植保水、保肥能力演变趋势有待研究。目前，有关砒砂岩与沙复配土壤的理化性质、作物产量等研究较多[9-16]，而对于不同种植年限下复配土壤有机质和全氮的时间尺度变化及二者的关联性研究却少见报道。本文通过对毛乌素沙地不同比例砒砂岩与沙复配土壤在2013—2016年的土壤有机质和全氮的时空分布特征、动态变化趋势及两者间的相关性进行研究，以期揭示不同比例砒砂岩与沙复配土壤碳氮的变化规律，为这种新型复配土的肥力提升及土地整治提供技术支撑和理论依据，这对实现新造土壤的稳定性和可持续利用发展具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区域设在毛乌素沙地榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村。榆阳区(109°28′58″—109°30′10″E， 38°27′53″—38°28′23″N)位于陕西北部，海拔1 206～1 215 m之间，毛乌素沙漠南缘，无定河中游。试验区属典型中温带半干旱大陆性季风气候区，降水时空分布不匀，气候干燥，冬长夏短，四季分明，日照充足，春季多风干旱，秋季温凉湿润。2013—2016年均气温8.1 ℃，≥10 ℃积温3 307.5 ℃且持续天数为168 d。2013—2016年平均无霜期154 d，年平均降水量413.9 mm，60.9%降雨集中在7—9月份，雨热同期。年极端降雨最大695.4 mm(1964年)，最小159.6 mm(1965年)；日最大降水量为141.7 mm(1951年8月15日)。2013—2016年平均日照时数2 879 h，日照百分率65%。年总辐射量606.9 kJ/cm2。项目区土壤类型主要以风沙土为主，全氮含量0.075%，全磷含量0.63 g/kg，全钾含量26.51 g/kg，有机质含量0.03%。

1.2 试验方法

在毛乌素沙地陕西榆林市榆阳区的小纪汗乡于2013—2016年每年9月底玉米收获后采集试验所用土壤样品，采样点位于陕西省土地工程建设集团建设的大田试验小区。试验地为15 m×12 m的小区，在考虑混合复配土壤的混合比例时，将小区平均分为3个5 m×12 m的次小区，分别考虑了1∶1，1∶2，1∶5等3个混合比例，每个小区只是在表层30 cm覆盖了不同混合比例的复合土壤(砒砂岩尽量粉碎，最好直径在4 cm以下，保证表层砒砂岩与沙按比例均匀混合覆盖)，30 cm以下为当地沙土。分别采集3个小区中1∶1，1∶2，1∶5次小区的0—30 cm 表层土壤，每个小区采集重复土样3个，每次采集土样共计9个，然后带回实验室用于测定复配土物理性质和养分含量等结构与性质指标。土壤样品的采集与制备按照《土壤理化分析与剖面描述》[17]进行。有机质依据[土壤有机质的测定(NYT1121.6-2006)]以重铬酸钾法测定[18]，全氮利用全自动间断化学分析仪Cleverchem 200(德国)测定。3种比例复配土壤的主要物理性质详见表1。

表1 砒砂岩与沙复配土壤主要物理性质

1.3 数据处理

采用SPSS 13.0统计分析软件进行T检验。对试验数据进行整理和绘图采用Excel软件。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限下复配土壤有机质变化特征

不同种植年限下不同比例复配土壤有机质变化特征如图1所示。1∶1，1∶2，1∶5复配土壤有机质含量均随着作物种植年限的增加而呈现上升趋势，体现了风沙土经砒砂岩与沙复配成后土壤生物生产力增加，提升了复配土壤的固碳能力。其中1∶1复配土壤有机质呈现出较好的稳定上升趋势，1∶2，1∶5两种复配土的有机质含量则变动幅度较大，这是由于土壤有机质含量与黏粒有关，土壤黏粒含量越大有机质含量越高，而1∶1复配土壤黏粒含量大于1∶2，1∶5，1∶1，1∶2，1∶5复配土壤有机质含量从2013年的1.3，1.0和0.8 g/kg，分别上升到2016年的4.6，3.3和2.9 g/kg，分别增加了2.5，2.3，2.1倍。1∶1复配土壤机质含量增加速率大于1∶2与1∶5，这是由于砒砂岩与沙按1∶1，1∶2，1∶5比例混合后，风沙土质地呈现出从壤土—砂壤—砂壤的变化趋势，随着砒砂岩含量的增加质地条件变好。黏粒含量1∶1>1∶2>1∶5，而含黏粒含量高的土壤吸收性能强，能从土壤液相介质中吸收和保存较多的有效养分。经过4 a作物种植后，到2016年1∶1，1∶2，1∶5复配土壤有机质平均含量分别为2.95，2.27和1.85 g/kg，并且2013—2016年3种复配土壤有机质含量均表现为1∶1>1∶2>1∶5，但其土壤耕层有机质含量始终均较低，变幅在0.08%～0.46%，属于全国耕地土壤养分分级标准中有机质分级的6级(<0.6%)[18]。一般认为，土壤有机质含量>2%的土壤比较肥沃，所以总体上来说，毛乌素沙地新造砒砂岩与沙复配土壤的有机质含量有待提高。

2.2 不同种植年限下复配土壤全氮变化特征

2013—2016年复配土壤全氮含量变化特征如图2所示。3种比例复配土壤全氮含量随着种植年限的增加，其含量呈稳定增加趋势。砒砂岩与沙复配比例不同，土壤全氮含量随作物种植年限增加的变化亦不同。1∶1，1∶2，1∶5复配土壤全氮含量从2013年的0.18，0.11和0.08 g/kg，分别上升到2016年的0.47，0.43和0.30 g/kg，分别增加了1.6，2.9，2.7倍，3者各自相对于2013年变化差异极显著(p<0.01)。其中，1∶2复配土壤全氮含量增加速率明显大于1∶1与1∶5，这可能是由于土壤的氮矿化作用与种植年限之间的交互作用显著影响了复配土壤耕层的全氮含量，土壤的矿化氮随砂粒的增多而增高，随黏粒、粉粒增多而降低。3种复配土壤中，2013—2016年作物收获后测得复配土壤平均全氮含量大小顺序为1∶1(0.35 g/kg)>1∶2(0.28 g/kg)>1∶5(0.21 g/kg)。在其4 a间砒砂岩比沙为1∶1的复配土壤全氮含量明显高于其他复配比例，这是由于随着砒砂岩含量的增加复配土壤砂粒含量逐渐降低，黏粒、粉粒含量逐渐增加，全氮含量随之呈增加趋势。3种比例复配土壤全氮含量百分比的平均值均小于0.05%，根据陕西省第二次土壤普查土壤肥力分级标准，其均处于7级及以下水平。

图1 不同种植年限下不同比例复配土壤有机质变化特征

图2 不同种植年限下不同比例复配土壤全氮变化特征

2.3 不同种植年限下复配土壤有机质与全氮的相关性分析

不同种植年限下复配土壤有机质与全氮的相关性如图3所示。在0—30 cm耕作层不同种植年限的3种比例复配土壤有机质与全氮呈正相关。3种比例复配土壤有机质与全氮相关性排序为1∶2>1∶1>1∶5，其中砒砂岩与沙复配比例为1∶1，1∶2类型复配土壤有机质与全氮呈现出极显著(p<0.01)的相关性，其相关系数分别为0.860，0.891 7；1∶5的复配土壤有机质与全氮含量显著相关(p<0.05)，相关系数0.737 6。

图3 不同种植年限下复配土壤有机质与全氮的相关性

3 讨论与结论

复配比例(砒砂岩含量)是新造土壤养分的物质基础，种植季数是新造土壤养分的动力学过程及条件，二者都是影响砒砂岩与沙复配土壤有机质和全氮含量的重要因子。3种比例复配土壤有机质和全氮含量均随着作物种植年限的增加而呈现稳定上升趋势，复配土壤理化结构呈良性发展趋势。

但复配土壤有机质、全氮含量仍然较低，不能满足实际农业生产的需要，这正是沙地治理工程中在提升有机物含量难度大，周期长条件，利用无机的砒砂岩改良沙土结构特性的科学基础。因此，提高新造复配土壤中养分含量，必须通过后期施用有机肥、种植绿肥、秸秆还田等措施。

不同种植年限的3种比例复配土壤有机质与全氮均呈现显著正相关。这主要是由于土壤中的氮素有一大部分是以腐殖质形式存在，其主要来源于有机质，因此不同比例复配土壤中有机质含量的增加可以间接的增加土壤的全氮含量。此结果与杨丽霞[7]等对陕北黄土丘陵区不同植被类型群落多样性与土壤有机质、全氮关系研究研究结果一致，与党廷辉[19]对有机质、全氮、土壤质地与土壤供氮能力的关系中的研究结果一致。

从质地与有机质、全氮关系的角度分析得出，不同比例复配土壤中黏粒和粉粒含量越高，土壤有机质和全氮含量越高，土壤有机质和全氮与黏粒、粉粒含量之间均呈显著正相关，与砂粒含量之间呈显著负相关，即反之随着砂粒含量的增加土壤有机质和全氮含量呈降低趋势。此结论与王莹[20]对土壤有机质与氮磷钾的相关性研究结果一致，并且与袁子茹等[21]对祁连山不同草地类型土壤有机质与全氮分布的关系的研究结果相似。