旱地果园土壤有机质对氮素含量的影响

张述强，姚志龙

（陇东学院农林科技学院，甘肃庆阳 745000）

0 引言

果园土壤有机质中通常含有植物所需的各种营养成分，特别是土壤氮素养分含量较高。果园土壤的有机质为果树的生长发育提供了大量的营养元素和生理活性物质，与果树的产量、果实的品质等有密切关系，是庆阳市果园高产、稳产、优质水果生产的基本条件[1]。提高庆阳市果园土壤有机质含量是稳定庆阳市果园土壤肥力的关键[2-3]。同时，果园土壤氮素中的全氮、碱解氮与有机质含量紧密相关，土壤中有机质含量的高低直接影响氮素的综合供应与利用水平。但是果园土壤有机质含量下降目前在世界以及中国都普遍存在[2-4]。研究结果表明，当前制约中国苹果产业稳定和可持续发展的主要问题之一是果园土壤中的有机质含量较低[5]。据进一步调查结果显示，庆阳市所有果园的土壤有机质含量仍在中、低标准的含量范围内。目前中国存在的主要土壤环境问题是有机肥料不足与高度依赖化肥，而疏于对有机肥的利用和投入，致使果园土壤中的有机质含量增幅缓慢，严重影响和制约了庆阳地区果园土壤肥力的提高与土壤质量的改善。果园土壤有机质和土壤氮素相关性是庆阳地区衡量果园土壤综合利用肥力和果园土壤质量的重要环境科学依据，也是世界碳循环的重要源和汇，更是土壤科学、环境科学研究的热点之一[6]。同时土壤有机质和土壤氮素也是中国土壤物质构成中有机质的重要物质组分，尽管它们仅占土壤有机质总量的很小一部分，但在提高土壤的肥力、环境的保护、农业的可持续发展等各个方面有着重要的作用和意义[7-8]。土壤有机质和氮素含量直接影响土壤的耐肥性、保墒性、缓冲性、耕性、通气状况和土壤温度等，也直接影响中国土壤的肥力[9]。同时土壤有机质的数量与质量变化是制约土壤肥力与土壤环境质量的最重要因素，也是制约土壤理化性质（如土壤水分、通气状况、抗蚀能力、供肥保肥能力、有效养分吸收等）的一个关键因素[10]。氮是各种植物生长和发育所需的大量营养元素，是决定和调节中国陆地生态系统生产量、结构和其功能的重要关键元素[11]。因此，了解研究本区域土壤中的有机质、全氮、碱解氮的含量，不仅可以作为施肥的依据和参考，还有助于判断土壤肥力程度，制定相应的施肥与增产措施。

本研究以庆阳地区果园土壤为研究对象，对果园土壤中的有机质和土壤氮素养分的相关性进行了试验和分析，研究了果园土壤中不同土层的有机质与全氮、碱解氮以及全氮和碱解氮之间的相关性，寻找有机质和土壤氮素的空间分布变化规律，以期为果园土壤的可持续利用和苹果产业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区的概况

庆阳市位于甘肃省最东部，陕甘宁三省区的交汇处，系西北黄河中下游黄土高原沟壑区，位于35°15′—37°10′N，106°20′—108°45′E，海拔885～2082 m，属西北中下游黄土高原苹果生产优势区，土层深厚，气候温和，雨量适中，光照充足，昼夜光照温差大，自然条件得天独厚，非常适宜苹果等果树的生长，群众和农民素有在庄前屋后就地栽植果树的生活习惯。同时庆阳市红富士苹果是蕴涵了中国陇东地区黄土高原独特风情的金秋佳果，产于符合农业部优势苹果区划栽培的最佳产区和优生带，气候和地理条件完全符合农业部优势苹果生产的7项生态指标和6项辅助指标，是主要生产中国优质红富士优势苹果的适生区，其中以果实硬度大、色泽鲜艳、蜡质层厚、酸甜适度、耐贮耐运、食用安全等特点而著称。

1.2 样品的采集与处理

2017—2019年，连续3年于每年春夏之交的3—5月，定点在庆阳苹果主产县的30个果园，随机采取0～20 cm和20～40 cm土层土样60个，按标准进行土壤样品预处理，测定土壤有机质含量、全氮含量以及碱解氮含量，按果园和土层分别求3年平均值进行空间分布变异分析和相关性分析。

1.3 分析方法

土壤有机质用重铬酸钾容量法—外加热法；全氮采用半微量凯氏定氮法；碱解氮采用碱解扩散法[12]。

1.4 数据处理方法

使用Excel软件对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 果园土壤有机质和氮素养分空间分布分析

由表1可得，庆阳地区果园土壤由于土层深度不同果园土壤的有机质含量随深度变化的范围分别是0～20 cm 为 6.74～32.7 g/kg，平均有机质含量约为14.7 g/kg，变异系数为29.60%，20～40 cm的含量为5.64～22.7 g/kg，平均有机质含量约为11.6 g/kg，变异系数为28.87%；全氮含量的变化范围分别是0～20 cm的为0.49～1.94 g/kg，平均全氮含量为1.0 g/kg，变异系数为26.04%，20～40 cm全氮含量为0.4～1.43 g/kg，平均全氮含量为0.8 g/kg，变异系数为22.98%；碱解氮含量的变化范围分别0～20 cm为37.8～136.5 mg/kg，平均碱解氮含量为71.8 mg/kg，变异系数为28.9%，20～40 cm的为17.8～98.2 mg/kg，平均碱解氮含量为49.7 mg/kg，变异系数为37.7%。变异系数的大小一般是指该地区土壤养分属性空间变异性大小，变异系数小于10%为土壤弱变异性，变异系数大于100%时为土壤强变异性，在这两者之间土壤呈中等变异性，从表1中的土壤变异系数可获得，该区土壤的有机质、全氮以及碱解氮的土壤养分变异系数均很大，说明这些土壤养分之间都具有一定的养分属性空间，具有一定程度变化的变异性，均属于中等变异性的土壤类型[13]。另外，通过表2可直接获得全国第二次土壤普查的养分含量分级标准。该研究区果园土壤的有机质、全氮以及碱解氮的养分含量在0～20 cm和20～40 cm的土层间都属于中等偏下的水平。

表1 果园土壤养分含量及变异性分析

表2 全国第二次土壤调查养分分类标准

2.2 有机质含量的变化

图1 不同土层有机质的含量变化结果表明，0～20 cm果园土壤的有机质平均含量为14.7 g/kg，其中11号果园土壤的有机质含量最高为32.7 g/kg，26号果园土壤有机质含量最低为6.74 g/kg。20～40 cm土壤有机质平均含量为11.6 g/kg，第11号果园土壤有机质含量最高为22.7 g/kg，26号果园土壤有机质含量最低为5.64 g/kg。随着果树种植年限的增加，土壤深度的不同，土壤的有机质也会发生变化。以胥继东等[14]对渭北旱塬果园研究表明，在果树栽培期间，0～20 cm土壤有机质含量约在14 g/kg左右；但20 cm以下各土层有机质呈现出随园龄的增加，土壤有机质含量明显减少。这与果树种植年限、不同果园施肥量以及果园有机质增加而积累在土壤表层有关，使得土壤有机质随土层深度的增加，有机质的积累量逐渐减少[15]。

图1 果园土壤有机质含量的变化

2.3 全氮含量的变化

图2 不同土层全氮含量变化结果表明，0～20 cm果园土壤全氮含量平均为1.0 g/kg，其中11号果园土壤全氮含量最高为1.94 g/kg，26号果园土壤全氮含量最低为0.49 g/kg。20～40 cm果园土壤全氮平均含量为0.8 g/kg，11号果园土壤全氮含量最高为1.43 g/kg，26号果园土壤全氮含量最低为0.4 g/kg。这表明，果园土壤的全氮含量随着土壤深度的增加而减少。

图2 苹果土壤全氮含量的变化

2.4 碱解氮含量的变化

图3 是不同土层碱解氮含量的变化，结果为0～20 cm果园土壤的碱解氮平均含量为71.8 mg/kg，其中11号果园土壤的碱解氮含量最高，为136.5 mg/kg，26号果园土壤的碱解氮含量最低，为37.8 mg/kg。20～40 cm果园土壤的碱解氮平均含量为49.7 mg/kg，其中11号果园土壤的碱解氮含量最高为98.2 mg/kg，26号果园土壤的碱解氮含量为最低17.8 mg/kg。说明0～20 cm的土壤碱解氮含量比20～40 cm的土壤碱解氮含量在数值上高很多，这与果农对不同果园使用的氮肥有关。

图3 果园土壤碱解氮含量的变化

2.5 果园土壤有机质含量与氮素养分的相关性

2.5.1 土壤有机质含量与全氮含量的相关性 如图4、5所示，土壤的有机质和土壤的全氮含量的30组数据分析结果显示，0～20 cm土壤的有机质含量与土壤的全氮含量之间的相关性系数为R2=0.940，线性回归方程为y=0.055x+0.140；20～40 cm土壤的有机质含量与土壤的全氮含量之间的相关性系数为R2=0.721，线性回归方程为y=0.045x+0.250。R2范围是0～1，R2的值越靠近1，其拟合度越高，越接近0，则拟合度越低。研究表明0～20 cm和20～40 cm土层土壤的有机质含量和土壤的全氮含量的R2值都接近1，其吻合度很高，果园土壤的有机质含量变化对土壤全氮含量有很大影响。从图4和图5的2个土壤的有机质和全氮关系图来看，样品的总有机质含量和全氮含量之间的相关性较高，0～20 cm土层和20～40 cm土层土壤的有机质和全氮含量都有较好的正向线性相关关系。简单的说，土壤的有机质含量与土壤的全氮含量有很高的相关性。但根据土壤层次的不同，利用方法的差异和施肥方法的差异，对相关性和分析会有很大的影响。土壤的全氮变异可能是因为土壤有机质变化引起的[16]。

图4 土壤有机质(x)和土壤全氮(y)线性相关性(0～20 cm)

图5 土壤有机质(x)和土壤全氮(y)线性相关性(20～40 cm)

2.5.2 土壤有机质含量与碱解氮含量的相关性 如图6、7所示，分析了土壤有机质与土壤的碱解氮含量的30组相关数据，结果显示0～20 cm之间土壤的有机质含量与土壤的碱解氮含量之间的相关性系数为R2=0.414，线性回归方程为y=3.061x+26.65；20～40 cm果园土壤的有机质含量与土壤的碱解氮含量之间的相关性系数为R2=0.158，线回归方程为y=2.237x+23.84。这表明0～20 cm和20～40 cm果园土壤的有机质和土壤碱解氮的R2值都接近0，拟合度很差。果园土壤有机质含量的变化对土壤碱解氮含量的变化影响不大。

图6 土壤有机质(x)和土壤碱解氮(y)线性关系(0～20 cm)

图7 土壤有机质(x)和土壤碱解氮(y)线性相关性(20～40 cm)

2.5.3 土壤全氮的含量与碱解氮含量的关系 图8、9的结果表明，通过分析土壤全氮与土壤碱解氮含量的30组数据可知，0～20 cm果园土壤全氮的含量与土壤碱解氮的含量之间的相关系数为R2=0.441，一次回归方程为y=55.28x+18.83；20～40 cm果园土壤全氮的含量与土壤碱解氮的含量之间的相关系数为R2=0.298，一次线性回归方程为y=57.47x+5.141。这说明0～20 cm和20～40 cm果园土壤的全氮与土壤的碱解氮的R2值都接近0，吻合度很低。果园土壤全氮含量的变化对土壤碱解氮含量变化影响很小。造成这种现象的主要原因是由于果园土壤目前大多实行的都是高度密集的集约化生产经营，果树在吸收土壤养分中大量氮素时，受土壤氮肥使用量的影响更大而忽略了其他肥料的均衡配合使用。

图8 土壤全氮(x)和土壤碱解氮(y)线性相关性(0～20 cm)

图9 土壤全氮(x)和土壤碱解氮(y)线性相关性(20～40 cm)

3 结论与讨论

3.1 结论

庆阳果园土壤有机质含量、全氮含量和碱解氮含量均表现为0～20 cm土层＞20～40 cm土层。不同土层土壤有机质和全氮含量的变异系数相对稳定，都表现为0～20 cm土层＞20～40 cm土层，且土壤有机质、全氮含量的变异性均属于中等偏低水平。

不同土层间土壤有机质含量与全氮含量之间的相关性都表现为极显著，0～20 cm土层土壤的有机质含量与碱解氮含量、全氮含量与碱解氮含量之间相关性都表现为显著，而20～40 cm土层土壤有机质含量与碱解氮含量、全氮含量与碱解氮含量之间的相关性都不显著。

3.2 讨论

不同果园土壤的有机质含量、全氮含量和碱解氮含量的差异：庆阳地区不同果园土壤的有机质含量、全氮含量和碱解氮含量都在中等偏低水平，且果园不同土层的土壤有机质含量、全氮含量和碱解氮含量也不相同。其原因有如下几点：（1）果树栽培年限的不同；（2）果园栽培模式不同；（3）施肥方式和施肥量的不同；（4）土壤耕作管理模式不同。由于大量的劳动力外出，当地养殖业发展缓慢，有机肥料不足，许多果农只重视化肥的利用，忽视有机肥使用，使得果园土壤有机质及其相关的土壤全氮含量普遍较低，且不同果园差异较为明显。

不同土层有机质与氮素养分的差异：有机质含量偏低是中国苹果主产区目前存在的主要问题。研究分析得，0～20 cm土层土壤有机质与氮素养分的相关性均高于20～40 cm土层。造成这一现象的主要原因有：一是施肥时肥料都在土壤表层；二是下层土壤有机质分解转化的条件差或者下层土壤有机质本身含量低，而且还受外来氮素的影响较大，因为季节性集中降水使部分可溶性氮（主要是硝态氮和一些小分子氨基酸）渗透到下层，甚至一些铵态氮在强降雨的情况下也会淋溶到下层，在其基数很小的情况下，一个很小的干扰因子可能会影响其相关性。

果园土壤有机质与全氮呈现极显著线性相关。土壤中的全氮养分主要来自土壤有机质的含氮化合物，不管是土壤有机质还是土壤全氮，在一定的生态条件和土壤条件下，是相对稳定的肥力性状，施肥尤其是化学肥料对其影响微乎其微。

果园土壤的有机质和全氮含量对碱解氮含量的影响：碱解氮含量的多少决于有机质含量以及施入化学氮肥的量[19]。果树营养生长对氮素的需求量较大，但黄土高原果园土壤普遍缺乏有机质，所以土壤天然供应速效氮量很少，人为施肥对果园速效氮含量影响相对较大，而且不同果园化学氮肥施用量和施用方式存在较大差异，再加之不同果园土壤有机质的积累量以全氮的利用率也存在较大差异[20]。导致了土壤有机质、土壤全氮与碱解氮含量之间的相关性不甚显著。

果园土壤的有机质含量和氮素养分都是衡量土壤肥力及土壤质量的一项重要指标。因此增加果园氮素营养和有机质含量是必不可少的。增加的方法：（1）多施用有机肥，如腐熟的畜禽粪便、堆肥等各种农家肥，以提高有机质和全氮的含量；（2）利用无害化处理的果树落叶及残枝，可制作成自制有机肥返还果园土壤，变废为宝，绿色循环利用。