土地整治对土壤有机质及碳含量的影响——以延安治沟造地项目为例

张盼盼，何 靖

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；3.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；4.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075)

1 引言

针对延安地区耕地面积减少，水土流失异常严峻、粮食安全无法保障等问题[1]，结合延安市地处黄土高原，黄土高原土壤颗粒细，土质松软，含有丰富的矿物质养分，利于耕作[2]，且延安市可供开发利用的沟道土地约140余万方，土地资源丰富[3]。延安应实施大规模坡转沟、淤转造，大力开展治沟造地，快速增加高标准基本农田面积、改善沟域生态环境，促进区域统筹、城乡协调、人地和谐发展[4]。

治沟造地工程是一个综合复杂的工程，项目实施包含土地平整工程、田间道路工程、灌溉与排水工程以及农田防护与生态保护工程等[5]，势必会对土壤养分产生影响。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分，但它在土壤肥力上起着多方面的作用却是显著的，对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要作用的意义[6]；土壤有机碳是土壤养分转化的核心，反映了土壤截留碳的能力，与土壤养分密切相关[7]；活性有机碳虽含量小但有效性高，对作物养分供应有直接关系[7]。目前关于治沟造地相关研究多集中在效益评价分析及耕地质量研究方面[8]，对土壤有机质、有机碳、活性有机碳的影响研究较少。因此，探讨同一地区治沟造地前后及同一地类不同整治年限与土壤有机质和土壤碳含量的响应关系，揭示治沟造地对土壤有机质和土壤碳含量的影响特征，可为沟道高标准农田建设及治沟造地工程的实施、推广提供科学决策和理论依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

治沟造地项目区位于陕西省延安市，延安属黄土高原丘陵沟壑区，内陆干旱半干旱气候，四季分明、日照充足、昼夜温差大，年均气温7.7～10.6 ℃，年均降水量500 mm左右，地貌以黄土高原、丘陵为主，地势西北高东南低。供试土样取自陕西省延安市宝塔区羊圈沟流域、顾屯村、麻洞川，安塞闫桥片区，子长九玉沟、南郑沟，这些区域均种植玉米，一年一熟，化肥一次性施入。研究区概况见表1，宝塔区整治完成年份为2015年，距采样时间为5年；安塞区整治完成年份为2018年，距采样时间为3年；子长县整治完成年份为2019年，距采样时间为2年。

表1 整理区概况

2.2 样品采集

本研究鉴于操作方便采用间接方法，即通过同一时间在整治后和邻近的未整治的坡面采样作为整治前后土样进行比较研究。在延安宝塔区羊圈沟的上、中、下游各设立一个区域10 m×10 m大小的样地，按照五点混合的方式采集0～20 cm耕作层范围内的土壤样品，每块样地采集5个点进行混合，同时在相邻未治沟造地的沟道以同样的方式进行样品采集，采集时避开施肥和粪堆等点状污染物，其他区域采样方式同羊圈沟。6个地点共采集土壤样品36个，每个土壤样品约1000 g，土壤去除杂物后，自然风干、磨碎过筛备用，每个样品3次重复，采样时间为2020年5月。

2.3 测定方法与数据分析

数据采用SPSS和Excel进行处理，用Origin软件进行制图。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定[9]，土壤有机碳采用TOC/TN分析仪(MultiC/N3100)测定[10]，活性有机碳采用紫外分光光度计[11]。

3 结果与分析

3.1 土地整治对土壤有机质的影响

3.1.1 治沟造地前后对土壤有机质影响

治沟造地前后土壤有机质含量的变化(图1)。由图1可见，研究区土壤有机质含量治沟造地后较之前都有所提升，变幅在0.41～2.32 mg/g；宝塔区羊圈沟提升了28.38%，顾屯提升了75.78%，麻洞川提升了72.53%；安塞闫桥片区土壤有机质提升了20.71%；子长县采样区土壤有机质平均提升了0.315 mg/g，子长九玉沟提升了16.73%，南郑沟提升了11.28%。

图1 治沟造地前后土壤有机质含量的变化

对研究区土壤活性有机质含量进行差异性分析，结果见表1，治沟造地前后土壤有机质含量差异非常显著，说明治沟造地对提升土壤的有机质具有明显促进作用。

表1 研究区治沟造地前后土壤有机质含量差异性分析

3.1.2 不同整治年限对土壤有机质的影响

研究区域治沟造地不同年限土壤有机质含量变化见表2，宝塔区治沟造地项目采样区土壤有机质整治后较整治前平均提升了1.71 mg/g，提升幅度约为58.90%；安塞区采样区土壤有机质平均提升了1.69 mg/g，提升幅度约为20.71%；子长县采样区土壤有机质平均提升了0.315 mg/g，提升幅度约为14.01%。土壤有机质提升情况5年>3年>2年。

表2 研究区域治沟造地不同年限土壤有机质含量变化

3.2 土地整治对土壤碳含量的影响

3.2.1 治沟造地前后对土壤有机碳的影响

治沟造地前后土壤有机碳含量的变化见图2。由图2可见，研究区土壤有机碳含量治沟造地后较之前有所提升，变幅在0.05～0.80mg/g；宝塔羊圈沟土壤有机碳提升了0.19‰，顾屯提升了1.48‰，麻洞川提升了1.09‰；安塞闫桥片区土壤有机碳提升了0.52‰；子长九玉沟提升了0.19‰，南郑沟提升了0.09‰。

图2 治沟造地前后土壤有机碳含量的变化

对研究区土壤有机碳含量进行差异性分析，结果见表3，治沟造地前后土壤有机碳含量差异显著。治沟造地有利于土壤有机碳含量的提升。

表3 研究区治沟造地前后土壤有机碳含量差异性分析

3.2.2 不同整治年限对土壤有机碳的影响

研究区域治沟造地不同年限土壤有机碳含量变化见表4。宝塔区治沟造地项目采样区土壤有机碳整治后较整治前平均提升了0.50 mg/g，提升幅度约为9.19%；安塞区采样区土壤有机质平均提升了0.42 mg/g，提升幅度约为5.15%；子长县采样区土壤有机质平均提升了0.08 mg/g，提升幅度约为1.36%。土壤有机碳提升情况5年>3年>2年。

表4 研究区域治沟造地不同年限土壤有机碳含量变化

3.2.3 治沟造地前后对土壤活性有机碳的影响

治沟造地前后土壤活性有机碳含量变化见图3。由图3可知，研究区域治沟造地后土壤活性有机碳含量均高于治沟造地前，变幅在0.12～0.77 mg/g；宝塔羊圈沟土壤活性有机碳提升了37.50%，顾屯提升了61.11%，麻洞川提升了107.57%；安塞闫桥片区土壤活性有机碳提升了17.15%；子长九玉沟提升了17.02%，南郑沟提升了187.01%。

图3 治沟造地前后土壤活性有机碳含量的变化

对研究区土壤活性有机碳含量进行差异性分析，结果见表5，治沟造地前后土壤活性有机碳含量差异显著，可见治沟造地工程有助于提高土壤活性有机碳含量。

表5 研究区治沟造地前后土壤活性有机碳含量差异性分析

3.2.4 不同整治年限对土壤活性有机碳的影响

研究区域治沟造地不同年限土壤活性有机碳含量变化见表6。宝塔区治沟造地项目采样区土壤活性有机碳整治后较整治前平均提升了0.54 mg/g，提升幅度约为70%；安塞区采样区土壤活性有机碳平均提升了0.42 mg/g，提升幅度约为17.15%；子长县采样区土壤活性有机碳平均提升了0.05 mg/g，提升幅度约为69.87%。土壤活性有机碳提升含量5年>2年>1年，提升幅度5年>1年>2年。

表6 研究区域治沟造地不同年限土壤活性有机碳含量变化

3.3 土壤有机质与土壤碳含量的关系

治沟造地后研究区域土壤有机质、有机碳和活性有机碳散点图见图4，从图4中可以看出，三者变化趋势基本一致。经相关分析(表7)，土壤有机质与有机碳、活性有机碳呈显著正相关关系，具有高度一致性。

图4 治沟造地后土壤有机质、有机碳和活性有机碳含量

表7 研究区域土壤有机质、有机碳和活性有机碳的相关性

4 讨论

有研究表明，土壤耕作层的熟化1 cm厚需要400年的沉积[12]。治沟造地工程中的土地平整工程剥离了表层土壤，但短时间内增加了土壤有机质含量、养分状态等，这和前人的研究成果一致[13～17]。如若在工程设计过程中利用剥离表土回填技术，可以加快土壤熟化进程。

治沟造地工程包含的田间道路工程、灌溉与排水工程以及农田防护与生态保护工程措施，伴随着生产条件的改善，利于作物生长和生物量的积累；农田防护与生态保护工程的实施增加了林地面积，利于形成农田防护生态林系统的形成，对维护生态系统平衡、保持水土、保障生态安全有积极作用[18]。探讨治沟造地工程措施对土壤有机质及土壤碳含量的影响，可揭示治沟造地措施下土壤环境质量的变化。土壤有机质及碳含量影响着作物产量[19～21]，土壤活性有机碳是土壤有机碳库中对物理、化学等各种干扰因素响应最为敏感的组分，在土壤养分循环中起着重要的作用[22]，在实际生产中，治沟造地项目区可以因地制宜，采用秸秆还田、合理配施有机肥，提高农业废弃物肥料化利用率，可有效提高整治后土壤有机质及碳含量，改善土壤肥力。本次研究中土壤样本较少，不能更全面的分析治沟造地对土壤造成的影响。从目前实验结果来看，治沟造地工程对提高土壤环境质量指标有促进作用，深入研究土壤有机质及碳含量与土壤环境质量指标的关系对于评价治沟造地工程措施土壤环境质量功能、指导实际生产等方面具有重要意义。

5 结论

(1)延安治沟造地工程实施后，土壤有机质含量升高，变幅在0.41～2.32mg/g；针对土壤有机质提升水平，整治年限5年>2年>1年。

(2)土壤有机碳含量有一定程度升高，0.05～0.80 mg/g；针对土壤有机碳提升水平，整治年限5年>2年>1年。

(3)土壤活性有机碳有一定幅度的提高，变幅在0.12～0.77mg/g；土壤活性有机碳提升含量5年>2年>1年，提升幅度5年>1年>2年。

(4)土壤有机质、有机碳和活性有机碳三者变化与施工前差异显著，经相关性分析，土壤有机质、土壤有机碳、活性有机碳呈显著正相关关系。可见治沟造地工程有助于提高土壤有机质和碳含量。