东北黑土区坡面涝渍对土壤养分的影响

罗广惠　马富亮　符素华等

摘要

[目的]研究东北黑土区坡面涝渍地季节性渍水对土壤养分的影响。[方法]选取不同坡面上5组涝渍地和与涝渍地相邻的坡耕地为研究对象，对它们的化学性质进行测定，采用ttest评判涝渍土壤与耕作土壤养分含量差异，并且用Pearson相关性分析说明土壤含水量对土壤养分的影响。[结果]与耕作土壤相比，涝渍土壤全氮含量高出约19%，铵态氮含量高3.6倍，而硝态氮含量低约51%；涝渍土壤与耕作土壤相比全磷含量差异不显著，而有效磷含量低约26%；涝渍土壤与耕作土壤全钾及速效钾含量差异不明显，缓效钾含量低约11%。通過相关分析，发现土壤含水量与有机质、全氮、铵态氮、速效钾含量显著正相关，与pH、硝态氮含量、缓效钾含量显著负相关，与全磷、有效磷、全钾含量相关性不显著。[结论]涝渍土壤养分潜力、有效性都较高，土壤养分的形态、含量受涝渍的影响较大。改善坡面涝渍的水分状况将有利于土壤养分的进一步释放，达到涝渍土壤改良的效果。

关键词 涝渍土壤；耕作土壤；土壤含水量；土壤养分；东北黑土区

中图分类号 S151.9+5 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-095-04

Effects of Waterlogging on Soil Nutrient on the Gentle Slope Zone in the Black Soil Region of Northeast China

LUO Guanghui， MA Fuliang， FU Suhua et al

（State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， School of Geography， Beijing Normal University， Beijing 100875）

Abstract [Objective] The study aims to study the effects of waterlogging on soil nutrient on the gentle slope zone in the black soil region of Northeast China. [Method] Soil water and chemical properties of the waterlogged soil and adjacent normal cultivated soil were measured and analyzed. [Result] Comparing to cultivated soil， the contents of total nitrogen and ammonia nitrogen of waterlogged soil were 19% and 360% higher respectively， while， nitrate nitrogen content was 51% lower. Total phosphorus content had no obvious difference in and out waterlogged land， but waterlogged soil had 26% less available phosphorus. Total potassium and rapidly available potassium contents of waterlogged soil had no obvious difference with cultivated soil.While in the waterlogged land， slowly available potassium contents was 11% lower. Correlation analysis showed that soil water content had significantly positive correlations with contents of 0， total nitrogen and ammonia nitrogen， rapidly available potassium. And it had negative correlations with pH， contents of nitrate nitrogen. [Conclusion] Overall， the potential of waterlogged soil nutrients was higher. And waterlogging had obvious effects on soil nutrient.

Key words Waterlogged soil； Cultivated soil； Soil water content； Soil nutrient； Black soil region of northeast China

涝渍地是易涝易渍耕地的简称，通常指常年、经常性或季节性滞水的农业用地[1]。涝渍会引起土壤氧气不足，严重影响作物生长[2]。涝渍现象普遍存在于东北黑土区，主要分布在松嫩-三江平原和广大丘陵漫岗地，严重威胁垦区的农业生产，造成粮食丰产不丰收、单产不高、总产不稳的现象。分布在丘陵漫岗地的涝渍地又称坡湿地[3]，即坡面涝渍地或“尿炕地”。坡面涝渍地通常是季节性渍水，尤其是在春播与秋收时节，渍水严重[4]。涝渍地零星分布于大面积的坡耕地中，大小一般在0.67～60.00 hm2之间[5]，不仅影响作物生长，而且使农业机械不能连续作业，给播种、田间管理、收获带来不便。

土壤渍水会改变土壤的气、热状况，形成还原性环境。这种环境又会影响到土壤养分的形态转化及含量变化。目前，国内学者研究表明，水稻土、沼泽土等土壤含水量会影响土壤氮、磷、钾素的形态及含量变化。黄东迈等[6]通过对水稻土铵态氮含量动态监测，发现土壤铵态氮和硝态氮转化与土壤氧化还原状况有很大的关系。赵振达等[7-8]研究表明，土壤含水量会影响土壤氨挥发损失过程。众多研究表明，酸性土壤淹水后土壤磷的有效性会提高[9-10]。史建文等[9]通过设置不同土壤含水量对钾素固定的试验，发现高含水量会使土壤固钾作用减弱，钾的有效性提高。

目前的研究多是针对低地平原渍水土壤，且这些研究多涉及两种以上不同的土壤类型，就同一土壤类型下渍水对土壤养分的影响研究较少。东北黑土区坡面涝渍土壤与周围耕作土壤同属于黑土，只是涝渍土壤含水量较周围耕作土壤高，尤其是在春、秋季节，但是目前尚缺乏针对同种土壤类型下季节性渍水的坡面涝渍地和与其相邻坡耕地的土壤养分差异的对比研究。弄清坡面涝渍土壤与耕作土壤之间的养分差异，对研究坡面涝渍对土壤养分的影响以及坡面涝渍地的治理具有现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于东北黑土区黑龙江省九三农垦分局鹤山农场（125°16′E，48°58′N）的鹤北小流域（图1），地处小兴安岭西南麓丘陵漫岗地带，地形起伏和缓，坡度一般为1°～3°，部分耕地坡度在3°～6°之间，坡长较长，一般达1 000～2 000 m，也有坡长超过3 500 m的，当地人称之为“漫川漫岗”。该区气候属寒温带大陆性半湿润气候区，年平均气温为0 ℃，年降水量在550 mm左右，降雨集中于夏季。该区属于典型黑土区，目前坡耕地黑土层厚度和犁底层深度在30～60 cm之间。自然植被以草原化草甸植物为主，分布散片的天然次生林，多数为柞树林。自1955年后该区黑土被开垦为农田，主要种植大豆、玉米和春小麦。坡面涝渍地一般位于坡面的中上部。涝渍地土壤剖面中一般存在质地黏重的隔水层[4]，土壤渗透性弱，持水能力强，易导致表层土壤过湿成涝，使得涝渍地内难以种植农作物，或种植作物后作物淹水生长不良，一般为荒草地。

图1 鹤北小流域涝渍地空间分布

1.2 材料

通过野外调查，在鹤北小流域不同坡面上选取5块典型坡面涝渍地LZD81、LZD83、LZD84、LZD86、LZD73（图1）。在选定的每组坡面涝渍地和与其相邻的坡耕地内按照“十”字形进行布点取样。图2 为其中一组坡面涝渍地LZD83与坡耕地土壤养分测定采样点图。在每块涝渍地内布5个采样点，在涝渍地周围坡耕地内不同的方位布4个采样点，每组坡面涝渍地与坡耕地布9个采样点，5组，共45个采样点。2012年8月在各采样点耕层用四分法取土。一份经风干、研磨、过筛后保存，于2012 年12月～2013年6月测定土壤pH、有机质、全氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾和缓效钾；另一份直接放在冰箱（4 ℃）内保存，用于测定铵态氮和硝态氮。同时，在7～9月，在这些点采样3次，用于测定土壤含水量。另外，在LZD81、LZD84两组坡面涝渍地及与其相邻的坡耕地内进行网格布点，监测土壤含水量动态变化。图3为涝渍地LZD81土壤水分监测布点图。在2012～2014年4～9月份，每隔约10 d采样1次，测定土壤含水量。

1.3 测试方法

根据土壤农化分析[5]以及北京师范大学分析测试中心资料，对土样进行测试。土壤含水量用烘干法测定；土壤pH用电位法测定；有机质含量用重铬酸钾容量法测定；全氮含量用半微量开氏法测定；铵态氮含量用靛酚蓝比色法测定；硝态氮含量用酚二磺酸比色法测定。全磷、全钾含量用酸解ICP光谱法测定；有效磷含量用碳酸氢钠浸提比色法测定；速效钾含量用NH4OAc浸提火焰光度法测定；缓效钾含量用热硝酸浸提火焰光度法测定。

43卷15期 罗广惠等 东北黑土区坡面涝渍对土壤养分的影响

1.4 数据处理

应用统计软件（Excel、SPSS等）和Origin软件，对测定的土壤养分数据进行数据处理、统计分析和图表制作，得到涝渍土壤与耕作土壤含水量、土壤养分含量状况。采用IndependentSamples ttest，评判涝渍土壤与耕作土壤养分含量差异是否具有统计意义。采用 Pearson 相关性分析，说明土壤含水量与土壤氮、磷、钾等养分含量的相关性。对两组坡面涝渍土壤及与其相邻的耕作土壤含水量动态监测数据进行统计，得到坡面涝渍土壤与耕作土壤含水量季节变化。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量差异

由图4可知，2012～2014年坡面涝渍土壤含水量明显高于耕作土壤， 4～10月份坡面涝渍土壤含水量平均值为34.95%，而耕作土壤含水量平均值为2855%，涝渍土壤含水量比耕作土壤高出22.38%。涝渍土壤含水量季节变化明显，其土壤水分变化过程可分3个时期：①春季至夏初（4、5月份）土壤含水量为35.31%～3725%，土壤含水量较高，为土壤融湿期；②在夏季及初秋（6～8月）由于土壤水分蒸发强烈，土壤含水量下降，为2949%～3096%，是土壤低湿期，但其含水量依然远高于坡耕地土壤；③秋季（8～10月）土壤含水量再次上升，为3793%～44.13%，是土壤的聚湿期，涝渍地内渍水严重。这说明该区坡面涝渍地有明显季节性渍水现象，尤其在春、秋季节渍水严重。这与乔樵等[4]研究结论基本一致。

图4 坡面涝渍土壤与耕作土壤含水量季节变化

2.2 土壤养分含量差异

2.2.1

氮素。由图5可知，涝渍土壤全氮含量高于耕作土壤。由表1可知，涝渍土壤与耕作土壤全氮含量均值分别为2.65和2.23 g/kg，涝渍土壤比耕作土壤全氮含量高约19%。ttest结果也显示，二者土壤全氮含量差异在0.05水平显著。铵态氮和硝态氮是植物可以直接吸收利用的速效氮。图5还表明，涝渍土壤铵态氮含量较高，而耕作土壤硝态氮含量较高，涝渍土壤与耕作土壤铵态氮含量的平均值分别为8.47和1.84 mg/kg，澇渍土壤比耕作土壤高3.6倍，硝态氮含量的均值分别为1.53和3.13 mg/kg，涝渍土壤比耕作土壤低51%左右。ttest结果显示，涝渍土壤与耕作土壤铵态氮及硝态氮含量之间差异在0.01水平显著，即涝渍土壤与耕作土壤的氮素类型及含量差异在0.05水平显著，涝渍土壤全氮含量明显高于耕作土壤，速效氮素以铵态氮为主，硝态氮含量较少。

2.2.2

磷素。由图6可知，涝渍土壤全磷含量和有效磷含量都低于耕作土壤。涝渍土壤与耕作土壤全磷含量的均值分别为0.68和0.72 g/kg，涝渍土壤比耕作土壤低约5.6%。ttest结果表明，二者全磷含量差异不显著。耕作土壤的有效磷含量高达34.46 mg/kg，涝渍土壤为26.17 mg/kg，涝渍土壤有效磷含量比耕作土壤低26%。ttest结果表明，二者有效磷含量之间差异在0.01水平显著。可知，涝渍土壤的磷素含量相对耕作土壤较低。

2.2.3

钾素。由图7可知，相对于耕作土壤，涝渍土壤全钾、缓效钾含量均较低，而速效钾含量较高。由表1可知，涝渍土壤与耕作土壤土壤全钾含量均值分别为16.94和17.42 g/kg，二者差异不大。 ttest结果也表明，坡面涝渍地与坡耕地土壤全钾含量间差异不显著。涝渍土壤与耕作土壤速效钾含量都很高，属于极高等级，均值分别为254.12和244.10 mg/kg，ttest表明坡面涝渍地内外速效钾之间差异不显著。涝渍土壤缓效钾含量比耕作土壤低11%，均值分别为639.39和721.32 mg/kg，且ttest结果表明坡面涝渍土壤与耕作土壤缓效钾含量差异在0.01水平显著，即涝渍土壤与耕作土壤的全钾与速效钾含量差异不大，涝渍土壤的缓效钾含量较低。

2.3 土壤水分与土壤养分的相互关系

土壤水分变化会改变土壤的气、热状况，影响土壤pH、氧化还原条件，从而影响土壤有机质的分解过程。这些变化又会进一步影响土壤氮、磷、钾养分的形态转化及含量变化。通过对监测的土壤属性进行相关性分析，发现土壤含水量与pH、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、速效钾与缓效鉀含量间都存在0.05水平显著相关性，而与全磷、有效磷、全钾的相关性不显著。可见，土壤水分是影响养分变化的重要因素。

2.3.1

土壤水分对氮的影响。由表2可知，全氮含量与土壤含水量及有机质含量呈0.01水平显著正相关。土壤全氮以有机态氮为主，有机质含量高的土壤全氮含量也高；另外，干湿交替状况也是产生全氮水平分异的主要原因[11-12]。涝渍土壤含水量较高，有机态氮含量也较高，同时较长的淹水周期抑制了土壤脱氮过程的进行，使得涝渍土壤全氮含量较高。

由表2可知，土壤铵态氮含量与土壤水分呈0.01水平显著正相关，而硝态氮含量与土壤含水量呈0.05水平显著负相关。土壤铵态氮和硝态氮含量变化主要受到土壤水分、氧化还原环境、pH等因素的影响[13]。氧化还原状况是影响速效氮素的形态变化的主要因素。在氧化状态下土壤速效氮素以硝态氮为主，在还原状态下以铵态氮为主[6]。涝渍地土壤渍水使得土壤长期处于还原环境下，硝化作用受到抑制，而反硝化作用加强，使得涝渍土壤铵态氮含量上升而硝态氮含量下降。同时，土壤pH会影响硝化作用的进行。当土壤酸性较强时，土壤中硝化作用迟缓或无硝化作用[14]；涝渍土壤pH较低，硝化作用迟缓，土壤铵态氮向硝态氮的转化受阻。另外，土壤中铵态氮的损失途径包括氨挥发损失，而氨挥发过程受到土壤含水量的影响。当含水量适中（18%～25%）时，氨挥发最快，而当土壤水分过高（>30%）时，氨挥发较慢[7-8]。研究中，涝渍土壤含水量长期高于30%，氨挥发较慢。因此，涝渍使得土壤全氮、铵态氮含量上升，硝态氮损失严重。

2.3.2

土壤水分对磷的影响。由表2可知，土壤全磷、有效磷含量均与土壤含水量相关性不显著，而且涝渍土壤的全磷、有效磷含量均低于耕作土壤。然而，众多研究表明，在淹水条件下，由于土壤的氧化还原电位降低，磷酸高铁被还原为磷酸亚铁，同时由于酸性土壤淹水pH升高，FeP、AlP溶解度增加，土壤中磷的有效性会提高[15-16]。研究中涝渍土壤全磷和有效磷含量低于耕作土壤主要是受耕作施肥的影响，鹤山农场坡耕地N、P2O5、K2O施肥配比约为1.0∶1.3∶0.3[17]，磷肥比例最大。在长期大量的磷肥施用下，耕作土壤全磷、有效磷含量升高。另一方面，土壤pH是影响土壤磷素有效性的重要因素。研究中，土壤有效磷含量与pH呈显著正相关，涝渍土壤pH相对坡耕地降低，不利于土壤磷酸铁的水解作用，抑制涝渍土壤磷有效性的提高。

2.3.3

土壤水分对钾的影响。由表2可知，土壤含水量与全钾含量相关性不显著，与速效钾在0.05水平显著正相关，与缓效钾在0.01水平显著负相关，因此涝渍土壤缓效钾含量降低，速效钾含量升高，而涝渍土壤与耕作土壤全钾含量差异并不显著。涝渍对土壤全钾含量的影响不大是由于土壤中全钾以矿物晶格中的钾为主，与土壤含水量的相关性不大。但是，土壤含水量直接影响钾素的固定和释放[9-10]。当水分含量较高时，矿物膨胀，晶间钾与溶液间钾可自由交换，不易被固定，被固定的缓效钾较少。同时，在淹水还原条件下土壤溶液中有大量的可溶性 Fe2+和Mn2+，能从黏土复合体中取代出交换性钾，促使缓效钾转化为速效钾。因此，涝渍能促进土壤钾素的释放，使得涝渍土壤的缓效钾含量降低，速效钾含量升高。

3 结论与讨论

根据涝渍土壤与耕作土壤养分含量差异的分析以及土壤含水量与氮、磷、钾的相关性分析，可以得出东北黑土区季节性渍水引起的坡面涝渍对土壤养分的影响。

（1）研究区坡面涝渍土壤全氮含量明显高于耕作土壤，涝渍土壤的速效氮以铵态氮为主，几乎不含硝态氮。土壤含水量与全氮、铵态氮呈显著正相关关系，与硝态氮呈显著负相关关系。涝渍对氮素含量变化和形态转化的影响较大。

（2）研究区耕作土壤与涝渍土壤全磷含量无明显的差异。受施肥的影响，耕作土壤有效磷含量远远大于涝渍土壤。相关性分析表明，土壤含水量与全磷、有效磷含量的相关性不大。

（3）研究区坡面涝渍土壤与耕作全钾的含量差异不大。土壤含水量对速效钾和缓效钾转化的影响较大。涝渍土壤缓效钾含量明显低于耕作土壤，速效钾含量略高于耕地。涝渍使得钾的有效性提高。

总体上，季节性渍水对涝渍土壤养分的形态转化和含量变化的影响较大，涝渍土壤养分潜力很高，一些速效养分含量也较高。因此，涝渍对该区土壤养分的影响不是限制作物生长的主要因素，而水分变化引起的土壤物理性质以及氧化还原环境的改变有待于进一步研究。改善该区涝渍土壤水分状况，将有利于土壤有机养分的进一步释放，同时将改善土壤的物理性质及还原状态，有利于作物的生长以及机械耕作，从而达到坡面涝渍地土壤改良的效果。

参考文献

[1]

刘章勇，刘百韬，李必华，等. 江汉平原涝渍地的成因、演替与分异规律研究[J].农业现代化研究， 2003，24（1）： 24-28.

[2] DICKIN E，WRIGHT D.The effects of winter waterlogging and summer drought on the growth and yield of winter wheat （Triticum aestivum L.） [J].Europ J Agronomy，2008，28：234-244.

[3] 周学国，赵振，杜宪.黑龙江垦区涝渍成因及对作物危害的分析[J].黑龙江水专学报， 2004，31（3）：46-47.

[4] 乔樵，沈善敏，周绍权.东北北部黑土水分状况之研究Ⅰ.黑土水分状况的基本特征及其与成土过程的关系[J].土壤学报， 1963（2）： 35-51.

[5] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业科技出版社，2002.

[6] 黄东迈，李锡泾.水稻生长期间土壤中铵态氮素及亚铁的变化[J].土壤学报，1955，3（2）：83-89.

[7] 赵振达，张金盛，任顺荣.旱地土壤中氨的挥发损失[C]//中国土壤学会.我国土壤氮素研究工作的现状与展望，中国土壤学会土壤氮素工作会议论文集.北京：科学出版社，1986：46-54.

[8] 曲秀清.铵态氮肥在石灰性土壤中损失的研究[J].土壤肥料，1980（3）：31-35.

[9] 史建文，鲍士旦，史瑞和.耗竭条件下层间钾的释放及耗竭后土壤的固钾特性[J].土壤学报，1994，31（1）：42-48.

[10] 占丽平，李小坤，鲁剑巍，等.土壤钾素运移的影响因素研究进展[J].土壤，2012，44（4）：548-553.

[11] SMITH C M，TIEDJE J M.Phases of dentrification following oxygen depletion in soil[J].Biol Biochem，1979， 11：261-267.

[12] VERHOEVEN J A，WHIGHAM D F，KERKHOVERN M Y.Comparative study of nutrientrelated processes in geographically separated wetlands： Towards a science base for functional assessment procedure[M]//WILLIAM J M.Global wetlands： Old world and news.Columbus：ElSevier Press，1994：91-106.

[13] 慈恩，楊林章，倪九派，等.不同区域水稻土的氮素分配及δ15N特征[J].水土保持学报，2009，23（2）：103-108.

[14] 王岩，沈其荣，史瑞和.有机无机肥料施用后土壤生物量C，N，P的变化及N素转化[J].土壤学报，1998，35（2）：227-234.

[15] 鲁如坤.土壤磷化学研究进展[J].土壤学进展，1990（6）：1-5.

[16] 吴又先.土壤氧化还原过程及其生态效应[J].土壤学进展，1995，23（4）：32-37.

[17] 段兴武，赵振，刘刚.东北典型黑土区土壤理化性质的变化特征[J].土壤通报，2012，34（3）：529-534.