陕北沙地改良中土壤肥力变化

张 晖, 马超群， 赵永华， 解 蕾

(1.陕西省土地整理中心，陕西西安 710000；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054)



陕北沙地改良中土壤肥力变化

张 晖1, 马超群2， 赵永华2， 解 蕾1

(1.陕西省土地整理中心，陕西西安 710000；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054)

[目的]研究陕北沙地改良中土地肥力条件变化，为更好地促进农业生产提供依据。[方法]测定了陕北沙地、新改良地、多年耕种改良地和耕作熟地中土壤水分、温度及有机质、全氮、速效磷、速效钾和全盐含量等指标，分析了土壤肥力变化状况。[结果]土壤水、温与改良状态和灌溉方式有较高相关性，呈现出无灌溉设施的改良地高于沙地，无覆膜有灌溉设施的田块高于无灌溉设施田块，覆膜田块高于未覆膜田块；改良地的有机质、全氮、速效钾、全盐等养分指标含量均优于未改良沙地，且除速效磷外，各养分指标呈随农业利用历史增长而增加的趋势。[结论]通过改良可以有效改善陕北沙地土壤质量，提高肥力；合理的农业生产措施可以进一步提高改良地土壤肥力水平。

沙地；土壤肥力；土壤养分；土壤水分；陕北

近年来，随着能源开发及工业化、城镇化进程的加快，陕北长城沿线风沙区社会经济发展迅速，临近城镇区域大量耕地被占用，农业生产基础受到较大影响。因此，增加农业生产用地面积，提高土地生产能力，成为该区域保障粮食产量的必要条件。同时，该地区面临严重的沙漠化威胁，建国后开展了大规模的沙地整治工作，取得了突出的效果。但是陕北长城沿线风沙区土质疏松，保水性差，水肥流失严重，严重影响作物产量。如何通过技术措施减少土壤水分无效蒸发和下渗，通过保水提高土壤肥力已成为该地区农业生产发展的核心[1]。

目前，关于陕北沙地利用的研究已取得了大量成果，但是受区域生态脆弱性的影响，多集中于生态保护与农业资源合理利用的理论构建和宏观规划[2-6]，这些研究主要基于解决制约农业发展的外部因素，对于提高土地生产能力及保障粮食生产具有重要作用[7-8]。传统土壤养分研究偏重于利用方式稳定、连续性较强的土地。虽然近年来砒砂岩与沙复配成土技术[9-12]成为沙地整治和改良研究的新热点，但是对于传统垫土改良的方式土壤肥力条件变化关注较少。在陕北沙地整治过程中，覆土改良仍是土地整治的主要方式。笔者通过对不同土地类型土壤水分、温度、养分条件进行对比观测，研究传统沙地改良方法对土壤肥力的影响，以期为促进当地农业可持续发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况陕北沙地区地处陕西黄土高原北部、毛乌素沙地东南缘，包括榆林市长城沿线的定边、靖边、横山、神木、府谷和榆阳6县(区)及佳县的极小部分，总面积约2.03万 km2。区域内地势平坦，属典型的中温带大陆性气候，多年平均降雨量316～445 mm，年蒸发量高达2 000 mm以上，降水变率大，极易发生干旱，大小旱情年均3.4～4.1次/a[13]；土质松散，透水性强，降水易蒸发、下渗，淋溶作用强烈，土壤贫瘠。干旱的气候及水资源的贫乏是制约该区域沙地土地整治与开发利用的瓶颈，仅靠降水难以满足作物生长需求，节水灌溉技术是该区域解决这一瓶颈的主要途径[14]。

1.2样地选取研究内容包括水分、温度观测和养分观测。其中，土壤水分、温度观测分别在榆阳区和靖边县沙地和改良地进行。改良地包括无灌溉措施改良地、喷灌地、滴灌地、地膜覆盖地等不同节水技术方式下的地块。观测时间分别为2014年5月和8月。土壤养分观测在榆阳区和靖边县分别选择沙地、实施覆土、节水技术的改良地进行观测，并在靖边县取土区熟地进行养分对比观测。改良地通过机械推沙和人工平整垫50 cm厚黄土，并配套灌溉措施，其中榆阳区样地为改良后第1年用于生产，靖边县样地为投入农业生产5年的改良后沙地。

1.3测定项目与方法水分观测土层为0～30 cm，采用TRIME TDR法观测。土壤养分观测以随机方式进行采样，取样土层为0～30 cm，分别对沙地、改良地和对照耕地的有机质、全氮、速效磷、速效钾、全盐含量及pH等指标进行观测。土样检测中，有机质含量用重铬酸钾外加热氧化法测定；全氮含量用半微量凯氏法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提，原子吸收法测定；速效磷含量采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定[15-17]。

1.4数据统计数据录入及分析采用统计Excel和SPSS 19.0软件。

2　结果与分析

2.1土壤含水量与土壤温度通过对榆阳区样地内26个观测点进行分析，结果表明，各地块的土壤含水量从大到小依次为地膜+滴灌地块、软管滴灌地块、喷灌地块、未灌溉改良地块、沙地；温度从高到低依次为沙地、未灌改良地块、喷灌地块、软管滴灌地块、地膜+滴灌地块(图1)。

图1　榆阳区各采样点的土壤含水量与土壤温度Fig. 1　The soil water content and temperature of different sampling plots in Yuyang District

对靖边县样地内15个观测点进行分析，发现土壤含水量和土壤温度与榆阳区样地有所不同，但土壤含水量和土壤温度在各地块间的变化趋势与榆阳区一致(图2)。

图2　靖边县各采样点的土壤含水量与土壤温度Fig. 2　The soil water content and temperature of different sampling plots in Jingbian District

按节水灌溉技术方式对采样点进行分组，进行一维方差分析。结果表明，改良地不同节水灌溉方式下土壤含水量和土壤温度指标差异较大，组间差异显著(F含水量=32.310 4,P=5.4E-10;F温度=17.932 8,P=1.0E-7)，说明节水灌溉方式对土壤含水量与热量指标有直接影响。

通过进一步对节水灌溉技术、土壤含水量和土壤温度进行相关性分析，结果表明(表1)，灌溉技术方式与土壤含水量和土壤温度之间有显著相关性，相关性达到0.601；而土壤含水量与土壤温度之间具有明显的相关性，相关性指标达到-0.490。对靖边县土样数据进行分析，发现结果与榆阳区基本一致。

通过对榆阳区土壤含水量、温度数据进行分析，发现改良地的水温条件明显优于沙地。背景沙地土壤含水量平均值仅为3.50%；改良地含水量显著提高，其中以滴灌+地膜地块含水量最高，平均为20.90%，两者相差近6倍。背景沙地土壤温度平均值为22.50 ℃，改良地土壤温度显著降低，其中覆膜类地块最低，平均温度为18.95 ℃。而靖边县样地中背景沙地含水量平均值仅为5.45%，改良后的未灌溉地含水量有较大提高，达6.76%，有灌溉设施的地块含水量进一步提高，平均值最高达到32.36%。由此可见，不同节水灌溉方式的地块的土壤含水量表现为：无灌溉设施的改良地高于沙地，无覆膜有灌溉设施的田块高于无灌溉设施田块，覆膜田块高于未覆膜田块。

表1榆阳区不同灌溉类型土壤含水量和温度的相关性分析

Table 1Correlation analysis between soil water content and soil temperature in different irrigation types of plots in Yuyang District

指标Index灌溉类型Irrigationtype土壤含水量Soilwatercontent土壤温度Soiltemp-erature灌溉类型Irrigationtype1.000土壤含水量Soilwatercon-tent0.601**1.000土壤温度Soiltemperature-0.429*-0.490**1.000

注：*表示在0.05水平差异显著；**表示在0.01水平差异极显著。

Note: * indicated significant differences at 0.05 level; and ** indicated extremely significant differences at 0.01 level.

陕北沙地区原风沙土主要由砂粒组成，通气性好，水分易流难存，含水量低，热容小，土壤升温快，降温迅速，土壤理化条件变幅大。这说明在陕北沙地采用节水灌溉措施是提高土壤含水量、缓解旱情的重要措施。沙地改良后的节水技术可分成灌溉和保水两方面，采用节水灌溉的方式可使水分更有效地到达作物根系，被作物吸收利用，表膜和地膜等保水措施可以减少土壤水分的无效损耗，进一步提升节水灌溉的效果，二者相辅相成共同使用可以极大地改善沙地农业土壤生产条件[18]，促进土壤良性发展。

2.2土壤养分含量土壤养分观测共取样38个，其中榆阳区改良地样地取样16个，靖边县改良地样地取样6个，靖边县客土源地区耕地取样16个。由表2可知，各样地土壤有机质含量最低为0.740 g/kg，最高为9.410 g/kg，有机质含量水平差异较大。沙地、新改良地、多年耕种改良地、耕作熟地之间有机质平均含量的比值为1∶1.66∶3.15∶5.80。各样地全氮含最低为0.010 g/kg，最高为0.096 g/kg，全氮平均含量水平从大到小依次为耕作熟地、多年耕种改良地、新改良地、沙地；速效钾在各样地的含量水平与有机质和全氮的分布特征相似，但其最小值及最小平均值均出现在新改良地中，分别为1.730和4.590 mg/kg，最大值出现在耕作熟地，除沙地外，在农业用地类型中仍呈现出养分指标随耕种时间延长而增加的趋势。速效磷最高为79.940 mg/kg，最低为1.650 mg/kg，其平均含量表现为农业用地高于未改良沙地，而在农业用地类型内则呈现不同变化趋势，平均含量从高到低依次为新改良地、多年耕种改良地、耕作熟地、沙地，这可能是由于人工施肥和农作物长期吸收所导致的养分水平差异。全盐含量最高为1 090.000 mg/kg，最低为342.500 mg/kg，其在各样地内的分布特征与速效磷一致，但在改良后的地块变幅较小，改良地的盐分含量水平高于未改良地，说明沙土通透性强、养分易流失的缺点得到了改善[8]。

表2　各类型样地土壤养分含量比较

注：新改良地在榆阳区；多年耕种改良地和耕作熟地在靖边县。

Note: Newly improved land was in Yuyang District; and improved land after years of farming and cultivated land were located in Jingbian County.

通过对各样地土壤养分含量进行分析可知，农业用地地块各养分指标均优于未改良沙地，而在农业用地类型中，改良地与耕作熟地相比，改良地土壤肥力水平偏低，土壤中有机质含量、磷含量明显不足，是影响土地质量的限制因素。主要是由以下原因形成：一方面，平整后铺垫的客黄土属生土，缺乏肥力积累，养分含量水平低下；另一方面，新改良地未经耕种，生物作用弱，有机质含量少，养分含量低。同时，采用国家土地复垦技术标准中土壤肥力指标进行对比，发现改良地土壤肥力属于低肥力土地，长期耕作熟地可达到中肥力土地。这些问题在生产初期会对产量造成一定影响，但沙土地通过垫土改良后，有效改善了土壤通透性能，从而使土壤的肥力水平得到持续提高。农业生产活动则继续通过长期的有效灌溉、施肥，对土地不断投入，土壤中有机质、氮、磷、钾含量提升显著，肥力水平得到持续提升[8]。新改良地、多年耕种改良地和耕作熟地之间的养分变化趋势也证明了这一点，说明合理的农业生产活动有利于土壤改良。

3　结论与讨论

(1)该研究通过对沙地区域改良和未改良的样地进行观测，结果表明：①陕北长城沿线风沙区背景沙土中含水量、土壤温度和土壤养分含量均低于改良地，通过改良可有效改善沙土土质疏松、通透性强、保水保肥能力差的缺点；②在改造后的地块中，采用不同节水措施会使土壤水、温条件产生较大差异，采用先进灌溉技术，减少沙土无效下渗的同时，防止土壤水分蒸发是提高土壤含水量的重要措施；③长期合理的农业利用可以提高土壤中有机质、氮、速效钾及全盐等养分的含量，显著提高改良地肥力水平，缩小与耕作熟地之间的养分差距。

(2)陕北沙地区域地形平坦，具有较丰富的地下水资源，经过合理规划和布局后，预计每年均可为陕西提供 0.3～0.5 万 hm2补充耕地。然而，风沙土主要由砂粒组成，通气性好，有机质含量低，土地生产能力弱，成为限制区域土地资源开发的重要因素之一。通过客土覆土改良后，土壤中细砂粒比重降低，黏粒含量明显增加，胶结能力增强，有效改善了土壤的通透性能，从而使土壤的保肥、保水能力显著提高。这为新改良地的利用创造了有利的水肥条件。陕北沙地区域是典型的干旱半干旱区域，水资源严重短缺成为另一制约因素。较之传统的渠灌、井灌，固定式喷灌、半固定式喷灌和滴灌等节水技术的节水效率达到45%、38%和70%，同时辅以地膜覆盖、膜上灌水等防渗、防蒸发措施可以在同等生产条件下减少水资源消耗[19]，保证土壤含水量。水肥协调能够促使上层客黄土与风沙土得到良好的结合，随着作物的生长，植被盖度不断提高，可使土壤表层水分蒸发减少；植物地下根系不断扩展以及桔梗还田等恰当的培肥措施，可使土壤得到进一步的发育，土壤有机质、全氮和速效氮含量显著提高。对沙土地进行改良是一项长期系统工作，因地制宜推广节水技术，增施有机肥、培肥地力，优化施肥结构、测土施肥等技术手段不可或缺。同时，促进土地流转，创新土地整治融资体制，探索集中开发、集团经营，筛选有效激励机制等制度手段也至关重要。对该地区环境友好的新开发模式进行系统研究，并进而从深层次解释如何实现人类活动和荒漠化区域资源开发之间的协调、平衡，使土地改良技术更加科学合理，并有利于推广，是未来陕北沙地区域土地资源的研究方向。

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Changes of Soil Fertility in the Improved Sandy Land in North of Shaanxi Province

ZHANG Hui1, MA Chao-qun2, ZHAO Yong-hua2et al

(1. Center for Land Consolidation of Shaanxi Province, Xi’an, Shaanxi 710000; 2. China College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054)

[Objective] To research the changes of soil fertility condition in sandy land improvement of north of Shaanxi Province, and to provide references for the better promotion of agricultural production. [Method] Sandy land in north Shaanxi Province, newly improved land, improved land after years of farming, and cultivated land were collected to detect the indexes of soil water, temperature, organic matter, total nitrogen, rapidly-available phosphorus, rapidly-available potassium,total salt and so on. The change status of soil fertility was analyzed. [Result] Soil water, temperature and improved status had relatively high correlation with irrigation method, showing that the improved land with no irrigation facility was higher than the sandy land. Land with irrigation facility but no membrane was higher than that with no irrigation facility; land with membrane was higher than that with no membrane. Contents of nutrient indexes (organic matter, total nitrogen, rapidly available potassium, total salt and so on) of the improved land were superior to the unimproved sandy land. Except the rapidly-available phosphorus, nutrient indexes enhanced along with the historical growth of agricultural use. [Conclusion] Soil quality of sandy land in north Shaanxi Province is effectively improved; and the fertility is enhanced. Reasonable measures of agricultural production can further enhance the fertility level of improved soil.

Sandy land; Soil fertility; Soil nutrients; Soil water content; North of Shaanxi

陕西省国土资源厅沙地整治节水灌溉研究项目(214029140

张晖(1966- )，男，陕西榆林人，高级工程师，从事土地整理、土地利用研究。

2016-07-25

S 158

A

0517-6611(2016)22-145-04

183)；教育部项目(12XJC840001)；中央高校基金项目(2013G6274063，2013G1271094)。