不同客土覆盖厚度对河滩地土壤养分分布的影响

张海欧, 张 扬

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司, 陕西 西安 710075; 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司自然资源部 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 710021)

土壤有机质和全氮是衡量土壤肥力整体状态的重要指标，其对土壤的物理、化学和生物性质的改善具有重要的作用[1-2]。土壤有机质含有植物生长需要的矿物养分和有机营养，是植物生长所必需营养元素的主要来源之一，其对土壤的结构性、保水保肥性、通气性、保墒性等主要特性具有重要的影响[3-4]。土壤中有机质的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[3-4]。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[2,5-6]。土壤有机质和氮素被列为土壤肥力评价的必需指标和土壤分析、实验室测定的常规指标，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[7-10]。

河滩地在我国各地区均有分布广泛[11]，作为一种重要的耕地后备资源。据有关数据统计仅陕西省境内可开发利用的此类型土地面积就达2.33×104hm2，主要分布在陕西的关中和陕南等地区[12]，该地区光照条件充足，降水量丰沛，地下水埋藏较浅，具备发展生态高值农田的环境条件。然而，河滩地土地主要是由砾石和砂砾组成，地表粗大砾石裸露，土地贫瘠、农作物根本无法生长，长期处于荒芜状态，整治开发利用难度极大。李娟等[13-14]经过长期科学研究及工程实践，发现通过客土覆盖的技术可将河滩地整治成农用地，并进行了工程示范。但是提升土地质量及提高耕作层稳定性等技术难题，仍困扰着河滩地的整治工作。目前，国内外在污损或工矿废弃地等方面对客土覆盖方式及土壤理化性质的研究较多[15-16]，而对于河滩地这种裸岩石砾土地类型的不同覆土厚度土壤的养分特征研究却鲜见报道。本文通过对旧河道河滩地土地整治中不同覆土厚度条件下土壤有机质和全氮的分布特征、动态变化趋势及两者间的关系进行了研究，以期揭示河滩地土地整治中不同覆土厚度下土壤碳氮的空间分布特征，不仅为这类土地的土壤肥力提升及土地整治提供技术支撑和理论依据，也对实现土壤资源的合理利用及其可持续发展具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

野外观测试验地点设置于渭南市富平县杜村镇(东经108°57′—109°26′和北纬34°42′—35°06′)，处于鄂尔多斯地台南边缘，与渭河地堑北边缘的斜坡地带。属于典型中暖温带大陆性气候，降水季节分配很不均匀，一年中几乎80%的降雨集中在夏季的6～83个月，期间日降水量≥50 mm的暴雨天气常有发生。干湿季节分明，干季长于湿季，春季风多，降雨较少，地表的蒸发量较大，土壤失墒快，春旱严重。全年蒸发量1 000—1 300 mm，是降雨量的2.0～2.3倍。6月蒸发量最大，为189.5 mm，12月最小，为44.9 mm。无霜期225 d，年平均气温13.4 ℃，夏季最高气温41.8 ℃，冬季寒冷干燥，最低气温-22.0～-10.0 ℃。当地的主要农作物为小麦、玉米和棉花等。

1.2 试验方法

建立1∶100比例的物理模型试验装置，包括模拟河道、灌溉渠、试验田和观测通道4个部分，试验装置布设6块试验田，即6个处理(见图1)，每块试验田面积为2.0 m×4 m，共占地48 m2。根据立地条件，考虑光照、微地形等因素的均一性，6块试验田采取自东向西“一”字型布设，先挖出2 m的深坑，分别填入相应厚度的砂石和客土，覆盖当地黄绵土厚度分别设为30，40，50，60，80，100 cm，模拟实地条件，客土以下分别填装170，160，150，140，120，100 cm厚度的砾石(80%)和沙土(20%)混合物，每个处理小区设有围挡，避免串水串肥。

图1 陕西省渭南市富平县杜村镇河滩地试验装置示意图

试验于2015—2017年执行，每年10月初进行冬小麦种植，次年的6月初收获。小麦种植与当地的农作措施保持一致，露地种植采取行播，行距15～20 cm，株距保持在1～2 cm，播深5～6 cm。所有小区均采用相同的灌溉与施肥处理，播种前1～2 d施入复合肥(N 90 kg/hm2; P 40 kg/hm2; K 75 kg/hm2)，并结合灌水在拔节期追施。灌溉时间和量，采用当地农民普遍采用的模式，根据天气情况、土壤水分状况，使0—60 cm土壤层的田间最大持水量保持在75%～80%。小麦收获后进行土壤样品采集，每个小区按对角线选取5点，每10 cm分层取样，按照各处理的土层厚度用土钻取土层混合土样，每个处理取3次重复土样，自然风干过筛后，用于理化性质的测定，并计算3 a试验结果的平均值，分析土壤养分的变化情况。土壤田间持水量采用室内环刀法测定，有机质采用重铬酸钾法测定，全氮利用全自动间断化学分析仪Cleverchem200(德国)测定。试验所用当地黄绵土的主要理化性质详见表1。

表1 陕西省渭南市富平县杜村镇黄绵土主要理化性质

2 结果与分析

2.1 不同覆土厚度下有机质分布

土壤有机质含量能够指示土壤肥力水平的状况，有机质含量高的土壤疏松、团聚体含量高、作物生长良好[17-18]。利用在裸岩石砾地表层覆盖客土的方式整治河滩地，土壤有机质含量在不同覆土厚度下随土层深度的变化特征见图2。不同覆土厚度下，土壤有机质含量均随土层深度增加呈现降低趋势，其中0—20 cm表层土壤的有机质含量最高，其与40—60 cm土层有机质含量相比最高可达4.63倍，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80，C100在0—20 cm土层的有机质含量分别占0—60 cm整个土层有机质含量的64%，60%，55%，57%，56%，58%。0—40 cm土层中土壤有机质的总含量的大小顺序为C60(42.76 g/kg)>C50(38.2 g/kg)>C40(33.9 g/kg)>C80(32.38 g/kg)>C100(29.79 g/kg)>C30(24.99 g/kg)，不同土层中客土覆盖厚度为50—60 cm的土壤有机质含量最高，且其中在0—40 cm土层中覆土厚度为60 cm(C60)，50 cm(C50)的有机质含量分别是覆土厚度为30 cm(C30)有机质含量的1.69，1.51倍。客土厚度为60 cm(C60)和50 cm(C50)平均有机质含量分别占0—10，10—20和20—40 cm各土层客土厚度有机质含量的39%，38%和41%，因此，不同土层中客土覆盖厚度为50—60 cm(C50和C60)的土壤有机质含量均高于其他覆土厚度类型。

2.2 不同覆土厚度下全氮变化特征

不同覆土厚度下，相同土层深度土壤全氮含量具有较大变化(见图3)。客土厚度为30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量随土层厚度增加呈显著减少趋势；客土厚度为50 cm(C50)和60 cm(C60)全氮含量也随土层加深而减少，但程度远低于C30和C40；而客土厚度为30 cm(C30)和40 cm(C40)的土壤全氮含量在0—40 cm土层中分布较为均匀。不同客土厚度0—20 cm表层土壤的全氮含量最高，不同覆土厚度C30，C40，C50，C60，C80和C100在0—20 cm土层的全氮含量分别占0—60 cm整个土层全氮含量的62%，61%，57%，56%，56%和55%。

注：C30，C40，C50，C60，C80，C100分别代表容土厚度为30，40，50，60，80，100 cm。下同。

图3 不同覆土厚度土壤全氮分布特征

同一土层的不同客土覆盖厚度下，土壤全氮含量具有显著差异(p<0.05)。客土厚度为60 cm(C60)的全氮含量明显的高于其他覆土厚度样地，该覆土厚度下0—10 cm浅表层土壤全氮含量高达1.079 g/kg，其含量是客土厚度分别为30(C30)，40(C40)，100 cm(C100)的2.05，1.46及0.68倍；其次，客土厚度为50 cm(C50)表层土壤全氮含量较高，0—10，10—20和20—40 cm各层土壤全氮含量为0.924，0.825，0.703 g/kg。不同客土厚度0—40 cm土层平均全氮含量表现为C60(0.953 g/kg)>C50(0.817 g/kg)>C80(0.760 g/kg)>C40(0.625 g/kg)>C100(0.581 g/kg)>C30(0.404 g/kg)，客土厚度为60 cm(C60)和50 cm(C50)平均全氮含量分别占0—10，10—20，20—40 cm各土层客土厚度全氮含量的42%，25%和26%，因此，不同土层中客土覆盖厚度为50—60 cm(C50，C60)的土壤全氮含量高于其他覆土厚度类型。

2.3 不同客土覆盖厚度有机质与全氮的相关性分析

由表2不同客土覆盖厚度0—40 cm土层土壤有机质与全氮分布的相关性分析可知，不同覆土厚度下0—40 cm土层土壤有机质与全氮呈正相关关系，且不同客土覆盖厚度下土壤有机质和全氮的相关性回归系数差异较大，说明不同覆土厚度有机质和全氮的相关程度不同。客土厚度为50 cm(C50)和60 cm(C60)试验样地的土壤有机质与全氮含量呈现出极显著(p<0.01)的正相关性，其相关系数分别为0.913，0.927；土壤有机质与全氮在客土覆盖厚度为C30，C40，C80和C100时具有显著的正相关性(p<0.05)，相关系数分别是0.639，0.789，0.884，0.851。因此，客土层厚度为50—60 cm时，有利于土壤有机质和全氮的积累，并且与其他覆土厚度类型相比，C50和C60覆土厚度下0—40 cm表层土壤有机质与全氮的平均含量最高。

表2 不同客土覆盖厚度0-40 cm土层土壤有机质与全氮分布的相关性

2.4 不同土层深度有机质与全氮的关系

随着新造土壤种植年限的增加，各土层土壤结构形成、养分含量积累情况差异较大，不同土层深度土壤有机质与全氮的相关性分析见图4，不同土层深度土壤有机质与全氮相关性大小不同，但都呈正相关性。当土层深度为0—10，10—20和20—40 cm时，土壤有机质与全氮含量相关性为极显著(p<0.01)，相关系数分别是0.911，0.839，0.946。由分析可知，0—40 cm表层土壤有机质与全氮呈现极显著的正相关关系，随着土层深度增加，有机质与全氮之间的相关性呈现出逐渐减少的趋势，当土层深度为40—60 cm时，相关系数为0.737，小于其他土层的相关性。

3 讨 论

土壤有机质和全氮是表征土壤肥力水平和评价土壤质量发育状况的重要指标[5]。雷建容等[17]、袁子茹等[18]分别对川中丘陵区、祁连山不同草地类型下不同土层深度土壤的空间分布状况进行了研究，发现土层深度对土壤养分含量具有显著影响(p<0.05)，表层土壤养分含量最高。本研究结果表明，不同覆土厚度下，土层深度与土壤有机质和全氮含量均呈现负相关关系，随着土层深度增加养分含量呈现减小的趋势，土壤有机质、全氮主要分布在表层土壤(0—30 cm)中，体现了明显的表聚性。这是由于试验作物玉米和小麦均为浅根系植物，其根系生长所需要的营养区在0—30 cm土层厚度，30 cm以下的土层是作物根系生长的固定区。而且在表层0—30 cm以上，枯枝落叶等调落物在土壤中累积，随着植物的根系分泌物进行逐渐分解，养分随之释放返回土壤，以此循环过程不断释放、积累养分进入土壤。同时在分解过程中产生酸类物质加速土壤矿物的分解与变化，且植物吸收土壤养分通过生物微循环在表层土壤中富集，所以养分含量高。

土壤中有机质是氮素存在的主要场地，二者之间有一定相关性[3-4]。分析不同厚度客土覆盖整治河滩地后土壤有机质和全氮含量及关系，对于评价土壤肥力，制定合理施肥措施具有重要意义。结果表明，不同土层深度和不同客土覆盖厚度下，表层土壤(0—30 cm)有机质与全氮均呈现出显著的正相关性(p<0.05)，此结论与杨丽霞等[1]、朱代文等[11]、雷建容等[17]、袁子茹等[18]学者，分别对陕北黄土丘陵区、潼关县河滩地新增耕地、祁连山不同草地类型、川中丘陵区等地区类型的土壤有机质和全氮之间的关系研究结果一致。这是由于有机质主要分布于土壤表层，相关研究显示[19-20]，表层土壤中的氮素95%以上是以有机结合(腐殖质等)的形态存在，即土壤有机质含量对全氮的消长具有重大的影响，氮素中包含了土壤有机质的一部分，有机质中氮素含量相对固定。因此，不同土层中有机质含量增加，可以提高土壤中全氮含量，并且不同客土覆盖厚度全氮与有机质含量变化规律相似。

图4 陕西省渭南市富平县杜村镇不同土层深度土壤有机质与全氮的相关性

不同覆土厚度的差异对作物耕作层土壤的结构性、保水保肥性、通气性等具有重要影响，从而直接影响作物耕作层的形成。合理的覆土厚度对形成作物耕作层及改善耕作层土壤通气能力具有积极的作用，已有相关研究发现客土厚度为50 cm作物产量最高[13-14]。本研究发现客土覆盖厚度对土壤养分的分布具有显著的影响(p<0.05)，50—60 cm(C50，C60)的客土覆盖厚度下耕层土壤有机质、全氮含量均高于其他覆土厚度类型，并且客土厚度为50 cm(C50)和60 cm(C60)的试验样地的土壤有机质与全氮含量呈现出极显著正相关(p<0.01)。50—60 cm土层是常见作物根系生长能够影响的土层范围，根据相关研究结果[13-14,21-23]，相比较其他客土覆盖厚度，50—60 cm客土覆盖厚度下耕层土壤容重较大(1.5～1.6 g/cm3)，土壤间的孔隙度较小。具有较大容重的土体结构稳定性强，水分和养分渗漏能力差，保水保肥性好，并且渗漏能力随时间的变化弱。结合工程实际认为50—60 cm客土覆盖厚度合理，工程成本适中，同时适宜常见作物生长且稳产高产。

4 结 论

客土覆盖厚度为50—60 cm(C50和C60)时，相比其他覆土厚度类型，整治后的河滩地各土层土壤养分积累速度快，土壤有机质和全氮含量在各土层深度中最高，二者呈现出极显著的正相关关系(p<0.01)，因此，对于陕西关中河滩地整治中黄绵土覆盖厚度50—60 cm为最佳。本研究仅对土地整治后河滩地不同客土层厚度与土壤有机质和全氮关系进行了研究，要更深入认识河滩地土地整治后土壤碳库、氮库和客土覆盖厚度相互之间的关系，则还需要从机理上进行探索研究。