陜北沙地改良中土壤肥力變化

張 暉, 馬超群， 趙永華， 解 蕾

(1.陜西省土地整理中心，陜西西安 710000；2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710054)

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陜北沙地改良中土壤肥力變化

張 暉1, 馬超群2， 趙永華2， 解 蕾1

(1.陜西省土地整理中心，陜西西安 710000；2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710054)

[目的]研究陜北沙地改良中土地肥力條件變化，為更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。[方法]測定了陜北沙地、新改良地、多年耕種改良地和耕作熟地中土壤水分、溫度及有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀和全鹽含量等指標(biāo)，分析了土壤肥力變化狀況。[結(jié)果]土壤水、溫與改良狀態(tài)和灌溉方式有較高相關(guān)性，呈現(xiàn)出無灌溉設(shè)施的改良地高于沙地，無覆膜有灌溉設(shè)施的田塊高于無灌溉設(shè)施田塊，覆膜田塊高于未覆膜田塊；改良地的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、全鹽等養(yǎng)分指標(biāo)含量均優(yōu)于未改良沙地，且除速效磷外，各養(yǎng)分指標(biāo)呈隨農(nóng)業(yè)利用歷史增長而增加的趨勢。[結(jié)論]通過改良可以有效改善陜北沙地土壤質(zhì)量，提高肥力；合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施可以進(jìn)一步提高改良地土壤肥力水平。

沙地；土壤肥力；土壤養(yǎng)分；土壤水分；陜北

近年來，隨著能源開發(fā)及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，陜北長城沿線風(fēng)沙區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，臨近城鎮(zhèn)區(qū)域大量耕地被占用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)受到較大影響。因此，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積，提高土地生產(chǎn)能力，成為該區(qū)域保障糧食產(chǎn)量的必要條件。同時(shí)，該地區(qū)面臨嚴(yán)重的沙漠化威脅，建國后開展了大規(guī)模的沙地整治工作，取得了突出的效果。但是陜北長城沿線風(fēng)沙區(qū)土質(zhì)疏松，保水性差，水肥流失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量。如何通過技術(shù)措施減少土壤水分無效蒸發(fā)和下滲，通過保水提高土壤肥力已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的核心[1]。

目前，關(guān)于陜北沙地利用的研究已取得了大量成果，但是受區(qū)域生態(tài)脆弱性的影響，多集中于生態(tài)保護(hù)與農(nóng)業(yè)資源合理利用的理論構(gòu)建和宏觀規(guī)劃[2-6]，這些研究主要基于解決制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的外部因素，對于提高土地生產(chǎn)能力及保障糧食生產(chǎn)具有重要作用[7-8]。傳統(tǒng)土壤養(yǎng)分研究偏重于利用方式穩(wěn)定、連續(xù)性較強(qiáng)的土地。雖然近年來砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)[9-12]成為沙地整治和改良研究的新熱點(diǎn)，但是對于傳統(tǒng)墊土改良的方式土壤肥力條件變化關(guān)注較少。在陜北沙地整治過程中，覆土改良仍是土地整治的主要方式。筆者通過對不同土地類型土壤水分、溫度、養(yǎng)分條件進(jìn)行對比觀測，研究傳統(tǒng)沙地改良方法對土壤肥力的影響，以期為促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況陜北沙地區(qū)地處陜西黃土高原北部、毛烏素沙地東南緣，包括榆林市長城沿線的定邊、靖邊、橫山、神木、府谷和榆陽6縣(區(qū))及佳縣的極小部分，總面積約2.03萬 km2。區(qū)域內(nèi)地勢平坦，屬典型的中溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量316～445 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm以上，降水變率大，極易發(fā)生干旱，大小旱情年均3.4～4.1次/a[13]；土質(zhì)松散，透水性強(qiáng)，降水易蒸發(fā)、下滲，淋溶作用強(qiáng)烈，土壤貧瘠。干旱的氣候及水資源的貧乏是制約該區(qū)域沙地土地整治與開發(fā)利用的瓶頸，僅靠降水難以滿足作物生長需求，節(jié)水灌溉技術(shù)是該區(qū)域解決這一瓶頸的主要途徑[14]。

1.2樣地選取研究內(nèi)容包括水分、溫度觀測和養(yǎng)分觀測。其中，土壤水分、溫度觀測分別在榆陽區(qū)和靖邊縣沙地和改良地進(jìn)行。改良地包括無灌溉措施改良地、噴灌地、滴灌地、地膜覆蓋地等不同節(jié)水技術(shù)方式下的地塊。觀測時(shí)間分別為2014年5月和8月。土壤養(yǎng)分觀測在榆陽區(qū)和靖邊縣分別選擇沙地、實(shí)施覆土、節(jié)水技術(shù)的改良地進(jìn)行觀測，并在靖邊縣取土區(qū)熟地進(jìn)行養(yǎng)分對比觀測。改良地通過機(jī)械推沙和人工平整墊50 cm厚黃土，并配套灌溉措施，其中榆陽區(qū)樣地為改良后第1年用于生產(chǎn)，靖邊縣樣地為投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)5年的改良后沙地。

1.3測定項(xiàng)目與方法水分觀測土層為0～30 cm，采用TRIME TDR法觀測。土壤養(yǎng)分觀測以隨機(jī)方式進(jìn)行采樣，取樣土層為0～30 cm，分別對沙地、改良地和對照耕地的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、全鹽含量及pH等指標(biāo)進(jìn)行觀測。土樣檢測中，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；全氮含量用半微量凱氏法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提，原子吸收法測定；速效磷含量采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定[15-17]。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)錄入及分析采用統(tǒng)計(jì)Excel和SPSS 19.0軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤含水量與土壤溫度通過對榆陽區(qū)樣地內(nèi)26個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，各地塊的土壤含水量從大到小依次為地膜+滴灌地塊、軟管滴灌地塊、噴灌地塊、未灌溉改良地塊、沙地；溫度從高到低依次為沙地、未灌改良地塊、噴灌地塊、軟管滴灌地塊、地膜+滴灌地塊(圖1)。

圖1　榆陽區(qū)各采樣點(diǎn)的土壤含水量與土壤溫度Fig. 1　The soil water content and temperature of different sampling plots in Yuyang District

對靖邊縣樣地內(nèi)15個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤含水量和土壤溫度與榆陽區(qū)樣地有所不同，但土壤含水量和土壤溫度在各地塊間的變化趨勢與榆陽區(qū)一致(圖2)。

圖2　靖邊縣各采樣點(diǎn)的土壤含水量與土壤溫度Fig. 2　The soil water content and temperature of different sampling plots in Jingbian District

按節(jié)水灌溉技術(shù)方式對采樣點(diǎn)進(jìn)行分組，進(jìn)行一維方差分析。結(jié)果表明，改良地不同節(jié)水灌溉方式下土壤含水量和土壤溫度指標(biāo)差異較大，組間差異顯著(F含水量=32.310 4,P=5.4E-10;F溫度=17.932 8,P=1.0E-7)，說明節(jié)水灌溉方式對土壤含水量與熱量指標(biāo)有直接影響。

通過進(jìn)一步對節(jié)水灌溉技術(shù)、土壤含水量和土壤溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表1)，灌溉技術(shù)方式與土壤含水量和土壤溫度之間有顯著相關(guān)性，相關(guān)性達(dá)到0.601；而土壤含水量與土壤溫度之間具有明顯的相關(guān)性，相關(guān)性指標(biāo)達(dá)到-0.490。對靖邊縣土樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與榆陽區(qū)基本一致。

通過對榆陽區(qū)土壤含水量、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)改良地的水溫條件明顯優(yōu)于沙地。背景沙地土壤含水量平均值僅為3.50%；改良地含水量顯著提高，其中以滴灌+地膜地塊含水量最高，平均為20.90%，兩者相差近6倍。背景沙地土壤溫度平均值為22.50 ℃，改良地土壤溫度顯著降低，其中覆膜類地塊最低，平均溫度為18.95 ℃。而靖邊縣樣地中背景沙地含水量平均值僅為5.45%，改良后的未灌溉地含水量有較大提高，達(dá)6.76%，有灌溉設(shè)施的地塊含水量進(jìn)一步提高，平均值最高達(dá)到32.36%。由此可見，不同節(jié)水灌溉方式的地塊的土壤含水量表現(xiàn)為：無灌溉設(shè)施的改良地高于沙地，無覆膜有灌溉設(shè)施的田塊高于無灌溉設(shè)施田塊，覆膜田塊高于未覆膜田塊。

表1榆陽區(qū)不同灌溉類型土壤含水量和溫度的相關(guān)性分析

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

指標(biāo)Index灌溉類型Irrigationtype土壤含水量Soilwatercontent土壤溫度Soiltemp-erature灌溉類型Irrigationtype1.000土壤含水量Soilwatercon-tent0.601**1.000土壤溫度Soiltemperature-0.429*-0.490**1.000

注：*表示在0.05水平差異顯著；**表示在0.01水平差異極顯著。

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

陜北沙地區(qū)原風(fēng)沙土主要由砂粒組成，通氣性好，水分易流難存，含水量低，熱容小，土壤升溫快，降溫迅速，土壤理化條件變幅大。這說明在陜北沙地采用節(jié)水灌溉措施是提高土壤含水量、緩解旱情的重要措施。沙地改良后的節(jié)水技術(shù)可分成灌溉和保水兩方面，采用節(jié)水灌溉的方式可使水分更有效地到達(dá)作物根系，被作物吸收利用，表膜和地膜等保水措施可以減少土壤水分的無效損耗，進(jìn)一步提升節(jié)水灌溉的效果，二者相輔相成共同使用可以極大地改善沙地農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)條件[18]，促進(jìn)土壤良性發(fā)展。

2.2土壤養(yǎng)分含量土壤養(yǎng)分觀測共取樣38個(gè)，其中榆陽區(qū)改良地樣地取樣16個(gè)，靖邊縣改良地樣地取樣6個(gè)，靖邊縣客土源地區(qū)耕地取樣16個(gè)。由表2可知，各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量最低為0.740 g/kg，最高為9.410 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量水平差異較大。沙地、新改良地、多年耕種改良地、耕作熟地之間有機(jī)質(zhì)平均含量的比值為1∶1.66∶3.15∶5.80。各樣地全氮含最低為0.010 g/kg，最高為0.096 g/kg，全氮平均含量水平從大到小依次為耕作熟地、多年耕種改良地、新改良地、沙地；速效鉀在各樣地的含量水平與有機(jī)質(zhì)和全氮的分布特征相似，但其最小值及最小平均值均出現(xiàn)在新改良地中，分別為1.730和4.590 mg/kg，最大值出現(xiàn)在耕作熟地，除沙地外，在農(nóng)業(yè)用地類型中仍呈現(xiàn)出養(yǎng)分指標(biāo)隨耕種時(shí)間延長而增加的趨勢。速效磷最高為79.940 mg/kg，最低為1.650 mg/kg，其平均含量表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地高于未改良沙地，而在農(nóng)業(yè)用地類型內(nèi)則呈現(xiàn)不同變化趨勢，平均含量從高到低依次為新改良地、多年耕種改良地、耕作熟地、沙地，這可能是由于人工施肥和農(nóng)作物長期吸收所導(dǎo)致的養(yǎng)分水平差異。全鹽含量最高為1 090.000 mg/kg，最低為342.500 mg/kg，其在各樣地內(nèi)的分布特征與速效磷一致，但在改良后的地塊變幅較小，改良地的鹽分含量水平高于未改良地，說明沙土通透性強(qiáng)、養(yǎng)分易流失的缺點(diǎn)得到了改善[8]。

表2　各類型樣地土壤養(yǎng)分含量比較

注：新改良地在榆陽區(qū)；多年耕種改良地和耕作熟地在靖邊縣。

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

通過對各樣地土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析可知，農(nóng)業(yè)用地地塊各養(yǎng)分指標(biāo)均優(yōu)于未改良沙地，而在農(nóng)業(yè)用地類型中，改良地與耕作熟地相比，改良地土壤肥力水平偏低，土壤中有機(jī)質(zhì)含量、磷含量明顯不足，是影響土地質(zhì)量的限制因素。主要是由以下原因形成：一方面，平整后鋪墊的客黃土屬生土，缺乏肥力積累，養(yǎng)分含量水平低下；另一方面，新改良地未經(jīng)耕種，生物作用弱，有機(jī)質(zhì)含量少，養(yǎng)分含量低。同時(shí)，采用國家土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)改良地土壤肥力屬于低肥力土地，長期耕作熟地可達(dá)到中肥力土地。這些問題在生產(chǎn)初期會對產(chǎn)量造成一定影響，但沙土地通過墊土改良后，有效改善了土壤通透性能，從而使土壤的肥力水平得到持續(xù)提高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動則繼續(xù)通過長期的有效灌溉、施肥，對土地不斷投入，土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量提升顯著，肥力水平得到持續(xù)提升[8]。新改良地、多年耕種改良地和耕作熟地之間的養(yǎng)分變化趨勢也證明了這一點(diǎn)，說明合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有利于土壤改良。

3　結(jié)論與討論

(1)該研究通過對沙地區(qū)域改良和未改良的樣地進(jìn)行觀測，結(jié)果表明：①陜北長城沿線風(fēng)沙區(qū)背景沙土中含水量、土壤溫度和土壤養(yǎng)分含量均低于改良地，通過改良可有效改善沙土土質(zhì)疏松、通透性強(qiáng)、保水保肥能力差的缺點(diǎn)；②在改造后的地塊中，采用不同節(jié)水措施會使土壤水、溫條件產(chǎn)生較大差異，采用先進(jìn)灌溉技術(shù)，減少沙土無效下滲的同時(shí)，防止土壤水分蒸發(fā)是提高土壤含水量的重要措施；③長期合理的農(nóng)業(yè)利用可以提高土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、速效鉀及全鹽等養(yǎng)分的含量，顯著提高改良地肥力水平，縮小與耕作熟地之間的養(yǎng)分差距。

(2)陜北沙地區(qū)域地形平坦，具有較豐富的地下水資源，經(jīng)過合理規(guī)劃和布局后，預(yù)計(jì)每年均可為陜西提供 0.3～0.5 萬 hm2補(bǔ)充耕地。然而，風(fēng)沙土主要由砂粒組成，通氣性好，有機(jī)質(zhì)含量低，土地生產(chǎn)能力弱，成為限制區(qū)域土地資源開發(fā)的重要因素之一。通過客土覆土改良后，土壤中細(xì)砂粒比重降低，黏粒含量明顯增加，膠結(jié)能力增強(qiáng)，有效改善了土壤的通透性能，從而使土壤的保肥、保水能力顯著提高。這為新改良地的利用創(chuàng)造了有利的水肥條件。陜北沙地區(qū)域是典型的干旱半干旱區(qū)域，水資源嚴(yán)重短缺成為另一制約因素。較之傳統(tǒng)的渠灌、井灌，固定式噴灌、半固定式噴灌和滴灌等節(jié)水技術(shù)的節(jié)水效率達(dá)到45%、38%和70%，同時(shí)輔以地膜覆蓋、膜上灌水等防滲、防蒸發(fā)措施可以在同等生產(chǎn)條件下減少水資源消耗[19]，保證土壤含水量。水肥協(xié)調(diào)能夠促使上層客黃土與風(fēng)沙土得到良好的結(jié)合，隨著作物的生長，植被蓋度不斷提高，可使土壤表層水分蒸發(fā)減少；植物地下根系不斷擴(kuò)展以及桔梗還田等恰當(dāng)?shù)呐喾蚀胧?，可使土壤得到進(jìn)一步的發(fā)育，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量顯著提高。對沙土地進(jìn)行改良是一項(xiàng)長期系統(tǒng)工作，因地制宜推廣節(jié)水技術(shù)，增施有機(jī)肥、培肥地力，優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)、測土施肥等技術(shù)手段不可或缺。同時(shí)，促進(jìn)土地流轉(zhuǎn)，創(chuàng)新土地整治融資體制，探索集中開發(fā)、集團(tuán)經(jīng)營，篩選有效激勵機(jī)制等制度手段也至關(guān)重要。對該地區(qū)環(huán)境友好的新開發(fā)模式進(jìn)行系統(tǒng)研究，并進(jìn)而從深層次解釋如何實(shí)現(xiàn)人類活動和荒漠化區(qū)域資源開發(fā)之間的協(xié)調(diào)、平衡，使土地改良技術(shù)更加科學(xué)合理，并有利于推廣，是未來陜北沙地區(qū)域土地資源的研究方向。

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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

陜西省國土資源廳沙地整治節(jié)水灌溉研究項(xiàng)目(214029140

張暉(1966- )，男，陜西榆林人，高級工程師，從事土地整理、土地利用研究。

2016-07-25

S 158

A

0517-6611(2016)22-145-04

183)；教育部項(xiàng)目(12XJC840001)；中央高?；痦?xiàng)目(2013G6274063，2013G1271094)。