农业利用对砂质土壤中有机质与养分构成的影响

石其伟,杨琼瑶, 陶娟花,章明奎

（1.浙江省绍兴市柯桥区农业水产技术推广站，浙江 柯桥 312030；2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058）

砂土因粗颗粒多、细颗粒少、土体松散、养分含量低下、保蓄能力弱［1-4］、抗旱能力差［5］、有机物质矿化迅速［6］、养分容易淋失［7-9］等原因，其对多数农作物的适宜性较差［2］。但我国优质耕地资源紧缺，又因砂土具有通透性能好、易耕作、春季土壤升温快等优点，比较适合瓜类、根菜类蔬菜的生长，因此许多区位条件较好的砂土常被开垦用于农业生产。砂土的基础地力较低，了解其有机质和养分组成特点，对科学管理这类土壤及合理施肥具有实际指导意义。在农业生产过程中为达到作物高产的目标，常常需通过大量施肥来提高砂土的生产力［10-11］。同时，近年来一些地方在耕地地力提升时也常常把砂土作为提升对象［3］，并按常规土壤的提升要求进行改良，使砂土有效养分的积累明显高于其相应的自然土壤。近年来，随着大棚种植的发展，在砂土上开展了大棚种植，通过养分供给，也使得其养分积累明显高于露天种植。以往研究较多关注砂土的肥效与总体肥力特点［12-14］及物质的淋失［15-17］，对养分积累过程中氮磷钾养分组成和有机质组分的变化规律了解较少。而对大量施肥和强化培肥后砂土中的养分稳定性如何、是否会引起环境问题等知之甚少。为此，本研究选择浙江省两种典型砂质土壤，通过对荒地、露天栽培和大棚栽培等条件下的土壤进行采样分析，研究了砂质土壤有机质和氮磷钾养分的构成特点及其与养分积累的关系。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

研究选择的两种砂土分别为清水砂和淡涂砂，均属潮土土类、灰潮土亚类。前者形成于河流冲积母质上，分布于河谷平原的河流两岸；后者形成于浅海沉积物，主要分布于杭州湾南岸。清水砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分别为854、95、51 g/kg；淡涂砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分别为817、138、45 g/kg。分别在钱塘江中上游的河谷平原及杭州湾附近采集了30个代表性清水砂和淡涂砂表层土壤（采样深度为0~20 cm，为多分点采集样品的混合样）。每一种土壤的利用方式包括荒地、露天旱地和大棚旱地等3类，分别代表自然状态、一般农地和集约农地。用于采样的露天旱地和大棚旱地利用时间在10年以上，每类用地各采集10个样品。同时，在河谷平原典型区（清水砂区）分别采集荒地、露天旱地和大棚旱地的剖面分层样，每个剖面按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm分层采集。

1.2 试验方法

样品经室内自然风干后，过2 mm土筛，取部分样进一步研磨过0.125 mm土筛。分析内容包括pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、颗粒态有机质、有效磷、速效钾、水溶性钾、NH4-N、NO3-N含量及磷的化学形态。其中，土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾采用常规法测定［18］；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取-钼锑抗比色法测定［18］；土壤速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；水溶性钾用去离子水提取-火焰光度法测定；NH4-N、NO3-N采用2 mol/L KCl提取，分别用纳氏试剂比色法和紫外分光光度法测定；土壤中颗粒态有机质采用密度-筛分法测定［19］；土壤磷形态采用Hedley等的方法［20］测定。所有数据采用Excel 2007处理，统计分析采用软件SPSS 12.0完成。

2 结果与分析

2.1 有机质的组成及其与有机质积累的关系

由于成土母质的差异，淡涂砂的pH值高于清水砂，但两种土壤农业利用后pH值均呈下降趋势，其中以大棚种植的土壤酸化较为明显（表1）。清水砂和淡涂砂的有机质含量均较低，都在15 g/kg以下，两者的平均有机质含量分别为6.56和6.89 g/kg，表明砂质土壤有机质不易积累，处于较低水平。对于清水砂，无论是露天种植还是大棚种植，其有机质含量与荒地比较，均没有呈现增加趋势；同时，它们的腐植质含量、颗粒态有机质和非颗粒态有机质含量受利用方式的影响也较小。而淡涂砂在露天种植和大棚种植后土壤有机质含量有较为明显的增加；相应地，露天种植和大棚种植后淡涂砂土的腐植质含量、颗粒态有机质和非颗粒态有机质含量也明显高于荒地土壤。

表1 2种砂质土壤的pH值和有机质组分含量

两种砂质土壤的有机质以腐植质形态存在的比例也较低，均在45%以下，清水砂和淡涂砂中腐植质占有机质的比例平均分别只有33.52%和35.00%；相应地，颗粒态有机质的占比平均分别为22.71%和27.63%。结果表明，砂质土壤中有机质不仅含量低，而且其稳定性也不高，约有20%以上的有机质以活性较高的颗粒态有机质形态存在。

表2显示了两种砂质土壤中各形态有机质组分与土壤有机质积累的相关性。砂质土壤中腐植质、颗粒态有机质和非颗粒态有机质含量均随着土壤中有机质的积累而积累，但腐植质比例与土壤有机质含量呈负相关，颗粒态有机质占比与土壤有机质含量呈正相关，说明随着土壤中有机质的积累，通过腐殖化作用形成的腐植酸比例逐渐下降，而以颗粒态有机质形式存在的有机质比例相对增加。这表明，随着砂质土壤中有机质的积累，土壤中有机质的稳定性有下降趋势。

表2 两种砂质土壤中有机质组分与有机质含量的相关性（n=30）

2.2 氮素组成及其与氮素积累的关系

由表3可知，砂质土壤农业利用后全氮含量均有明显的增加，表明氮在砂质土壤中比有机质更易积累，但总体上清水砂和淡涂砂的全氮含量均处于较低的水平，分别为0.43、0.49 g/kg。在荒地和露天种植条件下，2种砂质土壤的矿质氮（NH4-N和NO3-N）的积累均较少，这显然与砂质土壤对NH4-N和NO3-N的吸持能力较弱有关。但在大棚种植条件下，2种砂质土壤中均有较高的NH4-N和NO3-N积累，尤其以NO3-N的积累最为明显。砂土中NO3-N的积累明显高于NH4-N，这与砂质土壤通气性较好等有关。

相关分析表明，清水砂和淡涂砂的NH4-N含量与全氮含量的相关系数分别为0.515**和0.503**（n=30），NO3-N含量与全氮含量的相关系数分别为0.286*和0.384*（n=30）。随着土壤全氮的积累，土壤中NH4-N和NO3-N含量也有增加的趋势，但它们之间的相关系数较低，表明砂质土壤中NH4-N和NO3-N含量在更大程度上受降水淋洗等其他因素的影响，其中NO3-N含量受外部环境的影响更明显。

2.3 钾素组成及其与钾积累的关系

砂质土壤全钾含量很低，清水砂和淡涂砂的全钾平均含量分别为11.09、13.18 g/kg（表3）。农业利用后两种砂质土壤全钾含量均略有增加；而速效钾和水溶性钾含量的增加较为明显，特别是在大棚种植条件下，清水砂和淡涂砂的速效钾和水溶性钾含量均达到荒地的数倍甚至10余倍。

表3 两种砂质土壤中氮和钾的组分

相关分析也表明（表4），清水砂中速效钾、水溶性钾含量及水溶钾占速效钾的比例均与土壤全钾含量呈显著的正相关；但在淡涂砂中，这种相关性不明显。但两种砂质土壤中速效钾、水溶性钾含量及水溶性钾占速效钾的比例间相关性均达到极显著的水平。对比土壤速效钾和水溶性钾含量的变化及它们之间的相关性可知，随着土壤钾的积累，有更高比例的速效钾以水溶态形式存在。表明这些积累在砂质土壤中的速效钾多以水溶性形式存在，易随降水流失。

表4 两种砂质土壤中钾组分之间的相关性（n=30）

2.4 磷素组成及其与磷积累的关系

荒地砂质土壤全磷含量较低，大部分在0.40 g/kg以下（表5），但农业利用后，两种砂质土壤全磷明显积累，在大棚种植条件下清水砂和淡涂砂的全磷含量都达到了较高的水平。随着全磷的积累，土壤有效磷含量呈现迅速的增加，2种砂质土壤农用后速效磷含量都达到荒地的10倍以上。磷形态分析结果表明，随着土壤全磷的积累，土壤各态磷的绝对含量均呈现增加的趋势，但各形态磷占全磷的百分组成的变化有所差别，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性较高的磷组分呈现明显的增加，NaOH-IP和HCl-P的比例也呈现增加的趋势，而NaOH-OP和残余态磷的比例趋向下降（表6）。

表5 两种砂质土壤中磷的组分

表6 两种砂质土壤中磷组分之间的相关性（n=30）

2.5 养分的剖面垂直分布

表7为从河谷平原（清水砂区）采集的荒地、露天旱地和大棚旱地剖面样中养分的垂直分布情况。由表7可知，荒地剖面的养分含量普遍较低，有机质含量与其他两种用地无明显的差别。但无论是有机质还是其他养分在荒疏地条件下都具有明显的表聚特点，即说明在低养分积累条件下，砂质土壤养分在植物生物富集的作用下具向表层富集的特点。在露天种植的农地中，有效氮、有效磷、有效钾含量都比荒地有明显的增加，若以80~100 cm土层养分为参照，有效氮、有效钾均有向下迁移的迹象，但有效磷仍表现出明显的表聚特点，而有效氮和有效钾的最高含量出现在表下层，表明有效氮和钾比磷更易发生垂直迁移。而在大棚种植条件下，有效氮、有效磷、有效钾含量都有明显的增加，这些养分的垂直迁移也很明显，但它们都呈现表层高于下层土壤的特点。

表7 不同利用方式下砂质土壤中养分的垂直分布

3 讨论

3.1 砂质土壤中有机质的积累特点

有机质是土壤的重要组成部分，其含量和组分的变化都会深刻影响土壤系统中的多个过程，同时其也是土壤肥力和基础地力最重要的物质基础，直接影响土壤的保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等。因此，提高土壤有机质含量一直是农田培肥的重要方向。在农业生产中各种有机物质的输入与输出都会对土壤有机质的平衡的因素产生很大的影响。一般来说，影响土壤有机质平衡大致有生物、物理、化学和社会经济等［21］。其中，物理、化学因素主要指能够稳定土壤中有机碳的相关因素，包括土壤质地、水分条件、土壤结构、土壤生物因子等。进入农田土壤的有机物质可通过矿化和腐殖化作用转变为土壤有机质，其在土壤中腐解1年后的残留量与原加入量的比值称为腐殖化系数，后者除受进入土壤有机物料的组成、水热条件影响外，还与土壤性状密切相关［22］。积累在土壤中的有机质主要通过与无机分子相互作用避免被微生物利用而稳定在土壤中，其作用的机制包括配位交换、氢键、阳离子键桥和范德华力等多种形式［23］，其中，黏土矿物和金属氧化物是有机质结合的主要载体。因此，土壤中黏土矿物和铁铝氧化物数量的多少直接影响土壤有机质积累的潜力。本研究的结果表明，2种砂土的有机质平均含量分别只有6.56和6.89 g/kg，都在15 g/kg以下，远低于同一地区其他耕地土壤有机质的平均含量（30.12 g/kg）［24］，表明砂质土壤有机质不易积累，处于较低水平，这显然与砂土缺乏黏粒（黏土矿物和铁铝氧化物）对有机质的保护有关。即由于土壤质地较轻，进入土壤的有机物质腐殖化程度较低，不利于有机质的积累。

土壤中的有机质可以不同形态存在，Elliott［25］采用密度法对有机质进行分组，分为游离态轻组、粗颗粒有机质、细颗粒有机质、矿物结合态有机质，其中矿物结合态有机质主要以腐植质形态存在，是相对稳定的有机质。本文结果表明，砂质土壤中以腐植质形态存在的有机质比例较低，平均分别只有33.52%和35.00%，低于其他农田土壤［26］；并且随着有机质的积累土壤中有机质的稳定性有下降趋势（腐植酸比例逐渐下降），表明砂质土壤中有机质不仅含量低，而且其稳定性也不高，这显然也与砂土缺少黏粒有关，即由于黏土矿物和铁铝氧化物的缺乏，进入土壤中的有机质不易形成矿物结合态有机质，有较大比例的有机质以活性较高的颗粒态有机质或游离态轻组形态存在。

另外，本研究结果表明：清水砂无论是露天种植还是大棚种植其有机质含量与荒地比较均没有呈现增加趋势；而淡涂砂在露天种植和大棚种植后土壤有机质含量有较为明显的增加。这可能与淡涂砂成土母质是浅海沉积物，其荒地主要是新形成的土壤，成土时间较短，因此其农用后有机质有积累趋势；而清水砂成土母质为河流冲积物，无论是农田还是荒地其形成都有一定的时间，都已存在一定的有机质积累过程。

3.2 砂质土壤中氮磷钾的积累特点

农田土壤养分高低除与成土母质有关外，还深受施肥的影响。大量的定位试验表明［27-29］，土壤中养分的积累随肥料施用量和施用年限的增加而增加。但土壤中养分积累对施肥的相应在不同土壤中有所差异，特别是土壤中有效态养分的积累并不与养分积累总量呈等比例变化，其原因一般认为与不同土壤类型的组分和性状不同有关［30-31］。在一般情况下，土壤中的主要养分（包括氮、磷、钾）主要存在于黏粒中，特别是氮素和磷素主要以有机质结合态或黏土矿物结合态形式存在，因此，在不施肥的条件下，砂土因缺乏胶体物质，其氮、磷、钾含量一般都较低，本研究中荒地的全氮、全磷和全钾含量分别在0.42、0.41和15.00 g/kg以下，与此有关。通过肥料方式进入土壤的氮、磷、钾可与土壤组分发生作用，成为土壤的重要养分组成，其中氮素主要通过微生物同化作用成为有机质的主要组分；磷同时可与黏土矿物、氧化物和有机质发生作用，成为有机质的组分，或被黏土矿物、氧化物吸附固定；而钾主要通过与胶体表面的阳离子发生交换而被土壤吸附或固定。有效养分（含NH4-N、NO3-N、有效磷、速效钾）是指能被植物吸收利用部分的氮、磷、钾，它们主要是与土壤松结合的氮、磷、钾。因此，土壤组分的差异可直接影响进入土壤中的氮、磷、钾的行为。当土壤中含有丰富的有机质、黏土矿物、氧化物时，氮、磷、钾易被土壤吸附固定，其活性相对较低；相反，当土壤中缺乏有机质、黏土矿物、氧化物时，氮、磷、钾不易被土壤吸附固定，其活性相对较高。砂土因缺少有机质、黏土矿物、氧化物，进入砂土的肥料氮、磷、钾具有较高的生物有效性，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性较高的磷组分呈现明显的增加。因此，在大棚种植环境下，砂土中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效钾的积累非常明显，速效钾、水溶性钾、速效磷含量均达到荒地的数倍甚至10余倍。但同时由于砂土缺乏有效的吸附物质（有机质、黏土矿物、氧化物），对养分的吸持能力较弱，有效养分在土壤中的积累除有利于作物吸收外，其也可随水分运动进入环境，对环境产生污染。因此，在露天种植环境下砂质土壤中NH4-N、NO3-N、速效钾不易在表土积累，容易发生淋失。

4 结论

本研究表明，荒地砂质土壤中有效养分含量普遍较低，但表聚明显，在农用后土壤磷和氮呈现了明显的富集现象。露天种植与大棚种植之间砂质土壤养分垂直分布有明显的差别，前者土壤有效养分垂直下移显著，其中有效氮和钾含量的高值出现在亚表层；而后者土壤有效养分虽存在下移，但仍显现明显的表聚。砂质土壤中积累的有机质多为不稳定有机质，有机质中腐植酸占比较低，颗粒态有机质占比随土壤有机质的积累呈增加趋势。砂质土壤中的速效钾有较高比例以水溶态存在；活性较高的磷随土壤磷素积累呈明显增加。因有较高比例的氮、磷、钾以高活性形态存在，砂质农田土壤存在较大的养分流失风险。