江西省旱地土壤质地与土壤化学性状的相关性研究

时间：2024-05-30

王圣，陈科希，袁源远，王泓汇，魏宗强，吴建富，卢志红

（江西农业大学国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045）

土壤矿物质是由大小不同的土粒组成的，这些土粒按粒径大小可分为石砾、砂粒、粉粒和粘粒，通常土壤中各级土粒所占的百分含量称为土壤机械组成，而土壤质地是根据土壤机械组成划分的土壤类型［1］。因土壤颗粒大小不同，其矿物组成、化学组成及物理性质存在很大差异，通常石砾、砂粒以化学成分主要是SiO2的原生矿物为主，通气透水性好、蓄水性差，而粉粒和粘粒以化学成分SiO2少、主要是CaO、MgO、K2O、P2O5等其他氧化物的原生矿物为主，通气透水性较差、蓄水性及力学性较强。可见，不同土壤质地，土壤各粒级含量不同，其理化性质有所差异，进而土壤的养分状况也会有所不同。

土壤质地是根据土壤的机械组成状况进行的分类，因此产生了不同的分类制，包括国际土壤质地分类制、美国土壤质地分类制、卡庆斯基土壤质地分类制和中国土壤质地分类制（试用）［2］。这几种分类制有所不同，但大致将土壤质地划分为砂质土、壤质土和粘质土三大类。中国以往对土壤质地研究中主要是采用卡庆斯基制，现今随着国际学术交流的增多，也时常采用国际制和美国制分类标准。本文是采用卡庆斯基制对江西省旱地土壤质地进行命名。

目前国内外研究土壤质地与某种作物产量之间的关系比较多，从中得出在土壤粘粒、砂粒含量的某个范围内，土壤的养分状况最佳，作物的产量最大，进而得出改良土壤的指导措施。曾强等［3］在对福建省南平市土壤质地与烟草产量的研究中提出，土壤客土改砂，土壤肥力最好，烟草品质与产量最佳；郑军等［4］在对黄土高原土壤质地与小麦产量的研究中发现，砂质中低产田加入高粘黄河泥沙，小麦产量可达未改良田地的两倍以上；Pierce等［5］在对美国土壤质地与豌豆产量的研究中发现，豌豆产量与土壤粘粒含量显著正相关，而与砂粒含量负相关，得出适当增加土壤粘粒含量可有效提高产量的结论。综上可知，土壤质地改良需根据不同地区、不同作物有针对性地采取措施。

江西省土壤大部分质量较差，土壤肥力较低，多呈酸性，且质地较为粘重，易板结，严重影响了农作物的生长发育和农业生产［6］，且近年来，优质耕地大量流失，土壤不合理利用严重，土壤养分退化严重，耕地质量总体呈下降的趋势［7］，需要采取一定的措施去控制和防止这种趋势。本文将通过对江西省旱地土壤质地及其与化学性状的相关性研究，更好地了解江西省旱地土壤质地对土壤养分有效性及土壤保肥性、缓冲性等方面的影响，为今后江西省旱地土壤质地的改良提供理论依据，进而指导生产上合理施肥，更好地提高农产品产量与品质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 土壤样品的采集

本试验所测样品系2006年采集江西省各县市具有代表性的旱地耕层（0～25 cm）土样，共计159个，样点分布见图1。用GPS记录采样点的坐标，每样点均采用5点取样法，将所取耕层土样进行混合，通过四分法最后每样点取1 kg左右的土装袋、贴好标签带回实验室。

1.1.2 土壤样品的预处理

采集的土样拿回实验室及时处理，放在阴凉、干燥、通风、无药品的实验室内，平铺于干净的塑料膜上，摊成薄层（厚约2 cm），进行风干。在此期间尽可能将肉眼所见的枯枝落叶、根茎、动物残体、小石子等杂物剔除。阴干后，将土样碾磨过尼龙筛，制备成1和0.25 mm的分析样品待用。

1.2 测定方法

1.2.1 土样的常规化学指标测定方法［9］

样品的常规化学指标有pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾8个指标。测定方法见表1。

表1 土壤化学性状指标的测定方法

1.2.2 土壤质地的测定及命名方法

按照卡庆斯基制粒径的要求，通过沉降、比重计法对样品进行测定，然后通过卡庆斯基制来进行土壤质地的分类［10］。

将通过1 mm筛孔的土样50 g放置于500 mL烧杯中，加入软水，用玻璃棒调成糊状。加入0.5 mol·L-1NaOH溶液50 mL，用带胶头的玻璃棒研磨土样10～15 min后，加入少量软水。再使用电炉加热，煮沸数分钟，并且在过程中不断搅拌，以防止土粒结块，影响土粒分散。将上述土样冷却后，用软水将土样洗入1000 mL的量筒中，定容后上下搅拌均匀，立即测定悬浊液温度。再用搅拌器搅拌1 min停下立即开始记录沉降时间（根据测定温度，查小于某粒径沉降时间表可得沉降时间）。提前20 s将比重计放入悬浊液中，待选定时间后立即读数，读完比重计读数后再测一次温度。按以上步骤测定<0.05、<0.01、<0.001 mm各级土粒含量，然后再对读数进行校正［10-11］。

校正后的比重计读数=比重计的初读数+弯月面的校正数+温度校正数-分散剂的校正数。

通过计算可以得到各土粒重量的百分数。

计算公式：

<0.05 mm土粒含量（%）=<0.05 mm的校正后比重计读数/烘干土重×100

<0.01 mm物理性粘粒含量（%）=<0.01 mm的校正后比重计读数/烘干土重×100

<0.001 mm土粒含量（%）=<0.001 mm的校正后比重计读数/烘干土重×100

砂粒含量（%）=1-<0.05 mm土粒含量（%）

粗粉粒含量（%）=<0.05 mm土粒含量（%）-<0.01 mm物理性粘粒含量（%）

中细粉粒含量（%）=<0.01 mm物理性粘粒含量（%）-<0.001 mm土粒含量（%）

粘粒含量（%）=<0.001 mm土粒含量（%）

根据物理性粘粒含量和卡庆斯基土壤质地分类制，确定出3个质地类型9种质地名称。再根据砂粒（砂质）、粗粉粒（粗粉）、中细粉粒（粉质）、粘粒（粘质）含量，进一步划分土壤质地，确定质地的详细名称［12］。

1.3 数据处理

用Excel 2007 和SPSS 17.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 江西省旱地质地类型

通过表2分析可以得出，江西省旱地土壤质地砂壤土占2.52%、轻壤土占16.98%、中壤土占51.57%、重壤土占22.64%、粘土占6.29%，可见江西省旱地土壤质地主要为壤土和粘土2大类，其中壤土占绝对优势，高达93.71%。

表2 江西省旱地土壤质地区域分布

根据卡庆斯基制详制各质地类型可进一步细分，砂壤土细分仅包括粉砂质砂壤土和砂质砂壤土，其砂粒含量为55.44%～75.38%，粘粒含量较少。轻壤土中96.30%为粉砂质轻壤土，3.70%为粗粉质轻壤土，粉砂质轻壤土中砂粒含量为36.96%～68.83%，而粗粉质轻壤土中粗粉粒占比最高可达62.70%。中壤土中粉砂质中壤土和粗粉质中壤土占92.68%，粉质中壤土占4.88%，粘砂质中壤土和砂粉质中壤土仅占2.44%，在粉砂质中壤土中砂粒含量最高为57.02%，而在粗粉质中壤土中粗粉粒含量为28.36%～52.82%。重壤土有粉砂质重壤土、粘砂质重壤土、砂粉质重壤土、粗粉质重壤土和粉质重壤土5种，其中44.44%为粉质重壤土，中细粉粒含量可达44.10%；22.22%为粗粉质重壤土，27.78%为粉砂质、砂粉质重壤土，5.56%为粘砂重壤土。而轻粘土仅有粉质轻粘土1种，其中中细粉粒含量为28.88%～49.75%，砂粒、粗粉粒、粘粒的含量变化范围较大。

2.2 江西省旱地质地与土壤化学指标的相关性

2.2.1 江西省旱地质地与土壤有机质和氮含量的相关性

通过相关性分析（表3）可知，土壤的物理性粘粒含量与土壤中碱解氮、全氮和有机质含量的相关系数分别为0.197、0.332和0.188，其中土壤物理性粘粒与土壤碱解氮和有机质含量呈显著（P<0.05）正相关，与土壤全氮含量呈极显著（P<0.01）正相关，进一步分析还可发现土壤碱解氮和全氮含量主要与土壤中细粉粒和粘粒含量关系密切，其中土壤碱解氮及全氮含量分别与中细粉粒和粘粒含量呈显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）正相关；而土壤有机质含量仅与中细粉粒呈显著（P<0.05）正相关。另外土壤碱解氮、全氮和有机质含量与砂粒含量均呈负相关，其中土壤全氮含量与砂粒含量关系显著（P<0.05）。

表3 江西省旱地土壤质地与土壤有机质和氮含量的相关分析

2.2.2 江西省旱地土壤质地与土壤磷、钾含量的相关性

对江西省旱地土壤质地与土壤磷、钾含量进行相关分析的结果见表4。土壤的物理性粘粒以及各级土粒含量与土壤有效磷、全磷和速效钾含量之间的相关性均不显著。而全钾含量仅与土壤砂粒含量呈极显著（P<0.01）正相关，与物理性粘粒、粗粉粒、中细粉粒和粘粒含量均呈负相关，其中与物理性粘粒和粘粒含量的相关性极显著（P<0.01），与中细粉粒含量相关性显著（P<0.05）。

表4 江西省旱地土壤质地与土壤磷、钾含量的相关分析

2.2.3 江西省旱地土壤质地与土壤阳离子交换量、pH的相关性

由江西省旱地土壤质地与土壤pH的相关分析（表5）可以得出，土壤的物理性粘粒含量对土壤pH的变化影响不大，但土壤其他各级土粒含量对土壤pH的影响大小有所不同：土壤的粗粉粒含量与土壤pH呈显著（P<0.05）正相关，即土壤粗粉粒含量越高，土壤pH越大；而粘粒含量与土壤pH值呈极显著（P<0.01）负相关，这表明随着粘粒含量的增加土壤pH降低。

由表5可知，土壤阳离子交换量（CEC）与土壤的物理性粘粒含量的相关系数为0.320，且极显著（P<0.01）正相关，表明物理性粘粒含量显著影响土壤的保肥性大小。土壤机械组成中砂粒含量与土壤CEC呈显著负相关，中细粉粒含量和粘粒含量与土壤CEC呈极显著和显著正相关，这表明随着土壤中粉粒、粘粒含量的增加，土壤CEC含量显著增加。

表5 江西省旱地土壤质地与土壤CEC、pH的相关分析

3 讨论

3.1 江西省旱地土壤质地类型

江西省旱地土壤主要为红壤，红壤由多种母质发育而来，不同母质发育形成的土壤质地有所不同。第四纪红色粘土母质发育的红壤，分布于低丘岗地一带，其质地较为粘重，主要为轻粘土和重壤土；红砂岩发育的红壤，分布于江西省东北一带，其质地粉粒、砂粒含量较高，一般在砂壤土到中壤土之间［13］；而花岗岩发育的红壤，分布在江西省境边沿和高丘地区，其质地较砂，含砾石较多［14］；还有部分红壤发育于片麻岩、千枚岩和板岩，分布于山区，其质地较粘，肥力较好。本研究结果表明，江西省旱地土壤质地主要为壤土和粘土2大类，其中壤土占93.71%，而壤土中又以中壤土为主，且不同质地各级土粒占比相差很大。可能是因为本研究土壤样品是采集于江西省各个区域的旱地土壤，母质多样以及人为熟化程度不一。

3.2 江西省旱地土壤质地与土壤氮、磷、钾养分的相关性

土壤中的氮、磷、钾是植物吸收利用的三大元素，也是土壤养分的主要部分。本研究结果表明，江西省旱地土壤碱解氮、全氮都随土壤粉粒、粘粒含量的增加而显著增加，这与葛楠楠等［15］对黄土高原的研究结果是一致的。这可能是因为粉粒、粘粒的颗粒较小，比表面积较大，固相颗粒的表面能增加，对氮吸附力增强，含氮量也就越高。

在本研究中，土壤有效磷、全磷含量与土壤质地具有一定相关性但不显著，而在黄土高原地区对土壤质地与土壤全磷含量的研究中［15］，土壤有效磷、全磷含量随土壤粘粒和粉粒含量的增加而显著升高。导致研究结果全磷的差异可能与两地母质来源不同有关，黄土高原成土母质主要为黄土母质，全磷含量较高，质地组成不同，土壤全磷含量差异较为明显，而江西省成土母质主要为第四纪红色粘土、花岗岩、千枚岩等，全磷水平均较低，质地对全磷含量的影响减弱，从而导致相关性不显著。而有效磷含量之间的差异可能是因为在江西省红壤的成土过程中，铁铝相对富集，土壤铁铝含量较高而导致相关性不显著。Karathanasis等［16］的研究结果表明，土壤中磷的吸附能力与土壤中氧化铁、氧化铝含量呈正相关，土壤中铁铝与土壤磷形成闭蓄态磷（Al-P，Fe-P）。因此，在江西省旱地土壤中，土壤有效磷含量受质地组成影响较小，可能主要受土壤中铁铝含量水平的支配。

本研究结果表明，土壤速效钾含量与土壤质地呈正相关但不显著。而陶其骧等［17］早期的研究结果表明，江西省旱地土壤粘粒含量与速效钾含量呈显著正相关，这与本研究结果存在差异。一方面，可能是由于江西省气候条件导致风化淋溶作用十分强烈，水溶性钾、交换性钾易淋溶流失，土壤速效钾含量处于一个很低的水平；另一方面，近年来江西省土地利用集约度增强，作物对速效钾吸收量较多而施钾肥补充较少，土壤速效钾含量显著降低，质地对土壤速效钾的水平的影响渐趋减弱。

本研究发现，土壤全钾含量与土壤质地呈极显著负相关，即随土壤质地变粗而全钾含量显著增加，但刘志鹏［18］在对黄土高原的研究中发现，土壤粘粒含量越高，全钾含量也就越高。不同地区所得出的结论相反，土壤全钾含量与母质之间存在着极显著的相关性，陶其骧等［17］研究表明，江西省是由花岗岩发育而来的土壤，全钾含量最高，而第四纪红色粘土、红砂岩发育而来的土壤全钾含量较低。通常花岗岩发育的土壤，质地较粗，砂粒含量较多，全钾含量较高，而第四纪红色粘土发育的土壤，质地粘细，全钾含量较低。因此，全钾含量与土壤质地呈极显著负相关，可能是成土母质不一而导致的。

3.3 江西省旱地土壤质地与土壤有机质含量的相关性

土壤有机质是土壤肥力评价的重要指标，是农作物养分的重要来源。本研究发现，江西省旱地土壤有机质的含量随粉粒含量增加而显著增加。黄智磊［19］在对湘西耕地的研究中发现，土壤颗粒变细或土壤质地变得粘重，土壤有机质含量也会增加；Galantini等［20］在对草地的研究中也发现，随着土壤粘粒、粉粒含量增加，有机质含量也增加。这与本研究结果相一致，主要原因可能是土壤中的细颗粒对有机质有吸附和保持作用，与土壤有机质形成有机－无机复合体，增加土壤有机质的稳定性，减缓土壤有机质矿质分解，促使土壤碳的富集。另外，还有可能是因为粘质土通气状况不畅，好气微生物活动受到抑制，有机质得以积累。因此，在江西省旱地土壤中随着土壤粉粒、粘粒含量增加，土壤有机质显著增加。

3.4 江西省旱地土壤质地与土壤pH的相关性

土壤pH是评价土壤农田质量的重要因素。研究发现，土壤pH受物理性粘粒含量变化影响较小，而受土粒组成中粗粉粒、粘粒含量影响较大，中细粉粒、砂粒与土壤pH相关但不显著，即土壤颗粒组成中，粘粒含量越低，粉粒含量越高，土壤pH可能越高。从趋势上看，土壤粒级逐渐变小，土壤pH呈先升高后降低的趋势，而胡向丹等［21］对黔西南州的研究则表明，土壤pH随土壤变粘而降低。这可能是由于研究的样本数量不同、样本来源的区域母质不同及不同区域人为耕作活动影响所导致的。

3.5 江西省旱地土壤质地与土壤阳离子交换量的相关性

土壤CEC是土壤重要的化学性质之一，土壤CEC是评价土壤保肥供肥、缓冲能力等的重要指标。本研究结果表明，江西省旱地土壤质地越粘，土壤CEC越高，这与其他地区的研究结果［18］大致相同。首先，土壤粘粒是土壤胶体的主要部分，也是土壤电荷的主要提供者，所以土壤中粉粒、粘粒含量增加，土壤CEC显著增加。其次，土壤粘粒含量高，其有机质含量也越高，有机质含量与土壤CEC呈显著正相关。

3.6 江西省旱地土壤质地改良措施建议

土壤质地影响土壤肥力，主要是在物理因素上影响土壤的通气状况、水分分布状况、热状况和养分在土壤中的运移状况，从而影响土壤中的养分形态和和转化速率［22］。土壤中砂粒或粘粒含量过高，土壤肥力均较低，不适合于农业生产，需要通过不同方法改良至“三泥七砂”或“四泥六砂”的壤质土范围内，土壤才具有良好的肥力性状［23］。在农业生产中应结合栽种的作物对质地的要求适当改良质地，针对土壤质地过粘，可以进行掺砂改良，在适当施用氮肥的基础上，增施磷钾肥，提高土壤速效钾和有效磷含量，再结合施用石灰和有机肥，改善土壤酸度和土壤结构。而对于大面积粘土，由于江西省降水量较大，可以进行旱地改水田或水旱轮作，有效改善作物对土壤磷的利用率。针对土壤质地偏砂，应多施用有机肥、氮磷钾肥即有机无机合理配合施用，改善砂质土壤分散无结构的缺点，提高土壤保水保肥能力。