不同有机物料添加对砒砂岩与沙复配土碳氮含量的影响

摘  要：砒砂岩与风沙土作为毛乌素沙地两种利用率低且危害严重的两种自然资源，在实现国家“耕地占补平衡”战略和区域经济增长方面具有巨大的潜在价值。因此，本研究依托砒砂岩与沙复配土长期施肥定位试验，选择单施化肥（CK）、施用秸秆（C1）、施用微生物菌剂（C2）、施用有机肥（C3）和施用油渣（C4）共5个处理进行碳氮含量的垂直分布特征研究。结果表明，CK和C3处理在土层深度为40cm时有机碳含量最低，C4处理在土层深度为50cm时有机碳含量最低，均表现为先减小后增加的变化趋势。C1和C2处理的有机碳含量则随着土层的加深呈先增加后减小再增加的线性递增趋势。0-20cm和20-60cm分别以C3和C1处理的有机碳含量较高。不同处理的全氮含量则随着土层的增加变化各异，但整体呈现为线性递减的变化趋势，0-20cm以C3处理的全氮含量最高，20-60cm施有机物料处理的全氮含量均低于CK处理。综上，施用有機肥可促进0-20cm表层土壤有机碳和全氮的积累。

关键词：砒砂岩;风沙土;有机物料;有机碳;全氮

中图分类号：S153.6        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）29-0020-03

Abstract： Both soft rock and aeolian sandy soils， as two kinds of natural resources with low utilization rate and serious harm， are of great potential value in realizing the national "cultivated land occupation and balance" strategy and regional economic growth. Therefore， based on the long-term fertilization location test of soft rock and sand mixed soil， the vertical distribution characteristics of carbon and nitrogen content were studied using five treatments： single application of chemical fertilizer （CK）， straw （C1）， microbial agent （C2）， organic fertilizer （C3） and oil residue （C4）. The results showed that the CK and C3 treatments had the lowest organic carbon content when the soil depth was 40 cm， and the C4 treatment had the lowest organic carbon content when the soil depth was 50 cm， which showed a trend of decreasing first and then increasing. The organic carbon content of C1 and C2 treatment increased first， then decreased and then increased linearly with the deepening of the soil layer. The organic carbon content of 0-20 cm and 20-60 cm treated with C3 and C1 was higher， respectively. The total nitrogen content of different treatments varied with the increase of soil layer， but showed a linear decreasing trend. The total nitrogen content of 0-20 cm treated with C3 was the highest， while that of 20-60 cm treated with organic materials was lower than that of CK. In summary， the application of organic fertilizer can promote the accumulation of organic carbon and total nitrogen in the surface soil of 0-20 cm.

Keywords： soft rock; aeolian sandy soil; organic materials; organic carbon; total nitrogen

在我国陕晋蒙等干旱半干旱地区，砒砂岩风化物（砒砂岩）与风沙土（沙）作为该地重要的两种土壤资源，水土流失严重且质地松散，养分含量低且结构性差，中外专家称之为“地球环境癌症”，可见砒砂岩与沙所处区域的地理危害决定了该区域生态恢复的紧迫性和艰难度[1-3]。有研究报道，该地未利用土地占全省未利用土地总面积的50%左右，其中沙荒地面积占该区域未利用土地总面积的90%左右，可见沙荒地分布面积广，具有较大的开发潜力，但是其肥力低下，提高这部分土地的养分含量对该地生态环境的改善和可持续发展具有重要意义[4，5]。该地黄土资源缺乏，利用客土法对沙荒地进行改良需耗费大量的人力物力，且经济效益较差无法大面积推广。对于砒砂岩，其粘粒和细粉粒含量较高，成分主要为稳定的二氧化硅、氧化铝和氧化铁，它们的质量分数超过了89%，除此之外还含有不稳定的氧化钠、氧化钾和氧化钙等成分，其理化性质决定了它具有结构强度低，易风化，颗粒间胶结程度低，渗透性能差等特点[6-8]。而沙土的颗粒组成质地均一，结构疏松，水分在土层空间内的分布较为均匀，一旦水分补给减少，蒸散增加，就会出现整体性缺水[9，10]。鉴于此，韩霁昌等人[2，9]根据砒砂岩和沙等两种材料的性质，就地取材，将两者按照一定比例进行混合，结果发现配比介于1：5-1：1（砒砂岩：沙）之间可促进作物的良好生长，其中1：2适合玉米生长，此技术可大面积推广，可实现砒砂岩的资源化利用。

目前砒砂岩与沙复配土仍处于培肥固碳阶段，有研究认为有机碳作为土壤中微生物、土壤矿物质和土壤酶的有机载体，有机碳含量的高低与土壤空间结构、通透性和孔隙度密切相关，增加有机碳含量可显著增强土壤的持水能力和缓冲作用[11]，因此提高土壤中的有机碳含量是沙荒地改良与修复过程中重要的环节。因此，本文进一步研究不同有机物料添加对砒砂岩与沙复配土碳氮含量的影响，以期为我国的沙漠化土壤生物防治技术提供科学依据，为新型土体有机重构技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

砒砂岩与沙复配土长期施肥定位试验位于陕西富平中试基地（108°57′-109°26′E，34°42′-35°06′N），该地处于鄂尔多斯地台南边缘与渭河地堑北边缘的斜坡地带，地质构造以祁连、吕梁、贺兰山字型前弧东翼南段的成份为主，北西向断裂次之。西北高而东南低，中部起伏不平，受石川河、赵氏河、顺阳河、温泉河的切割形成原间洼地和川原相间地形。海拔处于376-439m，暖温带大陆性气候，年均日照时数约2389.6h，年平均降水量为527.2mm，年平均气温为13.1℃。

1.2 试验设计

小区试验为模拟毛乌素沙地砒砂岩与沙混合层的土地状况，试验小区在0-30cm铺设砒砂岩与沙的混合物质，30-70cm填充风沙土。砒砂岩和沙均取自榆林榆阳区小纪汗乡大纪汗村。选取2009年整治的复配比为1：2（砒砂岩：沙）的5个试验处理（CK，单施化肥;C1，添加秸秆;C2，添加微生物菌剂;C3，添加有机肥;C4，添加油渣）。每个处理重复3次，共15个小区。小区面积为2m×2m=4m2，根据小区立地条件，考虑光照、微地形等因素的均一性，试验小区采取自南向北“一”字型布设。试验田为玉米（金诚508）-小麦（小偃22）一年两熟轮作，全部采用人工播种。试验田的供试化肥类型为尿素、磷酸二铵、硫酸钾，施肥量为每年施化肥N255kg·hm-2、P2O5180kg·hm-2、K2O90kg·hm-2。秸秆使用量为90kg·hm-2，微生物菌剂施用量为2.5kg·hm-2，有机肥（猪粪）施用量为100kg·hm-2，油渣（菜籽油渣）施用量为15kg·hm-2。

1.3 土壤样品采集

小麦于每年5月底6月初收货，小麦收货后每个试验小区间隔10cm采集0-60cm土层的土壤样品，每个小区采用五点法进行采样。五点组成一个混合样，然后在实验室过2mm筛，去除土壤中的动、植物残体，之后经自然风干研磨过0.25mm筛，用于土壤有机碳和全氮的测定。

1.4 测定方法

土壤有机碳采用TOC分析仪进行测定（MultiN/C3100，德国耶拿），全氮采用元素分析仪（EA3000，意大利欧维特）进行测定。

1.5 数据处理与分析

所有数据采用EXCEL2019进行分类整理并绘制图表，采用SPSS19.0进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 复配土有机碳含量

CK处理、C3处理和C4处理的有机碳含量随着土层的加深表现出一致的变化规律（图1）。0-40cm土层土壤有机碳含量逐渐降低，而40-60cm土层有机碳含量又逐渐增大。C1处理和C2处理的有机碳含量则随着土层的加深出现先增加后降低再增加的变化趋势，其中C1处理在40-50cm土层开始降低，继而增加，而C2处理则是在30-50cm土层间均出现下降，之后又开始增加。在0-10cm土层与CK处理的有机碳含量相比，C3处理显著增加了43.39%，其他處理则有所降低，表现为C3>CK>C4>C1>C2的变化趋势。在10-20cm土层依然以C3处理的有机碳含量最大，C2最小，具体表现为C3>C4>C1>CK>C2的变化趋势，其中C1、C3和C4处理的有机碳含量较CK处理分别增加了1.52%、31.00%和4.86%，说明施用有机肥可以促进表层（0-20cm）土壤有机碳的积累。在20-30cm土层，有机碳含量表现为C1>C2>C3>CK>C4的变化趋势，其中C1、C2和C3处理的有机碳含量较CK处理分别增加了60.00%、32.67%和6.00%。在30-40cm土层，有机碳含量表现为C1>CK>C2>C4>C3的变化趋势，其中C1处理的有机碳含量较CK处理增加了86.41%。在40-50cm土层，有机碳含量表现为C1>CK>C2>C3>C4的变化趋势，其中C1处理的有机碳含量较CK处理增加了3.54%。在50-60cm土层，有机碳含量表现为CK>C1>C2>C4>C3的变化趋势，其中C1、C2、C3和C4处理的有机碳含量较CK处理分别降低了3.18%、37.20%、54.21%和53.27%。综上说明，随着土层的加深，在20-50cm土层以C1处理（施用秸秆）的效果最好。有机物料的添加可能改善了土壤理化性质，使土壤空隙变得均匀，通气透水性增强[12]，因此50cm以下随着灌溉和水分运移等原因，土壤有机碳含量均低于CK处理。

2.2 复配土全氮含量

CK和C2处理的全氮含量随着土层的加深在10-20 cm时表现出增加的趋势，之后又逐渐递减;C1和C3处理的全氮含量随着土层的加深在0-50cm时表现为递减的变化趋势，而在50-60cm土层开始增加;C4处理的全氮含量在0-60cm土层呈逐渐降低的变化趋势（图2）。在0-10cm土层，CK处理的全氮含量最低，C1、C2、C3和C4处理的全氮含量较CK处理分别增加了66.67%、3.50%、107.81%和94.27%，表现为C3>C4>C1>C2>CK的变化趋势。在10-20cm土层依然以C3处理的全氮含量最大，具体表现为C3>C1>CK>C2>C4的变化趋势，其中C1和C3的全氮含量较CK处理分别增加了1.34%和16.78%。在20-30cm土层，全氮含量表现为CK>C3>C2>C1>C4的变化趋势，其中C1、C2、C3和C4处理的全氮含量较CK处理分别降低了38.61%、29.79%、27.24%和67.57%。在30-40cm土层，全氮含量表现为CK>C1>C3>C2>C4的变化趋势，其中C1、C2、C3和C4处理的全氮含量较CK处理分别降低了50.96%、56.76%、55.21%和59.85%。在40-50cm土层，全氮含量表现为CK>C2>C4>C3>C1的变化趋势，其中C1、C2、C3和C4处理的全氮含量较CK处理分别降低了38.79%、15.52%、34.05%和21.98%。在50-60cm土层，全氮含量表现为CK>C1>C3>C2>C4的变化趋势，其中C1、C2、C3和C4处理的全氮含量较CK处理分别降低了2.92%、8.78%、5.85%和17.56%。综上说明，随着土层的加深，C4处理（施用油渣）的效果较差，施用有机肥可以促进表层（0-20cm）土壤全氮的积累。

3 结论

CK、C3和C4处理的有机碳含量随着土层的加深表现出先减少后增加的变化趋势，而CK处理的全氮含量与有机碳变化趋势相反，C3处理的全氮与有机碳变化趋势一致，C4处理的全氮呈现逐渐递减的趋势。C1和C2处理的有机碳表现为先增加后降低再增加的动态趋势。C1处理的全氮表现为先降低后增加的趋势，与C2处理的全氮变化规律相反。施用有机肥可以促进表层（0-20cm）土壤有机碳和全氮的积累，20-50cm土层以施用秸秆对有机碳的效果最好。

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