石其偉,楊瓊瑤, 陶娟花,章明奎

（1.浙江省紹興市柯橋區(qū)農(nóng)業(yè)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，浙江 柯橋 312030；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058）

砂土因粗顆粒多、細(xì)顆粒少、土體松散、養(yǎng)分含量低下、保蓄能力弱［1-4］、抗旱能力差［5］、有機(jī)物質(zhì)礦化迅速［6］、養(yǎng)分容易淋失［7-9］等原因，其對多數(shù)農(nóng)作物的適宜性較差［2］。但我國優(yōu)質(zhì)耕地資源緊缺，又因砂土具有通透性能好、易耕作、春季土壤升溫快等優(yōu)點(diǎn)，比較適合瓜類、根菜類蔬菜的生長，因此許多區(qū)位條件較好的砂土常被開墾用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。砂土的基礎(chǔ)地力較低，了解其有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分組成特點(diǎn)，對科學(xué)管理這類土壤及合理施肥具有實(shí)際指導(dǎo)意義。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為達(dá)到作物高產(chǎn)的目標(biāo)，常常需通過大量施肥來提高砂土的生產(chǎn)力［10-11］。同時(shí)，近年來一些地方在耕地地力提升時(shí)也常常把砂土作為提升對象［3］，并按常規(guī)土壤的提升要求進(jìn)行改良，使砂土有效養(yǎng)分的積累明顯高于其相應(yīng)的自然土壤。近年來，隨著大棚種植的發(fā)展，在砂土上開展了大棚種植，通過養(yǎng)分供給，也使得其養(yǎng)分積累明顯高于露天種植。以往研究較多關(guān)注砂土的肥效與總體肥力特點(diǎn)［12-14］及物質(zhì)的淋失［15-17］，對養(yǎng)分積累過程中氮磷鉀養(yǎng)分組成和有機(jī)質(zhì)組分的變化規(guī)律了解較少。而對大量施肥和強(qiáng)化培肥后砂土中的養(yǎng)分穩(wěn)定性如何、是否會引起環(huán)境問題等知之甚少。為此，本研究選擇浙江省兩種典型砂質(zhì)土壤，通過對荒地、露天栽培和大棚栽培等條件下的土壤進(jìn)行采樣分析，研究了砂質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分的構(gòu)成特點(diǎn)及其與養(yǎng)分積累的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究選擇的兩種砂土分別為清水砂和淡涂砂，均屬潮土土類、灰潮土亞類。前者形成于河流沖積母質(zhì)上，分布于河谷平原的河流兩岸；后者形成于淺海沉積物，主要分布于杭州灣南岸。清水砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分別為854、95、51 g/kg；淡涂砂的砂粒、粉粒和黏粒的平均含量分別為817、138、45 g/kg。分別在錢塘江中上游的河谷平原及杭州灣附近采集了30個(gè)代表性清水砂和淡涂砂表層土壤（采樣深度為0~20 cm，為多分點(diǎn)采集樣品的混合樣）。每一種土壤的利用方式包括荒地、露天旱地和大棚旱地等3類，分別代表自然狀態(tài)、一般農(nóng)地和集約農(nóng)地。用于采樣的露天旱地和大棚旱地利用時(shí)間在10年以上，每類用地各采集10個(gè)樣品。同時(shí)，在河谷平原典型區(qū)（清水砂區(qū)）分別采集荒地、露天旱地和大棚旱地的剖面分層樣，每個(gè)剖面按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm分層采集。

1.2 試驗(yàn)方法

樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干后，過2 mm土篩，取部分樣進(jìn)一步研磨過0.125 mm土篩。分析內(nèi)容包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、水溶性鉀、NH4-N、NO3-N含量及磷的化學(xué)形態(tài)。其中，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀采用常規(guī)法測定［18］；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定［18］；土壤速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；水溶性鉀用去離子水提取-火焰光度法測定；NH4-N、NO3-N采用2 mol/L KCl提取，分別用納氏試劑比色法和紫外分光光度法測定；土壤中顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)采用密度-篩分法測定［19］；土壤磷形態(tài)采用Hedley等的方法［20］測定。所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007處理，統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 12.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)質(zhì)的組成及其與有機(jī)質(zhì)積累的關(guān)系

由于成土母質(zhì)的差異，淡涂砂的pH值高于清水砂，但兩種土壤農(nóng)業(yè)利用后pH值均呈下降趨勢，其中以大棚種植的土壤酸化較為明顯（表1）。清水砂和淡涂砂的有機(jī)質(zhì)含量均較低，都在15 g/kg以下，兩者的平均有機(jī)質(zhì)含量分別為6.56和6.89 g/kg，表明砂質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)不易積累，處于較低水平。對于清水砂，無論是露天種植還是大棚種植，其有機(jī)質(zhì)含量與荒地比較，均沒有呈現(xiàn)增加趨勢；同時(shí)，它們的腐植質(zhì)含量、顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和非顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)含量受利用方式的影響也較小。而淡涂砂在露天種植和大棚種植后土壤有機(jī)質(zhì)含量有較為明顯的增加；相應(yīng)地，露天種植和大棚種植后淡涂砂土的腐植質(zhì)含量、顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和非顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)含量也明顯高于荒地土壤。

表1 2種砂質(zhì)土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)組分含量

兩種砂質(zhì)土壤的有機(jī)質(zhì)以腐植質(zhì)形態(tài)存在的比例也較低，均在45%以下，清水砂和淡涂砂中腐植質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例平均分別只有33.52%和35.00%；相應(yīng)地，顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的占比平均分別為22.71%和27.63%。結(jié)果表明，砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)不僅含量低，而且其穩(wěn)定性也不高，約有20%以上的有機(jī)質(zhì)以活性較高的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)形態(tài)存在。

表2顯示了兩種砂質(zhì)土壤中各形態(tài)有機(jī)質(zhì)組分與土壤有機(jī)質(zhì)積累的相關(guān)性。砂質(zhì)土壤中腐植質(zhì)、顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和非顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)含量均隨著土壤中有機(jī)質(zhì)的積累而積累，但腐植質(zhì)比例與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)占比與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，說明隨著土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，通過腐殖化作用形成的腐植酸比例逐漸下降，而以顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)形式存在的有機(jī)質(zhì)比例相對增加。這表明，隨著砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，土壤中有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性有下降趨勢。

表2 兩種砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)組分與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性（n=30）

2.2 氮素組成及其與氮素積累的關(guān)系

由表3可知，砂質(zhì)土壤農(nóng)業(yè)利用后全氮含量均有明顯的增加，表明氮在砂質(zhì)土壤中比有機(jī)質(zhì)更易積累，但總體上清水砂和淡涂砂的全氮含量均處于較低的水平，分別為0.43、0.49 g/kg。在荒地和露天種植條件下，2種砂質(zhì)土壤的礦質(zhì)氮（NH4-N和NO3-N）的積累均較少，這顯然與砂質(zhì)土壤對NH4-N和NO3-N的吸持能力較弱有關(guān)。但在大棚種植條件下，2種砂質(zhì)土壤中均有較高的NH4-N和NO3-N積累，尤其以NO3-N的積累最為明顯。砂土中NO3-N的積累明顯高于NH4-N，這與砂質(zhì)土壤通氣性較好等有關(guān)。

相關(guān)分析表明，清水砂和淡涂砂的NH4-N含量與全氮含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.515**和0.503**（n=30），NO3-N含量與全氮含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.286*和0.384*（n=30）。隨著土壤全氮的積累，土壤中NH4-N和NO3-N含量也有增加的趨勢，但它們之間的相關(guān)系數(shù)較低，表明砂質(zhì)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響，其中NO3-N含量受外部環(huán)境的影響更明顯。

2.3 鉀素組成及其與鉀積累的關(guān)系

砂質(zhì)土壤全鉀含量很低，清水砂和淡涂砂的全鉀平均含量分別為11.09、13.18 g/kg（表3）。農(nóng)業(yè)利用后兩種砂質(zhì)土壤全鉀含量均略有增加；而速效鉀和水溶性鉀含量的增加較為明顯，特別是在大棚種植條件下，清水砂和淡涂砂的速效鉀和水溶性鉀含量均達(dá)到荒地的數(shù)倍甚至10余倍。

表3 兩種砂質(zhì)土壤中氮和鉀的組分

相關(guān)分析也表明（表4），清水砂中速效鉀、水溶性鉀含量及水溶鉀占速效鉀的比例均與土壤全鉀含量呈顯著的正相關(guān)；但在淡涂砂中，這種相關(guān)性不明顯。但兩種砂質(zhì)土壤中速效鉀、水溶性鉀含量及水溶性鉀占速效鉀的比例間相關(guān)性均達(dá)到極顯著的水平。對比土壤速效鉀和水溶性鉀含量的變化及它們之間的相關(guān)性可知，隨著土壤鉀的積累，有更高比例的速效鉀以水溶態(tài)形式存在。表明這些積累在砂質(zhì)土壤中的速效鉀多以水溶性形式存在，易隨降水流失。

表4 兩種砂質(zhì)土壤中鉀組分之間的相關(guān)性（n=30）

2.4 磷素組成及其與磷積累的關(guān)系

荒地砂質(zhì)土壤全磷含量較低，大部分在0.40 g/kg以下（表5），但農(nóng)業(yè)利用后，兩種砂質(zhì)土壤全磷明顯積累，在大棚種植條件下清水砂和淡涂砂的全磷含量都達(dá)到了較高的水平。隨著全磷的積累，土壤有效磷含量呈現(xiàn)迅速的增加，2種砂質(zhì)土壤農(nóng)用后速效磷含量都達(dá)到荒地的10倍以上。磷形態(tài)分析結(jié)果表明，隨著土壤全磷的積累，土壤各態(tài)磷的絕對含量均呈現(xiàn)增加的趨勢，但各形態(tài)磷占全磷的百分組成的變化有所差別，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性較高的磷組分呈現(xiàn)明顯的增加，NaOH-IP和HCl-P的比例也呈現(xiàn)增加的趨勢，而NaOH-OP和殘余態(tài)磷的比例趨向下降（表6）。

表5 兩種砂質(zhì)土壤中磷的組分

表6 兩種砂質(zhì)土壤中磷組分之間的相關(guān)性（n=30）

2.5 養(yǎng)分的剖面垂直分布

表7為從河谷平原（清水砂區(qū)）采集的荒地、露天旱地和大棚旱地剖面樣中養(yǎng)分的垂直分布情況。由表7可知，荒地剖面的養(yǎng)分含量普遍較低，有機(jī)質(zhì)含量與其他兩種用地?zé)o明顯的差別。但無論是有機(jī)質(zhì)還是其他養(yǎng)分在荒疏地條件下都具有明顯的表聚特點(diǎn)，即說明在低養(yǎng)分積累條件下，砂質(zhì)土壤養(yǎng)分在植物生物富集的作用下具向表層富集的特點(diǎn)。在露天種植的農(nóng)地中，有效氮、有效磷、有效鉀含量都比荒地有明顯的增加，若以80~100 cm土層養(yǎng)分為參照，有效氮、有效鉀均有向下遷移的跡象，但有效磷仍表現(xiàn)出明顯的表聚特點(diǎn)，而有效氮和有效鉀的最高含量出現(xiàn)在表下層，表明有效氮和鉀比磷更易發(fā)生垂直遷移。而在大棚種植條件下，有效氮、有效磷、有效鉀含量都有明顯的增加，這些養(yǎng)分的垂直遷移也很明顯，但它們都呈現(xiàn)表層高于下層土壤的特點(diǎn)。

表7 不同利用方式下砂質(zhì)土壤中養(yǎng)分的垂直分布

3 討論

3.1 砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)的積累特點(diǎn)

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，其含量和組分的變化都會深刻影響土壤系統(tǒng)中的多個(gè)過程，同時(shí)其也是土壤肥力和基礎(chǔ)地力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等。因此，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量一直是農(nóng)田培肥的重要方向。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種有機(jī)物質(zhì)的輸入與輸出都會對土壤有機(jī)質(zhì)的平衡的因素產(chǎn)生很大的影響。一般來說，影響土壤有機(jī)質(zhì)平衡大致有生物、物理、化學(xué)和社會經(jīng)濟(jì)等［21］。其中，物理、化學(xué)因素主要指能夠穩(wěn)定土壤中有機(jī)碳的相關(guān)因素，包括土壤質(zhì)地、水分條件、土壤結(jié)構(gòu)、土壤生物因子等。進(jìn)入農(nóng)田土壤的有機(jī)物質(zhì)可通過礦化和腐殖化作用轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)，其在土壤中腐解1年后的殘留量與原加入量的比值稱為腐殖化系數(shù)，后者除受進(jìn)入土壤有機(jī)物料的組成、水熱條件影響外，還與土壤性狀密切相關(guān)［22］。積累在土壤中的有機(jī)質(zhì)主要通過與無機(jī)分子相互作用避免被微生物利用而穩(wěn)定在土壤中，其作用的機(jī)制包括配位交換、氫鍵、陽離子鍵橋和范德華力等多種形式［23］，其中，黏土礦物和金屬氧化物是有機(jī)質(zhì)結(jié)合的主要載體。因此，土壤中黏土礦物和鐵鋁氧化物數(shù)量的多少直接影響土壤有機(jī)質(zhì)積累的潛力。本研究的結(jié)果表明，2種砂土的有機(jī)質(zhì)平均含量分別只有6.56和6.89 g/kg，都在15 g/kg以下，遠(yuǎn)低于同一地區(qū)其他耕地土壤有機(jī)質(zhì)的平均含量（30.12 g/kg）［24］，表明砂質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)不易積累，處于較低水平，這顯然與砂土缺乏黏粒（黏土礦物和鐵鋁氧化物）對有機(jī)質(zhì)的保護(hù)有關(guān)。即由于土壤質(zhì)地較輕，進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)腐殖化程度較低，不利于有機(jī)質(zhì)的積累。

土壤中的有機(jī)質(zhì)可以不同形態(tài)存在，Elliott［25］采用密度法對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分組，分為游離態(tài)輕組、粗顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)，其中礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)主要以腐植質(zhì)形態(tài)存在，是相對穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)。本文結(jié)果表明，砂質(zhì)土壤中以腐植質(zhì)形態(tài)存在的有機(jī)質(zhì)比例較低，平均分別只有33.52%和35.00%，低于其他農(nóng)田土壤［26］；并且隨著有機(jī)質(zhì)的積累土壤中有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性有下降趨勢（腐植酸比例逐漸下降），表明砂質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)不僅含量低，而且其穩(wěn)定性也不高，這顯然也與砂土缺少黏粒有關(guān)，即由于黏土礦物和鐵鋁氧化物的缺乏，進(jìn)入土壤中的有機(jī)質(zhì)不易形成礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)，有較大比例的有機(jī)質(zhì)以活性較高的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)或游離態(tài)輕組形態(tài)存在。

另外，本研究結(jié)果表明：清水砂無論是露天種植還是大棚種植其有機(jī)質(zhì)含量與荒地比較均沒有呈現(xiàn)增加趨勢；而淡涂砂在露天種植和大棚種植后土壤有機(jī)質(zhì)含量有較為明顯的增加。這可能與淡涂砂成土母質(zhì)是淺海沉積物，其荒地主要是新形成的土壤，成土?xí)r間較短，因此其農(nóng)用后有機(jī)質(zhì)有積累趨勢；而清水砂成土母質(zhì)為河流沖積物，無論是農(nóng)田還是荒地其形成都有一定的時(shí)間，都已存在一定的有機(jī)質(zhì)積累過程。

3.2 砂質(zhì)土壤中氮磷鉀的積累特點(diǎn)

農(nóng)田土壤養(yǎng)分高低除與成土母質(zhì)有關(guān)外，還深受施肥的影響。大量的定位試驗(yàn)表明［27-29］，土壤中養(yǎng)分的積累隨肥料施用量和施用年限的增加而增加。但土壤中養(yǎng)分積累對施肥的相應(yīng)在不同土壤中有所差異，特別是土壤中有效態(tài)養(yǎng)分的積累并不與養(yǎng)分積累總量呈等比例變化，其原因一般認(rèn)為與不同土壤類型的組分和性狀不同有關(guān)［30-31］。在一般情況下，土壤中的主要養(yǎng)分（包括氮、磷、鉀）主要存在于黏粒中，特別是氮素和磷素主要以有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)或黏土礦物結(jié)合態(tài)形式存在，因此，在不施肥的條件下，砂土因缺乏膠體物質(zhì)，其氮、磷、鉀含量一般都較低，本研究中荒地的全氮、全磷和全鉀含量分別在0.42、0.41和15.00 g/kg以下，與此有關(guān)。通過肥料方式進(jìn)入土壤的氮、磷、鉀可與土壤組分發(fā)生作用，成為土壤的重要養(yǎng)分組成，其中氮素主要通過微生物同化作用成為有機(jī)質(zhì)的主要組分；磷同時(shí)可與黏土礦物、氧化物和有機(jī)質(zhì)發(fā)生作用，成為有機(jī)質(zhì)的組分，或被黏土礦物、氧化物吸附固定；而鉀主要通過與膠體表面的陽離子發(fā)生交換而被土壤吸附或固定。有效養(yǎng)分（含NH4-N、NO3-N、有效磷、速效鉀）是指能被植物吸收利用部分的氮、磷、鉀，它們主要是與土壤松結(jié)合的氮、磷、鉀。因此，土壤組分的差異可直接影響進(jìn)入土壤中的氮、磷、鉀的行為。當(dāng)土壤中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、氧化物時(shí)，氮、磷、鉀易被土壤吸附固定，其活性相對較低；相反，當(dāng)土壤中缺乏有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、氧化物時(shí)，氮、磷、鉀不易被土壤吸附固定，其活性相對較高。砂土因缺少有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、氧化物，進(jìn)入砂土的肥料氮、磷、鉀具有較高的生物有效性，H2O-P、NaHCO3-IP、NaHCO3-OP等有效性較高的磷組分呈現(xiàn)明顯的增加。因此，在大棚種植環(huán)境下，砂土中NH4-N、NO3-N、有效磷和速效鉀的積累非常明顯，速效鉀、水溶性鉀、速效磷含量均達(dá)到荒地的數(shù)倍甚至10余倍。但同時(shí)由于砂土缺乏有效的吸附物質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、氧化物），對養(yǎng)分的吸持能力較弱，有效養(yǎng)分在土壤中的積累除有利于作物吸收外，其也可隨水分運(yùn)動進(jìn)入環(huán)境，對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，在露天種植環(huán)境下砂質(zhì)土壤中NH4-N、NO3-N、速效鉀不易在表土積累，容易發(fā)生淋失。

4 結(jié)論

本研究表明，荒地砂質(zhì)土壤中有效養(yǎng)分含量普遍較低，但表聚明顯，在農(nóng)用后土壤磷和氮呈現(xiàn)了明顯的富集現(xiàn)象。露天種植與大棚種植之間砂質(zhì)土壤養(yǎng)分垂直分布有明顯的差別，前者土壤有效養(yǎng)分垂直下移顯著，其中有效氮和鉀含量的高值出現(xiàn)在亞表層；而后者土壤有效養(yǎng)分雖存在下移，但仍顯現(xiàn)明顯的表聚。砂質(zhì)土壤中積累的有機(jī)質(zhì)多為不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)中腐植酸占比較低，顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)占比隨土壤有機(jī)質(zhì)的積累呈增加趨勢。砂質(zhì)土壤中的速效鉀有較高比例以水溶態(tài)存在；活性較高的磷隨土壤磷素積累呈明顯增加。因有較高比例的氮、磷、鉀以高活性形態(tài)存在，砂質(zhì)農(nóng)田土壤存在較大的養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)。