Vertical Nutrient Distribution and Texture of Sandy Soil Added with Soft Rocks
-
摘要:目的 研究不同比例砒砂岩添加对风沙土（沙）中碳氮比垂直分布规律的影响，为沙荒地改良以及复配土体地力的提升提供科学依据。方法 以位于陕西富平的砒砂岩与沙复配比小区为研究对象，选择砒砂岩与沙体积比分别为0:1（CK）、1:5（C1）、1:2（C2）和1:1（C3）的4个处理，分析复配土碳氮比（C/N）及其与土壤养分和质地的关系。结果 不同处理下土壤有机碳和全氮含量随着土层深度的增加而降低，有机碳平均值为1.45~2.70 g·kg-1且0~10 cm土层有机碳含量显著高于20~30 cm土层（P < 0.05）；复配比单因素对有机碳产生显著影响，随着砒砂岩体积分数的增加，0~10 cm土层有机碳含量以C3处理最高。全氮平均值为0.28~1.31 g·kg-1，且0~10 cm土层全氮含量显著高于10~20 cm和20~30 cm土层，在0~10 cm土层中，C3处理的全氮含量显著高于其他处理，复配比和土层双因素对全氮均产生显著影响。C/N平均值为1.72~5.92，以0~10 cm最低，其值随着砒砂岩体积分数的增加而依次减小，以C3处理最为显著。硝态氮和铵态氮含量在各处理间的变化规律较为一致，平均值分别为33.56~197.00、5.51~70.02 mg·kg-1，以0~10 cm土层含量最高。砂粒含量随着土层的加深而逐渐增加，粉粒和黏粒则随着土层的加深而减少，随着砒砂岩体积分数的增加，土壤质地由砂土变为壤砂土再变为砂壤土。C/N与硝态氮和铵态氮均呈显著负相关关系，与土壤质地的颗粒组成也有一定的相关性，10~20 cm土层最为显著。结论 砒砂岩与沙复配比为1:1时可以促进0~10 cm表层土壤碳氮的积累，增强微生物的分解作用。Abstract:Objective Effect of adding soft rocks to aeolian sandy soil in varied ratios on the vertical distributions of carbon (C), nitrogen (N), and texture of the soil was studied for improving fertility of the wasteland.Method At Fuping, Shaanxi, soft rocks were blended to the local sandy soil in different ratios, i.e., 0:1 (CK), 1:5 (C1), 1:2 (C2), and 1:1 (C3) by volume to determine the C/N ratio and texture of soil in different depths.Result The organic C and total N contents decreased with depth upon the additions. The average C content ranged from 1.45 g·kg-1 to 2.70 g·kg-1, and it was significantly higher in the 0-10 cm layer than 20-30 cm layer (P < 0.05). The mixing ratio had a significant effect on C, as the soft rocks increased (i.e., C3) so was C content in the top layer. The total N ranged 0.28-1.31 g·kg-1, and that in the 0-10 cm layer significantly higher than in the deeper soils. In the top layer, C3 rendered significantly more N than other treatments. The average C/N ranged 1.72-5.92 with the lowest in the 0-10 cm layer and a decline upon increased addition of soft rocks. The varied mixing ratios did not affect the nitrate N and ammonium N contents, which ranged 33.56-197.00 mg·kg-1 and 5.51-70.02 mg·kg-1, respectively, with the top layer being the highest. Sand content in the soil gradually increased with depth, while silt and clay particles decreased. Along with the addition of soft rocks the soil texture changed from sand to loamy sand, and to sandy loam. There was a significant inversed correlation between C/N and nitrate N and ammonium N, and a correlation with the particle size distribution in soil. The correlations were most significant in the 10-20 cm soil layer.Conclusion The blending ratio of soft rocks and sand at 1:1 seemed to promote the C and N accumulation in the 0-10 cm layer of soil. It also enhanced the microbial degradation in the soil.
-
Keywords:
- mixed soil /
- carbon to nitrogen ratio /
- soil nutrient /
- texture /
- soft rocks
-
0. 引言
【研究意义】土壤有机碳和全氮作为土壤中营养物质的主要组成部分，在土壤物理化学以及生物学进程中起着不可或缺的调控作用，不仅占有养分转换利用的核心位置，也是陆地生态系统碳库和氮库的重要枢纽[1-2]。土壤有机碳是具有特定结构和高分子量的一类化合物，对不同农业生产措施和环境因子的变化具有明显响应[3]。氮作为三大植物营养元素之一，与土壤有机碳存在一定的耦合关系，碳氮比(C/N)可以反映土壤养分的稳定性及有效性，作为表征土壤肥力的重要指标[4]。因此，研究土壤中C/N可为农田养护管理及种植模式的筛选提供理论借鉴意义。【前人研究进展】目前，国内外学者关于有机碳和全氮在自然地貌上的研究已有众多报道，王小利等[5]对由灰岩与砂页岩发育而来的黄壤稻田土壤有机碳氮演替研究指出，随着施肥年限的增加，土壤有机碳和全氮基本呈线性增长的变化趋势，且C/N基本稳定在12.3左右。Hyvonen等[6]对北欧15个观测站土壤的碳稳定性和氮储量之间的研究指出，增加氮素投入可以减少有机碳的矿化损失，间接促进有机碳的储存与累积，而通过施用有机肥等有机碳直接输入的途径也可在一定程度上促进氮素的累积与保持，可见碳氮含量之间相互依存，有一定的耦合关系。张乐等[7]对森林土壤碳氮比的研究表明，不同典型林的C/N为9.27~28.23，随着土层的加深，碳氮含量之间一直呈显著正相关关系，而速效钾对碳氮的贡献率则随着土层的加深而降低。学者关于碳氮的变异特征及分布格局在城郊区域、小流域、东北黑土[8-10]等地域均做了大量的研究，表明碳氮之间均存在一定的耦合性，且C/N与土壤养分之间存在一定的显著相关性。【本研究切入点】砒砂岩与风沙土(沙)作为毛乌素沙地广泛分布的两种有害资源，单独存在时不能促进作物生长。团队成员前期对砒砂岩与沙的结构及抗蚀能力进行研究，结果表明砒砂岩易风化、成岩程度低、渗透性差，但具有良好的保水能力，而沙则质地均一、漏水漏肥，利用两者互补特性将其进行复配可以有效改善其质地，达到治理沙地的目的[11-12]，此项技术已经得到了广泛的应用。目前，团队成员关于砒砂岩与沙复配土体的研究主要存在于物理化学结构及保水性能等方面[13]，而对于复配土的养分循环及表征体系研究较少，C/N与养分元素之间的关系目前还未涉及。【拟解决的关键问题】本文以不同比例砒砂岩与沙进行复配的土壤为研究对象，主要对不同土层复配土的碳氮含量、碳氮比、有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮进行分析，并对土壤质地的变化特征进行阐述，研究结果可为评估复配土质量及地力提升提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
富平县褚塬村(108°57′~109°26′E，34°42′~35°06′N)是关中平原和陕北高原的过渡地带，属渭北黄土高原沟壑区，地势北高南低，自西北向东南倾斜，境内海拔375.8~1 420.7 m，属于大陆性季风温暖带半干旱型气候，年总辐射量5 187.4 MJ·m-2，年平均日照时数约2 389.6 h，年均气温13.1℃，年平均降水量527.2 mm(1990-1995年)，降水年际变化大，年降水量变异系数(CV)达到21.1%。小区定位模拟试验设置在富平县褚塬村陕西地建土地工程技术研究院的中试基地内，基地土壤类型为塿土，成土母质为黄土。
1.2 试验设计
田间试验小区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0~30 cm铺设试验复配土，30~70 cm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2016年整治的4个复配比例处理，砒砂岩与沙按体积比0:1(CK)、1:5(C1)、1:2(C2)、1:1(C3)复配，每个处理重复3次，共12个小区。小区面积为2 m × 2 m = 4 m2，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；通常土壤耕层深度为30~40 cm，因此试验小区将砒砂岩与沙的混合深度设计为0~30 cm，模拟实地条件，30~70 cm完全用沙填充。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(含N 46.4%)、磷酸二铵(含N 16%、含P2O544%)、硫酸钾(含K2O 52%)，施肥量为每年施化肥N 255 kg·hm-2、P2O5 180 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。
1.3 土壤样品采集
2018年5月份小麦收获后，采集各小区0~30 cm土层样品(间隔10 cm)，每个小区均匀采集5点组成一个混合样。将采集的土壤样品去除动、植物残体，过孔径2 mm筛后分成两份，一份置于4℃冰箱内用于NH4+-N、NO3--N的测定；一份经自然风干后研磨过1.00和0.25 mm筛，分别用于土壤质地和有机碳、全氮、速效钾、有效磷的测定。
1.4 指标测定方法
NH4+-N和NO3--N的测定方法：各处理土壤样品均称取鲜样30 g放入50 mL 2 mol·L-1的KCl溶液中震荡30 min，静置后用0.45 μm滤膜进行抽滤，滤液使用FIAstar 5000流动注射分析仪测定。土壤有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法进行测定，全氮采用元素分析仪(EA3000，意大利欧维特)测定，有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[14]。质地采用马尔文激光粒径分析仪(MS2000，英国)进行测定。
1.5 数据处理与分析
所有数据采用Excel 2019进行分类整理并绘制图表，采用SPSS 19.0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(SOC)分析
研究结果(图 1)表明，砒砂岩与沙不同复配比处理下各土层有机碳含量存在明显差异，0~10、10~20、20~30 cm土层土壤有机碳含量分别为2.07~2.65、1.45~2.70、1.49~2.03 g·kg-1，平均含量随着土层的加深而逐渐降低，且0~10 cm土层有机碳含量显著高于20~30 cm土层。在0~10 cm土层和20~30 cm土层中，所有处理下的有机碳含量均无显著差异(P>0.05)，而在10~20 cm土层中，CK处理有机碳含量显著高于其他复配比处理(P＜0.05)，且其他处理间无明显差异。所有土层中以CK处理的有机碳含量最高，C1较CK处理降幅介于21.89%~30.00%。0~20 cm土层中C2处理较C1处理使有机碳含量降低了1.45%和4.76%，而20~30 cm土层中C2处理较C1处理使有机碳含量增加了27.52%。0~10 cm土层中C3处理的有机碳含量较C2处理增加了9.31%，10~30 cm土层中C3处理较C2处理使有机碳含量降低了19.44%和7.89%。说明随着砒砂岩含量的增加，各土层土壤有机碳含量重新分配，促进了0~10 cm表层土壤有机碳的累积。进一步的方差分析结果表明(表 1)，复配比处理对有机碳含量有显著性影响，土层则影响不显著，而两者的综合作用则不明显。
![]()
图 1 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤有机碳的垂直分布特征Figure 1. Vertical distribution of organic C in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sandNote:Different lowercase letters in the figure indicate the significant difference (5%) between different compounding ratios in the same soil layer, while uppercase letters indicate the significant difference (5%) between the average values of all treatments in three soil layers, The same as Fig. 2, 3.![]()
图 2 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤全氮的垂直分布特征Figure 2. Vertical distribution of total N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand![]()
图 3 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤碳氮比的垂直分布特征Figure 3. Vertical distribution of C/N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand表 1 各测定指标在双因素影响下的方差分析Table 1. Variance analysis on specific indicator under two factors指标
Index影响因素
Influencing factor平方和
Quadratic sum自由度
Free degree均方
Mean squareF值
F valueP值
P value有机碳Organic carbon 复配比 2.5994 3 0.8665 3.919 0.0207 土层 1.2635 2 0.6317 2.857 0.077 复配比×土层 1.1151 6 0.1859 0.841 0.5511 全氮Total nitrogen 复配比 0.9265 3 0.3088 34.221 0.0001 土层 1.3922 2 0.6961 77.128 0.0001 复配比×土层 0.2679 6 0.0446 4.947 0.002 碳氮比C/N 复配比 43.0899 3 14.3633 14.006 0.0001 土层 19.8871 2 9.9435 9.696 0.0008 复配比×土层 7.1677 6 1.1946 1.165 0.3573 2.2 复配土全氮含量(TN)分析
砒砂岩与沙不同复配比处理下全氮含量在0~10、10~20、20~30 cm土层的范围分别为0.70~1.31、0.37~0.70、0.28~0.63 g·kg-1(图 2)，平均含量随着土层的加深而逐渐降低，且0~10 cm全氮含量显著高于10~20和20~30 cm土层(P＜0.05)。在0~10、10~20 cm土层中，C3处理的全氮含量均显著高于其他处理，而其余处理间则无明显差异(P>0.05)。在20~30 cm土层中，C2和C3处理差异不明显，且全氮含量均显著高于C1和CK处理，C1处理较CK处理无显著差异。所有处理中平均以C3处理的全氮含量最高，CK、C1和C3处理的全氮含量表现为随着土层的加深而逐渐降低的趋势，而C2处理则表现为20~30 cm土层全氮含量高于10~20 cm土层。进一步的方差分析结果表明(表 1)，复配比处理和不同土层对全氮含量均有极显著的影响(P＜0.01)，而两者的综合作用也有显著影响。
2.3 复配土碳氮比(C/N)分析
不同比例砒砂岩与沙复配处理下C/N在0~10、10~20、20~30 cm土层的范围分别为1.72~3.80、2.05~5.92、2.96~5.62(图 3)，平均以10~20 cm土层C/N最高，20~30 cm次之，0~10 cm最低。在各土层中，均以CK处理的C/N最大，介于3.80~5.92，其值随着砒砂岩含量的增加而依次减小。CK、C1和C2处理的C/N在0~20 cm土层下无显著差异，但在0~10 cm土层下CK处理的C/N显著高于C3处理121.12%，C2处理的C/N较C1处理和C3处理分别减少了13.75%和增加了48.26%。在10~20 cm土层下CK、C1和C2处理的C/N均显著高于C3处理，增幅为118.38~188.62%，C2处理的C/N较C1处理下降了11.06%。在20~30 cm土层中，与CK处理相比，C1处理的C/N无显著差异，C2和C3处理的C/N分别显著降低了44.27%和47.24%，C1处理的C/N也均显著高于C2和C3处理，增幅为74.97%~84.82%，而C2处理较C3处理使C/N增加了5.63%，但未达显著水平。进一步的方差分析结果表明(表 1)，复配比处理和不同土层对C/N均有极显著的影响(P＜0.01)，而两者的综合作用效果则不显著。
2.4 复配土有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量分析
表 2表明不同复配比处理下的土壤有效养分含量在不同土层间分布各异。与CK处理相比，C1处理在0~10、10~20 cm土层有效磷含量分别显著增加了41.09%和104.73%，当复配比为1:2(C2)时有效磷含量降至最低，随后有效磷含量随着砒砂岩比例的增加而增加；而20~30 cm土层有效磷的变化趋势则与0~20 cm相反。整体呈现以0~10 cm土层有效磷含量最高，20~30 cm次之，10~20 cm土层最小。而速效钾含量整体以10~20 cm土层最大，0~10 cm土层次之，20~30 cm最小。与CK处理相比，C1处理在0~10、10~20、20~30 cm土层速效钾含量均显著增加了56.13%、62.85%和23.45%，当复配比为1:2(C2)时，0~10 cm土层速效钾含量显著降低，而10~20、20~30 cm土层速效钾含量持续增加，当复配比为1:1(C3)时，0~10 cm土层速效钾含量又显著增加，而10~20、20~30 cm土层速效钾含量则显著降低。
表 2 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮的垂直分布特征Table 2. Vertical distribution of available phosphorus, available potassium, nitrate N and ammonium N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand土层
Soil layer/cm处理
Treatment有效磷
Available phosphorus(AP)
/(mg·kg-1)速效钾
Available potassium(AK)
/(mg·kg-1)硝态氮
Nitrate nitrogen (NO3--N)
/(mg·kg-1)铵态氮
Ammonium nitrogen(NH4+-N)
/(mg·kg-1)0~10 CK 20.76±1.94b 40.95±1.27c 48.61±1.19c 10.98±2.04c C1 29.29±2.50a 63.93±1.88ab 57.54±2.35c 16.00±1.86bc C2 10.77±1.01c 50.85±0.89c 83.59±4.34b 20.81±1.65b C3 19.48±2.15b 72.95±1.72a 197.00±6.66a 70.02±2.31a 10~20 CK 11.01±1.67b 45.01±1.11c 33.56±1.76c 5.51±1.05c C1 22.54±2.29a 73.30±1.79b 53.58±3.03bc 10.52±1.86c C2 8.15±1.82b 95.05±2.15a 70.07±3.72b 17.51±2.04b C3 9.57±2.17b 74.89±2.38b 130.45±7.59a 31.15±1.85a 20~30 CK 14.57±1.94a 41.65±1.86c 32.53±1.72c 5.80±0.66c C1 9.08±1.79b 51.38±1.32ab 42.86±3.14c 12.13±1.51c C2 15.92±2.81a 64.64±2.44a 63.55±3.85ab 18.13±2.17b C3 5.41±1.26c 40.24±1.01c 81.81±4.87a 31.87±2.31a 注：数据后同列不同小写字母表示同一土层不同处理之间差异显著(P＜0.05)。表 3-4同。
Note:The different lowercase letters in the same column under each soil layer indicate significant differences (P＜0.05).The same as Table 3-4.表 3 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤质地的垂直分布特征Table 3. Vertical distribution on texture of soil in varied mixing ratios of soft rocks and sand土层
Soil layer/cm处理
Treatment砂粒
Sand /%粉粒
Silt/%黏粒
Clay /%质地
Texture0~10 CK 89.87±3.96a 7.68±1.48c 2.45±0.65c 砂土 C1 76.59±4.05b 18.44±1.39b 4.97±0.85b 壤砂土 C2 58.85±3.28c 33.13±2.05a 8.02±0.78a 壤砂土 C3 64.2±4.81c 28.62±2.48a 7.18±1.12ab 砂壤土 10~20 CK 93.14±4.01a 6.06±1.61b 0.80±0.04c 砂土 C1 82.56±2.85ab 14.24±1.54ab 3.20±0.69bc 壤砂土 C2 65.33±5.89ab 27.39±2.81ab 7.27±1.56ab 砂壤土 C3 53.31±3.96b 37.01±2.24a 9.68±1.55a 砂壤土 20~30 CK 99.07±4.16a 0.83±0.09b 0.10±0.02b 砂土 C1 81.08±4.12ab 15.48±1.01a 3.43±0.25ab 壤砂土 C2 74.19±3.11b 20.07±1.58a 5.75±1.55a 壤砂土 C3 77.46±4.18ab 16.97±1.25a 5.57±1.15a 砂壤土 表 4 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤碳氮比与养分元素及质地的相关性Table 4. Correlations among C/N, nutrients, and texture of soil in varied mixing ratios of soft rocks and sand土层
Soil layer./cm有效磷
AP/
(mg·kg-1)速效钾
AK/
(mg·kg-1)硝态氮
NO3--N/
(mg·kg-1)铵态氮
NH4+-N /
(mg·kg-1)有机碳
SOC/
(g·kg-1)全氮
TN/
(g·kg-1)砂粒
Sand
/%粉粒
Silt
/%黏粒
Clay
/%0~10 0.2625 -0.8456 -0.9045 * -0.8820 0.6176 -0.8849 * 0.8565 -0.8441 -0.8654 10~20 0.1393 -0.4412 -0.9999 ** -0.9997 ** 0.8653 -0.8513 0.9488 * -0.9498 * -0.9269 * 20~30 0.2007 -0.2883 -0.9438 * -0.8652 -0.1182 -0.9687 ** 0.7639 -0.7211 -0.8726 注：*表示P＜0.05水平差异显著，**表示P＜0.01水平差异极显著。
Note：* indicates significant at P＜0.05 level, and ** indicates extremely significant at P＜0.01 level.硝态氮和铵态氮含量在各处理间的变化规律较为一致，平均以0~10 cm土层含量最高。10~20 cm土层硝态氮含量大于20~30 cm土层，而铵态氮与其相反。与CK处理相比，硝态氮和铵态氮含量均随着砒砂岩体积比的增加而逐渐增加，其中C1处理较CK处理无明显差异，C2处理下硝态氮含量和铵态氮含量较CK处理分别显著增加了71.96%~108.79%和89.55%~217.73%，当砒砂岩与沙复配比为1:1(C3)时增幅持续增加，为151.54%~305.25%和465.32%~537.92%。
2.5 复配土质地的变化
所有处理在不同土层中表现为砂粒含量最大，其次为粉粒，黏粒含量最低。砂粒含量随着土层的加深而逐渐增大，粉粒和黏粒则随着土层的加深而减小(表 3)。0~10 cm土层中，与CK处理相比，C1处理的砂粒含量显著降低，而粉黏粒含量则显著增加，其中粉粒组分的增幅较大为140.10%，质地由砂土变为壤砂土。C2处理中，砂粒含量持续降低，粉、黏粒含量持续增加；当砒砂岩与沙复配比为1:1(C3)时，砂粒含量有所增加，而粉、黏粒含量则逐渐减小，质地由壤砂土变为砂壤土。20~30 cm土层土壤颗粒组分的变化情况与0~10 cm土层一致。10~20 cm土层中随着砒砂岩含量的增加，砂粒含量持续降低，而粉黏粒含量则逐渐增加，当复配比为1:1时达显著差异水平，此时土壤质地由壤砂土变为砂壤土。
2.6 复配土C/N与土壤养分及质地的相关性分析
砒砂岩与沙不同复配比处理下各层土壤C/N与养分元素及质地的相关性(表 4)表明，C/N与硝态氮呈显著负相关关系，在10~20 cm土层达极显著水平(P＜0.01)，C/N仅与10~20 cm土层铵态氮含量呈极显著负相关，与0~10 cm和20~30 cm土层全氮含量呈显著与极显著负相关关系。C/N与土壤质地的颗粒组成也有一定的相关性，仅与10~20 cm土层呈显著相关，具体表现为与砂粒含量呈显著正相关关系，与粉粒和黏粒均呈显著负相关关系。
3. 讨论与结论
土壤有机碳及全氮作为表征土壤养分的重要组成部分，亦作为陆地生态系统循环的主要生源要素，对提升复配土体的地力以及恢复毛乌素沙地生态系统的功能具有重要意义[2]。本研究结果表明，砒砂岩与沙复配土体的有机碳含量和全氮含量均表现为随着土层的加深而逐渐降低，与张乐等[7]研究不同林分土壤碳氮的垂直分布规律一致，Hook等[15]研究也有相似结果。0~10 cm土层的有机碳含量最高，是因为所有复配处理施用的是化肥，而有机质来源仅靠小麦/玉米根系残渣、分泌物及其枯落物等，而这些有机质残留物绝大多数集中于表层土壤，常伴随降雨和灌溉的淋溶作用以及动物的搬运作用和微生物的分解作用而进行垂直分[3, 8]。复配土体中氮素的主要来源有化肥的直接施用、动植物残体分解和生物固氮作用，其来源相似所以表现出碳氮含量的分布规律类似[3]，0~10 cm土层有机碳含量加大，其氮含量也较丰富，下层有机碳含量匮乏，其含氮量也相应较低，而本研究中10~20 cm土层和20~30 cm土层氮含量垂直分布规律不明显，可能因为复配土的填充厚度只有30 cm，而0~10 cm人为扰动较大所以较明显，10~30 cm土层主要是植物根系的扎根区，水肥情况差不多，所以此区域内氮素分布规律不明显。具体原因有待进一步系统研究。
随着砒砂岩体积分数的增加，各土层土壤碳氮含量重新变化进行了分配，促进了0~10 cm土层土壤碳氮的累积，以C3处理效果最佳。CK处理土壤质地以砂土为主，当砒砂岩与沙体积比为1:5时(C1)，碳氮含量均有所减低，因为刚开始复配成土人为扰动性较大，且土壤质地由砂土变为壤砂土，粉粒含量增幅较大，此时土壤蒸散作用较大，保水保肥功能有所减弱。随着砒砂岩体积分数的进一步增加，C2处理粉粒含量进一步增多，0~10和20~30 cm土层土壤质地依然为壤砂土，10~20 cm土层土壤质地为砂壤土，且作物根系主要生长在该土层，该土层的土壤湿度相对比较稳定，适宜的水分条件使得该层土壤呼吸和根系呼吸作用增强，从而加强了该土层有机碳的分解释放，由于土壤水分的迁移性，使得土壤有机碳含量表现为降低趋势。当砒砂岩与沙体积比达到1:1时(C3)，小颗粒占据了土壤中绝大部分位置，其大小颗粒之间的距离远远大于CK处理大颗粒与大颗粒之间的距离，土体结构发生坍塌，孔隙变得紧密，降低了挥发作用，所以0~10 cm土层有机碳开始增加[16]，C3处理土壤质地均为砂壤土，砒砂岩中的氮素含量为有机碳的2.22倍左右，土体胶结作用增加，所以当砒砂岩体积比超过33%时，氮素含量显著增加。
本研究结果还得出砂粒的体积分数随着土层的加深而逐渐增大，粉粒和黏粒的体积分数则随着土层的加深而减小。土壤碳氮比(C/N)作为本研究较为重要的一个参数，是反映土壤质量变化的敏感性指标，也可作为评价土壤碳氮养分平衡的预测指标。因此，研究土壤C/N的变化特征对土壤养分的积累和地力的评价具有重要意义[5]。本研究中，各复配比处理下0~30 cm土层的C/N均值为2.24~5.11，而通常认为C/N在25~30最有利于微生物的分解作用[17]，因此本研究表明各复配比处理下有机质的分解速率增大。本研究结果表明，随着砒砂岩体积分数的增加，C/N依次减小，说明与CK处理相比，随着砒砂岩含量的增加土壤有机碳的分解率越高，其累积效应就会减小，因为随着砒砂岩体积分数的增加，土壤中硝态氮和铵态氮含量显著增加且砒砂岩与沙体积比为1:1(C3)时增幅最大，而C/N与其呈显著负相关关系，因此C/N随着砒砂岩含量的增加而降低。还可能是因为成土年限较短，土壤质量变化受人为活动影响较大，针对此变化现象后期需要进行长期观测，为砒砂岩与沙复配土体地力的提升提供理论依据。
-
![]()
图 1 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤有机碳的垂直分布特征
注：图中不同小写字母表示同一土层下不同复配比例间有显著差异(5%)，大写字母表示所有处理的平均值在3个土层间存在显著差异(5%)，图 2、3同。
Figure 1. Vertical distribution of organic C in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand
Note:Different lowercase letters in the figure indicate the significant difference (5%) between different compounding ratios in the same soil layer, while uppercase letters indicate the significant difference (5%) between the average values of all treatments in three soil layers, The same as Fig. 2, 3.
![]()
图 2 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤全氮的垂直分布特征
Figure 2. Vertical distribution of total N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand
![]()
图 3 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤碳氮比的垂直分布特征
Figure 3. Vertical distribution of C/N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand
表 1 各测定指标在双因素影响下的方差分析
Table 1 Variance analysis on specific indicator under two factors
指标
Index影响因素
Influencing factor平方和
Quadratic sum自由度
Free degree均方
Mean squareF值
F valueP值
P value有机碳Organic carbon 复配比 2.5994 3 0.8665 3.919 0.0207 土层 1.2635 2 0.6317 2.857 0.077 复配比×土层 1.1151 6 0.1859 0.841 0.5511 全氮Total nitrogen 复配比 0.9265 3 0.3088 34.221 0.0001 土层 1.3922 2 0.6961 77.128 0.0001 复配比×土层 0.2679 6 0.0446 4.947 0.002 碳氮比C/N 复配比 43.0899 3 14.3633 14.006 0.0001 土层 19.8871 2 9.9435 9.696 0.0008 复配比×土层 7.1677 6 1.1946 1.165 0.3573 
下载: 导出CSV
表 2 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮的垂直分布特征
Table 2 Vertical distribution of available phosphorus, available potassium, nitrate N and ammonium N in soil of varied mixing ratios of soft rocks and sand
土层
Soil layer/cm处理
Treatment有效磷
Available phosphorus(AP)
/(mg·kg-1)速效钾
Available potassium(AK)
/(mg·kg-1)硝态氮
Nitrate nitrogen (NO3--N)
/(mg·kg-1)铵态氮
Ammonium nitrogen(NH4+-N)
/(mg·kg-1)0~10 CK 20.76±1.94b 40.95±1.27c 48.61±1.19c 10.98±2.04c C1 29.29±2.50a 63.93±1.88ab 57.54±2.35c 16.00±1.86bc C2 10.77±1.01c 50.85±0.89c 83.59±4.34b 20.81±1.65b C3 19.48±2.15b 72.95±1.72a 197.00±6.66a 70.02±2.31a 10~20 CK 11.01±1.67b 45.01±1.11c 33.56±1.76c 5.51±1.05c C1 22.54±2.29a 73.30±1.79b 53.58±3.03bc 10.52±1.86c C2 8.15±1.82b 95.05±2.15a 70.07±3.72b 17.51±2.04b C3 9.57±2.17b 74.89±2.38b 130.45±7.59a 31.15±1.85a 20~30 CK 14.57±1.94a 41.65±1.86c 32.53±1.72c 5.80±0.66c C1 9.08±1.79b 51.38±1.32ab 42.86±3.14c 12.13±1.51c C2 15.92±2.81a 64.64±2.44a 63.55±3.85ab 18.13±2.17b C3 5.41±1.26c 40.24±1.01c 81.81±4.87a 31.87±2.31a 注：数据后同列不同小写字母表示同一土层不同处理之间差异显著(P＜0.05)。表 3-4同。
Note:The different lowercase letters in the same column under each soil layer indicate significant differences (P＜0.05).The same as Table 3-4.
下载: 导出CSV
表 3 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤质地的垂直分布特征
Table 3 Vertical distribution on texture of soil in varied mixing ratios of soft rocks and sand
土层
Soil layer/cm处理
Treatment砂粒
Sand /%粉粒
Silt/%黏粒
Clay /%质地
Texture0~10 CK 89.87±3.96a 7.68±1.48c 2.45±0.65c 砂土 C1 76.59±4.05b 18.44±1.39b 4.97±0.85b 壤砂土 C2 58.85±3.28c 33.13±2.05a 8.02±0.78a 壤砂土 C3 64.2±4.81c 28.62±2.48a 7.18±1.12ab 砂壤土 10~20 CK 93.14±4.01a 6.06±1.61b 0.80±0.04c 砂土 C1 82.56±2.85ab 14.24±1.54ab 3.20±0.69bc 壤砂土 C2 65.33±5.89ab 27.39±2.81ab 7.27±1.56ab 砂壤土 C3 53.31±3.96b 37.01±2.24a 9.68±1.55a 砂壤土 20~30 CK 99.07±4.16a 0.83±0.09b 0.10±0.02b 砂土 C1 81.08±4.12ab 15.48±1.01a 3.43±0.25ab 壤砂土 C2 74.19±3.11b 20.07±1.58a 5.75±1.55a 壤砂土 C3 77.46±4.18ab 16.97±1.25a 5.57±1.15a 砂壤土
下载: 导出CSV
表 4 砒砂岩与沙不同复配比处理下土壤碳氮比与养分元素及质地的相关性
Table 4 Correlations among C/N, nutrients, and texture of soil in varied mixing ratios of soft rocks and sand
土层
Soil layer./cm有效磷
AP/
(mg·kg-1)速效钾
AK/
(mg·kg-1)硝态氮
NO3--N/
(mg·kg-1)铵态氮
NH4+-N /
(mg·kg-1)有机碳
SOC/
(g·kg-1)全氮
TN/
(g·kg-1)砂粒
Sand
/%粉粒
Silt
/%黏粒
Clay
/%0~10 0.2625 -0.8456 -0.9045 * -0.8820 0.6176 -0.8849 * 0.8565 -0.8441 -0.8654 10~20 0.1393 -0.4412 -0.9999 ** -0.9997 ** 0.8653 -0.8513 0.9488 * -0.9498 * -0.9269 * 20~30 0.2007 -0.2883 -0.9438 * -0.8652 -0.1182 -0.9687 ** 0.7639 -0.7211 -0.8726 注：*表示P＜0.05水平差异显著，**表示P＜0.01水平差异极显著。
Note：* indicates significant at P＜0.05 level, and ** indicates extremely significant at P＜0.01 level.
下载: 导出CSV
-
[1] 陈涛, 常庆瑞, 刘钊, 等.耕地土壤有机质与全氮空间变异性对粒度的响应研究[J].农业机械学报, 2013, 44(10):122-129. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2013.10.020 CHEN T, CHANG Q R, LIU Z, et al. Response of soil organic matter and total nitrogen spatial variability to grain size in cultivated land[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2013, 44(10):122-129.(in Chinese) DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2013.10.020
[2] 郭振, 李娟.砒砂岩与沙复配土体的固碳机制研究进展[J].农技服务, 2019, 36(1):109-110. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njfw201901046 GUO Z, LI J. Advances in carbon sequestration mechanism of soft rock and sand complex soils[J]. Agricultural Technology Services, 2019, 36(1):109-110.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njfw201901046
[3] 刘骞, 曾文津, 赵宇, 等.城市不同功能分区草坪绿地土壤有机碳与碱解氮垂直分布特征[J].四川林业科技, 2019, 40(1):25-29. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sclykj201901005 LIU Q, ZENG W J, ZHAO Y, et al. Vertical distribution characteristics of soil organic carbon and alkali nitrogen in turf greenland with different functional areas in cities[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2019, 40(1):25-29.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sclykj201901005
[4] 高焕平, 刘世亮, 赵颖, 等.秸秆与氮肥调节C/N比对潮土CH4、CO2和N2O排放/吸收的影响[J].土壤通报, 2019(1):157-164. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-TRTB201901024.htm GAO H P, LIU S L, ZHAO Y, et al. Effects of C/N ratio of straw and nitrogen fertilizer on CH4, CO2 and N2O emission/absorption in fluvo-aquic soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2019(1):157-164.(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-TRTB201901024.htm
[5] 王小利, 周志刚, 郭振, 等.长期施肥下黄壤稻田土壤有机碳和全氮的演变特征[J].江苏农业科学, 2017, 45(14):195-199. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsnykx201714053 WANG X L, ZHOU Z G, GUO Z, et al. Evolution characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in yellow paddy soil under long-term fertilization[J]. Journal of Jiangsu Agricultural Sciences, 2017, 45(14):195-199.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsnykx201714053
[6] HYVONEN R, PERSSON T, ANDERSSON S, et al. Impact of long-term nitrogen addition on carbon stocks in trees and soils in northern Europe[J]. Biogeochemistry, 2008, 89(1):121-137. DOI: 10.1007/s10533-007-9121-3
[7] 张乐, 孙向阳, 李素艳, 等.辽宁仙人洞典型林分森林土壤碳氮分布特征[J].吉林农业大学学报, 2017, 39(2):183-188. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jlnydxxb201702009 ZHANG L, SUN X Y, LI S Y, et al. Characteristics of Carbon and Nitrogen Distribution across Typical Forest Types in Xianrendong Nature reserve of Liaoning Province[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2017, 39(2):183-188.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jlnydxxb201702009
[8] 赵业婷, 常庆瑞, 李志鹏, 等. 1983-2009年西安市郊区耕地土壤有机质空间特征与变化[J].农业工程学报, 2013, 29(2):132-140. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nygcxb201302019 ZHAO Y T, CHANG Q R, LI Z P, et al. Spatial characteristics and changes of soil organic matter in cultivated land in the suburbs of Xi'an from 1983 to 2009[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2013, 29(2):132-140.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nygcxb201302019
[9] WANG Y Q, ZHANG X C, HUANG C Q. Spatial variability of soil total nitrogen and soil total phosphorus under different land uses in a small watershed on the loess plateau, China[J]. Geoderma, 2009, 150(1-2):141-149. DOI: 10.1016/j.geoderma.2009.01.021
[10] ZHANG X Y, SUI Y Y, ZHANG X D, et al. Spatial variability of nutrient properties in black soil of Northeast China[J]. Pedosphere, 2007, 17(1):19-29. DOI: 10.1016/S1002-0160(07)60003-4
[11] 韩霁昌, 刘彦随, 罗林涛.毛乌素沙地砒砂岩与沙快速复配成土核心技术研究[J].中国土地科学, 2012, 26(8):87-94. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8158.2012.08.014 HAN J C, LIU Y S, LUO L T. Study on the core technology of rapidly compounding soft rock and sand in Wusu Sandy Land[J]. China Land Science, 2012, 26(8):87-94.(in Chinese) DOI: 10.3969/j.issn.1001-8158.2012.08.014
[12] 李娟, 吴林川, 李玲.砒砂岩与沙复配土的水土保持效应研究[J].西部大开发(土地开发工程研究), 2018, 3(6):35-40. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=0120181106322177 LI J, WU L C, LI L. Study on soil and water conservation effect of soft rock and sand compound soil[J]. Western Development (Land Development Engineering Research), 2018, 3(6):35-40.(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=0120181106322177
[13] 张露, 韩霁昌.砒砂岩与沙不同重构比例对表层土体储水量的影响[J].西部大开发(土地开发工程研究), 2016(4):50-53, 74. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XBTG201604009.htm ZHANG L, HAN J C. Influence of different remodeling ratios of soft rock and sand on water storage in surface soil[J]. Western Development (Land Development Engineering Research), 2016(4):50-53, 74.(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XBTG201604009.htm
[14] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社, 2008. BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. Beijing:China Agriculture Press, 2008.(in Chinese)
[15] HOOK P B, Burke I C. Biogeochemistry in a shortgrass landscape:control by topography, soil texture, and microclimate[J]. Ecology, 2000, 81(10):2686-2703. DOI: 10.1890/0012-9658(2000)081[2686:BIASLC]2.0.CO;2
[16] 郭航, 韩霁昌, 张扬, 等.基于拉曼光谱研究砒砂岩与沙复配土的胶结作用力[J].激光与光电子学进展, 2017, 54(11):436-442. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jgygdzxjz201711056 GUO H, HAN J C, ZHANG Y, et al. Study on the bonding force of soft rock and sand compound soil based on Raman spectroscopy[J]. Advances in Laser and Optoelectronics, 2017, 54(11):436-442.(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jgygdzxjz201711056
[17] 肖焊, 黄志刚, 武海涛, 等.三江平原4种典型湿地土壤碳氮分布差异和微生物特征[J].应用生态学报, 2014, 25(10):2847-2854. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201410012 XIAO H, HUANG Z G, WU H T, et al. Distribution of carbon and nitrogen in soils and microbial characteristics of four typical wetlands in Sanjiang Plain[J]. Journal of Applied Ecology, 2014, 25(10):2847-2854.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201410012
-
期刊类型引用(6)
1. 郭振，徐艳. 砒砂岩添加对沙土碳库管理指数和碳储量的影响. 河南农业科学. 2021(02): 72-80 . 
百度学术
2. 郭振，师晨迪. 不同复配比例土壤的细菌群落结构和功能预测. 环境科学与技术. 2021(01): 69-76 . 百度学术
3. 郭振，师晨迪. 风沙土中有机碳矿化对砒砂岩添加的响应. 西部大开发(土地开发工程研究). 2020(01): 32-37 . 百度学术
4. 郭振. 砒砂岩与沙复配的土壤温度变化. 农技服务. 2020(01): 70-72 . 百度学术
5. 郭振，卢垟杰. 表土层土壤温度的日变化规律. 农业与技术. 2020(06): 9-11 . 百度学术
6. 郭振. 不同有机物料添加对砒砂岩与沙复配土碳氮含量的影响. 科技创新与应用. 2019(29): 20-22 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 1309
- HTML全文浏览量: 239
- PDF下载量: 33
- 被引次数: 7
