王悦颖,丛海涛,李勇,李青梅,时鹰,张国平,陈为峰*
新增耕地土壤的理化特征研究
王悦颖1,丛海涛2,李勇2,李青梅2,时鹰3,张国平3,陈为峰1*
1. 山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安 271018 2. 山东省土地发展集团有限公司, 山东 济南 250014 3. 泰安金土地测绘整理有限公司, 山东 泰安 271600
本文以泰安市六个县区中的34个项目区为研究区域，以土地开发整理和工矿复垦项目形成的新增耕地为研究对象，以各项目相邻基本农田耕地为对照，分析了土壤pH、土壤养分及部分项目土壤水分物理指标。结果表明，土地开发整理项目和工矿复垦项目土壤毛管含水量、田间持水量和毛管孔隙度显著低于对照耕地。土地整治未对土壤pH产生显著影响，不同土地整治类型对土壤养分含量影响较大，两类土地整治项目的土壤养分含量均显著低于对照基本农田耕地。对不同类型土地整治项目耕地土壤养分和水分物理特征进行研究，可发现不同类型整治方式下土壤存在的有关问题，为采取针对性土壤质量提升措施提供数据支撑和理论依据。
土地整治; 土壤改良; 土壤性质
我国土地面积巨大，但耕地面积较少，由于国土绿化、农业结构调整和建设占用等原因，耕地大量流向其他地类，粮食供给不足问题日益严峻[1]。耕地资源关系到社会、经济、生态发展问题，对构建稳定社会有重要意义，所以实施土地整治刻不容缓[2]。土地整治是对土地资源的再组织和再优化，通过针对性方式和技术来分配和规划土地应用结构，以此来实现对土地资源的科学合理应用，从而提高土地资源的应用效率和质量，增加耕地质量等级和产出率[3,4]。土地整治是人类干预土壤质量最直接、最重要的活动之一，其深刻影响着土壤的理化性状及其生态环境[5]。
土地整治分为土地整理、土地开发、土地复垦等类型，土地开发整理和土地复垦是新增耕地是重要手段[6]。目前大多数研究集中在对林区和低山丘陵区土壤质量和养分差异的探讨，但针对不同土地整治方式对土壤理化性状的影响研究较少[7]。本文以山东省鲁中地区典型区域—泰安市为例，选择近3年内完成的土地开发整理和工矿复垦典型项目形成的新增耕地与对照耕地土壤理化性状的差异进行分析研究，为新增耕地土壤质量定向改善提升提供数据支撑和理论依据。
1.1 研究区概况与样品采集方法
试验地点位于山东省泰安市（116°20′-117°59′N，北纬35°38′-36°28′E），主要土壤类型为褐土。研究区属温带大陆性半湿润季风气候区，雨热同期，年均温13.4 °C，年平均降水780 mm，主要种植作物为玉米、小麦、大豆等。
本文选择对目前土地整治项目类型中常涉及大规模土壤重构的工矿复垦项目（GK）和土地开发整理项目（KF）作为研究对象，选择泰安市域内6个县区中的34个项目区（土地开发整理项目16个，工矿复垦项目18个）开展土壤养分含量的研究。土壤水分物理特征研究选择了东平县和宁阳县两个相邻县域中的10个项目区（工矿复垦项目6个，土地开发整理项目4个）作为研究对象。本文工矿复垦项目均为废弃采石场上方客土回填重构土壤造地，回填土层大于60 cm，底部为母岩层；
土地开发整理项目是指在残次林地和荒草地原土壤基础上进行土地深翻、平整而成。
在研究区内用五点采样法采集0～20 cm土层土样带回实验室，自然风干后过筛备用。用环刀取原状土带回室内以备土壤容重、田间持水量、毛管孔隙度和毛管含水量的测定。同时，取项目区附近的永久基本农田土壤作为对照（CK）。
1.2 指标测定
采用电位法测定土壤pH值；
重铬酸钾外加热法测定土壤有机质（SOM）；
半微量凯氏定氮法测定土壤全氮（TN）；
碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷（AP）；
醋酸铵浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾（AK）；
环刀法测定土壤容重、田间持水量、毛管孔隙度和毛管含水量。
1.3 数据分析
采用Excel 2016（Microsoft，美国）软件对数据进行常规统计分析，使用SPSS 22.0（IBM，美国）对土壤理化性状进行相关性和差异检验，使用origin 2019b（Origin Lab，美国）绘制统计图。
2.1 不同类型土地整治项目新增耕地及对照耕地土壤物理性状
土壤物理特征如表1，KF土壤容重为1.23～1.83 g·cm-3（表1），GK土壤容重为1.35～1.86 g·cm-3，CK土壤容重为1.26～2.12 g·cm-3，其中CK土壤容重变异系数最大，为11.09%，GK土壤容重变异系数最小为8.33%。KF土壤毛管孔隙度为26～29.22%，GK土壤毛管孔隙度为22.42～26%，CK土壤毛管孔隙度为26.86～34.71%，从标准差来看，CK土壤田间持水量差异最大，KF土壤田间持水量差异最小。土壤毛管含水量平均值表现为CK 高于GK土壤，高出14.15%，同时显著低于对照耕地9.40%。 图 1 新增耕地和对照耕地土壤物理指标含量对比 注：不同小写字母表示不同类型土地整治项目土壤指标存在显著差异（<0.05）。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences in soil indicators for different types of land remediation projects (<0.05). 土壤养分特征如表1，KF、GK和CK土壤有机质含量分别为4.67～7.70 g·kg-1、5.54～8.54 g·kg-1、8.71～14.58 g·kg-1，依据全国第二次土壤普查土壤养分分级标准，KF和GK土壤有机质含量均值分别为6.59 g·kg-1和6.55 g·kg-1，营养等级均为5级，CK土壤有机质含量均值为11.29 g·kg-1，营养等级为4级。KF和GK和对照耕地土壤全氮含量的变异系数低，分别为2.7%、2.81%、3.04%，KF项目与CK的土壤全氮含量均值为0.76 g·kg-1和0.91 g·kg-1，营养级为4级，而GK土壤全氮含量均值为0.74 g·kg-1，营养级别为5级。KF土壤速效磷含量变化范围为19.45～23.34 mg·kg-1，营养级别为3级，营养级别为5级，GK土壤速效磷含量变化范围为6.27～17.36 mg·kg-1，营养级别为6级，CK土壤速效磷含量均值为35.36 mg·kg-1，营养级别为2级。KF和GK和CK土壤速效钾含量均值分别为123.44 mg·kg-1、128.44 mg·kg-1、166.22 mg·kg-1，营养等级分别为3级、3级、2级。 表 1 土壤理化特征 土地整治未对土壤pH产生显著影响（图2）。不同土地整治类型对土壤养分含量影响较大，两类土地整治项目的土壤养分含量均显著低于对照基本农田耕地，其中KF土壤全氮和速效磷含量显著高于GK。KF和GK土壤有机质差异不显著，二者分别低于CK 76.2%和77.3%； 图 2 新增耕地和对照耕地土壤化学指标含量对比 注：不同小写字母表示不同类型土地整治项目土壤指标存在显著差异（<0.05）。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences in soil indicators for different types of land remediation projects (<0.05). 对研究区的对照耕地、两种土地整治类型新增耕地土壤的主要理化指标进行了相关性分析（表4）。土壤有机质含量与全氮、速效磷、速效钾含量呈极显著正相关（<0.01），与土壤容重显著负相关（<0.05）。土壤全氮含量与速效磷和速效钾含量也具有极显著正相关，相关系数为0.895和0.774。土壤容重与速效磷含量显著负相关，相关系数为-0.267。 表 4 土壤容重和养分之间相关性分析 注：**表示在0.01水平上显著相关，*表示在0.05水平上显著相关。 Note: **indicates a significant correlation at the 0.01 level, * indicates a significant correlation at the 0.05 level. 土地整治不仅会改变土地的利用方式和结构，同时会对土壤的基本理化性质产生影响。土地整治过程中采取的深挖、搬运、回填等工程措施都会影响到土壤的理化性质及环境[8]。本研究通过对不同整治类型下新增耕地与对照耕地养分含量对比发现，土地开发整理项目耕地土壤养分含量高于工矿复垦项目，但显著低于对照耕地。整体来看，不同类型土地整治土壤pH与对照耕地差异不大，这是由于土壤pH大小主要受成土母质的影响，本研究中不同土地整治项目新增土壤均来自周边农田，因此差异不显著。两种类型土地整治项目土壤有机质含量参照土壤养分分级标准皆为低，对照耕地也位于中下水平，这与泰安市土壤有机质背景值及农作过程中施肥方式和用量的不同有关[9,10]。本文中土壤有机质含量与土壤全氮、速效磷、速效钾含量呈极显著正相关，邹勇军[11]认为，有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，通过微生物对有机质的矿化作用，能够促进一些养分的有效化，因此在培肥土壤时，应将有机质含量的提高作为重要环节，有机无机肥配合施用，实现新增耕地的可持续利用[12]。土地复垦项目新增耕地土壤有效磷含量处于中到低水平，这是由于复垦项目客土多以未经种植或施肥改良的生土为主； 本研究中土壤容重大小依次为工矿复垦项目、土地开发整理项目、对照耕地，而孔隙度则表现出相反的规律，这主要是由于工矿废弃区土壤在复垦过程中受到大型机械的碾压，土壤颗粒重塑而导致土壤紧实度增加，土壤容重增大，孔隙度变小[14]。土地开发整理项目区在整治过程中受机械碾压的影响较小，较工矿复垦项目区土壤重塑程度低，但由于其较耕作年限较短，土体紧实，容重大于对照耕地。土壤容重与土壤有机质和速效磷存在负相关关系，这与前人研究相同[15-17]。工矿复垦项目区和土地开发整理项目土壤孔隙度小于对照耕地，这可能是由于在整治过程中受到人为扰动和机械碾压，土壤比耕地紧实[18]。此外，土壤孔隙大小与有机质在土壤中的累积量有关[19]，植被及动植物残体是有机质主要来源之一[20]，项目区土壤种植年限短，有机质累积量少，因此土壤毛管孔隙度较低。王修康等[21]在对不同土地利用方式下土壤结构特征及其对土壤持水性的影响的研究中发现，土壤有机质含量与粘粒含量、土壤颗粒比表面积具有较好的相关关系，说明土壤有机质对土壤粘粒保持与土壤团聚体的形成具有重要作用。在本研究中，工矿复垦土壤和占补平衡土壤田间持水量、毛管含水量显著低于对照耕地，这可能是由于照耕地较土地整治新增耕地土壤有更高有机质含量，因此持水容量较大、保水能力较强。 [1] 董秀茹,刘浩洋,刘洪彬.基于耕地资源质量分类的辽宁省耕地土壤条件及空间分布特征分析[J].土壤通报,2021,52(5):1020-1027 [2] 郭艳菊,马晓静,许爱云,等.宁夏东部风沙区沙化草地土壤水分和植被的空间特征[J].生态学报,2022,42(4):1571-1581 [3] 王军,钟莉娜.景观生态学在土地整治中的应用研究进展[J].生态学报,2017,37(12):3982-3990 [4] 王赫彬,王文娟,商令杰.2000—2015年山东省耕地产能的时空格局[J].中国农业大学学报,2020,25(3):128-138 [5] 施昊坤,吴次芳,张茂鑫,等.土地整治对工业区周边土壤微生物多样性和群落结构影响分析[J].环境科学学报,2020,40(1):212-223 [6] 王军,钟莉娜,应凌霄.土地整治对生态系统服务影响研究综述[J].生态与农村环境学报,2018,34(9):803-812 [7] 赵磊.土壤修复技术在生态型土地整治中的应用[J].现代农业科技,2021(23):145-147 [8] 李肖肖,朱凤武,许桃元,等.苏南农田土壤性状和水稻长势对土地整治的短期响应[J].土壤学报,2019,56(3):571-581 [9] 张雯雯,李新举,陈丽丽,等.泰安市平原土地整理项目区土壤质量评价[J].农业工程学报,2008(7):106-109 [10] 张力伟,周海燕.泰安市泰山区耕地土壤的养分状况分析[J].农技服务,2017,34(22):71 [11] 邹勇军,黄祖波,黄懿,等.崇义县上堡梯田区土壤养分变异特征及等级评价[J].东华理工大学学报(自然科学版),2019,42(4):376-380 [12] 魏样,韩霁昌,杜宜春,等.渭北黄土高原沟壑区土地整治中新增耕地土壤养分现状分析[J].南方农业学报,2016,47(6):906-910 [13] Du MG, Fan J, Liu M,. 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The results showed that the soil capillary water content, field water holding capacity and capillary porosity of the land development and industrial and mining reclamation projects were significantly lower than those of the control cropland. Land remediation did not have a significant effect on soil pH, and different types of land remediation had a greater impact on soil nutrient content, and the soil nutrient content of both types of land remediation projects was significantly lower than that of the control basic farmland cropland. The study on the physical characteristics of soil nutrients and water in different types of land remediation projects can identify the relevant problems of soil under different types of remediation methods, and provide data support and theoretical basis for taking targeted soil quality improvement measures. Land remediation; soil reclamation; soil characteristics S281 A 1000-2324(2022)06-0845-05 2022-08-14 2022-09-20 山东省土地发展集团科研基金(202107-YJYJS-016);山东省重点研发计划项目(2021CXGC010704);泰安金土地测绘整理有限公司基金 王悦颖(1998-),女,硕士研究生,主要从事土壤生态修复方面的研究. E-mail:18854882085@163.com Author for coreespondence. E-mail:chwf@sdau.edu.cn 10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.005
2.2 不同类型土地整治项目新增耕地及对照耕地土壤养分含量
土壤全氮含量分别为0.78 g·kg-1和0.74 g·kg-1，低于CK 16.7%和23%；
土壤速效磷含量分别为19.45 mg·kg-1和8.37 mg·kg-1，较CK低15.77 mg·kg-1和26.85 mg·kg-1；
土壤速效钾含量分别为123 mg·kg-1和128 mg·kg-1，较CK低34.1%和28.9%。
2.3 耕地土壤理化性状相关性分析
开发整理项目土壤有效磷含量处于高水平，这是由于该类项目主要整治对象是残次林地和草地，土壤以原有表层土壤为主，表层含磷矿物风化以及植物枯落物返还有益于土壤速效磷的提高[13]。新增耕地土壤速效钾含量与对照耕地存在显著差异，但含量均处于高和中上水平，且两种整治类型项目差异不明显，这可能是由于本区背景土壤钾含量相对较高所致[9,10]。