Evolution of Soil Quality of Sandy Marine Soils in Hangzhou Bay with Reclamation Time

WENXiujuan, GUGuoping, LIFangzhen, XIELu, ZHANGMingkui

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Journal of Agriculture ›› 2024, Vol. 14 ›› Issue (12) : 28-32. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2024-0079

Evolution of Soil Quality of Sandy Marine Soils in Hangzhou Bay with Reclamation Time

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Abstract

To understand the evolution pattern of soil quality of the marine soils with land use process, the fertility characteristics of the soils with different periods of reclamation from Xiasha Bridge to Jiashao Bridge in Hangzhou Bay were sampled and analyzed. The changes in quality indicators of the soils with reclamation time were explored subsequently. The results showed that the desalination and decalcification of sandy soil were relatively rapid. After 15 to 30 years of reclamation, the soil salt content decreased to less than 1 g/kg, reaching the safe range for crops. After 100 years of cultivation, the surface soil had been decalcified, and the decalcification rate of the subsoil was higher than 50%. After the reclamation of sand marine, soil organic matter, nitrogen and phosphorus gradually accumulated, while potassium gradually decreased. After 15 to 30 years of reclamation, the organic matter, total nitrogen and total phosphorus in the topsoil were 111%, 39% and 33% higher than that before reclamation, respectively. After 100 years of reclamation, the total potassium in the topsoil decreased by 12% as compared with before reclamation. With the increase of reclamation and utilization time, the content of available calcium, available magnesium, available boron and available molybdenum in the topsoil gradually decreased, while the content of heavy metals showed a slight increase trend. The content of water-stable aggregates in the soils was very low, but it could also increase with reclamation time. Overall, the soil quality of reclaimed sandy marine soils develops in a clear trend that is conducive to crop growth with the increase of utilization time.

Key words

sand marine soils / Hangzhou bay / reclamation / soil fertility quality / fertility characters / salt content / organic matter / evolution

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WEN Xiujuan , GU Guoping , LI Fangzhen , XIE Lu , ZHANG Mingkui. Evolution of Soil Quality of Sandy Marine Soils in Hangzhou Bay with Reclamation Time. Journal of Agriculture. 2024, 14(12): 28-32 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2024-0079

0 引言

海涂是中国东南沿海地区重要的土地资源，是许多地区补充耕地的重要来源。历史上，中国东部地区通过围垦获得了大量的土地资源，形成了不同时期围垦的耕地资源，缓解人与地的矛盾，为区域农业生产的多种经营提供了保障[1⇓⇓-4]。近年来，一些学者对中国海涂资源质量的区域差异、海涂围垦后土壤类型的演变及土地开发利用模式与土壤培肥措施对土壤质量的影响已进行了广泛的调查[5⇓-7]，初步揭示了海涂围垦后土壤脱盐、脱钙的规律及土壤养分的某些变化特征[8⇓-10]。杭州湾同时受长江和钱塘江来源泥砂的双重影响及特殊河口地貌的作用，其沉积的泥砂量丰富且主要为砂质物质。砂土因粗颗粒多细颗粒少、土体松散、保蓄能力弱，其养分物质不易积累，有别于其他地区壤质和粘质滩涂，因此砂质海涂围垦后土壤质量的变化有其自身的特点。为此，本研究在杭州湾下沙大桥至嘉绍大桥段采集了不同时期围垦的40个剖面分层样品，分析了砂涂围垦后土壤质量的演变特点及其与围垦年限的关系。

1 材料与方法

在杭州湾下沙大桥至嘉绍大桥段选择了未围垦和不同时期围垦的代表性砂涂样区进行采样，根据第二次土壤普查，土壤类型涉及盐土、潮土等土类，土种包括重咸砂、中咸砂、轻咸砂、流板砂、流砂板土、淡涂砂；按围垦时间分为5组，分别为0（指未围垦地的涂地，土种为重咸砂）、10~15、15~30、40~60、>100 a，每一组分别选择8个样地采用土钻进行全剖面分层土样采集，采样深度分为0~20、20~40、40~80 cm。采样地利用方式均为旱地。样品经室内风干后，分别过2 mm土筛，取部分样进一步研磨过0.125 mm土筛。分析内容包括pH、盐分、碳酸钙、有机质、CEC、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、碱解氮、有效态微量元素铁、锰、铜、锌、硼、钼和重金属元素铅、镉、汞、铬，采用常规方法分析[11]。有机磷用灼烧法测定；缓效钾用1 mol/L HNO3煮沸10 min提取，减去醋酸铵提取的钾。表层土壤容重和水稳定性团聚体单独采样分析，其中容重采用容重圈法测定，水稳定性团聚体采用湿筛法测定。

2 结果与分析

2.1 土壤pH、盐分、碳酸钙和水稳定性团聚体的变化

砂质海涂围垦利用后，土壤pH、盐分、碳酸钙含量均随围垦时间的增加逐渐下降（表1）。在围垦后的前30 a，表土pH基本上保持微碱性；至围垦40~60 a，土壤pH处于中性；围垦至100 a后，土壤向酸性方向发展。20~40、40~80 cm土层的土壤pH变化较缓，但它们也随围垦时间呈现下降趋势。土壤盐分随围垦时间的变化较快，在未围垦（时间为0 a）的海涂上，土壤盐分在5 g/kg以上，且盐分表土高于下层土壤；围垦10~15 a后，土壤盐分迅速下降，且表土低于下层土壤；至围垦15~30 a后，土壤盐分下降至1 g/kg以下，并随时间增加进一步下降。碳酸钙含量变化较慢，在围垦后的前15 a变化不明显；围垦15~30 a后，碳酸钙含量由表土向下层逐渐下降，表土层与下层碳酸钙含量差异增加，至围垦100 a后表土已基本脱钙，下层土壤脱钙比例也在50%以上。总体上，砂涂土壤水稳定性团聚体较少，但围垦耕作后表层土壤>0.25 mm水稳定性团聚体也呈现增加趋势。与未耕种的砂质海涂比较，围垦40~60 a和>100 a后，表层土壤>0.25 mm水稳定性团聚体分别增加了232%和268%。
表1 土壤pH、盐分、碳酸钙和水稳定性团聚体随围垦时间的变化
指标 深度/cm 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
pH 0~20 8.21a 7.92ab 7.73b 6.73c 5.17d
20~40 8.17a 8.13a 8.16a 7.12b 5.97c
40~80 8.32a 8.28a 8.31a 7.52ab 7.28b
盐分/(g/kg) 0~20 6.32a 0.86b 0.51c 0.36d 0.26d
20~40 5.67a 1.34b 0.74c 0.47c 0.28d
40~80 5.13a 1.48b 0.72c 0.52c 0.32d
碳酸钙/(g/kg) 0~20 53.17a 50.63a 30.94b 22.43c 0.00d
20~40 55.27a 52.28a 41.23b 31.24bc 17.28c
40~80 54.63a 53.16b 48.64b 41.88b 27.64c
>0.25 mm
水稳定性团聚体/%		 0~20 8.25c 8.58c 13.63b 17.48a 18.27a
注：同一行数字后英文字母不同者差异显著。下同。

2.2 土壤有机质、CEC、氮素的变化

砂质海涂围垦利用后，土壤有机质、氮素逐渐积累，CEC也有增加趋势（表2）。土壤有机质的积累表土明显高于下层土壤，至围垦15~30 a后，表土有机质已比围垦前高出111%；至围垦100 a后，表土有机质比围垦前高出176%；20~40 cm和40~80 cm土层的土壤有机质随时间的增幅较小，至围垦100 a后，它们的有机质分别比围垦前高出81%和31%；随着围垦时间的增加，土壤剖面上下层间有机质的差异逐渐增加。土壤全氮的变化与有机质同步，但其随时间的增幅在围垦初期较小，后期增幅明显增加，随着围垦时间的增加土壤C/N比有下降趋势，围垦前土壤C/N比平均为13.85，至100 a后土壤C/N比下降至11.07。至围垦15~30 a后，表土全氮已比围垦前高出39%；至围垦100 a后，表土全氮比围垦前高出246%；同时，至围垦100 a后20~40 cm和40~80 cm土层的全氮分别比围垦前高出100%和108%。土壤碱解氮的变化趋势及随时间的变化速率与全氮相似。由于有机质的积累，土壤CEC随围垦时间的增加也趋向增加，至围垦100 a后0~20、20~40 cm土壤CEC分别比围垦前高出67%和25%，但40~80 cm土壤CEC的变化较小。
表2 土壤有机质、CEC、氮素随围垦时间的变化
指标 深度/cm 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
有机质/(g/kg) 0~20 6.68d 9.84c 14.09b 16.78b 18.47a
20~40 5.24b 6.14b 6.28b 7.68ab 9.46a
40~80 5.06b 5.23b 5.31b 5.58ab 6.64a
CEC/(cmol/kg) 0~20 4.77c 5.13bc 5.94b 7.72a 7.98a
20~40 4.17b 4.46ab 4.52ab 4.97ab 5.23a
40~80 4.28a 4.43a 4.64a 4.76a 4.92a
氮/(g/kg) 0~20 0.28d 0.34cd 0.39c 0.86b 0.98a
20~40 0.27c 0.31c 0.32c 0.49b 0.54a
40~80 0.25c 0.29bc 0.32b 0.43a 0.52a
碱解氮/(mg/kg) 0~20 32c 43c 68b 86a 92a
20~40 17b 19b 18b 22ab 25a
40~80 13b 20a 16a 20a 22a

2.3 土壤磷、钾的变化

随着围垦利用时间的增加，土壤全磷也呈增加趋势（表3），增幅也是表层土壤高于下层土壤；但磷的积累速度小于氮素。至围垦15~30 a后，表土全磷比围垦前高出33%；至围垦100 a后，表土全磷比围垦前高出122%；20~40 cm和40~80 cm土层的土壤全磷随时间的增幅较小，至围垦100 a后，它们的全磷分别比围垦前高出42%和2%。土壤有效磷的增幅明显高于全磷，至围垦15~30 a后，表土有效磷已比围垦前高出47%；至围垦100 a后表土有效磷比围垦前高出389%；至围垦100 a后，20~40 cm和40~80 cm土层的有效磷分别比围垦前高出86%和60%。围垦利用后砂涂表层土壤钾素趋向下降（表3），至围垦100 a后表土全钾比围垦前下降了12%；20~40 cm土层的全钾略有下降（下降了6%），40~80 cm土层的全钾变化不明显。土壤速效钾随围垦时间变化迅速，至围垦15~30 a后，0~20、20~40、40~80 cm土层速效钾分别比围垦前下降了54%、42%和30%，至围垦100 a后0~20、20~40、40~80 cm土层速效钾分别比围垦前下降了68%、72%和74%。
表3 土壤磷和钾氮素随围垦时间的变化
指标 深度/cm 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
全磷/(g/kg) 0~20 0.51d 0.56cd 0.68c 0.92b 1.13a
20~40 0.48b 0.51b 0.53b 0.55ab 0.68a
40~80 0.54a 0.52a 0.51a 0.52a 0.55a
有效磷/(mg/kg) 0~20 6.63c 7.14bc 9.74b 27.66a 32.43a
20~40 5.54b 5.18b 6.14b 5.67b 10.28a
40~80 3.24b 4.13ab 3.26b 4.68a 5.17a
全钾/(g/kg) 0~20 15.88a 15.56a 15.43a 14.72ab 13.94b
20~40 16.03a 16.12a 15.58a 15.21ab 15.03b
40~80 15.74a 15.38a 15.66a 15.14a 15.27a
速效钾/(mg/kg) 0~20 158.43a 109.23b 73.46c 63.77cd 50.68d
20~40 167.73a 123.28b 97.68c 53.24d 46.74d
40~80 169.26a 154.66a 118.23b 69.27c 43.25d
表4表明，由于有机质的积累，土壤有机磷占全磷的比例也逐渐增加，由围垦前的11.23%增加至围垦>100 a的27.14%。同时，速效钾和缓效钾占全钾的比例分别由围垦前的0.99%和3.88%下降至围垦>100 a的0.37%和3.07%。这表明随着围垦时间的增加，土壤钾释放潜力逐渐下降。
表4 表土有机磷占全磷比例与钾形态随围垦时间的变化 %
指标 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
有机磷/全磷 11.23 14.52 17.18 21.89 27.14
速效钾/全钾 0.99 0.71 0.46 0.43 0.37
缓效钾/全钾 3.88 3.67 3.24 3.18 3.07

2.4 土壤中量元素和微量元素的变化

砂涂围垦后土壤中的中、微量元素含量也发生了明显的变化（表5）。随着围垦利用时间的增加，表土有效钙、有效镁、有效硼、有效钼含量逐渐下降。至围垦100 a后，表土有效钙、有效镁、有效硼、有效钼含量只有围垦前的44%、59%、19%和32%，以有效硼的下降最为显著；同时，表土中有效铜、有效锌、有效铁、有效锰呈现增加趋势，至围垦100 a后，表土有效铜、有效锌、有效铁、有效锰分别比围垦前增加了50%、16%、270%、153%。表土中重金属元素含量普遍较低，但随围垦时间增加重金属含量有轻微增加的趋势。
表5 表土中量元素和微量元素随围垦时间的变化 mg/kg
指标 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
有效Ca 735a 688a 514b 478b 324c
有效Mg 167a 158a 135b 114c 98c
有效B 2.17a 1.24b 0.31c 0.39c 0.41c
有效Cu 1.69c 1.74c 2.07b 3.08a 2.54a
有效Zn 1.23b 1.32b 1.68a 1.42ab 1.43ab
有效Fe 17.64d 15.88d 30.14c 49.34b 65.34a
有效Mn 8.74b 11.23b 11.47b 18.46a 22.13a
有效Mo 0.132a 0.117a 0.077b 0.056bc 0.042c
全Cr 24.54b 23.14b 25.41ab 27.57a 26.88ab
全Pb 12.24b 12.11b 12.58b 15.25a 14.87ab
全Cd 0.056b 0.059b 0.052b 0.067ab 0.076a
全Hg 0.054b 0.043b 0.061ab 0.072a 0.068ab

2.5 剖面碳库和其它物质随时间的变化

与表土养分变化相似，0~80 cm土体中有机质、氮、磷等养分元素的贮量随围垦时间的增加显著增加，而相应地，钾、碳酸钙和盐分的贮量随围垦时间的增加迅速下降（表6）。围垦100 a以上的土壤中，0~80 cm土体中有机质、氮、磷等养分元素的贮量分别约为围垦前的2.02、2.88、1.38倍，以氮的积累最为明显；0~80 cm土体中钾、碳酸钙和盐分的贮量分别约为围垦前的94.91%、34.80%、5.40%，以盐的下降最为明显。
表6 0~80 cm土体中碳库和养分库随围垦时间的变化 kg/m2
指标 围垦时间/a
0 10~15 15~30 40~60 >100
有机质 5.32 6.82 7.74 8.21 10.77
碳酸钙 52.58 49.91 40.50 33.31 18.30
氮 0.25 0.33 0.39 0.54 0.72
磷 0.50 0.50 0.53 0.59 0.69
钾 15.31 14.90 14.81 14.44 14.53
盐 5.37 1.23 0.64 0.45 0.29

3 结论

调查结果表明，杭州湾下沙大桥至嘉绍大桥段围垦砂质海涂土壤质量可在短时间内发生明显的变化。土壤盐分下降速率最快，围垦15~30 a后土壤盐分下降至1 g/kg以下；砂质土壤中的脱钙速率也较快，围垦100 a后表土已基本脱钙，下层土壤脱钙率也在50%以上。随着围垦时间的增加，土壤有机质、氮素、磷素逐渐积累，钾素逐渐下降，积累速率：全氮>有机质>全磷。围垦100 a后表土全钾比围垦前下降了12%。随着围垦利用时间的增加，表土有效钙、有效镁、有效硼、有效钼含量逐渐下降，重金属含量有轻微增加的趋势。砂涂土壤水稳定性团聚体含量很低，但其也可随围垦时间增加。

4 讨论

杭州湾砂质海涂土壤形成于河口海相沉积物，因含高量的砂粒，该类土壤围垦初期具有耕性良好、盐分较高、土壤结构差、土体松散、保蓄能力弱[12⇓⇓-15]、抗旱能力较差[16]等特点，如何降低盐分、提高有机质含量[17]、改善土壤结构和提升土壤供肥能力[14,18-19]是该类土壤改良的方向。从以上研究可知，围垦15~30 a后，土壤盐分已下降至1 g/kg以下，围垦100 a后表土盐分已降至很低水平，其脱盐速率明显高于同一地区的粘涂[20]。这表明杭州湾砂涂土壤的脱盐速率较快，围垦后一般不会受盐害的影响，这与土壤砂粒含量较高及地处亚热带湿润地区降水淋溶作用较强有关。有机质是土壤肥力和基础地力最重要的物质基础[21-22]，直接影响着土壤的保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等；土壤有机质的积累与生物、物理化学和社会经济等因素有关[23]，其中的物理化学因素主要指稳定土壤中有机质的相关因素，包括土壤质地、水分条件、土壤结构、土壤生物等因子。积累在土壤中的有机质主要通过与无机分子相互作用避免被微生物利用而稳定在土壤中，其可通过配位交换、氢键、阳离子键桥和范德华力等多种形式稳定土壤中的有机物质[24]，黏粒矿物是土壤有机质结合的主要载体，因此土壤中黏粒数量的将影响土壤有机质的积累。从本研究的结果可知，杭州湾砂涂土壤有机质普遍较低，即使围垦100 a后表土有机质含量也不足20 g/kg，明显低于浙江省农田土壤的有机质平均含量(30.12 g/kg)[25]，这显然也与砂土缺乏粘粒对有机质的保护有关。但与未围垦土壤比较，杭州湾砂涂土壤中有机质随利用时间的增加非常明显，围垦15~30 a后表土有机质比围垦前高出111%，至围垦100 a后表土有机质比围垦前高出176%，同时深层土壤的有机质也具有明显的增加趋势，土壤结构也有一定的改善。这表明这一地区的砂质土壤具有一定的有机质提升潜力，采用常规的管理也可使土壤有机质明显上升。除土壤磷素外，砂涂围垦后土壤中多数矿质养分呈现下降趋势，围垦100 a后表土全钾比围垦前下降了12%。表土有效钙、有效镁、有效硼、有效钼含量随着围垦利用时间的增加逐渐下降。一般情况下，土壤中的养分主要存在于粘粒中，砂土因缺乏粘粒物质，其矿质养分不易保存，容易发生淋失，因此砂涂土壤管理上应经常补充钾、钙、镁等矿质养分，宜采用少量多次的施肥方式，并以施用有机肥的效果为佳。对于利用时间较长的砂涂土壤，需要施用微量元素以满足作物生长的需要。而土壤中磷素的积累可能与土壤pH较高、土壤对磷的固定有关[26-27]。

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本文引用 [1] 摘要
在黄淮海平原豫北砂土区,采用田间试验法,研究了小麦-玉米轮作不同施肥制度对土壤主要养分及对作物产量的影响。结果表明：在小麦-玉米轮作周期内,习惯施肥处理、优化施肥处理、快速培肥处理0～90cm土壤硝态氮含量比对照都有不同程度提升,习惯施肥与快速培肥处理接近,优化施肥处理低于习惯施肥和快速培肥处理;砂壤潮土0～30cm土壤有硝态氮的累积高峰,而细砂潮土则没有。快速培肥处理0～30cm土壤速效磷含量维持在较高水平,对照、习惯施肥、优化施肥处理差别不大。细砂潮土0～30cm速效钾含量比砂壤潮土低,快速培肥处理使细砂潮土的速效钾含量有所提升;处理间比较,以快速培肥处理最高,对照次之,优化和习惯施肥处理较为接近。习惯施肥处理在第2季小麦中产量最高,而优化和快速培肥处理在玉米季中都获得了较高产量。
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