2026, Vol. 58
2. 农业农村部银川野外科学观测研究站, 银川 750002
压砂地是我国西北地区一种典型的保护性耕作方式，它是将10 cm左右厚的鹅卵石、砾石、粗砂和细砂的混合体或单体覆盖在土壤表层的耕作措施，具有蓄水保墒、增温保温、减少蒸发、抗风蚀的作用[1-3]。宁夏中部干旱带由于年降水少且蒸发强烈，水分是制约该区域农业发展的主要因子，压砂种植有效解决了这一难题，且以种植硒砂瓜为主。硒砂瓜具有较高的经济效益，其栽培面积日益增加。宁夏压砂地主要分布在中卫市沙坡头区环香山地区、海原县关桥镇和中宁县鸣沙镇等地，以补水灌溉为主[4-5]。由于长期的单一结构种植、风化作用及机械碾压等因素，紧密的砂石层产生分散趋势，砂石与土壤混合现象严重，造成砂质结构和土壤生态环境向劣势化发展[2]。
连作是农田土壤质量退化的重要诱因，土壤肥力退化是农田土地生产力下降的显著特征。很多研究证实，随着连作年限的增加，植物的自毒作用、土壤理化性质的劣变、土壤中致病微生物的增殖和微生物区系失衡，导致连作障碍和土传病害日趋严重[6-8]。硒砂瓜长期连续种植造成土壤板结、有机质含量降低、土壤养分失衡、土壤理化及生物性质恶化，导致土壤质量下降[9-10]。有研究发现，连作会使土壤pH升高，土壤养分含量和酶活性下降，微生物群落退化，土传病害加剧，且随着连续种植年限的增加，这种不利趋势更加明显[11]。从而引起西瓜枯萎病的发生，造成西瓜产量低、品质差[12-14]。随着宁夏种植业结构的调整，压砂地有序退出成为地方产业发展的必然选择。探索宁夏不同种植年限压砂地土壤肥力的演变特征，识别其土壤肥力退化的关键因子，是退砂地土壤快速培肥亟待解决的关键问题。因此，本研究在宁夏中部干旱带的硒砂瓜主产区，以原始荒地为对照，选择1~5、5~10、10~20和 > 20 a压砂地，采集砂石覆盖下0~ 20 cm土样，研究不同种植年限压砂地土壤理化性质和关键酶活性的变化特征，揭示压砂农田土壤肥力的演变规律与退化特征，为压砂地退砂后土壤定向培肥提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验区概况调查研究区位于宁夏硒砂瓜主产区的中卫市沙坡头区香山乡、兴仁镇和海原县关桥乡，主要地形为山前带状洪积地形、山间洼地和盆滩地。研究区地处宁夏中西部，深居内陆，远离海洋，属典型的大陆性季风气候，俗称“宁夏中部风沙干旱区腹地”。特点是春暖迟、夏热短、秋凉早、冬寒长；干旱少雨、蒸发强烈、风大沙多、无霜期短，干旱、霜冻、风沙等自然灾害频繁。调查区压砂地土壤类型以灰钙土为主，还包括黄绵土和新积土，土壤质地多为砂壤土。
1.2 调查取样与分析方法 1.2.1 土壤样品采集2022年4月，选取调查区域原始荒地(CK)以及1~5、5~10、10~20和 > 20 a压砂地，铲除表面覆盖砂石(厚度为10~20 cm)，从土壤界面采集20 cm深度的土样。每个田块采用“五点法”采集1个混合样，同时采集3个环刀土样备测土壤容重和田间持水量。
1.2.2 土壤理化性质测定土壤容重和田间持水量均采用环刀法测定(分别参照NY/T 1121.4—2006[15]和NY/T 1121.22—2010[16])。土壤化学性质测定参照《土壤农化分析》[17]：pH采用土壤酸度计法测定(水土质量比5∶1)；全盐含量采用电导仪测定；有机质采用重铬酸钾容重法测定；全氮、全磷、全钾采用H2O2-H2SO4消解，分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷和速效钾分别采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗体比色法和乙酸铵浸提–火焰光度计法测定；
1.2.3 土壤酶活性测定土壤酶活性参照关松荫[18]的方法测定：脲酶活性采用靛酚蓝比色法，以每克土壤1 min内水解产生的氨态氮的毫克数表示(mg/(g·min))；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，以每克土壤1 min内释出的苯酚的毫克数表示(mg/(g·min))；蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法，以每克土壤1 min内生成葡萄糖的毫克数表示(mg/(g·min))；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，以20 min内每克土壤分解的H2O2毫克数表示(mg/g)。
1.3 数据统计与分析数据采用Excel 2010整理和统计；采用SPSS 25.0进行方差分析，多重比较采用Duncan新复极差法，显著性水平P < 0.05；采用Origin 2024进行相关性分析。
2 结果与分析 2.1 宁夏压砂地土壤物理性质退化特征由图 1A可知，不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤容重的变化范围为1.30~1.53 g/cm3。1~5 a新压砂地，由于铺砂过程的压实作用，造成土壤容重快速增加至1.43 g/cm3；随着压砂年限增加，土壤容重总体呈线性增加趋势(R2=0.800 9)，20 a以上压砂地土壤容重较CK显著增加18.2%。这说明，随着压砂地种植年限增加，由于机械无法进行翻耕，造成土壤压实明显，结构变差。
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(图中小写字母不同表示不同种植年限间差异显著(P < 0.05)，下同) 图 1 不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤容重(A)和田间持水量(B)的变化趋势 Fig. 1 Changes of soil bulk density (A) and field capacity (B) in 0–20 cm layers in gravel-mulched fields with different cultivation years |
由图 1B可知，不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤田间持水量为10.1%~13.3%。随着压砂年限的增加，土壤田间持水量呈线性降低趋势(R2=0.910 9)；1~5、5~10、10~20和 > 20 a压砂地土壤田间持水量较CK分别降低1.2%、8.2%、11.8% 和24.4%，但不同种植年限间差异均不显著。这表明随着种植年限的增加，压砂地土壤持水能力不断下降。
2.2 宁夏压砂地土壤化学性质退化特征图 2为不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤化学性质变化趋势。其中，土壤pH介于8.69~8.75 (图 2A)，不同种植年限间无显著差异；土壤全盐量的变化范围为0.18~0.50 g/kg(图 2B)，随着种植年限增加，盐分处于线性累积状态(R2=0.880 8)，种植超过10 a后，土壤盐分含量显著高于荒地，但均未达到轻度盐化土壤标准。不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为6.61~11.98、0.36~0.65、0.30~0.42、17.1~18.3 g/kg(图 2C~2F)。压砂地种植5~10 a后，土壤有机质、全氮和全磷含量呈降低趋势；而全钾含量相对稳定，并在种植年限为10~20 a时达到最高值18.3 g/kg。
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图 2 不同种植年限压砂地0~20 cm土壤化学性质变化趋势 Fig. 2 Changes of soil chemical characteristics in 0–20 cm layers in gravel-mulched fields with different cultivation years |
对于速效养分(图 2G~2I)，不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为21.0~60.9、5.2~16.1、111.4~194.4 mg/kg。其中，碱解氮、有效磷含量随种植年限呈二次曲线变化趋势(R2分别为0.338 2、0.519 6)，速效钾含量则呈负线性相关(R2 = 0.950 6)。随种植年限的增加，速效养分耗竭现象十分明显，5~10、10~20和 > 20 a压砂地土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量较1~5 a压砂地分别显著降低50.4%~63.3%、45.4%~67.4% 和1.4%~30.2%，尤其是碱解氮和有效磷耗竭现象突出。
综上分析，随着种植年限增加，压砂地0~20 cm土层土壤有机质、全氮、全磷以及速效氮、磷、钾养分含量均处于耗竭过程，尤其是土壤有机质的显著降低，直接影响土壤供肥能力；同时，虽然土壤盐分处于累积过程，但尚未达到轻度盐化程度。因此，退砂地的土壤培肥应以提高有机质为核心，同时提升土壤氮磷水平，并快速提高速效氮、磷、钾含量。
2.3 宁夏压砂地土壤酶活性变化由表 1可知，不同种植年限压砂地土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别为0.64~ 2.64 mg/(g·min)、1.29~3.15 mg/(g·min)、0.24~1.57 mg/(g·min)和7.81~9.81 mg/g，随着种植年限增加，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性呈显著降低趋势。5~10、10~20和 > 20 a压砂地土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性分别较1~5 a降低了17.7%~65.2%、26.4%~ 58.9%、62.4%~82.7%，但不同种植年限压砂地土壤过氧化氢酶活性差异不显著。这表明，参与土壤碳氮磷转化的土壤酶活性随着种植年限的增加而明显降低。这也解释了压砂地土壤有机碳和氮磷速效养分含量降低的原因。
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表 1 不同种植年限压砂地0~20 cm土层土壤酶活性 Table 1 Soil enzyme activities in 0–20 cm layers in gravel-mulched fields with different cultivation years |
由图 3相关性热图可以看出，土壤pH与全氮、全磷、有机质、速效钾、脲酶、全钾、碱解氮、蔗糖酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶呈负相关，但没有达到显著水平；土壤全盐与速效钾、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、有机质、全氮、全磷和有效磷呈负相关，其中与速效钾和脲酶达显著水平；土壤全钾与蔗糖酶和碱性磷酸酶呈显著负相关；有机质与全氮、全磷、碱解氮呈显著正相关；碱解氮与全氮、全磷、有效磷、蔗糖酶呈显著正相关。综上所述，pH和全盐含量越高，越不利于土壤养分转化；全钾对土壤主要酶活性具有抑制作用；土壤碳、氮、磷之间有较强的相关性，且影响土壤酶活性。
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(*表示相关性达P < 0.05显著水平) 图 3 宁夏压砂地0~20 cm土壤理化性质和酶活性的相关性 Fig. 3 Correlations between soil physicochemical properties and enzyme activities in 0–20 cm layer in gravel-mulched fields |
长期压砂种植直接影响土壤物理结构和保水能力。本研究发现，随着压砂地种植年限增加，0~20 cm土壤容重呈增加趋势，尤其20 a以上压砂地土壤容重较原始荒地显著提高了18.2%；同时田间持水量呈不断降低趋势，20 a以上压砂地较原始荒地降幅达24.4%。研究表明，由于人为耙砂或犁耕的长期机械碾压作用，砂土混合导致土壤容重增加和孔隙度降低[19]，土壤紧实度增加而通气透水性能下降[20]，压砂地土壤结构逐年变差[21]，蓄水保墒能力逐年减退，土壤生产力逐年下降，严重影响压砂地可持续发展[22]。胡景田等[23]研究表明，随着压砂年限延长，土壤容重呈先降后升趋势，田间持水量呈先升后降趋势，整体蓄水保墒能力下降。也有研究[24]认为，随压砂年限增加，土壤容重呈先升后降趋势，土壤毛管持水量、饱和导水率均呈下降趋势。但普遍认为，随着压砂年限的增加，压砂层的土砂混合使砂层堵塞、土壤板结，土壤保墒和水分入渗能力均明显降低[25]，本研究也证实了这一结论。
大多数农田由于长期连续单一种植或常年相对统一的水肥管理措施，会导致土壤有机质损耗、土壤养分失衡、肥力下降等[26-27]，抑制作物的生长，最终使作物产量和品质严重降低。本研究证实，压砂地连作5 a以后，0~20 cm土壤有机质、全氮、全磷含量随种植年限的增加呈明显降低趋势，速效氮、磷、钾养分也在不断耗竭，同时土壤盐分处于累积状态。这可能是由于压砂地的作物残体难以进入土壤，外源有机物料和肥料补充不足，加之砂田增温保墒性能下降所致[3]。有研究[28]认为，作物连作会导致土壤氮、磷、钾等主要养分的供给能力下降，本研究结果与此一致。王春燕等[9]对连续种植10 a的压砂地西瓜土壤的研究发现，随着种植年限的增加，土壤pH和养分含量均逐渐下降。姚丽娟等[29]研究表明，连续种植10 a的西瓜土壤pH、铵态氮和速效钾极显著低于对照，而硝态氮和有效磷极显著高于对照。文方芳等[30]研究表明，土壤磷钾富集、酸化和次生盐渍化是北京西瓜主产区连作障碍的主要诱因。而本研究发现，不同种植年限压砂地土壤pH变化不明显，且盐分累积未达到次生盐渍化程度。
土壤酶直接参与土壤物质转化及能量传递，是衡量土壤肥力的重要指标，连作对土壤酶活性具有很大影响[3]。本研究中，随着压砂地种植年限的增加，土壤脲酶和蔗糖酶活性显著降低，碱性磷酸酶活性先升高后降低，过氧化氢酶活性则无显著性变化。颜顾浙等[31]研究发现，不同植物3季连作后土壤酶活性多数呈增加趋势；胡景田等[23]研究认为，压砂地连续种植8~15 a，土壤酶活性开始出现低于裸地的情况。不同土壤酶活性降低的时间节点存在明显差异[32]。土壤酶活性随时间变化并非简单的线性关系，20~ 30 cm土层土壤脲酶、过氧化氢酶活性出现突变点，总体随种植年限先升高后降低，压砂地酶活性骤降多在3~5 a，连续种植5~7 a表现出明显连作障碍[19]。因此，由于土壤酶活性受种植作物种类、土壤类型及连作年限等多因素耦合影响，土壤酶活性与连作年限间关系的定量描述难以实现[3]。
土壤酶活性变化受有机质含量影响，土壤养分含量对土壤酶活性的影响也不可忽视。本研究发现，压砂地0~20 cm土壤pH与全盐含量是影响土壤理化性质和土壤酶活性的主要因子；土壤脲酶活性与速效钾含量，蔗糖酶活性与碱解氮、速效钾含量，碱性磷酸酶活性与有效磷、速效钾含量之间呈显著正相关；土壤脲酶活性与全盐含量，蔗糖酶活性与全钾含量，碱性磷酸酶活性与全钾含量呈显著负相关。有研究证实，土壤有机质含量和全盐含量是影响西北瓜田土壤生物多样性的主要因子，长年连续种植会提高土壤总盐含量[33]。李蕾等[34]研究表明，连作条件下过氧化氢酶活性与全磷、全钾、有效磷、速效钾含量和pH呈显著负相关，蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性与全磷、全钾、有效磷、速效钾和pH呈显著正相关。有关压砂地土壤有机质、酶活性与微生物三者间的相互关系及影响机制，以及退砂地轮作休耕模式、耕层构建和土壤快速培肥的研究仍需加强。
4 结论1) 随着压砂地种植年限增加，土壤容重呈线性增加趋势，而土壤田间持水量呈线性降低趋势，土壤压实作用造成土壤结构变差，土壤持水能力不断下降。
2) 随着种植年限增加，压砂地0~20 cm土壤有机质、全氮、全磷、速效氮磷钾养分含量均处于耗竭过程，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性呈显著降低趋势。
3) 压砂地土壤脲酶活性与速效钾含量，蔗糖酶活性与碱解氮、速效钾含量，碱性磷酸酶活性与有效磷、速效钾含量呈显著正相关；脲酶活性与全盐含量，蔗糖酶活性与全钾含量，碱性磷酸酶活性与全钾含量呈显著负相关。
4) 压砂地连作会导致土壤酶活性下降，并使土壤相关理化性质变差；pH与全盐含量是土壤理化性质及酶活性的主控因素，土壤酶活性与全钾含量密切相关。
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