1. 引言
耕地是我国最宝贵的资源，是保障国家粮食安全的命脉 [1] [2] [3] [4] 。现阶段我国面临土地资源短缺 [5] [6] ，耕地质量下降的现状，荒石滩作为一种重要的耕地后备资源，客土整治石砾地能够显著增加耕地面积，具有巨大的社会和经济效益 [7] [8] [9] 。但是在荒石滩整治过程中，存在覆土方式粗放的问题，对于覆土厚度、覆土容重缺乏依据，如何构建耕作层才能够满足作物生长是一个迫切需要解决的问题。本文通过设计小区模拟实验，针对荒石滩土地整治中存在的土壤水分、养分渗漏严重，适宜土体结构不明确等问题，在下覆石砾的基础上设置了不同的覆土结构，并监测不同覆土结构对土壤理化性质及作物产量的影响，以得出适宜的土体机构。
2. 材料与方法
2.1. 试验区概况
试验区位于陕西省渭南市富平县杜村镇。该区域属半干旱大陆性气候，地处关中平原与陕北高原的过渡地带，雨季集中在7~9月，占全年降雨量50%。干湿季节分明，春季多风少雨，蒸发量大。全年蒸发量950~1290 mm，是降雨量的2~2.5倍。无霜期225 d，年平均气温13.5℃。气候条件满足小麦、玉米等北方主要经济作物的生长需要。
2.2. 实验设计
本试验共设计12个试验小区，每个试验区域面积2 m × 4 m = 8 m2。试验小区共分两种处理方式，一种为不同覆土厚度处理，另一种为不同覆土容重处理。覆土厚度处理中，上覆土层厚度分别为30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm和100 cm 6种处理；覆土容重处理中，覆土厚度为50 cm，按照不同容重结构分为6种处理，其中对照处理为通体容重均为1.2 g/cm3,其他各处理分为上、中、下3层结构，上层20 cm、中层20 cm、下层10 cm，上层、中层容重为1.2 g/cm3、1.3 g/cm3保持不变，下层按照处理方式，分别设置容重为1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3，具体见图1。
试验中，根据地方农业厅对小麦施肥推荐方案，试验田的N、P2O5、K2O施肥量分别为255 kg/hm2，180 kg/hm2和90 kg/hm2。当播种冬小麦时，按照小区规划施肥，通过人工翻地、深松使得地表平整，肥料充分混合。试验田均采用人工播种，其中磷肥、氮肥、钾肥分别为磷酸二铵、尿素、和氯化钾。播种采用人工种植，试验期间田间管理措施同当地大田。
2.3. 测定项目及方法
土壤指标检测为分层采样检测，对不同深度、不同覆土厚度(覆土容重)土壤，采用比重计法测定其土壤机械组成；采用凯氏定氮法测定土壤全氮；采用钼锑抗比色法测定土壤有效磷；采用火焰光度法测定土壤速效钾 [10] 。
2.4. 数据处理
采用R软件对数据进行统计分析，并用Origin作图。
3. 结果与分析
3.1. 不同处理土壤pH分析
图2(a)展示了不同覆土厚度处理下，土壤的pH值。可以发现在覆土厚度为50的处理中最高达到了8.4。图2(b)描述了不同容重处理下土壤的pH值，可以发现随着土壤容重的增加，土壤的pH值也在不断增长。验证了不同的覆土厚度以及不同的土壤容重会对土壤的pH值产生显著影响。
Figure 2. The difference in soil pH of different treatments
图2. 不同处理的土壤PH差异
3.2. 不同处理土壤电导率分析
通过测定不同处理的电导率，结果如图3所示。针对不同覆土厚度处理，C40处理的电导率最大。针对不同土壤容重的处理，容重为1.7 g/cm3的处理，电导率达到了最高，容重为1.2 g/cm3的处理电导率最低。
Figure 3. The difference in soil conductivity of different treatments
图3. 不同处理的土壤电导率差异
3.3. 不同处理土壤全氮分析
不同覆土厚度处理中，速效钾含量依次表现为C60 > C40 > C100 > C30 > C40 > C50；在不同土壤容重处理中，速效钾含量依次表现为UW1.6 > UW1.7 > UW1.2 > UW1.3 > UW1.5 > UW1.4。表明覆土厚度60厘米土壤耕作层容重设置为1.6 g/cm3时，最有利于土壤全氮的积累(图4)。
3.4. 不同处理土壤速效磷分析
通过测试不同处理的速效磷含量可以发现，不同覆土厚度处理中，速效钾含量依次表现为C60 > C80 > C100 > C30 > C50 > C40；在不同土壤容重处理中，速效钾含量依次表现为UW1.5 > UW1.4 > UW1.2 > UW1.7 > UW1.3。表明覆土厚度60厘米土壤耕作层容重设置为1.5 g/cm3时，最有利于土壤速效磷的积累(图5)。
Figure 4. The difference of soil total nitrogen in different treatments
图4. 不同处理的土壤全氮差异
Figure 5. The difference of soil available phosphorus in different treatments
图5. 不同处理的土壤速效磷差异
3.5. 不同处理土壤速效钾分析
通过测试不同处理的速效钾含量可以发现，不同覆土厚度处理中，速效钾含量依次表现为C50 > C30 > C40 > C60 > C100 > C80；在不同土壤容重处理中，速效钾含量依次表现为UW1.7 > UW1.6 > UW1.5 > UW1.4 > UW1.3 > UW1.2。表明覆土厚度50厘米土壤耕作层容重设置为1.7 g/cm3时，最有利于土壤速效钾的积累(图6)。
3.6. 不同处理小麦生长状况分析
图7描述了不同处理小麦的生长曲线。由图可以发现虽然不同处理之间小麦的生长状况会有微小的差异，但是小麦的总体生长曲线表现出了一致性，在11月份到三月份期间，作物长势缓慢，在三月份到五月份作物迅速增长。差异性表现在C80处理中冬小麦的株高达到了最高的77.13 cm。
Figure 6. The difference of soil available potassium in different treatments
图6. 不同处理的土壤速效钾差异
Figure 7. Wheat growth curve with different treatments
图7. 不同处理的小麦生长曲线
3.7. 不同处理土壤相关性分析
不同覆土厚度处理中，土壤中的速效钾与电导率呈显著正相关；全氮与速效钾均与百粒重呈现显著正相关；速效磷与速效钾表现出显著的负相关。结果如表1所示。
Table 1. Correlation between different soil thickness and wheat yield
表1. 不同覆土厚度土壤与小麦产量相关性
不同土壤容重处理中，土壤中的速效钾与全氮呈显著正相关；小麦株高与百粒重呈现显著正相关；全氮与速效钾均与小麦穗数呈现显著负相关。结果如表2所示。
Table 2. Correlation between soil physical and chemical properties of different bulk density and wheat yield
表2. 不同容重的土壤理化性质与小麦产量相关性
4. 结语
1) 不同覆土厚度对土壤的pH值无显著影响，不同土壤容重处理中，随着土壤容重的增加，土壤的pH有小幅度上升。覆土厚度为40cm时，土壤的电导率最大。容重为1.7 g/cm3时，电导率达到了最高，容重为1.2 g/cm3时，电导率最低。
2) 土壤中的全氮、速效磷、速效钾的含量并非随着覆土厚度的增加表现出简单的线性关系，当覆土厚度为60 cm时，土壤中的全氮和速效磷含量达到最高；当覆土厚度为50 cm时，土壤中的速效钾含量最高。速效钾的含量随着土壤容重的增加表现出了线性增长的趋势。
3) 不同的覆土厚度和土壤容重不会对小麦的生长趋势产生显著影响，全氮与速效钾与冬小麦的穗数呈现出负相关，但是与冬小麦株高和百粒重呈现正相关。
通过大田实验的研究结果证实，在对荒石滩地进行覆土重构的过程中，我们要意识到并非覆土厚度越深对作物的生长越有利，而是要将覆土厚度规定在50 cm左右，土壤容重达到1.5 g/cm3时，能更好地适应作物的生长。本研究结果为荒石滩土体重构提供了借鉴。