砒砂巖與沙不同配比下的土壤水分研究*

程 杰，杜宜春，魏 靜

（1.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075）

土壤水分是土壤的重要組成部分，參與土壤的物質循環與轉化，是土壤形成發育的催化劑，其含量是判斷土壤質量的重要指標，也是農業生產中作物生長的主要限制因子，并可直接影響生態平衡[1-2]。風沙土一般由0.02～2mm的顆粒組成，砂礫含量為90%以上，顆粒間空隙大，水分滲漏速度快，且礦物含量低，土壤膠體含量低，團粒結構差，水分保持能力差，難以維持作物生長對水分的需求，導致土壤生態系統生產力低下，植被覆蓋度低，極易發生土壤風蝕[3]，因此，提升風沙土的保水性是沙土改良急需解決的關鍵問題。

毛烏素沙地是我國四大沙地之一，植被稀疏、結構單一，但水熱資源豐富[4]，具有較好的開發潛力。同時，毛烏素沙地境內分布了大量砒砂巖，砒砂巖是一種常見的沉積巖，由于覆蓋層厚度小，壓力低，導致成巖程度低，砂礫間膠結差，結構強度低[5]，外在表現為無水則堅硬如石，遇水則松軟如泥，極易風化[6]。已有研究表明，砒砂巖與風沙土在結構和性質上互補，按一定比例復配后可重構風沙土的孔隙與結構，使其成為適宜作物生長的“新土壤”，可種植玉米、馬鈴薯等作物[7]。然而土壤水分是沙荒地生態環境建設和植被恢復的基礎，是保障砒砂巖與風沙土復配“新土壤”可持續利用的首要前提，因此，本文從復配土含水量時空變化規律及儲水量變化特征等進行分析，以期對砒砂巖與沙復配成土技術的推廣應用提供科學的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

大田試驗區設在毛烏素沙地榆林市榆陽區小紀汗鄉大紀汗村，該地位于毛烏素沙漠南緣（109°28′58″-109°30′10″E，38°27′53″-38°28′23″N），屬典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，降水時空分布不勻，春季多風干旱，秋季溫涼濕潤。年均氣溫8.1℃，≥10℃積溫3307.5℃，且持續天數為168d。年平均無霜期154d，年平均降水量413.9mm，60.9%的降雨集中在7～9月份，雨熱同期。年極端降雨量最大695.4mm，最小159.6mm，日最大降水量為141.7mm。年平均日照時數2879h，日照百分率65%，年總輻射量607.79kg/cm2[8]。試驗區土壤主要為風沙土，保水性差，且養分含量較低。同時該區域內廣泛分布有紫紅色的砒砂巖，水土流失嚴重。

1.2 試驗設計

將砒砂巖與風沙土按1:1、1:2、1:5進行復配。每個配比設1個試驗小區（5m×12m），分別設置2個重復。每個小區表層30cm為復配土壤，30cm以下為當地風沙土。復配土壤性質見表1，試驗小區布置圖見圖1。各處理均采用常規耕作和當地傳統水肥管理措施，種植作物為玉米（偉科702）。

表1 土壤主要理化性質

圖1 試驗小區布置圖

1.3 采樣與分析

采用水分中子儀（CNC100）測定復配土容積含水量。測定時間為2014年、2015年玉米生長階段5～10月，間隔為15～20d，每20cm為一層，測試不同比例0～120cm復配土容積含水量。每年種植季玉米收獲后，分層測試不同比例復配土容重。降雨量數據來源于中國氣象網榆林站點氣象數據。

土壤儲水量（W）為土壤體積含水量（V）與土層厚度（h）計算而得：

式中：W 為土壤儲水量（mm）；h為土層厚度（cm）；V 為土壤體積含水量（cm3/cm3）。

數據采用軟件SPSS18.0中的ANOVA進行方差分析，并采用SigmaPlot10.0、Excel軟件對數據進行作圖并分析。

2 結果與分析

2.1 氣象環境因子變化特征

研究區2014年、2015年玉米生長期氣象環境因子變化如圖2所示，由圖2可知，2014年玉米生長期間共發生降雨55次，累積降雨量288.5mm；2015年玉米生長季降雨共49次，累積降雨量295.9mm。2014年雖然降雨次數多，但降雨總量稍低于2015年。2014年單次最大降雨量37.5mm，最小降雨量為0.1mm，大于10mm的降雨量10次，占降水量的18.18%，小于5mm的降雨為40次，占降水量的72.72%。2015年單次最大降雨量23.4mm，最小降雨量為0.1mm，大于10mm的降雨量11次，占降水量的22.45%，小于5mm的降雨為29次，占降水量的59.18%。玉米生長期內，研究區空氣溫、濕度年際變化較小，2014年與2015年的平均溫度分別為20.16℃、20.21℃；平均濕度分別為54.08%、49.77%。

圖2 玉米生長季空氣溫濕度及降雨量變化

2.2 不同配比下復配土含水量時空變化特征

2.2.1 復配土含水量季節動態變化規律

不同配比下復配土壤含水量季節變化如表2所示。由表2可知，2014年，配比為1:1時，含水量峰值在5月份，且 6、7、8 月份的含水量均較高，在 9%以上，9、10 月份土壤含水量較低，均低于7%以下。配比為1:2時，復配土含水量在5、6、7、8月均較高，其峰值在 8月，9、10月份的含水量較低。配比為1:5時，復配土含水量在6、7、8月均較高，其峰值在8月，9、10月份的含水量較低。2015年，不同配比下土壤含水量在7、10月份均高于2014年，尤其是7月份，不同配比下復配土含水量均高于20%，這主要是由于2015年玉米生長期間降雨主要集中在7月中旬到8月上旬，補給的水分較多?？傮w來說，不同配比不同月份不同年份，土壤含水量均表現為1:1＞1:2＞1:5，表明砒砂巖在風沙土中的含量越多，其保水性越好，這與砒砂巖的吸水保水性較好有關，張露等發現砒砂巖含量越高，復配后的土壤保水性越好[9]，與本研究結果一致。

表2 不同配比下復配土壤含水量季節變化

2.2.2 復配土含水量剖面動態變化規律

不同配比下復配土含水量垂直變化均較為明顯（圖3），主要表現為表層土壤（0～20cm）的含水量明顯大于深層土壤（40～120cm），尤其是復配比為1:1時，含水量的剖面變化最大。0～120cm的平均含水量表現為1:1＞1:2＞1:5，不同配比復配土在不同年份中，平均含水量均表現為2015年的含水量＞2014年。

圖3 2014年、2015年0～120cm深度內土壤體積含水量剖面圖

2014年，砒砂巖與風沙土配比為1:1時，0～20cm的含水量明顯高于40～120cm，20cm處達到峰值為13.51%；40cm以下含水量逐漸降低。配比為1:2時，10cm處含水量相對較高，為9.63%，而后含水量隨土層深度的增加，逐漸減小。配比為1:5時，40cm處含水量最高為8.06%，高于同土層1:1和1:2的含水量。三種配比的復配土在40cm以下含水量變化較為一致。這是由于復配土僅在0～30cm的耕作層，在風沙土中添加砒砂巖后，增加了粘粒含量，提高了持水性，而30cm以下均為當地風沙土，孔隙大，滲漏快，所以含水量的變化相對一致。2015年，0～20cm，不同配比的復配土含水量表現為1:1＞1:5＞1:2，40～120cm不同配比的復配土含水量表現為1:2＞1:1＞1:5。砒砂巖與風沙土配比為1:1時，含水量的峰值在10cm處，為16.88%，而后逐漸降低，60cm以下含水量基本不變。配比為1:2時，含水量峰值在10cm處，為10.99%，然后呈波浪線變化。配比為1:5時，含水量峰值在20cm處，為12.46%，呈波浪線變化。含水量在垂直空間的變化一般分為增長型和降低型，與土壤性質、降雨及地形有關。2015年含水量的變化幅度較大，這與2015年的降雨量有關，從各年含水量變化趨勢可知，復配土的含水量變化基本屬于降低型。楊新民研究了黃土丘陵區0～200cm土壤水分動態變化，發現該區土壤含水量呈降低型，且含水量峰值在20～40cm間，與本研究結果相似[10]。

2.3 不同配比下復配土儲水量變化特征

土壤儲水量可反映土壤調節和貯蓄水分的能力[11]，反映了土壤水分的真實值及水分利用情況[12]，可決定作物的生長發育和產量。由于復配土的混合深度為0～30cm，因此僅計算了2014年、2015年間不同配比的復配土0～30cm層不同月份的儲水量（圖4）。復配土平均儲水量整體表現為 1:1＞1:2＞1:5。

圖4 2014年、2015年0～30cm復配土儲水量

毛烏素沙地降雨多集中在7～9月[13]，5月、6月的儲水量對作物的生長發育尤為重要。2014年不同月份的儲水量均表現為1:1最高，平均儲水量明顯高于1:2和1:5。1:1、1:2、1:5不同月份的平均儲水量分別為37.13、25.69、22.00mm。8月份和 10月份，1:5＞1:2，其余月份均為1:2＞1:5。2015年不同月份的儲水量均較高，除6月份外，均為1:1＞1:2＞1:5。7月份各比例儲水量均最高，1:1、1:2、1:5 分別為 81.16、66.19、58.49mm。不同月份的平均儲水量分別為 48.11、41.52、33.25mm。

有研究表明土壤質地可影響土壤的持水和水分滲透速度，從而影響儲水量。風沙土中加入砒砂巖后，隨著種植年限的增加，風沙土結構體中賦存的關鍵粒級含量（粘粒和粉粒）逐漸提高，砂土質地逐步發生從砂土-壤砂土（1:2、1:5）-砂壤土（1:1）-粉砂壤（1:1）的轉變[14]，因而1:1時儲水量最高，Singh等在美國科羅拉多州半干旱草原的研究發現，粘質壤土的含水量高于沙質壤土[15]。

3 結論與建議

為將砒砂巖與沙復配成土固沙造田技術推廣至全國甚至全世界進行沙地整治，探究了砒砂巖與沙復配后土壤的水分變化情況，得出以下結論：砒砂巖與風沙土混合后，隨復配比例的增加，越易保持水分，總體表現為1:1＞1:2＞1:5。復配土含水量的變化與降雨變化較為一致，2014年、2015年均是7、8月份的含水量較高。不同配比下，尤其是1:1和1:2，復配土含水量在垂直空間上呈降低型變化，0～20cm土層土壤含水量顯著高于20～120cm土層含水量。各年份的復配土平均儲水量整體表現為1:1＞1:2＞1:5。從復配土的水分含量來看，砒砂巖含量越高，復配土的保水性越好。本研究表明復配土的含水量與降雨量相關性較高，需進一步開展不同水平年份的復配土水環境效應研究。此外，砒砂巖與沙復配成土后進行農業種植，還需根據土壤結構變化及作物的產量高低等來篩選最佳的復配比例。