土層復配方案對治溝造地新增耕地土壤肥力的影響

黃云鑫，李裕瑞，劉彥隨※，王永生，張軒暢

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學院大學，北京 100049）

0 引 言

為緩解延安市因退耕還林（還草）等生態工程建設導致的人地矛盾問題，2013年啟動實施了“治溝造地”國家土地整治重大工程，對項目區的溝道進行了綜合整治[1]。在項目實施過程中，將溝道內的部分土丘或兩側的不規則坡體、危險邊坡切削，其土方用于填平溝道形成耕地[2]。黃土具有明顯的分層結構，不同土層的物理和化學性質存在差異[3]。在填溝造地時用土通常包括紅黏土（Red Clay，RC）和馬蘭黃土（Malan Loess，ML）。馬蘭黃土質地疏松、抗蝕性較差、保肥保水能力較弱，而紅黏土結構致密，保水保肥性強，但干燥時質地較硬，不利于作物生長。在治溝造地施工過程中，部分施工單位不注意兩種土壤在填方造地時的合理搭配，而表土剝離回填工作可能也不到位，從而導致了部分新造耕地質量不高，進而影響耕地后續有效利用。促進耕地有效利用，關鍵之一在于協調作物-土壤關系，要點是耕地質量的提升[4]，故應采取一定措施，對部分質量欠佳的地塊進行改良。

已有研究對如何改良土壤、提高土壤的肥力做了大量的探索。李品芳等[5]采用客土法對天津濱海的鹽漬土進行了改良，發現經改良后鹽漬土的鹽漬程度降低，有機質含量增加。劉永兵等[6]利用河道底泥進行農田耕作層改良發現，耕層土壤有機質含量增加了0.95～2.18倍，蔬菜產量提高了8.7%～13%。朱寶國等[7]研究表明，心土混合秸稈、石灰和磷肥能改善白漿土的物理性狀，提高土壤養分含量。張長生等[8]研究了摻沙措施對耕層土壤結構和離子含量的影響，結果表明摻沙有利于大粒徑土壤微粒的形成，摻沙后耕層土壤的容重明顯減小。劉彥隨等[4]研究表明，利用不同質地土壤結構的互補性及其合理組配，能達到改良土壤機械組成、減小土壤容重、增加土壤有機質含量的目的。關冰等[9]將粒徑為0～3 mm油頁巖施入沙土中，試驗發現油頁巖能夠改良沙土理化性質，顯著提高土壤的供肥保肥能力。此外，還有學者發現利用砒砂巖和沙化土進行復配，土壤中>0.25 mm的水穩性團聚體含量有所增加，土體結構得到明顯改善，土壤的養分條件和生產力得到顯著改善和提高[10-12]。現有研究表明，通過合理的技術手段、利用適宜的物質原料，能達到優化土體結構、改良土壤質量的目的。

在本研究區，治溝造地中的削坡工程會產生大量的土方，這部分土壤往往以馬蘭黃土和紅黏土為主。如上所述，二者是填方造地的原材料，但若二者搭配比例不合理，新造土地的質量難以得到保障，尤其是紅黏土若不合理處置對于新增耕地的質量具有較大負面影響。因此，基于已有研究，根據馬蘭黃土和紅黏土在性質上的互補性，及二者在區域內廣泛分布的現實條件，考慮因地制宜，利用紅黏土和馬蘭黃土進行復配試驗。對于不同復配方案的效果，本研究擬通過土壤的肥力和作物生長狀況進行反映。對于土壤肥力的評價，常用的有內梅羅指數法、模糊綜合評價法、層次分析法、主成分分析法等。其中內梅羅指數法、模糊綜合評價法、層次分析法的片面性和主觀性較強[13]，而主成分分析法充分考慮土壤的化學、物理、生物肥力，對土壤肥力的評價較為綜合客觀[14-15]。因此，采用主成分綜合評價法對不同復配方案土壤的肥力進行評價，同時借助作物的生長指標反映土壤的生產能力。研究針對“治溝造地”部分新增耕地質量不高的現實問題，面向新增耕地后續可持續利用需求，利用馬蘭黃土和紅黏土進行土壤復配試驗，以期達到提高新造耕地質量的目的，同時也為今后類似土地整治工程的實施提供技術參考。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

本研究的試驗地位于延安市寶塔區羊圈溝流域的“治溝造地”項目區，在該項目區內共計27.84 hm2土地得到了整治[1]。羊圈溝流域（109°31′～109°71′E，36°42′～36°82′N）位于黃土高原中部，流域面積2.02 km2，海拔在1 050～1 295 m之間，屬于典型的黃土丘陵溝壑區。該區屬于半干旱性大陸季風氣候，日平均日照時數為6.9 h，年平均氣溫為8.8 ℃，年最低平均溫度為-6.9 ℃，最高平均溫度為26 ℃，年平均降水量535 mm，多集中在6－9月（圖1），占全年降水量的70%左右，降雨多為短時強降雨[16]。土壤類型以黃綿土為主，土質疏松，可耕性好，但抗蝕性差，加之降雨強度大，土壤流失較嚴重[17]。

1.2 試驗設計

利用紅黏土和馬蘭黃土進行土層復配試驗，探索營造優質耕地。紅黏土黏性較強，結構致密，而馬蘭黃土結構疏松，二者在結構上具有天然的互補性，理論上利用其進行復配以改良土壤具有可行性。兩類土在黃土高原地區分布廣泛，試驗所用的ML和RC均來源于站點附近坡面，易于獲取。經檢測，取用的紅黏土各養分含量分別為有機質5.60 g/kg、全鉀11.53 g/kg、全氮0.42 g/kg、全磷0.57 g/kg、pH值為8.1；而取用的馬蘭黃土各養分含量分別為有機質4.51 g/kg、全鉀4.06 g/kg、全氮0.28 g/kg、全磷0.60 g/kg、pH值為8.8。修建試驗小區的原地塊均為“治溝造地”工程中的新造地塊，于2014年建造完工。試驗共設計8種方案，其中對照處理T0為原狀土，為“治溝造地”工程中的新造地（原狀土），其是施工過程中形成的耕作層，通常由不確定比例的馬蘭黃土和紅黏土混合而成；7個試驗處理T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7分別為不同比例RC和ML的復配土（表1），每種處理設計3個重復。土層復配的具體操作方式為：先將原新增耕地的表層30 cm土壤進行剝離，然后根據試驗設計要求，將不同體積比的ML和RC人工攪拌至均勻混合，隨后自然落下覆蓋到剝離了表土的小區表面（原狀土不需要），覆土厚度為30 cm（圖2）。試驗小區于2014年4月建造，規格為5 m×7 m，完工后即用于耕種。小區種植當地常規作物玉米，種植密度為42 250 株/hm2。玉米于2018年4月15日播種，同時以390 kg/hm2用量施用復合肥，后在6月5日及7月2日分別以179、143 kg/hm2用量分2次追施尿素。作物播種后依靠雨水灌溉。

表1 不同處理及其土壤機械組成Table 1 Mechanical compositions of soil in different treatments

1.3 樣品采集和處理

土樣于2018年10月底玉米收獲后采集。用于測定化學性質和機械組成的樣品采用多點混合取樣法采集，每個小區隨機取3個樣點，每個樣點按0～10、>10～20、>20～30 cm進行分層采樣，按層將每個小區3個樣點的樣品混合均勻，每個小區取3個混合樣。將樣品帶回實驗室后去除土樣中的石礫、植物殘體等，自然風干、研磨過篩后用于測試。水穩性團聚體樣品的采集則是按0～10、>10～20、>20～30 cm分層取原狀土，然后將土塊沿自然裂痕剝離成1 cm3左右的小塊，自然風干后用于測定土壤水穩性團聚體含量。土壤容重采用環刀法測定，以同樣的方式進行分層取樣。作物地上生物量和產量于同年10月初測定，采用五點采樣法，每個小區采集5棵植株，為避免外界干擾，小區邊緣的兩行植株不予采樣。將植株置在烘箱中于75 ℃恒溫烘干至質量恒定，然后分別稱量秸稈和籽粒的質量。

1.4 數據獲取

土壤機械組成采用 Bettersize 2000激光粒度分布儀進行檢測，粒徑分組采用美國制標準[17]；土粒密度由比重瓶法測定，土壤孔隙度由相關公式計算得到[14]；土壤水穩性團聚體通過濕篩法測定[14]；土壤有機質、全氮、全磷、全鉀分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏法、氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、原子吸收分光光度法測定，銨態氮、硝態氮、有效磷、有效鉀分別采用蒸餾法、雙波長比色法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法、乙酸銨提取-原子吸收分光光度計法測定，陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）采用醋酸銨交換-蒸餾法測定[18]。土壤團聚體的平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）和幾何平均直徑（Geometric Mean Diameter，GMD）通過式（1）、式（2）計算[19]，土壤肥力綜合評價得分由式（3）計算。[15]

式中為某級團聚體的平均粒徑，mm；Wi為粒徑為i的水穩性團體百分含量，%；n為團聚體粒級數；F為土壤肥力綜合得分；bj為第j個主成分的貢獻率；Zj為第j個主分量；m為主成分個數。

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理，運用IBM SPSS Statistics 22.0進行單因素方差分析和主成分分析，采用LSD（Least Significance Difference）多重比較法對比不同處理間的差異。利用Microsoft Excel 2016進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同復配方案土壤理化性質

2.1.1 土壤物理性質

不同土層復配方案下土壤的物理性質存在差異（圖 3）。復配土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量提高明顯，其中T2和T3處理較T0處理分別提高了13.7倍和15.2倍，均達到顯著性水平（P<0.05）。不同處理>0.25 mm水穩性團聚體穩定指數也存在著差異，T3處理的MWD顯著大于其他各處理的，比對照組的大29.1%；而對于GMD，T3處理顯著大于除T2以外的所有處理，較對照組T0提高了20.9%。T2、T3、T5、T7處理的土壤容重與對照組T0相比有一定程度的減小，其中T2、T5、T7處理減小了9.8%，T3處理減小了11.1%。T2、T5、T7處理的土壤孔隙度較對照組T0顯著提高了13.7%，T3處理較對照組顯著提高了15.3%（P<0.05）。

2.1.2 土壤化學性質

不同處理的土壤化學指標如表2所示。其中，T3處理有機質含量較對照組分別增加24.5%；各試驗組土壤銨態氮較對照組T0提高了24.1%～55.3%；T3處理土壤硝態氮較T0處理增加了100%；而土壤全氮、全鉀，除T1處理外，均較T0有一定程度降低，這可能與原狀土經過多年施用化肥導致土壤殘氮、殘鉀含量較高有關；對于土壤全磷，除T7處理較T0處理提高了22.4%以外，其余處理與對照組沒有明顯差異；對于土壤有效鉀的含量，T2、T3處理的含量顯著高于其他處理，較對照組分別提高了29.3%和17.6%，這說明這2種處理更有利于有效鉀素的賦存；此外，T2、T3處理CEC也顯著高于其他各處理，分別較T0處理高101%和80.9%，一定程度上說明這2種處理土壤肥力狀況較好。

表2 不同土壤處理化學指標對比Table 2 Comparisons of chemical indexes of soil in different soil treatments

2.2 土壤肥力綜合評價

通過上述分析可以發現，僅通過部分因子來評價土壤的肥力狀況，往往會得到片面的結果，無法對不同復配方案下土壤的肥力狀況做出綜合評價。因此本研究綜合考慮了土壤的物理肥力和化學肥力，選取了相關的12個指標，采用主成分分析法對不同復配土壤的肥力進行評價。

2.2.1 主成分的選取

主成分分析的碎石圖如圖4所示，各主成分的特征根和方差貢獻率如表3所示。由圖可以看出前3個主成分的特征根均大于1，且連線斜率均較陡。同時根據統計學原理，當各主成分的累計方差貢獻率大于85%時，就能解釋系統的大部分變異信息[15]。從表3可以看出第1個主成分和第2個主成分的貢獻率較接近，分別為44.4%和31.8%，第3個主成分的貢獻率為11.4%，三者的累積貢獻率為87.6%，基本能夠解釋數據的絕大部分變異，因此選取3個主成分比較合理。

表3 主成分分析的特征根和方差貢獻率Table 3 Eigenvalues and contribution rate of variance of principal component analysis

2.2.2 因子載荷分析

因子在不同成分上的載荷情況可以很好地反映出各肥力因子與綜合肥力的關系（表4）。在主成分1上，銨態氮、陽離子交換量、孔隙度、水穩性團聚體等的載荷均超過0.5，且都為正向，說明這些肥力因子的情況和成分1的得分呈正相關，而全氮、全鉀、有效磷及容重與成分1的得分呈負相關。其中，孔隙度、容重、水穩性團聚體的載荷相對較高，因此可將主成分1看作表征土壤土體結構的指標。在成分2上，有機質、硝態氮、全鉀、陽離子交換量、有效鉀、水穩性團聚體的負荷均超過0.5，且均為正向，說明這些肥力因子與成分2呈正相關，而全磷與成分2呈負相關。成分2上于養分的相關的指標載荷較大，可將成分2看作表征土壤養分的指標1。在成分3上，全氮、硝態氮、銨態氮等的負荷值均大于0.4，且為正向，說明其與成分3呈正相關，可將成分3看作表征土壤養分的指標2。由此可見，土壤的土體結構是土壤養分的基礎，二者共同決定土壤的肥力狀況。

表4 肥力因子在各主成分上的載荷Table 4 Loading of fertility factor on each principal component

2.2.3 不同復配方案土壤肥力評價

由基于主成分分析的肥力綜合評價可見（表5），各處理的得分由高到低為T3、T2、T1、T5、T6、T4、T7、T0，T3處理的綜合得分較T0提高了4.09，T2處理較T0處理提高了3.71。而由表5可以看出，T2、T3處理在主成分1和主成分2上的得分均居于前列，說明在這2種復配方案下，土壤的結構更好，同時土壤養分條件也更優。

表5 不同處理主成分得分及土壤肥力綜合得分Table 5 Principal component scores and soil fertility score of different treatments

2.3 不同復配方案作物生長狀況比較

為反映不同復配方案地塊的生產能力，對玉米的相關性狀指標進行了分析，結果如表6所示。對于玉米的地上生物量而言，T3處理的顯著高于其余各處理，為15.85 t/hm2，較對照組T0提高23.9%。T3處理玉米籽粒產量為8.64 t/hm2，和T0、T4處理沒有顯著差異，但顯著高于其余各處理的，高出37.4%～43.6%，說明T3處理在試驗處理中相對具有更高的生產能力。對比各組玉米的千粒質量，發現T3處理的顯著高于其余處理，較對照組高13.3%，說明該處理玉米的籽粒更飽滿，品質更好（P<0.05）。

表6 不同土壤處理玉米生長指標對比Table 6 Comparison of maize growth indexes under different soil treatments

3 討 論

3.1 土層復配對土壤物理性質的影響

試驗顯示，除T7外不同復配方案下土壤的水穩性團聚體含量較對照組顯著增加（圖3）。Edwards等[20]認為團聚體的形成過程實質是黏粒通過多價金屬陽離子連結而吸附有機分子的過程，黏粒、陽離子、有機質等在水穩性團聚體的形成和穩定中起重要作用[21]。Tisdall等[22]進一步指出團聚體是按粒徑大小逐級形成的，當土壤有機質含量較低時，黏粒對團聚體的形成起主導作用[23]，土壤中黏粒含量適度時既有充足的黏粒作為粘結劑，又有足夠的粉粒、砂粒作為團聚體形成的骨架，能促進團聚微粒的形成；在團聚微粒向更大粒級的團聚體轉化的過程中，金屬陽離子的鍵橋作用起關鍵作用，而過量的黏粒會減弱金屬離子的鍵橋作用從而不利于大團聚體的形成和穩定[17]。與對照組T0相比，T2、T3處理土壤黏粒含量分別提高到7.9%和6.9%，粉粒含量分別提高到73.6%和72.4%（表1），細顆粒含量的提高有助于初始階段團聚微粒的形成，為大團聚體的形成提供充足的原材料；而T1處理因黏粒占比較高（17.3%），可能會減弱金屬陽離子的鍵橋作用，進而減弱團聚體的水穩性。但同時也注意到，T5黏粒和粉粒的含量均較T0低，但>0.25 mm水穩性團聚體的含量卻較T0高，這可能與微生物的活動有關，T5處理孔隙度較T0顯著增大，有助于增強微生物對團聚體的網絡、連結作用，進而增加團聚體的穩定性[24]，T2、T3 >0.25 mm水穩性團聚體的含量較高，同樣可能得益于孔隙度的增大。Dimoyiannis等[25]的研究表明CEC能增強團聚體的穩定性，而有機質能促進小團聚體向大團聚體轉化，同時提高團聚體穩定性[7,26]。T2、T3處理的CEC分別為19.78和17.76 cmol/kg，分別較對照組（9.82 cmol/kg）提高了101.4%和80.9%；而T3處理的有機質含量也較T0有所增加，增加了24.5%（表2）。適宜的機械組成，加之孔隙度、CEC、有機質含量等指標較優，使得T2、T3處理>0.25 mm水穩性團聚體含量相對較高，較T0處理分別提高了13.7倍和15.2倍（圖3）。

GMD和MWD是衡量土體結構穩定性的重要指標，劉威等[27]發現GMD和MWD與>0.25 mm大團聚體的數量顯著相關，楊如萍等[28]的研究中MWD的首要影響因素為水穩性大團聚體的含量，T2、T3處理水穩性大團聚體含量較高，其GMD和MWD也較大（圖3），這與已有研究相符。而土壤容重和孔隙度通常受耕作方式和土壤微觀結構的影響[29]，孫隆祥等[30]的研究表明>0.25 mm土壤水穩性團聚體與土壤容重呈負相關，與孔隙度呈正相關。本試驗中，T2、T3、T5 >0.25 mm土壤水穩性團聚體含量相對較高，其對應的容重相對較小，而孔隙度則相對較大（圖 3），這與已有研究的結果基本一致。土層復配通過不同土壤的混合首先改變了土壤的微觀顆粒組成，進而影響到團粒結構的形成，最終通過團聚作用等對土壤的容重、孔隙度、團聚體穩定性等宏觀物理結構特征產生影響。

3.2 土層復配對土壤化學性質的影響

土壤化學性質受多種因素的影響。Plante等[31]的研究表明團聚體對有機質具有保護作用，尤其是大團聚體對有機質的包裹作用，能減少有機質與空氣的接觸，從而減少其損失量[32]；微生物能促進有機物的分解，增加土壤中有機質的來源[33]。本試驗T2、T3、T4處理團聚體含量較高，其有機質可能因此相對較高（表2）。Fatemeh等[34]研究表明，當土壤中的黏粒質量分數在5%～10%時，能降低有機碳的分解速度，增加SOM的賦存量。T3處理的黏粒質量分數為6.9%，可能也對減緩SOM分解有積極作用。同時，有學者研究表明土壤有機質含量與容重呈顯著正相關，這和本試驗結果不一致，可能是由土地利用方式不同和土壤類型差異導致[35]。土壤氮、磷、鉀的數量和形態受土壤質地、土壤含水率、pH值、土壤孔隙度等多種因素的影響[36-38]。占麗平等[37]研究認為，隨著土壤黏粒含量升高，鉀素移動性降低，土壤微生物的活化作用會增加有效養分的含量[39]。試驗中，T1、T2、T3黏粒含量較高（表1），土壤對鉀元素的固定作用較強，減少了鉀元素因淋溶而損失的量，因此其有效鉀和全鉀含量均較高（表2）。T2、T3處理有效鉀含量較高，可能是其孔隙度較大，同時有機質含量較高，這為微生物的活動提供了良好條件，增強了微生物的活性，微生物的活動進一步增強了鉀的有效性。楊碩等[40]發現翻耕可使土壤變得疏松，促進硝化作用，從而增加硝態氮的含量，原因可能是土壤孔隙度的變化對微生物的活動產生了影響，從而影響土壤中氮的轉化。T3處理土壤孔隙度較大，利于好氧微生物的硝化作用，因此可能具有較高的硝態氮含量；T2、T5、T7處理的孔隙度雖然也較大，但硝態氮含量并沒有顯著增加（圖3，表2），可能與土壤質地、孔隙特征等導致的硝態氮淋溶強度不同有關[41]。此外，有學者的研究表明土壤中氮的轉化還與有機碳相關[42]，這在本研究中未進行探討，可在今后的研究中進一步探索。

3.3 土層復配對土壤肥力的影響

土壤肥力是土壤物理、化學、生物因子的綜合作用結果。Abbott等[43]認為土壤良好的物理性狀是土壤形成良好養分條件的基礎，而養分是土壤肥力的重要物質條件，微生物則對養分轉換起重要作用。本研究主成分分析的結果表明，土壤孔隙度、容重和>0.25 mm水穩性團聚體含量在土壤肥力主成分1上的載荷分別為0.960、-0.964、0.815，載荷較高（表4），而主成分2和主成分3上土壤有機質、銨態氮、硝態氮、全氮有效鉀等養分指標的載荷均相對較高（表4），說明了土體結構是土壤肥力形成的重要基礎，而土壤養分是土壤肥力的核心要素，這與Abbott等的觀點相符[43]。劉威等[27]認為>0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結構單元，與土壤肥力呈正相關，本研究中各試驗組除T7處理外，>0.25 mm的團聚體含量均高于T0處理的，各試驗組也相應表現出了更好的肥力。王倩等[14]的研究表明土壤的肥力不僅與有機質、全氮、全磷等養分指標相關，土壤的力穩性和水穩性對土壤肥力也有較大貢獻，T3處理水穩性團聚體的GMD、MWD顯著高于其他處理，肥力也相應最高。T2、T3處理具有較優的容重、孔隙度、團聚體等物理指標，營造了良好的物理環境，因此也具有更好的養分條件和綜合肥力。此外，土壤肥力還與管理措施有關[14]，這在今后的試驗中還需進一步探討。可見，土層復配之所以能對土壤的肥力產生影響，主要在于其改變了土壤的物理結構，進而對土壤的功能產生影響。作物的生長狀況與肥力評價的結果不完全一致，這可能是還有其他未討論的因子，如土壤水含量、土壤溫度、微量元素等，對作物的生長具有較大的影響，后期還需完善評價指標。

4 結 論

1）不同土層復配方案對土壤理化性質產生了差異化影響。除T7外，各試驗組>0.25 mm水穩性團聚體的含量均較對照顯著增加；T3處理>0.25 mm水穩性團聚體的MWD和GMD顯著增大。T3處理容重和孔隙度均較原狀土明顯改善。T3處理有機質、有效鉀和硝態氮較T0處理顯著增加。土壤機械組成的改變是土壤結構改變的物質基礎。

2）主成分分析顯示，主成分1上孔隙度、水穩性團聚體等載荷較大，可看作表征土體結構的指標；主成分2上有機質、硝態氮、全鉀、陽離子交換量、有效鉀等載荷較大，可看作表征土壤養分的指標1；主成分3上全氮、硝態氮、銨態氮的載荷較大，可看作表征土壤養分的指標2。土層復配通過優化土壤土體結構，改善了是土壤養分條件，進而提高了土壤的肥力。

3）綜合評價結果顯示，各處理土壤肥力綜合得分由大到小依次為T3、T2、T1、T5、T6、T4、T7、T0。當紅黏土和馬蘭黃土以體積分數66.7%和33.3%（T3處理）進行復配時，雖對產量的改善不顯著，但能顯著提高作物地上生物量，改善土壤的肥力，因此認為該復配方案相對最優。

試驗表明，土層復配是一種可行的快速營造高質量土壤的技術方法。但因僅有一年的數據，對復配土壤結構、功能的有效性和持續性的說服力有限，未來仍需進行長期觀測，獲取連續數據支撐相關結論。此外，作物產量沒有顯著提高可能與相關微量元素有關，后期可作進一步探索。本試驗為提升“治溝造地”工程新增耕地質量提供了一種有效的技術方法，對促進新增耕地后續有效利用具有一定實踐價值，同時也為今后類似整治工程的實施提供實踐技術參考。