砒砂巖添加量和種植年限對毛烏素沙地風沙土土壤團聚體特征及有機碳的影響

師晨迪

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021;3.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 710021;4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

引言

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，同時也是土壤有機質保持的場所，是土壤肥力的物質基礎[1]，土壤團聚體作為土壤重要的物理性狀，解釋了土壤的結構狀況，不同粒徑的團聚體在營養保持、供應和轉化能力等方面有著不同的作用[2]。機械穩定性團聚體是能夠抵抗外力破壞的團聚體，常用干篩后團聚體的組成量來反映。一般將粒徑>0.25mm的團聚體稱為大團聚體，大團聚體含量越高說明土壤團聚體結構越穩定[3]。Six等[4]認為，>0.25mm的團聚體即土壤團粒結構體，是土壤中最好的結構體，其數量與土壤的肥力狀況呈正相關，可以反映土壤結構的優劣。

毛烏素沙地是我國典型的生態脆弱區，該區廣泛分布的砒砂巖[5]，成巖程度、結構松散、易風化，給當地的生態環境造成較大的影響。然而，毛烏素沙地土地面積廣，光熱資源豐富，具有巨大的耕地挖掘潛力。目前利用砒砂巖和風沙土進行復配的研究取得了較大的進展。張衛華等[6]研究發現，當砒砂巖與風沙土按1∶2～1∶5比例復配時，相比風沙土，復配土體的結構、質地、毛管孔隙度和飽和導水率均得到了顯著的改善。研究表明，砒砂巖富含豐富的蒙脫土等粘土礦物，是土壤團聚體的主要來源之一[7,8]。

以往針對砒砂巖與沙復配的研究主要集中在不同復配比例對成土作用[9]、氮素淋溶[10]及固沙作用[11]等方面，對于影響復配土的團聚體的系統研究還很少見[12-14]。因此，本研究通過研究不同種植年限砒砂巖與沙不同復配比例下土壤中機械穩定性團聚體各組分的含量變化關系，探究不同復配比例和耕種年限對團聚體各組分的影響，以期為實現復配土體良好的土體結構提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用田間小區試驗，在陜西省渭南市富平縣褚塬村富平中試基地進行。為模擬毛烏素沙地砒砂巖與沙混合層的土地狀況，試驗小區在0～30cm鋪設砒砂巖和風沙土的按照一定比例混合的復配土，30～70cm填充風沙土。砒砂巖和沙均取自榆林榆陽區小紀汗鄉大紀汗村。試驗共設4個處理，砒砂巖與沙按體積比1∶1(C1)、1∶2(C2)、1∶5(C3)復配，每個處理重復3次，共布設9個小區，小區面積為2m×2m=4m2，采取自南向北“一”字型布設，研究不同種植年限(2a和9a)不同復配比例下復配土土壤團聚體特征的變化。

試驗采用小麥和玉米輪作模式，其中小麥品種為“小偃22”，玉米品種為“戶單4號”。各小區均采用當地農民傳統的水肥管理模式。播種前，施入基肥(磷酸二銨300kg·hm-2、尿素150kg·hm-2)；在小麥生長期間，灌溉3次，每次灌水90mm，追施尿素1次，每次為150～225kg·hm-2；在玉米種植期間，灌溉1次，追施尿素1次，每次為150kg·hm-2。本次團聚體采集0～30cm土層樣品。

圖1 研究區地理范圍

表1 砒砂巖與沙復配成土試驗小區布置

表2 砒砂巖與沙復配土樣品采集表

1.2 樣品采集

在所選的24個小區里采集樣品，每個小區采用對角線法采集3點，每個樣點采集0～30cm原狀土約1kg，共采集72個原狀土樣(24個樣地×3個)。將采集的原狀土裝入硬質盒中，防止在運輸過程中受到擠壓破壞。將所采集的土樣運回室內，在陰涼通風處自然風干，在風干過程中沿團聚體間自然裂隙，輕掰分成直徑1cm左右的小土塊，剔除其中植物殘體和小石塊，用于土壤團聚體的測定。

1.3 樣品分析

土壤機械穩定性團聚體分級采用干篩法。將孔徑分別為10mm、7.5mm、5mm、2mm、1mm、0.25mm的土篩按孔徑由大到小疊放成一組套篩，稱取500g原狀風干土樣并放置于土篩上，篩分成不同粒級團聚體，稱質量并計算其質量比例。

土壤水穩性團聚體組成的測定采用濕篩法，用TTF-100型土壤團聚體分析儀，將50g樣品放置于孔徑自上而下為5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.25mm的各級套篩之上，先用水緩慢濕潤10min后，以每40r·min-1的頻率，振蕩20min。將各篩上的團聚體分別沖洗至鋁盒當中在60℃下烘干，稱取重量。分別得到>5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、<0.25mm等6級土壤團聚體。

1.4 指標計算

>0.25mm團聚體含量采用計算公式[15]：

R0.25=Mr>0.25/MT×100%

(1)

式中，R0.25為>0.25mm團聚體含量；Mr>0.25為>0.25mm團聚體質量，g；MT為團聚體總質量，g。

平均重量直徑和幾何平均直徑是反映團聚體大小分布、評價團聚體穩定性的重要指標，計算公式[16,17]：

MWD=∑XiWi/∑Wi

(2)

GMD=exp(∑WilnXi/∑Wi)

(3)

式中，MWD為團聚體平均重量直徑，mm；GMD為團聚體幾何平均直徑，mm；Xi為團聚體各粒徑的平均直徑，mm；Wi為團聚體各粒徑的百分含量。

1.5 數據處理

采用SPSS 20.0對試驗數據進行統計分析，其中采用Duncan法對不同種植年限復配土DR0.25、MWD、GMD等指標進行差異性檢驗(P<0.05)，采用Excel 2019進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕種年限下砒砂巖添加量對風沙土機械穩定性團聚體DR0.25、MWD、GMD的影響

通過干篩法所得到的砒砂巖與沙復配土機械穩定性團聚體DR0.25、MWD、GMD見表3，相比種植2a，種植9a的DR0.25逐漸增大，但增幅不顯著(p>0.05)；無論2a還是9a，相比不添加砒砂巖的對照組，添加砒砂巖的處理DR0.25逐漸增大，均達到了極顯著水平(p<0.01)；通過對比發現，土壤團聚體平均重量直徑MWD隨著種植年限的增加逐漸增大，在種植2a的情況下，1∶1復配土與1∶2和1∶5復配均達到了顯著差異水平。在種植9a條件下復配土與未添加砒砂巖的風沙土達到了極顯著水平差異(p<0.01)；土壤團聚體幾何平均直徑也呈現出類似的特征。

表3 不同耕種年限和配比的復配土DR0.25、MWD、GMD

2.2 添加砒砂巖對風沙土顆粒組成及土壤有機碳的影響

復配土的機械組成能夠大致反映復配土各粒徑的組成狀況，復配土黏粒含量的變化，則在一定程度上反映出復配土的穩定性。通過對比表4中2a和9a復配土的黏粒含量，可以得出，種植2a條件下,1∶1處理、1∶2處理相比0∶1處理均存在顯著差異(p<0.05)；1∶5處理和0∶1處理的復配土黏粒含量差異不顯著(p>0.05)；說明1∶1處理和1∶2處理對于提高風沙土黏粒含量具有重要作用，而1∶5處理對于提高風沙土黏粒含量不顯著。而種植9a條件下，1∶5處理和0∶1處理的復配土黏粒含量差異達到了極顯著水平(p<0.01)，說明種植年限對于提高處理1∶5中黏粒含量也具有較大影響。與此同時，1∶1、1∶2、1∶5處理相比0∶1處理中黏粒含量均達到顯著差異(p<0.05)；復配土有機碳含量在不同種植年限上存在極顯著差異(p<0.01),而在砒砂巖與沙的復配比例上差異不顯著(p>0.05)，說明1∶1、1∶2、1∶5處理對風沙土有機碳含量沒有顯著影響，種植年限能夠顯著提高復配土中有機碳的含量。

3 結論

通過分析耕種2a和9a不同比例的砒砂巖與沙復配土中機械穩定性團聚體的變化，得到如下結論。

在相同耕種年份下，添加砒砂巖的處理DR0.25顯著高于不添加砒砂巖的純沙處理。在相同復配比例下，土壤團聚體平均重量直徑MWD隨著種植年限的增加逐漸增大，在相同種植年限下，不同復配比例對GMD、MWD存在顯著差異。

1∶1、1∶2、1∶5處理對風沙土有機碳含量沒有顯著影響，種植年限能夠顯著提高復配土中有機碳的含量。