3種固沙材料與風沙土復配后土壤改良效應及其質量評價

陳藝文, 李紅麗, 董 智, 耿林昇, 潘嘉琛, 尚 賓

(山東農業大學 林學院 泰山森林生態站, 山東 泰安 271018)

中國北方風沙區面積廣闊，土壤主要以風沙土為主，其結構松散，抗蝕性差，保水保肥能力弱，對土壤風蝕的發生發展有著重要影響[1]，控制風蝕、增加土壤養分是改良利用風沙土和提高土壤質量的關鍵。研究表明：土壤顆粒及團聚體含量對風蝕可蝕性有著直接影響[2]，而砂土由于缺少形成土粒間黏結力的粉粒和黏粒而更易受到侵蝕[3]，因此，在風沙土中施加粉粒、黏粒及促進團聚體形成的有機質等不可蝕成分是控制土壤風蝕與改良風沙土最為直接的方法。客土壓沙、增施有機肥、種植防沙治沙林、設置沙障等是風沙區常用的風沙土改良途徑，均取得了顯著的成效[4-7]。但風沙區環境的特殊性及材料地域分布的有限性在一定程度上制約了材料的使用，進而限制了風沙土改良的高效性和可持續性。因此，立足沙漠沙地環境與資源特點，利用現有資源研發改良風沙土的新材料成為研究熱點。

粉煤灰、脫硫石膏顆粒細膩，比表面積大[8]，牛糞含有大量養分與有機膠體[9-10]，三者均具有調節土壤質地、改良土壤、提供養分、吸附重金屬等等功能[11-14]，但在風沙土改良方面的利用鮮有報道。利用這3種材料與風沙土摻混復配后會對風沙土的土壤理化、重金屬特性產生何種影響，土壤質量的改良效應如何尚不可知，值得開展進一步的研究。特別地，伴隨著烏蘭布和沙漠地區綠洲開發、工業、畜牧業等產業的蓬勃發展，區域內產生了大量的粉煤灰、脫硫石膏和牛糞等工業、畜牧業廢棄物，如果能將這些廢棄物作為資源合理地應用于風沙土的治理與改良，更能取得一舉多得的效果，對于風沙土的改良、土壤質量的提升與可持續利用具有非常重要的意義。因此，本研究擬使用烏蘭布和沙漠內現有的成本低廉、易于獲取的粉煤灰、脫硫石膏、牛糞等3種工、農業廢棄物材料，通過與風沙土進行不同復配比例的混合，研究室內不同復配比例組合對土壤理化與重金屬元素特性的影響，評價復配后的土壤質量，并篩選出改土效果良好、環保友好型的復配組合與比例，為野外試驗奠定理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與土壤復配比例

試驗用風沙土取自內蒙古自治區磴口縣烏蘭布和沙漠圣牧高科第十一場試驗地的流動沙丘(40°26′30″N，106°25′10″E)表層(0—20 cm層)；粉煤灰(記作F，下同)與脫硫石膏(記作S，下同)均購置于內蒙古磴口金牛煤電有限公司，兩種材料均為燃煤發電過程中經高溫燒結后產生的廢棄物；牛糞(記作N，下同)為圣牧高科第十一場奶牛養殖產生的糞便經堆肥后加工磨碎而成。各固沙材料的粒徑組成特征與有機質含量見表1。試驗時，對粉煤灰、脫硫石膏、牛糞等材料按干質量比15%，25%兩個比例與風沙土進行復配，共形成15%F，25%F，15%S，25%S，15%N，25%N，15%FS(粉煤灰與脫硫石膏各50%共占復配土質量的15%)，25%FS8種復配組合。所有測試均以沒有復配的流動風沙土為對照(CK)。

表1 試驗用固沙材料理化性狀

1.2 測定方法

每種材料按比例完成復配后，分別取3份樣品進行土壤理化性狀和重金屬元素含量測試。其中機械組成采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定，并按美國制將粒徑劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細砂(0.05～0.1 mm)、細砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、極粗砂(1.0～2.0 mm)共7級[6]；有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，土壤全氮采用全自動凱氏定氮法測定，全磷采用HClO4-H2SO4消化、鉬藍比色法測定[15]。全鉀和金屬元素(Cr，Mn，Fe，Cu，Zn，As和Al)采用王水CEM-MARS6微波消解，參考中華人民共和國環境保護標準《土壤和沉積物12種金屬元素測定王水提取—電感耦合等離子體質譜法》(HJ803-2016)[16]，采用ICP-OES法測定。

1.3土壤質量評價方法

1.3.1 土壤質量評價最小數據集構建 國際上研究者們廣泛選取物理化學、生物、重金屬污染等指標開展土壤質量的研究，方法上多采用土壤質量指數[17]、最小數據集(MDS)等[18]評價方法。本研究采用最小數據集方法進行復配后土壤質量的評價。具體步驟為：將測定的土壤粒徑、養分含量及金屬含量等各項土壤質量評價指標，利用主成分分析法對其進行降維分組，提取主成分特征值≥1的因子，并以指標載荷大于0.5為標準分為一組，若某指標在不同主成分中的載荷均大于0.5，則將其并入與其他指標相關性較低的一組，分別計算各組指標的Norm值，并保留每組最大Norm值10%范圍內的指標。若某組中只有一個指標，則直接納入土壤質量評價最小數據集，若某組中保留有多個指標，則先剔除該組非敏感性指標，然后根據剩余指標的相關性來確定指標的去留；若剩余指標不相關或負相關則全部保留，反之則選取與其余指標相關系數最高的指標納入土壤質量評價最小數據集，最終篩選出對土壤質量評價具有顯著影響的土壤指標最小數據集[19]。

Norm值計算公式為：

式中:Nik為第i個指標在特征值>1的前k個主成分的綜合載荷;Uik為第i個指標在第k個主成分上的載荷;Mk為第k個主成分的特征值。

1.3.2 評價指標的權重計算 以各指標經主成分分析后所得的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比為指標權重，指標權重越高，表明其在土壤質量評價中的貢獻度越高[20]。

1.3.3 評價指標的隸屬度與土壤質量指數計算 依據各指標與土壤質量變異的正負相關性來確定隸屬度函數類型，并采用隸屬度函數分別計算各指標的隸屬度值。

式中:xij為各指標平均值；ximax為第i個指標的最大值；ximin為第i個指標的最小值。

土壤質量指數(SQI)計算公式[20]如下：

式中:n為指標數量；Wi為指標權重值；F(xi)為指標隸屬度；SQI為土壤質量指數,該值越高,代表土壤質量越好。

1.4 數據處理與分析

利用Excel 2010對數據進行統計以及相關指數計算；利用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、LSD多重檢驗以及主成分分析等；利用Origin 2019制圖。

2 結果與分析

2.1 不同復配類型土壤指標統計特征

2.1.1 不同復配類型土壤粒徑特征 不同材料按比例與風沙土復配后改變了風沙土的原有機械組成，且復配土壤的粒徑組成均與原有風沙土CK的粒徑組成呈現出顯著差異(表2)。含有粉煤灰的復配土壤的粉粒體積分數顯著增加(p<0.05)，土壤粒徑分布幅度變寬，呈現細砂體積分數減小，粉砂、極細砂、中砂、粗砂體積分數增大的的趨勢。含有石膏的復配土壤，其極細砂、粗砂和極粗砂的體積分數明顯增大，細砂、中砂體積分數下降；而15%，25%牛糞的復配土壤在各粒徑上表現不一，但粗砂含量高于CK。總體上，復配土壤主要顆粒組成與CK一致，仍以細砂和中砂為主，但二者的組成比例發生了明顯的變化，基本上呈現中砂、粗砂體積分數有所增加，細砂體積分數有所下降，極細砂和粉粒體積分數也有所上升的趨勢。表明經3種材料混合復配后，土壤機械組成基本上呈現不易為風吹動的中砂、粗砂與極細砂、粉粒成分增加，易吹蝕的細砂體積分數有所下降，有助于增大沙粒起動風速，達到固沙目的。

2.1.2 不同復配類型土壤的養分特征 由表3可知，不同復配土壤的養分含量變化明顯，總體上，復配土壤養分含量除石膏復配土壤與對照CK無顯著差異外(p>0.05)，其余復配土壤的有機碳、全氮、全磷含量均整體升高，整體分布呈現為N>F>CK>S。土壤有機碳SOC升高比例最大，復配不同比例牛糞、粉煤灰的土壤較對照增大2.6～10.4倍，粉煤灰與石膏混合復配土壤的SOC較CK提高1.2～2.4倍。牛糞復配土壤的土壤全氮含量顯著高于流沙(5.4～7.8倍)與其他復配類型(4.9～23.3倍)，土壤全磷含量則在牛糞、粉煤灰復配中呈現最高，分別為0.52～0.63，0.47～0.69 g/kg，配施粉煤灰、石膏后降低了土壤全鉀含量，但配施牛糞后土壤全鉀含量較CK增加了28.8%～76.4%，二者差異顯著。

表2 不同復配類型土壤機械組成

表3 不同復配類型土壤養分含量變化特征

2.1.3 不同復配土壤的金屬特征 由表4可知，牛糞復配土壤的金屬元素含量在各復配類型中表現最高，除Cr含量低于CK外，其余金屬含量均高于CK，石膏復配土壤的金屬含量在各復配類型中最小，且低于CK；粉煤灰復配土樣的Mn，Zn，Al含量接近于CK，與CK差異不顯著，Cr，As含量較CK下降，Fe，Cu含量較CK明顯上升；FS混合材料復配土壤則呈現出Cu，Zn，Al含量則略高于較CK，Cr，Mn，Fe，As含量低于CK的變化趨勢。從單個元素的含量變化看，對于Cr，As、含量，不同材料25%復配土壤均高于15%復配土壤；對于Mn含量，除牛糞復配土壤外，其余材料均表現為25%復配土壤低于15%復配土壤；對于Fe，AI含量，25%F以及25%N高于15%比例，25%S以及25%FS低于15%比例；對于Cu，Zn含量，25%S以及25%N高于15%比例，25%F以及25%FS低于15%比例。整體上，復配土壤具有增加土壤中微量元素Zn的含量、降低有害重金屬元素Cr，As含量的作用。

表4 不同復配類型土壤金屬含量變化特征

2.2 不同復配類型土壤質量綜合評價

不同復配土壤的理化與金屬含量指標關系較為密切(圖1)，各指標的變異系數(CV)介于2%～101%，根據敏感度等級劃分標準[21]，高度敏感(CV≥100)指標有一項，土壤指標的整體變異性較低，特別是錳、鐵、鋁、有機質、全氮、全磷、全鉀指標都屬于非敏感指標，其對于土壤物理材料添加以及比例的變化引起的土壤性質變異敏感性較低，作為評價該研究區土壤質量的指標不太適宜(表5)。

表5 土壤質量評價指標的敏感度分級

圖1 不同復配土壤質量評價指標的相關性

將18個候選參數排序，通過主成分分析，根據因子的特征值大小，結果見表6。前4個主成分的特征值≥1，累積方差貢獻率達到90.636%，符合信息提取的要求。根據載荷因子分組原則，錳、中砂、有機質、全氮、全鉀被劃分為組1；黏粒、粉粒、極細砂為組2；粗砂、極粗砂為組3；鐵、銅、鋅、鋁、全磷為組4。綜合敏感度分析、相關性比較以及Norm值10%范圍內保留的最小數據集構建方法，建立的復配土壤質量評價最小數據集的指標為粉粒、極細砂、極粗砂體積分數與銅含量。根據進入最小數據集的各指標的函數類型、權重計算隸屬度值，并繪制各指標的隸屬度雷達圖(圖2)。由圖可知，極粗砂、黏粒、粗砂含量是評價本研究土壤質量的限制性與關鍵因子。

表6 主成分主體原件分析載荷矩陣以及Norm值計算

圖2 不同復配土壤質量指標隸屬度雷達圖

不同復配土壤質量得分指數范圍為0.335～0.545，由大到小表現為15%F(0.545)>15%S(0.537)>15%N(0.506)>25%FS(0.484)=25%F(0.484)>25%S(0.478)>15%FS(0.395)>CK(0.385)>25%N(0.335)(圖3)。由結果可知，15%F對沙漠土壤質量的改良效果最優，其次為15%S和15%N。土壤質量綜合指數取值區間為0～1.0，級差0.2，土壤質量綜合指數被劃分為5個等級：0.8～1.0為Ⅰ級，表征肥沃；0.6～0.8為Ⅱ級，表征較肥沃；0.4～0.6為Ⅲ級，表征中等；0.2～0.4為Ⅳ級，表征貧瘠；0～0.2為Ⅴ級，表極貧瘠[22]。不同復配物理材料對沙漠土壤改良的效果整體水平為0.472，屬Ⅲ級水平，個別為Ⅳ級水平，表明施加物理固沙材料后，原流沙的土壤質量由Ⅳ級水平提升至Ⅲ級水平，這也說明施加物理固沙材料后可改良風沙土的質量，達到改土的目的。

綜上所述，結合3種材料市場價格(不含物流費用)：干牛糞200元/t、粉煤灰原灰200元/t、脫硫石膏480元/t，根據低成本篩選原則，15%復配比例的成本低于25%復配比例，且混合復配比例低于粉煤灰單一復配比例，為此，本研究主要選擇15%F，15%N，15%S，25%FS這4種方案進行野外配施參考。

3 討 論

楊凱等[23]對不同比例粉煤灰固沙效果開展了風洞試驗，結果顯示，施用10%，20%和30%的粉煤灰后的沙土起動風速較對照沙的起動風速提高了40%，50%和30%，在8 m/s的凈風吃蝕下，10 min的土壤吹蝕量表現為10%，20%無風蝕或僅有少量風蝕，而30%施用量則較對照沙的風蝕量降低一半。本文選擇的15%，25%的施用比例較為適合，且與本文最終篩選的15%F結果相一致。董治寶等[24]將風成沙顆粒按可蝕性分成>0.7 mm和<0.05 mm的難蝕顆粒、0.4～0.7 mm和0.05～0.075 mm的較難蝕顆粒和0.075～0.4 mm的易蝕顆粒，顯然，在風沙土中施用粉煤灰、石膏和牛糞等固沙材料后，粉粒、極細砂、粗砂體積分數均有所增加，相當于增加了風沙土中的難蝕顆粒和較難蝕顆粒，而細砂含量的下降則相當于減少了易蝕顆粒，從而使得復配土壤變得不易風蝕。此外，粉粒含量的增加使沙粒相互聯接，增加了顆粒間的內聚力，促使沙土的抗蝕性整體增強；而且，施用材料中的細顆粒在沙土的粗顆粒孔隙中填充，使得沙粒點與點接觸范圍減少，可減弱沙粒在氣流脈動周期作用下產生的振動，進而使得沙土穩定性增強，達到降低風蝕的作用。

圖3 不同復配類型土壤質量得分

研究表明，粉煤灰與堿性生石灰混合后，強堿性能夠將六價Cr轉化成三價Cr，并使Cr元素的可溶性降低，抑制Cr的遷移，起到固定和吸附Cr元素的作用[25]，本研究中，在風沙土中加入粉煤灰后，不同配比下風沙土中的Cr含量均表現為下降，說明Cr得到了粉煤灰的固定和吸附。本研究表明，粉煤灰用量較高時，25%F的As元素的含量反而明顯低于15%F，這與前人的研究[26]一致，高比例的粉煤灰對應著堿性上升，強堿性可能改變了As在土壤當中的形態，土壤可溶性As增加，粉煤灰強堿性可能促進了As的可溶性，As被淋洗到土壤深層，因此15F%處理表層土壤As含量明顯低于對照。有研究表明，在污染土壤的治理過程中，粉煤灰作為一種化學試劑用作改變重金屬狀態，在土壤膠體和腐殖質載體下有效發揮其對重金屬的吸附和沉淀作用，并形成玻璃態而固化重金屬，降低重金屬的活性[27-28]。張俊華等[28]對寧夏西吉縣養牛場糞污以及周邊土壤的重金屬特征開展研究，結果表明寧夏肉牛牛糞中的Cu，Zn，Cd，Pb，Hg含量顯著低于全國平均值，但As較高，且不同時期重金屬含量不同，以育肥前期為最高，但不同養殖期的重金屬含量都在安全范圍內。與張俊華等[28]的研究對象牛糞中各元素含量檢測值相比，本研究牛糞中的重金屬含量均低于張俊華等的檢測值，這可能與不同地區養殖場采用的飼料不同有關。但這也表明牛糞中重金屬含量可能會高于粉煤灰和石膏，這一點恰好與本文試驗結果相同。綜合牛糞的易取性、經濟性、養分提升性等性能，在進一步研究中，應重點研究牛糞的實地應用。

運用主成分分析降維，綜合敏感度分析、相關性比較以及Norm值10%范圍內保留的方法作為土壤質量評價方法被廣泛使用[29]，通過土壤質量評價得分獲得的不同固沙材料及其配比比例可作為野外配施參考。15%F與15%S最終評價結果相近，結合結果分析來看，15%S的極粗砂與Cu下降比例較其他樣地較好；15%F的粉粒以及極細砂上升比例較大，且TP以及SOC改良效果較好；15%N養分含量變化較優，但養分指標因其變異系數較小，皆為非敏感性指標，未納入最小數據集，導致N復配土質量指數不及F和S；25%FS既有F樣地優點也有S樣地優勢，納入生產實踐觀察其變化有其必要性，對各種復配土壤的質量評價指數大小順序有其科學性和生產實踐指導性意義。

4 結 論

(1) 不同固沙材料與風沙土復配后的土壤理化性質差異顯著，但3種材料在土壤改良方面的作用各異，粉煤灰在土壤粒徑改良方面作用較優，牛糞在養分提升方面作用顯著，石膏在重金屬含量降低方面作用明顯，因此，可以根據風沙土改良的目的進行固沙材料的篩選與復配。

(2) 不同復配材料在不同程度上可有效提高土壤的質量，但土壤質量指數仍處于較低水平。本研究的不同比例組合中，15%F復配土壤改良效果較好，其次為15%S，15%N，25%FS，可將此4個比例運用于研究區風沙土的固沙改土試驗。