不同混合比例的砒砂巖與沙復配土壤中粉粒和黏粒的運移規律

馬增輝1，韓霽昌1*，張瑞慶1，2 (1．陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西地建土地工程技術研究院，國土資源部退化及未

利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安710075;2．西北農林科技大學資源與環境學院，陜西楊凌712100)

土壤質地是土壤中各粒級占土壤質量的百分比組合。不同地粒級組成決定不同的土壤質地。質地類型決定著土壤蓄水、導水性，保肥、供肥性，保溫、導溫性，是評價土壤肥力和作物適宜性的重要依據。位于陜、蒙、寧的毛烏素沙地地質上屬于典型的多層次過渡帶，生態環境脆弱，是我國北方沙漠化最嚴重的地區之一，人地矛盾相對突出，境內砒砂巖和沙廣泛分布。砒砂巖無水堅硬如石，遇水則松軟如泥，隨水大量流失，被譽為“環境癌癥”。群眾深受其水土流失危害［1］，視其毒如砒霜，故稱其為“砒砂巖”。而沙子結構松散，漏水漏肥，有機質和養分含量很少，水分的深層損失量大，有效利用率很低。土地沙漠化和砒砂巖的水土流失并稱“兩害”，嚴重制約區域可持續發展。韓霽昌等［2］提出，毛烏素沙地的砒砂巖和沙二者物理構成存在一定的互補性，將其按照一定比例混合后可以達到改善風沙土的理化性狀、提高其生產力的目的。

土壤質地(機械組成)是土壤中各粒級占土壤質量的百分比組合，是土壤最基本的物理性質之一。土壤質地在植物生產以及土壤養分循環中起著非常重要的作用。第一，土壤質地能夠直接影響土壤的空隙狀況，而后者會對土壤的通氣透水性和保水保肥性產生影響［3］，并可能進一步影響植物對水分和營養物質的吸收，導致生產力的變化;第二，土壤質地與土壤水分、空氣和溫度狀況密切相關［4-5］，是評價土壤肥力和作物適宜性的重要依據［6］。砒砂巖與沙 1∶5、1∶2和 1∶1比例混合的土壤質地由原來的砂質土過渡為砂壤土乃至壤土，其保水保肥能力得到明顯提高。關于砒砂巖的結構，有研究指出根據中國通用的土壤粒級劃分方案［7］，砒砂巖中小于0．005 mm的黏粒含量僅有5% ～6%。黏粒缺乏會導致土壤中膠結物質缺乏，其穩定性降低，抗蝕性減弱。另外，砒砂巖與沙復配后，其毛管孔隙度隨著砒砂巖的逐漸加入從26．33%增加到44．94%，通氣孔度隨之減少。這可能會導致復配土壤質地的不穩定性。因此，利用室內分析和田間小區試驗的方法，研究砒砂巖與沙復配成土過程中黏粒、粉粒的運移規律。通過田間小區試驗地土壤質地中粉粒和黏粒的變化來評價砒砂巖與沙成土的效果，為復配成土技術大規模推廣，應用于毛烏素沙地農業種植提供科學依據，為今后更深入地研究砒砂巖與沙復配土壤提供參考。這對毛烏素沙地的開發、利用具有十分重要的現實意義，對當地的水土保持、沙化治理有一定的生態環境效益，同時能增加耕地。將試驗成果大范圍推廣，能帶來巨大的經濟效益，對增加當地農民收入、提高當地人們生活質量意義深遠。

1 材料與方法

1．1 研究區概況 試驗中所需砒砂巖和風沙土取自于陜北榆林市榆陽區小紀汗鄉。試驗在陜西地建土地工程技術研究院進行。該研究區位于陜西省富平縣，其地理位置為108°57′～109°26′E、34°42′～35°6′N，海拔375．8 ～1 420．7 m，氣候屬于大陸性季風溫暖帶半干旱型氣候區，年總輻射量5 187．4 MJ/m2，年平均日照時數約 2 389．6 h，年均氣溫為13．1 ℃，年平均降水量527．2 mm(1960 ～1995 年)，降水年際變率大，年降水變異系數(CV)達21．2%。供試土壤的理化性狀見表 1［8］。1．2 試驗方法 試驗中將砒砂巖與沙的混合比例設置1∶1、1∶2和1∶5 3種比例，每種混合比例3次重復，共布設9個小區，每個小區面積為4 m2。試驗小區采取自南向北”一”字型布設。根據常作土壤耕層深度為20～40 cm，在試驗小區0～30 cm土層上覆蓋砒砂巖與沙不同混合比例的復合土壤。為了模擬實地條件，30～70 cm土層為沙土填裝。

表1 砒砂巖和沙的基本理化性狀

小區采用小麥和玉米輪作模式，其中小麥品種為小堰22，玉米品種為戶單4號。從2010年6月到2012年6月，3個小區均采用當地農民傳統的水肥管理措施。種植前，施入基肥，即施磷酸二銨300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2;在小麥生長期間，灌溉3次，每次90 mm，追施尿素2次，每次150～225 kg/hm2;在玉米種植期間，灌溉1次，追施尿素1次，每次為150 kg/hm2。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1．3 采樣與分析 土壤質地類型決定土壤蓄水、導水性，保肥能力。分別于作物種植前(2010年)、2011年玉米收獲后和2012年玉米收獲后，在不同砒砂巖與沙復配比例的試驗小區用土鉆采取0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～40、40～50、50～70 cm 深度土壤樣品。每次取樣均在施肥和灌溉后7 d內進行，分3次對土壤樣品進行采集、測定、分析。采用馬爾文(Mastersizer 2000)激光粒度分析儀，測定土壤機械組成。

2 結果與分析

2．1 復配土壤剖面中粉粒運移特征 由于砒砂巖和沙主要在表層30 cm土層混合，各小區表層粉粒含量較高，下層土壤剖面中粉粒含量都較少。由圖1可知，隨著種植年限的增加，土壤剖面中粉粒富集土層有向下運移的趨勢，同時下層粉粒比例也有小幅度提高。究其原因，可能是由于在種植過程中，在灌溉或耕作等田間管理措施的影響下砒砂巖逐漸分散為以粉粒為主顆粒，在重、及灌溉水驅動下復配土中的粉粒通過沙粒間空隙向下運移。研究指出，土壤粒徑分布影響著土壤水力特性、土壤肥力及土壤侵蝕［9-10］，但是由于種植年限較少，這種運移趨勢還不太明顯。從3種砒砂巖與沙混合比例來看，在復配土的表層0～30 cm，粉粒含量大小順序為1∶1比例處理＞1∶2比例處理＞1∶5比例處理。這是因為在3種不同比例的復配土壤中，1∶1處理的砒砂巖所占的比例最高，隨沙中混合的砒砂巖比例增加，沙粒含量不斷減少，粉粒含量大幅度增加，所以其粉粒含量最高;但是，隨著種植年限的增加，在砒沙巖與沙1∶5復配土壤中，粉粒比例的增加幅度比其他比例的復配土稍微高一些。因此，有研究指出，砒沙巖與沙混合的比例范圍≥1∶5時較合適［11］。

2．2 復配土壤剖面中黏粒運移特征 由圖2可知，與粉粒一樣，各小區的黏粒含量在0～30 cm耕作層較高，在耕作層以下黏粒含量都較少。隨著種植年限的增加，表層土壤的黏粒含量也有向下運移的趨勢，但這種運移趨勢比粉粒還微弱，下層土壤中黏粒含量有小幅度增加。這可能是因為黏粒含量本身較少，田間管理措施影響黏粒經粉粒和沙粒的空隙向下運移。從3種比例的砒砂巖與沙混合來看，1∶1比例的復配土壤耕作層中黏粒含量最多，1∶2與1∶5比例的土壤耕作層中黏粒含量相差較少。這是因為黏粒含量在砒砂巖中較高，砒砂巖越多，黏粒含量所占比例就越大，但是與粉粒相比，黏粒含量的增加幅度較小。黏粒含量對土壤有很大的影響。土壤細粒尤其是黏粒具有長期固碳和氮的能力，通過黏粒膠體的吸附以及與土壤有機質形成有機復合體的形式，對土壤有機碳和氮起物理保護作用［12］。有研究表明，土壤黏粒與土壤有機碳、全氮含量(TN)的相關程度還可能受到其他因素的制約，如氣候條件［13-14］、土壤有機質的化學穩定性［15］以及土壤排水能力［16］等。

3 結論

土壤質地決定土壤蓄水、導水性，保肥性，保溫、導溫性，土壤呼吸，通氣性及土壤耕性等。利用室內分析和田間小區

試驗的方法，研究砒砂巖與沙復配成土過程中黏粒、粉粒的運移情況。

(1)在3種不同比例的砒砂巖與沙復配土壤中，粉粒和黏粒主要集中在土壤表層0～30 cm處，下層土壤中粉粒和黏粒含量都較低;從不同砒砂巖與沙的混合比例來看，由于1∶1復配土壤中砒砂巖比例較高，表層土壤中粉粒含量最高，其大小順序為1∶1比例處理＞1∶2比例處理＞1∶5比例處理。

(2)隨著種植年限的增加，粉粒和黏粒富集土層有向下運移的趨勢，尤其是表層土壤中的粉粒向下運移趨勢顯著。同時，下層土壤中粉粒和黏粒比例也有小幅度增加。這種粉粒和黏粒向下運移趨勢從長久來看將會導致復配土上層土壤趨于沙化，下層土壤趨于壤土化，逐漸形成“上松下實”的蒙金土，更加有利于植物的生長，為復配成土技術大規模推廣應用于毛烏素沙地農業種植提供科學依據。

(3)依據復配土的這種變化趨勢，在土地整治實踐中，采取每隔一定年限后繼續向復配土壤表層中加入一定比例的砒砂巖，從而阻止表層土壤質地返砂質化現象的發生，同時可以持續不斷地使下層土壤質地得到改良，從長久來看，整個復配土壤的耕作層將會出現越來越厚的趨勢。這對毛烏素沙地的開發及利用具有十分重要的現實意義，對當地的水土保持、沙化治理有一定的生態環境效益，同時能增加耕地。將試驗成果大范圍推廣也能帶來巨大的經濟效益，對增加當地農民收入、提高當地人民群眾生活質量意義深遠。

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