砒砂巖添加對風沙土有機碳儲量的影響

郭 振,張海歐

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

1 引言

全球干旱和半干旱地區的大規模擴張、環境條件的惡化以及人類活動的不合理作業，使得土地資源廣泛退化，間接表明這些退化地區的土地正在逐步喪失固存碳的能力[1,2]。對土地進行不同方式的改良和利用是驅動土壤有機碳存儲和全球碳循環變化的主要因素[3]。以土壤有機質形式存在的有機碳在土壤結構的形成和保護，土壤養分的循環以及土壤生物多樣性中起著重要作用[4]。可見，土壤有機碳是人類社會可持續發展的自然資源，也是土地資源可持續發展的重要基礎[5]。

土壤有機碳的研究通常以0～20 cm或者0～30 cm土壤表層和深層(20 cm或30 cm以下)的土壤為研究對象，土壤表層附近的土壤有機碳主要來自作物的地上凋落物和分布在土壤表層附近的根茬，而深層土壤有機碳主要來源于根系剝落和滲出物[6,7]。土壤有機碳的分布在很大程度上是異質的，這是因為表層土壤和深層土壤之間的土壤特性、植物種類、環境因子、土地利用和管理等水平不一樣[8,9]。毛烏素沙地作為我國四大沙地之一，同時也作為我國沙漠化擴展速度最快的沙區之一，在該區域境內廣泛分布著砒砂巖粘土礦物，可用作改良材料對沙地進一步沙化進行逆轉，因此，減少水土流失、減少沙漠化加劇和培育耕地，對毛烏素沙區的生態環境在未來發展過程中的恢復具有重要意義[10～12]。

2 材料與方法

2.1 供試材料

砒砂巖和沙均取自陜西省榆林市榆陽區小紀汗鄉大紀汗村，砒砂巖中的礦物組成主要包括石英，蒙脫石，長石，方解石，伊利石，高嶺石和白云石。 沙中的礦物主要是石英，剩余的礦物質主要是長石、高嶺石、方解石和閃石。供試玉米品種為金誠508，小麥品種為小偃22，采用人工播種形式進行一年兩熟輪作。

2.2 試驗設計

為模擬毛烏素沙地混合層的土壤情況，試驗小區深度設計為1 m，在0～30 cm土層鋪設砒砂巖與沙不同比例的混合物，而30～70 cm則全部用沙進行填充。試驗小區設置于2009年，本次研究僅選取砒沙巖與沙體積比分別為0∶1、1∶5、1∶2和1∶1(CK、C1、C2和C3)的4個處理，每個處理重復3次，共12個小區。試驗田施用的化肥類型為尿素(含N46.4%)、磷酸二銨(含N16%、含P2O544%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。

2.3 研究方法

2019年6月收獲小麥后，采集每個小區0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層土壤樣品，采用五點法混合成一個土樣，去除石礫和動植物殘體后過孔徑2 mm篩于室內進行自然風干。土壤容重采用環刀法進行測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[13]。

土壤有機碳儲量[14]：

(1)

式(1)中，SOCstock為土壤有機碳儲量(t/hm2)，i為土層代號，Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg)，Di為第i層土壤容重(g/cm3)，Ei為第i層土壤測量層的厚度(cm)，0.1為單位換算系數。

2.4 數據處理

所有數據采用Microsoft Excel 2013軟件進行相關計算并且進行作圖，用DPS 18.10軟件進行Duncan顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳

成土10年來，砒砂巖與沙不同比例的復配土在10～30 cm土層間的有機碳含量無顯著差異，在0～10 cm土層上添加砒砂巖的處理較CK處理有機碳含量均有顯著增加(P<0.05)，增幅介于76.00%～117.88%之間。各土層間的有機碳含量分布分別為0～10 cm(3.56 g/kg)>10～20 cm(3.45 g/kg)>20～30 cm(3.11 g/kg)，隨著土層的增加而降低。與CK處理有機碳含量的平均值相比，C1、C2和C3處理的有機碳均值在0～30 cm土層上分別增加了18.54%、9.48%和22.14%。雙因素方差分析結果表明，隨著成土年限的增加，復配比和土層以及兩者間的綜合作用對有機碳含量的影響不明顯(表1)。

表1 各土層下不同處理間土壤有機碳含量

3.2 土壤容重

雙因素方差分析結果表明，復配比和土層兩個單因素均對土壤容重有顯著的影響，但是二者的綜合效果不顯著(表2)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層的平均容重為1.71 g/cm3、1.94 g/cm3和2.13 g/cm3，隨著土層的加深土壤容重發生顯著變化。綜合來看，隨著砒砂巖比例的增加，土壤容重也有顯著變化，其中C3和C4處理之間無顯著差異，較CK和C1處理顯著增加。在0～10 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了11.55%(P>0.05)、28.45%(P<0.05)和16.67%(P<0.05)；10～20 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了14.20%(P<0.05)、25.44%(P<0.05)和18.74%(P<0.05)，且C1、C2和C3處理間無顯著差異；20～30 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了4.24%(P<0.05)、22.97%(P<0.05)和24.38%(P<0.05)，且C1、C2和C3處理間差異顯著(圖1)。

圖1 各土層下不同處理間土壤容重分布特征

表2 土壤容重的雙因素方差分析結果

3.3 土壤有機碳儲量

復配比例和土層雙因素綜合方差分析結果表明，土層和復配比的交互作用對有機碳儲量影響不顯著(表3)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層的平均有機碳儲量為6.20 t/hm2、6.68 t/hm2、和6.62 t/hm2，隨著土層的加深土壤有機碳儲量增幅較小，未達顯著差異。綜合來看，隨著砒砂巖比例的依次增加，土壤有機碳儲量逐漸增加，其中CK、C1和C2處理間無顯著差異，C3較CK處理顯著增加了41.62%(P<0.05)。在0～10 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的有機碳儲量分別增加了137.55%(P<0.05)、125.56%(P<0.05)和154.41%(P<0.05)；10～20 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的有機碳儲量分別增加了14.94%、23.79%和17.10%，且所有處理間無顯著差異；20～30 cm土層中，所有處理間的有機碳儲量也無顯著差異。0～30 cm土層中，CK、C1、C2和C3處理的有機碳儲量分別為15.58 t/hm2、19.68 t/hm2、20.70 t/hm2和22.05 t/hm2，其中C3處理較CK處理有顯著增加，增幅為41.56%。

表3 土壤有機碳儲量的分布特征

4 結論

隨著成土年限的增加，復配比和土層以及兩者間的綜合作用對有機碳含量的影響不明顯。0～10 cm土層添加砒砂巖后有機碳含量顯著增加。復配比和土層兩個單因素均對土壤容重有顯著的影響，隨著土層的加深和砒砂巖的增加土壤容重發生顯著變化。添加砒砂巖處理間0～30 cm土層的有機碳儲量無明顯差異，其中砒沙巖添加量為50%時顯著高于純沙處理。