砒砂巖與沙復配土壤質地與有機質動態變化特征

張海歐, 郭 振, 徐 艷,4, 曹婷婷,4, 楊晨曦

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

毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原東南部和陜北黃土高原以北，是我國四大沙地之一。國內外關于沙地治理研究主要以防、擋為主，包括植被、工程以及化學措施，如植被恢復、防護林建設、方格沙障、化學固沙劑等[1-3]，在沙地開發利用方面主要做法為拉運黃土覆蓋法。但該方法在毛烏素沙地治理中很難實行，一方面，黃土土源較遠，拉運黃土工程成本太高；另一方面，陜北屬于黃土高原溝壑區，大量開采黃土勢必會加速水土流失和環境惡化。從資源角度講，毛烏素沙地主要以砒砂巖和沙相間分布，砒砂巖干時呈固結狀，遇水膨脹，保水性好，但透氣性差；沙通體無結構，透水性強但保水性差。相關學者[4-6]研究發現，砒砂巖與風沙土的性質具有互補性，認為砒砂巖可以作為將沙地修復為耕地的天然材料，創造性地將砒砂巖與沙按一定比例進行混合后形成新的“復配土”，并通過室內試驗分析不同比例復配土壤的理化性質，結合施工實際難度，認為砒砂巖與沙體積混合的適宜比例為1∶5～1∶1適合作物生長。

砒砂巖與風沙土混合而成的新型復配土壤屬非均質土壤，物理、化學性質的穩定尚需一定時間，因此，后期農業種植過程中復配土壤的結構和質量能否穩定發育并可持續利用是首先關注的問題。目前，有關復配土壤的組成特性、物理及化學性質等方面研究文獻較多[7-11]，但幾乎都是從室內模擬、盆栽試驗和短期的田間試驗開展試驗研究，對于長時間序列下不同比例復配土壤的質量演替規律和可持續利用方面的系統研究未見報道。本研究利用2010—2018年砒砂巖與沙體積比為1∶1，1∶2，1∶5復配土壤的田間定位試驗數據，運用王國梁等[12]提出的土壤顆粒體積分布方法，系統分析不同比例復配土壤質地、顆粒分形特征和有機質含量的動態變化，探索復配土壤質量變化特征和穩定性的驅動機制，本研究為深入認識復配土的發生發展規律和可持續利用研究提供科學依據。

1 試驗區概況

長期定位試驗小區位于榆林市榆陽區小紀汗鄉大紀汗村(109°28′58″—109°30′10″E，38°27′53″—38°28′23″N)，該研究區域在毛烏素沙地的中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，其環境條件具有典型的代表性。該地區氣溫年際變化較大，1月均溫-9.5～-12℃，7月均溫22～24℃，降水時空分布不均勻，7—9月(特別是8月)占年降水量(250～440 mm)的60%～75%。降水年際變異性較大(濕潤年是干旱年的2～4倍)。此外，結合該地區光照條件充足，地下水埋藏較淺等特點，具備生產出高產量玉米和馬鈴薯的環境條件。研究區域以風沙土為主，結構疏松，持水能力差，蒸散量大，導致經常缺水。當地松軟易風化的砒砂巖，結構強度低，透水性差，但具有較好的持水能力和保水能力，并且當地地下水能夠為植物生長提供水分，因此，將砒砂巖與風沙土按照一定比例混合形成本試驗的復配土。

2 材料與方法

2.1 試驗小區設計

自2010年砒砂巖與沙復配成土整治示范工程項目完成起，建立了復配土長期定位試驗小區長5 m×寬12 m。在當地原始沙地表層按照試驗需求，僅將0—30 cm土層分別按砒砂巖與風沙土體積比1∶1，1∶2，1∶5進行復配后，通過機械翻耙，使其充分混合，每種比例設置3個重復試驗小區。種植當地主要經濟作物春玉米，每年播種時間為5月中旬，9月下旬進行收獲，種植制度為一年一季，所有小區均采用當地農民傳統的水肥管理措施。試驗于每年玉米收獲后采用“S”形采樣方法[13]，分別采集各處理下0—30 cm土樣，進行土壤物理和養分指標測定及分析。

2.2 顆粒分型維數計算

不同比例復配土壤顆粒分型維數計算選用土壤顆粒體積分形維數計算方法[12]，公式如下：

(1)

(2)

3 結果與分析

3.1 不同種植年限復配土壤顆粒組成動態變化特征

土壤顆粒組成是土壤的內在性質，對土壤的形成和發展有著決定性影響，土壤中各級顆粒組成比例適當，使土壤具有良好的結構性[14-15]。新造砒砂巖與沙復配土壤，作物種植過程中土壤顆粒組成變化特征是復配土壤結構改善的重要指示。

種植年限對復配土壤的顆粒組成的影響非常顯著，由圖1—3可知，隨著復配土壤上玉米種植年限的增加，3種比例復配土壤均呈現出砂粒(0.05～2 mm)含量下降，黏粒(<0.002 mm)和粉粒(0.002～0.05 mm)含量增加的規律。1∶1復配土壤2010—2018年，砂粒含量減少了36.0%，粉粒和黏粒含量分別增加了149.1%，16.0%，不同種植年限黏粒和粉粒含量均有顯著性差異(p<0.05)，黏粒含量最小增幅為2.0%，最大增幅69.8%，土壤質地呈現出從壤砂—砂壤—粉砂壤—壤土的演變。1∶2復配土壤2010—2018年，砂粒含量逐漸降低，與2010年相比較，2018年砂粒含量減少了39.7%；粉粒含量呈不斷增加趨勢，到2018年增加了224.2%；黏粒含量呈先減少后增加的趨勢，2018年達到試驗年限的最大值，與2010年相比增加了72.1%，耕層質地發生了從壤砂—砂壤—壤土—粉砂壤的轉變。1∶5復配土壤從2010—2018年，砂粒含量減少了23.5%，粉粒含量增加了165.2%，黏粒含量增加了29.5%，其年際間不穩定，變化較大，最小增幅為1.4%，最大增幅98.8%，耕層質地發生從壤砂—砂壤的轉變。

圖1 玉米不同種植年限下1∶1復配土壤粒徑組成分布

圖2 玉米不同種植年限下1∶2復配土壤粒徑組成分布

3.2 不同種植年限復配土壤顆粒分形維數動態變化特征

土壤作為一種由多粒級顆粒組成、有不規則形狀自相似結構的多孔介質，具有一定的分形特征，顆粒分形維數是土壤顆粒組成的綜合指標[16-17]。根據分形維數計算過程，可以推斷出土壤質地由粗到細，分形維數D值應由低到高。由圖4可知，隨著玉米種植年限的增加，砒砂巖顆粒的逐步風化，粗顆粒遞減，細顆粒增加，3種比例復配土壤的黏粒、粉粒含量逐漸增加，砂粒含量逐漸降低，不同比例復配土壤顆粒分形維數整體呈增加趨勢。1∶2復配土壤顆粒分形維數由2010年的2.50增加至2018年的2.61，提高了4.1%，且不同年際間具有顯著性差異(p<0.05)。1∶1復配土壤顆粒分形維數2010—2013年年際變化幅度較大，沒有明顯的變化規律，2014年之后年際間無顯著性差異，趨于穩定(p>0.05)，與2010年相比較到2018年提高了0.9%。1∶5復配土壤分形維數年際間變幅較大，但整體呈增加趨勢，2014年之后呈穩定上升趨勢，與2010年相比到2018年分形維數提高了2.1%。

圖3 玉米不同種植年限下1∶5復配土壤粒徑組成分布

圖4 2010-2018年玉米種植模式下1∶1，1∶2，1∶5復配土壤顆粒分形特征

3.3 不同種植年限復配土壤有機質含量變化特征

土壤顆粒是有機碳物理保護的物質基礎，土壤有機質是土壤肥力和耕地基礎地力最重要的物質基礎，是評價土壤質量和耕地資源可持續利用的重要指標[18]。不同種植年限0—30 cm耕層砒砂巖與沙體積混合比例為1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質含量變化特征見圖5。1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質含量隨著玉米種植年限的增加總體呈現上升趨勢，不同種植年限的土壤有機質含量差異性極顯著(p<0.01)，不同復配比例土壤有機質綜合比較差異較顯著(p<0.05)。1∶1復配土壤隨著種植年限的增加有機質含量變動幅度較大，但整體呈上升趨勢，種植8 a后(2017年)達到最高值(5.17±0.17) g/kg，種植9 a后，有機質含量與種植前相比較提高了10倍。1∶2復配土壤隨著種植年限的增加有機質含量呈持續增加趨勢，彼此有顯著性差異，種植9 a后(2018年)達到最高值(6.24±0.30) g/kg，與種植前相比較提高了12倍，增加速率最大。1∶5復配土壤種植4 a后(2013年)有機質含量達到最高值(5.28±0.15) g/kg，其后有所下降，彼此無顯著性差異，趨于穩定，種植9 a后，有機質含量與種植前相比較提高了11倍。

圖5 不同種植年限下1∶1，1∶2，1∶5復配土壤有機質含量變化特征

不同比例復配土壤有機質含量隨時間的擬合方程見表1，方程的斜率即為有機質年變化速率。玉米種植9 a間，不同比例復配土壤有機質含量總體呈現上升趨勢，其中1∶2復配土壤有機質含量上升速率顯著，每年達到0.63 g/kg，其次是1∶5復配土壤有機質含量每年上升速率為0.55 g/kg，1∶1復配土壤有機質含量上升速率較小，每年為0.52 g/kg。隨著玉米種植年限的增加，1∶2復配土壤機質含量增加速率大于1∶1與1∶5。

表1 不同比例復配土壤有機質含量隨時間的擬合方程

3.4 分形維數值與有機質的關系

1∶1，1∶2，1∶5復配土壤分形維數與有機質的均呈現極顯著正相關關系(表2)，其中1∶2復配土壤分形維數與有機質的正相關程度最大(R=0.936，p<0.01)；其次是1∶5復配土壤(R=0.625，p<0.01)，1∶1復配土壤分形維數與有機質含量的相關性一般(R=0.555，p<0.05)。綜合分型維數與有機質和各粒級含量之間的關系，復配土壤分型維數與粉粒、黏粒和有機質均呈現顯著的線性正相關關系，說明了粉粒和黏粒是研究區沙化土地中土壤質量提升最關鍵的兩個粒級。

表2 不同比例復配土壤顆粒分型維數與有機質的關系

4 討 論

土壤顆粒組成對沙化土地土壤的發展發育具有決定性的作用，黏粒作為風沙土改良的重要因素一直以來受到眾多學者們的關注[19]，砒砂巖與沙復配成土核心技術是引入砒砂巖中黏粒和粉粒，移植砒砂巖中的膠體物質，從而改良風沙土的不良質地。羅倩[20]、陳玉真[21]等研究指出，隨著作物種植季數的增加，土壤物理特性呈現出顯著的差異，即使在同一時刻和同一區域其特性變化也比較明顯。本研究表明，隨著復配土種植年限的增加，3種比例復配土壤均呈現出黏粒和粉粒含量顯著上升，1∶2復配土壤增加速率最快，顯著高于1∶1，1∶5，耕作層趨于細化，更有利于砒砂巖與沙充分混合。這可能是由于復配比例、種植年限及玉米的生長特性等之間的交互作用產生的結果。與鄒誠等[22-23]研究結果相似，土壤顆粒組成與土壤成土母質和土地利用方式有著密切的關系，其直接決定著土壤結構體的構成。因此，復配土壤上作物種植不僅能有效地阻止沙地細顆粒物質的流失，還能促進細顆粒物質的沉積，增加細顆粒物質含量。

分形維數能夠表征土壤顆粒組成，也能反映土壤質地的均一程度[24-26]，因此可以很好地表征毛烏素沙地新型復配土壤的組成狀況和發育程度。本研究發現，隨著復配土壤種植年限的增加，3種比例復配土壤分形維數值均呈現出整體增加趨勢，種植七年后分形維數值大小順序為：1∶1(2.64)>1∶2(2.60)>1∶5(2.51)，分形維數增加速率為1∶2>1∶1>1∶5，這是由于隨著種植年限的增加土壤細顆粒越多，其內部的微小孔隙越多，土壤內部結構越復雜，土壤表面分形維數值越大，與Behzad[27]，繆馳遠[28]等研究結果一致。而王國梁等[12]研究菜地黃泥土時，發現土壤體積分形維數隨著種植年限的增加而出現下降趨勢，研究結果不一致可能是研究的地區差異和成土母質造成。李德成等[29]研究發現，易分化和風化程度高的母質上發育的土壤，其質地較細，相應的顆粒組成分形維數也較大。菜地和沙地的土壤發育程度差別較大，砒砂巖與沙復配土作為沙地治理的一種新型復配土壤，處于初級發育階段。

風沙土中植入無機膠體(砒砂巖)，粉粒、黏粒含量增加，土壤有機質易與土壤粉粒、黏粒等細顆粒結合形成有機—無機復合體，有利于對有機碳的物理保護，改善了復配土有機物含量。隨著復配土壤種植年限的增加，1∶2復配土壤分形維數值和有機質含量大于1∶1，1∶5，分形維數越高，土壤中細顆粒物質含量越高，土壤中有機質含量越高。這是由于土壤各粒級對植物營養元素的保持能力不同，分形維數越高，土壤中的黏粒含量越豐富，而黏粒的比表面積大，具有很強的粘結性和粘著性，使得養分更易于積累，因此對養分的吸收和固定作用更強。鄧廷飛[23]，Liu[30]，文海燕[31]，華瑞[32]等研究表明土壤顆粒分形維數隨著有機質含量的提高而增加，二者具有正相關關系，與本文研究結果一致。因此，粉粒和黏粒是復配土壤質地改善和有機質提升最關鍵的兩個粒級。

5 結 論

毛烏素沙地砒砂巖作為一種沙地改良的天然材料，利用不同體積比的砒砂巖與沙混合構成一種新型復配土壤，通過研究在長期土地利用過程中砒砂巖與沙復配土壤發育過程變化對土壤結構和土壤質量的影響，發現風沙土中添加砒砂巖改變了土壤的自然組成，從而改善了土壤質量。隨著復配土上玉米種植年限的增加，1∶1，1∶2，1∶5三種比例復配土壤整體呈現出從壤砂—砂壤—粉砂壤—壤土的質地演替，質地均向變細變好的方向發展；復配土壤黏粒含量、分形維數值、有機質含量均隨試驗的開展呈持續增加趨勢，其中1∶2復配土壤的各指標增加速率顯著大于1∶1和1∶5復配比例，并且后兩者各指標年際間波動較大；不同比例復配土壤分型維數與粉粒、黏粒和有機質含量均呈現顯著的線性正相關關系，研究發現粉粒和黏粒是研究區沙化土地中土壤質地改善和有機質提升最關鍵的驅動因素。經過9 a種植后復配土向無機、有機膠體復合狀態發展，土壤性狀呈現出良好的穩定發育趨勢，并初步確定1∶2復配土適合玉米生長，本研究為深入認識毛烏素沙地新造復配土發生發展規律和土壤—植被系統穩定性維持的機理提供科學依據。