砒砂巖與沙復(fù)配土壤質(zhì)地與有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)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(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710021; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)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(guó)四大沙地之一。國(guó)內(nèi)外關(guān)于沙地治理研究主要以防、擋為主，包括植被、工程以及化學(xué)措施，如植被恢復(fù)、防護(hù)林建設(shè)、方格沙障、化學(xué)固沙劑等[1-3]，在沙地開(kāi)發(fā)利用方面主要做法為拉運(yùn)黃土覆蓋法。但該方法在毛烏素沙地治理中很難實(shí)行，一方面，黃土土源較遠(yuǎn)，拉運(yùn)黃土工程成本太高；另一方面，陜北屬于黃土高原溝壑區(qū)，大量開(kāi)采黃土勢(shì)必會(huì)加速水土流失和環(huán)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(shí)呈固結(jié)狀，遇水膨脹，保水性好，但透氣性差；沙通體無(wú)結(jié)構(gòu)，透水性強(qiáng)但保水性差。相關(guān)學(xué)者[4-6]研究發(fā)現(xiàn)，砒砂巖與風(fēng)沙土的性質(zhì)具有互補(bǔ)性，認(rèn)為砒砂巖可以作為將沙地修復(fù)為耕地的天然材料，創(chuàng)造性地將砒砂巖與沙按一定比例進(jìn)行混合后形成新的“復(fù)配土”，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析不同比例復(fù)配土壤的理化性質(zhì)，結(jié)合施工實(shí)際難度，認(rèn)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(zhǎng)。

砒砂巖與風(fēng)沙土混合而成的新型復(fù)配土壤屬非均質(zhì)土壤，物理、化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定尚需一定時(shí)間，因此，后期農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中復(fù)配土壤的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量能否穩(wěn)定發(fā)育并可持續(xù)利用是首先關(guān)注的問(wèn)題。目前，有關(guān)復(fù)配土壤的組成特性、物理及化學(xué)性質(zhì)等方面研究文獻(xiàn)較多[7-11]，但幾乎都是從室內(nèi)模擬、盆栽試驗(yàn)和短期的田間試驗(yàn)開(kāi)展試驗(yàn)研究，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列下不同比例復(fù)配土壤的質(zhì)量演替規(guī)律和可持續(xù)利用方面的系統(tǒng)研究未見(jiàn)報(bào)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(fù)配土壤的田間定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用王國(guó)梁等[12]提出的土壤顆粒體積分布方法，系統(tǒng)分析不同比例復(fù)配土壤質(zhì)地、顆粒分形特征和有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化，探索復(fù)配土壤質(zhì)量變化特征和穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，本研究為深入認(rèn)識(shí)復(fù)配土的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和可持續(xù)利用研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)位于榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村(109°28′58″—109°30′10″E，38°27′53″—38°28′23″N)，該研究區(qū)域在毛烏素沙地的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，其環(huán)境條件具有典型的代表性。該地區(qū)氣溫年際變化較大，1月均溫-9.5～-12℃，7月均溫22～24℃，降水時(shí)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(rùn)年是干旱年的2～4倍)。此外，結(jié)合該地區(qū)光照條件充足，地下水埋藏較淺等特點(diǎn)，具備生產(chǎn)出高產(chǎn)量玉米和馬鈴薯的環(huán)境條件。研究區(qū)域以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)疏松，持水能力差，蒸散量大，導(dǎo)致經(jīng)常缺水。當(dāng)?shù)厮绍浺罪L(fēng)化的砒砂巖，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，透水性差，但具有較好的持水能力和保水能力，并且當(dāng)?shù)氐叵滤軌驗(yàn)橹参锷L(zhǎng)提供水分，因此，將砒砂巖與風(fēng)沙土按照一定比例混合形成本試驗(yàn)的復(fù)配土。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)

自2010年砒砂巖與沙復(fù)配成土整治示范工程項(xiàng)目完成起，建立了復(fù)配土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)5 m×寬12 m。在當(dāng)?shù)卦忌车乇韺影凑赵囼?yàn)需求，僅將0—30 cm土層分別按砒砂巖與風(fēng)沙土體積比1∶1，1∶2，1∶5進(jìn)行復(fù)配后，通過(guò)機(jī)械翻耙，使其充分混合，每種比例設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)。種植當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)作物春玉米，每年播種時(shí)間為5月中旬，9月下旬進(jìn)行收獲，種植制度為一年一季，所有小區(qū)均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)的水肥管理措施。試驗(yàn)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(jìn)行土壤物理和養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定及分析。

2.2 顆粒分型維數(shù)計(jì)算

不同比例復(fù)配土壤顆粒分型維數(shù)計(jì)算選用土壤顆粒體積分形維數(shù)計(jì)算方法[12]，公式如下：

(1)

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種植年限復(fù)配土壤顆粒組成動(dòng)態(tài)變化特征

土壤顆粒組成是土壤的內(nèi)在性質(zhì)，對(duì)土壤的形成和發(fā)展有著決定性影響，土壤中各級(jí)顆粒組成比例適當(dāng)，使土壤具有良好的結(jié)構(gòu)性[14-15]。新造砒砂巖與沙復(fù)配土壤，作物種植過(guò)程中土壤顆粒組成變化特征是復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)改善的重要指示。

種植年限對(duì)復(fù)配土壤的顆粒組成的影響非常顯著，由圖1—3可知，隨著復(fù)配土壤上玉米種植年限的增加，3種比例復(fù)配土壤均呈現(xiàn)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(guī)律。1∶1復(fù)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(zhì)地呈現(xiàn)出從壤砂—砂壤—粉砂壤—壤土的演變。1∶2復(fù)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(shì)，到2018年增加了224.2%；黏粒含量呈先減少后增加的趨勢(shì)，2018年達(dá)到試驗(yàn)?zāi)晗薜淖畲笾担c2010年相比增加了72.1%，耕層質(zhì)地發(fā)生了從壤砂—砂壤—壤土—粉砂壤的轉(zhuǎn)變。1∶5復(fù)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(wěn)定，變化較大，最小增幅為1.4%，最大增幅98.8%，耕層質(zhì)地發(fā)生從壤砂—砂壤的轉(zhuǎn)變。

圖1 玉米不同種植年限下1∶1復(fù)配土壤粒徑組成分布

圖2 玉米不同種植年限下1∶2復(fù)配土壤粒徑組成分布

3.2 不同種植年限復(fù)配土壤顆粒分形維數(shù)動(dòng)態(tài)變化特征

土壤作為一種由多粒級(jí)顆粒組成、有不規(guī)則形狀自相似結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征，顆粒分形維數(shù)是土壤顆粒組成的綜合指標(biāo)[16-17]。根據(jù)分形維數(shù)計(jì)算過(guò)程，可以推斷出土壤質(zhì)地由粗到細(xì)，分形維數(shù)D值應(yīng)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(fēng)化，粗顆粒遞減，細(xì)顆粒增加，3種比例復(fù)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(fù)配土壤顆粒分形維數(shù)整體呈增加趨勢(shì)。1∶2復(fù)配土壤顆粒分形維數(shù)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(fù)配土壤顆粒分形維數(shù)2010—2013年年際變化幅度較大，沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，2014年之后年際間無(wú)顯著性差異，趨于穩(wěn)定(p>0.05)，與2010年相比較到2018年提高了0.9%。1∶5復(fù)配土壤分形維數(shù)年際間變幅較大，但整體呈增加趨勢(shì)，2014年之后呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，與2010年相比到2018年分形維數(shù)提高了2.1%。

圖3 玉米不同種植年限下1∶5復(fù)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(fù)配土壤顆粒分形特征

3.3 不同種植年限復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量變化特征

土壤顆粒是有機(jī)碳物理保護(hù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力和耕地基礎(chǔ)地力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和耕地資源可持續(xù)利用的重要指標(biāo)[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(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量變化特征見(jiàn)圖5。1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著玉米種植年限的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不同種植年限的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性極顯著(p<0.01)，不同復(fù)配比例土壤有機(jī)質(zhì)綜合比較差異較顯著(p<0.05)。1∶1復(fù)配土壤隨著種植年限的增加有機(jī)質(zhì)含量變動(dòng)幅度較大，但整體呈上升趨勢(shì)，種植8 a后(2017年)達(dá)到最高值(5.17±0.17) g/kg，種植9 a后，有機(jī)質(zhì)含量與種植前相比較提高了10倍。1∶2復(fù)配土壤隨著種植年限的增加有機(jī)質(zhì)含量呈持續(xù)增加趨勢(shì)，彼此有顯著性差異，種植9 a后(2018年)達(dá)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(fù)配土壤種植4 a后(2013年)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最高值(5.28±0.15) g/kg，其后有所下降，彼此無(wú)顯著性差異，趨于穩(wěn)定，種植9 a后，有機(jī)質(zhì)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(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量變化特征

不同比例復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間的擬合方程見(jiàn)表1，方程的斜率即為有機(jī)質(zhì)年變化速率。玉米種植9 a間，不同比例復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中1∶2復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量上升速率顯著，每年達(dá)到0.63 g/kg，其次是1∶5復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量每年上升速率為0.55 g/kg，1∶1復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)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(fù)配土壤機(jī)質(zhì)含量增加速率大于1∶1與1∶5。

表1 不同比例復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間的擬合方程

3.4 分形維數(shù)值與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)的均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)，其中1∶2復(fù)配土壤分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)的正相關(guān)程度最大(R=0.936，p<0.01)；其次是1∶5復(fù)配土壤(R=0.625，p<0.01)，1∶1復(fù)配土壤分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性一般(R=0.555，p<0.05)。綜合分型維數(shù)與有機(jī)質(zhì)和各粒級(jí)含量之間的關(guān)系，復(fù)配土壤分型維數(shù)與粉粒、黏粒和有機(jī)質(zhì)均呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明了粉粒和黏粒是研究區(qū)沙化土地中土壤質(zhì)量提升最關(guān)鍵的兩個(gè)粒級(jí)。

表2 不同比例復(fù)配土壤顆粒分型維數(shù)與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

4 討 論

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

分形維數(shù)能夠表征土壤顆粒組成，也能反映土壤質(zhì)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(fù)配土壤的組成狀況和發(fā)育程度。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)配土壤種植年限的增加，3種比例復(fù)配土壤分形維數(shù)值均呈現(xiàn)出整體增加趨勢(shì)，種植七年后分形維數(shù)值大小順序?yàn)椋?∶1(2.64)>1∶2(2.60)>1∶5(2.51)，分形維數(shù)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(xì)顆粒越多，其內(nèi)部的微小孔隙越多，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，土壤表面分形維數(shù)值越大，與Behzad[27]，繆馳遠(yuǎn)[28]等研究結(jié)果一致。而王國(guó)梁等[12]研究菜地黃泥土?xí)r，發(fā)現(xiàn)土壤體積分形維數(shù)隨著種植年限的增加而出現(xiàn)下降趨勢(shì)，研究結(jié)果不一致可能是研究的地區(qū)差異和成土母質(zhì)造成。李德成等[29]研究發(fā)現(xiàn)，易分化和風(fēng)化程度高的母質(zhì)上發(fā)育的土壤，其質(zhì)地較細(xì)，相應(yīng)的顆粒組成分形維數(shù)也較大。菜地和沙地的土壤發(fā)育程度差別較大，砒砂巖與沙復(fù)配土作為沙地治理的一種新型復(fù)配土壤，處于初級(jí)發(fā)育階段。

風(fēng)沙土中植入無(wú)機(jī)膠體(砒砂巖)，粉粒、黏粒含量增加，土壤有機(jī)質(zhì)易與土壤粉粒、黏粒等細(xì)顆粒結(jié)合形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體，有利于對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)，改善了復(fù)配土有機(jī)物含量。隨著復(fù)配土壤種植年限的增加，1∶2復(fù)配土壤分形維數(shù)值和有機(jī)質(zhì)含量大于1∶1，1∶5，分形維數(shù)越高，土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)含量越高，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高。這是由于土壤各粒級(jí)對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的保持能力不同，分形維數(shù)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(qiáng)的粘結(jié)性和粘著性，使得養(yǎng)分更易于積累，因此對(duì)養(yǎng)分的吸收和固定作用更強(qiáng)。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(shù)隨著有機(jī)質(zhì)含量的提高而增加，二者具有正相關(guān)關(guān)系，與本文研究結(jié)果一致。因此，粉粒和黏粒是復(fù)配土壤質(zhì)地改善和有機(jī)質(zhì)提升最關(guān)鍵的兩個(gè)粒級(jí)。

5 結(jié) 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(gòu)成一種新型復(fù)配土壤，通過(guò)研究在長(zhǎng)期土地利用過(guò)程中砒砂巖與沙復(fù)配土壤發(fā)育過(guò)程變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(zhì)量。隨著復(fù)配土上玉米種植年限的增加，1∶1，1∶2，1∶5三種比例復(fù)配土壤整體呈現(xiàn)出從壤砂—砂壤—粉砂壤—壤土的質(zhì)地演替，質(zhì)地均向變細(xì)變好的方向發(fā)展；復(fù)配土壤黏粒含量、分形維數(shù)值、有機(jī)質(zhì)含量均隨試驗(yàn)的開(kāi)展呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中1∶2復(fù)配土壤的各指標(biāo)增加速率顯著大于1∶1和1∶5復(fù)配比例，并且后兩者各指標(biāo)年際間波動(dòng)較大；不同比例復(fù)配土壤分型維數(shù)與粉粒、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)粉粒和黏粒是研究區(qū)沙化土地中土壤質(zhì)地改善和有機(jī)質(zhì)提升最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素。經(jīng)過(guò)9 a種植后復(fù)配土向無(wú)機(jī)、有機(jī)膠體復(fù)合狀態(tài)發(fā)展，土壤性狀呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定發(fā)育趨勢(shì)，并初步確定1∶2復(fù)配土適合玉米生長(zhǎng)，本研究為深入認(rèn)識(shí)毛烏素沙地新造復(fù)配土發(fā)生發(fā)展規(guī)律和土壤—植被系統(tǒng)穩(wěn)定性維持的機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。