不同改良措施下土壤團聚體組成與穩(wěn)定性分析

摘要：黃泛區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性較差，流水對土壤的侵蝕作用較強。本文以蘭考縣為研究區(qū)，將沙化耕地作為研究對象，設(shè)計4個試驗組，采取4種改良措施（分別施用復(fù)合肥、污泥生物質(zhì)炭、雞糞和粉碎秸稈），同時設(shè)置1個空白對照組，14個月后采集土壤樣品，計算土壤團聚體組分比例，判斷不同改良措施對土壤團聚體穩(wěn)定性的提升效果。結(jié)果顯示，施用污泥生物質(zhì)炭時，土壤團聚體穩(wěn)定性最好。

關(guān)鍵詞：土壤改良；土壤團聚體；組成；穩(wěn)定性；蘭考縣

中圖分類號：S156 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.008

Abstract： The stability of soil aggregates in the Yellow River floodplain area is poor， and the erosion effect of flowing water on the soil is strong. Taking Lankao County as the research area and desertified farmland as the research object， this paper designs four experimental groups and adopts four improvement measures （applying compound fertilizer， sludge biochar， chicken manure， and crushed straw respectively）， and sets up a blank check group， and collects soil samples after 14 months to calculate the proportion of soil aggregate components and determine the improvement effect of different improvement measures on soil aggregate stability. The results show that when applying sludge biochar， the stability of soil aggregates is the best.

Keywords： soil improvement; soil aggregates; composition; stability; Lankao County

黃泛區(qū)土壤沙性較強，導致持水能力差、易侵蝕，不利于植被的生長，并且存在較大的水土流失風險，要采取技術(shù)措施加以改良。土壤團聚體的力穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、破壞率等性能參數(shù)決定土壤質(zhì)量，為了確定效果最佳的土壤改良措施，應(yīng)開展試驗，對不同改良措施的土壤團聚體穩(wěn)定性進行對比。蘭考縣屬于黃泛區(qū)，面積為1 103.40 km2，東西向、南北向長度分別為55.0 km、26.5 km。蘭考縣土壤共有55種，分屬于3個土類、8個土屬。從土類來看，它分為潮土、鹽土和風沙土；從土屬來看，涵蓋淤土、兩合土、砂土和鹽化潮土等。整體而言，潮土占蘭考縣總面積的97.7%，砂土和兩合土占總面積的86%，這兩個土屬均屬于潮土類。蘭考縣多年平均降水量達到637.2 mm，雨季為每年的6—8月，雨季降雨量約占全年的57%。蘭考縣日照百分率達到48%，年平均日照時長約為2 100 h，多年水面平均蒸發(fā)量超過1 000 mm，它屬于半濕潤地區(qū)。下面以蘭考縣為研究區(qū)，分析不同改良措施下土壤團聚體組成及穩(wěn)定性。

1 試驗部分

1.1 土壤改良方案設(shè)計

研究區(qū)面積較大，為了便于開展試驗，對范圍進行縮小，選取一塊耕地作為研究對象。耕地的土類為潮土，土屬為砂土，砂粒、粉粒、黏粒的占比分別為88.2%、7.5%、4.3%，由于砂土占比非常高，因此耕地持水性差、透水性強[1]。試驗小區(qū)采用統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)格，長度為8 m，寬度為5 m，單個試驗小區(qū)的面積為40 m2。相鄰試驗小區(qū)設(shè)置緩沖帶，寬度取1.0 m。每種土壤改良措施配置3個試驗小區(qū)。

土壤改良方案設(shè)計4個試驗組（編號EG1、EG2、EG3和EG4），同時設(shè)置1個空白對照組（CK）。CK不采取任何改良措施，不施用改良劑；EG1僅施用復(fù)合肥，每個試驗小區(qū)用量為2 kg；EG2僅施用污泥生物質(zhì)炭，每個試驗小區(qū)用量為80 kg；EG3僅施用雞糞，每個試驗小區(qū)用量為60 kg；EG4僅施用粉碎秸稈，每個試驗小區(qū)用量為25 kg。復(fù)合肥由氯化鉀、尿素和磷酸二銨組成，比例為1∶1∶2。施用化肥、雞糞、粉碎秸稈和污泥生物質(zhì)炭后，試驗小區(qū)實施翻耕處理，深度達到0.4 m[2]。土壤改良措施在2周內(nèi)完成，14個月后采集土壤樣品。

1.2 土壤樣品采集與處理

改良措施應(yīng)用14個月后，采集原狀土壤樣品，將其保存在穩(wěn)定、平穩(wěn)的運輸裝置內(nèi)，避免土壤樣品在運輸過程中發(fā)生分散，最大限度維持土壤團聚體。在實驗室內(nèi)處理土壤樣品，沿著紋路將樣品掰開，形成直徑約10 cm的土塊，以自然風對土塊進行風干，時間為15 d，通過干篩法檢測土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，利用濕篩法檢測土壤團聚體的水穩(wěn)定性。

1.3 土壤團聚體穩(wěn)定性評價

土壤團聚體穩(wěn)定性評價指標較多，包括破壞率、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)。除了這些參數(shù)，還應(yīng)重視機械穩(wěn)定性系數(shù)Rm（0.25）和水穩(wěn)定性系數(shù)Rw（0.25），其中，0.25是指土壤團聚體粒徑小于0.25 mm。

采用式（1）計算土壤團聚體破壞率[3]。土壤團聚體組分比例用于描述土壤樣品中各個粒級組分的質(zhì)量占比，采用式（2）計算。平均質(zhì)量直徑用于描述土壤團聚體直徑和質(zhì)量的關(guān)系[4]，采用式（3）計算。幾何平均直徑用于描述土壤團聚體幾何尺寸的平均值，采用式（4）計算。分形維數(shù)能夠反映土壤團聚體中顆粒物的結(jié)構(gòu)特征，采用式（5）計算。

式中：SPAD為土壤團聚體破壞率，%；Mdry為干篩的土壤團聚體質(zhì)量（要求粒徑大于0.25 mm），g；Mwet為濕篩的土壤團聚體質(zhì)量（要求粒徑大于0.25 mm），g；Wi為第i種組分的質(zhì)量占比，%；mi為第i種粒級團聚體的質(zhì)量，g；M為土壤團聚體的總質(zhì)量，g；SMWD為平均質(zhì)量直徑；n為土壤團聚體粒級分組數(shù)量；Xi'為第i粒級土壤團聚體的平均直徑，mm；SGMD為幾何平均直徑，mm；Mr為土壤團聚體粒徑r＜Xi'時第i級土壤團聚體的質(zhì)量，g；MT為所測土樣的總質(zhì)量；D為分形維數(shù)；Xmax為最大直徑團聚體的平均直徑。

2 穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析

2.1 土壤團聚體破壞率

土壤樣品采集層有兩個，土層深度分別為0～20 cm、20～40 cm。經(jīng)干篩試驗，對比不同改良措施的土壤團聚體破壞率，結(jié)果如表1所示。土層深度為0～20 cm時，土壤團聚體破壞率的排序為CK＞EG1＞EG3＞EG4＞EG2；土層深度為20～40 cm時，其排序為CK＞EG1＞EG4＞EG3＞EG2。破壞率越小，土壤越不容易被侵蝕，穩(wěn)定性越高[5]。施用污泥生物質(zhì)炭時，土壤團聚體穩(wěn)定性最高，施用粉碎秸稈時效果次之，施用雞糞時效果排第3位，施用復(fù)合肥時效果最差。

2.2 土壤團聚體機械穩(wěn)定性

土壤團聚體機械穩(wěn)定性評價可采用Rm（0.25）、SMWD、SGMD等指標。經(jīng)干篩試驗，對比不同改良措施的土壤團聚體機械穩(wěn)定性，結(jié)果如表2所示。3個指標的計算值越大，土壤團聚體機械穩(wěn)定性越高。土層深度為0～20 cm時，施用污泥生物質(zhì)炭改良效果最佳，其次為施用雞糞，再次為施用粉碎秸稈，效果最差的為施用復(fù)合肥；土層深度為20～40 cm時，改良措施的效果差異不大，難以得出結(jié)論。因此，改良措施主要在0～20 cm土層內(nèi)發(fā)揮作用。

2.3 土壤團聚體水穩(wěn)定性

土壤團聚體水穩(wěn)定性評價可采用Rw（0.25）、SMWD、SGMD等指標。經(jīng)濕篩試驗，對比不同改良措施的土壤團聚體水穩(wěn)定性，結(jié)果如表3所示。3個指標的計算值越大，團聚體穩(wěn)定性越好。土層深度為0～20 cm時，3個指標計算值的排序均為EG2＞EG3＞EG4＞EG1＞CK。因此，土壤改良措施中，施用污泥生物質(zhì)炭效果最佳，其次為施用雞糞，再次為施用粉碎秸稈，效果最差的為施用復(fù)合肥。土層深度為20～40 cm時，評價指標的計算值差異較小，應(yīng)用效果不明顯。

3 結(jié)論

研究區(qū)為黃泛區(qū)，選取沙化耕地作為研究對象，分別設(shè)計4個試驗組，采取4項改良措施，同時設(shè)置1個空白對照組，檢測土壤團聚體的組成和穩(wěn)定性，對比改良效果。結(jié)果顯示，4項措施均能提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，施用污泥生物質(zhì)炭的提升效果最佳，其次為雞糞。從土壤團聚體破壞率來看，降低效果最好的改良措施為施用污泥生物質(zhì)炭，較理想的措施為施用雞糞和粉碎秸稈，施用復(fù)合肥效果最差。在土壤團聚體機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面，提高效果最佳的改良措施為施用污泥生物質(zhì)炭，其次為施用雞糞，再次為施用粉碎秸稈。綜合各項評價指標，施用污泥生物質(zhì)炭對土壤團聚體穩(wěn)定性的提升效果最佳。土層深度為0～20 cm時，改良效果較為明顯，超過20 cm后，各項措施的改良效果差異不明顯。

參考文獻

1 董天富，鄧志豪，楊 靜，等.喀斯特退耕地不同植被恢復(fù)階段土壤團聚體穩(wěn)定性特征[J].水土保持研究，2024（2）：33-42.

2 馬佳鑫，夏 棟，艾尚進，等.植被混凝土邊坡土壤團聚體的穩(wěn)定性與可蝕性[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2023（6）：702-707.

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收稿日期：2024-01-10

基金項目：2021年度山西省科技廳基礎(chǔ)研究計劃（自由探索類）青年項目“固態(tài)發(fā)光碳點的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其高效多色熒光機制研究”（20210302123007）。

作者簡介：馬濤（1985—），男，山西懷仁人，碩士，講師。研究方向：環(huán)境工程、土壤重金屬污染。