不同混合比例的砒砂巖與沙復(fù)配土壤中粉粒和黏粒的運(yùn)移規(guī)律

馬增輝1，韓霽昌1*，張瑞慶1，2 (1．陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西地建土地工程技術(shù)研究院，國(guó)土資源部退化及未

利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710075;2．西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100)

土壤質(zhì)地是土壤中各粒級(jí)占土壤質(zhì)量的百分比組合。不同地粒級(jí)組成決定不同的土壤質(zhì)地。質(zhì)地類型決定著土壤蓄水、導(dǎo)水性，保肥、供肥性，保溫、導(dǎo)溫性，是評(píng)價(jià)土壤肥力和作物適宜性的重要依據(jù)。位于陜、蒙、寧的毛烏素沙地地質(zhì)上屬于典型的多層次過(guò)渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國(guó)北方沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，人地矛盾相對(duì)突出，境內(nèi)砒砂巖和沙廣泛分布。砒砂巖無(wú)水堅(jiān)硬如石，遇水則松軟如泥，隨水大量流失，被譽(yù)為“環(huán)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(jié)構(gòu)松散，漏水漏肥，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)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(yán)重制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。韓霽昌等［2］提出，毛烏素沙地的砒砂巖和沙二者物理構(gòu)成存在一定的互補(bǔ)性，將其按照一定比例混合后可以達(dá)到改善風(fēng)沙土的理化性狀、提高其生產(chǎn)力的目的。

土壤質(zhì)地(機(jī)械組成)是土壤中各粒級(jí)占土壤質(zhì)量的百分比組合，是土壤最基本的物理性質(zhì)之一。土壤質(zhì)地在植物生產(chǎn)以及土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著非常重要的作用。第一，土壤質(zhì)地能夠直接影響土壤的空隙狀況，而后者會(huì)對(duì)土壤的通氣透水性和保水保肥性產(chǎn)生影響［3］，并可能進(jìn)一步影響植物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致生產(chǎn)力的變化;第二，土壤質(zhì)地與土壤水分、空氣和溫度狀況密切相關(guān)［4-5］，是評(píng)價(jià)土壤肥力和作物適宜性的重要依據(jù)［6］。砒砂巖與沙 1∶5、1∶2和 1∶1比例混合的土壤質(zhì)地由原來(lái)的砂質(zhì)土過(guò)渡為砂壤土乃至壤土，其保水保肥能力得到明顯提高。關(guān)于砒砂巖的結(jié)構(gòu)，有研究指出根據(jù)中國(guó)通用的土壤粒級(jí)劃分方案［7］，砒砂巖中小于0．005 mm的黏粒含量?jī)H有5% ～6%。黏粒缺乏會(huì)導(dǎo)致土壤中膠結(jié)物質(zhì)缺乏，其穩(wěn)定性降低，抗蝕性減弱。另外，砒砂巖與沙復(fù)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(huì)導(dǎo)致復(fù)配土壤質(zhì)地的不穩(wěn)定性。因此，利用室內(nèi)分析和田間小區(qū)試驗(yàn)的方法，研究砒砂巖與沙復(fù)配成土過(guò)程中黏粒、粉粒的運(yùn)移規(guī)律。通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)地土壤質(zhì)地中粉粒和黏粒的變化來(lái)評(píng)價(jià)砒砂巖與沙成土的效果，為復(fù)配成土技術(shù)大規(guī)模推廣，應(yīng)用于毛烏素沙地農(nóng)業(yè)種植提供科學(xué)依據(jù)，為今后更深入地研究砒砂巖與沙復(fù)配土壤提供參考。這對(duì)毛烏素沙地的開(kāi)發(fā)、利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)當(dāng)?shù)氐乃帘３帧⑸郴卫碛幸欢ǖ纳鷳B(tài)環(huán)境效益，同時(shí)能增加耕地。將試驗(yàn)成果大范圍推廣，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入、提高當(dāng)?shù)厝藗兩钯|(zhì)量意義深遠(yuǎn)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)中所需砒砂巖和風(fēng)沙土取自于陜北榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)。試驗(yàn)在陜西地建土地工程技術(shù)研究院進(jìn)行。該研究區(qū)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?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)溫暖帶半干旱型氣候區(qū)，年總輻射量5 187．4 MJ/m2，年平均日照時(shí)數(shù)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(shù)(CV)達(dá)21．2%。供試土壤的理化性狀見(jiàn)表 1［8］。1．2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)中將砒砂巖與沙的混合比例設(shè)置1∶1、1∶2和1∶5 3種比例，每種混合比例3次重復(fù)，共布設(shè)9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為4 m2。試驗(yàn)小區(qū)采取自南向北”一”字型布設(shè)。根據(jù)常作土壤耕層深度為20～40 cm，在試驗(yàn)小區(qū)0～30 cm土層上覆蓋砒砂巖與沙不同混合比例的復(fù)合土壤。為了模擬實(shí)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(qū)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(hào)。從2010年6月到2012年6月，3個(gè)小區(qū)均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)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(zhǎng)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(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

1．3 采樣與分析 土壤質(zhì)地類型決定土壤蓄水、導(dǎo)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(fù)配比例的試驗(yàn)小區(qū)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(nèi)進(jìn)行，分3次對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集、測(cè)定、分析。采用馬爾文(Mastersizer 2000)激光粒度分析儀，測(cè)定土壤機(jī)械組成。

2 結(jié)果與分析

2．1 復(fù)配土壤剖面中粉粒運(yùn)移特征 由于砒砂巖和沙主要在表層30 cm土層混合，各小區(qū)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(yùn)移的趨勢(shì)，同時(shí)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(guò)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(qū)動(dòng)下復(fù)配土中的粉粒通過(guò)沙粒間空隙向下運(yùn)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(yùn)移趨勢(shì)還不太明顯。從3種砒砂巖與沙混合比例來(lái)看，在復(fù)配土的表層0～30 cm，粉粒含量大小順序?yàn)?∶1比例處理＞1∶2比例處理＞1∶5比例處理。這是因?yàn)樵?種不同比例的復(fù)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(fù)配土壤中，粉粒比例的增加幅度比其他比例的復(fù)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(shí)較合適［11］。

2．2 復(fù)配土壤剖面中黏粒運(yùn)移特征 由圖2可知，與粉粒一樣，各小區(qū)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(yùn)移的趨勢(shì)，但這種運(yùn)移趨勢(shì)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?yàn)轲ち：勘旧磔^少，田間管理措施影響?zhàn)ち＝?jīng)粉粒和沙粒的空隙向下運(yùn)移。從3種比例的砒砂巖與沙混合來(lái)看，1∶1比例的復(fù)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?yàn)轲ち：吭谂皫r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(duì)土壤有很大的影響。土壤細(xì)粒尤其是黏粒具有長(zhǎng)期固碳和氮的能力，通過(guò)黏粒膠體的吸附以及與土壤有機(jī)質(zhì)形成有機(jī)復(fù)合體的形式，對(duì)土壤有機(jī)碳和氮起物理保護(hù)作用［12］。有研究表明，土壤黏粒與土壤有機(jī)碳、全氮含量(TN)的相關(guān)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(jī)質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性［15］以及土壤排水能力［16］等。

3 結(jié)論

土壤質(zhì)地決定土壤蓄水、導(dǎo)水性，保肥性，保溫、導(dǎo)溫性，土壤呼吸，通氣性及土壤耕性等。利用室內(nèi)分析和田間小區(qū)

試驗(yàn)的方法，研究砒砂巖與沙復(fù)配成土過(guò)程中黏粒、粉粒的運(yùn)移情況。

(1)在3種不同比例的砒砂巖與沙復(fù)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(lái)看，由于1∶1復(fù)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?yàn)?∶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(yùn)移的趨勢(shì)，尤其是表層土壤中的粉粒向下運(yùn)移趨勢(shì)顯著。同時(shí)，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(yùn)移趨勢(shì)從長(zhǎng)久來(lái)看將會(huì)導(dǎo)致復(fù)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(shí)”的蒙金土，更加有利于植物的生長(zhǎng)，為復(fù)配成土技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用于毛烏素沙地農(nóng)業(yè)種植提供科學(xué)依據(jù)。

(3)依據(jù)復(fù)配土的這種變化趨勢(shì)，在土地整治實(shí)踐中，采取每隔一定年限后繼續(xù)向復(fù)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(zhì)地返砂質(zhì)化現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)可以持續(xù)不斷地使下層土壤質(zhì)地得到改良，從長(zhǎng)久來(lái)看，整個(gè)復(fù)配土壤的耕作層將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越厚的趨勢(shì)。這對(duì)毛烏素沙地的開(kāi)發(fā)及利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)當(dāng)?shù)氐乃帘３?、沙化治理有一定的生態(tài)環(huán)境效益，同時(shí)能增加耕地。將試驗(yàn)成果大范圍推廣也能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入、提高當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚钯|(zhì)量意義深遠(yuǎn)。

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