添加砒砂巖對(duì)風(fēng)沙土性質(zhì)的改良及時(shí)間效應(yīng)

魏彬萌, 趙 宣

(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)研究院有限責(zé)任公司，陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 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, 西安710075)

添加砒砂巖對(duì)風(fēng)沙土性質(zhì)的改良及時(shí)間效應(yīng)

魏彬萌, 趙 宣

(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)研究院有限責(zé)任公司，陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 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, 西安710075)

試驗(yàn)利用砒砂巖和風(fēng)沙土性質(zhì)上的互補(bǔ)性，采用田間試驗(yàn)，將兩者按不同的比例(1∶1，1∶2，1∶5)復(fù)配，并以黃土與風(fēng)沙土1∶2復(fù)配作為對(duì)照，以期為將砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用于毛烏素沙地進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明,隨著砒砂巖加入比例的增加，復(fù)配土壤砂粒含量減少，粉粒含量明顯增加，砒砂巖的加入促使風(fēng)沙土土壤質(zhì)地由砂土向粉壤土逐漸轉(zhuǎn)變。而且隨著作物種植年限的增加，復(fù)配土壤砂粒含量也在明顯減少，粉粒和黏粒含量增加且有逐漸下移的趨勢(shì)，這種變化在0—40 cm土層尤為突出。各處理>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25)，平均重量直徑(MWD)，幾何平均直徑(GMD)均隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而顯著增加，>0.25 mm各級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量也基本隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而增加，且增加最明顯的是0.25～0.5 mm級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量。各處理0—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨作物種植年限的增加而顯著增加。綜上，砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶1～1∶5均可不同程度的改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，且復(fù)配比例在1∶1～1∶2時(shí)效果最佳。

風(fēng)沙土; 砒砂巖; 質(zhì)地; 團(tuán)聚體; 有機(jī)質(zhì)

毛烏素沙地南緣位于中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶西部，地質(zhì)上屬于典型的多層次過(guò)渡帶。該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤貧瘠、水分缺乏，再加上不合理的農(nóng)墾及過(guò)度放牧加劇了草地退化[1]，致使毛烏素沙地長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法作為耕地的后備資源進(jìn)行有效利用[2]。雖然采用傳統(tǒng)的封沙育林育草、生態(tài)水利修復(fù)等水土保持措施對(duì)該區(qū)域進(jìn)行綜合治理，但未能從根本上改變沙漠化加劇的勢(shì)頭[3-4]。改良風(fēng)沙土的關(guān)鍵在于改良其土壤顆粒組成，增加風(fēng)沙土中缺乏的黏粒和土壤膠結(jié)物質(zhì)。Saleh等[5]通過(guò)室內(nèi)種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加黏?？娠@著增加沙土的保水性能，提高水分利用效率，同時(shí)也可以顯著增加作物產(chǎn)量等。王志等[6]研究發(fā)現(xiàn)，毛烏素沙地南緣半流動(dòng)沙地墊黃土改良后土壤中中細(xì)砂粒比重降低，粉粒含量明顯增加，土壤持水、保水能力明顯增強(qiáng)，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著增加，可見(jiàn)墊黃土對(duì)沙地土壤有明顯的改良作用。但是毛烏素沙地周?chē)鄙冱S土土源，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本高且污染嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益差，因此無(wú)法大面積推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)禇塬村(109°11′30″E，34°42′11″N)，該區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均降雨量為472.97 mm，7—9月份降雨量占全年降雨量的49%，年蒸發(fā)量為1 000～1 300 mm，無(wú)霜期225 d，年平均氣溫13.4℃，夏季最高氣溫為41.8℃，冬季最低氣溫為-22℃，年光能輻射總量為518.4～534.7 kJ/cm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2010年6月至2015年9月實(shí)施。為模擬毛烏素沙地砒砂巖與沙混合層的土地狀況，試驗(yàn)小區(qū)在0—30 cm鋪設(shè)砒砂巖或黃土與沙的混合物質(zhì)，30—70 cm填充風(fēng)沙土。砒砂巖和沙均取自榆林榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村，黃土采自富平當(dāng)?shù)赝寥溃┰囃寥佬再|(zhì)見(jiàn)表1。本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，砒砂巖與沙按體積比分別為1∶1(C1)，1∶2(C2)，1∶5(C3)，黃土∶沙=1∶2(CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共布設(shè)12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為2 m×2 m=4 m2，采取自南向北“一”字型布設(shè)。

試驗(yàn)采用小麥和玉米輪作模式，其中小麥品種為小偃22，玉米品種為戶(hù)單4號(hào)。從2010年6月到2015年9月，各小區(qū)均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)的水肥管理模式。播種前，施入基肥(磷酸二銨300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2)；在小麥生長(zhǎng)期間，灌溉3次，每次灌水90 mm，追施尿素1次，每次為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。供試土壤的理化性狀見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本理化性狀

1.3 土樣采集及測(cè)定

分別于2011年、2015年玉米收獲后，在各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)用土鉆取0—5，5—10，10—15，15—20，20—25，25—30，30—40，40—50，50—70 cm土層土壤樣品，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3鉆混合為一個(gè)土壤樣品，自然風(fēng)干后研磨過(guò)2 mm篩，用于土壤顆粒組成分析。采集各小區(qū)0—30 cm土層原狀土樣2 kg左右，去除根系和小石塊，取一部分(大約1.5 kg)沿自然裂隙掰成直徑約1 cm左右的土塊，自然風(fēng)干，用于土壤團(tuán)聚體分析；另一部分自然風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)0.149 mm的篩子，用于土壤有機(jī)質(zhì)分析。

土壤顆粒組成采用馬爾文(Mastersizer 2000)激光粒度分析儀測(cè)定(美國(guó)制)；土壤團(tuán)聚體采用薩維洛夫法測(cè)定[13]；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[14]。

土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)[15]：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)配土壤0-70 cm土層土壤顆粒組成變化

由于受氣候、作物根系、生物活動(dòng)、土壤肥力以及人為管理的影響，隨著種植作物年限的增加，土壤顆粒組成也會(huì)隨之改變。2011年和2015年玉米收獲后，各處理0—70 cm土層土壤顆粒組成變化表明，隨著砒砂巖加入比例的增加，復(fù)配土壤砂粒含量減少，粉粒和黏粒含量明顯增加，砒砂巖的加入促使復(fù)配土壤質(zhì)地由砂土向粉壤土逐漸轉(zhuǎn)變。而且隨著作物種植年限的增加，復(fù)配土壤砂粒含量也在明顯減少，粉粒含量增加，這種變化在0—40 cm土層尤為突出。

由圖1—4可以看出，2011年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理0—40 cm土層土壤砂粒平均含量分別為55.84%，65.67%，77.96%，63.27%，粉粒平均含量分別為40.01%，31.26%，19.77%，31.54%；2015年土壤砂粒平均含量分別為43.17%，56.35%，68.63%，52.73%，粉粒平均含量分別為50.17%，39.16%，27.87%，40.37%；2015年C1，C2，C3，CK處理0—40 cm土層土壤砂粒平均含量相比2011年分別降低了22.68%，14.20%，11.97%，16.66%，粉粒含量分別增加了25.31%，25.29%，40.95%，28.01%，黏粒含量分別增加了61.45%，46.24%，54.36%，32.85%?？梢?jiàn)隨著砒砂巖加入比例的增加，復(fù)配土壤砂粒含量明顯下降，粉粒含量明顯增加，而且隨著種植作物年限的增加，各處理0—40 cm土層土壤砂粒含量明顯減少，粉粒和黏粒含量明顯增加且有逐漸下移的趨勢(shì)，40 cm以下，各粒級(jí)土壤變化不明顯。說(shuō)明砒砂巖的加入促使風(fēng)沙土中砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，而且隨著作物種植年限的增加，使風(fēng)沙土過(guò)粗的砂土質(zhì)地逐步得到改善，而且砒砂巖與風(fēng)沙土1∶2復(fù)配對(duì)質(zhì)地的改良效果和黃土與風(fēng)沙土1∶2復(fù)配改良效果差不多，因此，從土壤質(zhì)地改良方面來(lái)說(shuō)，砒砂巖具有一定固沙的可能性。

圖1 C1復(fù)配土0-70 cm土層土壤質(zhì)地特征

2.2 復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)變化

水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要貢獻(xiàn)，并且關(guān)系到土壤水分的入滲與保蓄性能[16]。了解水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成對(duì)探討土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)變化等都有重要的理論和實(shí)踐意義[17]。本研究通過(guò)綜合計(jì)算>5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm和>0.25 mm團(tuán)聚體的比例，分析了不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化(表2)。

一般認(rèn)為直徑>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25)在一定程度上反映了土壤的質(zhì)量水平和抗侵蝕能力的大小，對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要貢獻(xiàn)，且其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)關(guān)系[18]。本研究表明，各處理WR0.25含量均在連續(xù)種植作物5 a后顯著增加，且各處理WR0.25含量均隨砒砂巖加入比例的增加而顯著增加。

2015年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理土壤中WR0.25含量較2011年分別增加了57.39%，65.17%，65.42%和42.84%。

圖2 C2復(fù)配土0-70 cm土層土壤質(zhì)地特征

圖3 C3復(fù)配土0-70 cm土層土壤質(zhì)地特征

圖4 CK復(fù)配土0-70 cm土層土壤質(zhì)地特征

MWD，GMD值越大表明土壤的團(tuán)聚度越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗侵蝕能力越強(qiáng)[19]。各處理MWD，GMD也均隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而顯著增加(圖5A，B)。2015年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD較2011年分別增加了15.39%，16.06%，23.30%，12.72%；GMD較2011年分別增加了8.48%，7.98%，6.81%，7.21%。

不同粒徑的團(tuán)聚體具有不同的農(nóng)學(xué)、水文學(xué)及環(huán)境學(xué)價(jià)值，直徑過(guò)大的團(tuán)聚體間孔隙過(guò)大，易漏水漏肥，直徑過(guò)小遇水則易堵塞孔隙，影響水分入滲和土壤的氣體交換[18]。由表2可以看出>0.25 mm各級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量基本隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而增加，且各處理中隨作物種植年限增加最明顯的是0.25～0.5 mm級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量，相比2011年、2015年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理該級(jí)別土壤團(tuán)聚體分別提高了1.62倍、1.46倍、1.52倍、1.10倍，而且在連續(xù)種植5 a作物后C1和CK處理土壤中的WR0.25含量基本接近。Bильямс等[20]提出直徑在1～5 mm的團(tuán)聚體在農(nóng)業(yè)上是最有價(jià)值的，2011年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理1～5 mm的團(tuán)聚體含量分別為15.87%，12.40%，9.81%，17.55%，2015年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理該級(jí)別團(tuán)聚體含量分別為18.76%，15.82%，11.84%，20.64%，相比2011年分別增加了18.21%，27.58%，20.69%，17.61%。可見(jiàn)砒砂巖的加入和連年種植作物有助于改善風(fēng)沙土土壤團(tuán)聚體狀況和提高風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表2 復(fù)配土壤0-30 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

圖5 復(fù)配土壤0-30 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，GMD，有機(jī)質(zhì)變化

2.3 復(fù)配土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

由圖5C可以看出，各處理0—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨作物種植年限的增加而顯著增加。2011年作物收獲后CK處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，其他3個(gè)處理之間差異不顯著；連續(xù)種植5 a作物后，CK處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，其次是C2處理，C1，C3處理之間差異不顯著。2015年作物收獲后C1，C2，C3，CK處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是2011年的1.93倍、3.11倍、2.21倍和0.79倍，可見(jiàn)連續(xù)種植作物5 a后能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，說(shuō)明種植作物對(duì)于復(fù)配土壤固碳具有明顯的改良效應(yīng)。

3 討 論

風(fēng)沙土和砒砂巖是毛烏素沙地的兩害，風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)地均一，水分在土層空間內(nèi)的分布較為均勻，一旦水分補(bǔ)給減少，蒸散增加，就會(huì)出現(xiàn)整體性缺水。砒砂巖成巖程度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都很低，且易風(fēng)化，滲透性能差，但其具有較好的持水能力和保水能力，巖層貯水多，能為植物生長(zhǎng)提供水分[21]。因此，利用二者互補(bǔ)的性質(zhì)，將風(fēng)沙土與砒砂巖混合復(fù)配成土，既可以減少或阻止沙地水分滲漏、利于土壤肥力的提升，又可減弱砒砂巖堅(jiān)硬板結(jié)的現(xiàn)象，進(jìn)而達(dá)到治理沙地和改良砒砂巖的目的[2,22]。

土壤質(zhì)地是土壤的主要物理性質(zhì)之一，其與土壤通氣性、保水保肥狀況以及耕作的難易程度等都有密切關(guān)系，是擬定土壤利用、管理和改良措施的重要依據(jù)。單獨(dú)風(fēng)沙土中砂粒含量達(dá)到了87.32%，是砒砂巖和黃土中砂粒含量的6.95，9.21倍，可見(jiàn)對(duì)風(fēng)沙土而言，其質(zhì)地均一，缺少黏粒，難以形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)。砒砂巖的粉粒含量為78.94%，是風(fēng)沙土粉粒含量的6.82倍，砒砂巖的加入改變了風(fēng)沙土粒徑較粗的問(wèn)題，隨著復(fù)配土中砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)配土壤砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。另外，由于受作物根系、降雨以及其他氣候、環(huán)境因子等的影響，隨作物種植年限的增加，風(fēng)沙土0—40 cm土層土壤質(zhì)地有由砂變?nèi)赖内厔?shì)，土壤質(zhì)地逐步得到改善。

本研究表明，各處理WR0.25含量、MWD、GMD均隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而顯著增加。其他各級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量也基本隨砒砂巖加入比例和作物種植年限的增加而增加，且各處理中隨作物種植年限增加最明顯的是0.25～0.5 mm級(jí)別土壤團(tuán)聚體含量。而且在連續(xù)種植5 a作物后，C1處理與CK處理土壤中WR0.25含量、MWD，GMD基本接近，可見(jiàn)砒砂巖對(duì)于風(fēng)沙土土壤團(tuán)聚體的形成具有很好的促進(jìn)作用，而且其對(duì)于改良風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)方面具有和黃土相似的效果，可以作為替代黃土的很好材料，即改良了風(fēng)沙土，又治理了砒砂巖，達(dá)到了變“兩害”為“一寶”的效果。

有機(jī)質(zhì)是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)，也是土壤質(zhì)量演化趨勢(shì)的重要標(biāo)志之一。有機(jī)質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中重要的膠結(jié)物質(zhì)，其含量與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系[20]。2011年作物收獲后，CK處理0—30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，C1，C2，C3復(fù)配土有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，連續(xù)種植作物5 a后，相比2011年各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，而且CK處理有機(jī)質(zhì)含量依舊最高，其次是C2處理，C1，C3處理之間差異不顯著。說(shuō)明各處理耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨作物種植年限的增加而顯著增加，可見(jiàn)種植作物對(duì)于復(fù)配土壤固碳具有明顯的效應(yīng)。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)利用砒砂巖與沙結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)性與科學(xué)的作物栽培技術(shù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)砒砂巖與沙按不同比例復(fù)配后可替代傳統(tǒng)的黃土改良風(fēng)沙土的方法，且在一定程度可優(yōu)于傳統(tǒng)改良后的土壤。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶1～1∶5均可不同程度的改善風(fēng)沙土土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，且復(fù)配比例在1∶1～1∶2時(shí)效果最佳，但考慮到改良成本和資源節(jié)約，建議在毛烏素沙地大面積推廣時(shí)采用砒砂巖與沙1∶2的復(fù)配比例。另外，本試驗(yàn)只研究了砒砂巖與沙復(fù)配比例對(duì)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)的時(shí)間效應(yīng)，對(duì)土壤其他指標(biāo)和作物產(chǎn)量的影響還有待于進(jìn)一步研究。

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EffectofAdditionofFeldspathicSandstoneonImprovementofAeolianSandSoilQualityandtheTimeEffect

WEI Binmeng, ZHAO Xuan

(ShaanxiProvinceLandEngineeringConstructionGroup,InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,MinistryofLandandResourcesofChina,ShaanxiProvinceLandReclamationEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi′an710075,China)

The aim of the present study was to develop scientific evidence about application of feldspathic sandstone to improve Mu Us Sandy Land for agriculture cultivation. Four treatments were feldspathic sandstone∶sand =1∶1, 1∶2, 1∶5 and loess∶sand = 1∶2 (CK), and set up and managed with wheat maize rotation system over a 6-year study period. The results showed that sand content in the composite soil decreased with feldspathic sandstone increasing, but silt content increased, indicating that adding feldspathic sandstone promoted the transform of sand soil to loam soil. Furthermore, soil sand content decreased but silt and clay content increased significantly, and gradually move downward with the increase of planting years, in particular, this effect was the most obvious at the soil depth of 0—40 cm. The water stable aggregates >0.25 mm (WR0.25), mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter(GMD)and the amounts of soil particles>5 mm, 2～5 mm, 1～2 mm and 0.5～1 mm in every treatment increased with duration of planting years, in which the content of 0.25～0.5 mm aggregate was the maximum. Additionally, soil organic matter also increased significantly with the increase of planting years. In summary, sand soil amended with feldspathic sandstone at the ratios of 1∶1～5∶1 could improve soil texture and structure and enhance soil organic matter, and the effects of ratios at 1∶1～2∶1 on soil improvement were the best.

sandy soil; feldspathic sandstone; soil texture; soil aggregate; soil organic matter

S156.5

A

1005-3409(2017)06-0016-06

2016-12-21

2017-01-12

陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2016KCT-23)

魏彬萌(1989—),女,陜西咸陽(yáng)人,碩士,研究方向:土壤改良。E-mail:weibinmeng@126.com