砒砂巖對毛烏素沙地風沙土儲水能力影響的研究

孫嬰嬰, 孫緒博, 曹婷婷, 張海歐

(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 710075; 3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075)

砒砂巖對毛烏素沙地風沙土儲水能力影響的研究

孫嬰嬰1，2，3, 孫緒博1，2，3, 曹婷婷1，2，3, 張海歐1，2，3

(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 710075; 3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075)

為探析砒砂巖對于風沙土儲水能力的影響，在毛烏素沙地設置不同比例砒砂巖與沙復配成土試驗小區(qū)(砒砂巖與沙的體積比分別為1∶1，1∶2，1∶5)，進行單季玉米種植，并分別于2013—2015年連續(xù)3年對0—120 cm深度內土壤水分進行動態(tài)監(jiān)測。結果表明：從2013—2015年，適量砒砂巖的加入將風沙土儲水量從100 mm左右提升至200 mm以上，并可逐步調節(jié)土壤水分至不虧缺狀態(tài)，顯著提升土壤的保水蓄水能力，有利于作物生長需求；土壤儲水以40 cm以下中深層土壤儲水能力改善作用最為明顯，且經(jīng)多年種植，0—40 cm和80—120 cm土層逐步成為土壤水分較為穩(wěn)定的土層，利于作物根系對水分的吸收利用；砒砂巖與沙1∶1～1∶5范圍內，隨砒砂巖所占比例提高，復配土儲水特征的改善作用有增強趨勢，但趨勢不顯著。

砒砂巖與沙復配成土; 土壤儲水; 土壤水分虧缺

在我國西北部干旱—半干旱地區(qū)，由于降雨較少、灌溉受限，土壤對于水分的保蓄能力成為影響農業(yè)生產中水分利用效率的重要因素，加上土壤保水、蓄水能力同時決定了土壤保肥能力，并能影響土地的水土流失程度，因此，如何提高土壤對于水分的保蓄能力成為發(fā)展當?shù)剞r業(yè)的重中之重[1-2]。提高風沙土保蓄能力的主要技術措施目前主要包括施用保水劑[3-4]，應用生物炭等生物質改良劑[5-7]，合理耕作[8]等等。以上技術措施都已經(jīng)被證實具有不同程度改良土壤保蓄能力的作用，但由于施用成本較高、經(jīng)濟效益較低等多種原因，其中真正能在土地整治工程中大規(guī)模應用的技術手段并不多。如何控制施用成本，同時提升經(jīng)濟收益，研發(fā)產投比更佳的風沙土保蓄功能優(yōu)化技術，已經(jīng)成為大規(guī)模風沙土整治工程的重要需求。

自2009年起，韓霽昌等就利用砒砂巖與沙兩者性質互補的特質，將兩者復配，形成新成“土壤”，不僅能通過將砒砂巖資源化利用來改良風沙土的性質，形成新的有效耕地，并且極大節(jié)約了工程成本，進行了大規(guī)模應用[9-10]。研究成果證實，砒砂巖中的黏粒能促進風沙土的質地向砂壤、壤砂土質地轉變[11]，增加表層土壤有機質的含量[12]，有效減少硝態(tài)氮、銨態(tài)氮向耕層以下的淋溶現(xiàn)象[13]，促進作物生長發(fā)育，提升產量[14]。攝曉燕等人通過室內試驗證實，適量砒砂巖能有效改善風沙土的持水能力[15]，但是該結果尚未得到田間試驗的證實，也未能分析出這種改善作用是否能有效消除土壤水分虧缺現(xiàn)象。

本文以陜西省榆陽區(qū)砒砂巖與沙復配成土試驗小區(qū)的土壤水分觀測為基礎，引入土壤儲水量和土壤水分虧缺度指標，系統(tǒng)研究了不同用量砒砂巖對風沙土儲水特征的影響，為該區(qū)內砒砂巖與沙復配成土技術的規(guī)模化應用提供土壤水分依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜西省榆林市榆陽區(qū)小紀汗鄉(xiāng)大紀汗村，該地位于陜西北部的毛烏素沙漠南緣，海拔1 206～1 215 m，屬典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，全年降水時空分布不勻，氣候干燥，春季多風干旱，秋季溫涼濕潤，年均氣溫8.1℃，≥10℃積溫為3 307.5℃，持續(xù)天數(shù)為168 d。年平均無霜期154 d，年均日照時間2 879 h，年總輻射量6 077.9 MJ/m2，項目區(qū)年均降水400 mm，玉米生育期(5—9月)平均總降雨量為324 mm，占全年降雨的80%以上。而2013年、2014年、2015年該地全年總降雨量分別為567.4 mm，378.3 mm，451 mm，其中在玉米全生育期內總降雨量分別為552.4 mm，274.2 mm，310 mm，即無論是從全年總降雨還是玉米生育期內總降雨看，本研究期內，2013年為豐水年、2014年、2015年為平水年(圖1)。

圖12013-2015年榆陽區(qū)降雨量

1.2 試驗設置

研究期為2013—2015連續(xù)3 a春玉米生育期，試驗田為2012年開始種植，分別設有砒砂巖：沙體積比例為1∶1，1∶2，1∶5的3個處理，每處理重復3個小區(qū)。每小區(qū)面積為5 m×12 m，在小區(qū)表層30 cm覆蓋不同混合比例的復配土，30 cm以下為當?shù)卦瓲钌惩?。實際種植中，因為多年機械翻耕，表層30—40 cm的土壤也混入部分復配土，性質接近0—30 cm表層土。試驗種植作物為春玉米“萬瑞5號”，分別于2013-04-22，2014-05-08，2015-05-08種植，2013-09-15，2014-09-27，2 015-10-08收獲，玉米株行距統(tǒng)一設為50 cm×33 cm。所有小區(qū)灌溉與施肥處理完全相同：播前施基肥磷酸二銨335 kg/hm2，復合肥(N-P2O5-K2O=12%—19%—16%)375 kg/hm2，于拔節(jié)期追肥1次，施尿素375 kg/hm2。灌水以噴灌方式進行，依據(jù)當?shù)亟涤昱c玉米生育期需水要求確定灌溉量(表1)，其中2013年共灌水389.2 mm，2014年灌水194.4 mm，2015年灌水145 mm，灌溉量逐年下降。

表1 2013-2015年試驗田灌水量

1.3 測定指標與方法

每種植季玉米收獲后，以環(huán)刀法分層測定不同比例復配土容重和田間持水量，在0—40 cm深度范圍內每10 cm為一層，40—120 cm范圍內每20 cm為一層。分別于春玉米播前、拔節(jié)期、12葉期、抽雄期、乳熟期、成熟期等不同生育時期，利用CNC100型水分中子儀測定田間土壤容積含水量。在0—40 cm 深度范圍內每10 cm為一層，40—120 cm 范圍內每20 cm為一層。各層土壤含水量加權值即為0—120 cm深度內土壤體積含水量。土壤儲水量計算公式為[16-17]：

每層土壤儲水量的計算公式為：

Wi=θh

(1)

W=∑Wi

(2)

式中：Wi為每層土壤儲水量(mm)；W為土壤總儲水量(mm)；θ為土壤體積含水率(%)；h為土層厚度，取值為10或20 cm。

土壤儲水虧缺度(Deficit degree of soil Water，DSW)計算公式為[18]：

DSW=(F-W)/F×100%

(3)

式中：F為土壤田間持水量(mm)；W為土壤實際儲水量(mm)。

土壤儲水虧缺補償度(Compensation degree of soil Water，CSW)計算公式為[18]：

CSW=(Wcm-WCC)/(F-WCC)×100%

(4)

式中：Wcm為生育期末的土壤儲水量；Wcc為生育期開始的土壤儲水量；F為田間持水量。

2 結果與分析

2.1 玉米生育期內土壤含水量動態(tài)變化

2015年春玉米全生育期內，3種比例的復配土試驗田土壤含水量在玉米全生育期內均高于17%，顯著高于2013年、2014年(圖2)。2013—2014年、1∶5比例復配土土壤含水量基本都表現(xiàn)為3種復配比例中最低，且1∶1比例復配土的土壤含水量有高于1∶2比例的趨勢。到2015年，盡管3種比例復配土土壤含水量之間的差異性減小，但在當年7月的測定中，1∶5比例復配土土壤含水量仍顯著低于另外2種比例的復配土，土壤持水性相對較差。相應的，在連續(xù)3 a不同生育期的土壤儲水量計算中，1∶5比例復配土的儲水量多數(shù)時期都為3種比例復配土中儲水量最低的(圖3)。

圖22013-2015年0-120cm深度內土壤平均體積含水量動態(tài)變化

圖32013-2015年玉米生育期內0-120cm

土層總儲水量動態(tài)變化

2.2 土壤儲水量和儲水比例動態(tài)變化

根據(jù)對0—120 cm深度內不同分層土壤儲水特征的計算分析(表2，圖4)，在2013—2014年，不同比例復配土儲水以0—20 cm和20—40 cm表層土為主，而各比例該層儲水量占0—120 cm總儲水的比例則基本表現(xiàn)為1∶1<1∶2<1∶5。隨種植季數(shù)的增加，各比例復配土表層儲水量增加，但所占儲水比例降低。中層(40—80 cm)和深層(80—120 cm)儲水量增加的同時，所占儲水比例也在逐年增加。從各層儲水量變異系數(shù)(CV)來看，1∶5比例復配土各層變異系數(shù)均有高于另外兩比例的而趨勢，且2014—2015年各比例不同層次變異系數(shù)基本都高于2013年。各比例復配土在2013年基本以0—20 cm和100—120 cm即最表層和最深層的變異系數(shù)最高，在不同生育期之間變化幅度最大。其中1∶5比例復配土0—20 cm儲水量在2013年變異系數(shù)為0.458，是40—60 cm變異系數(shù)的11.4倍。但到2014—2015年，各比例復配土40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm3個層次的變異系數(shù)則明顯高于其他層次，成為不同生育期間變動幅度最大的層次，屬于較活躍層次。

到2015年，各比例復配土小區(qū)內各層土壤儲水量較2013年、2014兩年均有顯著提高，這可能是因為經(jīng)過多年種植，砒砂巖在改良風沙土表層(0—40 cm)內土壤質地，增強其保蓄能力的同時，也降低了下層土壤中水分的蒸散作用。此外，表層土壤儲水量的增加，可能會增強作物根系對表層土壤水分的吸收，從而減少對深層土壤水分的吸收利用。而其具體機制仍有待進一步的監(jiān)測和分析。

圖42013-2015年玉米生育期內0-120cm

不同土層儲水比例動態(tài)變化

2.3 土壤儲水虧缺度和虧缺補償度動態(tài)變化

從3種不同比例復配土在2013—2015年不同土層土壤儲水虧缺度動態(tài)變化來看(圖5—7)，各比例之間水分虧缺度并無規(guī)律性的差異，但隨著種植年限的增加，各比例水分虧缺度均顯著降低，土壤儲水能力顯著改善，直至2015年全部轉為負值，即土壤不再處于水分虧缺狀態(tài)。按照分層來看，在2014年，各比例0—40 cm和80—120 cm土層均已進入不虧缺狀態(tài)，而40—80 cm土層則直至2015年才脫離水分虧缺狀態(tài)，即該層次水分虧缺狀態(tài)改善最慢。而從土壤儲水虧缺補償度結果來看(圖8)，1∶5比例復配土補償度最低，1∶2比例補償度最高，但不同年份之間沒有顯著的規(guī)律性變化。

3 討論與結論

土壤水分是黃土高原農業(yè)發(fā)展、植被建設的首要限制因子，并受大氣降水和土壤質地等因素的影響[19]。一般認為，同等氣候條件下，土壤中物理性黏粒含量越低，則土壤儲水越少[20]。風沙土因其中砂粒平均含量高達95%，黏粒含量最低不足1%[11]，土壤顆粒缺乏良好的膠結性，保水蓄水能力極差，土壤儲水量較小，嚴重限制了植物生長，影響農業(yè)發(fā)展和植被恢復。砒砂巖作為毛烏素地區(qū)與風沙土相間共存的一種物質，其中粉粒含量高達58%，黏粒含量可達到7.6%[11]。通過與風沙土按照一定比例混合后，可有效改善風沙土的質地。而顆粒構成的改善，會進而促進土壤多方面物理、化學性質的良性化發(fā)展。

在本研究中，砒砂巖與沙在1∶1，1∶2，1∶53種比例下混合后，土壤儲水量都隨著種植年份的增加呈增加趨勢，且砒砂巖所占比例越高，則其儲水能力越好、儲水量越高(圖2—3)。這主要是隨著砒砂巖比例增加，復配土中黏粒和粉粒含量增加，土壤的膠結性增強，土壤蓄水能力相應增強，土壤失水速率降低[21]。同時，隨著種植年份的增加，由于有機肥的施入和作物秸稈還田的共同作用，土壤有機質含量提升，土壤保蓄能力持續(xù)改善[12,22-23]，同時這可能也是導致不同比例復配土儲水能力差異性隨著種植年份增加而減小的原因之一，甚至可能導致未來不同復配比例上作物產量差異性減小。

圖5 2013-2015年玉米生育期內1∶1比例復配土不同土層土壤儲水虧缺度動態(tài)變化

圖62013-2015年玉米生育期內1∶2比例復配土不同土層土壤儲水虧缺度動態(tài)變化

圖72013-2015年玉米生育期內1∶5比例復配土不同土層土壤儲水虧缺度動態(tài)變化

圖82013-2015年玉米生育期內不同比例復配土土壤儲水虧缺補償度

1∶5比例復配土各土層儲水變異系數(shù)有稍高于1∶1，1∶2兩比例的趨勢，其主要原因可能在于其中砒砂巖比例較低，土壤黏粒含量少，保蓄能力相對較弱，因此水分易損失[21]。但就土壤水分虧缺度來看，3種比例的趨勢基本一致，且相互之間差異性不明顯(圖5—7)。即隨著種植季數(shù)的增加，較為合理的單季種植、有機肥撒施等耕種措施，逐步提升了復配土內有機質含量，增加了土壤儲水量的同時，改善了土壤水分的虧缺情況，但不同年份之間的儲水補償度沒有明顯的變化趨勢。1∶2比例復配土的儲水虧缺補償度有顯著高于其他兩比例的趨勢，即盡管不同復配比例之間土壤虧缺度差異不明顯，但綜合土壤的儲水能力、作物的吸水能力等多種因素，1∶2比例的補償度具有顯著優(yōu)勢，而其中的具體原因仍有待進一步的研究。

綜上，適量砒砂巖的加入能有效改善風沙土土壤儲水能力，并經(jīng)多年種植后，逐步調節(jié)土壤水分至不虧缺狀態(tài)，顯著提升土壤的保水蓄水能力，滿足作物生長需求。在砒砂巖與沙的比例在1∶1～1∶5范圍內，隨著砒砂巖所占比例提高，其對風沙土儲水特征的改善作用有增強趨勢，但趨勢不顯著。本研究中，因榆林地區(qū)氣候干旱，且風沙土性質特殊，未經(jīng)改良的風沙土較難用于作物種植，因此研究中未能將風沙土作為對照處理，未來應在此方面給與進一步驗證。

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StudyontheInfluenceofSoftRockonMoistureStorageCapacityofSandySoil

SUN Yingying1，2，3, SUN Xubo1，2，3, CAO Tingting1，2，3, ZHANG Haiou1，2，3

(1.ShaanxiLandConstructionGroupCo.,Ltd.，Xi′an710075,China; 2.InstituteofLandEngineering&Technology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroup,Co.,Ltd.，Xi′an710075,China; 3.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineeringtheministryofLandandResourcesofChina,Xi′an710075,China)

To analyze how the soft rock influence the moisture storage capacity of sandy soil, experimental plots with different ratios of soft rock and sandy soil were set in Mu Us sand land, with spring maize planted one season per year, and the soil moisture of the depth 0—120 cm was frequently monitored during 2013—2015. The results showed that moderate soft rock could improve the moisture storage capacity of sandy soil from 100 mm in 2013 to over 200 mm in 2015, promote the soil moisture to none deficiency state, strengthen the moisture storage capacity of soil, which was beneficial for the crop growth. Moisture storage capacity of soil layer below 40 cm was promoted most obviously, and the layers of 0—40 cm and 80—120 cm turned into more stable layers for moisture storage, which was helpful for the crops. Between the soft rock and sandy soil with ratio 1∶1 to 1∶5, with the addition of soft rock, the moisture storage capacity of the soil was enhanced, but not significant.

soft rock-sand amended soil; soil moisture storage; soil moisture deficit

S288；S152.7

A

1005-3409(2017)06-0105-06

2016-11-27

2016-12-16

陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目“退化及未利用土地整治創(chuàng)新團隊”(2016KCT-23)

孫嬰嬰(1987—),女,山東德州人,工程師,博士,主要從事退化及未利用土地整治技術研發(fā)。E-mail:sunyy526@163.com