砒砂巖添加對(duì)風(fēng)沙土有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

郭 振,張海歐

(1. 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021；2. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；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，陜西 西安 710021；4. 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

全球干旱和半干旱地區(qū)的大規(guī)模擴(kuò)張、環(huán)境條件的惡化以及人類活動(dòng)的不合理作業(yè)，使得土地資源廣泛退化，間接表明這些退化地區(qū)的土地正在逐步喪失固存碳的能力[1,2]。對(duì)土地進(jìn)行不同方式的改良和利用是驅(qū)動(dòng)土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)和全球碳循環(huán)變化的主要因素[3]。以土壤有機(jī)質(zhì)形式存在的有機(jī)碳在土壤結(jié)構(gòu)的形成和保護(hù)，土壤養(yǎng)分的循環(huán)以及土壤生物多樣性中起著重要作用[4]?？梢?jiàn)，土壤有機(jī)碳是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的自然資源，也是土地資源可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[5]。

土壤有機(jī)碳的研究通常以0～20 cm或者0～30 cm土壤表層和深層(20 cm或30 cm以下)的土壤為研究對(duì)象，土壤表層附近的土壤有機(jī)碳主要來(lái)自作物的地上凋落物和分布在土壤表層附近的根茬，而深層土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于根系剝落和滲出物[6,7]。土壤有機(jī)碳的分布在很大程度上是異質(zhì)的，這是因?yàn)楸韺油寥篮蜕顚油寥乐g的土壤特性、植物種類、環(huán)境因子、土地利用和管理等水平不一樣[8,9]。毛烏素沙地作為我國(guó)四大沙地之一，同時(shí)也作為我國(guó)沙漠化擴(kuò)展速度最快的沙區(qū)之一，在該區(qū)域境內(nèi)廣泛分布著砒砂巖粘土礦物，可用作改良材料對(duì)沙地進(jìn)一步沙化進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，因此，減少水土流失、減少沙漠化加劇和培育耕地，對(duì)毛烏素沙區(qū)的生態(tài)環(huán)境在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的恢復(fù)具有重要意義[10～12]。

2 材料與方法

2.1 供試材料

砒砂巖和沙均取自陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村，砒砂巖中的礦物組成主要包括石英，蒙脫石，長(zhǎng)石，方解石，伊利石，高嶺石和白云石。 沙中的礦物主要是石英，剩余的礦物質(zhì)主要是長(zhǎng)石、高嶺石、方解石和閃石。供試玉米品種為金誠(chéng)508，小麥品種為小偃22，采用人工播種形式進(jìn)行一年兩熟輪作。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬毛烏素沙地混合層的土壤情況，試驗(yàn)小區(qū)深度設(shè)計(jì)為1 m，在0～30 cm土層鋪設(shè)砒砂巖與沙不同比例的混合物，而30～70 cm則全部用沙進(jìn)行填充。試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置于2009年，本次研究?jī)H選取砒沙巖與沙體積比分別為0∶1、1∶5、1∶2和1∶1(CK、C1、C2和C3)的4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)田施用的化肥類型為尿素(含N46.4%)、磷酸二銨(含N16%、含P2O544%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。

2.3 研究方法

2019年6月收獲小麥后，采集每個(gè)小區(qū)0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層土壤樣品，采用五點(diǎn)法混合成一個(gè)土樣，去除石礫和動(dòng)植物殘?bào)w后過(guò)孔徑2 mm篩于室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干。土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[13]。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[14]：

(1)

式(1)中，SOCstock為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)，i為土層代號(hào)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，Di為第i層土壤容重(g/cm3)，Ei為第i層土壤測(cè)量層的厚度(cm)，0.1為單位換算系數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算并且進(jìn)行作圖，用DPS 18.10軟件進(jìn)行Duncan顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳

成土10年來(lái)，砒砂巖與沙不同比例的復(fù)配土在10～30 cm土層間的有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異，在0～10 cm土層上添加砒砂巖的處理較CK處理有機(jī)碳含量均有顯著增加(P<0.05)，增幅介于76.00%～117.88%之間。各土層間的有機(jī)碳含量分布分別為0～10 cm(3.56 g/kg)>10～20 cm(3.45 g/kg)>20～30 cm(3.11 g/kg)，隨著土層的增加而降低。與CK處理有機(jī)碳含量的平均值相比，C1、C2和C3處理的有機(jī)碳均值在0～30 cm土層上分別增加了18.54%、9.48%和22.14%。雙因素方差分析結(jié)果表明，隨著成土年限的增加，復(fù)配比和土層以及兩者間的綜合作用對(duì)有機(jī)碳含量的影響不明顯(表1)。

表1 各土層下不同處理間土壤有機(jī)碳含量

3.2 土壤容重

雙因素方差分析結(jié)果表明，復(fù)配比和土層兩個(gè)單因素均對(duì)土壤容重有顯著的影響，但是二者的綜合效果不顯著(表2)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層的平均容重為1.71 g/cm3、1.94 g/cm3和2.13 g/cm3，隨著土層的加深土壤容重發(fā)生顯著變化。綜合來(lái)看，隨著砒砂巖比例的增加，土壤容重也有顯著變化，其中C3和C4處理之間無(wú)顯著差異，較CK和C1處理顯著增加。在0～10 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了11.55%(P>0.05)、28.45%(P<0.05)和16.67%(P<0.05)；10～20 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了14.20%(P<0.05)、25.44%(P<0.05)和18.74%(P<0.05)，且C1、C2和C3處理間無(wú)顯著差異；20～30 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的容重分別增加了4.24%(P<0.05)、22.97%(P<0.05)和24.38%(P<0.05)，且C1、C2和C3處理間差異顯著(圖1)。

圖1 各土層下不同處理間土壤容重分布特征

表2 土壤容重的雙因素方差分析結(jié)果

3.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

復(fù)配比例和土層雙因素綜合方差分析結(jié)果表明，土層和復(fù)配比的交互作用對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量影響不顯著(表3)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為6.20 t/hm2、6.68 t/hm2、和6.62 t/hm2，隨著土層的加深土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增幅較小，未達(dá)顯著差異。綜合來(lái)看，隨著砒砂巖比例的依次增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸增加，其中CK、C1和C2處理間無(wú)顯著差異，C3較CK處理顯著增加了41.62%(P<0.05)。在0～10 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別增加了137.55%(P<0.05)、125.56%(P<0.05)和154.41%(P<0.05)；10～20 cm土層中，與CK處理相比，C1、C2和C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別增加了14.94%、23.79%和17.10%，且所有處理間無(wú)顯著差異；20～30 cm土層中，所有處理間的有機(jī)碳儲(chǔ)量也無(wú)顯著差異。0～30 cm土層中，CK、C1、C2和C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為15.58 t/hm2、19.68 t/hm2、20.70 t/hm2和22.05 t/hm2，其中C3處理較CK處理有顯著增加，增幅為41.56%。

表3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的分布特征

4 結(jié)論

隨著成土年限的增加，復(fù)配比和土層以及兩者間的綜合作用對(duì)有機(jī)碳含量的影響不明顯。0～10 cm土層添加砒砂巖后有機(jī)碳含量顯著增加。復(fù)配比和土層兩個(gè)單因素均對(duì)土壤容重有顯著的影響，隨著土層的加深和砒砂巖的增加土壤容重發(fā)生顯著變化。添加砒砂巖處理間0～30 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量無(wú)明顯差異，其中砒沙巖添加量為50%時(shí)顯著高于純沙處理。