砒砂巖與沙不同配比下的土壤水分研究*

程 杰，杜宜春，魏 靜

（1.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 710075；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.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 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

土壤水分是土壤的重要組成部分，參與土壤的物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化，是土壤形成發(fā)育的催化劑，其含量是判斷土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物生長(zhǎng)的主要限制因子，并可直接影響生態(tài)平衡[1-2]。風(fēng)沙土一般由0.02～2mm的顆粒組成，砂礫含量為90%以上，顆粒間空隙大，水分滲漏速度快，且礦物含量低，土壤膠體含量低，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，水分保持能力差，難以維持作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力低下，植被覆蓋度低，極易發(fā)生土壤風(fēng)蝕[3]，因此，提升風(fēng)沙土的保水性是沙土改良急需解決的關(guān)鍵問題。

毛烏素沙地是我國(guó)四大沙地之一，植被稀疏、結(jié)構(gòu)單一，但水熱資源豐富[4]，具有較好的開發(fā)潛力。同時(shí)，毛烏素沙地境內(nèi)分布了大量砒砂巖，砒砂巖是一種常見的沉積巖，由于覆蓋層厚度小，壓力低，導(dǎo)致成巖程度低，砂礫間膠結(jié)差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低[5]，外在表現(xiàn)為無(wú)水則堅(jiān)硬如石，遇水則松軟如泥，極易風(fēng)化[6]。已有研究表明，砒砂巖與風(fēng)沙土在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上互補(bǔ)，按一定比例復(fù)配后可重構(gòu)風(fēng)沙土的孔隙與結(jié)構(gòu)，使其成為適宜作物生長(zhǎng)的“新土壤”，可種植玉米、馬鈴薯等作物[7]。然而土壤水分是沙荒地生態(tài)環(huán)境建設(shè)和植被恢復(fù)的基礎(chǔ)，是保障砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配“新土壤”可持續(xù)利用的首要前提，因此，本文從復(fù)配土含水量時(shí)空變化規(guī)律及儲(chǔ)水量變化特征等進(jìn)行分析，以期對(duì)砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

大田試驗(yàn)區(qū)設(shè)在毛烏素沙地榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村，該地位于毛烏素沙漠南緣（109°28′58″-109°30′10″E，38°27′53″-38°28′23″N），屬典型中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水時(shí)空分布不勻，春季多風(fēng)干旱，秋季溫涼濕潤(rùn)。年均氣溫8.1℃，≥10℃積溫3307.5℃，且持續(xù)天數(shù)為168d。年平均無(wú)霜期154d，年平均降水量413.9mm，60.9%的降雨集中在7～9月份，雨熱同期。年極端降雨量最大695.4mm，最小159.6mm，日最大降水量為141.7mm。年平均日照時(shí)數(shù)2879h，日照百分率65%，年總輻射量607.79kg/cm2[8]。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為風(fēng)沙土，保水性差，且養(yǎng)分含量較低。同時(shí)該區(qū)域內(nèi)廣泛分布有紫紅色的砒砂巖，水土流失嚴(yán)重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將砒砂巖與風(fēng)沙土按1:1、1:2、1:5進(jìn)行復(fù)配。每個(gè)配比設(shè)1個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（5m×12m），分別設(shè)置2個(gè)重復(fù)。每個(gè)小區(qū)表層30cm為復(fù)配土壤，30cm以下為當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙土。復(fù)配土壤性質(zhì)見表1，試驗(yàn)小區(qū)布置圖見圖1。各處理均采用常規(guī)耕作和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥管理措施，種植作物為玉米（偉科702）。

表1 土壤主要理化性質(zhì)

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖

1.3 采樣與分析

采用水分中子儀（CNC100）測(cè)定復(fù)配土容積含水量。測(cè)定時(shí)間為2014年、2015年玉米生長(zhǎng)階段5～10月，間隔為15～20d，每20cm為一層，測(cè)試不同比例0～120cm復(fù)配土容積含水量。每年種植季玉米收獲后，分層測(cè)試不同比例復(fù)配土容重。降雨量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象網(wǎng)榆林站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)。

土壤儲(chǔ)水量（W）為土壤體積含水量（V）與土層厚度（h）計(jì)算而得：

式中：W 為土壤儲(chǔ)水量（mm）；h為土層厚度（cm）；V 為土壤體積含水量（cm3/cm3）。

數(shù)據(jù)采用軟件SPSS18.0中的ANOVA進(jìn)行方差分析，并采用SigmaPlot10.0、Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖并分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象環(huán)境因子變化特征

研究區(qū)2014年、2015年玉米生長(zhǎng)期氣象環(huán)境因子變化如圖2所示，由圖2可知，2014年玉米生長(zhǎng)期間共發(fā)生降雨55次，累積降雨量288.5mm；2015年玉米生長(zhǎng)季降雨共49次，累積降雨量295.9mm。2014年雖然降雨次數(shù)多，但降雨總量稍低于2015年。2014年單次最大降雨量37.5mm，最小降雨量為0.1mm，大于10mm的降雨量10次，占降水量的18.18%，小于5mm的降雨為40次，占降水量的72.72%。2015年單次最大降雨量23.4mm，最小降雨量為0.1mm，大于10mm的降雨量11次，占降水量的22.45%，小于5mm的降雨為29次，占降水量的59.18%。玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，研究區(qū)空氣溫、濕度年際變化較小，2014年與2015年的平均溫度分別為20.16℃、20.21℃；平均濕度分別為54.08%、49.77%。

圖2 玉米生長(zhǎng)季空氣溫濕度及降雨量變化

2.2 不同配比下復(fù)配土含水量時(shí)空變化特征

2.2.1 復(fù)配土含水量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

不同配比下復(fù)配土壤含水量季節(jié)變化如表2所示。由表2可知，2014年，配比為1:1時(shí)，含水量峰值在5月份，且 6、7、8 月份的含水量均較高，在 9%以上，9、10 月份土壤含水量較低，均低于7%以下。配比為1:2時(shí)，復(fù)配土含水量在5、6、7、8月均較高，其峰值在 8月，9、10月份的含水量較低。配比為1:5時(shí)，復(fù)配土含水量在6、7、8月均較高，其峰值在8月，9、10月份的含水量較低。2015年，不同配比下土壤含水量在7、10月份均高于2014年，尤其是7月份，不同配比下復(fù)配土含水量均高于20%，這主要是由于2015年玉米生長(zhǎng)期間降雨主要集中在7月中旬到8月上旬，補(bǔ)給的水分較多。總體來說，不同配比不同月份不同年份，土壤含水量均表現(xiàn)為1:1＞1:2＞1:5，表明砒砂巖在風(fēng)沙土中的含量越多，其保水性越好，這與砒砂巖的吸水保水性較好有關(guān)，張露等發(fā)現(xiàn)砒砂巖含量越高，復(fù)配后的土壤保水性越好[9]，與本研究結(jié)果一致。

表2 不同配比下復(fù)配土壤含水量季節(jié)變化

2.2.2 復(fù)配土含水量剖面動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

不同配比下復(fù)配土含水量垂直變化均較為明顯（圖3），主要表現(xiàn)為表層土壤（0～20cm）的含水量明顯大于深層土壤（40～120cm），尤其是復(fù)配比為1:1時(shí)，含水量的剖面變化最大。0～120cm的平均含水量表現(xiàn)為1:1＞1:2＞1:5，不同配比復(fù)配土在不同年份中，平均含水量均表現(xiàn)為2015年的含水量＞2014年。

圖3 2014年、2015年0～120cm深度內(nèi)土壤體積含水量剖面圖

2014年，砒砂巖與風(fēng)沙土配比為1:1時(shí)，0～20cm的含水量明顯高于40～120cm，20cm處達(dá)到峰值為13.51%；40cm以下含水量逐漸降低。配比為1:2時(shí)，10cm處含水量相對(duì)較高，為9.63%，而后含水量隨土層深度的增加，逐漸減小。配比為1:5時(shí)，40cm處含水量最高為8.06%，高于同土層1:1和1:2的含水量。三種配比的復(fù)配土在40cm以下含水量變化較為一致。這是由于復(fù)配土僅在0～30cm的耕作層，在風(fēng)沙土中添加砒砂巖后，增加了粘粒含量，提高了持水性，而30cm以下均為當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙土，孔隙大，滲漏快，所以含水量的變化相對(duì)一致。2015年，0～20cm，不同配比的復(fù)配土含水量表現(xiàn)為1:1＞1:5＞1:2，40～120cm不同配比的復(fù)配土含水量表現(xiàn)為1:2＞1:1＞1:5。砒砂巖與風(fēng)沙土配比為1:1時(shí)，含水量的峰值在10cm處，為16.88%，而后逐漸降低，60cm以下含水量基本不變。配比為1:2時(shí)，含水量峰值在10cm處，為10.99%，然后呈波浪線變化。配比為1:5時(shí)，含水量峰值在20cm處，為12.46%，呈波浪線變化。含水量在垂直空間的變化一般分為增長(zhǎng)型和降低型，與土壤性質(zhì)、降雨及地形有關(guān)。2015年含水量的變化幅度較大，這與2015年的降雨量有關(guān)，從各年含水量變化趨勢(shì)可知，復(fù)配土的含水量變化基本屬于降低型。楊新民研究了黃土丘陵區(qū)0～200cm土壤水分動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤含水量呈降低型，且含水量峰值在20～40cm間，與本研究結(jié)果相似[10]。

2.3 不同配比下復(fù)配土儲(chǔ)水量變化特征

土壤儲(chǔ)水量可反映土壤調(diào)節(jié)和貯蓄水分的能力[11]，反映了土壤水分的真實(shí)值及水分利用情況[12]，可決定作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。由于復(fù)配土的混合深度為0～30cm，因此僅計(jì)算了2014年、2015年間不同配比的復(fù)配土0～30cm層不同月份的儲(chǔ)水量（圖4）。復(fù)配土平均儲(chǔ)水量整體表現(xiàn)為 1:1＞1:2＞1:5。

圖4 2014年、2015年0～30cm復(fù)配土儲(chǔ)水量

毛烏素沙地降雨多集中在7～9月[13]，5月、6月的儲(chǔ)水量對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育尤為重要。2014年不同月份的儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為1:1最高，平均儲(chǔ)水量明顯高于1:2和1:5。1:1、1:2、1:5不同月份的平均儲(chǔ)水量分別為37.13、25.69、22.00mm。8月份和 10月份，1:5＞1:2，其余月份均為1:2＞1:5。2015年不同月份的儲(chǔ)水量均較高，除6月份外，均為1:1＞1:2＞1:5。7月份各比例儲(chǔ)水量均最高，1:1、1:2、1:5 分別為 81.16、66.19、58.49mm。不同月份的平均儲(chǔ)水量分別為 48.11、41.52、33.25mm。

有研究表明土壤質(zhì)地可影響土壤的持水和水分滲透速度，從而影響儲(chǔ)水量。風(fēng)沙土中加入砒砂巖后，隨著種植年限的增加，風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)體中賦存的關(guān)鍵粒級(jí)含量（粘粒和粉粒）逐漸提高，砂土質(zhì)地逐步發(fā)生從砂土-壤砂土（1:2、1:5）-砂壤土（1:1）-粉砂壤（1:1）的轉(zhuǎn)變[14]，因而1:1時(shí)儲(chǔ)水量最高，Singh等在美國(guó)科羅拉多州半干旱草原的研究發(fā)現(xiàn)，粘質(zhì)壤土的含水量高于沙質(zhì)壤土[15]。

3 結(jié)論與建議

為將砒砂巖與沙復(fù)配成土固沙造田技術(shù)推廣至全國(guó)甚至全世界進(jìn)行沙地整治，探究了砒砂巖與沙復(fù)配后土壤的水分變化情況，得出以下結(jié)論：砒砂巖與風(fēng)沙土混合后，隨復(fù)配比例的增加，越易保持水分，總體表現(xiàn)為1:1＞1:2＞1:5。復(fù)配土含水量的變化與降雨變化較為一致，2014年、2015年均是7、8月份的含水量較高。不同配比下，尤其是1:1和1:2，復(fù)配土含水量在垂直空間上呈降低型變化，0～20cm土層土壤含水量顯著高于20～120cm土層含水量。各年份的復(fù)配土平均儲(chǔ)水量整體表現(xiàn)為1:1＞1:2＞1:5。從復(fù)配土的水分含量來看，砒砂巖含量越高，復(fù)配土的保水性越好。本研究表明復(fù)配土的含水量與降雨量相關(guān)性較高，需進(jìn)一步開展不同水平年份的復(fù)配土水環(huán)境效應(yīng)研究。此外，砒砂巖與沙復(fù)配成土后進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，還需根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)變化及作物的產(chǎn)量高低等來篩選最佳的復(fù)配比例。