砒砂巖添加對(duì)沙土碳庫(kù)管理指數(shù)和碳儲(chǔ)量的影響

郭 振，徐 艷

(1.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； 2.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； 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 710021)

毛烏素沙漠是我國(guó)四大沙漠之一，分布在陜晉蒙等接壤區(qū)域，近年來(lái)資源的大量開(kāi)采及人為不規(guī)則活動(dòng)導(dǎo)致該地水土流失嚴(yán)重，沙化現(xiàn)象加劇[1-2]。有機(jī)碳作為土壤中動(dòng)植物、微生物、膠結(jié)物質(zhì)、礦物質(zhì)和土壤酶等的有機(jī)載體，其含量的高低與土壤孔隙度、空間結(jié)構(gòu)和通透性密切相關(guān)，增加有機(jī)碳含量可以顯著改善土壤的緩沖性和持水抗蝕能力[3]。采用土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳庫(kù)管理指數(shù)等評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量一直是當(dāng)前碳循環(huán)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，而且土壤有機(jī)碳在調(diào)節(jié)碳平衡過(guò)程中也具有重要的作用[4-5]。

對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳質(zhì)量的評(píng)價(jià)一方面要考慮到“質(zhì)”，一方面也要考慮到“量”，而沙土有機(jī)碳含量的多少只反映了有機(jī)碳的數(shù)量并未反映其質(zhì)量[6]。因此，有學(xué)者根據(jù)碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)活度提出碳庫(kù)管理指數(shù)的概念，認(rèn)為碳庫(kù)管理指數(shù)能夠反映外界環(huán)境的擾動(dòng)和改變對(duì)土壤有機(jī)碳“質(zhì)”和“量”的影響，能夠動(dòng)態(tài)反映土壤肥力的變化特征和土壤質(zhì)量的演替程度，是一個(gè)較為敏感和全面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[7-8]。蔡曉布等[9]研究表明，在正常草地和退化草地中，土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)的變化特征相似，其中，退化草地表層的碳庫(kù)管理指數(shù)降幅較為明顯，能夠客觀地反映土壤質(zhì)量對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)。蘇麗麗等[10]研究表明，在免耕措施下表層(0～10 cm)的土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量顯著增加，同時(shí)0～60 cm土層的碳庫(kù)管理指數(shù)也顯著增加。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤的固碳能力約為大氣碳庫(kù)的2倍，是植被碳庫(kù)的3倍，土壤碳庫(kù)的微小變動(dòng)都會(huì)引起大氣CO2濃度的變化，影響全球碳庫(kù)平衡，因而土壤碳儲(chǔ)量的變化也備受各界的關(guān)注[11]。SIX等[12]研究表明，土壤擾動(dòng)破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，暴露了受物理保護(hù)的土壤有機(jī)碳進(jìn)而被礦化分解，不利于土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和質(zhì)量維持。曹婷婷等[13]研究表明，在土地工程措施下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著整治年限的增加而增加。

砒砂巖與沙是毛烏素沙漠廣泛分布的2種物質(zhì)，其中，砒沙巖干燥時(shí)堅(jiān)硬如石，遇水則松軟如泥，礦質(zhì)元素豐富且細(xì)小顆粒較多，而沙則漏水漏肥，以砂粒組成為主[14]。韓霽昌等[15]通過(guò)研究砒砂巖和沙的互作效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，砒砂巖與沙體積比介于1∶5～1∶1時(shí)適合玉米、大豆、馬鈴薯的種植，且可以大面積推廣。郭航等[16]研究了砒砂巖與沙復(fù)配土的膠結(jié)力，結(jié)果表明，隨著砒沙巖比例的增加土壤顆粒之間的作用力增大。李娟等[17]研究了砒砂巖與沙復(fù)配土的水肥效益，結(jié)果表明，砒砂巖與沙復(fù)配比為1∶1時(shí)可以顯著提高復(fù)配土的保水保肥效益。但由于復(fù)配土組成的復(fù)雜性及環(huán)境影響的多樣性，且復(fù)配土肥力較為低下，對(duì)復(fù)配土質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)和碳庫(kù)存儲(chǔ)的結(jié)果尚未有明確界定。因此，以砒砂巖與沙復(fù)配土3 a的試驗(yàn)小區(qū)為研究對(duì)象，分析不同比例砒砂巖添加對(duì)沙土有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，以期為沙地土壤質(zhì)量提升和生態(tài)系統(tǒng)改善提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

砒砂巖與沙復(fù)配土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)位于陜西省富平縣禇塬村(109°42′E、35°24′N(xiāo))，處于鄂爾多斯地臺(tái)南邊緣與渭河地塹北邊緣的斜坡地帶。地勢(shì)西北高而東南低，中部起伏不平，海拔376～439 m。屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫13.2 ℃左右，年平均降雨量527 mm左右，年總輻射量5 187 MJ/m2左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)為模擬鄂爾多斯高原毛烏素沙地狀況，將廣泛分布于毛烏素沙地的砒砂巖和風(fēng)沙土(沙)2種自然資源進(jìn)行采集復(fù)配。為模擬混合層的土壤情況，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2016年，本次研究于2019年進(jìn)行。僅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)小區(qū)供試玉米品種為金誠(chéng)508，小麥品種為小偃22，實(shí)行玉米—小麥一年兩熟輪作，全部人工種植。施肥量分別為N 255 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，化肥類(lèi)型分別為尿素(含N 46.4%)、磷酸二銨(含N 16%、P2O544%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。

1.3 研究方法

于2019年6月上旬收獲小麥后，采集不同處理各土層(0～10、10～20、20～30 cm)土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采用5點(diǎn)法采集1個(gè)混合樣，將采集的土樣去除石礫和動(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)碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[18]；活性有機(jī)碳含量的測(cè)定采用K2Cr2O7氧化法[19]。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式如下[13]：

(1)

式中，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)。

碳庫(kù)管理指數(shù)根據(jù)活性有機(jī)碳的含量進(jìn)行計(jì)算[6,8]：

CPMI=CPI×LI×100

(2)

CPI=SOC/SOCCK

(3)

LI=L/LCK

(4)

L=LOC/NLOC

(5)

式中，CPMI為碳庫(kù)管理指數(shù)，CPI為碳庫(kù)指數(shù)，SOCCK為對(duì)照土壤有機(jī)碳含量，LI為碳庫(kù)活度指數(shù)，L為樣本碳庫(kù)活度，LOC為活性有機(jī)碳含量(g/kg)，NLOC為非活性有機(jī)碳含量(g/kg)，LCK為對(duì)照碳庫(kù)活度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行計(jì)算與作圖，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行Duncan’s顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 砒砂巖添加比例對(duì)有機(jī)碳含量的影響

不同比例砒砂巖添加對(duì)沙土有機(jī)碳含量產(chǎn)生了一定的影響(表1)。在0～10 cm土層中所有處理的有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異。在0～20 cm土層中以CK的有機(jī)碳含量最高，為2.70 g/kg，顯著高于其他處理。而C1、C2和C3處理間的有機(jī)碳含量則無(wú)顯著差異，較CK依次降低了30.00%、33.33%和46.30%。在20～30 cm土層，所有處理間的有機(jī)碳含量也無(wú)顯著性差異。各土層之間相比較而言，平均以0～10 cm土層有機(jī)碳含量最高，為2.25 g/kg，其次為10～20 cm土層，為1.96 g/kg，20～30 cm土層有機(jī)碳含量最低，為1.79 g/kg。方差分析結(jié)果表明，復(fù)配比對(duì)有機(jī)碳含量有顯著影響，土層對(duì)有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響，且不同復(fù)配比和土層的雙因素作用結(jié)果對(duì)有機(jī)碳含量的影響也不顯著。

2.2 砒砂巖添加比例對(duì)活性有機(jī)碳含量的影響

土壤活性有機(jī)碳含量平均值隨著土層的加深而增大，各土層的平均活性有機(jī)碳含量為0.39(0～10 cm)、0.46(10～20 cm)、0.48 g/kg(20～30 cm)。在0～10 cm土層中，CK的活性有機(jī)碳含量為0.12 g/kg，C1、C2和C3處理與其相比分別增加了108.33%、491.67%和325.00%，C2處理較C1和C3處理分別增加了184.00%和39.22%。在10～20 cm和20～30 cm土層中，土壤活性有機(jī)碳含量的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為C3>C2>C1>CK，其中，CK和C1處理無(wú)顯著差異。10～20 cm土層中C2和C3處理的活性有機(jī)碳含量較CK分別增加了775.00%和787.50%，較C1分別增加了105.88%和108.82%，C2和C3處理間無(wú)顯著差異。在20～30 cm土層中，C2和C3處理的活性有機(jī)碳含量較CK分別增加了490.91%和509.09%，C1、C2和C3處理間無(wú)顯著差異(圖1)。方差分析結(jié)果表明，復(fù)配比對(duì)活性有機(jī)碳含量有顯著影響，土層對(duì)活性有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響，同時(shí)，復(fù)配比和土層的綜合作用對(duì)活性有機(jī)碳含量的影響也不顯著(表2)。

表1 各土層不同處理土壤有機(jī)碳含量

不同小寫(xiě)字母表示各土層下處理間的差異顯著(P<0.05)，下同

表2 復(fù)配土活性有機(jī)碳含量在雙因素影響下的方差分析

2.3 砒砂巖添加比例對(duì)土壤容重的影響

不同復(fù)配比例和土層均對(duì)土壤容重產(chǎn)生了顯著的影響。隨著土層的加深土壤平均容重依次增大，各土層的平均容重分別為1.77(0～10 cm)、1.99(10～20 cm)、2.18(20～30 cm) g/cm3，10～20 cm和20～30 cm土層的平均容重較0～10 cm土層分別增加了12.43%和23.16%。各土層中土壤容重的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為隨著砒砂巖比例的增加而增加的趨勢(shì)。0～10 cm和10～20 cm土層中，C2和C3處理無(wú)顯著差異，各處理的土壤容重較CK分別增加了18.60%～39.71%和20.03%～39.55%。20～30 cm土層中，與CK相比，C1、C2和C3處理中土壤容重依次顯著增加(圖2)。方差分析結(jié)果表明，復(fù)配比和土層單因素作用對(duì)土壤容重有顯著影響，但是其綜合作用對(duì)土壤容重的影響不顯著(表3)。

圖2 各土層不同處理的土壤容重

表3 復(fù)配土容重和有機(jī)碳儲(chǔ)量在雙因素影響下的方差分析

2.4 砒砂巖添加比例對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

方差分析結(jié)果表明，復(fù)配比、土層對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響均不顯著，復(fù)配比和土層的雙因素作用對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響也不顯著(表3)。 各土層下所有處理間的有機(jī)碳儲(chǔ)量無(wú)顯著差異，但卻有一定的變化規(guī)律。在10～20 cm土層中，C1、C2、C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量均低于CK，降幅12.05%～25.45%。在0～10 cm和20～30 cm土層中，C1處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量也低于CK，而C2、C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別增加5.79%～22.99%、16.05%～24.65%。整個(gè)復(fù)配土層(0～30 cm)的有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為C2>C3>CK>C1，其中C1處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量較CK降低13.89%，C2和C3處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量較CK分別增加4.40%和3.22%，說(shuō)明砒砂巖添加量大于33.33%時(shí)沙土才會(huì)出現(xiàn)碳存儲(chǔ)的效應(yīng)(表4)。

表4 各土層不同處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

2.5 砒砂巖添加比例對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

圖3表明，碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)在各土層間的變化規(guī)律一致，為20～30 cm>10～20 cm>0～10 cm，在0～10 cm土層，C2處理的碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)較其他處理顯著增加，其次是C3處理，顯著高于其他處理，此外C1處理和CK間無(wú)顯著差異。在10～20 cm土層，C3處理的碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)最大，C2、C1處理和CK與其相比依次顯著降低。在20～30 cm土層，碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)在C1、C2和C3處理間均無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK，此外，C1、C2和C3處理的碳庫(kù)管理指數(shù)均顯著高于CK，其中C2和C3處理間無(wú)顯著差異，但顯著高于CK和C1。碳庫(kù)指數(shù)的平均值以20～30 cm土層最大。在0～10 cm土層中各處理的碳庫(kù)指數(shù)無(wú)顯著差異，在10～20 cm土層中，以CK的碳庫(kù)指數(shù)最大，顯著高于其他處理，20～30 cm土層的碳庫(kù)指數(shù)具體表現(xiàn)為CK>C2>C3>C1，其中C1處理較CK顯著降低。方差分析結(jié)果表明，不同復(fù)配比和土層均對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)有極顯著的影響，且復(fù)配比和土層的綜合作用結(jié)果對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)也有極顯著的影響(表5)。

圖3 各土層砒砂巖與沙復(fù)配土的碳庫(kù)管理指數(shù)

表5 復(fù)配土碳庫(kù)管理指數(shù)在雙因素影響下的方差分析

3 結(jié)論與討論

砒砂巖與沙復(fù)配土作為一種新成土，是運(yùn)用工程手段將未利用或利用率低的沙土進(jìn)行資源利用和重組，而其中有機(jī)碳含量的多少是衡量復(fù)配土體質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[15]。有機(jī)碳含量的多少是由外源物的添加和碳庫(kù)輸出之間的動(dòng)態(tài)平衡決定的，本研究通過(guò)在沙土中添加不同比例的砒砂巖來(lái)改良沙土，結(jié)果表明，在0～10 cm和20～30 cm土層中，砒砂巖添加對(duì)土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響，但在10～20 cm土層中，砒砂巖添加均顯著降低了土壤有機(jī)碳的含量。這是因?yàn)榕皫r的添加改善了土體結(jié)構(gòu)，通氣性增強(qiáng)，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化作用，加速了有機(jī)碳的降解[20]。各土層平均有機(jī)碳含量以0～10 cm土層最高，10～20 cm和20～30 cm土層基本接近。究其原因，是因?yàn)閺?fù)配土體的田間試驗(yàn)管理以施化肥為主，通過(guò)化肥的施用繼而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，增加地上生物量，待作物收獲后再將作物秸稈還田[17]。秸稈還田的有機(jī)物料作為碳源的輸入途徑之一，主要集中在表層，另外作物主根系也主要分布在0～10 cm土層，其根系分泌物的釋放也促進(jìn)了表層土壤有機(jī)碳含量的增加[21]。由于成土年限短，土壤性質(zhì)還不穩(wěn)定，各土層間有機(jī)碳含量未表現(xiàn)出顯著性差異。

土壤容重是反映土壤緊實(shí)度的一個(gè)重要指標(biāo)，也能間接反映出土壤孔隙度的大小[11]。本研究結(jié)果表明，復(fù)配土的容重隨著砒砂巖比例的增加而增加，且土層越深土壤容重越大。這是因?yàn)榕皫r中細(xì)小顆粒較多，而沙土中以砂粒為主，兩者按照一定的比例進(jìn)行復(fù)配后粉粒和黏粒的含量顯著增加，各土層土壤質(zhì)地由砂土變?yōu)槿郎巴梁蜕叭劳羀22]。雙因素方差分析也表明，土壤容重受土層和復(fù)配比單因素的影響比較顯著，是因?yàn)?～30 cm土層是人工復(fù)配土，受人為耕作和人為擾動(dòng)比較明顯，也反映出短期的復(fù)配土土壤性質(zhì)不穩(wěn)定。 根據(jù)土壤容重、有機(jī)碳含量和土層厚度計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，結(jié)果表明，土層和復(fù)配比對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量無(wú)顯著影響，其中，0～10 cm土層的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量最高，其次為20～30 cm土層，10～20 cm土層最低。與CK相比，在0～10 cm和20～30 cm土層中，C2和C3處理增加了土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量，C1處理降低了土層有機(jī)碳儲(chǔ)量，究其原因可能是C2和C3處理增加了土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性。李娟等[23]研究表明，砒砂巖添加增加了沙土的穩(wěn)定性參數(shù)，當(dāng)沙土中砒砂巖的添加量分別為33.33%(C2)和50.00%(C3)時(shí)，土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可以促進(jìn)顆粒的吸附與膠結(jié)，但同時(shí)土壤的分型維數(shù)也增大，進(jìn)一步說(shuō)明短期的復(fù)配土土壤穩(wěn)定性較差。郭航等[16]研究表明，砒砂巖添加改變了沙土的土壤顆粒結(jié)構(gòu)組成，砒砂巖添加量為16.67%(C1)時(shí)，土壤顆粒之間為點(diǎn)接觸式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)砒砂巖的添加量分別為33.33%(C2)和50.00%(C3)時(shí)，土壤顆粒間的接觸方式多為面接觸，且土壤顆粒表面附有較多的黏著物。進(jìn)一步揭示了C2和C3處理有機(jī)碳儲(chǔ)量增加的原因。

土壤活性有機(jī)碳較土壤總有機(jī)碳能夠快速地對(duì)外界環(huán)境及耕作措施的改變作出響應(yīng)，是土壤中易被氧化的部分[24]。本研究方差結(jié)果表明，復(fù)配比對(duì)土壤活性有機(jī)碳含量有顯著的影響，不同比例的砒砂巖添加到沙土中均顯著增加了土壤活性有機(jī)碳含量，以C2和C3處理的增幅最大，且C2和C3處理間無(wú)顯著差異。究其原因可能是C2和C3處理的砒砂巖促進(jìn)了土壤中微生物多樣性的增加，繼而促進(jìn)微生物結(jié)構(gòu)均勻性和代謝活性增加。藍(lán)興福等[25]研究指出，土壤活性有機(jī)碳含量與土壤微生物活性有密切關(guān)系，而且微生物多樣性對(duì)土壤肥力的保持、碳庫(kù)循環(huán)及管理措施也有較好的響應(yīng)特征。隨著土層的增加，土壤活性有機(jī)碳含量也逐漸增加，但未表現(xiàn)出顯著差異。因?yàn)榕皫r中含有較多的膠體，復(fù)配初期土壤性質(zhì)還不穩(wěn)定，伴隨著復(fù)配土中膠體含量的增加，在降雨或淋溶作用下使活性碳組分向下遷移[26]。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)用以評(píng)價(jià)土壤管理措施引起土壤有機(jī)碳的變化，該指數(shù)反映土壤管理措施的科學(xué)性和土壤質(zhì)量的高低，該值越大表明土壤培肥作用增強(qiáng)，土壤各方面的性質(zhì)良性發(fā)展，反之則表明土壤肥力下降，土壤性質(zhì)向惡性方向發(fā)展[27]。本研究結(jié)果表明，10～20 cm土層和20～30 cm土層的碳庫(kù)管理指數(shù)均隨砒砂巖比例的增加而增加，在0～10 cm土層中以C2處理的碳庫(kù)管理指數(shù)最大，C3處理時(shí)碳庫(kù)管理指數(shù)開(kāi)始減小。因?yàn)?～10 cm土層受風(fēng)力、溫度、水分等因素的干擾較大，C3處理由于大小顆粒間的分子拉力逐漸大于原沙土中大顆粒與大顆粒之間的作用力，使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔隙度減小，通氣透水性減弱[20]。

綜合分析，復(fù)配比對(duì)土壤有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳含量、容重和碳庫(kù)管理指數(shù)均有顯著影響，土層對(duì)容重和碳庫(kù)管理指數(shù)有顯著影響。當(dāng)砒砂巖與沙復(fù)配比介于1∶2～1∶1時(shí)可以有效增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳庫(kù)管理指數(shù)，沙土性能向良性轉(zhuǎn)變。