土層復(fù)配方案對治溝造地新增耕地土壤肥力的影響

黃云鑫，李裕瑞，劉彥隨※，王永生，張軒暢

（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

為緩解延安市因退耕還林（還草）等生態(tài)工程建設(shè)導(dǎo)致的人地矛盾問題，2013年啟動實(shí)施了“治溝造地”國家土地整治重大工程，對項(xiàng)目區(qū)的溝道進(jìn)行了綜合整治[1]。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，將溝道內(nèi)的部分土丘或兩側(cè)的不規(guī)則坡體、危險邊坡切削，其土方用于填平溝道形成耕地[2]。黃土具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，不同土層的物理和化學(xué)性質(zhì)存在差異[3]。在填溝造地時用土通常包括紅黏土（Red Clay，RC）和馬蘭黃土（Malan Loess，ML）。馬蘭黃土質(zhì)地疏松、抗蝕性較差、保肥保水能力較弱，而紅黏土結(jié)構(gòu)致密，保水保肥性強(qiáng)，但干燥時質(zhì)地較硬，不利于作物生長。在治溝造地施工過程中，部分施工單位不注意兩種土壤在填方造地時的合理搭配，而表土剝離回填工作可能也不到位，從而導(dǎo)致了部分新造耕地質(zhì)量不高，進(jìn)而影響耕地后續(xù)有效利用。促進(jìn)耕地有效利用，關(guān)鍵之一在于協(xié)調(diào)作物-土壤關(guān)系，要點(diǎn)是耕地質(zhì)量的提升[4]，故應(yīng)采取一定措施，對部分質(zhì)量欠佳的地塊進(jìn)行改良。

已有研究對如何改良土壤、提高土壤的肥力做了大量的探索。李品芳等[5]采用客土法對天津?yàn)I海的鹽漬土進(jìn)行了改良，發(fā)現(xiàn)經(jīng)改良后鹽漬土的鹽漬程度降低，有機(jī)質(zhì)含量增加。劉永兵等[6]利用河道底泥進(jìn)行農(nóng)田耕作層改良發(fā)現(xiàn)，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了0.95～2.18倍，蔬菜產(chǎn)量提高了8.7%～13%。朱寶國等[7]研究表明，心土混合秸稈、石灰和磷肥能改善白漿土的物理性狀，提高土壤養(yǎng)分含量。張長生等[8]研究了摻沙措施對耕層土壤結(jié)構(gòu)和離子含量的影響，結(jié)果表明摻沙有利于大粒徑土壤微粒的形成，摻沙后耕層土壤的容重明顯減小。劉彥隨等[4]研究表明，利用不同質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性及其合理組配，能達(dá)到改良土壤機(jī)械組成、減小土壤容重、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的目的。關(guān)冰等[9]將粒徑為0～3 mm油頁巖施入沙土中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油頁巖能夠改良沙土理化性質(zhì)，顯著提高土壤的供肥保肥能力。此外，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用砒砂巖和沙化土進(jìn)行復(fù)配，土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有所增加，土體結(jié)構(gòu)得到明顯改善，土壤的養(yǎng)分條件和生產(chǎn)力得到顯著改善和提高[10-12]?，F(xiàn)有研究表明，通過合理的技術(shù)手段、利用適宜的物質(zhì)原料，能達(dá)到優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)、改良土壤質(zhì)量的目的。

在本研究區(qū)，治溝造地中的削坡工程會產(chǎn)生大量的土方，這部分土壤往往以馬蘭黃土和紅黏土為主。如上所述，二者是填方造地的原材料，但若二者搭配比例不合理，新造土地的質(zhì)量難以得到保障，尤其是紅黏土若不合理處置對于新增耕地的質(zhì)量具有較大負(fù)面影響。因此，基于已有研究，根據(jù)馬蘭黃土和紅黏土在性質(zhì)上的互補(bǔ)性，及二者在區(qū)域內(nèi)廣泛分布的現(xiàn)實(shí)條件，考慮因地制宜，利用紅黏土和馬蘭黃土進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。對于不同復(fù)配方案的效果，本研究擬通過土壤的肥力和作物生長狀況進(jìn)行反映。對于土壤肥力的評價，常用的有內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價法、層次分析法、主成分分析法等。其中內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價法、層次分析法的片面性和主觀性較強(qiáng)[13]，而主成分分析法充分考慮土壤的化學(xué)、物理、生物肥力，對土壤肥力的評價較為綜合客觀[14-15]。因此，采用主成分綜合評價法對不同復(fù)配方案土壤的肥力進(jìn)行評價，同時借助作物的生長指標(biāo)反映土壤的生產(chǎn)能力。研究針對“治溝造地”部分新增耕地質(zhì)量不高的現(xiàn)實(shí)問題，面向新增耕地后續(xù)可持續(xù)利用需求，利用馬蘭黃土和紅黏土進(jìn)行土壤復(fù)配試驗(yàn)，以期達(dá)到提高新造耕地質(zhì)量的目的，同時也為今后類似土地整治工程的實(shí)施提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的試驗(yàn)地位于延安市寶塔區(qū)羊圈溝流域的“治溝造地”項(xiàng)目區(qū)，在該項(xiàng)目區(qū)內(nèi)共計27.84 hm2土地得到了整治[1]。羊圈溝流域（109°31′～109°71′E，36°42′～36°82′N）位于黃土高原中部，流域面積2.02 km2，海拔在1 050～1 295 m之間，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬于半干旱性大陸季風(fēng)氣候，日平均日照時數(shù)為6.9 h，年平均氣溫為8.8 ℃，年最低平均溫度為-6.9 ℃，最高平均溫度為26 ℃，年平均降水量535 mm，多集中在6－9月（圖1），占全年降水量的70%左右，降雨多為短時強(qiáng)降雨[16]。土壤類型以黃綿土為主，土質(zhì)疏松，可耕性好，但抗蝕性差，加之降雨強(qiáng)度大，土壤流失較嚴(yán)重[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

利用紅黏土和馬蘭黃土進(jìn)行土層復(fù)配試驗(yàn)，探索營造優(yōu)質(zhì)耕地。紅黏土黏性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密，而馬蘭黃土結(jié)構(gòu)疏松，二者在結(jié)構(gòu)上具有天然的互補(bǔ)性，理論上利用其進(jìn)行復(fù)配以改良土壤具有可行性。兩類土在黃土高原地區(qū)分布廣泛，試驗(yàn)所用的ML和RC均來源于站點(diǎn)附近坡面，易于獲取。經(jīng)檢測，取用的紅黏土各養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)5.60 g/kg、全鉀11.53 g/kg、全氮0.42 g/kg、全磷0.57 g/kg、pH值為8.1；而取用的馬蘭黃土各養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)4.51 g/kg、全鉀4.06 g/kg、全氮0.28 g/kg、全磷0.60 g/kg、pH值為8.8。修建試驗(yàn)小區(qū)的原地塊均為“治溝造地”工程中的新造地塊，于2014年建造完工。試驗(yàn)共設(shè)計8種方案，其中對照處理T0為原狀土，為“治溝造地”工程中的新造地（原狀土），其是施工過程中形成的耕作層，通常由不確定比例的馬蘭黃土和紅黏土混合而成；7個試驗(yàn)處理T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7分別為不同比例RC和ML的復(fù)配土（表1），每種處理設(shè)計3個重復(fù)。土層復(fù)配的具體操作方式為：先將原新增耕地的表層30 cm土壤進(jìn)行剝離，然后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計要求，將不同體積比的ML和RC人工攪拌至均勻混合，隨后自然落下覆蓋到剝離了表土的小區(qū)表面（原狀土不需要），覆土厚度為30 cm（圖2）。試驗(yàn)小區(qū)于2014年4月建造，規(guī)格為5 m×7 m，完工后即用于耕種。小區(qū)種植當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)作物玉米，種植密度為42 250 株/hm2。玉米于2018年4月15日播種，同時以390 kg/hm2用量施用復(fù)合肥，后在6月5日及7月2日分別以179、143 kg/hm2用量分2次追施尿素。作物播種后依靠雨水灌溉。

表1 不同處理及其土壤機(jī)械組成Table 1 Mechanical compositions of soil in different treatments

1.3 樣品采集和處理

土樣于2018年10月底玉米收獲后采集。用于測定化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械組成的樣品采用多點(diǎn)混合取樣法采集，每個小區(qū)隨機(jī)取3個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)按0～10、>10～20、>20～30 cm進(jìn)行分層采樣，按層將每個小區(qū)3個樣點(diǎn)的樣品混合均勻，每個小區(qū)取3個混合樣。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后去除土樣中的石礫、植物殘體等，自然風(fēng)干、研磨過篩后用于測試。水穩(wěn)性團(tuán)聚體樣品的采集則是按0～10、>10～20、>20～30 cm分層取原狀土，然后將土塊沿自然裂痕剝離成1 cm3左右的小塊，自然風(fēng)干后用于測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。土壤容重采用環(huán)刀法測定，以同樣的方式進(jìn)行分層取樣。作物地上生物量和產(chǎn)量于同年10月初測定，采用五點(diǎn)采樣法，每個小區(qū)采集5棵植株，為避免外界干擾，小區(qū)邊緣的兩行植株不予采樣。將植株置在烘箱中于75 ℃恒溫烘干至質(zhì)量恒定，然后分別稱量秸稈和籽粒的質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)獲取

土壤機(jī)械組成采用 Bettersize 2000激光粒度分布儀進(jìn)行檢測，粒徑分組采用美國制標(biāo)準(zhǔn)[17]；土粒密度由比重瓶法測定，土壤孔隙度由相關(guān)公式計算得到[14]；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體通過濕篩法測定[14]；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏法、氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法、原子吸收分光光度法測定，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、有效鉀分別采用蒸餾法、雙波長比色法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法、乙酸銨提取-原子吸收分光光度計法測定，陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）采用醋酸銨交換-蒸餾法測定[18]。土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）和幾何平均直徑（Geometric Mean Diameter，GMD）通過式（1）、式（2）計算[19]，土壤肥力綜合評價得分由式（3）計算。[15]

式中為某級團(tuán)聚體的平均粒徑，mm；Wi為粒徑為i的水穩(wěn)性團(tuán)體百分含量，%；n為團(tuán)聚體粒級數(shù)；F為土壤肥力綜合得分；bj為第j個主成分的貢獻(xiàn)率；Zj為第j個主分量；m為主成分個數(shù)。

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22.0進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析，采用LSD（Least Significance Difference）多重比較法對比不同處理間的差異。利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)配方案土壤理化性質(zhì)

2.1.1 土壤物理性質(zhì)

不同土層復(fù)配方案下土壤的物理性質(zhì)存在差異（圖 3）。復(fù)配土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量提高明顯，其中T2和T3處理較T0處理分別提高了13.7倍和15.2倍，均達(dá)到顯著性水平（P<0.05）。不同處理>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)也存在著差異，T3處理的MWD顯著大于其他各處理的，比對照組的大29.1%；而對于GMD，T3處理顯著大于除T2以外的所有處理，較對照組T0提高了20.9%。T2、T3、T5、T7處理的土壤容重與對照組T0相比有一定程度的減小，其中T2、T5、T7處理減小了9.8%，T3處理減小了11.1%。T2、T5、T7處理的土壤孔隙度較對照組T0顯著提高了13.7%，T3處理較對照組顯著提高了15.3%（P<0.05）。

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

不同處理的土壤化學(xué)指標(biāo)如表2所示。其中，T3處理有機(jī)質(zhì)含量較對照組分別增加24.5%；各試驗(yàn)組土壤銨態(tài)氮較對照組T0提高了24.1%～55.3%；T3處理土壤硝態(tài)氮較T0處理增加了100%；而土壤全氮、全鉀，除T1處理外，均較T0有一定程度降低，這可能與原狀土經(jīng)過多年施用化肥導(dǎo)致土壤殘氮、殘鉀含量較高有關(guān)；對于土壤全磷，除T7處理較T0處理提高了22.4%以外，其余處理與對照組沒有明顯差異；對于土壤有效鉀的含量，T2、T3處理的含量顯著高于其他處理，較對照組分別提高了29.3%和17.6%，這說明這2種處理更有利于有效鉀素的賦存；此外，T2、T3處理CEC也顯著高于其他各處理，分別較T0處理高101%和80.9%，一定程度上說明這2種處理土壤肥力狀況較好。

表2 不同土壤處理化學(xué)指標(biāo)對比Table 2 Comparisons of chemical indexes of soil in different soil treatments

2.2 土壤肥力綜合評價

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，僅通過部分因子來評價土壤的肥力狀況，往往會得到片面的結(jié)果，無法對不同復(fù)配方案下土壤的肥力狀況做出綜合評價。因此本研究綜合考慮了土壤的物理肥力和化學(xué)肥力，選取了相關(guān)的12個指標(biāo)，采用主成分分析法對不同復(fù)配土壤的肥力進(jìn)行評價。

2.2.1 主成分的選取

主成分分析的碎石圖如圖4所示，各主成分的特征根和方差貢獻(xiàn)率如表3所示。由圖可以看出前3個主成分的特征根均大于1，且連線斜率均較陡。同時根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，當(dāng)各主成分的累計方差貢獻(xiàn)率大于85%時，就能解釋系統(tǒng)的大部分變異信息[15]。從表3可以看出第1個主成分和第2個主成分的貢獻(xiàn)率較接近，分別為44.4%和31.8%，第3個主成分的貢獻(xiàn)率為11.4%，三者的累積貢獻(xiàn)率為87.6%，基本能夠解釋數(shù)據(jù)的絕大部分變異，因此選取3個主成分比較合理。

表3 主成分分析的特征根和方差貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and contribution rate of variance of principal component analysis

2.2.2 因子載荷分析

因子在不同成分上的載荷情況可以很好地反映出各肥力因子與綜合肥力的關(guān)系（表4）。在主成分1上，銨態(tài)氮、陽離子交換量、孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等的載荷均超過0.5，且都為正向，說明這些肥力因子的情況和成分1的得分呈正相關(guān)，而全氮、全鉀、有效磷及容重與成分1的得分呈負(fù)相關(guān)。其中，孔隙度、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的載荷相對較高，因此可將主成分1看作表征土壤土體結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。在成分2上，有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、全鉀、陽離子交換量、有效鉀、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的負(fù)荷均超過0.5，且均為正向，說明這些肥力因子與成分2呈正相關(guān)，而全磷與成分2呈負(fù)相關(guān)。成分2上于養(yǎng)分的相關(guān)的指標(biāo)載荷較大，可將成分2看作表征土壤養(yǎng)分的指標(biāo)1。在成分3上，全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等的負(fù)荷值均大于0.4，且為正向，說明其與成分3呈正相關(guān)，可將成分3看作表征土壤養(yǎng)分的指標(biāo)2。由此可見，土壤的土體結(jié)構(gòu)是土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)，二者共同決定土壤的肥力狀況。

表4 肥力因子在各主成分上的載荷Table 4 Loading of fertility factor on each principal component

2.2.3 不同復(fù)配方案土壤肥力評價

由基于主成分分析的肥力綜合評價可見（表5），各處理的得分由高到低為T3、T2、T1、T5、T6、T4、T7、T0，T3處理的綜合得分較T0提高了4.09，T2處理較T0處理提高了3.71。而由表5可以看出，T2、T3處理在主成分1和主成分2上的得分均居于前列，說明在這2種復(fù)配方案下，土壤的結(jié)構(gòu)更好，同時土壤養(yǎng)分條件也更優(yōu)。

表5 不同處理主成分得分及土壤肥力綜合得分Table 5 Principal component scores and soil fertility score of different treatments

2.3 不同復(fù)配方案作物生長狀況比較

為反映不同復(fù)配方案地塊的生產(chǎn)能力，對玉米的相關(guān)性狀指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)果如表6所示。對于玉米的地上生物量而言，T3處理的顯著高于其余各處理，為15.85 t/hm2，較對照組T0提高23.9%。T3處理玉米籽粒產(chǎn)量為8.64 t/hm2，和T0、T4處理沒有顯著差異，但顯著高于其余各處理的，高出37.4%～43.6%，說明T3處理在試驗(yàn)處理中相對具有更高的生產(chǎn)能力。對比各組玉米的千粒質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)T3處理的顯著高于其余處理，較對照組高13.3%，說明該處理玉米的籽粒更飽滿，品質(zhì)更好（P<0.05）。

表6 不同土壤處理玉米生長指標(biāo)對比Table 6 Comparison of maize growth indexes under different soil treatments

3 討 論

3.1 土層復(fù)配對土壤物理性質(zhì)的影響

試驗(yàn)顯示，除T7外不同復(fù)配方案下土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較對照組顯著增加（圖3）。Edwards等[20]認(rèn)為團(tuán)聚體的形成過程實(shí)質(zhì)是黏粒通過多價金屬陽離子連結(jié)而吸附有機(jī)分子的過程，黏粒、陽離子、有機(jī)質(zhì)等在水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定中起重要作用[21]。Tisdall等[22]進(jìn)一步指出團(tuán)聚體是按粒徑大小逐級形成的，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低時，黏粒對團(tuán)聚體的形成起主導(dǎo)作用[23]，土壤中黏粒含量適度時既有充足的黏粒作為粘結(jié)劑，又有足夠的粉粒、砂粒作為團(tuán)聚體形成的骨架，能促進(jìn)團(tuán)聚微粒的形成；在團(tuán)聚微粒向更大粒級的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的過程中，金屬陽離子的鍵橋作用起關(guān)鍵作用，而過量的黏粒會減弱金屬離子的鍵橋作用從而不利于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[17]。與對照組T0相比，T2、T3處理土壤黏粒含量分別提高到7.9%和6.9%，粉粒含量分別提高到73.6%和72.4%（表1），細(xì)顆粒含量的提高有助于初始階段團(tuán)聚微粒的形成，為大團(tuán)聚體的形成提供充足的原材料；而T1處理因黏粒占比較高（17.3%），可能會減弱金屬陽離子的鍵橋作用，進(jìn)而減弱團(tuán)聚體的水穩(wěn)性。但同時也注意到，T5黏粒和粉粒的含量均較T0低，但>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量卻較T0高，這可能與微生物的活動有關(guān)，T5處理孔隙度較T0顯著增大，有助于增強(qiáng)微生物對團(tuán)聚體的網(wǎng)絡(luò)、連結(jié)作用，進(jìn)而增加團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[24]，T2、T3 >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量較高，同樣可能得益于孔隙度的增大。Dimoyiannis等[25]的研究表明CEC能增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，同時提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[7,26]。T2、T3處理的CEC分別為19.78和17.76 cmol/kg，分別較對照組（9.82 cmol/kg）提高了101.4%和80.9%；而T3處理的有機(jī)質(zhì)含量也較T0有所增加，增加了24.5%（表2）。適宜的機(jī)械組成，加之孔隙度、CEC、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)較優(yōu)，使得T2、T3處理>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相對較高，較T0處理分別提高了13.7倍和15.2倍（圖3）。

GMD和MWD是衡量土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，劉威等[27]發(fā)現(xiàn)GMD和MWD與>0.25 mm大團(tuán)聚體的數(shù)量顯著相關(guān)，楊如萍等[28]的研究中MWD的首要影響因素為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量，T2、T3處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量較高，其GMD和MWD也較大（圖3），這與已有研究相符。而土壤容重和孔隙度通常受耕作方式和土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響[29]，孫隆祥等[30]的研究表明>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與孔隙度呈正相關(guān)。本試驗(yàn)中，T2、T3、T5 >0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相對較高，其對應(yīng)的容重相對較小，而孔隙度則相對較大（圖 3），這與已有研究的結(jié)果基本一致。土層復(fù)配通過不同土壤的混合首先改變了土壤的微觀顆粒組成，進(jìn)而影響到團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，最終通過團(tuán)聚作用等對土壤的容重、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等宏觀物理結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生影響。

3.2 土層復(fù)配對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤化學(xué)性質(zhì)受多種因素的影響。Plante等[31]的研究表明團(tuán)聚體對有機(jī)質(zhì)具有保護(hù)作用，尤其是大團(tuán)聚體對有機(jī)質(zhì)的包裹作用，能減少有機(jī)質(zhì)與空氣的接觸，從而減少其損失量[32]；微生物能促進(jìn)有機(jī)物的分解，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的來源[33]。本試驗(yàn)T2、T3、T4處理團(tuán)聚體含量較高，其有機(jī)質(zhì)可能因此相對較高（表2）。Fatemeh等[34]研究表明，當(dāng)土壤中的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%時，能降低有機(jī)碳的分解速度，增加SOM的賦存量。T3處理的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.9%，可能也對減緩SOM分解有積極作用。同時，有學(xué)者研究表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與容重呈顯著正相關(guān)，這和本試驗(yàn)結(jié)果不一致，可能是由土地利用方式不同和土壤類型差異導(dǎo)致[35]。土壤氮、磷、鉀的數(shù)量和形態(tài)受土壤質(zhì)地、土壤含水率、pH值、土壤孔隙度等多種因素的影響[36-38]。占麗平等[37]研究認(rèn)為，隨著土壤黏粒含量升高，鉀素移動性降低，土壤微生物的活化作用會增加有效養(yǎng)分的含量[39]。試驗(yàn)中，T1、T2、T3黏粒含量較高（表1），土壤對鉀元素的固定作用較強(qiáng)，減少了鉀元素因淋溶而損失的量，因此其有效鉀和全鉀含量均較高（表2）。T2、T3處理有效鉀含量較高，可能是其孔隙度較大，同時有機(jī)質(zhì)含量較高，這為微生物的活動提供了良好條件，增強(qiáng)了微生物的活性，微生物的活動進(jìn)一步增強(qiáng)了鉀的有效性。楊碩等[40]發(fā)現(xiàn)翻耕可使土壤變得疏松，促進(jìn)硝化作用，從而增加硝態(tài)氮的含量，原因可能是土壤孔隙度的變化對微生物的活動產(chǎn)生了影響，從而影響土壤中氮的轉(zhuǎn)化。T3處理土壤孔隙度較大，利于好氧微生物的硝化作用，因此可能具有較高的硝態(tài)氮含量；T2、T5、T7處理的孔隙度雖然也較大，但硝態(tài)氮含量并沒有顯著增加（圖3，表2），可能與土壤質(zhì)地、孔隙特征等導(dǎo)致的硝態(tài)氮淋溶強(qiáng)度不同有關(guān)[41]。此外，有學(xué)者的研究表明土壤中氮的轉(zhuǎn)化還與有機(jī)碳相關(guān)[42]，這在本研究中未進(jìn)行探討，可在今后的研究中進(jìn)一步探索。

3.3 土層復(fù)配對土壤肥力的影響

土壤肥力是土壤物理、化學(xué)、生物因子的綜合作用結(jié)果。Abbott等[43]認(rèn)為土壤良好的物理性狀是土壤形成良好養(yǎng)分條件的基礎(chǔ)，而養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)條件，微生物則對養(yǎng)分轉(zhuǎn)換起重要作用。本研究主成分分析的結(jié)果表明，土壤孔隙度、容重和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在土壤肥力主成分1上的載荷分別為0.960、-0.964、0.815，載荷較高（表4），而主成分2和主成分3上土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮有效鉀等養(yǎng)分指標(biāo)的載荷均相對較高（表4），說明了土體結(jié)構(gòu)是土壤肥力形成的重要基礎(chǔ)，而土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心要素，這與Abbott等的觀點(diǎn)相符[43]。劉威等[27]認(rèn)為>0.25 mm的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)單元，與土壤肥力呈正相關(guān)，本研究中各試驗(yàn)組除T7處理外，>0.25 mm的團(tuán)聚體含量均高于T0處理的，各試驗(yàn)組也相應(yīng)表現(xiàn)出了更好的肥力。王倩等[14]的研究表明土壤的肥力不僅與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)，土壤的力穩(wěn)性和水穩(wěn)性對土壤肥力也有較大貢獻(xiàn)，T3處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD、MWD顯著高于其他處理，肥力也相應(yīng)最高。T2、T3處理具有較優(yōu)的容重、孔隙度、團(tuán)聚體等物理指標(biāo)，營造了良好的物理環(huán)境，因此也具有更好的養(yǎng)分條件和綜合肥力。此外，土壤肥力還與管理措施有關(guān)[14]，這在今后的試驗(yàn)中還需進(jìn)一步探討。可見，土層復(fù)配之所以能對土壤的肥力產(chǎn)生影響，主要在于其改變了土壤的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對土壤的功能產(chǎn)生影響。作物的生長狀況與肥力評價的結(jié)果不完全一致，這可能是還有其他未討論的因子，如土壤水含量、土壤溫度、微量元素等，對作物的生長具有較大的影響，后期還需完善評價指標(biāo)。

4 結(jié) 論

1）不同土層復(fù)配方案對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了差異化影響。除T7外，各試驗(yàn)組>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量均較對照顯著增加；T3處理>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD顯著增大。T3處理容重和孔隙度均較原狀土明顯改善。T3處理有機(jī)質(zhì)、有效鉀和硝態(tài)氮較T0處理顯著增加。土壤機(jī)械組成的改變是土壤結(jié)構(gòu)改變的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）主成分分析顯示，主成分1上孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等載荷較大，可看作表征土體結(jié)構(gòu)的指標(biāo)；主成分2上有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、全鉀、陽離子交換量、有效鉀等載荷較大，可看作表征土壤養(yǎng)分的指標(biāo)1；主成分3上全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的載荷較大，可看作表征土壤養(yǎng)分的指標(biāo)2。土層復(fù)配通過優(yōu)化土壤土體結(jié)構(gòu)，改善了是土壤養(yǎng)分條件，進(jìn)而提高了土壤的肥力。

3）綜合評價結(jié)果顯示，各處理土壤肥力綜合得分由大到小依次為T3、T2、T1、T5、T6、T4、T7、T0。當(dāng)紅黏土和馬蘭黃土以體積分?jǐn)?shù)66.7%和33.3%（T3處理）進(jìn)行復(fù)配時，雖對產(chǎn)量的改善不顯著，但能顯著提高作物地上生物量，改善土壤的肥力，因此認(rèn)為該復(fù)配方案相對最優(yōu)。

試驗(yàn)表明，土層復(fù)配是一種可行的快速營造高質(zhì)量土壤的技術(shù)方法。但因僅有一年的數(shù)據(jù)，對復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)、功能的有效性和持續(xù)性的說服力有限，未來仍需進(jìn)行長期觀測，獲取連續(xù)數(shù)據(jù)支撐相關(guān)結(jié)論。此外，作物產(chǎn)量沒有顯著提高可能與相關(guān)微量元素有關(guān)，后期可作進(jìn)一步探索。本試驗(yàn)為提升“治溝造地”工程新增耕地質(zhì)量提供了一種有效的技術(shù)方法，對促進(jìn)新增耕地后續(xù)有效利用具有一定實(shí)踐價值，同時也為今后類似整治工程的實(shí)施提供實(shí)踐技術(shù)參考。