砒砂巖與沙復(fù)配土壤組成變化及玉米產(chǎn)量可持續(xù)性分析

張海歐, 曹婷婷, 楊晨曦

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 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, 西安 710021;3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710021; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心, 西安 710021)

毛烏素沙地以光照資源豐沛，光合效率高，成為玉米等作物主要生產(chǎn)基地，春玉米正是榆林當(dāng)?shù)氐闹饕r(nóng)作物之一，其經(jīng)濟(jì)效益巨大。然而，沙地受風(fēng)蝕堆積作用，地貌多為起伏不平的沙丘，顆粒呈無團(tuán)聚的分散狀態(tài)，抗風(fēng)蝕性差，土體營養(yǎng)物質(zhì)貧瘠，不利于植物生長，只在“肥力島”處滋生有零星的小灌叢，植被極為稀疏，無經(jīng)濟(jì)價值。韓霽昌等[1]研究發(fā)現(xiàn)砒砂巖具有天然保水劑的作用，揭示了砒砂巖的保水機(jī)理，提出了規(guī)?；褂门皫r改良毛烏素沙地的可行性，即將一定量的砒砂巖和沙兩種物質(zhì)經(jīng)科學(xué)配比，使其成為滿足作物生長的新增耕地的耕作土壤層。風(fēng)沙土中添加砒砂巖能夠改善土壤質(zhì)地[2]，提升黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量[3]，降低氮素的淋溶和損失[4]，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和肥力[5-6]。然而，探索適合當(dāng)?shù)刂饕Z食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的砒砂巖與風(fēng)沙土的適宜混合比例，提高復(fù)配土壤的農(nóng)業(yè)適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。本文利用2010—2018年砒砂巖與沙體積比為1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤的田間定位試驗數(shù)據(jù)，分析隨著玉米種植年限的增加不同比例復(fù)配土壤粉粒和黏粒含量及空間遷移規(guī)律，探索玉米產(chǎn)量可持續(xù)性及穩(wěn)定性，以期為砒砂巖與沙復(fù)配土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗區(qū)概況與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究團(tuán)隊于2010年在毛烏素沙地榆林市榆陽區(qū)建立了砒砂巖與沙復(fù)配成土野外科學(xué)觀測試驗小區(qū)，開展長期監(jiān)測。研究區(qū)環(huán)境條件具有典型的代表性，該地區(qū)氣溫年際變化較大，冬季(1月)平均溫度在-9.5～-12℃，夏季(7月)平均溫度在24±2℃；降水時空分布不均勻，秋季(尤其8月份)降水幾乎是全年降水量的60%～75%，并且年際間降水量也呈現(xiàn)出顯著差異，即濕潤年是干旱年降水量的2～4倍。此外，結(jié)合該地區(qū)光照條件充足，地下水埋藏較淺等特點，具備生產(chǎn)出高產(chǎn)量玉米的環(huán)境條件。研究區(qū)域以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)疏松，持水能力差，蒸散量大，導(dǎo)致經(jīng)常缺水。當(dāng)?shù)厮绍浺罪L(fēng)化的砒砂巖，結(jié)構(gòu)強度低，透水性差，但具有較好的持水能力和保水能力，并且當(dāng)?shù)氐叵滤軌驗橹参锷L提供水分，因此，將砒砂巖與風(fēng)沙土按照一定比例混合形成本試驗的復(fù)配土。

1.2 試驗小區(qū)設(shè)計

自2010年砒砂巖與沙復(fù)配成土整治示范工程項目完成起，建立了復(fù)配土長期定位試驗小區(qū)長5 m×寬12 m。在當(dāng)?shù)卦忌车乇韺影凑赵囼炐枨?，僅將0—30 cm土層分別按砒砂巖與風(fēng)沙土體積比1∶1，1∶2，1∶5進(jìn)行復(fù)配后，通過機(jī)械翻耙，使其充分混合，每種比例設(shè)置3個重復(fù)試驗小區(qū)，共計9個試驗小區(qū)。種植當(dāng)?shù)刂饕Z食作物春玉米(榆丹9號)，每年播種時間為5月中旬，9月下旬進(jìn)行收獲，種植制度為一年一季。播種前1～2 d施入復(fù)合肥(90 kg N/hm2，40 kg P/hm2，75 kg K/hm2)，在玉米拔節(jié)期以187 kg N/hm2追施尿素1次。灌溉的時間和量，根據(jù)天氣干旱、作物生長需要，以60 cm土層內(nèi)保持田間最大持水量的75%～80%為宜。為了避免由于種植不同玉米品種而對試驗造成的影響，按照試驗周期內(nèi)所種植的玉米品種，將試驗分為2個時間段，2010—2014年和2015—2018年種植玉米品種分別為榆丹9號、先玉335。試驗于每年玉米收獲后采用“S”形采樣方法，分別采集各處理下0—30 cm土樣，進(jìn)行土壤物理和養(yǎng)分指標(biāo)測定及分析。

土壤顆粒組成測定采用馬爾文激光粒度分析儀Mastersizer 2000(英國)，其粒度分級采用1951年美國農(nóng)業(yè)部(USDA)制的分級標(biāo)準(zhǔn)。每年按小區(qū)收獲計算玉米實收產(chǎn)量。

1.3 產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性指數(shù)計算

(1)產(chǎn)量穩(wěn)定性計算。采用變異系數(shù)(CV)表示產(chǎn)量穩(wěn)定性，衡量隨著年際變化同一品種作物平均產(chǎn)量間的變異程度，其值越小，表明產(chǎn)量穩(wěn)定性越高[7]。

(2)產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)計算

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)作為衡量土地可持續(xù)生產(chǎn)力的指標(biāo)，其值越大，說明可持續(xù)性越好[8-9]。

式中:Ymax為試驗點最高產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)配土壤粉粒和黏粒遷移規(guī)律分析

土壤是由不同粒徑的黏粒、粉粒和砂粒等顆粒組成，合理的機(jī)械組成是土壤良好發(fā)育的基礎(chǔ)，其影響著植物根系的生長[10-11]。不同種植年限1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土體剖面粉粒和黏粒遷移規(guī)律分別見圖1—3所示，試驗小區(qū)0—30 cm土層為砒砂巖與沙復(fù)配土壤，相比較于30 cm以下原始沙地土層中粉粒、黏粒含量高。隨著玉米種植年限的增加，3種比例復(fù)配土壤表層中粉粒和黏粒含量均有向下層土體運移，使下層土壤中的粉粒和黏粒含量增加。2010—2013年表層土壤中粉黏粒含量呈下降趨勢，30 cm以下土層其含量增加，2014年之后表層土壤粉粒、黏粒含量整體呈穩(wěn)定狀態(tài)，30 cm以下土層粉粒、黏粒含量增加速率減緩。其中，1∶1復(fù)配土壤10—20 cm土層中粉粒含量積累最多，30—40 cm土層中粉粒含量次之，黏粒含量在0—15 cm土層中積累量最多。1∶2復(fù)配土壤中10—20 cm土層中粉粒和黏粒含量均積累最多。1∶5復(fù)配土壤中0—10 cm土層中粉粒含量最大，10—20 cm土層中黏粒含量最大。

圖1 玉米不同種植年限1∶1復(fù)配土壤黏粒和粉粒遷移規(guī)律

隨著試驗的開展，表層土壤粉粒、黏粒含量向下運移的速率1∶5>1∶1>1∶2，這是由于風(fēng)沙土中隨著砒砂巖含量的增加，粉粒、黏粒含量逐漸增加，1∶5復(fù)配土壤中砂粒含量多，屬于砂質(zhì)土壤，顆粒粗糙，組成的粒間大孔隙數(shù)量多。2014年之后1∶2復(fù)配土壤表層粉粒、黏粒積累速率大于1∶5，1∶1，并且其向下運移速率小于1∶1，1∶5，這可能是作物種類、種植年限及混合比例等因素之間的交互作用影響了不同比例復(fù)配土壤的理化性狀，使得玉米種植模式下1∶2復(fù)配土壤穩(wěn)定性較好。隨著上層土壤中粉粒、黏粒的運移，2014年之后，30—40 cm土層粉粒、黏粒含量累積量不斷增加，2016—2018年1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤粉粒含量平均值分別為24.09%，8.75%，53.23%，分別是2010年的3.10倍、2.89倍和6.89倍，黏粒含量平均值為3.94%，1.87%，2.49%，與2010年相比較分別提高了4.19倍、5.04倍和1.47倍，40 cm以下土層中粉粒含量在6%以下、黏粒含量在2%以下，仍然很少，沒有達(dá)到作物生長需求。因此，隨著作物種植年限的增加和粉粒、黏粒的向下運移，使得土體剖面的耕層增加至30—40 cm土層厚度。

圖2 玉米不同種植年限1∶2復(fù)配土壤黏粒和粉粒遷移規(guī)律

2.2 不同比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量的變化特征

土壤的發(fā)育狀況及肥力水平高低在一定程度上決定了土地生產(chǎn)力的好壞，而土壤生產(chǎn)力作為土壤質(zhì)量的重要組成部分，其高低水平衡量了土壤質(zhì)量的好壞[12]。土壤肥力、氣候條件及人為管理措施等多因素共同作用影響著作物產(chǎn)量，因此作物產(chǎn)量的高低和變化的趨勢可以作為土壤可持續(xù)性分析的一個重要衡量指標(biāo)[13]。從圖4可以看出，3種比例復(fù)配土壤隨著玉米種植年限的增加產(chǎn)量整體呈現(xiàn)出上升趨勢，不同復(fù)配比例間產(chǎn)量差異較大，說明混合比例對玉米產(chǎn)量有著重要的影響，即不同比例復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)和肥力特征不同。與2010年相比較，到2018年1∶1，1∶2，1∶5復(fù)配土壤玉米產(chǎn)量分別提高了43.9%，105.9%，58.5%，2015年之后3種比例復(fù)配土壤玉米產(chǎn)量增加速率顯著，大小順序為1∶2>1∶5>1∶1，尤其是1∶2復(fù)配土壤2015年之后產(chǎn)量大于或等于當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田玉米產(chǎn)量，1∶5復(fù)配土壤玉米產(chǎn)量接近當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田產(chǎn)量。這是由于2015年之后，砒砂巖與沙復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)及肥力狀況達(dá)到相對穩(wěn)定的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合狀態(tài)，并且1∶2復(fù)配土壤產(chǎn)量增加速率最大，產(chǎn)量最高。

圖3 玉米不同種植年限1∶5復(fù)配土壤黏粒和粉粒遷移規(guī)律

圖4 3種比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量隨時間的變化

不同比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量隨時間變化的擬合方程見圖5，方程的斜率即為玉米產(chǎn)量年變化速率[g/(kg·a)]。隨著玉米種植季數(shù)的增加不同比例復(fù)配土壤產(chǎn)量整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，其中1∶2復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量增加速率極顯著(p<0.001)，每年達(dá)到1 249 kg/hm2；其次是1∶5復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量增加速率較顯著(p<0.005)，每年為792.7 kg/hm2；1∶1復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量與種植年限相關(guān)性較小，每年增加速率為546.8 kg/hm2。因此，由于復(fù)配土壤質(zhì)地、種植年限、作物生長特性等之間的交互作用，1∶2復(fù)配土壤對玉米產(chǎn)量提升更加顯著。

注：**年變化率極顯著(p<0.001)，*年變化率顯著(p<0.005)。

2.3 玉米產(chǎn)量可持續(xù)性及穩(wěn)定性分析

由表1可知，不同比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)不同，1∶2復(fù)配土壤能顯著提高玉米SYI值。不同比例復(fù)配土壤上玉米SYI值大小順序為，2010—2014年：1∶5>1∶2>1∶1；2015—2018年：1∶2>1∶5>1∶1，兩個時間段中1∶2，1∶5復(fù)配土壤產(chǎn)量可持續(xù)性較好。在2015年以后，3種比例復(fù)配土壤SYI均大于0.6，產(chǎn)量可持續(xù)性均較好，說明2015然后之后復(fù)配土壤向良好的土壤狀態(tài)發(fā)育，尤其1∶2復(fù)配土壤SYI值高達(dá)0.771，產(chǎn)量可持續(xù)性最好。

表1 不同比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)和變異系數(shù)

不同比例復(fù)配土壤上玉米生產(chǎn)的CV越小，表示穩(wěn)定性越高。不同比例復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量的CV值不同，2010—2018年1∶1復(fù)配土壤CV值較大，1∶5復(fù)配土壤CV值次之，1∶2復(fù)配土壤CV值最小，因此1∶2復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性最高。2015—2018年玉米平均產(chǎn)量大小順序為：1∶2>1∶5>1∶1，并且1∶2復(fù)配土壤上玉米多年平均產(chǎn)量超過了15 000 kg/hm2，與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田產(chǎn)量持平。綜上表明，1∶2復(fù)配土壤上玉米產(chǎn)量最高，產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性最好，說明砒砂巖與沙混合比例為1∶2時最適合玉米生長。

3 討 論

砒砂巖與沙復(fù)配成土，首要是進(jìn)行風(fēng)沙土顆粒組成優(yōu)化，引入砒砂巖中粉粒、黏粒，改良沙地的不良粒徑組成。然而這種新造復(fù)配土壤屬于非均質(zhì)土壤，粒徑組成狀態(tài)是否穩(wěn)定，在利用期間受耕作、灌溉以及其農(nóng)藝措施作用的影響較大，進(jìn)而影響土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)育。高亞軍等[14]研究結(jié)果表明，由于土壤顆粒組成在剖面中的垂直分異及其在土體中的含量不同，土壤顆粒組成的變化與黏粒的形成過程就是土壤的發(fā)育過程，黏粒豐富的土壤中，膠體含量越多，吸附土壤養(yǎng)分的能力越強。植被演替對土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的變化也具有重要的影響，植被對土壤條件的響應(yīng)是生物界最常見的自然現(xiàn)象之一[15]。砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)就是通過重構(gòu)沙地土體構(gòu)造和根區(qū)土層的顆粒，然而在新造土壤利用過程中，其土層中黏粒、粉粒含量的變化，對土壤的質(zhì)量演替過程的研究有著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)玉米的種植促進(jìn)了土壤細(xì)顆粒和養(yǎng)分在垂直剖面上的分化，使得耕層厚度增加。

土壤顆粒組成在土體剖面中的垂直分布及含量直接影響著土壤的水、肥、氣、熱等特性[16]，因此，可以說土壤的形成就是黏粒的形成與機(jī)械組成的變化[17-18]。復(fù)配土壤上作物種植不僅能有效地阻止沙地細(xì)顆粒物質(zhì)的流失，還能促進(jìn)細(xì)顆粒物質(zhì)的沉積，增加細(xì)顆粒物質(zhì)含量。2011—2013年試驗區(qū)表層(0—30 cm)土層3種比例復(fù)配土壤粉粒、黏粒含量呈下降趨勢，2014年之后整體呈穩(wěn)定狀態(tài)，在30—40 cm土層形成了一層相對致密的黏化層，黏化層的形成可有效防止水肥的滲漏，有利于提高復(fù)配土土體的保水保肥性。這主要是由于種植初期，新造復(fù)配土壤處于發(fā)育初期結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土壤結(jié)構(gòu)松散，土體空隙較大，具有很強的滑動性，粉粒、黏粒易被雨水沖刷向下層遷移。2014年之后玉米根系不斷產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)，根系分泌物對土壤顆粒的黏結(jié)，加強了土壤顆粒之間的聯(lián)結(jié)形成土壤微團(tuán)聚體，從而降低了粉粒、黏粒的向下遷移。同時，表層耕作土壤中枯枝落葉的分解和種植過程中有機(jī)肥的施用，使表層土壤質(zhì)地和養(yǎng)分的改善，土壤穩(wěn)定性提高，新造復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)不斷向良好的狀態(tài)發(fā)育。

作物產(chǎn)量的高低和變化趨勢在一定程度上能夠確切反映土壤生產(chǎn)力水平[19-21]。為了獲得玉米的高產(chǎn)，首先要選擇適合玉米生長的土壤。研究發(fā)現(xiàn)，2015年以后，隨著土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育狀態(tài)相對穩(wěn)定，3種比例復(fù)配土壤SYI較大，CV值減小，尤其1∶2復(fù)配土壤對玉米增產(chǎn)的效果最優(yōu)，SYI值明顯高于1∶1，1∶5，CV值小于1∶1，1∶5，即產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性最好，說明1∶2復(fù)配土壤受耕作管理措施、氣象因素及環(huán)境條件影響較小，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育及肥力水平較高。這主要是由于隨著種植年限的增加，玉米生長對土質(zhì)的需求和改善作用，不同質(zhì)地類型土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育不同，然而土壤結(jié)構(gòu)和肥力質(zhì)量是衡量土壤生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)，砒砂巖與沙混合比例不同，復(fù)配土壤具有不同的特性，各種作物屬性不同，對土壤的需求也不同。這與張衛(wèi)華等[22]、孫增慧等[23]研究結(jié)果一致，其研究顯示玉米種植下砒砂巖和風(fēng)沙土按1∶2復(fù)配后土壤養(yǎng)分累積和水分的利用效率較好。Dorraji等[24]研究顯示土壤改良劑對沙質(zhì)土壤中玉米產(chǎn)量具有顯著影響。說明，應(yīng)用砒砂巖改良風(fēng)沙土為毛烏素沙地的治理提供了切實可行的措施，不僅可以增加沙區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積，還可促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

復(fù)配土耕種年限和植被生長的綜合作用，改善了新造復(fù)配土壤粉粒、黏粒含量的空間分布特征，使得土體剖面的耕層增加至30—40 cm土層厚度，土壤顆粒級配趨于合理化，提高了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。1∶2復(fù)配土壤對玉米增產(chǎn)的效果最優(yōu)，SYI值最大，CV值最小，即產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性最好。因此，1∶2復(fù)配土壤理化性狀改良效果最好，使其朝著有利于玉米生長發(fā)育并獲得高產(chǎn)的方向發(fā)展，確定1∶2復(fù)配比例最適合玉米生長，提高了農(nóng)業(yè)適應(yīng)性，該復(fù)配模式可作為研究區(qū)砒砂巖改良風(fēng)沙土復(fù)配比例的最佳選擇。本研究為促進(jìn)砒砂巖與沙復(fù)配土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán)和穩(wěn)定性的提高提供理論依據(jù)。