不同混合比例的砒砂岩与沙复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律

马增辉1，韩霁昌1*，张瑞庆1，2 (1．陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西地建土地工程技术研究院，国土资源部退化及未

利用土地整治工程重点实验室，陕西西安710075;2．西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100)

土壤质地是土壤中各粒级占土壤质量的百分比组合。不同地粒级组成决定不同的土壤质地。质地类型决定着土壤蓄水、导水性，保肥、供肥性，保温、导温性，是评价土壤肥力和作物适宜性的重要依据。位于陕、蒙、宁的毛乌素沙地地质上属于典型的多层次过渡带，生态环境脆弱，是我国北方沙漠化最严重的地区之一，人地矛盾相对突出，境内砒砂岩和沙广泛分布。砒砂岩无水坚硬如石，遇水则松软如泥，随水大量流失，被誉为“环境癌症”。群众深受其水土流失危害［1］，视其毒如砒霜，故称其为“砒砂岩”。而沙子结构松散，漏水漏肥，有机质和养分含量很少，水分的深层损失量大，有效利用率很低。土地沙漠化和砒砂岩的水土流失并称“两害”，严重制约区域可持续发展。韩霁昌等［2］提出，毛乌素沙地的砒砂岩和沙二者物理构成存在一定的互补性，将其按照一定比例混合后可以达到改善风沙土的理化性状、提高其生产力的目的。

土壤质地(机械组成)是土壤中各粒级占土壤质量的百分比组合，是土壤最基本的物理性质之一。土壤质地在植物生产以及土壤养分循环中起着非常重要的作用。第一，土壤质地能够直接影响土壤的空隙状况，而后者会对土壤的通气透水性和保水保肥性产生影响［3］，并可能进一步影响植物对水分和营养物质的吸收，导致生产力的变化;第二，土壤质地与土壤水分、空气和温度状况密切相关［4-5］，是评价土壤肥力和作物适宜性的重要依据［6］。砒砂岩与沙 1∶5、1∶2和 1∶1比例混合的土壤质地由原来的砂质土过渡为砂壤土乃至壤土，其保水保肥能力得到明显提高。关于砒砂岩的结构，有研究指出根据中国通用的土壤粒级划分方案［7］，砒砂岩中小于0．005 mm的黏粒含量仅有5% ～6%。黏粒缺乏会导致土壤中胶结物质缺乏，其稳定性降低，抗蚀性减弱。另外，砒砂岩与沙复配后，其毛管孔隙度随着砒砂岩的逐渐加入从26．33%增加到44．94%，通气孔度随之减少。这可能会导致复配土壤质地的不稳定性。因此，利用室内分析和田间小区试验的方法，研究砒砂岩与沙复配成土过程中黏粒、粉粒的运移规律。通过田间小区试验地土壤质地中粉粒和黏粒的变化来评价砒砂岩与沙成土的效果，为复配成土技术大规模推广，应用于毛乌素沙地农业种植提供科学依据，为今后更深入地研究砒砂岩与沙复配土壤提供参考。这对毛乌素沙地的开发、利用具有十分重要的现实意义，对当地的水土保持、沙化治理有一定的生态环境效益，同时能增加耕地。将试验成果大范围推广，能带来巨大的经济效益，对增加当地农民收入、提高当地人们生活质量意义深远。

1 材料与方法

1．1 研究区概况 试验中所需砒砂岩和风沙土取自于陕北榆林市榆阳区小纪汗乡。试验在陕西地建土地工程技术研究院进行。该研究区位于陕西省富平县，其地理位置为108°57′～109°26′E、34°42′～35°6′N，海拔375．8 ～1 420．7 m，气候属于大陆性季风温暖带半干旱型气候区，年总辐射量5 187．4 MJ/m2，年平均日照时数约 2 389．6 h，年均气温为13．1 ℃，年平均降水量527．2 mm(1960 ～1995 年)，降水年际变率大，年降水变异系数(CV)达21．2%。供试土壤的理化性状见表 1［8］。1．2 试验方法 试验中将砒砂岩与沙的混合比例设置1∶1、1∶2和1∶5 3种比例，每种混合比例3次重复，共布设9个小区，每个小区面积为4 m2。试验小区采取自南向北”一”字型布设。根据常作土壤耕层深度为20～40 cm，在试验小区0～30 cm土层上覆盖砒砂岩与沙不同混合比例的复合土壤。为了模拟实地条件，30～70 cm土层为沙土填装。

表1 砒砂岩和沙的基本理化性状

小区采用小麦和玉米轮作模式，其中小麦品种为小堰22，玉米品种为户单4号。从2010年6月到2012年6月，3个小区均采用当地农民传统的水肥管理措施。种植前，施入基肥，即施磷酸二铵300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2;在小麦生长期间，灌溉3次，每次90 mm，追施尿素2次，每次150～225 kg/hm2;在玉米种植期间，灌溉1次，追施尿素1次，每次为150 kg/hm2。具体试验方案见表2。

表2 试验方案

1．3 采样与分析 土壤质地类型决定土壤蓄水、导水性，保肥能力。分别于作物种植前(2010年)、2011年玉米收获后和2012年玉米收获后，在不同砒砂岩与沙复配比例的试验小区用土钻采取0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～40、40～50、50～70 cm 深度土壤样品。每次取样均在施肥和灌溉后7 d内进行，分3次对土壤样品进行采集、测定、分析。采用马尔文(Mastersizer 2000)激光粒度分析仪，测定土壤机械组成。

2 结果与分析

2．1 复配土壤剖面中粉粒运移特征 由于砒砂岩和沙主要在表层30 cm土层混合，各小区表层粉粒含量较高，下层土壤剖面中粉粒含量都较少。由图1可知，随着种植年限的增加，土壤剖面中粉粒富集土层有向下运移的趋势，同时下层粉粒比例也有小幅度提高。究其原因，可能是由于在种植过程中，在灌溉或耕作等田间管理措施的影响下砒砂岩逐渐分散为以粉粒为主颗粒，在重、及灌溉水驱动下复配土中的粉粒通过沙粒间空隙向下运移。研究指出，土壤粒径分布影响着土壤水力特性、土壤肥力及土壤侵蚀［9-10］，但是由于种植年限较少，这种运移趋势还不太明显。从3种砒砂岩与沙混合比例来看，在复配土的表层0～30 cm，粉粒含量大小顺序为1∶1比例处理＞1∶2比例处理＞1∶5比例处理。这是因为在3种不同比例的复配土壤中，1∶1处理的砒砂岩所占的比例最高，随沙中混合的砒砂岩比例增加，沙粒含量不断减少，粉粒含量大幅度增加，所以其粉粒含量最高;但是，随着种植年限的增加，在砒沙岩与沙1∶5复配土壤中，粉粒比例的增加幅度比其他比例的复配土稍微高一些。因此，有研究指出，砒沙岩与沙混合的比例范围≥1∶5时较合适［11］。

2．2 复配土壤剖面中黏粒运移特征 由图2可知，与粉粒一样，各小区的黏粒含量在0～30 cm耕作层较高，在耕作层以下黏粒含量都较少。随着种植年限的增加，表层土壤的黏粒含量也有向下运移的趋势，但这种运移趋势比粉粒还微弱，下层土壤中黏粒含量有小幅度增加。这可能是因为黏粒含量本身较少，田间管理措施影响黏粒经粉粒和沙粒的空隙向下运移。从3种比例的砒砂岩与沙混合来看，1∶1比例的复配土壤耕作层中黏粒含量最多，1∶2与1∶5比例的土壤耕作层中黏粒含量相差较少。这是因为黏粒含量在砒砂岩中较高，砒砂岩越多，黏粒含量所占比例就越大，但是与粉粒相比，黏粒含量的增加幅度较小。黏粒含量对土壤有很大的影响。土壤细粒尤其是黏粒具有长期固碳和氮的能力，通过黏粒胶体的吸附以及与土壤有机质形成有机复合体的形式，对土壤有机碳和氮起物理保护作用［12］。有研究表明，土壤黏粒与土壤有机碳、全氮含量(TN)的相关程度还可能受到其他因素的制约，如气候条件［13-14］、土壤有机质的化学稳定性［15］以及土壤排水能力［16］等。

3 结论

土壤质地决定土壤蓄水、导水性，保肥性，保温、导温性，土壤呼吸，通气性及土壤耕性等。利用室内分析和田间小区

试验的方法，研究砒砂岩与沙复配成土过程中黏粒、粉粒的运移情况。

(1)在3种不同比例的砒砂岩与沙复配土壤中，粉粒和黏粒主要集中在土壤表层0～30 cm处，下层土壤中粉粒和黏粒含量都较低;从不同砒砂岩与沙的混合比例来看，由于1∶1复配土壤中砒砂岩比例较高，表层土壤中粉粒含量最高，其大小顺序为1∶1比例处理＞1∶2比例处理＞1∶5比例处理。

(2)随着种植年限的增加，粉粒和黏粒富集土层有向下运移的趋势，尤其是表层土壤中的粉粒向下运移趋势显著。同时，下层土壤中粉粒和黏粒比例也有小幅度增加。这种粉粒和黏粒向下运移趋势从长久来看将会导致复配土上层土壤趋于沙化，下层土壤趋于壤土化，逐渐形成“上松下实”的蒙金土，更加有利于植物的生长，为复配成土技术大规模推广应用于毛乌素沙地农业种植提供科学依据。

(3)依据复配土的这种变化趋势，在土地整治实践中，采取每隔一定年限后继续向复配土壤表层中加入一定比例的砒砂岩，从而阻止表层土壤质地返砂质化现象的发生，同时可以持续不断地使下层土壤质地得到改良，从长久来看，整个复配土壤的耕作层将会出现越来越厚的趋势。这对毛乌素沙地的开发及利用具有十分重要的现实意义，对当地的水土保持、沙化治理有一定的生态环境效益，同时能增加耕地。将试验成果大范围推广也能带来巨大的经济效益，对增加当地农民收入、提高当地人民群众生活质量意义深远。

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