砒砂岩添加对风沙土有机碳储量的影响

郭 振,张海欧

(1. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；2. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；3. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021；4. 陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

1 引言

全球干旱和半干旱地区的大规模扩张、环境条件的恶化以及人类活动的不合理作业，使得土地资源广泛退化，间接表明这些退化地区的土地正在逐步丧失固存碳的能力[1,2]。对土地进行不同方式的改良和利用是驱动土壤有机碳存储和全球碳循环变化的主要因素[3]。以土壤有机质形式存在的有机碳在土壤结构的形成和保护，土壤养分的循环以及土壤生物多样性中起着重要作用[4]。可见，土壤有机碳是人类社会可持续发展的自然资源，也是土地资源可持续发展的重要基础[5]。

土壤有机碳的研究通常以0～20 cm或者0～30 cm土壤表层和深层(20 cm或30 cm以下)的土壤为研究对象，土壤表层附近的土壤有机碳主要来自作物的地上凋落物和分布在土壤表层附近的根茬，而深层土壤有机碳主要来源于根系剥落和渗出物[6,7]。土壤有机碳的分布在很大程度上是异质的，这是因为表层土壤和深层土壤之间的土壤特性、植物种类、环境因子、土地利用和管理等水平不一样[8,9]。毛乌素沙地作为我国四大沙地之一，同时也作为我国沙漠化扩展速度最快的沙区之一，在该区域境内广泛分布着砒砂岩粘土矿物，可用作改良材料对沙地进一步沙化进行逆转，因此，减少水土流失、减少沙漠化加剧和培育耕地，对毛乌素沙区的生态环境在未来发展过程中的恢复具有重要意义[10～12]。

2 材料与方法

2.1 供试材料

砒砂岩和沙均取自陕西省榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村，砒砂岩中的矿物组成主要包括石英，蒙脱石，长石，方解石，伊利石，高岭石和白云石。 沙中的矿物主要是石英，剩余的矿物质主要是长石、高岭石、方解石和闪石。供试玉米品种为金诚508，小麦品种为小偃22，采用人工播种形式进行一年两熟轮作。

2.2 试验设计

为模拟毛乌素沙地混合层的土壤情况，试验小区深度设计为1 m，在0～30 cm土层铺设砒砂岩与沙不同比例的混合物，而30～70 cm则全部用沙进行填充。试验小区设置于2009年，本次研究仅选取砒沙岩与沙体积比分别为0∶1、1∶5、1∶2和1∶1(CK、C1、C2和C3)的4个处理，每个处理重复3次，共12个小区。试验田施用的化肥类型为尿素(含N46.4%)、磷酸二铵(含N16%、含P2O544%)、硫酸钾(含K2O 52%)。

2.3 研究方法

2019年6月收获小麦后，采集每个小区0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层土壤样品，采用五点法混合成一个土样，去除石砾和动植物残体后过孔径2 mm筛于室内进行自然风干。土壤容重采用环刀法进行测定，土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定[13]。

土壤有机碳储量[14]：

(1)

式(1)中，SOCstock为土壤有机碳储量(t/hm2)，i为土层代号，Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg)，Di为第i层土壤容重(g/cm3)，Ei为第i层土壤测量层的厚度(cm)，0.1为单位换算系数。

2.4 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2013软件进行相关计算并且进行作图，用DPS 18.10软件进行Duncan显著性检验。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳

成土10年来，砒砂岩与沙不同比例的复配土在10～30 cm土层间的有机碳含量无显著差异，在0～10 cm土层上添加砒砂岩的处理较CK处理有机碳含量均有显著增加(P<0.05)，增幅介于76.00%～117.88%之间。各土层间的有机碳含量分布分别为0～10 cm(3.56 g/kg)>10～20 cm(3.45 g/kg)>20～30 cm(3.11 g/kg)，随着土层的增加而降低。与CK处理有机碳含量的平均值相比，C1、C2和C3处理的有机碳均值在0～30 cm土层上分别增加了18.54%、9.48%和22.14%。双因素方差分析结果表明，随着成土年限的增加，复配比和土层以及两者间的综合作用对有机碳含量的影响不明显(表1)。

表1 各土层下不同处理间土壤有机碳含量

3.2 土壤容重

双因素方差分析结果表明，复配比和土层两个单因素均对土壤容重有显著的影响，但是二者的综合效果不显著(表2)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层的平均容重为1.71 g/cm3、1.94 g/cm3和2.13 g/cm3，随着土层的加深土壤容重发生显著变化。综合来看，随着砒砂岩比例的增加，土壤容重也有显著变化，其中C3和C4处理之间无显著差异，较CK和C1处理显著增加。在0～10 cm土层中，与CK处理相比，C1、C2和C3处理的容重分别增加了11.55%(P>0.05)、28.45%(P<0.05)和16.67%(P<0.05)；10～20 cm土层中，与CK处理相比，C1、C2和C3处理的容重分别增加了14.20%(P<0.05)、25.44%(P<0.05)和18.74%(P<0.05)，且C1、C2和C3处理间无显著差异；20～30 cm土层中，与CK处理相比，C1、C2和C3处理的容重分别增加了4.24%(P<0.05)、22.97%(P<0.05)和24.38%(P<0.05)，且C1、C2和C3处理间差异显著(图1)。

图1 各土层下不同处理间土壤容重分布特征

表2 土壤容重的双因素方差分析结果

3.3 土壤有机碳储量

复配比例和土层双因素综合方差分析结果表明，土层和复配比的交互作用对有机碳储量影响不显著(表3)。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层的平均有机碳储量为6.20 t/hm2、6.68 t/hm2、和6.62 t/hm2，随着土层的加深土壤有机碳储量增幅较小，未达显著差异。综合来看，随着砒砂岩比例的依次增加，土壤有机碳储量逐渐增加，其中CK、C1和C2处理间无显著差异，C3较CK处理显著增加了41.62%(P<0.05)。在0～10 cm土层中，与CK处理相比，C1、C2和C3处理的有机碳储量分别增加了137.55%(P<0.05)、125.56%(P<0.05)和154.41%(P<0.05)；10～20 cm土层中，与CK处理相比，C1、C2和C3处理的有机碳储量分别增加了14.94%、23.79%和17.10%，且所有处理间无显著差异；20～30 cm土层中，所有处理间的有机碳储量也无显著差异。0～30 cm土层中，CK、C1、C2和C3处理的有机碳储量分别为15.58 t/hm2、19.68 t/hm2、20.70 t/hm2和22.05 t/hm2，其中C3处理较CK处理有显著增加，增幅为41.56%。

表3 土壤有机碳储量的分布特征

4 结论

随着成土年限的增加，复配比和土层以及两者间的综合作用对有机碳含量的影响不明显。0～10 cm土层添加砒砂岩后有机碳含量显著增加。复配比和土层两个单因素均对土壤容重有显著的影响，随着土层的加深和砒砂岩的增加土壤容重发生显著变化。添加砒砂岩处理间0～30 cm土层的有机碳储量无明显差异，其中砒沙岩添加量为50%时显著高于纯沙处理。