砒砂岩与沙不同配比下的土壤水分研究*

程 杰，杜宜春，魏 静

（1.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 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075）

土壤水分是土壤的重要组成部分，参与土壤的物质循环与转化，是土壤形成发育的催化剂，其含量是判断土壤质量的重要指标，也是农业生产中作物生长的主要限制因子，并可直接影响生态平衡[1-2]。风沙土一般由0.02～2mm的颗粒组成，砂砾含量为90%以上，颗粒间空隙大，水分渗漏速度快，且矿物含量低，土壤胶体含量低，团粒结构差，水分保持能力差，难以维持作物生长对水分的需求，导致土壤生态系统生产力低下，植被覆盖度低，极易发生土壤风蚀[3]，因此，提升风沙土的保水性是沙土改良急需解决的关键问题。

毛乌素沙地是我国四大沙地之一，植被稀疏、结构单一，但水热资源丰富[4]，具有较好的开发潜力。同时，毛乌素沙地境内分布了大量砒砂岩，砒砂岩是一种常见的沉积岩，由于覆盖层厚度小，压力低，导致成岩程度低，砂砾间胶结差，结构强度低[5]，外在表现为无水则坚硬如石，遇水则松软如泥，极易风化[6]。已有研究表明，砒砂岩与风沙土在结构和性质上互补，按一定比例复配后可重构风沙土的孔隙与结构，使其成为适宜作物生长的“新土壤”，可种植玉米、马铃薯等作物[7]。然而土壤水分是沙荒地生态环境建设和植被恢复的基础，是保障砒砂岩与风沙土复配“新土壤”可持续利用的首要前提，因此，本文从复配土含水量时空变化规律及储水量变化特征等进行分析，以期对砒砂岩与沙复配成土技术的推广应用提供科学的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验区设在毛乌素沙地榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村，该地位于毛乌素沙漠南缘（109°28′58″-109°30′10″E，38°27′53″-38°28′23″N），属典型中温带半干旱大陆性季风气候区，降水时空分布不匀，春季多风干旱，秋季温凉湿润。年均气温8.1℃，≥10℃积温3307.5℃，且持续天数为168d。年平均无霜期154d，年平均降水量413.9mm，60.9%的降雨集中在7～9月份，雨热同期。年极端降雨量最大695.4mm，最小159.6mm，日最大降水量为141.7mm。年平均日照时数2879h，日照百分率65%，年总辐射量607.79kg/cm2[8]。试验区土壤主要为风沙土，保水性差，且养分含量较低。同时该区域内广泛分布有紫红色的砒砂岩，水土流失严重。

1.2 试验设计

将砒砂岩与风沙土按1:1、1:2、1:5进行复配。每个配比设1个试验小区（5m×12m），分别设置2个重复。每个小区表层30cm为复配土壤，30cm以下为当地风沙土。复配土壤性质见表1，试验小区布置图见图1。各处理均采用常规耕作和当地传统水肥管理措施，种植作物为玉米（伟科702）。

表1 土壤主要理化性质

图1 试验小区布置图

1.3 采样与分析

采用水分中子仪（CNC100）测定复配土容积含水量。测定时间为2014年、2015年玉米生长阶段5～10月，间隔为15～20d，每20cm为一层，测试不同比例0～120cm复配土容积含水量。每年种植季玉米收获后，分层测试不同比例复配土容重。降雨量数据来源于中国气象网榆林站点气象数据。

土壤储水量（W）为土壤体积含水量（V）与土层厚度（h）计算而得：

式中：W 为土壤储水量（mm）；h为土层厚度（cm）；V 为土壤体积含水量（cm3/cm3）。

数据采用软件SPSS18.0中的ANOVA进行方差分析，并采用SigmaPlot10.0、Excel软件对数据进行作图并分析。

2 结果与分析

2.1 气象环境因子变化特征

研究区2014年、2015年玉米生长期气象环境因子变化如图2所示，由图2可知，2014年玉米生长期间共发生降雨55次，累积降雨量288.5mm；2015年玉米生长季降雨共49次，累积降雨量295.9mm。2014年虽然降雨次数多，但降雨总量稍低于2015年。2014年单次最大降雨量37.5mm，最小降雨量为0.1mm，大于10mm的降雨量10次，占降水量的18.18%，小于5mm的降雨为40次，占降水量的72.72%。2015年单次最大降雨量23.4mm，最小降雨量为0.1mm，大于10mm的降雨量11次，占降水量的22.45%，小于5mm的降雨为29次，占降水量的59.18%。玉米生长期内，研究区空气温、湿度年际变化较小，2014年与2015年的平均温度分别为20.16℃、20.21℃；平均湿度分别为54.08%、49.77%。

图2 玉米生长季空气温湿度及降雨量变化

2.2 不同配比下复配土含水量时空变化特征

2.2.1 复配土含水量季节动态变化规律

不同配比下复配土壤含水量季节变化如表2所示。由表2可知，2014年，配比为1:1时，含水量峰值在5月份，且 6、7、8 月份的含水量均较高，在 9%以上，9、10 月份土壤含水量较低，均低于7%以下。配比为1:2时，复配土含水量在5、6、7、8月均较高，其峰值在 8月，9、10月份的含水量较低。配比为1:5时，复配土含水量在6、7、8月均较高，其峰值在8月，9、10月份的含水量较低。2015年，不同配比下土壤含水量在7、10月份均高于2014年，尤其是7月份，不同配比下复配土含水量均高于20%，这主要是由于2015年玉米生长期间降雨主要集中在7月中旬到8月上旬，补给的水分较多。总体来说，不同配比不同月份不同年份，土壤含水量均表现为1:1＞1:2＞1:5，表明砒砂岩在风沙土中的含量越多，其保水性越好，这与砒砂岩的吸水保水性较好有关，张露等发现砒砂岩含量越高，复配后的土壤保水性越好[9]，与本研究结果一致。

表2 不同配比下复配土壤含水量季节变化

2.2.2 复配土含水量剖面动态变化规律

不同配比下复配土含水量垂直变化均较为明显（图3），主要表现为表层土壤（0～20cm）的含水量明显大于深层土壤（40～120cm），尤其是复配比为1:1时，含水量的剖面变化最大。0～120cm的平均含水量表现为1:1＞1:2＞1:5，不同配比复配土在不同年份中，平均含水量均表现为2015年的含水量＞2014年。

图3 2014年、2015年0～120cm深度内土壤体积含水量剖面图

2014年，砒砂岩与风沙土配比为1:1时，0～20cm的含水量明显高于40～120cm，20cm处达到峰值为13.51%；40cm以下含水量逐渐降低。配比为1:2时，10cm处含水量相对较高，为9.63%，而后含水量随土层深度的增加，逐渐减小。配比为1:5时，40cm处含水量最高为8.06%，高于同土层1:1和1:2的含水量。三种配比的复配土在40cm以下含水量变化较为一致。这是由于复配土仅在0～30cm的耕作层，在风沙土中添加砒砂岩后，增加了粘粒含量，提高了持水性，而30cm以下均为当地风沙土，孔隙大，渗漏快，所以含水量的变化相对一致。2015年，0～20cm，不同配比的复配土含水量表现为1:1＞1:5＞1:2，40～120cm不同配比的复配土含水量表现为1:2＞1:1＞1:5。砒砂岩与风沙土配比为1:1时，含水量的峰值在10cm处，为16.88%，而后逐渐降低，60cm以下含水量基本不变。配比为1:2时，含水量峰值在10cm处，为10.99%，然后呈波浪线变化。配比为1:5时，含水量峰值在20cm处，为12.46%，呈波浪线变化。含水量在垂直空间的变化一般分为增长型和降低型，与土壤性质、降雨及地形有关。2015年含水量的变化幅度较大，这与2015年的降雨量有关，从各年含水量变化趋势可知，复配土的含水量变化基本属于降低型。杨新民研究了黄土丘陵区0～200cm土壤水分动态变化，发现该区土壤含水量呈降低型，且含水量峰值在20～40cm间，与本研究结果相似[10]。

2.3 不同配比下复配土储水量变化特征

土壤储水量可反映土壤调节和贮蓄水分的能力[11]，反映了土壤水分的真实值及水分利用情况[12]，可决定作物的生长发育和产量。由于复配土的混合深度为0～30cm，因此仅计算了2014年、2015年间不同配比的复配土0～30cm层不同月份的储水量（图4）。复配土平均储水量整体表现为 1:1＞1:2＞1:5。

图4 2014年、2015年0～30cm复配土储水量

毛乌素沙地降雨多集中在7～9月[13]，5月、6月的储水量对作物的生长发育尤为重要。2014年不同月份的储水量均表现为1:1最高，平均储水量明显高于1:2和1:5。1:1、1:2、1:5不同月份的平均储水量分别为37.13、25.69、22.00mm。8月份和 10月份，1:5＞1:2，其余月份均为1:2＞1:5。2015年不同月份的储水量均较高，除6月份外，均为1:1＞1:2＞1:5。7月份各比例储水量均最高，1:1、1:2、1:5 分别为 81.16、66.19、58.49mm。不同月份的平均储水量分别为 48.11、41.52、33.25mm。

有研究表明土壤质地可影响土壤的持水和水分渗透速度，从而影响储水量。风沙土中加入砒砂岩后，随着种植年限的增加，风沙土结构体中赋存的关键粒级含量（粘粒和粉粒）逐渐提高，砂土质地逐步发生从砂土-壤砂土（1:2、1:5）-砂壤土（1:1）-粉砂壤（1:1）的转变[14]，因而1:1时储水量最高，Singh等在美国科罗拉多州半干旱草原的研究发现，粘质壤土的含水量高于沙质壤土[15]。

3 结论与建议

为将砒砂岩与沙复配成土固沙造田技术推广至全国甚至全世界进行沙地整治，探究了砒砂岩与沙复配后土壤的水分变化情况，得出以下结论：砒砂岩与风沙土混合后，随复配比例的增加，越易保持水分，总体表现为1:1＞1:2＞1:5。复配土含水量的变化与降雨变化较为一致，2014年、2015年均是7、8月份的含水量较高。不同配比下，尤其是1:1和1:2，复配土含水量在垂直空间上呈降低型变化，0～20cm土层土壤含水量显著高于20～120cm土层含水量。各年份的复配土平均储水量整体表现为1:1＞1:2＞1:5。从复配土的水分含量来看，砒砂岩含量越高，复配土的保水性越好。本研究表明复配土的含水量与降雨量相关性较高，需进一步开展不同水平年份的复配土水环境效应研究。此外，砒砂岩与沙复配成土后进行农业种植，还需根据土壤结构变化及作物的产量高低等来筛选最佳的复配比例。