砒砂岩添加对沙土碳库管理指数和碳储量的影响

郭 振，徐 艳

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021； 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 710021)

毛乌素沙漠是我国四大沙漠之一，分布在陕晋蒙等接壤区域，近年来资源的大量开采及人为不规则活动导致该地水土流失严重，沙化现象加剧[1-2]。有机碳作为土壤中动植物、微生物、胶结物质、矿物质和土壤酶等的有机载体，其含量的高低与土壤孔隙度、空间结构和通透性密切相关，增加有机碳含量可以显著改善土壤的缓冲性和持水抗蚀能力[3]。采用土壤有机碳储量和碳库管理指数等评价土壤质量一直是当前碳循环研究的一个重要领域，而且土壤有机碳在调节碳平衡过程中也具有重要的作用[4-5]。

对农田土壤有机碳质量的评价一方面要考虑到“质”，一方面也要考虑到“量”，而沙土有机碳含量的多少只反映了有机碳的数量并未反映其质量[6]。因此，有学者根据碳库指数和碳库活度提出碳库管理指数的概念，认为碳库管理指数能够反映外界环境的扰动和改变对土壤有机碳“质”和“量”的影响，能够动态反映土壤肥力的变化特征和土壤质量的演替程度，是一个较为敏感和全面的监测指标[7-8]。蔡晓布等[9]研究表明，在正常草地和退化草地中，土壤有机碳、活性有机碳和碳库管理指数的变化特征相似，其中，退化草地表层的碳库管理指数降幅较为明显，能够客观地反映土壤质量对外界环境的响应。苏丽丽等[10]研究表明，在免耕措施下表层(0～10 cm)的土壤有机碳和活性有机碳含量显著增加，同时0～60 cm土层的碳库管理指数也显著增加。在陆地生态系统中，土壤的固碳能力约为大气碳库的2倍，是植被碳库的3倍，土壤碳库的微小变动都会引起大气CO2浓度的变化，影响全球碳库平衡，因而土壤碳储量的变化也备受各界的关注[11]。SIX等[12]研究表明，土壤扰动破坏了土壤团聚体结构，暴露了受物理保护的土壤有机碳进而被矿化分解，不利于土壤有机碳的长期储存和质量维持。曹婷婷等[13]研究表明，在土地工程措施下土壤有机碳储量随着整治年限的增加而增加。

砒砂岩与沙是毛乌素沙漠广泛分布的2种物质，其中，砒沙岩干燥时坚硬如石，遇水则松软如泥，矿质元素丰富且细小颗粒较多，而沙则漏水漏肥，以砂粒组成为主[14]。韩霁昌等[15]通过研究砒砂岩和沙的互作效应发现，砒砂岩与沙体积比介于1∶5～1∶1时适合玉米、大豆、马铃薯的种植，且可以大面积推广。郭航等[16]研究了砒砂岩与沙复配土的胶结力，结果表明，随着砒沙岩比例的增加土壤颗粒之间的作用力增大。李娟等[17]研究了砒砂岩与沙复配土的水肥效益，结果表明，砒砂岩与沙复配比为1∶1时可以显著提高复配土的保水保肥效益。但由于复配土组成的复杂性及环境影响的多样性，且复配土肥力较为低下，对复配土质量的综合评价和碳库存储的结果尚未有明确界定。因此，以砒砂岩与沙复配土3 a的试验小区为研究对象，分析不同比例砒砂岩添加对沙土有机碳储量和碳库管理指数的影响，以期为沙地土壤质量提升和生态系统改善提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

砒砂岩与沙复配土长期定位试验小区位于陕西省富平县禇塬村(109°42′E、35°24′N)，处于鄂尔多斯地台南边缘与渭河地堑北边缘的斜坡地带。地势西北高而东南低，中部起伏不平，海拔376～439 m。属于暖温带大陆性气候，年平均气温13.2 ℃左右，年平均降雨量527 mm左右，年总辐射量5 187 MJ/m2左右。

1.2 试验设计

长期定位试验小区为模拟鄂尔多斯高原毛乌素沙地状况，将广泛分布于毛乌素沙地的砒砂岩和风沙土(沙)2种自然资源进行采集复配。为模拟混合层的土壤情况，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2016年，本次研究于2019年进行。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。试验小区供试玉米品种为金诚508，小麦品种为小偃22，实行玉米—小麦一年两熟轮作，全部人工种植。施肥量分别为N 255 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，化肥类型分别为尿素(含N 46.4%)、磷酸二铵(含N 16%、P2O544%)、硫酸钾(含K2O 52%)。

1.3 研究方法

于2019年6月上旬收获小麦后，采集不同处理各土层(0～10、10～20、20～30 cm)土壤样品，每个小区采用5点法采集1个混合样，将采集的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；土壤有机碳含量采用重铬酸钾-外加热法测定[18]；活性有机碳含量的测定采用K2Cr2O7氧化法[19]。

土壤有机碳储量计算公式如下[13]：

(1)

式中，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。

碳库管理指数根据活性有机碳的含量进行计算[6,8]：

CPMI=CPI×LI×100

(2)

CPI=SOC/SOCCK

(3)

LI=L/LCK

(4)

L=LOC/NLOC

(5)

式中，CPMI为碳库管理指数，CPI为碳库指数，SOCCK为对照土壤有机碳含量，LI为碳库活度指数，L为样本碳库活度，LOC为活性有机碳含量(g/kg)，NLOC为非活性有机碳含量(g/kg)，LCK为对照碳库活度。

1.4 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2013软件进行计算与作图，用SPSS 13.0软件进行Duncan’s显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 砒砂岩添加比例对有机碳含量的影响

不同比例砒砂岩添加对沙土有机碳含量产生了一定的影响(表1)。在0～10 cm土层中所有处理的有机碳含量无显著差异。在0～20 cm土层中以CK的有机碳含量最高，为2.70 g/kg，显著高于其他处理。而C1、C2和C3处理间的有机碳含量则无显著差异，较CK依次降低了30.00%、33.33%和46.30%。在20～30 cm土层，所有处理间的有机碳含量也无显著性差异。各土层之间相比较而言，平均以0～10 cm土层有机碳含量最高，为2.25 g/kg，其次为10～20 cm土层，为1.96 g/kg，20～30 cm土层有机碳含量最低，为1.79 g/kg。方差分析结果表明，复配比对有机碳含量有显著影响，土层对有机碳含量无显著影响，且不同复配比和土层的双因素作用结果对有机碳含量的影响也不显著。

2.2 砒砂岩添加比例对活性有机碳含量的影响

土壤活性有机碳含量平均值随着土层的加深而增大，各土层的平均活性有机碳含量为0.39(0～10 cm)、0.46(10～20 cm)、0.48 g/kg(20～30 cm)。在0～10 cm土层中，CK的活性有机碳含量为0.12 g/kg，C1、C2和C3处理与其相比分别增加了108.33%、491.67%和325.00%，C2处理较C1和C3处理分别增加了184.00%和39.22%。在10～20 cm和20～30 cm土层中，土壤活性有机碳含量的变化规律一致，均表现为C3>C2>C1>CK，其中，CK和C1处理无显著差异。10～20 cm土层中C2和C3处理的活性有机碳含量较CK分别增加了775.00%和787.50%，较C1分别增加了105.88%和108.82%，C2和C3处理间无显著差异。在20～30 cm土层中，C2和C3处理的活性有机碳含量较CK分别增加了490.91%和509.09%，C1、C2和C3处理间无显著差异(图1)。方差分析结果表明，复配比对活性有机碳含量有显著影响，土层对活性有机碳含量无显著影响，同时，复配比和土层的综合作用对活性有机碳含量的影响也不显著(表2)。

表1 各土层不同处理土壤有机碳含量

不同小写字母表示各土层下处理间的差异显著(P<0.05)，下同

表2 复配土活性有机碳含量在双因素影响下的方差分析

2.3 砒砂岩添加比例对土壤容重的影响

不同复配比例和土层均对土壤容重产生了显著的影响。随着土层的加深土壤平均容重依次增大，各土层的平均容重分别为1.77(0～10 cm)、1.99(10～20 cm)、2.18(20～30 cm) g/cm3，10～20 cm和20～30 cm土层的平均容重较0～10 cm土层分别增加了12.43%和23.16%。各土层中土壤容重的变化规律一致，均表现为随着砒砂岩比例的增加而增加的趋势。0～10 cm和10～20 cm土层中，C2和C3处理无显著差异，各处理的土壤容重较CK分别增加了18.60%～39.71%和20.03%～39.55%。20～30 cm土层中，与CK相比，C1、C2和C3处理中土壤容重依次显著增加(图2)。方差分析结果表明，复配比和土层单因素作用对土壤容重有显著影响，但是其综合作用对土壤容重的影响不显著(表3)。

图2 各土层不同处理的土壤容重

表3 复配土容重和有机碳储量在双因素影响下的方差分析

2.4 砒砂岩添加比例对有机碳储量的影响

方差分析结果表明，复配比、土层对有机碳储量的影响均不显著，复配比和土层的双因素作用对有机碳储量的影响也不显著(表3)。 各土层下所有处理间的有机碳储量无显著差异，但却有一定的变化规律。在10～20 cm土层中，C1、C2、C3处理的有机碳储量均低于CK，降幅12.05%～25.45%。在0～10 cm和20～30 cm土层中，C1处理的有机碳储量也低于CK，而C2、C3处理的有机碳储量分别增加5.79%～22.99%、16.05%～24.65%。整个复配土层(0～30 cm)的有机碳储量表现为C2>C3>CK>C1，其中C1处理的有机碳储量较CK降低13.89%，C2和C3处理的有机碳储量较CK分别增加4.40%和3.22%，说明砒砂岩添加量大于33.33%时沙土才会出现碳存储的效应(表4)。

表4 各土层不同处理土壤有机碳储量

2.5 砒砂岩添加比例对碳库管理指数的影响

图3表明，碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数在各土层间的变化规律一致，为20～30 cm>10～20 cm>0～10 cm，在0～10 cm土层，C2处理的碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数较其他处理显著增加，其次是C3处理，显著高于其他处理，此外C1处理和CK间无显著差异。在10～20 cm土层，C3处理的碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数最大，C2、C1处理和CK与其相比依次显著降低。在20～30 cm土层，碳库活度和碳库活度指数在C1、C2和C3处理间均无显著差异，但均显著高于CK，此外，C1、C2和C3处理的碳库管理指数均显著高于CK，其中C2和C3处理间无显著差异，但显著高于CK和C1。碳库指数的平均值以20～30 cm土层最大。在0～10 cm土层中各处理的碳库指数无显著差异，在10～20 cm土层中，以CK的碳库指数最大，显著高于其他处理，20～30 cm土层的碳库指数具体表现为CK>C2>C3>C1，其中C1处理较CK显著降低。方差分析结果表明，不同复配比和土层均对碳库管理指数有极显著的影响，且复配比和土层的综合作用结果对碳库管理指数也有极显著的影响(表5)。

图3 各土层砒砂岩与沙复配土的碳库管理指数

表5 复配土碳库管理指数在双因素影响下的方差分析

3 结论与讨论

砒砂岩与沙复配土作为一种新成土，是运用工程手段将未利用或利用率低的沙土进行资源利用和重组，而其中有机碳含量的多少是衡量复配土体质量的一个重要指标[15]。有机碳含量的多少是由外源物的添加和碳库输出之间的动态平衡决定的，本研究通过在沙土中添加不同比例的砒砂岩来改良沙土，结果表明，在0～10 cm和20～30 cm土层中，砒砂岩添加对土壤有机碳含量无显著影响，但在10～20 cm土层中，砒砂岩添加均显著降低了土壤有机碳的含量。这是因为砒砂岩的添加改善了土体结构，通气性增强，促进了土壤有机碳的矿化作用，加速了有机碳的降解[20]。各土层平均有机碳含量以0～10 cm土层最高，10～20 cm和20～30 cm土层基本接近。究其原因，是因为复配土体的田间试验管理以施化肥为主，通过化肥的施用继而促进作物的生长，增加地上生物量，待作物收获后再将作物秸秆还田[17]。秸秆还田的有机物料作为碳源的输入途径之一，主要集中在表层，另外作物主根系也主要分布在0～10 cm土层，其根系分泌物的释放也促进了表层土壤有机碳含量的增加[21]。由于成土年限短，土壤性质还不稳定，各土层间有机碳含量未表现出显著性差异。

土壤容重是反映土壤紧实度的一个重要指标，也能间接反映出土壤孔隙度的大小[11]。本研究结果表明，复配土的容重随着砒砂岩比例的增加而增加，且土层越深土壤容重越大。这是因为砒砂岩中细小颗粒较多，而沙土中以砂粒为主，两者按照一定的比例进行复配后粉粒和黏粒的含量显著增加，各土层土壤质地由砂土变为壤砂土和砂壤土[22]。双因素方差分析也表明，土壤容重受土层和复配比单因素的影响比较显著，是因为0～30 cm土层是人工复配土，受人为耕作和人为扰动比较明显，也反映出短期的复配土土壤性质不稳定。 根据土壤容重、有机碳含量和土层厚度计算土壤有机碳储量，结果表明，土层和复配比对土壤有机碳储量无显著影响，其中，0～10 cm土层的平均有机碳储量最高，其次为20～30 cm土层，10～20 cm土层最低。与CK相比，在0～10 cm和20～30 cm土层中，C2和C3处理增加了土层的有机碳储量，C1处理降低了土层有机碳储量，究其原因可能是C2和C3处理增加了土壤有机碳的质量分数和团聚体稳定性。李娟等[23]研究表明，砒砂岩添加增加了沙土的稳定性参数，当沙土中砒砂岩的添加量分别为33.33%(C2)和50.00%(C3)时，土壤大团聚体质量分数和有机碳质量分数较高，可以促进颗粒的吸附与胶结，但同时土壤的分型维数也增大，进一步说明短期的复配土土壤稳定性较差。郭航等[16]研究表明，砒砂岩添加改变了沙土的土壤颗粒结构组成，砒砂岩添加量为16.67%(C1)时，土壤颗粒之间为点接触式的结构，当砒砂岩的添加量分别为33.33%(C2)和50.00%(C3)时，土壤颗粒间的接触方式多为面接触，且土壤颗粒表面附有较多的黏着物。进一步揭示了C2和C3处理有机碳储量增加的原因。

土壤活性有机碳较土壤总有机碳能够快速地对外界环境及耕作措施的改变作出响应，是土壤中易被氧化的部分[24]。本研究方差结果表明，复配比对土壤活性有机碳含量有显著的影响，不同比例的砒砂岩添加到沙土中均显著增加了土壤活性有机碳含量，以C2和C3处理的增幅最大，且C2和C3处理间无显著差异。究其原因可能是C2和C3处理的砒砂岩促进了土壤中微生物多样性的增加，继而促进微生物结构均匀性和代谢活性增加。蓝兴福等[25]研究指出，土壤活性有机碳含量与土壤微生物活性有密切关系，而且微生物多样性对土壤肥力的保持、碳库循环及管理措施也有较好的响应特征。随着土层的增加，土壤活性有机碳含量也逐渐增加，但未表现出显著差异。因为砒砂岩中含有较多的胶体，复配初期土壤性质还不稳定，伴随着复配土中胶体含量的增加，在降雨或淋溶作用下使活性碳组分向下迁移[26]。

土壤碳库管理指数用以评价土壤管理措施引起土壤有机碳的变化，该指数反映土壤管理措施的科学性和土壤质量的高低，该值越大表明土壤培肥作用增强，土壤各方面的性质良性发展，反之则表明土壤肥力下降，土壤性质向恶性方向发展[27]。本研究结果表明，10～20 cm土层和20～30 cm土层的碳库管理指数均随砒砂岩比例的增加而增加，在0～10 cm土层中以C2处理的碳库管理指数最大，C3处理时碳库管理指数开始减小。因为0～10 cm土层受风力、温度、水分等因素的干扰较大，C3处理由于大小颗粒间的分子拉力逐渐大于原沙土中大颗粒与大颗粒之间的作用力，使得土体结构发生破坏，孔隙度减小，通气透水性减弱[20]。

综合分析，复配比对土壤有机碳含量、活性有机碳含量、容重和碳库管理指数均有显著影响，土层对容重和碳库管理指数有显著影响。当砒砂岩与沙复配比介于1∶2～1∶1时可以有效增加土壤有机碳储量和碳库管理指数，沙土性能向良性转变。