砒砂岩添加量和种植年限对毛乌素沙地风沙土土壤团聚体特征及有机碳的影响

师晨迪

(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 710075)

引言

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，同时也是土壤有机质保持的场所，是土壤肥力的物质基础[1]，土壤团聚体作为土壤重要的物理性状，解释了土壤的结构状况，不同粒径的团聚体在营养保持、供应和转化能力等方面有着不同的作用[2]。机械稳定性团聚体是能够抵抗外力破坏的团聚体，常用干筛后团聚体的组成量来反映。一般将粒径>0.25mm的团聚体称为大团聚体，大团聚体含量越高说明土壤团聚体结构越稳定[3]。Six等[4]认为，>0.25mm的团聚体即土壤团粒结构体，是土壤中最好的结构体，其数量与土壤的肥力状况呈正相关，可以反映土壤结构的优劣。

毛乌素沙地是我国典型的生态脆弱区，该区广泛分布的砒砂岩[5]，成岩程度、结构松散、易风化，给当地的生态环境造成较大的影响。然而，毛乌素沙地土地面积广，光热资源丰富，具有巨大的耕地挖掘潜力。目前利用砒砂岩和风沙土进行复配的研究取得了较大的进展。张卫华等[6]研究发现，当砒砂岩与风沙土按1∶2～1∶5比例复配时，相比风沙土，复配土体的结构、质地、毛管孔隙度和饱和导水率均得到了显著的改善。研究表明，砒砂岩富含丰富的蒙脱土等粘土矿物，是土壤团聚体的主要来源之一[7,8]。

以往针对砒砂岩与沙复配的研究主要集中在不同复配比例对成土作用[9]、氮素淋溶[10]及固沙作用[11]等方面，对于影响复配土的团聚体的系统研究还很少见[12-14]。因此，本研究通过研究不同种植年限砒砂岩与沙不同复配比例下土壤中机械稳定性团聚体各组分的含量变化关系，探究不同复配比例和耕种年限对团聚体各组分的影响，以期为实现复配土体良好的土体结构提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采用田间小区试验，在陕西省渭南市富平县褚塬村富平中试基地进行。为模拟毛乌素沙地砒砂岩与沙混合层的土地状况，试验小区在0～30cm铺设砒砂岩和风沙土的按照一定比例混合的复配土，30～70cm填充风沙土。砒砂岩和沙均取自榆林榆阳区小纪汗乡大纪汗村。试验共设4个处理，砒砂岩与沙按体积比1∶1(C1)、1∶2(C2)、1∶5(C3)复配，每个处理重复3次，共布设9个小区，小区面积为2m×2m=4m2，采取自南向北“一”字型布设，研究不同种植年限(2a和9a)不同复配比例下复配土土壤团聚体特征的变化。

试验采用小麦和玉米轮作模式，其中小麦品种为“小偃22”，玉米品种为“户单4号”。各小区均采用当地农民传统的水肥管理模式。播种前，施入基肥(磷酸二铵300kg·hm-2、尿素150kg·hm-2)；在小麦生长期间，灌溉3次，每次灌水90mm，追施尿素1次，每次为150～225kg·hm-2；在玉米种植期间，灌溉1次，追施尿素1次，每次为150kg·hm-2。本次团聚体采集0～30cm土层样品。

图1 研究区地理范围

表1 砒砂岩与沙复配成土试验小区布置

表2 砒砂岩与沙复配土样品采集表

1.2 样品采集

在所选的24个小区里采集样品，每个小区采用对角线法采集3点，每个样点采集0～30cm原状土约1kg，共采集72个原状土样(24个样地×3个)。将采集的原状土装入硬质盒中，防止在运输过程中受到挤压破坏。将所采集的土样运回室内，在阴凉通风处自然风干，在风干过程中沿团聚体间自然裂隙，轻掰分成直径1cm左右的小土块，剔除其中植物残体和小石块，用于土壤团聚体的测定。

1.3 样品分析

土壤机械稳定性团聚体分级采用干筛法。将孔径分别为10mm、7.5mm、5mm、2mm、1mm、0.25mm的土筛按孔径由大到小叠放成一组套筛，称取500g原状风干土样并放置于土筛上，筛分成不同粒级团聚体，称质量并计算其质量比例。

土壤水稳性团聚体组成的测定采用湿筛法，用TTF-100型土壤团聚体分析仪，将50g样品放置于孔径自上而下为5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.25mm的各级套筛之上，先用水缓慢湿润10min后，以每40r·min-1的频率，振荡20min。将各筛上的团聚体分别冲洗至铝盒当中在60℃下烘干，称取重量。分别得到>5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、<0.25mm等6级土壤团聚体。

1.4 指标计算

>0.25mm团聚体含量采用计算公式[15]：

R0.25=Mr>0.25/MT×100%

(1)

式中，R0.25为>0.25mm团聚体含量；Mr>0.25为>0.25mm团聚体质量，g；MT为团聚体总质量，g。

平均重量直径和几何平均直径是反映团聚体大小分布、评价团聚体稳定性的重要指标，计算公式[16,17]：

MWD=∑XiWi/∑Wi

(2)

GMD=exp(∑WilnXi/∑Wi)

(3)

式中，MWD为团聚体平均重量直径，mm；GMD为团聚体几何平均直径，mm；Xi为团聚体各粒径的平均直径，mm；Wi为团聚体各粒径的百分含量。

1.5 数据处理

采用SPSS 20.0对试验数据进行统计分析，其中采用Duncan法对不同种植年限复配土DR0.25、MWD、GMD等指标进行差异性检验(P<0.05)，采用Excel 2019进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕种年限下砒砂岩添加量对风沙土机械稳定性团聚体DR0.25、MWD、GMD的影响

通过干筛法所得到的砒砂岩与沙复配土机械稳定性团聚体DR0.25、MWD、GMD见表3，相比种植2a，种植9a的DR0.25逐渐增大，但增幅不显著(p>0.05)；无论2a还是9a，相比不添加砒砂岩的对照组，添加砒砂岩的处理DR0.25逐渐增大，均达到了极显著水平(p<0.01)；通过对比发现，土壤团聚体平均重量直径MWD随着种植年限的增加逐渐增大，在种植2a的情况下，1∶1复配土与1∶2和1∶5复配均达到了显著差异水平。在种植9a条件下复配土与未添加砒砂岩的风沙土达到了极显著水平差异(p<0.01)；土壤团聚体几何平均直径也呈现出类似的特征。

表3 不同耕种年限和配比的复配土DR0.25、MWD、GMD

2.2 添加砒砂岩对风沙土颗粒组成及土壤有机碳的影响

复配土的机械组成能够大致反映复配土各粒径的组成状况，复配土黏粒含量的变化，则在一定程度上反映出复配土的稳定性。通过对比表4中2a和9a复配土的黏粒含量，可以得出，种植2a条件下,1∶1处理、1∶2处理相比0∶1处理均存在显著差异(p<0.05)；1∶5处理和0∶1处理的复配土黏粒含量差异不显著(p>0.05)；说明1∶1处理和1∶2处理对于提高风沙土黏粒含量具有重要作用，而1∶5处理对于提高风沙土黏粒含量不显著。而种植9a条件下，1∶5处理和0∶1处理的复配土黏粒含量差异达到了极显著水平(p<0.01)，说明种植年限对于提高处理1∶5中黏粒含量也具有较大影响。与此同时，1∶1、1∶2、1∶5处理相比0∶1处理中黏粒含量均达到显著差异(p<0.05)；复配土有机碳含量在不同种植年限上存在极显著差异(p<0.01),而在砒砂岩与沙的复配比例上差异不显著(p>0.05)，说明1∶1、1∶2、1∶5处理对风沙土有机碳含量没有显著影响，种植年限能够显著提高复配土中有机碳的含量。

3 结论

通过分析耕种2a和9a不同比例的砒砂岩与沙复配土中机械稳定性团聚体的变化，得到如下结论。

在相同耕种年份下，添加砒砂岩的处理DR0.25显著高于不添加砒砂岩的纯沙处理。在相同复配比例下，土壤团聚体平均重量直径MWD随着种植年限的增加逐渐增大，在相同种植年限下，不同复配比例对GMD、MWD存在显著差异。

1∶1、1∶2、1∶5处理对风沙土有机碳含量没有显著影响，种植年限能够显著提高复配土中有机碳的含量。