砒砂岩改良风沙土物理和养分特征的大田试验

2022-03-25王伟伟张立欣梁止水赵艳兵张吉树叶丽娜

中国水土保持科学 2022年1期

王伟伟，张立欣，梁止水，赵艳兵，张吉树，王忠，袁勤，叶丽娜

(1.亿利资源集团有限公司，017400，内蒙古鄂尔多斯；2.内蒙古库布其沙漠技术研究院，017400，内蒙古鄂尔多斯；3.东南大学土木工程学院，211189，南京)

我国是世界上沙漠化危害最严重的国家之一，沙化面积大、分布广，每年造成的经济损失巨大[1]。库布齐沙漠是我国第七大沙漠，位于鄂尔多斯高原脊线的北部，内蒙古自治区的杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗的部分地区，总面积约1.39万km2，在国家“两屏三带”生态安全战略格局中具有十分重要的地位。近30年来，很多学者对库布齐沙漠化治理问题进行大量的探索研究，提出多种沙漠化治理模式[2]。库布齐沙漠南部毗邻的为砒砂岩区，砒砂岩是一种松散岩系，由于其成岩程度低、颗粒间胶结程度差、结构强度低，遇水成泥，遇风成沙，侵蚀尤为严重[3-4]。李晓丽等[5]的研究表明砒砂岩中黏粒和粉粒的含量较多，具有很好的保水效果，WANG等[6]提出采用不同比例的沙土与砒砂岩进行复配，并研究复配土壤成田的可行性，目前已经取得较多的研究成果，但是针对库布齐沙漠风沙土与砒砂岩复配的研究较少，特别是其复配的大田试验效果尚未有相关报道。

砒砂岩与风沙土复配土的效果主要是以复配土壤性质来进行评价，其中主要包括土壤颗粒组成、团聚体结构、持水特性、作物产量等。其中张露等[7]研究比同比例质量砒砂岩与风沙土复配后的粒度组成变化和持水情况，结果表明颗粒级配连续，且级配特性良好，土壤质地条件变好，且复配土壤的持水性能随着砒砂岩含量的增加而增加。魏彬萌等[8]采用田间试验的方法研究砒砂岩对风沙土性质的改良效果，结果表明添加不同比例的砒砂岩均可不同程度的改善风沙土质地和结构，增加有机质，且复配比例在1∶1～1∶2时效果最佳。摄晓燕等[9]研究不同砒砂岩改良风沙土的土壤入渗特征、饱和导水率和水分特征，结果表明砒砂岩和风沙土以25∶75比例混合可有效改良风沙土的吸水和保水特性。赵宣等[10]研究砒砂岩与沙复配的新生土壤的有机碳及水温性团聚体含量的变化，结果表明土壤中的有机碳含量显著提高，土壤结构得到改善。Han等[11]研究砒砂岩与沙复配土的保水性能，复配后可以改善沙土的物理结构和保水性。

大田试验作为评估和检验砒砂岩改善库布齐沙漠风沙土的最可靠的方法，对于结果的表征更具有统计学意义。因此，为进一步探究砒砂岩改善库布齐沙漠风沙土的物理结构与养分特征，笔者采用大田试验的方法，在库布齐沙漠试验田中添加将不同质量比例的砒砂岩进行混合，并以梭梭套种甘草为植被配置模式，研究不同添加比例条件下改良土壤的颗粒组成与分布、孔隙度、团聚体结构、持水特性及与土壤养分间的变化特征，分析砒砂岩对风沙土的改良效果，为库布齐沙漠沙化土地治理、改良、利用及当地生态产业化建设等战略提供科学依据及技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯高原西北部库布齐沙漠腹地，行政区划上属杭锦旗独贵塔拉镇，坐标为E 108°32′37.82″，N 40°36′29.36″。属温带大陆性季风气候，季节变化显著，冬季寒冷干燥，夏季较为暖湿。年均温9.38 ℃，极端最高气温38.1 ℃，极端最低温-30.5 ℃，年均日照时间3 087.4 h，≥10 ℃积温年均值为3 198.3 ℃。多年平均降雨量为189.9 mm，春季降水量较少，降水多集中在6月、7月、8月和9月，占全年总降雨量的69.77%。年均蒸发量3 074.2 mm，是降水量的16倍，无霜期135～150 d，海拔1 100～1 039 m。研究区植被主要由花棒(Hedysarumscoparium)、沙柳(Salixpsammophila)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、梭梭(Haloxylonammodendron)、杨柴(Hedysarumfruticosum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等植物为主的人工沙生灌丛及多年生草本植物所组成，所选用的表层风沙土以中沙和粗沙为主(表层土壤粒径分析)。

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

在库布齐沙漠腹地，独贵塔拉镇亿利资源集团阿木古龙甘草产业示范园设置砒砂岩与沙土复配田间试验，试验样地均为人工机械推沙进行土地平整，原始地形地貌、植被群落特征、气候背景及生长环境基本相同，土壤类型均为风沙土，基础土壤养分状况基本一致。所用的砒砂岩是来自于鄂尔多斯准格尔旗的二老虎沟小流域(E 110°32′ ～111°6′，N 39°26′～39°56′)的风化砒砂岩，其干密度为1.36～1.45 g/cm3，含水率约为10.8%。根据试验设计，首先将不同量的砒砂岩覆于沙土表面，用翻耕机在0～30 cm深土层进行翻耕，重复翻耕3次，确保最大程度将砒砂岩与沙土混合均匀。试验样地设计中添加砒砂岩的体积比例分别为0、30%、50%、80%和100%，共5个样地，每个样地的大小为10亩(1 hm2=15亩)，混合翻地后套种梭梭和甘草，并利用圈灌设施进行浇水养护，每次养护确保每块地浇水量一致。

在5块固定样地内分别设置1块标准地，标准地面积均为50 m×50 m，在每块标准地内，沿对角线设置3个10 m×10 m调查样方，在每个调查样方中按“S”型9个样点进行取样，取样时间为混合后1个月，每个样点分别采集0～10、10～20和20～30 cm 3个土层的等量土壤进行均匀混合，取约1 kg土壤，剔除植物凋落物和残根等，土样分装于塑料密封袋密封，带回实验室，风干、去杂、过2 mm筛，其中部分用于测定土壤颗粒组成，部分筛分土样研磨后再过0.25 mm筛，从而用于测定土壤有机质、速效氮和速效磷含量。此外，在每块调查样方内另取0～30 cm土层混合土样约1 kg，密封保存带回实验室，用于测定土壤团聚体结构。

2.2 指标测定方法

土壤颗粒分布采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定，按照国际制标准粒径分类，计算出黏粒(粒径d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm≤d<0.05 mm)及砂粒(0.05 mm≤d<2 mm)质量比例。田间持水量使用室内环刀法测定，毛管孔隙度采用环刀法及溢水法测定。

土壤团聚体组成采用干筛法测定，根据张杰等[12]研究分类，得到≥5、≥3～5、≥1～3、≥0.5～1、≥0.25～0.5以及<0.25 mm的土壤团聚体含量，计算各级土壤团聚体占土样总量的比例。

土壤有机质含量的测定则是用重铬酸钾氧化分光光度法；速效氮测定用碱解扩散法测定；有效磷使用碳酸氢钠浸提后，再用钼锑抗比色法测定。

2.3 数据处理

利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，利用LSD法进行多重比较(P=0.05)，采用Origin 8.5软件制图。

3 结果与讨论

3.1 不同土层深度的物理结构特征

随着砒砂岩掺入比例的增加，黏粒和粉粒含量逐渐增加，而沙粒含量则逐渐减少，而当砒砂岩掺入比例相同时，随着深度的增加，3种土壤颗粒含量无明显差异(图1)，且各条件下达到显著差异水平(P<0.05)。其中掺入比例为30%、50%、80%和100%改良土壤较风沙土(0的为纯风沙土)，0～10 cm土层，黏粒含量分别增加370.59%、1 438.24%、1 882.36%和2 179.41%，粉粒含量分别增加177.24%、834.15%、1 118.29%和1 476.42%，而沙粒含量分别降低10.53%、48.48%、67.99%和84.49%。

图1 不同砒砂岩掺入比例及不同土层深度的土壤颗粒组成Fig.1 Distribution of soil particles under the conditions of different proportions of Pisha sandstone and soil depths

随着砒砂岩掺入比例的增加，土壤密度逐渐减小，而毛管孔隙度及田间持水量逐渐增加，且增加较为明显，但是同一砒砂岩掺入比例条件下，随着土层深度的增加，土壤密度、毛细孔隙度及田间持水量均增加，且随着掺入比例的增加，增加的幅度逐渐减小，说明其垂直变异性较小(图2)。当砒砂岩掺入比例达到50%后，土壤密度与风沙土达到显著性差异(P<0.05)，而毛管孔隙度及田间持水量在各添加比例间均达到显著差异水平(P<0.05)。说明随着砒砂岩掺入比例达到50%时，能够有效改善土壤密度，以及改变风沙土土壤的保水与持水能力，可作为改良风沙土的临界值。

图2 不同比例砒砂岩及不同土层深度的土壤结构特征Fig.2 Soil structures under the conditions of different proportions of Pisha sandstone and soil depths

随着砒砂岩掺入比例的增加，大部分径级土壤团聚体的含量呈增加趋势，其中≥5 mm的增加较为明显，从添加比例0到100%的过程中，可以从1.63%增加至9.5%，提高近5倍，其余皆提高较少(图3)。此外，其中≥5 mm与≥0.25～0.5 mm的2个径级范围均表现为显著性差异，≥3～5 mm径级范围在砒砂岩掺入比例达到50%后团聚体含量表现差异显著(P<0.05)，≥1～3和≥0.5～1 mm则在砒砂岩掺入比例达到30%表现为显著性差异，且随着复配比例的增加差异性进一步加大。

图3 不同砒砂岩掺入比例下的团聚体结构特征Fig.3 Structures of aggregates under the conditions of different proportions of Pisha sandstone

土壤颗粒组成、密度、孔隙度、田间持水能力及团聚体结构等土壤物理性状在土壤养分循环以及植物生产中起着重要的作用，是评价土壤肥力和植物适宜性的重要依据。一方面，土壤中粉粒、黏粒、沙粒含量、密度、孔隙度、田间持水能力及团聚体结构通过影响土壤的空隙状况及土壤养分在土壤中的稳定性，对土壤的通气透水性和保水保肥性产生影响[13]，从而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；另一方面，上述土壤物理特征与土壤温湿度及透气性密切相关，直接影响土壤微生物及其他物种生长发育的生存环境，从而对土壤养分循环产生影响[14]。以上研究结果表明砒砂岩与风沙土二者物理构成存在一定互补性，随着砒砂岩复配比例的增加，土壤中粉粒、黏粒及团聚体体含量增加，从而表现为土壤良好的透气的蓄水及保肥能力，同时当砒砂岩掺入比例达到50%时，对改善沙土土壤颗粒组成、土壤密度、孔隙度、田间持水能力及团聚体结构等效果更为显著，但是随着深度增加，土壤密度、毛管孔隙度及田间持水量的垂直变异特征减小，表聚性较为显著。

3.2 不同土层深度的养分特征

随着砒砂岩掺入比例的增大，土壤有机质、速效氮及有效磷含量均逐渐增加，而在同一砒砂岩掺入比例条件下，随着土层深度的增加，土壤有机质、速效氮及有效磷逐渐降低，其中除在0～20 cm土层中的有机质含量及10～30 cm土层中有效磷的无显著性差异外(P>0.05)外，其余皆表现出显著性差异(P<0.05)，但是由于其改良土壤中没有加入更多的肥料，因此有机质含量、速效氮及有效磷的含量偏低。掺入砒砂岩比例为30%、50%、80%和100%的混合土较风沙土(0%的砒砂岩)，0～10 cm土层，土壤有机质分别增加18.42%、51.32%、72.37%与110.53%，速效氮分别增加31.64%、62.55%、108.73%和120.36%，速效磷分别增加2.69%、12.56%、47.53%和80.72%，皆成增大趋势。

土壤养分的稳定性与土壤中粉粒、黏粒及团聚体含量具有相关性[15]。研究结果表明添加不同比例的砒砂岩后改善风沙土的结构和质地，增加土壤碳、氮、磷与颗粒的结合力，具有保肥的作用，同时也增加其在土壤中的稳定性，同时也能改变土壤水、热、气、肥等条件，为微生物及其他物种生长发育提供了有利的生存环境，为土壤肥力的提升提供必要的条件，这与细质土比粗质土能固定更多的土壤养分、其稳定性与黏粒质量分数含量有关等结论一致[16]。此外，但随着土层加深，土壤的透气性及可供降解土壤有机质、速效氮及速效磷等养分含量逐渐降低，微生物数量减少等原因，导致了同一复配比例土壤有机质、速效氮和速效磷含量垂直方向的变异。

3.3 土壤物理与养分特征的相关性

土壤的粒径与团聚体结构可以影响土壤性质与养分特征，且与黏粒含量的大小关系较为密切[17-18]。由表1可见，土壤粒径分布与团聚体含量呈正相关，但不够显著。土壤中黏粒和粉粒与田间持水量、土壤毛管孔隙度、有机质含量、速效氮含量、速效磷含量极显著正相关(P<0.01)，且土壤团聚体对毛管孔隙度、田间持水量及土壤养分的影响显著。这主要是因为风沙土主要以砂粒为主，但是砒砂岩中黏粒和粉粒较多，保水效果显著，两者混合后，由于粒径分布的不均匀性，可以形成很好的互补作用[9]，混合土壤的各性能指标均有所提升，保持更多的养分含量，改善了风沙土的物理与养分特征，从而使得风沙土趋于土壤化。此外，由于砒砂岩和风沙土颗粒本身的黏结性都较差，因此所形成的改良土壤的团聚体含量不够显著，有待于进一步添加具有粘结作用的材料更好提高团聚体含量，从而加速风沙土的土壤化改良。此外，在大田中种植固土植被也可以很好地改变土壤特征以及添加肥料改善土壤中的养分含量，从而更好地为植被生长提供土壤条件，该方面还需要进一步的长期观察研究。同时，随着砒砂岩的加入，改善了风沙土结构特征，可以促使土壤肥力、持水性能等土壤理化性质发生变化，最终促使生物、土壤系统进入良性循环过程。