3种固沙材料与风沙土复配后土壤改良效应及其质量评价

陈艺文, 李红丽, 董 智, 耿林昇, 潘嘉琛, 尚 宾

(山东农业大学 林学院 泰山森林生态站, 山东 泰安 271018)

中国北方风沙区面积广阔，土壤主要以风沙土为主，其结构松散，抗蚀性差，保水保肥能力弱，对土壤风蚀的发生发展有着重要影响[1]，控制风蚀、增加土壤养分是改良利用风沙土和提高土壤质量的关键。研究表明：土壤颗粒及团聚体含量对风蚀可蚀性有着直接影响[2]，而砂土由于缺少形成土粒间黏结力的粉粒和黏粒而更易受到侵蚀[3]，因此，在风沙土中施加粉粒、黏粒及促进团聚体形成的有机质等不可蚀成分是控制土壤风蚀与改良风沙土最为直接的方法。客土压沙、增施有机肥、种植防沙治沙林、设置沙障等是风沙区常用的风沙土改良途径，均取得了显著的成效[4-7]。但风沙区环境的特殊性及材料地域分布的有限性在一定程度上制约了材料的使用，进而限制了风沙土改良的高效性和可持续性。因此，立足沙漠沙地环境与资源特点，利用现有资源研发改良风沙土的新材料成为研究热点。

粉煤灰、脱硫石膏颗粒细腻，比表面积大[8]，牛粪含有大量养分与有机胶体[9-10]，三者均具有调节土壤质地、改良土壤、提供养分、吸附重金属等等功能[11-14]，但在风沙土改良方面的利用鲜有报道。利用这3种材料与风沙土掺混复配后会对风沙土的土壤理化、重金属特性产生何种影响，土壤质量的改良效应如何尚不可知，值得开展进一步的研究。特别地，伴随着乌兰布和沙漠地区绿洲开发、工业、畜牧业等产业的蓬勃发展，区域内产生了大量的粉煤灰、脱硫石膏和牛粪等工业、畜牧业废弃物，如果能将这些废弃物作为资源合理地应用于风沙土的治理与改良，更能取得一举多得的效果，对于风沙土的改良、土壤质量的提升与可持续利用具有非常重要的意义。因此，本研究拟使用乌兰布和沙漠内现有的成本低廉、易于获取的粉煤灰、脱硫石膏、牛粪等3种工、农业废弃物材料，通过与风沙土进行不同复配比例的混合，研究室内不同复配比例组合对土壤理化与重金属元素特性的影响，评价复配后的土壤质量，并筛选出改土效果良好、环保友好型的复配组合与比例，为野外试验奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料与土壤复配比例

试验用风沙土取自内蒙古自治区磴口县乌兰布和沙漠圣牧高科第十一场试验地的流动沙丘(40°26′30″N，106°25′10″E)表层(0—20 cm层)；粉煤灰(记作F，下同)与脱硫石膏(记作S，下同)均购置于内蒙古磴口金牛煤电有限公司，两种材料均为燃煤发电过程中经高温烧结后产生的废弃物；牛粪(记作N，下同)为圣牧高科第十一场奶牛养殖产生的粪便经堆肥后加工磨碎而成。各固沙材料的粒径组成特征与有机质含量见表1。试验时，对粉煤灰、脱硫石膏、牛粪等材料按干质量比15%，25%两个比例与风沙土进行复配，共形成15%F，25%F，15%S，25%S，15%N，25%N，15%FS(粉煤灰与脱硫石膏各50%共占复配土质量的15%)，25%FS8种复配组合。所有测试均以没有复配的流动风沙土为对照(CK)。

表1 试验用固沙材料理化性状

1.2 测定方法

每种材料按比例完成复配后，分别取3份样品进行土壤理化性状和重金属元素含量测试。其中机械组成采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定，并按美国制将粒径划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂(0.05～0.1 mm)、细砂(0.1～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、极粗砂(1.0～2.0 mm)共7级[6]；有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法测定，土壤全氮采用全自动凯氏定氮法测定，全磷采用HClO4-H2SO4消化、钼蓝比色法测定[15]。全钾和金属元素(Cr，Mn，Fe，Cu，Zn，As和Al)采用王水CEM-MARS6微波消解，参考中华人民共和国环境保护标准《土壤和沉积物12种金属元素测定王水提取—电感耦合等离子体质谱法》(HJ803-2016)[16]，采用ICP-OES法测定。

1.3土壤质量评价方法

1.3.1 土壤质量评价最小数据集构建 国际上研究者们广泛选取物理化学、生物、重金属污染等指标开展土壤质量的研究，方法上多采用土壤质量指数[17]、最小数据集(MDS)等[18]评价方法。本研究采用最小数据集方法进行复配后土壤质量的评价。具体步骤为：将测定的土壤粒径、养分含量及金属含量等各项土壤质量评价指标，利用主成分分析法对其进行降维分组，提取主成分特征值≥1的因子，并以指标载荷大于0.5为标准分为一组，若某指标在不同主成分中的载荷均大于0.5，则将其并入与其他指标相关性较低的一组，分别计算各组指标的Norm值，并保留每组最大Norm值10%范围内的指标。若某组中只有一个指标，则直接纳入土壤质量评价最小数据集，若某组中保留有多个指标，则先剔除该组非敏感性指标，然后根据剩余指标的相关性来确定指标的去留；若剩余指标不相关或负相关则全部保留，反之则选取与其余指标相关系数最高的指标纳入土壤质量评价最小数据集，最终筛选出对土壤质量评价具有显著影响的土壤指标最小数据集[19]。

Norm值计算公式为：

式中:Nik为第i个指标在特征值>1的前k个主成分的综合载荷;Uik为第i个指标在第k个主成分上的载荷;Mk为第k个主成分的特征值。

1.3.2 评价指标的权重计算 以各指标经主成分分析后所得的公因子方差占所有指标公因子方差之和的比为指标权重，指标权重越高，表明其在土壤质量评价中的贡献度越高[20]。

1.3.3 评价指标的隶属度与土壤质量指数计算 依据各指标与土壤质量变异的正负相关性来确定隶属度函数类型，并采用隶属度函数分别计算各指标的隶属度值。

式中:xij为各指标平均值；ximax为第i个指标的最大值；ximin为第i个指标的最小值。

土壤质量指数(SQI)计算公式[20]如下：

式中:n为指标数量；Wi为指标权重值；F(xi)为指标隶属度；SQI为土壤质量指数,该值越高,代表土壤质量越好。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2010对数据进行统计以及相关指数计算；利用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)、LSD多重检验以及主成分分析等；利用Origin 2019制图。

2 结果与分析

2.1 不同复配类型土壤指标统计特征

2.1.1 不同复配类型土壤粒径特征 不同材料按比例与风沙土复配后改变了风沙土的原有机械组成，且复配土壤的粒径组成均与原有风沙土CK的粒径组成呈现出显著差异(表2)。含有粉煤灰的复配土壤的粉粒体积分数显著增加(p<0.05)，土壤粒径分布幅度变宽，呈现细砂体积分数减小，粉砂、极细砂、中砂、粗砂体积分数增大的的趋势。含有石膏的复配土壤，其极细砂、粗砂和极粗砂的体积分数明显增大，细砂、中砂体积分数下降；而15%，25%牛粪的复配土壤在各粒径上表现不一，但粗砂含量高于CK。总体上，复配土壤主要颗粒组成与CK一致，仍以细砂和中砂为主，但二者的组成比例发生了明显的变化，基本上呈现中砂、粗砂体积分数有所增加，细砂体积分数有所下降，极细砂和粉粒体积分数也有所上升的趋势。表明经3种材料混合复配后，土壤机械组成基本上呈现不易为风吹动的中砂、粗砂与极细砂、粉粒成分增加，易吹蚀的细砂体积分数有所下降，有助于增大沙粒起动风速，达到固沙目的。

2.1.2 不同复配类型土壤的养分特征 由表3可知，不同复配土壤的养分含量变化明显，总体上，复配土壤养分含量除石膏复配土壤与对照CK无显著差异外(p>0.05)，其余复配土壤的有机碳、全氮、全磷含量均整体升高，整体分布呈现为N>F>CK>S。土壤有机碳SOC升高比例最大，复配不同比例牛粪、粉煤灰的土壤较对照增大2.6～10.4倍，粉煤灰与石膏混合复配土壤的SOC较CK提高1.2～2.4倍。牛粪复配土壤的土壤全氮含量显著高于流沙(5.4～7.8倍)与其他复配类型(4.9～23.3倍)，土壤全磷含量则在牛粪、粉煤灰复配中呈现最高，分别为0.52～0.63，0.47～0.69 g/kg，配施粉煤灰、石膏后降低了土壤全钾含量，但配施牛粪后土壤全钾含量较CK增加了28.8%～76.4%，二者差异显著。

表2 不同复配类型土壤机械组成

表3 不同复配类型土壤养分含量变化特征

2.1.3 不同复配土壤的金属特征 由表4可知，牛粪复配土壤的金属元素含量在各复配类型中表现最高，除Cr含量低于CK外，其余金属含量均高于CK，石膏复配土壤的金属含量在各复配类型中最小，且低于CK；粉煤灰复配土样的Mn，Zn，Al含量接近于CK，与CK差异不显著，Cr，As含量较CK下降，Fe，Cu含量较CK明显上升；FS混合材料复配土壤则呈现出Cu，Zn，Al含量则略高于较CK，Cr，Mn，Fe，As含量低于CK的变化趋势。从单个元素的含量变化看，对于Cr，As、含量，不同材料25%复配土壤均高于15%复配土壤；对于Mn含量，除牛粪复配土壤外，其余材料均表现为25%复配土壤低于15%复配土壤；对于Fe，AI含量，25%F以及25%N高于15%比例，25%S以及25%FS低于15%比例；对于Cu，Zn含量，25%S以及25%N高于15%比例，25%F以及25%FS低于15%比例。整体上，复配土壤具有增加土壤中微量元素Zn的含量、降低有害重金属元素Cr，As含量的作用。

表4 不同复配类型土壤金属含量变化特征

2.2 不同复配类型土壤质量综合评价

不同复配土壤的理化与金属含量指标关系较为密切(图1)，各指标的变异系数(CV)介于2%～101%，根据敏感度等级划分标准[21]，高度敏感(CV≥100)指标有一项，土壤指标的整体变异性较低，特别是锰、铁、铝、有机质、全氮、全磷、全钾指标都属于非敏感指标，其对于土壤物理材料添加以及比例的变化引起的土壤性质变异敏感性较低，作为评价该研究区土壤质量的指标不太适宜(表5)。

表5 土壤质量评价指标的敏感度分级

图1 不同复配土壤质量评价指标的相关性

将18个候选参数排序，通过主成分分析，根据因子的特征值大小，结果见表6。前4个主成分的特征值≥1，累积方差贡献率达到90.636%，符合信息提取的要求。根据载荷因子分组原则，锰、中砂、有机质、全氮、全钾被划分为组1；黏粒、粉粒、极细砂为组2；粗砂、极粗砂为组3；铁、铜、锌、铝、全磷为组4。综合敏感度分析、相关性比较以及Norm值10%范围内保留的最小数据集构建方法，建立的复配土壤质量评价最小数据集的指标为粉粒、极细砂、极粗砂体积分数与铜含量。根据进入最小数据集的各指标的函数类型、权重计算隶属度值，并绘制各指标的隶属度雷达图(图2)。由图可知，极粗砂、黏粒、粗砂含量是评价本研究土壤质量的限制性与关键因子。

表6 主成分主体原件分析载荷矩阵以及Norm值计算

图2 不同复配土壤质量指标隶属度雷达图

不同复配土壤质量得分指数范围为0.335～0.545，由大到小表现为15%F(0.545)>15%S(0.537)>15%N(0.506)>25%FS(0.484)=25%F(0.484)>25%S(0.478)>15%FS(0.395)>CK(0.385)>25%N(0.335)(图3)。由结果可知，15%F对沙漠土壤质量的改良效果最优，其次为15%S和15%N。土壤质量综合指数取值区间为0～1.0，级差0.2，土壤质量综合指数被划分为5个等级：0.8～1.0为Ⅰ级，表征肥沃；0.6～0.8为Ⅱ级，表征较肥沃；0.4～0.6为Ⅲ级，表征中等；0.2～0.4为Ⅳ级，表征贫瘠；0～0.2为Ⅴ级，表极贫瘠[22]。不同复配物理材料对沙漠土壤改良的效果整体水平为0.472，属Ⅲ级水平，个别为Ⅳ级水平，表明施加物理固沙材料后，原流沙的土壤质量由Ⅳ级水平提升至Ⅲ级水平，这也说明施加物理固沙材料后可改良风沙土的质量，达到改土的目的。

综上所述，结合3种材料市场价格(不含物流费用)：干牛粪200元/t、粉煤灰原灰200元/t、脱硫石膏480元/t，根据低成本筛选原则，15%复配比例的成本低于25%复配比例，且混合复配比例低于粉煤灰单一复配比例，为此，本研究主要选择15%F，15%N，15%S，25%FS这4种方案进行野外配施参考。

3 讨 论

杨凯等[23]对不同比例粉煤灰固沙效果开展了风洞试验，结果显示，施用10%，20%和30%的粉煤灰后的沙土起动风速较对照沙的起动风速提高了40%，50%和30%，在8 m/s的净风吃蚀下，10 min的土壤吹蚀量表现为10%，20%无风蚀或仅有少量风蚀，而30%施用量则较对照沙的风蚀量降低一半。本文选择的15%，25%的施用比例较为适合，且与本文最终筛选的15%F结果相一致。董治宝等[24]将风成沙颗粒按可蚀性分成>0.7 mm和<0.05 mm的难蚀颗粒、0.4～0.7 mm和0.05～0.075 mm的较难蚀颗粒和0.075～0.4 mm的易蚀颗粒，显然，在风沙土中施用粉煤灰、石膏和牛粪等固沙材料后，粉粒、极细砂、粗砂体积分数均有所增加，相当于增加了风沙土中的难蚀颗粒和较难蚀颗粒，而细砂含量的下降则相当于减少了易蚀颗粒，从而使得复配土壤变得不易风蚀。此外，粉粒含量的增加使沙粒相互联接，增加了颗粒间的内聚力，促使沙土的抗蚀性整体增强；而且，施用材料中的细颗粒在沙土的粗颗粒孔隙中填充，使得沙粒点与点接触范围减少，可减弱沙粒在气流脉动周期作用下产生的振动，进而使得沙土稳定性增强，达到降低风蚀的作用。

图3 不同复配类型土壤质量得分

研究表明，粉煤灰与碱性生石灰混合后，强碱性能够将六价Cr转化成三价Cr，并使Cr元素的可溶性降低，抑制Cr的迁移，起到固定和吸附Cr元素的作用[25]，本研究中，在风沙土中加入粉煤灰后，不同配比下风沙土中的Cr含量均表现为下降，说明Cr得到了粉煤灰的固定和吸附。本研究表明，粉煤灰用量较高时，25%F的As元素的含量反而明显低于15%F，这与前人的研究[26]一致，高比例的粉煤灰对应着碱性上升，强碱性可能改变了As在土壤当中的形态，土壤可溶性As增加，粉煤灰强碱性可能促进了As的可溶性，As被淋洗到土壤深层，因此15F%处理表层土壤As含量明显低于对照。有研究表明，在污染土壤的治理过程中，粉煤灰作为一种化学试剂用作改变重金属状态，在土壤胶体和腐殖质载体下有效发挥其对重金属的吸附和沉淀作用，并形成玻璃态而固化重金属，降低重金属的活性[27-28]。张俊华等[28]对宁夏西吉县养牛场粪污以及周边土壤的重金属特征开展研究，结果表明宁夏肉牛牛粪中的Cu，Zn，Cd，Pb，Hg含量显著低于全国平均值，但As较高，且不同时期重金属含量不同，以育肥前期为最高，但不同养殖期的重金属含量都在安全范围内。与张俊华等[28]的研究对象牛粪中各元素含量检测值相比，本研究牛粪中的重金属含量均低于张俊华等的检测值，这可能与不同地区养殖场采用的饲料不同有关。但这也表明牛粪中重金属含量可能会高于粉煤灰和石膏，这一点恰好与本文试验结果相同。综合牛粪的易取性、经济性、养分提升性等性能，在进一步研究中，应重点研究牛粪的实地应用。

运用主成分分析降维，综合敏感度分析、相关性比较以及Norm值10%范围内保留的方法作为土壤质量评价方法被广泛使用[29]，通过土壤质量评价得分获得的不同固沙材料及其配比比例可作为野外配施参考。15%F与15%S最终评价结果相近，结合结果分析来看，15%S的极粗砂与Cu下降比例较其他样地较好；15%F的粉粒以及极细砂上升比例较大，且TP以及SOC改良效果较好；15%N养分含量变化较优，但养分指标因其变异系数较小，皆为非敏感性指标，未纳入最小数据集，导致N复配土质量指数不及F和S；25%FS既有F样地优点也有S样地优势，纳入生产实践观察其变化有其必要性，对各种复配土壤的质量评价指数大小顺序有其科学性和生产实践指导性意义。

4 结 论

(1) 不同固沙材料与风沙土复配后的土壤理化性质差异显著，但3种材料在土壤改良方面的作用各异，粉煤灰在土壤粒径改良方面作用较优，牛粪在养分提升方面作用显著，石膏在重金属含量降低方面作用明显，因此，可以根据风沙土改良的目的进行固沙材料的筛选与复配。

(2) 不同复配材料在不同程度上可有效提高土壤的质量，但土壤质量指数仍处于较低水平。本研究的不同比例组合中，15%F复配土壤改良效果较好，其次为15%S，15%N，25%FS，可将此4个比例运用于研究区风沙土的固沙改土试验。