砒砂岩与沙复配土生地?熟地中土壤有机碳及水稳定性团聚体含量的变化特征

赵宣　韩霁昌　王欢元

摘要 [目的]探索种植对新生土壤中养分及土壤结构的影响。[方法]设置了3种不同比例砒砂岩与沙复配土，并且分别在生地和熟地两种条件下对小区内不同深度的土壤进行采样，测定有机碳含量和水稳定性团聚体质量分数。[结果]种植可以显著提高砒砂岩与沙复配土生地的有机碳含量，并且1∶2复配土的含量增加最大，其次是1∶5复配土，最后是1∶1复配土。熟地中，不同比例复配土中有机碳含量最多的是0～10 cm土层，大部分有机碳主要集中在0～20 cm土层中。生地中，3种复配土中>0.25 mm水稳定性团聚体含量对比表现为1∶1复配土>1∶2复配土>1∶5复配土。熟地中，>0.25mm水稳定性团聚体含量对比表现为1∶2复配土>1∶5复配土>1∶1复配土。3种复配土的分形维数与生地相比均有明显下降。[结论]对于砒砂岩与沙复配土这种新生土壤，种植可以显著提高土壤中的有机碳含量，改变土壤结构，改良土壤。

关键词 复配土；生地；熟地；有机碳；水稳定性团聚体

中图分类号 S15 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）11-075-03

砒砂岩与沙复配可以形成新土壤，已经有很多报道[1-4]。土壤有机碳是耕地土壤肥力的重要组成部分，是土壤质量和功能的核心，与土壤结构的形成和变化息息相关[5-6]，从而对土壤的物理化学性质有巨大影响[7]。土壤团聚体的形成是土壤碳累积的最重要机制。研究表明，土壤有机碳与水稳性团聚体密切相关，有机碳含量随团聚体级别的增大而增加，且大团聚体比微团聚体含有更多初期不稳定的新形成的有机物质[8-10]。以往的研究主要集中在不同的改良剂、不同的土地利用方式、不同的土地利用类型、耕作措施等对土壤有机碳含量以及水稳定性团聚体含量的影响[11-19]，而砒砂岩与沙复配土作为新生土壤，种植对于这种新生土壤中有机碳含量、水稳定性团聚体质量分数变化的研究还很少。以不同比例砒砂岩与沙复配土为研究对象，笔者研究种植对土壤有机碳含量以及水稳定性团聚体质量分数的变化特征以及这些变化对作物产量的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设置于渭南市富平县杜村镇。该区属半干旱大陆性气候，年内降雨分布极不均匀，多集中在7～9月，占全年降雨量的49%，其他季节较干旱。干湿季节分明，干季长于湿季，尤其春季多风少雨，蒸发量大。全年蒸发量1 000～1 300 mm，是降雨量的2.0～2.3倍。6月蒸发量最大，为189.5 mm，12月最小，为44.9 mm。无霜期225 d，年平均气温13.4 ℃，夏季最高气温41.8 ℃，季最低气温-22.0～-10.0 ℃。该区域条件基本上满足小麦、玉米、棉花等作物的生长需要。

1.2 试验设计及样品采集

1.2.1 试验设计。

试验中将砒砂岩与沙的混合比例分别设置1∶1、1∶2和1∶5。每个混合比例为1个试验小区，并设1个重复。各小区面积均为5 m×12 m。在每个小区表层30 cm覆盖不同混合比例的复配土壤，30 cm以下为当地原始沙土。

试验田全部采用人工播种。供试小麦品种为小偃22号，平均千粒重38 g，小麦发芽率90.1%。小麦播量为150 kg/hm2，行距为20 cm。种植前，施足底肥（磷酸二铵300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2）。冬灌各处理追施尿素150～225 kg/hm2，春季追施尿素150～225 kg/hm2，灌水3次，冬灌1水，春灌1水，灌浆期1水，春季化学除草1次，抽穗后一喷三防。

1.2.2 样品采集。

在生地和熟地2种情况下，分别在每个小区以对角线布置5个样点，取0～10、10～20、20～30、30～40、40～70 cm土层土壤混合样。试验中的生地指的是未种植任何作物的砒砂岩与沙复配土；熟地指的是经过5年小麦/玉米轮作后的砒砂岩与沙复配土。生地的取样时间为2000年8月，熟地的取样时间为2014年6月。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤化学性状的测定。

测定的土壤指标为有机碳含量和水稳定性大团聚体质量分数。有机碳含量根据《NY/T 1121.6-2006土壤检测 第6部分：土壤有机碳的测定》测定；水稳定性团聚体根据《NY/T 1121.6-2006土壤检测第19部分：土壤水稳性大团聚体组成的测定》测定。

1.3.2 产量及其构成因素。

在小麦收获时，每个小区沿对角线选取长势均匀的3点，每点取1 m2测定小麦穗数、穗粒数、千粒重、籽粒含水率等性状。

1.4 数据处理

采用sigmaplot10.0对数据、图表进行处理，用SAS V8数据处理软件对数据进行方差分析、LSD法多重比较。

2 结果与分析

2.1 种植对生地、熟地中土壤有机碳含量的影响 土壤有机碳是土壤肥力的重要物质基础。土壤有机碳不仅含有各种营养元素，而且是土壤微生物生命活动的能源，对土壤水、肥、气、热等因素的调节及土壤理化性状、耕性的改善等具有重要作用。在一定范围内，土壤有机碳含量高，对促进作物生长发育、提高作物的产量与品质具有至关重要的作用。

从图1可以看出，生地时3个不同比例复配土中的有机碳含量之间没有显著的差异，熟地时各不同比例复配土的有机碳含量均比生地有显著增加，有机碳含量由高到低表现为1∶2复配土>1∶5复配土>1∶1复配土，且各不同比例复配土间差异极显著（P<0.01）。有机碳含量最大的为1∶2复配土，达到4.37 g/kg，分别是1∶5复配土和1∶1复配土的2.8倍和7.05倍，达到极显著差异水平（P<0.01），说明1∶2复配土的保肥能力最强。1∶1复配土有机碳含量增加0.38 g/kg，增加了1.58倍；1∶2复配土有机碳含量增加4.09 g/kg，增加了14.6倍；1∶5复配土有机碳含量增加1.31 g/kg，增加了5.24倍。有机碳含量增幅由高到低表现为1∶2复配土>1∶5复配土>1∶1复配土，且各不同比例复配土间差异极显著（P<0.01）。试验结果表明，种植作物能够显著提高土壤的有机碳含量，改良土壤结构，使得土壤肥力状况呈现良性发展的态势。用SAS V8.0软件进行双因素方差分析，结果表明不同比例、是否种植作物以及不同比例和是否种植作物的交互作用对土壤中有机碳含量有着极显著的影响（P<0.01）。

2.2 熟地中不同土层土壤有机碳的分布情况

经过5年的小麦/玉米轮作种植，不同比例复配土中的有机碳含量均有显著增加。为了更好地研究熟地复配土中有机碳含量的分布情况，做了不同土层深度有机碳含量测定试验。从图2可以看出，在1∶1复配土中，有机碳含量分布较均匀，不随着土层深度的变化而变化，有机碳含量最多的土层为10～20 cm土层，其他土层中含量均为0.35 g/kg左右；在1∶2复配土中，有机碳含量呈现出随着土层深度的增加而减小的趋势，并且0～10 cm土层中最多，为9.74 g/kg，占全部有机碳含量的67.5%，10～20、20～30、30～40和40～70 cm土层的有机碳含量分别为1.75、1.64、0.68和0.63 g/kg；在1∶5复配土中，有机碳含量也随着土层深度的增加而呈现出逐渐减小的趋势，并且0～10 cm土层中最多，为2.06 g/kg，占全部有机碳含量的36.6%，10～20、20～30、30～40和40～70 cm土层的有机碳含量分别为1.65、0.97、0.64和0.31 g/kg。

2.3 生地、熟地不同粒级水稳定性团聚体的变化 水稳定性团聚体是土壤的重要组成部分，保证和协调土壤中的水肥气热，影响土壤酶的种类和活性，维持和稳定土壤疏松熟化层，并且直接影响植物的生产力。该试验土壤水稳定性大团聚体组成采用湿筛法测定。通常认为，>0.25 mm的水稳定性团聚体对土壤肥力有重要的影响。杨建国等[20]研究表明，土壤中>0.25 mm团聚体的总量与土壤中有机碳、全氮、黏粒、物理性黏粒含量呈极显著的正相关。有机碳是影响土壤水稳定性团聚体的主要因素[15]，对土壤颗粒具有良好的胶结作用。Six等[21]研究表明，土壤肥力水平的降低可改变土壤团聚体的分布和稳定性。

从表1可以看出，生地时3种复配土中>0.25 mm水稳定性团聚体含量对比表现为1∶1复配土>1∶2复配土>1∶5复配土；熟地时1∶2和1∶5复配土中>0.25 mm水稳定性团聚体含量有所增加，1∶1复配土中有稍许下降，含量对比表现为1∶2复配土>1∶5复配土>1∶1复配土。

熟地时，不同比例复配土中>5 mm水稳定性团聚体含量均有所下降，与生地差异显著（P<0.05）。1∶2复配土降幅最大，从7.83%降到1.17%。2～5 mm土层水稳定性团聚体含量在1∶1和1∶5复配土中下降，但在1∶2复配土中增加。熟地中1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水稳定性团聚体含量均表现为下降。可见，种植可以改善土壤结构，使得小粒径水稳定性团聚体含量增加，土壤更细腻，更有利于保水保肥。

2.4 种植对生地、熟地中水稳定性团聚体分形维数的影响

土壤团聚体分形维数是反映土壤结构稳定性的一项综合性指标。团聚体分形维数越小，土壤结构就越稳定[22]。土壤结构分布的分形维数不仅反映土壤颗粒大小的影响，而且体现质地均一的程度。分形维数高，表明土壤质地黏重，通透性差，反之则表明土壤结构越散[23]。用SAS V8.0软件进行双因素方差分析，结果表明不同复配比例、是否种植作物以及不同复配比例和是否种植作物的交互作用对分形维数有着极显著的影响（P<0.01）。由图3可知，生地时3种比例复配土的水稳定性团聚体分形维数依次为2.927 3、2.951 3、2.953 6，不同比例间差异极显著（P<0.01）。经过5年的作物种植，1∶2复配土的水稳定性团聚体分形维数显著降低，为2.875 0，比生地时降低了2.59%；1∶5复配土的的水稳定性团聚体分形维数显著降低，为2.883 5，比生地时降低了2.37%；1∶1复配土的水稳定性团聚体分形维数几乎没有变化，不同比例间差异极显著（P<0.01）。Six等[21]认为，微团聚体通过有机碳的黏合形成大团聚体，并且耕种减少含碳量丰富的大团聚体含量而增加含碳量少的小团聚体含量。该试验结果与Six等观点一致，支持了土壤团聚体的分级构建理论。因此，种植作物可以显著降低团聚体分形维数，改善土壤结构。

2.5 新生土壤中小麦理论产量和实际产量

由表2可知，在不同比例复配土中，单位面积穗数大小次序表现为1∶1>1∶5>1∶2，不同比例间差异极显著（P<0.01）。穗粒数大小次序表现为1∶1>1∶2=1∶5，穗粒数最大为61个，最小的为46.7个，不同比例间差异极显著（P<0.01），1∶1差异最显著，1∶2和1∶5之间差异不显著。千粒重大小次序表现为1∶5>1∶1>1∶2，最大为47.8 g，最小为44.3 g，不同比例间差异极显著（P<0.01）。籽粒产量大小次序表现为1∶1>1∶2>1∶5，最大为10 602.0 kg/hm2，最小为8 017.5 kg/hm2，不同比例间差异极显著（P<0.01）。差异在0.01水平显著。

3 结论

研究表明，种植可以显著提高不同比例砒砂岩与沙复配土生地中的有机碳含量，并且1∶2复配土中的有机碳含量增加最大，其次是1∶5复配土，最后是1∶1复配土。熟地中，分层比较，有机碳含量最多的是0～10 cm土层，有机碳主要集中在0～20 cm土层中。

种植可以显著改善土壤结构。生地中，3种复配土中>0.25 mm水稳定性团聚体含量对比表现为1∶1复配土>1∶2复配土>1∶5复配土；熟地中，>0.25 mm水稳定性团聚体含量对比表现为1∶2复配土>1∶5复配土>1∶1复配土。3种复配土的分形维数与生地相比均下降。

有机碳含量和水稳定性团聚体质量分数均与作物产量有着密切的关系。理论来讲，有机碳含量高和水稳定性团聚体质量分数大，则其产量就高。根据试验结果，应该是1∶2复配土的产量最高，1∶1复配土的产量最低。但是，实际测产中，1∶1复配土产量最高，1∶2复配土产量最低。究其原因，种植不光会影响土壤有机碳含量和水稳定性团聚体含量，而且会影响土壤质地、土壤中土壤酶的活性等，而作物产量是多方面因素共同影响下的结果，所以这次试验结果产量不符合有机碳含量和水稳定性团聚体含量的变化趋势，也是合理的。该次试验只是进行了有机碳以及水稳定性团聚体质量分数的测定，而土壤中其他物理化学性质的变化情况还需要更进一步的研究。

参考文献

[1] 韩霁昌，刘彦随，罗林涛.毛乌素沙地砒砂岩与沙快速复配成土核心技术研究[J].中国土地科学，2012，26（8）：87-94.

[2] 韩霁昌，付佩，王欢元，等.砒砂岩与沙复配成土技术在毛乌素沙地土地整治工程中的推广应用[J].科学技术与工程，2013，13（25）：7287-7293.

[3] 付佩，王欢元，罗林涛，等.砒砂岩与沙复配成土造田技术研究[J].水土保持通报，2013，33（6）：242-246.

[4] 杨帆.浅谈毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土[J].现代园艺，2012（2）：89.

[5] REEVES D W.The role of soil organic matter in maintaining soil quality in continuous cropping system[J].Soil & Tillage Research，1997，43（1/2）：131-167.

[6] FRANZLUEBBERS A J.Soil organic matter stratification ratio as an indicator of soil quality[J].Soil & Tillage Research，2002，66（2）：95-106.

[7] 卢金伟，李占斌.土壤团聚体研究进展[J].水土保持研究，2002，9（1）：81-85.

[8] TISDALL J M，OADES J M.Organic matter and water-stable aggregates[J].Journal of Soil Science，1982，31：141-163.

[9] BRONICK C J，LAL R.Soil structure and management：A review[J].Geoderma，2005，124（1/2）：3-22.

[10] 王清奎，汪思龙.土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素[J].土壤通报，2005，36（3）：415-421.

[11] 曹丽花，赵世伟，梁向锋，等.PAM对黄土高原主要土壤类型水稳性团聚体的改良效果及机理研究[J].农业工程学报，2008，24（1）：45-49.

[12] 曹丽花，刘合满，赵世伟.不同改良剂对黄绵土水稳性团聚体的改良效果及其机制[J].中国水土保持科学，2011，9（5）：37-41.

[13] 刘晓利，何园球，李成亮，等.不同土地利用类型下土壤水稳性团聚体的特征[J].土壤学报，2008，45（3）：459-465.

[14] 刘晓利，何园球，李成亮，等.不同利用方式旱地红壤水稳性团聚体及其碳、氮、磷分布特征[J].土壤学报，2009，46（2）：254-261.

[15] 严宁珍，白仲才，徐卫红，等.喀斯特山地土地利用方式对土壤团粒的影响：以重庆黔江为例[J].中国岩溶，2011，30（1）：72-77.

[16] 王勇，姬强，刘帅，等.耕作措施对土壤水稳性团聚体及有机碳分布的影响[J].农业环境科学学报，2012，31（7）：1365-1373.

[17] 赵玉明，高晓飞，姜洪涛.我国五种主要土壤水稳性团聚体含量研究[J].中国水土保持，2013（4）：32-36.

[18] 霍琳，武天云，蔺海明，等.长期施肥对黄土高原旱地黑垆土水稳性团聚体的影响[J].应用生态学报，2008，19（3）：545-550.

[19] 朱冰冰，李鹏，李占斌，等.子午岭林区土地退化恢复过程中土壤水稳性团聚体的动态变化[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2008，36（3）：124-129.

[20] 杨建国，安韶山，郑粉莉.宁南山区植被自然恢复中土壤团聚体特征及其与土壤性质关系明[J].水土保持学报，2006，20（1）：72-75.

[21] SIX J，PAUSTIAN K，ELLIOTT E T，et al.Soil structure and organic matter I.Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J].Soil Sci Soc Am J，2000，64：681-689.

[22] 赵文智，刘志民，程国栋.土地沙质荒漠化过程的土壤分形特征[J].土壤学报，2002，39（6）：877-881.

[23] 黄冠华，詹卫华.土壤颗粒的分形特征及其应用明[J].土壤学报，2002，39（4）：490-497.

责任编辑 刘月娟 责任校对 李岩