砒砂岩与沙复配土壤组成变化及玉米产量可持续性分析

张海欧, 曹婷婷, 杨晨曦

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司, 西安 710075; 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司, 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, 西安 710021; 4.陕西省土地整治工程技术研究中心, 西安 710021)

毛乌素沙地以光照资源丰沛，光合效率高，成为玉米等作物主要生产基地，春玉米正是榆林当地的主要农作物之一，其经济效益巨大。然而，沙地受风蚀堆积作用，地貌多为起伏不平的沙丘，颗粒呈无团聚的分散状态，抗风蚀性差，土体营养物质贫瘠，不利于植物生长，只在“肥力岛”处滋生有零星的小灌丛，植被极为稀疏，无经济价值。韩霁昌等[1]研究发现砒砂岩具有天然保水剂的作用，揭示了砒砂岩的保水机理，提出了规模化使用砒砂岩改良毛乌素沙地的可行性，即将一定量的砒砂岩和沙两种物质经科学配比，使其成为满足作物生长的新增耕地的耕作土壤层。风沙土中添加砒砂岩能够改善土壤质地[2]，提升黏粒含量和有机质含量[3]，降低氮素的淋溶和损失[4]，提高土壤结构稳定性和肥力[5-6]。然而，探索适合当地主要粮食作物高产稳产的砒砂岩与风沙土的适宜混合比例，提高复配土壤的农业适应性有待进一步研究。本文利用2010—2018年砒砂岩与沙体积比为1∶1，1∶2，1∶5复配土壤的田间定位试验数据，分析随着玉米种植年限的增加不同比例复配土壤粉粒和黏粒含量及空间迁移规律，探索玉米产量可持续性及稳定性，以期为砒砂岩与沙复配土壤—植被系统的良性循环发展提供理论基础。

1 试验区概况与方法

1.1 试验区概况

研究团队于2010年在毛乌素沙地榆林市榆阳区建立了砒砂岩与沙复配成土野外科学观测试验小区，开展长期监测。研究区环境条件具有典型的代表性，该地区气温年际变化较大，冬季(1月)平均温度在-9.5～-12℃，夏季(7月)平均温度在24±2℃；降水时空分布不均匀，秋季(尤其8月份)降水几乎是全年降水量的60%～75%，并且年际间降水量也呈现出显著差异，即湿润年是干旱年降水量的2～4倍。此外，结合该地区光照条件充足，地下水埋藏较浅等特点，具备生产出高产量玉米的环境条件。研究区域以风沙土为主，结构疏松，持水能力差，蒸散量大，导致经常缺水。当地松软易风化的砒砂岩，结构强度低，透水性差，但具有较好的持水能力和保水能力，并且当地地下水能够为植物生长提供水分，因此，将砒砂岩与风沙土按照一定比例混合形成本试验的复配土。

1.2 试验小区设计

自2010年砒砂岩与沙复配成土整治示范工程项目完成起，建立了复配土长期定位试验小区长5 m×宽12 m。在当地原始沙地表层按照试验需求，仅将0—30 cm土层分别按砒砂岩与风沙土体积比1∶1，1∶2，1∶5进行复配后，通过机械翻耙，使其充分混合，每种比例设置3个重复试验小区，共计9个试验小区。种植当地主要粮食作物春玉米(榆丹9号)，每年播种时间为5月中旬，9月下旬进行收获，种植制度为一年一季。播种前1～2 d施入复合肥(90 kg N/hm2，40 kg P/hm2，75 kg K/hm2)，在玉米拔节期以187 kg N/hm2追施尿素1次。灌溉的时间和量，根据天气干旱、作物生长需要，以60 cm土层内保持田间最大持水量的75%～80%为宜。为了避免由于种植不同玉米品种而对试验造成的影响，按照试验周期内所种植的玉米品种，将试验分为2个时间段，2010—2014年和2015—2018年种植玉米品种分别为榆丹9号、先玉335。试验于每年玉米收获后采用“S”形采样方法，分别采集各处理下0—30 cm土样，进行土壤物理和养分指标测定及分析。

土壤颗粒组成测定采用马尔文激光粒度分析仪Mastersizer 2000(英国)，其粒度分级采用1951年美国农业部(USDA)制的分级标准。每年按小区收获计算玉米实收产量。

1.3 产量稳定性及可持续性指数计算

(1)产量稳定性计算。采用变异系数(CV)表示产量稳定性，衡量随着年际变化同一品种作物平均产量间的变异程度，其值越小，表明产量稳定性越高[7]。

(2)产量可持续性指数计算

产量可持续性指数(SYI)作为衡量土地可持续生产力的指标，其值越大，说明可持续性越好[8-9]。

式中:Ymax为试验点最高产量。

2 结果与分析

2.1 复配土壤粉粒和黏粒迁移规律分析

土壤是由不同粒径的黏粒、粉粒和砂粒等颗粒组成，合理的机械组成是土壤良好发育的基础，其影响着植物根系的生长[10-11]。不同种植年限1∶1，1∶2，1∶5复配土体剖面粉粒和黏粒迁移规律分别见图1—3所示，试验小区0—30 cm土层为砒砂岩与沙复配土壤，相比较于30 cm以下原始沙地土层中粉粒、黏粒含量高。随着玉米种植年限的增加，3种比例复配土壤表层中粉粒和黏粒含量均有向下层土体运移，使下层土壤中的粉粒和黏粒含量增加。2010—2013年表层土壤中粉黏粒含量呈下降趋势，30 cm以下土层其含量增加，2014年之后表层土壤粉粒、黏粒含量整体呈稳定状态，30 cm以下土层粉粒、黏粒含量增加速率减缓。其中，1∶1复配土壤10—20 cm土层中粉粒含量积累最多，30—40 cm土层中粉粒含量次之，黏粒含量在0—15 cm土层中积累量最多。1∶2复配土壤中10—20 cm土层中粉粒和黏粒含量均积累最多。1∶5复配土壤中0—10 cm土层中粉粒含量最大，10—20 cm土层中黏粒含量最大。

图1 玉米不同种植年限1∶1复配土壤黏粒和粉粒迁移规律

随着试验的开展，表层土壤粉粒、黏粒含量向下运移的速率1∶5>1∶1>1∶2，这是由于风沙土中随着砒砂岩含量的增加，粉粒、黏粒含量逐渐增加，1∶5复配土壤中砂粒含量多，属于砂质土壤，颗粒粗糙，组成的粒间大孔隙数量多。2014年之后1∶2复配土壤表层粉粒、黏粒积累速率大于1∶5，1∶1，并且其向下运移速率小于1∶1，1∶5，这可能是作物种类、种植年限及混合比例等因素之间的交互作用影响了不同比例复配土壤的理化性状，使得玉米种植模式下1∶2复配土壤稳定性较好。随着上层土壤中粉粒、黏粒的运移，2014年之后，30—40 cm土层粉粒、黏粒含量累积量不断增加，2016—2018年1∶1，1∶2，1∶5复配土壤粉粒含量平均值分别为24.09%，8.75%，53.23%，分别是2010年的3.10倍、2.89倍和6.89倍，黏粒含量平均值为3.94%，1.87%，2.49%，与2010年相比较分别提高了4.19倍、5.04倍和1.47倍，40 cm以下土层中粉粒含量在6%以下、黏粒含量在2%以下，仍然很少，没有达到作物生长需求。因此，随着作物种植年限的增加和粉粒、黏粒的向下运移，使得土体剖面的耕层增加至30—40 cm土层厚度。

图2 玉米不同种植年限1∶2复配土壤黏粒和粉粒迁移规律

2.2 不同比例复配土壤上玉米产量的变化特征

土壤的发育状况及肥力水平高低在一定程度上决定了土地生产力的好坏，而土壤生产力作为土壤质量的重要组成部分，其高低水平衡量了土壤质量的好坏[12]。土壤肥力、气候条件及人为管理措施等多因素共同作用影响着作物产量，因此作物产量的高低和变化的趋势可以作为土壤可持续性分析的一个重要衡量指标[13]。从图4可以看出，3种比例复配土壤随着玉米种植年限的增加产量整体呈现出上升趋势，不同复配比例间产量差异较大，说明混合比例对玉米产量有着重要的影响，即不同比例复配土壤结构和肥力特征不同。与2010年相比较，到2018年1∶1，1∶2，1∶5复配土壤玉米产量分别提高了43.9%，105.9%，58.5%，2015年之后3种比例复配土壤玉米产量增加速率显著，大小顺序为1∶2>1∶5>1∶1，尤其是1∶2复配土壤2015年之后产量大于或等于当地高产田玉米产量，1∶5复配土壤玉米产量接近当地高产田产量。这是由于2015年之后，砒砂岩与沙复配土壤结构及肥力状况达到相对稳定的有机—无机复合状态，并且1∶2复配土壤产量增加速率最大，产量最高。

图3 玉米不同种植年限1∶5复配土壤黏粒和粉粒迁移规律

图4 3种比例复配土壤上玉米产量随时间的变化

不同比例复配土壤上玉米产量随时间变化的拟合方程见图5，方程的斜率即为玉米产量年变化速率[g/(kg·a)]。随着玉米种植季数的增加不同比例复配土壤产量整体呈现出上升的趋势，其中1∶2复配土壤上玉米产量增加速率极显著(p<0.001)，每年达到1 249 kg/hm2；其次是1∶5复配土壤上玉米产量增加速率较显著(p<0.005)，每年为792.7 kg/hm2；1∶1复配土壤上玉米产量与种植年限相关性较小，每年增加速率为546.8 kg/hm2。因此，由于复配土壤质地、种植年限、作物生长特性等之间的交互作用，1∶2复配土壤对玉米产量提升更加显著。

注：**年变化率极显著(p<0.001)，*年变化率显著(p<0.005)。

2.3 玉米产量可持续性及稳定性分析

由表1可知，不同比例复配土壤上玉米产量可持续性指数(SYI)不同，1∶2复配土壤能显著提高玉米SYI值。不同比例复配土壤上玉米SYI值大小顺序为，2010—2014年：1∶5>1∶2>1∶1；2015—2018年：1∶2>1∶5>1∶1，两个时间段中1∶2，1∶5复配土壤产量可持续性较好。在2015年以后，3种比例复配土壤SYI均大于0.6，产量可持续性均较好，说明2015然后之后复配土壤向良好的土壤状态发育，尤其1∶2复配土壤SYI值高达0.771，产量可持续性最好。

表1 不同比例复配土壤上玉米产量可持续性指数和变异系数

不同比例复配土壤上玉米生产的CV越小，表示稳定性越高。不同比例复配土壤上玉米产量的CV值不同，2010—2018年1∶1复配土壤CV值较大，1∶5复配土壤CV值次之，1∶2复配土壤CV值最小，因此1∶2复配土壤上玉米产量稳定性最高。2015—2018年玉米平均产量大小顺序为：1∶2>1∶5>1∶1，并且1∶2复配土壤上玉米多年平均产量超过了15 000 kg/hm2，与当地高产田产量持平。综上表明，1∶2复配土壤上玉米产量最高，产量稳定性和可持续性最好，说明砒砂岩与沙混合比例为1∶2时最适合玉米生长。

3 讨 论

砒砂岩与沙复配成土，首要是进行风沙土颗粒组成优化，引入砒砂岩中粉粒、黏粒，改良沙地的不良粒径组成。然而这种新造复配土壤属于非均质土壤，粒径组成状态是否稳定，在利用期间受耕作、灌溉以及其农艺措施作用的影响较大，进而影响土壤结构的发育。高亚军等[14]研究结果表明，由于土壤颗粒组成在剖面中的垂直分异及其在土体中的含量不同，土壤颗粒组成的变化与黏粒的形成过程就是土壤的发育过程，黏粒丰富的土壤中，胶体含量越多，吸附土壤养分的能力越强。植被演替对土壤结构和质量的变化也具有重要的影响，植被对土壤条件的响应是生物界最常见的自然现象之一[15]。砒砂岩与沙复配成土技术就是通过重构沙地土体构造和根区土层的颗粒，然而在新造土壤利用过程中，其土层中黏粒、粉粒含量的变化，对土壤的质量演替过程的研究有着重要的作用。研究发现玉米的种植促进了土壤细颗粒和养分在垂直剖面上的分化，使得耕层厚度增加。

土壤颗粒组成在土体剖面中的垂直分布及含量直接影响着土壤的水、肥、气、热等特性[16]，因此，可以说土壤的形成就是黏粒的形成与机械组成的变化[17-18]。复配土壤上作物种植不仅能有效地阻止沙地细颗粒物质的流失，还能促进细颗粒物质的沉积，增加细颗粒物质含量。2011—2013年试验区表层(0—30 cm)土层3种比例复配土壤粉粒、黏粒含量呈下降趋势，2014年之后整体呈稳定状态，在30—40 cm土层形成了一层相对致密的黏化层，黏化层的形成可有效防止水肥的渗漏，有利于提高复配土土体的保水保肥性。这主要是由于种植初期，新造复配土壤处于发育初期结构不稳定，土壤结构松散，土体空隙较大，具有很强的滑动性，粉粒、黏粒易被雨水冲刷向下层迁移。2014年之后玉米根系不断产生的胶结物质，根系分泌物对土壤颗粒的黏结，加强了土壤颗粒之间的联结形成土壤微团聚体，从而降低了粉粒、黏粒的向下迁移。同时，表层耕作土壤中枯枝落叶的分解和种植过程中有机肥的施用，使表层土壤质地和养分的改善，土壤稳定性提高，新造复配土壤结构不断向良好的状态发育。

作物产量的高低和变化趋势在一定程度上能够确切反映土壤生产力水平[19-21]。为了获得玉米的高产，首先要选择适合玉米生长的土壤。研究发现，2015年以后，随着土壤结构发育状态相对稳定，3种比例复配土壤SYI较大，CV值减小，尤其1∶2复配土壤对玉米增产的效果最优，SYI值明显高于1∶1，1∶5，CV值小于1∶1，1∶5，即产量稳定性和可持续性最好，说明1∶2复配土壤受耕作管理措施、气象因素及环境条件影响较小，土壤结构发育及肥力水平较高。这主要是由于随着种植年限的增加，玉米生长对土质的需求和改善作用，不同质地类型土壤结构发育不同，然而土壤结构和肥力质量是衡量土壤生产力的综合指标，砒砂岩与沙混合比例不同，复配土壤具有不同的特性，各种作物属性不同，对土壤的需求也不同。这与张卫华等[22]、孙增慧等[23]研究结果一致，其研究显示玉米种植下砒砂岩和风沙土按1∶2复配后土壤养分累积和水分的利用效率较好。Dorraji等[24]研究显示土壤改良剂对沙质土壤中玉米产量具有显著影响。说明，应用砒砂岩改良风沙土为毛乌素沙地的治理提供了切实可行的措施，不仅可以增加沙区农业用地面积，还可促进当地的农业经济可持续发展。

4 结 论

复配土耕种年限和植被生长的综合作用，改善了新造复配土壤粉粒、黏粒含量的空间分布特征，使得土体剖面的耕层增加至30—40 cm土层厚度，土壤颗粒级配趋于合理化，提高了土壤结构稳定性。1∶2复配土壤对玉米增产的效果最优，SYI值最大，CV值最小，即产量稳定性和可持续性最好。因此，1∶2复配土壤理化性状改良效果最好，使其朝着有利于玉米生长发育并获得高产的方向发展，确定1∶2复配比例最适合玉米生长，提高了农业适应性，该复配模式可作为研究区砒砂岩改良风沙土复配比例的最佳选择。本研究为促进砒砂岩与沙复配土壤—植被系统的良性循环和稳定性的提高提供理论依据。