关键词:风沙土;砒砂岩;质地;团聚体;有机质
毛乌素沙地南缘位于中国北方农牧交错带西部,地质上属于典型的多层次过渡带.该区生态环境脆弱,土壤贫瘠、水分缺乏,再加上不合理的农垦及过度放牧加剧了草地退化[1],致使毛乌素沙地长期以来无法作为耕地的后备资源进行有效利用[2].虽然采用传统的封沙育林育草、生态水利修复等水土保持措施对该区域进行综合治理,但未能从根本上改变沙漠化加剧的势头[3-4].改良风沙土的关键在于改良其土壤颗粒组成,增加风沙土中缺乏的黏粒和土壤胶结物质.Saleh等[5]通过室内种植试验发现,添加黏粒可显着增加沙土的保水性能,提高水分利用效率,同时也可以显着增加作物产量等.王志等[6]研究发现,毛乌素沙地南缘半流动沙地垫黄土改良后土壤中中细砂粒比重降低,粉粒含量明显增加,土壤持水、保水能力明显增强,同时土壤有机质、全氮含量显着增加,可见垫黄土对沙地土壤有明显的改良作用.但是毛乌素沙地周围缺少黄土土源,远距离运输成本高且污染严重,经济效益差,因此无法大面积推广.
砒砂岩在毛乌素地区分布广泛,被当地人称为"环境癌症",其成岩程度低、砂粒间胶结程度差、结构强度低,极易发生水土流失,再加上砒砂岩具有"干时坚如岩石,遇水烂如泥"和肥力极其贫瘠的特征,一般植被很难生长[7].但是从矿物组成来看,砒砂岩主要包含石英、蒙脱石和方解石,其中蒙脱石含量高达30%;从矿物特性来看,蒙脱石作为层状硅酸盐黏土矿物,具有很强的吸附和离子交换能力[8].鉴于砒砂岩和风沙土性质上的互补性,近年来,已有学者利用砒砂岩来改良风沙土.摄晓燕等[9]研究表明,砒砂岩可有效降低风沙土的入渗率和饱和导水率,增加风沙土的饱和含水量和滞留含水量,增强风沙土的持水能力.另外,砒砂岩可以显着减少风沙土对磷的吸附固定,增加风沙土对NH+4-N的吸附,具有增加磷肥有效性及土壤持续性供氮的能力,可提高土壤保肥性和肥料的利用率[10-11].然而,长期种植作物对砒砂岩和风沙土复配土壤性质的影响的研究较少[12],而且考虑到砒砂岩优良的矿物组成和特性以及黄土客土法实施过程中存在的土源缺乏以及产生的经济及环境问题,促使我们假设利用砒砂岩改良当地风沙土土壤质地、结构,进而改善其保水保肥性能.本次试验通过田间试验,将砒砂岩与风沙土按不同比例复配成土,连续种植5a作物后分析土壤的质地、结构及土壤有机质含量变化,筛选出砒砂岩与风沙土的最佳复配比例,以期为将砒砂岩与沙复配成土技术大规模推广应用于毛乌素沙地进行农业种植提供科学依据.
1材料与方法
1.1试验地概况
试验地点位于陕西省渭南市富平县杜村镇禇塬村(109°11′30″E,34°42′11″N),该区属暖温带半湿润气候区,年均降雨量为472.97mm,7-9月份降雨量占全年降雨量的49%,年蒸发量为1000~1300mm,无霜期225d,年平均气温13.4℃,夏季最高气温为41.8℃,冬季最低气温为-22℃,年光能辐射总量为518.4~534.7kJ/cm2.
1.2试验设计
试验于2010年6月至2015年9月实施.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铺设砒砂岩或黄土与沙的混合物质,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,黄土采自富平当地土壤,供试土壤性质见表1.本试验共设4个处理,砒砂岩与沙按体积比分别为1∶1(C1),1∶2(C2),1∶5(C3),黄土∶沙=1∶2(CK),每个处理重复3次,共布设12个小区,小区面积为2m×2m=4m2,采取自南向北"一"字型布设.
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.从2010年6月到2015年9月,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/hm2,尿素150kg/hm2);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/hm2;在玉米种植期间,灌溉1次,追施尿素1次,每次为150kg/hm2.供试土壤的理化性状见表1.
1.3土样采集
及测定分别于2011年、2015年玉米收获后,在各个试验小区用土钻取0-5,5-10,10-15,15-20,20-25,25-30,30-40,40-50,50-70cm土层土壤样品,每个小区随机取3钻混合为一个土壤样品,自然风干后研磨过2mm筛,用于土壤颗粒组成分析.采集各小区0-30cm土层原状土样2kg左右,去除根系和小石块,取一部分(大约1.5kg)沿自然裂隙掰成直径约1cm左右的土块,自然风干,用于土壤团聚体分析;另一部分自然风干后磨细过0.149mm的筛子,用于土壤有机质分析.
土壤颗粒组成采用马尔文(Mastersizer2000)激光粒度分析仪测定(美国制);土壤团聚体采用萨维洛夫法测定[13];土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定[14].
土壤团聚体平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的计算方法见式(1)[15]:
2结果与分析
2.1复配土壤
0-70cm土层土壤颗粒组成变化由于受气候、作物根系、生物活动、土壤肥力以及人为管理的影响,随着种植作物年限的增加,土壤颗粒组成也会随之改变.2011年和2015年玉米收获后,各处理0-70cm土层土壤颗粒组成变化表明,随着砒砂岩加入比例的增加,复配土壤砂粒含量减少,粉粒和黏粒含量明显增加,砒砂岩的加入促使复配土壤质地由砂土向粉壤土逐渐转变.而且随着作物种植年限的增加,复配土壤砂粒含量也在明显减少,粉粒含量增加,这种变化在0-40cm土层尤为突出.由图1-4可以看出,2011年作物收获后C1,C2,C3,CK处理0-40cm土层土壤砂粒平均含量分别为55.84%,65.67%,77.96%,63.27%,粉粒平均含量分别为40.01%,31.26%,19.77%,31.54%;2015年土壤砂粒平均含量分别为43.17%,56.35%,68.63%,52.73%,粉粒平均含量分别为50.17%,39.16%,27.87%,40.37%;2015年C1,C2,C3,CK处理0-40cm土层土壤砂粒平均含量相比2011年分别降低了22.68%,14.20%,11.97%,16.66%,粉粒含量分别增加了25.31%,25.29%,40.95%,28.01%,黏粒含量分别增加了61.45%,46.24%,54.36%,32.85%.可见随着砒砂岩加入比例的增加,复配土壤砂粒含量明显下降,粉粒含量明显增加,而且随着种植作物年限的增加,各处理0-40cm土层土壤砂粒含量明显减少,粉粒和黏粒含量明显增加且有逐渐下移的趋势,40cm以下,各粒级土壤变化不明显.说明砒砂岩的加入促使风沙土中砂粒质量分数减少,粉粒、黏粒质量分数增加,而且随着作物种植年限的增加,使风沙土过粗的砂土质地逐步得到改善,而且砒砂岩与风沙土1∶2复配对质地的改良效果和黄土与风沙土1∶2复配改良效果差不多,因此,从土壤质地改良方面来说,砒砂岩具有一定固沙的可能性.
2.2复配土壤
结构变化水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性具有重要贡献,并且关系到土壤水分的入渗与保蓄性能[16].了解水稳性团聚体的组成对探讨土壤肥力、土壤结构变化等都有重要的理论和实践意义[17].本研究通过综合计算>5mm,2~5mm,1~2mm,0.5~1mm,0.25~0.5mm和>0.25mm团聚体的比例,分析了不同处理下土壤水稳性团聚体的变化(表2).一般认为直径>0.25mm水稳性团聚体含量(WR0.25)在一定程度上反映了土壤的质量水平和抗侵蚀能力的大小,对保持土壤结构的稳定性具有重要贡献,且其数量与土壤肥力状况呈正相关关系[18].本研究表明,各处理WR0.25含量均在连续种植作物5a后显着增加,且各处理WR0.25含量均随砒砂岩加入比例的增加而显着增加.2015年作物收获后C1,C2,C3,CK处理土壤中WR0.25含量较2011年分别增加了57.39%,65.17%,65.42%和42.84%.
MWD,GMD值越大表明土壤的团聚度越高,土壤结构越稳定,抗侵蚀能力越强[19].各处理MWD,GMD也均随砒砂岩加入比例和作物种植年限的增加而显着增加(图5A,B).2015年作物收获后C1,C2,C3,CK处理土壤水稳性团聚体MWD较2011年分别增加了15.39%,16.06%,23.30%,12.72%;GMD较2011年分别增加了8.48%,7.98%,6.81%,7.21%.
不同粒径的团聚体具有不同的农学、水文学及环境学价值,直径过大的团聚体间孔隙过大,易漏水漏肥,直径过小遇水则易堵塞孔隙,影响水分入渗和土壤的气体交换[18].由表2可以看出>0.25mm各级别土壤团聚体含量基本随砒砂岩加入比例和作物种植年限的增加而增加,且各处理中随作物种植年限增加最明显的是0.25~0.5mm级别土壤团聚体含量,相比2011年、2015年作物收获后C1,C2,C3,CK处理该级别土壤团聚体分别提高了1.62倍、1.46倍、1.52倍、1.10倍,而且在连续种植5a作物后C1和CK处理土壤中的WR0.25含量基本接近.
Bильямс等[20]提出直径在1~5mm的团聚体在农业上是最有价值的,2011年作物收获后C1,C2,C3,CK处理1~5mm的团聚体含量分别为15.87%,12.40%,9.81%,17.55%,2015年作物收获后C1,C2,C3,CK处理该级别团聚体含量分别为18.76%,15.82%,11.84%,20.64%,相比2011年分别增加了18.21%,27.58%,20.69%,17.61%.可见砒砂岩的加入和连年种植作物有助于改善风沙土土壤团聚体状况和提高风沙土结构稳定性.
2.3复配土壤有机质含量变化
由图5C可以看出,各处理0-30cm土层土壤有机质含量随作物种植年限的增加而显着增加.2011年作物收获后CK处理土壤有机质含量最高,其他3个处理之间差异不显着;连续种植5a作物后,CK处理土壤有机质含量最高,其次是C2处理,C1,C3处理之间差异不显着.2015年作物收获后C1,C2,C3,CK处理土壤有机质含量分别是2011年的1.93倍、3.11倍、2.21倍和0.79倍,可见连续种植作物5a后能显着提高土壤有机质含量,说明种植作物对于复配土壤固碳具有明显的改良效应.
3讨论
风沙土和砒砂岩是毛乌素沙地的两害,风沙土结构疏松,质地均一,水分在土层空间内的分布较为均匀,一旦水分补给减少,蒸散增加,就会出现整体性缺水.砒砂岩成岩程度和结构强度都很低,且易风化,渗透性能差,但其具有较好的持水能力和保水能力,岩层贮水多,能为植物生长提供水分[21].因此,利用二者互补的性质,将风沙土与砒砂岩混合复配成土,既可以减少或阻止沙地水分渗漏、利于土壤肥力的提升,又可减弱砒砂岩坚硬板结的现象,进而达到治理沙地和改良砒砂岩的目的[2,22].
土壤质地是土壤的主要物理性质之一,其与土壤通气性、保水保肥状况以及耕作的难易程度等都有密切关系,是拟定土壤利用、管理和改良措施的重要依据.单独风沙土中砂粒含量达到了87.32%,是砒砂岩和黄土中砂粒含量的6.95,9.21倍,可见对风沙土而言,其质地均一,缺少黏粒,难以形成稳定的土壤结构.砒砂岩的粉粒含量为78.94%,是风沙土粉粒含量的6.82倍,砒砂岩的加入改变了风沙土粒径较粗的问题,随着复配土中砒砂岩质量分数的增加,复配土壤砂粒质量分数减少,粉粒、黏粒质量分数增加.另外,由于受作物根系、降雨以及其他气候、环境因子等的影响,随作物种植年限的增加,风沙土0-40cm土层土壤质地有由砂变壤的趋势,土壤质地逐步得到改善.
本研究表明,各处理WR0.25含量、MWD、GMD均随砒砂岩加入比例和作物种植年限的增加而显着增加.其他各级别土壤团聚体含量也基本随砒砂岩加入比例和作物种植年限的增加而增加,且各处理中随作物种植年限增加最明显的是0.25~0.5mm级别土壤团聚体含量.而且在连续种植5a作物后,C1处理与CK处理土壤中WR0.25含量、MWD,GMD基本接近,可见砒砂岩对于风沙土土壤团聚体的形成具有很好的促进作用,而且其对于改良风沙土结构方面具有和黄土相似的效果,可以作为替代黄土的很好材料,即改良了风沙土,又治理了砒砂岩,达到了变"两害"为"一宝"的效果.
有机质是土壤肥力高低的一个重要指标,也是土壤质量演化趋势的重要标志之一.有机质作为土壤团聚体形成过程中重要的胶结物质,其含量与土壤水稳性团聚体的稳定性和数量呈正相关关系[20].2011年作物收获后,CK处理0-30cm土层土壤有机质含量最高,C1,C2,C3复配土有机质含量差异不显着,连续种植作物5a后,相比2011年各处理土壤有机质含量显着增加,而且CK处理有机质含量依旧最高,其次是C2处理,C1,C3处理之间差异不显着.说明各处理耕作层土壤有机质含量随作物种植年限的增加而显着增加,可见种植作物对于复配土壤固碳具有明显的效应.
4结论
本试验利用砒砂岩与沙结构上的互补性与科学的作物栽培技术相结合,发现砒砂岩与沙按不同比例复配后可替代传统的黄土改良风沙土的方法,且在一定程度可优于传统改良后的土壤.经试验研究发现,砒砂岩与沙复配比例为1∶1~1∶5均可不同程度的改善风沙土土壤质地和结构,增加土壤有机质,且复配比例在1∶1~1∶2时效果最佳,但考虑到改良成本和资源节约,建议在毛乌素沙地大面积推广时采用砒砂岩与沙1∶2的复配比例.另外,本试验只研究了砒砂岩与沙复配比例对土壤质地、结构和有机质的时间效应,对土壤其他指标和作物产量的影响还有待于进一步研究.
参考文献:
[1]童伟,韩霁昌,王欢元,等.毛乌素沙地治理与利用中存在的问题及解决对策[J].安徽农业科学,2015,43(5):218-221.
[2]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):88-94.
[3]张露,韩霁昌,王欢元,等.砒砂岩与风沙土复配后的粒度组成变化[J].中国水土保持科学,2015,13(2):45-49.
[4]李娟,韩霁昌,张卫华,等.砒砂岩与沙复配土壤的物理性状和相关光谱特性[J].麦类作物学报,2015,35(3):394-401.
[5]IsmailSM,OzawaK.Improvementofcropyield,soilmoisturedistributionandwateruseefficiencyinsandysoilsbyclayapplication[J].AppliedClayScience,2007,37(1):81-89.
[6]王志,彭茹燕,王蕾,等.毛乌素沙地南缘改良与利用风沙土性质研究水[J].水土保持学报,2006,20(2):15-16,21.
[7]王欢元,韩霁昌,罗林涛,等.砒砂岩与沙复配成土过程中沙的调控作用[J].土壤通报,2014,45(2):286-290.
[8]李长明,宋丽莎,王立久.砒砂岩的矿物成分及其抗蚀性[J].中国水土保持科学,2015,13(2):12-16.
[9]摄晓燕,张兴昌,魏孝荣.适量砒砂岩改良风沙土的吸水和保水特性[J].农业工程学报,2014,30(14):115-123.
[10]摄晓燕,魏孝荣,魏艳春,等.砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究[J].农业机械学报,2015,46(11):166-173.
[11]摄晓燕,魏孝荣,马天娥,等.砒砂岩改良风沙土对磷的吸附特性影响研究[J].植物营养与肥料学报,2015,21(5):1373-1380.
[12]王欢元,韩霁昌,杜宜春,等.砒砂岩与沙复配成土技术简介及研究进展[J].安徽农业科学,2015,43(12):160-161,186.
[13]郑必昭.土壤分析技术指南[M].北京:中国农业出版社,2012.
[14]鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版社,2000.
[15]刘文利,吴景贵,傅民杰,等.种植年限对果园土壤团聚体分布与稳定性的影响[J].水土保持学报,2014,28(1):130-135.
[16]安韶山,张扬,郑粉莉.黄土丘陵区土壤团聚体分形特征及其对植被恢复的响应[J].中国水土保持科学,2008,6(2):66-70.
[17]徐爽,王益权.不同类型土壤团聚体化学稳定性分析[J].农业机械学报,2014,45(4):174-178.
[18]孙蕾,王益权,张育林,等.种植果树对土壤物理性状的双重效应[J].中国生态农业学报,2011,19(1):19-23.
[19]崔荣美,李儒,韩清芳,等.不同有机肥培肥对旱作农田土壤团聚体的影响[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2011,39(11):125-132.
[20]柯夫达BA.土壤学原理(上册)[M].陆宝树,译.北京:科学出版社,1981.
[21]张卫华,韩霁昌,王欢元,等.砒砂岩对毛乌素沙地风成沙的改良应用研究[J].干旱区资源与环境,2015,29(10):123-127.
[22]柴苗苗,韩霁昌,罗林涛,等.砒砂岩与沙混合比例及作物种植季数对复配土壤性质和作物产量的影响[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2013,41(10):180-182.
