砒砂巖與沙復(fù)配土生地?熟地中土壤有機(jī)碳及水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的變化特征

趙宣　韓霽昌　王歡元

摘要 [目的]探索種植對新生土壤中養(yǎng)分及土壤結(jié)構(gòu)的影響。[方法]設(shè)置了3種不同比例砒砂巖與沙復(fù)配土，并且分別在生地和熟地兩種條件下對小區(qū)內(nèi)不同深度的土壤進(jìn)行采樣，測定有機(jī)碳含量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。[結(jié)果]種植可以顯著提高砒砂巖與沙復(fù)配土生地的有機(jī)碳含量，并且1∶2復(fù)配土的含量增加最大，其次是1∶5復(fù)配土，最后是1∶1復(fù)配土。熟地中，不同比例復(fù)配土中有機(jī)碳含量最多的是0～10 cm土層，大部分有機(jī)碳主要集中在0～20 cm土層中。生地中，3種復(fù)配土中>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對比表現(xiàn)為1∶1復(fù)配土>1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土。熟地中，>0.25mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對比表現(xiàn)為1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土>1∶1復(fù)配土。3種復(fù)配土的分形維數(shù)與生地相比均有明顯下降。[結(jié)論]對于砒砂巖與沙復(fù)配土這種新生土壤，種植可以顯著提高土壤中的有機(jī)碳含量，改變土壤結(jié)構(gòu)，改良土壤。

關(guān)鍵詞 復(fù)配土；生地；熟地；有機(jī)碳；水穩(wěn)定性團(tuán)聚體

中圖分類號 S15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-075-03

砒砂巖與沙復(fù)配可以形成新土壤，已經(jīng)有很多報道[1-4]。土壤有機(jī)碳是耕地土壤肥力的重要組成部分，是土壤質(zhì)量和功能的核心，與土壤結(jié)構(gòu)的形成和變化息息相關(guān)[5-6]，從而對土壤的物理化學(xué)性質(zhì)有巨大影響[7]。土壤團(tuán)聚體的形成是土壤碳累積的最重要機(jī)制。研究表明，土壤有機(jī)碳與水穩(wěn)性團(tuán)聚體密切相關(guān)，有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體級別的增大而增加，且大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多初期不穩(wěn)定的新形成的有機(jī)物質(zhì)[8-10]。以往的研究主要集中在不同的改良劑、不同的土地利用方式、不同的土地利用類型、耕作措施等對土壤有機(jī)碳含量以及水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的影響[11-19]，而砒砂巖與沙復(fù)配土作為新生土壤，種植對于這種新生土壤中有機(jī)碳含量、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的研究還很少。以不同比例砒砂巖與沙復(fù)配土為研究對象，筆者研究種植對土壤有機(jī)碳含量以及水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化特征以及這些變化對作物產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)置于渭南市富平縣杜村鎮(zhèn)。該區(qū)屬半干旱大陸性氣候，年內(nèi)降雨分布極不均勻，多集中在7～9月，占全年降雨量的49%，其他季節(jié)較干旱。干濕季節(jié)分明，干季長于濕季，尤其春季多風(fēng)少雨，蒸發(fā)量大。全年蒸發(fā)量1 000～1 300 mm，是降雨量的2.0～2.3倍。6月蒸發(fā)量最大，為189.5 mm，12月最小，為44.9 mm。無霜期225 d，年平均氣溫13.4 ℃，夏季最高氣溫41.8 ℃，季最低氣溫-22.0～-10.0 ℃。該區(qū)域條件基本上滿足小麥、玉米、棉花等作物的生長需要。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及樣品采集

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計。

試驗(yàn)中將砒砂巖與沙的混合比例分別設(shè)置1∶1、1∶2和1∶5。每個混合比例為1個試驗(yàn)小區(qū)，并設(shè)1個重復(fù)。各小區(qū)面積均為5 m×12 m。在每個小區(qū)表層30 cm覆蓋不同混合比例的復(fù)配土壤，30 cm以下為當(dāng)?shù)卦忌惩痢?/p>

試驗(yàn)田全部采用人工播種。供試小麥品種為小偃22號，平均千粒重38 g，小麥發(fā)芽率90.1%。小麥播量為150 kg/hm2，行距為20 cm。種植前，施足底肥（磷酸二銨300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2）。冬灌各處理追施尿素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，灌漿期1水，春季化學(xué)除草1次，抽穗后一噴三防。

1.2.2 樣品采集。

在生地和熟地2種情況下，分別在每個小區(qū)以對角線布置5個樣點(diǎn)，取0～10、10～20、20～30、30～40、40～70 cm土層土壤混合樣。試驗(yàn)中的生地指的是未種植任何作物的砒砂巖與沙復(fù)配土；熟地指的是經(jīng)過5年小麥/玉米輪作后的砒砂巖與沙復(fù)配土。生地的取樣時間為2000年8月，熟地的取樣時間為2014年6月。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤化學(xué)性狀的測定。

測定的土壤指標(biāo)為有機(jī)碳含量和水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。有機(jī)碳含量根據(jù)《NY/T 1121.6-2006土壤檢測 第6部分：土壤有機(jī)碳的測定》測定；水穩(wěn)定性團(tuán)聚體根據(jù)《NY/T 1121.6-2006土壤檢測第19部分：土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體組成的測定》測定。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。

在小麥?zhǔn)斋@時，每個小區(qū)沿對角線選取長勢均勻的3點(diǎn)，每點(diǎn)取1 m2測定小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒含水率等性狀。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用sigmaplot10.0對數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行處理，用SAS V8數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、LSD法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植對生地、熟地中土壤有機(jī)碳含量的影響 土壤有機(jī)碳是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤有機(jī)碳不僅含有各種營養(yǎng)元素，而且是土壤微生物生命活動的能源，對土壤水、肥、氣、熱等因素的調(diào)節(jié)及土壤理化性狀、耕性的改善等具有重要作用。在一定范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳含量高，對促進(jìn)作物生長發(fā)育、提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)具有至關(guān)重要的作用。

從圖1可以看出，生地時3個不同比例復(fù)配土中的有機(jī)碳含量之間沒有顯著的差異，熟地時各不同比例復(fù)配土的有機(jī)碳含量均比生地有顯著增加，有機(jī)碳含量由高到低表現(xiàn)為1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土>1∶1復(fù)配土，且各不同比例復(fù)配土間差異極顯著（P<0.01）。有機(jī)碳含量最大的為1∶2復(fù)配土，達(dá)到4.37 g/kg，分別是1∶5復(fù)配土和1∶1復(fù)配土的2.8倍和7.05倍，達(dá)到極顯著差異水平（P<0.01），說明1∶2復(fù)配土的保肥能力最強(qiáng)。1∶1復(fù)配土有機(jī)碳含量增加0.38 g/kg，增加了1.58倍；1∶2復(fù)配土有機(jī)碳含量增加4.09 g/kg，增加了14.6倍；1∶5復(fù)配土有機(jī)碳含量增加1.31 g/kg，增加了5.24倍。有機(jī)碳含量增幅由高到低表現(xiàn)為1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土>1∶1復(fù)配土，且各不同比例復(fù)配土間差異極顯著（P<0.01）。試驗(yàn)結(jié)果表明，種植作物能夠顯著提高土壤的有機(jī)碳含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤肥力狀況呈現(xiàn)良性發(fā)展的態(tài)勢。用SAS V8.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果表明不同比例、是否種植作物以及不同比例和是否種植作物的交互作用對土壤中有機(jī)碳含量有著極顯著的影響（P<0.01）。

2.2 熟地中不同土層土壤有機(jī)碳的分布情況

經(jīng)過5年的小麥/玉米輪作種植，不同比例復(fù)配土中的有機(jī)碳含量均有顯著增加。為了更好地研究熟地復(fù)配土中有機(jī)碳含量的分布情況，做了不同土層深度有機(jī)碳含量測定試驗(yàn)。從圖2可以看出，在1∶1復(fù)配土中，有機(jī)碳含量分布較均勻，不隨著土層深度的變化而變化，有機(jī)碳含量最多的土層為10～20 cm土層，其他土層中含量均為0.35 g/kg左右；在1∶2復(fù)配土中，有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢，并且0～10 cm土層中最多，為9.74 g/kg，占全部有機(jī)碳含量的67.5%，10～20、20～30、30～40和40～70 cm土層的有機(jī)碳含量分別為1.75、1.64、0.68和0.63 g/kg；在1∶5復(fù)配土中，有機(jī)碳含量也隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并且0～10 cm土層中最多，為2.06 g/kg，占全部有機(jī)碳含量的36.6%，10～20、20～30、30～40和40～70 cm土層的有機(jī)碳含量分別為1.65、0.97、0.64和0.31 g/kg。

2.3 生地、熟地不同粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的變化 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱，影響土壤酶的種類和活性，維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層，并且直接影響植物的生產(chǎn)力。該試驗(yàn)土壤水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體組成采用濕篩法測定。通常認(rèn)為，>0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體對土壤肥力有重要的影響。楊建國等[20]研究表明，土壤中>0.25 mm團(tuán)聚體的總量與土壤中有機(jī)碳、全氮、黏粒、物理性黏粒含量呈極顯著的正相關(guān)。有機(jī)碳是影響土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的主要因素[15]，對土壤顆粒具有良好的膠結(jié)作用。Six等[21]研究表明，土壤肥力水平的降低可改變土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性。

從表1可以看出，生地時3種復(fù)配土中>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對比表現(xiàn)為1∶1復(fù)配土>1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土；熟地時1∶2和1∶5復(fù)配土中>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量有所增加，1∶1復(fù)配土中有稍許下降，含量對比表現(xiàn)為1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土>1∶1復(fù)配土。

熟地時，不同比例復(fù)配土中>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均有所下降，與生地差異顯著（P<0.05）。1∶2復(fù)配土降幅最大，從7.83%降到1.17%。2～5 mm土層水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量在1∶1和1∶5復(fù)配土中下降，但在1∶2復(fù)配土中增加。熟地中1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為下降?？梢姡N植可以改善土壤結(jié)構(gòu)，使得小粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量增加，土壤更細(xì)膩，更有利于保水保肥。

2.4 種植對生地、熟地中水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)的影響

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。團(tuán)聚體分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定[22]。土壤結(jié)構(gòu)分布的分形維數(shù)不僅反映土壤顆粒大小的影響，而且體現(xiàn)質(zhì)地均一的程度。分形維數(shù)高，表明土壤質(zhì)地黏重，通透性差，反之則表明土壤結(jié)構(gòu)越散[23]。用SAS V8.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果表明不同復(fù)配比例、是否種植作物以及不同復(fù)配比例和是否種植作物的交互作用對分形維數(shù)有著極顯著的影響（P<0.01）。由圖3可知，生地時3種比例復(fù)配土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)依次為2.927 3、2.951 3、2.953 6，不同比例間差異極顯著（P<0.01）。經(jīng)過5年的作物種植，1∶2復(fù)配土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)顯著降低，為2.875 0，比生地時降低了2.59%；1∶5復(fù)配土的的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)顯著降低，為2.883 5，比生地時降低了2.37%；1∶1復(fù)配土的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)幾乎沒有變化，不同比例間差異極顯著（P<0.01）。Six等[21]認(rèn)為，微團(tuán)聚體通過有機(jī)碳的黏合形成大團(tuán)聚體，并且耕種減少含碳量豐富的大團(tuán)聚體含量而增加含碳量少的小團(tuán)聚體含量。該試驗(yàn)結(jié)果與Six等觀點(diǎn)一致，支持了土壤團(tuán)聚體的分級構(gòu)建理論。因此，種植作物可以顯著降低團(tuán)聚體分形維數(shù)，改善土壤結(jié)構(gòu)。

2.5 新生土壤中小麥理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量

由表2可知，在不同比例復(fù)配土中，單位面積穗數(shù)大小次序表現(xiàn)為1∶1>1∶5>1∶2，不同比例間差異極顯著（P<0.01）。穗粒數(shù)大小次序表現(xiàn)為1∶1>1∶2=1∶5，穗粒數(shù)最大為61個，最小的為46.7個，不同比例間差異極顯著（P<0.01），1∶1差異最顯著，1∶2和1∶5之間差異不顯著。千粒重大小次序表現(xiàn)為1∶5>1∶1>1∶2，最大為47.8 g，最小為44.3 g，不同比例間差異極顯著（P<0.01）。籽粒產(chǎn)量大小次序表現(xiàn)為1∶1>1∶2>1∶5，最大為10 602.0 kg/hm2，最小為8 017.5 kg/hm2，不同比例間差異極顯著（P<0.01）。差異在0.01水平顯著。

3 結(jié)論

研究表明，種植可以顯著提高不同比例砒砂巖與沙復(fù)配土生地中的有機(jī)碳含量，并且1∶2復(fù)配土中的有機(jī)碳含量增加最大，其次是1∶5復(fù)配土，最后是1∶1復(fù)配土。熟地中，分層比較，有機(jī)碳含量最多的是0～10 cm土層，有機(jī)碳主要集中在0～20 cm土層中。

種植可以顯著改善土壤結(jié)構(gòu)。生地中，3種復(fù)配土中>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對比表現(xiàn)為1∶1復(fù)配土>1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土；熟地中，>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量對比表現(xiàn)為1∶2復(fù)配土>1∶5復(fù)配土>1∶1復(fù)配土。3種復(fù)配土的分形維數(shù)與生地相比均下降。

有機(jī)碳含量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與作物產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。理論來講，有機(jī)碳含量高和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，則其產(chǎn)量就高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該是1∶2復(fù)配土的產(chǎn)量最高，1∶1復(fù)配土的產(chǎn)量最低。但是，實(shí)際測產(chǎn)中，1∶1復(fù)配土產(chǎn)量最高，1∶2復(fù)配土產(chǎn)量最低。究其原因，種植不光會影響土壤有機(jī)碳含量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，而且會影響土壤質(zhì)地、土壤中土壤酶的活性等，而作物產(chǎn)量是多方面因素共同影響下的結(jié)果，所以這次試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)量不符合有機(jī)碳含量和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的變化趨勢，也是合理的。該次試驗(yàn)只是進(jìn)行了有機(jī)碳以及水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定，而土壤中其他物理化學(xué)性質(zhì)的變化情況還需要更進(jìn)一步的研究。

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責(zé)任編輯 劉月娟 責(zé)任校對 李巖