王偉偉，張立欣，梁止水，趙艷兵，張吉樹，王 忠，袁 勤，葉麗娜

(1.億利資源集團有限公司，017400，內蒙古鄂爾多斯；2.內蒙古庫布其沙漠技術研究院，017400，內蒙古鄂爾多斯；3.東南大學土木工程學院，211189，南京)

我國是世界上沙漠化危害最嚴重的國家之一，沙化面積大、分布廣，每年造成的經濟損失巨大[1]。庫布齊沙漠是我國第七大沙漠，位于鄂爾多斯高原脊線的北部，內蒙古自治區(qū)的杭錦旗、達拉特旗和準格爾旗的部分地區(qū)，總面積約1.39萬km2，在國家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中具有十分重要的地位。近30年來，很多學者對庫布齊沙漠化治理問題進行大量的探索研究，提出多種沙漠化治理模式[2]。庫布齊沙漠南部毗鄰的為砒砂巖區(qū)，砒砂巖是一種松散巖系，由于其成巖程度低、顆粒間膠結程度差、結構強度低，遇水成泥，遇風成沙，侵蝕尤為嚴重[3-4]。李曉麗等[5]的研究表明砒砂巖中黏粒和粉粒的含量較多，具有很好的保水效果，WANG等[6]提出采用不同比例的沙土與砒砂巖進行復配，并研究復配土壤成田的可行性，目前已經取得較多的研究成果，但是針對庫布齊沙漠風沙土與砒砂巖復配的研究較少，特別是其復配的大田試驗效果尚未有相關報道。

砒砂巖與風沙土復配土的效果主要是以復配土壤性質來進行評價，其中主要包括土壤顆粒組成、團聚體結構、持水特性、作物產量等。其中張露等[7]研究比同比例質量砒砂巖與風沙土復配后的粒度組成變化和持水情況，結果表明顆粒級配連續(xù)，且級配特性良好，土壤質地條件變好，且復配土壤的持水性能隨著砒砂巖含量的增加而增加。魏彬萌等[8]采用田間試驗的方法研究砒砂巖對風沙土性質的改良效果，結果表明添加不同比例的砒砂巖均可不同程度的改善風沙土質地和結構，增加有機質，且復配比例在1∶1～1∶2時效果最佳。攝曉燕等[9]研究不同砒砂巖改良風沙土的土壤入滲特征、飽和導水率和水分特征，結果表明砒砂巖和風沙土以25∶75比例混合可有效改良風沙土的吸水和保水特性。趙宣等[10]研究砒砂巖與沙復配的新生土壤的有機碳及水溫性團聚體含量的變化，結果表明土壤中的有機碳含量顯著提高，土壤結構得到改善。Han等[11]研究砒砂巖與沙復配土的保水性能，復配后可以改善沙土的物理結構和保水性。

大田試驗作為評估和檢驗砒砂巖改善庫布齊沙漠風沙土的最可靠的方法，對于結果的表征更具有統(tǒng)計學意義。因此，為進一步探究砒砂巖改善庫布齊沙漠風沙土的物理結構與養(yǎng)分特征，筆者采用大田試驗的方法，在庫布齊沙漠試驗田中添加將不同質量比例的砒砂巖進行混合，并以梭梭套種甘草為植被配置模式，研究不同添加比例條件下改良土壤的顆粒組成與分布、孔隙度、團聚體結構、持水特性及與土壤養(yǎng)分間的變化特征，分析砒砂巖對風沙土的改良效果，為庫布齊沙漠沙化土地治理、改良、利用及當地生態(tài)產業(yè)化建設等戰(zhàn)略提供科學依據及技術支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原西北部庫布齊沙漠腹地，行政區(qū)劃上屬杭錦旗獨貴塔拉鎮(zhèn)，坐標為E 108°32′37.82″，N 40°36′29.36″。屬溫帶大陸性季風氣候，季節(jié)變化顯著，冬季寒冷干燥，夏季較為暖濕。年均溫9.38 ℃，極端最高氣溫38.1 ℃，極端最低溫-30.5 ℃，年均日照時間3 087.4 h，≥10 ℃積溫年均值為3 198.3 ℃。多年平均降雨量為189.9 mm，春季降水量較少，降水多集中在6月、7月、8月和9月，占全年總降雨量的69.77%。年均蒸發(fā)量3 074.2 mm，是降水量的16倍，無霜期135～150 d，海拔1 100～1 039 m。研究區(qū)植被主要由花棒(Hedysarumscoparium)、沙柳(Salixpsammophila)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、梭梭(Haloxylonammodendron)、楊柴(Hedysarumfruticosum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等植物為主的人工沙生灌叢及多年生草本植物所組成，所選用的表層風沙土以中沙和粗沙為主(表層土壤粒徑分析)。

2 材料與方法

2.1 樣地設置與樣品采集

在庫布齊沙漠腹地，獨貴塔拉鎮(zhèn)億利資源集團阿木古龍甘草產業(yè)示范園設置砒砂巖與沙土復配田間試驗，試驗樣地均為人工機械推沙進行土地平整，原始地形地貌、植被群落特征、氣候背景及生長環(huán)境基本相同，土壤類型均為風沙土，基礎土壤養(yǎng)分狀況基本一致。所用的砒砂巖是來自于鄂爾多斯準格爾旗的二老虎溝小流域(E 110°32′ ～111°6′，N 39°26′～39°56′)的風化砒砂巖，其干密度為1.36～1.45 g/cm3，含水率約為10.8%。根據試驗設計，首先將不同量的砒砂巖覆于沙土表面，用翻耕機在0～30 cm深土層進行翻耕，重復翻耕3次，確保最大程度將砒砂巖與沙土混合均勻。試驗樣地設計中添加砒砂巖的體積比例分別為0、30%、50%、80%和100%，共5個樣地，每個樣地的大小為10畝(1 hm2=15畝)，混合翻地后套種梭梭和甘草，并利用圈灌設施進行澆水養(yǎng)護，每次養(yǎng)護確保每塊地澆水量一致。

在5塊固定樣地內分別設置1塊標準地，標準地面積均為50 m×50 m，在每塊標準地內，沿對角線設置3個10 m×10 m調查樣方，在每個調查樣方中按“S”型9個樣點進行取樣，取樣時間為混合后1個月，每個樣點分別采集0～10、10～20和20～30 cm 3個土層的等量土壤進行均勻混合，取約1 kg土壤，剔除植物凋落物和殘根等，土樣分裝于塑料密封袋密封，帶回實驗室，風干、去雜、過2 mm篩，其中部分用于測定土壤顆粒組成，部分篩分土樣研磨后再過0.25 mm篩，從而用于測定土壤有機質、速效氮和速效磷含量。此外，在每塊調查樣方內另取0～30 cm土層混合土樣約1 kg，密封保存帶回實驗室，用于測定土壤團聚體結構。

2.2 指標測定方法

土壤顆粒分布采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定，按照國際制標準粒徑分類，計算出黏粒(粒徑d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm≤d<0.05 mm)及砂粒(0.05 mm≤d<2 mm)質量比例。田間持水量使用室內環(huán)刀法測定，毛管孔隙度采用環(huán)刀法及溢水法測定。

土壤團聚體組成采用干篩法測定，根據張杰等[12]研究分類，得到≥5、≥3～5、≥1～3、≥0.5～1、≥0.25～0.5以及<0.25 mm的土壤團聚體含量，計算各級土壤團聚體占土樣總量的比例。

土壤有機質含量的測定則是用重鉻酸鉀氧化分光光度法；速效氮測定用堿解擴散法測定；有效磷使用碳酸氫鈉浸提后，再用鉬銻抗比色法測定。

2.3 數據處理

利用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，利用LSD法進行多重比較(P=0.05)，采用Origin 8.5軟件制圖。

3 結果與討論

3.1 不同土層深度的物理結構特征

隨著砒砂巖摻入比例的增加，黏粒和粉粒含量逐漸增加，而沙粒含量則逐漸減少，而當砒砂巖摻入比例相同時，隨著深度的增加，3種土壤顆粒含量無明顯差異(圖1)，且各條件下達到顯著差異水平(P<0.05)。其中摻入比例為30%、50%、80%和100%改良土壤較風沙土(0的為純風沙土)，0～10 cm土層，黏粒含量分別增加370.59%、1 438.24%、1 882.36%和2 179.41%，粉粒含量分別增加177.24%、834.15%、1 118.29%和1 476.42%，而沙粒含量分別降低10.53%、48.48%、67.99%和84.49%。

圖1 不同砒砂巖摻入比例及不同土層深度的土壤顆粒組成Fig.1 Distribution of soil particles under the conditions of different proportions of Pisha sandstone and soil depths

隨著砒砂巖摻入比例的增加，土壤密度逐漸減小，而毛管孔隙度及田間持水量逐漸增加，且增加較為明顯，但是同一砒砂巖摻入比例條件下，隨著土層深度的增加，土壤密度、毛細孔隙度及田間持水量均增加，且隨著摻入比例的增加，增加的幅度逐漸減小，說明其垂直變異性較小(圖2)。當砒砂巖摻入比例達到50%后，土壤密度與風沙土達到顯著性差異(P<0.05)，而毛管孔隙度及田間持水量在各添加比例間均達到顯著差異水平(P<0.05)。說明隨著砒砂巖摻入比例達到50%時，能夠有效改善土壤密度，以及改變風沙土土壤的保水與持水能力，可作為改良風沙土的臨界值。

圖2 不同比例砒砂巖及不同土層深度的土壤結構特征Fig.2 Soil structures under the conditions of different proportions of Pisha sandstone and soil depths

隨著砒砂巖摻入比例的增加，大部分徑級土壤團聚體的含量呈增加趨勢，其中≥5 mm的增加較為明顯，從添加比例0到100%的過程中，可以從1.63%增加至9.5%，提高近5倍，其余皆提高較少(圖3)。此外，其中≥5 mm與≥0.25～0.5 mm的2個徑級范圍均表現為顯著性差異，≥3～5 mm徑級范圍在砒砂巖摻入比例達到50%后團聚體含量表現差異顯著(P<0.05)，≥1～3和≥0.5～1 mm則在砒砂巖摻入比例達到30%表現為顯著性差異，且隨著復配比例的增加差異性進一步加大。

圖3 不同砒砂巖摻入比例下的團聚體結構特征Fig.3 Structures of aggregates under the conditions of different proportions of Pisha sandstone

土壤顆粒組成、密度、孔隙度、田間持水能力及團聚體結構等土壤物理性狀在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生產中起著重要的作用，是評價土壤肥力和植物適宜性的重要依據。一方面，土壤中粉粒、黏粒、沙粒含量、密度、孔隙度、田間持水能力及團聚體結構通過影響土壤的空隙狀況及土壤養(yǎng)分在土壤中的穩(wěn)定性，對土壤的通氣透水性和保水保肥性產生影響[13]，從而進一步影響植物對水分和營養(yǎng)物質的吸收，導致生產力的變化；另一方面，上述土壤物理特征與土壤溫濕度及透氣性密切相關，直接影響土壤微生物及其他物種生長發(fā)育的生存環(huán)境，從而對土壤養(yǎng)分循環(huán)產生影響[14]。以上研究結果表明砒砂巖與風沙土二者物理構成存在一定互補性，隨著砒砂巖復配比例的增加，土壤中粉粒、黏粒及團聚體體含量增加，從而表現為土壤良好的透氣的蓄水及保肥能力，同時當砒砂巖摻入比例達到50%時，對改善沙土土壤顆粒組成、土壤密度、孔隙度、田間持水能力及團聚體結構等效果更為顯著，但是隨著深度增加，土壤密度、毛管孔隙度及田間持水量的垂直變異特征減小，表聚性較為顯著。

3.2 不同土層深度的養(yǎng)分特征

隨著砒砂巖摻入比例的增大，土壤有機質、速效氮及有效磷含量均逐漸增加，而在同一砒砂巖摻入比例條件下，隨著土層深度的增加，土壤有機質、速效氮及有效磷逐漸降低，其中除在0～20 cm土層中的有機質含量及10～30 cm土層中有效磷的無顯著性差異外(P>0.05)外，其余皆表現出顯著性差異(P<0.05)，但是由于其改良土壤中沒有加入更多的肥料，因此有機質含量、速效氮及有效磷的含量偏低。摻入砒砂巖比例為30%、50%、80%和100%的混合土較風沙土(0%的砒砂巖)，0～10 cm土層，土壤有機質分別增加18.42%、51.32%、72.37%與110.53%，速效氮分別增加31.64%、62.55%、108.73%和120.36%，速效磷分別增加2.69%、12.56%、47.53%和80.72%，皆成增大趨勢。

土壤養(yǎng)分的穩(wěn)定性與土壤中粉粒、黏粒及團聚體含量具有相關性[15]。研究結果表明添加不同比例的砒砂巖后改善風沙土的結構和質地，增加土壤碳、氮、磷與顆粒的結合力，具有保肥的作用，同時也增加其在土壤中的穩(wěn)定性，同時也能改變土壤水、熱、氣、肥等條件，為微生物及其他物種生長發(fā)育提供了有利的生存環(huán)境，為土壤肥力的提升提供必要的條件，這與細質土比粗質土能固定更多的土壤養(yǎng)分、其穩(wěn)定性與黏粒質量分數含量有關等結論一致[16]。此外，但隨著土層加深，土壤的透氣性及可供降解土壤有機質、速效氮及速效磷等養(yǎng)分含量逐漸降低，微生物數量減少等原因，導致了同一復配比例土壤有機質、速效氮和速效磷含量垂直方向的變異。

3.3 土壤物理與養(yǎng)分特征的相關性

土壤的粒徑與團聚體結構可以影響土壤性質與養(yǎng)分特征，且與黏粒含量的大小關系較為密切[17-18]。由表1可見，土壤粒徑分布與團聚體含量呈正相關，但不夠顯著。土壤中黏粒和粉粒與田間持水量、土壤毛管孔隙度、有機質含量、速效氮含量、速效磷含量極顯著正相關(P<0.01)，且土壤團聚體對毛管孔隙度、田間持水量及土壤養(yǎng)分的影響顯著。這主要是因為風沙土主要以砂粒為主，但是砒砂巖中黏粒和粉粒較多，保水效果顯著，兩者混合后，由于粒徑分布的不均勻性，可以形成很好的互補作用[9]，混合土壤的各性能指標均有所提升，保持更多的養(yǎng)分含量，改善了風沙土的物理與養(yǎng)分特征，從而使得風沙土趨于土壤化。此外，由于砒砂巖和風沙土顆粒本身的黏結性都較差，因此所形成的改良土壤的團聚體含量不夠顯著，有待于進一步添加具有粘結作用的材料更好提高團聚體含量，從而加速風沙土的土壤化改良。此外，在大田中種植固土植被也可以很好地改變土壤特征以及添加肥料改善土壤中的養(yǎng)分含量，從而更好地為植被生長提供土壤條件，該方面還需要進一步的長期觀察研究。同時，隨著砒砂巖的加入，改善了風沙土結構特征，可以促使土壤肥力、持水性能等土壤理化性質發(fā)生變化，最終促使生物、土壤系統(tǒng)進入良性循環(huán)過程。

表1 各指標間的相關性Tab.1 Correlation among all the indexes

4 結論

1)砒砂巖可以有效提高風沙土中的黏粒含量、粉粒含量、毛管孔隙度、田間持水量、土壤團聚體、有機質、速效氮和有效磷含量，從而可以提高風沙土的持水、保水和保肥的能力，從而可以更好地適應植物的生長；

2)摻入同一比例的砒砂巖后，土壤有機質、速效氮和速效磷含量隨深度的增加呈降低趨勢，但是土壤容重、毛管孔隙度及田間持水量的垂直變異特征較小，且隨著摻入比例增加，變異性更小，表具性更加明顯，其中50%可作為砒砂巖改良風沙土的臨界值；

3)砒砂巖與風沙土具有很好的互補作用，黏粒和粉粒含量與毛管孔隙度、田間持水量、有機質含量、速效氮含量、速效磷含量極顯著正相關，但是與團聚體含量關系不顯著，需要加入粘結材料或者種植固土材料實現風沙土的土壤化改良，為砒砂巖改良風沙土提供更好地環(huán)境條件。