郭 振，徐 艷

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021； 3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710021； 4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710021)

毛烏素沙漠是我國四大沙漠之一，分布在陜晉蒙等接壤區(qū)域，近年來資源的大量開采及人為不規(guī)則活動導致該地水土流失嚴重，沙化現(xiàn)象加劇[1-2]。有機碳作為土壤中動植物、微生物、膠結物質、礦物質和土壤酶等的有機載體，其含量的高低與土壤孔隙度、空間結構和通透性密切相關，增加有機碳含量可以顯著改善土壤的緩沖性和持水抗蝕能力[3]。采用土壤有機碳儲量和碳庫管理指數(shù)等評價土壤質量一直是當前碳循環(huán)研究的一個重要領域，而且土壤有機碳在調節(jié)碳平衡過程中也具有重要的作用[4-5]。

對農田土壤有機碳質量的評價一方面要考慮到“質”，一方面也要考慮到“量”，而沙土有機碳含量的多少只反映了有機碳的數(shù)量并未反映其質量[6]。因此，有學者根據(jù)碳庫指數(shù)和碳庫活度提出碳庫管理指數(shù)的概念，認為碳庫管理指數(shù)能夠反映外界環(huán)境的擾動和改變對土壤有機碳“質”和“量”的影響，能夠動態(tài)反映土壤肥力的變化特征和土壤質量的演替程度，是一個較為敏感和全面的監(jiān)測指標[7-8]。蔡曉布等[9]研究表明，在正常草地和退化草地中，土壤有機碳、活性有機碳和碳庫管理指數(shù)的變化特征相似，其中，退化草地表層的碳庫管理指數(shù)降幅較為明顯，能夠客觀地反映土壤質量對外界環(huán)境的響應。蘇麗麗等[10]研究表明，在免耕措施下表層(0～10 cm)的土壤有機碳和活性有機碳含量顯著增加，同時0～60 cm土層的碳庫管理指數(shù)也顯著增加。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤的固碳能力約為大氣碳庫的2倍，是植被碳庫的3倍，土壤碳庫的微小變動都會引起大氣CO2濃度的變化，影響全球碳庫平衡，因而土壤碳儲量的變化也備受各界的關注[11]。SIX等[12]研究表明，土壤擾動破壞了土壤團聚體結構，暴露了受物理保護的土壤有機碳進而被礦化分解，不利于土壤有機碳的長期儲存和質量維持。曹婷婷等[13]研究表明，在土地工程措施下土壤有機碳儲量隨著整治年限的增加而增加。

砒砂巖與沙是毛烏素沙漠廣泛分布的2種物質，其中，砒沙巖干燥時堅硬如石，遇水則松軟如泥，礦質元素豐富且細小顆粒較多，而沙則漏水漏肥，以砂粒組成為主[14]。韓霽昌等[15]通過研究砒砂巖和沙的互作效應發(fā)現(xiàn)，砒砂巖與沙體積比介于1∶5～1∶1時適合玉米、大豆、馬鈴薯的種植，且可以大面積推廣。郭航等[16]研究了砒砂巖與沙復配土的膠結力，結果表明，隨著砒沙巖比例的增加土壤顆粒之間的作用力增大。李娟等[17]研究了砒砂巖與沙復配土的水肥效益，結果表明，砒砂巖與沙復配比為1∶1時可以顯著提高復配土的保水保肥效益。但由于復配土組成的復雜性及環(huán)境影響的多樣性，且復配土肥力較為低下，對復配土質量的綜合評價和碳庫存儲的結果尚未有明確界定。因此，以砒砂巖與沙復配土3 a的試驗小區(qū)為研究對象，分析不同比例砒砂巖添加對沙土有機碳儲量和碳庫管理指數(shù)的影響，以期為沙地土壤質量提升和生態(tài)系統(tǒng)改善提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

砒砂巖與沙復配土長期定位試驗小區(qū)位于陜西省富平縣禇塬村(109°42′E、35°24′N)，處于鄂爾多斯地臺南邊緣與渭河地塹北邊緣的斜坡地帶。地勢西北高而東南低，中部起伏不平，海拔376～439 m。屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫13.2 ℃左右，年平均降雨量527 mm左右，年總輻射量5 187 MJ/m2左右。

1.2 試驗設計

長期定位試驗小區(qū)為模擬鄂爾多斯高原毛烏素沙地狀況，將廣泛分布于毛烏素沙地的砒砂巖和風沙土(沙)2種自然資源進行采集復配。為模擬混合層的土壤情況，試驗小區(qū)深度設計為1 m，在0～30 cm土層鋪設砒砂巖與沙不同比例的混合物，而30～70 cm則全部用沙進行填充。試驗小區(qū)設置于2016年，本次研究于2019年進行。僅選取砒沙巖與沙體積比分別為0∶1、1∶5、1∶2和1∶1(CK、C1、C2和C3)的4個處理，每個處理重復3次，共12個小區(qū)。試驗小區(qū)供試玉米品種為金誠508，小麥品種為小偃22，實行玉米—小麥一年兩熟輪作，全部人工種植。施肥量分別為N 255 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，化肥類型分別為尿素(含N 46.4%)、磷酸二銨(含N 16%、P2O544%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。

1.3 研究方法

于2019年6月上旬收獲小麥后，采集不同處理各土層(0～10、10～20、20～30 cm)土壤樣品，每個小區(qū)采用5點法采集1個混合樣，將采集的土樣去除石礫和動植物殘體后過孔徑2 mm篩，于室內進行自然風干。土壤容重采用環(huán)刀法進行測定；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[18]；活性有機碳含量的測定采用K2Cr2O7氧化法[19]。

土壤有機碳儲量計算公式如下[13]：

(1)

式中，SOCstock為土壤有機碳儲量(t/hm2)，i為土層代號，Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg)，Di為第i層土壤容重(g/cm3)，Ei為第i層土壤測量層的厚度(cm)，0.1為單位換算系數(shù)。

碳庫管理指數(shù)根據(jù)活性有機碳的含量進行計算[6,8]：

CPMI=CPI×LI×100

(2)

CPI=SOC/SOCCK

(3)

LI=L/LCK

(4)

L=LOC/NLOC

(5)

式中，CPMI為碳庫管理指數(shù)，CPI為碳庫指數(shù)，SOCCK為對照土壤有機碳含量，LI為碳庫活度指數(shù)，L為樣本碳庫活度，LOC為活性有機碳含量(g/kg)，NLOC為非活性有機碳含量(g/kg)，LCK為對照碳庫活度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進行計算與作圖，用SPSS 13.0軟件進行Duncan’s顯著性檢驗和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 砒砂巖添加比例對有機碳含量的影響

不同比例砒砂巖添加對沙土有機碳含量產生了一定的影響(表1)。在0～10 cm土層中所有處理的有機碳含量無顯著差異。在0～20 cm土層中以CK的有機碳含量最高，為2.70 g/kg，顯著高于其他處理。而C1、C2和C3處理間的有機碳含量則無顯著差異，較CK依次降低了30.00%、33.33%和46.30%。在20～30 cm土層，所有處理間的有機碳含量也無顯著性差異。各土層之間相比較而言，平均以0～10 cm土層有機碳含量最高，為2.25 g/kg，其次為10～20 cm土層，為1.96 g/kg，20～30 cm土層有機碳含量最低，為1.79 g/kg。方差分析結果表明，復配比對有機碳含量有顯著影響，土層對有機碳含量無顯著影響，且不同復配比和土層的雙因素作用結果對有機碳含量的影響也不顯著。

2.2 砒砂巖添加比例對活性有機碳含量的影響

土壤活性有機碳含量平均值隨著土層的加深而增大，各土層的平均活性有機碳含量為0.39(0～10 cm)、0.46(10～20 cm)、0.48 g/kg(20～30 cm)。在0～10 cm土層中，CK的活性有機碳含量為0.12 g/kg，C1、C2和C3處理與其相比分別增加了108.33%、491.67%和325.00%，C2處理較C1和C3處理分別增加了184.00%和39.22%。在10～20 cm和20～30 cm土層中，土壤活性有機碳含量的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為C3>C2>C1>CK，其中，CK和C1處理無顯著差異。10～20 cm土層中C2和C3處理的活性有機碳含量較CK分別增加了775.00%和787.50%，較C1分別增加了105.88%和108.82%，C2和C3處理間無顯著差異。在20～30 cm土層中，C2和C3處理的活性有機碳含量較CK分別增加了490.91%和509.09%，C1、C2和C3處理間無顯著差異(圖1)。方差分析結果表明，復配比對活性有機碳含量有顯著影響，土層對活性有機碳含量無顯著影響，同時，復配比和土層的綜合作用對活性有機碳含量的影響也不顯著(表2)。

表1 各土層不同處理土壤有機碳含量

不同小寫字母表示各土層下處理間的差異顯著(P<0.05)，下同

表2 復配土活性有機碳含量在雙因素影響下的方差分析

2.3 砒砂巖添加比例對土壤容重的影響

不同復配比例和土層均對土壤容重產生了顯著的影響。隨著土層的加深土壤平均容重依次增大，各土層的平均容重分別為1.77(0～10 cm)、1.99(10～20 cm)、2.18(20～30 cm) g/cm3，10～20 cm和20～30 cm土層的平均容重較0～10 cm土層分別增加了12.43%和23.16%。各土層中土壤容重的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為隨著砒砂巖比例的增加而增加的趨勢。0～10 cm和10～20 cm土層中，C2和C3處理無顯著差異，各處理的土壤容重較CK分別增加了18.60%～39.71%和20.03%～39.55%。20～30 cm土層中，與CK相比，C1、C2和C3處理中土壤容重依次顯著增加(圖2)。方差分析結果表明，復配比和土層單因素作用對土壤容重有顯著影響，但是其綜合作用對土壤容重的影響不顯著(表3)。

圖2 各土層不同處理的土壤容重

表3 復配土容重和有機碳儲量在雙因素影響下的方差分析

2.4 砒砂巖添加比例對有機碳儲量的影響

方差分析結果表明，復配比、土層對有機碳儲量的影響均不顯著，復配比和土層的雙因素作用對有機碳儲量的影響也不顯著(表3)。 各土層下所有處理間的有機碳儲量無顯著差異，但卻有一定的變化規(guī)律。在10～20 cm土層中，C1、C2、C3處理的有機碳儲量均低于CK，降幅12.05%～25.45%。在0～10 cm和20～30 cm土層中，C1處理的有機碳儲量也低于CK，而C2、C3處理的有機碳儲量分別增加5.79%～22.99%、16.05%～24.65%。整個復配土層(0～30 cm)的有機碳儲量表現(xiàn)為C2>C3>CK>C1，其中C1處理的有機碳儲量較CK降低13.89%，C2和C3處理的有機碳儲量較CK分別增加4.40%和3.22%，說明砒砂巖添加量大于33.33%時沙土才會出現(xiàn)碳存儲的效應(表4)。

表4 各土層不同處理土壤有機碳儲量

2.5 砒砂巖添加比例對碳庫管理指數(shù)的影響

圖3表明，碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)在各土層間的變化規(guī)律一致，為20～30 cm>10～20 cm>0～10 cm，在0～10 cm土層，C2處理的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)較其他處理顯著增加，其次是C3處理，顯著高于其他處理，此外C1處理和CK間無顯著差異。在10～20 cm土層，C3處理的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)最大，C2、C1處理和CK與其相比依次顯著降低。在20～30 cm土層，碳庫活度和碳庫活度指數(shù)在C1、C2和C3處理間均無顯著差異，但均顯著高于CK，此外，C1、C2和C3處理的碳庫管理指數(shù)均顯著高于CK，其中C2和C3處理間無顯著差異，但顯著高于CK和C1。碳庫指數(shù)的平均值以20～30 cm土層最大。在0～10 cm土層中各處理的碳庫指數(shù)無顯著差異，在10～20 cm土層中，以CK的碳庫指數(shù)最大，顯著高于其他處理，20～30 cm土層的碳庫指數(shù)具體表現(xiàn)為CK>C2>C3>C1，其中C1處理較CK顯著降低。方差分析結果表明，不同復配比和土層均對碳庫管理指數(shù)有極顯著的影響，且復配比和土層的綜合作用結果對碳庫管理指數(shù)也有極顯著的影響(表5)。

圖3 各土層砒砂巖與沙復配土的碳庫管理指數(shù)

表5 復配土碳庫管理指數(shù)在雙因素影響下的方差分析

3 結論與討論

砒砂巖與沙復配土作為一種新成土，是運用工程手段將未利用或利用率低的沙土進行資源利用和重組，而其中有機碳含量的多少是衡量復配土體質量的一個重要指標[15]。有機碳含量的多少是由外源物的添加和碳庫輸出之間的動態(tài)平衡決定的，本研究通過在沙土中添加不同比例的砒砂巖來改良沙土，結果表明，在0～10 cm和20～30 cm土層中，砒砂巖添加對土壤有機碳含量無顯著影響，但在10～20 cm土層中，砒砂巖添加均顯著降低了土壤有機碳的含量。這是因為砒砂巖的添加改善了土體結構，通氣性增強，促進了土壤有機碳的礦化作用，加速了有機碳的降解[20]。各土層平均有機碳含量以0～10 cm土層最高，10～20 cm和20～30 cm土層基本接近。究其原因，是因為復配土體的田間試驗管理以施化肥為主，通過化肥的施用繼而促進作物的生長，增加地上生物量，待作物收獲后再將作物秸稈還田[17]。秸稈還田的有機物料作為碳源的輸入途徑之一，主要集中在表層，另外作物主根系也主要分布在0～10 cm土層，其根系分泌物的釋放也促進了表層土壤有機碳含量的增加[21]。由于成土年限短，土壤性質還不穩(wěn)定，各土層間有機碳含量未表現(xiàn)出顯著性差異。

土壤容重是反映土壤緊實度的一個重要指標，也能間接反映出土壤孔隙度的大小[11]。本研究結果表明，復配土的容重隨著砒砂巖比例的增加而增加，且土層越深土壤容重越大。這是因為砒砂巖中細小顆粒較多，而沙土中以砂粒為主，兩者按照一定的比例進行復配后粉粒和黏粒的含量顯著增加，各土層土壤質地由砂土變?yōu)槿郎巴梁蜕叭劳羀22]。雙因素方差分析也表明，土壤容重受土層和復配比單因素的影響比較顯著，是因為0～30 cm土層是人工復配土，受人為耕作和人為擾動比較明顯，也反映出短期的復配土土壤性質不穩(wěn)定。 根據(jù)土壤容重、有機碳含量和土層厚度計算土壤有機碳儲量，結果表明，土層和復配比對土壤有機碳儲量無顯著影響，其中，0～10 cm土層的平均有機碳儲量最高，其次為20～30 cm土層，10～20 cm土層最低。與CK相比，在0～10 cm和20～30 cm土層中，C2和C3處理增加了土層的有機碳儲量，C1處理降低了土層有機碳儲量，究其原因可能是C2和C3處理增加了土壤有機碳的質量分數(shù)和團聚體穩(wěn)定性。李娟等[23]研究表明，砒砂巖添加增加了沙土的穩(wěn)定性參數(shù)，當沙土中砒砂巖的添加量分別為33.33%(C2)和50.00%(C3)時，土壤大團聚體質量分數(shù)和有機碳質量分數(shù)較高，可以促進顆粒的吸附與膠結，但同時土壤的分型維數(shù)也增大，進一步說明短期的復配土土壤穩(wěn)定性較差。郭航等[16]研究表明，砒砂巖添加改變了沙土的土壤顆粒結構組成，砒砂巖添加量為16.67%(C1)時，土壤顆粒之間為點接觸式的結構，當砒砂巖的添加量分別為33.33%(C2)和50.00%(C3)時，土壤顆粒間的接觸方式多為面接觸，且土壤顆粒表面附有較多的黏著物。進一步揭示了C2和C3處理有機碳儲量增加的原因。

土壤活性有機碳較土壤總有機碳能夠快速地對外界環(huán)境及耕作措施的改變作出響應，是土壤中易被氧化的部分[24]。本研究方差結果表明，復配比對土壤活性有機碳含量有顯著的影響，不同比例的砒砂巖添加到沙土中均顯著增加了土壤活性有機碳含量，以C2和C3處理的增幅最大，且C2和C3處理間無顯著差異。究其原因可能是C2和C3處理的砒砂巖促進了土壤中微生物多樣性的增加，繼而促進微生物結構均勻性和代謝活性增加。藍興福等[25]研究指出，土壤活性有機碳含量與土壤微生物活性有密切關系，而且微生物多樣性對土壤肥力的保持、碳庫循環(huán)及管理措施也有較好的響應特征。隨著土層的增加，土壤活性有機碳含量也逐漸增加，但未表現(xiàn)出顯著差異。因為砒砂巖中含有較多的膠體，復配初期土壤性質還不穩(wěn)定，伴隨著復配土中膠體含量的增加，在降雨或淋溶作用下使活性碳組分向下遷移[26]。

土壤碳庫管理指數(shù)用以評價土壤管理措施引起土壤有機碳的變化，該指數(shù)反映土壤管理措施的科學性和土壤質量的高低，該值越大表明土壤培肥作用增強，土壤各方面的性質良性發(fā)展，反之則表明土壤肥力下降，土壤性質向惡性方向發(fā)展[27]。本研究結果表明，10～20 cm土層和20～30 cm土層的碳庫管理指數(shù)均隨砒砂巖比例的增加而增加，在0～10 cm土層中以C2處理的碳庫管理指數(shù)最大，C3處理時碳庫管理指數(shù)開始減小。因為0～10 cm土層受風力、溫度、水分等因素的干擾較大，C3處理由于大小顆粒間的分子拉力逐漸大于原沙土中大顆粒與大顆粒之間的作用力，使得土體結構發(fā)生破壞，孔隙度減小，通氣透水性減弱[20]。

綜合分析，復配比對土壤有機碳含量、活性有機碳含量、容重和碳庫管理指數(shù)均有顯著影響，土層對容重和碳庫管理指數(shù)有顯著影響。當砒砂巖與沙復配比介于1∶2～1∶1時可以有效增加土壤有機碳儲量和碳庫管理指數(shù)，沙土性能向良性轉變。