土壤质地类别是中国北方沙漠化监测与评价过程中重要的监测指标之一^[1]，而土壤的颗粒组成和级配对土壤的生物学特性、物理和化学性质具有至关重要的影响^[2-3]。通常具有合理颗粒组成的土壤拥有适宜的水、肥、气、热等良好的土壤环境条件供植物正常生长。土壤颗粒的组成比例和存在形态直接影响着土壤养分的丰缺^[4-6]，高亚军等^[7]的研究结果表明，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。邹诚等^[8]和张玉斌等^[9]研究认为造成土壤养分差异的最主要因素之一就是土壤机械组成的差异。

毛乌素沙地面积约4万2 000 km²，区域内土地风蚀沙化严重，是我国4大沙地之一，也属我国“两屏三带”生态安全格局的重点治理区域。此外，该地区分布着约1万7 000 km²的砒砂岩，是黄河粗砂主要来源，被称为“地球生态癌症”；然而该地区光照条件充足，降水量相对丰沛，地下水埋藏较浅，具备发展生态高值农业的环境条件。Sun Zenghui等^[10]、Han Jichang等^[11-12]和Wang Huanyuan等^[13]以毛乌素沙地为研究对象，发现砒砂岩可作为将沙地整治为耕地的天然新材料，探索砒砂岩与沙复配成土的科学机理，提出了砒砂岩与沙复配成土造田关键技术；然而，作为一种新型复配土壤，其颗粒组成是否稳定，质地在后期的农业经营中能否稳定发育并可持续利用是首先关注的问题。目前，有关砒砂岩与沙复配土壤的养分特征、作物产量等研究较多^[14-16]，而对于砒砂岩与沙复配成土后的土壤颗粒组成变化特征及稳定性研究甚少。笔者通过对毛乌素沙地2010—2016年间的不同比例复配土壤颗粒组成变化特征及趋势进行研究，客观反映砒砂岩与复配土壤的质地及稳定性，以期揭示不同种植年限不同比例复配土壤的颗粒组成动态变化规律，为这种新型复配土壤改善风沙土的物理结构及毛乌素沙地土地整治提供技术支撑和理论依据，对实现新造土壤的可持续利用具有指导作用。

本研究选取榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村沙地整治示范工程项目点作为研究区域，这里的地理位置、气候条件、水文状况等在毛乌素沙地具有代表性，并建立了野外科学观测试验站及试验小区。研究区位于E 109°28′58″~109°30′10″，N 38°27′53″~38°28′23″，毛乌素沙漠南缘，无定河中游，属典型中温带半干旱大陆性季风气候区。降水时空分布不匀，年降水量为250~440 mm，集中于7—9月，占全年降水60%~75%，尤以8月为多。降水年际变率大，多雨年为少雨年2~4倍，最大日降水量可达100~200 mm。大于5 m/s的起沙风速每年有220~580次。项目区土壤类型主要以风沙土为主，沙土质地均一，结构疏松，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，风沙土养分含量全氮0.075%，全磷0.63 g/kg，全钾26.51 g/kg，有机质0.03%。项目区周边分布着大量的紫红色砒砂岩，砒砂岩虽成岩程度低，结构强度低，易风化，颗粒间胶结程度低，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。试验所用紫红色砒砂岩土养分：有机质6.2 g/kg，全氮0.125 g/kg，全磷0.379 g/kg，密度1.25 g/cm³，毛管孔隙度52.7%。

实验所用砒砂岩样品采自榆林市小纪汗乡境内距离实验小区5 km的梁地。将采集的砒砂岩与风沙土剔除草根和其他杂物且自然风干后，分别过2 mm筛，然后按照砒砂岩与沙的体积比例为0:1、1:5、1:2、1:1、2:1、5:1和1:0进行充分混合均匀备用，其中砒砂岩与沙比例为0:1表示全部为风沙土，比例为1:0表示全部为砒砂岩。用Mastersizer 2000激光粒度分析仪分别测定其颗粒组成，并做差异性分析，取平均值后利用土壤质地自动分类系统(STAC)得到各个比例下复配土壤的质地类型。

2010—2016年于每年玉米收获后采集田间土样。大田试验地为长15 m×宽12 m，在当地原始沙土表层按照实验需求覆盖了30 cm体积比的复配土。在考虑复配土壤的混合比例时，将小区平均分为3个5 m×12 m的次小区，分别考虑了砒砂岩与沙为1:1、1:2、1:5的3个体积混合比例(砒砂岩粉碎至直径≤4 cm)，每种比例设置1个重复。采用“S”形采样方法^[16]，分别采集3个次小区中各处理下0~30 cm土样，设置重复3个，每次采集土样共计9个，然后带回实验室用于测定复配土壤物理和养分含量等指标，并对3次重复所得到数据计算其平均值。将采集的土壤样品剔除草根和其他杂物后自然风干，研磨过2 mm筛，用马尔文激光粒度分析仪Mastersizer 2000(英国)测定土壤颗粒组成，并计算土壤大颗粒(砂粒含量)与土壤小颗粒(粉粒含量+黏粒含量)的比值C/F(粗粒/细粒)，用于表征土壤粒径组成变化特征。

对试验数据进行整理和绘图采用Excel2010和SPSS20.0软件，多组样本间差异性分析采用Duncan新复极差法。

砒砂岩与沙复配成土的核心原理是引入砒砂岩中的粉粒、黏粒，移植砒砂岩中的胶体物质，被称为“根系诱导剂”的黏粒作为风沙土改良的重要因素一直以来受到众多学者们的关注^[17]；因此风沙土中加入砒砂岩，对改良风沙土的质地类别具有重要作用。由表 1砒砂岩与沙不同体积混合比例下0:1、1:5、1:2、1:1、2:1、5:1、1:0的复配土壤颗粒组成情况可知，当砒砂岩与沙体积混合比例为0:1即全沙时，砂粒含量为94.07%，在质地类别中占主导作用，风沙土中粉粒含量为3.20%，土壤质地类别为砂土，采用Duncan新复极差法进行多组样本间差异性分析可知，复配土砂粒含量除砒砂岩与沙复配体积比例为1:1和2:1外，其余均达到显著性差异(P < 0.05)。当砒砂岩与沙体积混合比例为1:0即全砒砂岩时，砒砂岩粉粒含量最高，高达72.94%，是全沙中粉粒含量的22.8倍，砂粒含量为19.57%，仅为全沙的1/5(表 1)，复配土中粉粒含量均达到显著性差异(P < 0.05)。风沙土和砒砂岩的黏粒含量都属于较低水平，风沙土仅为2.73%，砒砂岩为7.49%。二者混合后，随砒砂岩比例增加，黏粒含量由2.73%增加到8.24%，1:1复配土壤中黏粒含量最高，复配土黏粒含量除砒砂岩与沙复配体积比例为2:1和5:1外，其余比例复配土均呈现显著性差异(P < 0.05)。对比不同体积混合比例的复配土，随着砒砂岩含量的提高，粉粒和黏粒含量均逐渐增大、砂粒含量逐渐减小，相对于风沙土中粉粒含量最大增幅是13.04倍，粉粒含量增幅较大，黏粒含量最大增幅是2.02倍，增幅不明显；因此，砒砂岩与沙混合后，能够提高沙地的黏粒和粉粒含量，复配土质地也从砂土、砂壤逐渐转变成壤土、粉壤土。

表 1(Tab. 1)

表 1 砒砂岩与沙不同体积混合比例下的土壤质地 Tab. 1 Soil texture under different volume mixing ratio of soft rock and sand 体积比(砒砂岩:沙) Volume ratio (soft rock:sand) 颗粒组成Particle composition/% 质地类别 Texture 砂粒Sand (2.000~0.050 mm) 粉粒Silt (0.050~0.002 mm) 黏粒Clay (< 0.002 mm) 0:1 94.07±2.137 9e 3.20±1.162 6a 2.73±0.080 5e 砂土Sand 1:5 74.79±2.616 4d 20.08±0.900 3d 5.13±0.189 0d 砂壤Sandy loam 1:2 64.67±4.500 2f 30.04±1.218 7c 5.29±0.047 2f 砂壤Sandy loam 1:1 46.84±2.418 9b 44.92±0.578 3f 8.24±0.201 3c 壤土Loam 2:1 33.76±2.465 1b 58.58±1.546 9e 7.66±1.282 1b 粉壤Silt loam 5:1 20.61±1.932 5a 72.18±2.001 7b 7.21±1.303 7b 粉壤Silt loam 1:0 19.57±3.708 1c 72.94±0.135 4g 7.49±0.768 9a 粉壤Silt loam 注：同一列不同小写字母表示不同比例复配土壤间显著性差异(P < 0.05)，下同。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences among different proportions of mixed soils in the same column (P < 0.05)，the same below.

表 1 砒砂岩与沙不同体积混合比例下的土壤质地 Tab. 1 Soil texture under different volume mixing ratio of soft rock and sand

经过砒砂岩与沙复配后，土壤质地由砂土向壤土转变，质地类别有了显著改善。当砒砂岩与沙的体积混合比例大于1:1时，土壤质地类别为粉壤，且随复配比例提高土壤质地不再发生明显的变化。从土壤质地变化角度，并结合施工实际难度分析以及Han Jichang等^[12]、Wang Huanyuan等^[13]、罗林涛等^[14]和柴苗苗等^[15]的研究成果显示，砒砂岩与沙体积混合的适宜比例为1:5~1:1适合作物生长。

种植年限对复配土壤的质地类别影响非常显著，由2010—2016年间大田试验耕层0~30 cm体积混合比例为1:1、1:2和1:5的复配土壤颗粒组成情况可知(表 2)，随着复配土壤种植年限的增加，0~30耕层的1:1复配土壤呈现出从壤砂—砂壤—粉砂壤—壤土的质地过渡，从2010年至2016年间，砂粒含量减少46.6%，粉粒含量增加173.0%，黏粒含量最小增幅为27.5%，最大增幅178.8%，不同种植年限黏粒和粉粒含量均有显著性差异，砂粒含量则规律不明显。1:2复配土壤耕层质地发生从壤砂—砂壤的转变，从2010—2016年间，砂粒含量减少12.3%，粉粒含量增加了83.3%，黏粒含量最小增幅为8.2%，最大增幅187.2%。1:5复配土壤耕层质地发生从壤砂-砂壤的转变，从2010—2016年间，砂粒含量减少18.1%，粉粒含量增加132.6%，黏粒含量最小增幅为12.4%，最大增幅72.6%。由以上分析可得，随着复配土种植年限的增加3种比例复配土壤均呈现出黏粒和粉粒含量上升，砂粒含量下降，均发生质地向变细和良性的方向转变，复配土壤质地类别和结构状态呈现出良好稳定发育。

表 2(Tab. 2)

表 2 2010—2016年间耕层0~30 cm复配土壤颗粒组成 Tab. 2 Composition of 0-30 cm compound soil particles in tillage during 2010-2016 体积比 Volume ratio 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 1:1 砂粒Sand% 76.29±1.55 68.46±0.52 69.20±1.11 67.34±0.71 63.50±0.87 40.82±0.74 40.73±0.67 粉粒Silt% 18.20±0.66 24.02±0.76 27.36±0.73 29.02±1.06 30.54±0.87 50.67±0.53 49.68±0.73 黏粒Clay% 5.51±0.59 7.52±0.40 3.44±0.62 3.64±0.05 5.96±0.32 6.50±0.29 9.59±0.50 质地Texture 壤砂Loamy sand 砂壤Sandy loam 砂壤Sandy loam 砂壤Sandy loam 砂壤Sandy loam 粉砂壤Silt loam 壤土Loam 1:2 砂粒Sand% 82.43±1.13 81.96±0.63 75.94±0.90 74.15±0.48 67.38±1.20 67.79±0.76 72.25±0.80 粉粒Silt% 13.17±0.94 13.58±0.05 21.40±0.36 23.03±0.62 27.58±0.93 31.55±0.72 24.14±0.64 黏粒Clay% 4.40±0.58 4.46±0.17 2.65±0.02 2.82±0.04 5.04±0.11 4.66±0.14 3.61±0.15 质地Texture 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 砂壤Sandy loam 砂壤Sandy loam 砂壤Sandy loam 1:5 砂粒Sand% 83.34±1.16 81.02±0.29 70.51±0.56 78.18±1.00 76.91±0.83 71.71±0.85 68.23±0.85 粉粒Silt% 11.79±0.57 14.48±0.17 25.84±0.57 19.30±0.82 19.67±0.47 27.74±0.53 27.42±0.59 黏粒Clay% 3.87±0.14 4.50±0.26 3.64±0.03 2.52±0.05 3.42±0.02 3.55±0.35 4.35±0.13 质地Texture 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 砂壤Sandy loam 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 壤砂Loamy sand 砂壤Sandy loam

表 2 2010—2016年间耕层0~30 cm复配土壤颗粒组成 Tab. 2 Composition of 0-30 cm compound soil particles in tillage during 2010-2016

采用土壤大颗粒(砂粒含量)与土壤小颗粒(粉粒含量+黏粒含量)的比值C/F值表示土壤粒径组成变化特征，从而客观反映土壤质地发育状态。对2010年至2016年间体积混合比例为1:1、1:2和1:5的复配土壤大颗粒与小颗粒值之比(C/F值)变化特征研究可知(图 2)，随着复配土壤种植年限的增加，砒砂岩颗粒的逐步风化，粗颗粒递减，细颗粒增加，不同复配比例土壤的大颗粒与小颗粒值之比即C/F值呈减小趋势(如图 1)，其中1:1复配土C/F值最大减小幅度为78.6%，1:2复配土C/F值最大减小幅度为60.1%，1:5复配土C/F值最大减小幅度为147.4%，3种复配土C/F值降低幅度为1:5>1:1>1:2，说明随着复配土种植年限的增加，不同比例复配土土壤耕层趋于细化，更有利于砒砂岩与沙充分混合，从而复配土的质地状态达到良好稳定发育。

图 1(Fig. 1)

1:1:砒砂岩与沙体积混合比例为1:1；1:2:砒砂岩与沙体积混合比例为1:2；1:5:砒砂岩与沙体积混合比例为1:5。 1 :1: The volume ratio of soft rock to sand is 1:1.1:2: The volume ratio of soft rock to sand is 1:2.1:5: The volume ratio of soft rock to sand is 1:5. 图 1 不同种植年限3种比例复配土壤的大颗粒与小颗粒值之比(C/F值)变化特征 Fig. 1 Variation characteristics of the ratio of coarse particle to fine particle (C/F value) in three proportions of soils at different planting year

土壤颗粒组成与土壤成土母质有着密切的关系，其直接决定着土壤结构体的构成^{[4, 18]}。关于砒砂岩的结构，一些学者^[19]的研究发现准格尔旗砒砂岩中黏粒含量低至5%~6%(< 0.005 mm)。Han Jichang等^[11-12]，王晶等^[20]，韩霁昌等^[21-22]对毛乌素沙地砒砂岩的研究指出，砒砂岩中次生黏土矿物高达16.8%~46.4%，黏粒含量高达10.3%~30.3%，而沙地95%以上属粒径为0.05~1 mm的原生矿物，黏粒含量低至0.8%；因此毛乌素沙地风沙土中黏粒含量短缺，直接造成了土壤胶结物质匮乏，土壤向着粗骨化方向发展，稳定性较低。本研究结果显示，砒砂岩含量对复配土壤颗粒组成具有显著性影响，随着天然材料砒砂岩的加入，使沙地中结构体赋存的关键粒级含量(粉粒和黏粒)逐渐提高，相对于风沙土中复配土粉粒含量最大增幅是13.04倍，黏粒含量最大增幅是2.02倍。风沙土核心问题是黏粒和矿物质胶体缺失，而砒砂岩中次生黏土矿物高达16.8%~46.4%，黏粒远高于沙地，因此砒砂岩与沙复配成土核心技术是引入砒砂岩中粉粒、黏粒，移植砒砂岩中的胶体物质，从而改良风沙土的不良质地。

陈玉真等^[23]和罗倩等^[24]的研究指出，随着作物种植季数的增加，土壤物理特性呈现出显著的差异，即使在同一时刻和同一区域其特性变化也比较明显。本研究结果显示，种植年限对复配土质地具有显著的影响，1:1、1:2和1:5等3种体积混合比例复配土壤质地随种植年限的增加呈持续改善的态势，证明复配成土技术将土地沙化过程扭转为初育化成土过程、使通常需500年才能形成1 cm厚土层的缓慢成土过程被大大加速。随着种植年限的增加1:1、1:2和1:5复配土壤均呈现出黏粒和粉粒含量上升，砂粒含量下降，质地状态呈现良性发展趋势，其中1:1复配土的粉粒、黏粒含量上升幅度最大，出现了从壤砂-砂壤-粉砂壤-壤土的质地形成过程，质地结构呈现出良好的稳定发育状态。再次说明了随着砒砂岩比例的提高，复配土粉粒和黏粒含量提高，改良了风沙土的不良质地。因此，可以通过增加适宜的砒砂岩含量比例增强复配土稳定性，使砒砂岩与沙混合后达到较好的土壤颗粒级配与质地，并且适合作物生长。

土壤质地是土壤的最基本物理性质之一，稳定性是土壤结构的重要性质。质地稳定性是复配土可持续发展的重要指标之一，主要表现土壤在后期的农业经营中，能够保持原有状态不变或者向着良好的质地状态发育的能力，其主要作用是衡量土壤质地的健康稳定发育程度。砒砂岩与沙复配成土，首要是进行风沙土颗粒组成优化，研究发现在风沙土中加入砒砂岩后，砒砂岩与沙不同体积混合比例0:1、1:5、1:2、1:1、2:1、5:1和1:0的复配土，随着砒砂岩比例的增加，土壤质地发生从砂土—砂壤—壤土—粉壤土逐渐过渡，风沙土的砂土质地得到改善，逐步呈现出一定的结构性质，土壤颗粒级配向良性发展。经过7年种植后复配土向无机、有机胶体复合状态发展，1:1、1:2、1:5复配土壤均呈现出黏粒和粉粒含量上升，砂粒含量下降，质地结构呈现出良好的稳定发育趋势，并且不同复配比例土壤的粗颗粒递减，细颗粒增加，大颗粒与小颗粒值之比即C/F值呈减小趋势，粒径组成区域合理，土壤耕层趋于细化，改善了复配土壤物理结构，提升了复配土稳定性。因此，复配土壤能够维持复配后的质地良好稳定发育状态，不需要多年后再进行复配。

以上研究仅是从复配比例和种植年限角度分析复配土质地变化特性，对砒砂岩作为一种固沙新材料在沙地治理中的是否具有推广使用价值，还需要考虑到气候、地形、区域等因素的影响，作者后续将继续开展深入研究，对复配土的稳定性和可持续利用进行持续监测和研究，以期为毛乌素沙地基于砒砂岩与沙复配成土技术的推广应用提供理论依据。