黄土高原是世界上最大的黄土覆盖区，也是一个水土流失非常严重的生态脆弱区^[1]。为治理黄土高原严重的水土流失，改善区域环境，国家于20世纪90年代开始在黄土高原实施退耕还林(草)政策。该政策的实施一定程度上减轻了黄土高原地区的水土流失，改善了区域生态环境^[2]。但同时，大量的坡耕地转变为林地、草地，农业生产由坡面下移至沟道，耕地面积减少，在一定程度上造成了人-地关系的紧张^[3]，部分区域出现重新垦殖的现象。为缓解人地矛盾，中央在2013年启动了延安“治沟造地”重大工程。工程实施过程中，将沟道两侧的山坡梯级切下，把沟道分层填平形成耕地^[4]。工程的实施，增加了耕地面积，改善了项目区内的土地利用结构和景观^[5]，对巩固退耕还林(草)成果和缓解紧张的人-地关系产生了明显作用。

但在工程实施之前，原本沟道中的土壤多为坡耕地流失的土壤淤积而成，并且经过长时间的耕作，土壤的结构、养分等条件都较好。而工程新造地块的表土主要来源于沟道两旁削坡得到的未经熟化的深层土壤，这部分土壤通常包括马兰黄土和红黏土。马兰黄土土质松软，遇水易发生湿陷，容易被雨水侵蚀，而红黏土土质较为致密，保水性强，干燥情况下比较坚硬。单纯的以某种土壤新造的地块，要么易跑水跑肥，要么不利于作物生长，其土壤结构、肥力等难以在短期内达到原来沟道土壤的水平。而新时期，对于土地整治的要求已从单纯的数量要求转向质量要求^[6]，整治土地的质量关系到后续土地的可持续利用。因此，需要研制快速营造良好土壤的技术方法，以提升新增耕地的生产能力。当前常用的土壤改良方法可分为物理方法、生物方法、化学方法；按具体的措施分，有客土改良、秸秆还田、施用改良剂等方法。客土改良能快速改善土壤的容重、孔隙度、pH值、养分含量等性质^[7-8]，秸秆还田^[9-10]及合理施用有机肥能起到改善土壤结构和养分含量的效果^[11]，合理的耕种方式也对保持和改良土壤的性质具有重要意义^[12-13]。除以上常用方法外，也有学者开展了新方法的探索，如利用砒砂岩和沙土进行复配^[14]，结果表明利用沙土和砒砂岩复配能显著地改善沙土的土壤结构，使原本跑水跑肥的沙土成为性质良好的土壤。但囿于原料和成本，目前这种方法的应用和相关研究还比较少。结合研究区域的状况，笔者认为良好土体的营造是新造土地首先需要解决的问题。而考虑到马兰黄土和红黏土在区域内广泛分布的现实情况以及二者在性质上良好的互补性，同时基于前人的研究成果^[14]，认为土壤复配理论上适用于本区域的土壤改良。因此，依托试验基地，本研究利用马兰黄土和红黏土进行不同比例的土层复配试验，以期找到一种较好的复配方案，为快速营造良好土壤、提升新增耕地的生产能力提供一种可行的方法，也为今后类似的土地整治工程提供实践参考。

在对复配方案的效果进行评价时，土壤的质量是首要条件。良好的土壤很大程度上取决于良好的土壤性质，而土体结构和土壤养分是其中两个重要因子。土体结构由土壤团聚体、土壤容重、土壤孔隙度等指标决定，其中土壤团聚体是土体结构的重要评价指标，其性质很大程度上决定了土壤土体结构的好坏，影响土壤理化性质^[15]，从而影响土壤的肥力。有机质含量则是土壤养分的重要指标，也是土壤养分的重要基础。常用的土壤质量评价方法有单因子法和多因子综合评价法，为了快速地对各方案做出评价，本研究选取了具有代表性的土壤水稳性团聚体和有机质来反映土壤的质量，同时通过作物的生长指标反映土地的生产能力。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究的试验样地位于延安市宝塔区的羊圈沟流域，该流域位于黄土高原中部(图 1a)，介于109° 31′ ~109° 71′ E，36° 42′ ~36° 82′ N。流域面积2.02 km²，海拔在1 050~1 295 m之间，为典型的黄土丘陵沟壑区。区域气候为半干旱大陆性季风气候，日平均日照时数为6.9 h，年平均气温为8.8 ℃，年最低平均温度为-6.9 ℃，最高平均温度为26 ℃。区域年平均降水量535 mm，多集中在7-9月，占全年降水量的79%，降雨多为短时强降雨^[16]。

2013年延安市实施了“治沟造地”重大工程，羊圈沟流域作为项目区的一部分，有27.84 hm²的土地得到了综合整治^[17]。通过整治，增加了流域的耕地面积，配置了灌溉设施，极大改善了区域的生产生活条件。在此基础上，提升整治后土地的质量，提高土地生产能力，满足可持续农业生产的需求成为新的任务。

1.2 试验设计

在农业生产中，土地资源是最重要的生产要素，其质量的好坏直接影响农业生产的效率。为促进土地的可持续利用，营造更好的土体，利用红黏土和马兰黄土进行了土层复配试验。红黏土结构致密，马兰黄土结构疏松，二者在结构上具有天然的互补性。试验所用的马兰黄土和红黏土均来源于项目区附近坡面，易于获得，并且在黄土高原地区广泛分布。试验小区原地块均为“治沟造地”工程中的新造地，均于2014年项目竣工后开始作物种植，种植作物为玉米。试验小区于2017年4月建造，试验组设置方式为:先将原耕地的表层30 cm土壤剥离，然后根据试验设计要求，将不同厚度比的马兰黄土(ML)和红黏土(RC)覆盖在剥离表土的地块上，共覆土30 cm，然后用旋耕机将两种土壤旋耕至均匀混合(图 1d)。试验总计8种方案，小区规格为5 m×15 m，具体试验方案如表 1所示。其中，对照处理T0为原状土(YS)，是“治沟造地”工程新造地，已经过3年的耕种。在试验地块上进行种植，种植作物为玉米。

1.3 数据获取与处理

试验所需土壤样品均采集于2018年7月。容重采用环刀法测定，土壤孔隙度通过公式(1)计算得到，土壤比重由比重瓶法测得为2.56 g·cm^-3。采集时，每个小区随机选取3个样点，每个样点按0~10、10~20、20~30 cm进行分土层取样。

其中，土壤机械组成采用Bettersize 2000激光粒度分布仪进行检测，粒径分组采用美国制标准。水稳性团聚体含量采用湿筛法进行测算，按粒径大小分为5个粒级，分别为0.25~0.5、0.5~1、1~2、2~5、>5 mm。土壤有机质采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁还原滴定法测定^[18]；土壤酸碱度利用pH计测定；阳离子交换量利用乙酸铵进行浸提测定^[18]。

土壤孔隙度计算:

(1)

式中:SP为土壤孔隙度；D为土壤容重，g·cm^-3；d为土壤密度，g·cm^-3。

水稳性团聚体含量由式(2)计算得到

(2)

式中:W_i为粒径大于i mm的水稳性团聚体百分含量，%；M_T为供试土样总质量，g；M_i为粒径大于i mm的水稳性团聚体质量，g。

方差分析采用SPSS Statistics 22软件，以LSD法进行多重比较，绘图采用Excel 2016。

2 结果与分析 2.1 不同复配方案下土壤基本性质

对各组0~30 cm表土的基本理化性质进行分析，结果如表 2所示。在试验组的复配土壤中，随着RC比例的减少、ML比例的增加，土壤颗粒中黏粒的含量下降，而砂粒的含量增加，但土壤的质地均为黏壤土。作为土体结构重要指标的容重和孔隙度也随着RC和ML配比不同发生改变，试验组的容重均比对照组小，孔隙度除T7外，均较对照组大，其中T3处理的土壤有最小的容重和最大孔隙度，分别为1.36 g·cm^-3和0.49，较对照组T0降幅为11.1%，增幅为16.7%。容重和孔隙度的变化说明不同比例的ML和RC进行配比会对土壤的结构产生影响。此外，T2和T3处理的CEC显著高于其他各组(P < 0.05)，较对照组分别提高101.5%和52.7%。

2.2 不同复配方案下水稳性团聚体含量

对各组0~10、10~20、20~30 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体含量(W_0.25)进行了比较和分析，结果如图 2所示。0~10 cm的土层，从T0处理到T7处理，随着ML含量的增加，W_0.25呈现先上升后下降的态势，试验组的含量除T7处理外均显著高于T0处理，其中T3处理的W_0.25最高(34.44%)，为对照组(2.70%)的12.8倍。10~20 cm的土层，T3处理的含量(40.43%)显著高于其他各组处理(P < 0.05)，是对照组T0(3.05%)的13.3倍。20~30 cm的土层，T2处理的W_0.25为49.72%，T3处理的W_0.25为39.82%，均显著高于其他各组(P < 0.05)。总体而言，T3处理的W_0.25在各深度土层均有较大的占比，说明该处理的土壤具有更好的团聚体结构。

2.3 不同复配方案下水稳性团聚体粒径分布特征

水稳性团聚体的含量和粒径组成均会对土体结构产生影响，从而影响土壤性质，大粒径团聚体的含量越高土体结构相对越好。基于此，对8个处理>0.25 mm水稳性团聚体的粒径(R_0.25)分布情况进行了分析，结果如表 3所示。

对于某一处理，0~10 cm的土层中，R_0.25主要集中在0.25~0.5 mm的粒径范围内，其中T2、T3、T4处理0.5~1 mm的水稳性团聚体也有较高占比；10~20 cm的土层，对于各处理，0.25~0.5 mm的水稳性团聚体含量仍显著高于其他粒级水稳性团聚体的含量(P < 0.05)；20~30 cm的土层，各处理水稳性团聚体的粒径分布特征与0~10 cm土层一致。

对于不同处理，0~10 cm的土层，T3处理W_0.25较T0处理增加了11.8倍，其中0.25~0.5 mm水稳性团聚体占增加总量的39.9%，0.5~1 mm水稳性团聚体占增加总量的39.1%。10~20 cm的土层，T3处理W_0.25较T0处理增加了12.3倍，其中0.25~0.5 mm水稳性团聚体占增加总量的41.2%，0.5~1 mm水稳性团聚体占增加总量的29.8%，2~5 mm水稳性团聚体占增加总量的14.1%，其他粒级的水稳性团聚体增加量较少。20~30 cm的土层，T2、T3处理W_0.25较T0处理均显著增加，T2处理水稳性团聚体除0.25~0.5、0.5~1 mm粒级的有较大的增长外，2~5 mm和>5 mm粒级也增加较多，后两者合计占增量的27.8%；T3处理与T2处理情况类似，0.25~0.5 mm水稳性团聚体占增加总量的34.3%，0.5~1 mm水稳性团聚体占增加总量的37.4%，>5 mm水稳性团聚体占增加总量的10.1%。

总体而言，对各组处理，R_0.25大多集中在0.25~0.5 mm的粒径范围内。而与T0处理的原状土相比，除T7处理外，各试验组水稳性团聚体的含量都有显著增加，且增加的水稳性团聚体主要分布在0.25~0.5、0.5~1 mm的粒径范围内，T2、T3处理的水稳性团聚体在2~5、>5 mm粒径范围内也有较明显的增加。

2.4 不同复配方案下土壤有机质含量

土壤有机质含量是反映土壤肥力和农业可持续性的重要指标，图 3反映了不同复配方案土壤的有机质(SOM)含量情况。不同处理SOM含量存在差异。0~10 cm的土层，除T3处理的SOM含量(8.76 g·kg^-1)与对照处理(9.67 g·kg^-1)相近外，T1、T2、T4、T5、T6、T7处理SOM均显著低于T0处理，T3处理的SOM含量显著高于其他各试验处理(P < 0.05)；10~20 cm的土层，T3处理的SOM含量(7.32 g·kg^-1)与T2、T4处理没有显著差异，但显著高于对照处理24.5%(P < 0.05)；20~30 cm的土层，T2、T3、T4、T5处理的SOM含量与对照组没有显著差异，但均显著高于T1、T6、T7处理。除在10~20 cm土层中，T3处理的SOM含量显著高于T0外，在其余土层各试验组的SOM含量并没有较T0处理显著增加，甚至比T0处理含量更低，但这并不能说明对土壤进行复配不能提高SOM的含量，因为对照组为原状土，其在2014年造地工程结束后就开始了耕作，土壤经多年熟化，且此前有施用有机肥，理论上SOM会较未经熟化的复配土壤更高，因此土层复配能否对表层土壤有机质含量产生影响还需要长期的试验证明。但即使考虑对照组前期SOM的积累，T3处理也表现出了较好的SOM赋存能力。

2.5 不同复配方案下作物生长状况

土壤的理化性质会直接影响作物的生长状况，图 4是各处理玉米在8月份的叶面积指数及地上生物量。叶面积指数反映了作物对光能的利用状况，其大小与作物的最终产量密切相关。从图 4中可以看出，T0、T3、T4、T5处理之间叶面积指数没有显著差异，但T5叶面积指数显著大于T1、T2、T6、T7处理。而对于地上生物量，T3处理显著高于其他处理，为15.85 t· hm^-2，比对照组高23.9%(P < 0.05)。说明T3处理(红黏土为20 cm、马兰黄土为10 cm)更有利于作物干物质的积累和玉米秸秆产量的提高。而玉米秸秆作为一种重要的饲喂草料，其产量的提高对于研究区畜牧业发展具有重要意义。

3 讨论

数据分析结果表明，不同比例土层复配会影响土壤的理化性质，其中最直接的影响就是对土壤机械组成的改变，ML比例的增大增加了土壤中砂粒的含量，同时黏粒含量减少，而RC的作用相反。与此同时，当RC/ML为20 cm:10 cm(T3)时，土壤具有最小的容重和最大的孔隙度，较对照组T0容重降低11.1%、孔隙度提高16.7%。该现象说明不同的ML和RC复配比例会对土体的结构产生差别化影响。

对于W_0.25，各试验处理较对照组都显著增加(P < 0.05)，其中T3处理增加最明显。同时，研究还发现与对照组相比，T2、T3处理的R_0.25除在0.25~0.5、0.5~ 1 mm的粒径范围有明显增加外，在2~5、>5 mm粒径范围内也有较明显的增加，说明这两种处理更利于大团聚体的形成和稳定，这可能与团聚体的形成和稳定机制有关。关于团聚体的形成，Edwards等^[19]认为团聚体是通过有机无机复合体为基础形成的，实质是黏粒通过多价金属阳离子连结而吸附有机分子的过程。Tisdall等^[20]认为团聚体是按粒径大小逐级形成的，即小的团聚体通过胶结作用形成较大的团聚体。在此过程中，受到有机质、微生物、耕作方式等多种因素的影响，且不同阶段的主导因素不同^[21-23]。在团聚体形成的早期，尤其是在有机质含量较低的土壤中，黏土是一个重要的因素^[22]。通常情况下，黏粒胶体带负电荷，土壤颗粒通过无机胶体(黏土)和多价金属键之间的化学键进行连结，在此阶段黏土占主导地位^[24-25]，能促进团聚微粒的形成^[26]，为进一步形成更大的团聚体提供物质基础。本试验中，改变ML和RC的比例，实质上是改变了土壤的机械组成，当RC和ML的比例达到一个合适的值时，土壤中既具有足够的黏粒作为黏结剂，又具有足够的粉粒、砂粒作为团聚体形成的骨架，黏粒与其他颗粒在多价金属键的作用下快速形成小微粒，为更大团聚体的形成提供充足的原材料。随着土壤中的团聚微粒数量不断累积，一方面会通过团聚微粒间的直接作用团聚形成大团聚体；另一方面团聚微粒会在黏土-多价金属-有机质化学键的作用下进一步凝聚，形成微团聚体^[21]，进而再形成大团聚体。在后一过程中，由于黏粒胶体和有机胶体带负电荷，其与团聚微粒表面的有机质之间会发生排斥作用，因此在该过程中，有机质和黏粒的数量并非越多越好，而阳离子能减小带负电荷的黏粒与有机质以及有机质之间的排斥作用，对团聚体的形成起促进作用。T3处理的黏粒含量在各处理中相对适中，在满足第一阶段形成足够多团聚微粒的情况下，对微团聚体形成过程也不会产生较大的排斥作用，加之T3处理具有较高的CEC，因此黏土-小颗粒-有机质化学键的作用可能会更强，能增强小团聚体之间的团聚作用，促进大团聚体形成，因此其W_0.25相对更高。而在微团聚体向大团聚体转化的过程，微生物和有机质起主导作用。有机质是团聚体形成过程中的主要结合物质，是连结各微粒、小团聚体的化学键的重要组合部分，与大团聚体的形成和水稳性密切相关^[27-28]，能起到改善团聚体质量、增加大团聚体数量的作用^[29-30]。因此，SOM含量较高可能是T3处理W_0.25较其他处理高的另一个重要原因。而微生物在此过程中，一方面通过真菌和放线菌的菌丝对团聚体起到网络、连结作用^[25]，另一方面微生物分泌的有机酸能溶解释放矿物表面的阳离子，增强阳离子的键桥作用^[31]。T2、T3处理的孔隙度相对较大，土壤透气性较好，SOM的含量也相对较高，为微生物提供了较好的生存环境，微生物活动可能会更活跃，菌根菌丝及微生物分泌物对团聚体的网络、胶结作用可能更强，对水稳性团聚体的形成和稳定具有积极意义^[32-33]，而较大的CEC也进一步增强了大团聚体的抗崩解能力^[34]，这可能也是T2、T3处理W_0.25相对较高的原因，二者在2~ 5、>5 mm粒径范围内也有较明显的增加可能也与此有关。

由于对照组前期经过多年耕种，理论上其初始SOM含量较各试验组应更高，各试验组的复配方式能否增加土壤中有机碳的含量，仍需多年的试验来进一步证明。但各试验组之间的对比结果说明，当RC为20 cm、ML为10 cm时，SOM含量在不同深度总体上较其他各组更高。这可能与T3处理>0.25 mm的水稳性团聚体含量较高有关，已有研究表明有机质多集中赋存于>0.25 mm的团聚体中^[34]，这可能是因为在大团聚形成的过程中会将一部分有机化合物包裹，使这部分有机质难以与空气接触，减少SOM因矿化过程的损失，从而使得这部分SOM能更稳定地赋存^[35-37]，进而增加SOM的含量。还有研究表明，SOM的含量与土壤的质地和结构有关。Simonetti等^[38]研究表明，以微米级或纳米级孔隙为主的黏质土壤，能够通过与矿物表面的相互作用和层状硅酸盐的夹层作用来保护土壤有机碳；Fatemeh等^[39]研究显示，当土壤中的黏粒含量在5%~10%时，能降低有机碳的分解速度，增加土壤中有机质的赋存量。T3处理的黏粒含量为6.9%，土质较黏重，可能也对减缓SOM分解有积极作用。此外，T3处理的孔隙度较大，具有更好的透气性，利于好氧微生物活性提升，对土壤中有机物的分解作用更强，能促进团聚体外部的有机物分解转化为有机质，从而增加SOM的来源，这在Kravchenko等^[40]的研究中也得到体现。T3处理具有较优的容重、孔隙度、团聚体等指标，营造了一个较好的物理环境，为土壤自身形成更好的养分条件奠定了良好的结构基础^[41]。

总体而言，合理比例的土层复配能起到改善土壤结构、提升土壤有机质含量的效果，达到提高土地生产能力的目的。但由于试验时间较短，指标较少，对团聚体只探究了其水稳性，对其机械稳定性未做探讨，因此仍需进行长期的观测试验，以全面验证试验结果中的良好效果能否长期稳定或者进一步提升。黄土丘陵区具有巨大的土地整治潜力，进一步论证该方法的技术、经济可行性对于提升“治沟造地”项目区的土地质量，促进沟道土地资源的可持续利用和农牧业发展具有重要的实践意义，同时可为将来类似的土地整治工程提供实践参考。

4 结论

利用红黏土和马兰黄土对“治沟造地”工程新造地块表层30 cm的土壤进行复配，改变了表层土壤的性质，对土壤团聚体的分布特征和稳定性产生了显著的影响，同时对土壤有机质的含量也产生了一定的影响。

(1) T3处理土壤的容重显著减小，孔隙度显著增大。T1、T2、T3、T5、T6处理的W_0.25在各土层均较对照组显著增加，其中T3处理增加最明显。

(2) T2、T3处理更有利于水稳性大团聚体的形成，除在0.25~0.5、0.5~1 mm粒径范围较对照处理有大幅增加外，在2~5 mm及>5 mm粒级范围内也有较大提高。

(3) T3处理的SOM在各土层均与对照组相近甚至更高，其可能具有更好的SOM赋存能力。

(4) T3处理的玉米生物量显著提高，表现出更高的生产能力。

(5) 利用红黏土和马兰黄土复配进行耕层土壤的快速营造在技术和理论上是基本可行的，且当复配土中二者的厚度分别为20 cm和10 cm时，能大幅改良土壤的性状和生产力。