不同生態(tài)修復(fù)技術(shù)長(zhǎng)期應(yīng)用對(duì)風(fēng)沙土土壤養(yǎng)分的影響

竇超銀，孟維忠，孫 寧

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

遼寧省沙漠化土地面積達(dá)54.96萬(wàn)hm2，占全省土地面積的3.77%，主要分布在遼西北地區(qū)[1]，長(zhǎng)期以來(lái)，受干旱和大風(fēng)等惡劣環(huán)境影響，土地生產(chǎn)力下降，糧食產(chǎn)量低，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民一直無(wú)法擺脫貧困，給地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了極大的危害。針對(duì)這一現(xiàn)狀，遼寧省自“十五”以來(lái)對(duì)遼西北荒漠化土地綜合治理進(jìn)行了科技攻關(guān)，開(kāi)展了多種沙地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究，并取得一系列成果[2-6]。但目前研究多集中在生態(tài)修復(fù)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用效果上，對(duì)技術(shù)長(zhǎng)期應(yīng)用后土壤質(zhì)量變化的研究相對(duì)較少。尤其是土壤養(yǎng)分，不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是土壤各方面性質(zhì)的綜合反映。一方面，通過(guò)土壤養(yǎng)分的變化可以對(duì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)和選擇，另一方面，通過(guò)對(duì)土壤養(yǎng)分含量的調(diào)查研究，可對(duì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而提高技術(shù)的應(yīng)用效果，因此研究長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響具有重要意義。我們?cè)陂L(zhǎng)期(2002—2012年)沙地生態(tài)修復(fù)工作的基礎(chǔ)上，對(duì)不同沙地生態(tài)修復(fù)技術(shù)長(zhǎng)期應(yīng)用后土壤中養(yǎng)分含量的差異進(jìn)行了研究，以期為沙地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧西北部的阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)北甸子村，地處科爾沁沙地南緣，東、西、北三面與內(nèi)蒙古科左后旗毗鄰，屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候，其主要特征是干燥，風(fēng)沙大。年平均氣溫6.1 ℃，平均濕度58%～59%，無(wú)霜期154 d；多年平均降水量為307 mm，多年平均蒸發(fā)量1 777.6～1 783.4 mm；降水量年內(nèi)分布不均，夏季降水量占全年降水量的66%以上；年平均風(fēng)速3.7～4.2 m/s，最大風(fēng)速24 m/s，干燥系數(shù)1.0～1.8，沙暴天氣10～15 d，主要出現(xiàn)于春季。土壤為風(fēng)沙土，干容重1.69 g/cm3，土壤顆粒粒徑主要分布在0.075—2 mm之間，其中0.5—2 mm占0.2%，0.25—0.5 mm占28.3%，0.075—0.25 mm占69.7%，<0.075 mm顆粒占1.8%。有機(jī)質(zhì)含量為0.66 g/kg，堿解氮為7.2 mg/kg，速效磷為1.7 mg/kg，速效鉀為19.1 mg/kg，全氮為0.026 g/kg，田間持水率為6.32%，飽和持水率為16.88%。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深為1.5～2.8 m。

1.2 沙地生態(tài)修復(fù)方法

遼西北地區(qū)沙地生態(tài)修復(fù)始于2002年，根據(jù)遼西北沙地的自然狀況，在采取大面積圍欄封育措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工生態(tài)修復(fù)，人工栽培部分植物，依靠植物群落的自然修復(fù)能力來(lái)恢復(fù)植被，治理流動(dòng)沙丘。試驗(yàn)區(qū)用水泥樁、松木桿和刺線做成的圍欄進(jìn)行圍封，總面積300 hm2，劃為流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、人工固定沙丘和丘間平地等多個(gè)地塊，其中流動(dòng)沙丘內(nèi)根據(jù)生態(tài)修復(fù)技術(shù)劃分為生物網(wǎng)方格固沙區(qū)(SW)、藥材種植區(qū)(YC)、花生種植區(qū)(HS)、林草復(fù)合培育區(qū)(LC)和草場(chǎng)培育區(qū)(CC)等5個(gè)區(qū)域，每塊面積為10～15 hm2。具體技術(shù)措施如下：

(1)生物網(wǎng)方格固沙。利用差巴嘎蒿(ArtemisiahalodendronTurcz.)根莖發(fā)達(dá)、木質(zhì)橫走、當(dāng)年生枝、自基部多分枝開(kāi)展的特點(diǎn)，在沙地挖溝，形成2 m×2 m網(wǎng)方格，溝深30 cm，人工將事先割好的50～60 cm高的一年生差巴嘎蒿枝條埋入溝中，使差巴嘎蒿梢頭露出地面20 cm。試驗(yàn)材料選用一年生差巴嘎蒿枝條，種植后依靠其自身生長(zhǎng)能力生長(zhǎng)。

(2)藥材種植。選擇耐旱藥材甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)進(jìn)行種植，種植前試驗(yàn)地塊均進(jìn)行人工整地，施農(nóng)家肥45 t/hm2，底肥為復(fù)合肥375 kg/hm2，深耕20 cm，在耕翻整平耙細(xì)以后，布設(shè)地下滴灌系統(tǒng)。5月下旬播種，采用條播方式，開(kāi)淺溝，覆薄土，覆土不能超過(guò)2 cm，并適當(dāng)鎮(zhèn)壓，播種量37.5～75 kg/hm2。當(dāng)土壤含水率低于2%時(shí)，立即灌溉，土壤含水率達(dá)到3.5%時(shí)停止灌溉。田間管理主要包括中耕除草和追肥，出苗前噴施乙草胺，消滅禾本科雜草，幼苗期采用人工除草。二年生以上甘草地采用人工與除草劑配合消滅雜草，做到田間無(wú)雜草；生育期內(nèi)每年施二銨300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2。

(3)花生種植?；ㄉN植前和藥材種植做同樣處理，種植后即進(jìn)行灌水，灌水量約180 m3/hm2，隨水施肥525～600 kg/hm2；5～6片葉時(shí)，施葉面肥，用量1.2 kg/hm2，團(tuán)棵期同樣施葉面肥一次；花期補(bǔ)充硼肥和鉬肥，用量約1.5 kg/hm2，盛花期再施葉面肥，用量1.9 kg/hm2。苗期和花期各進(jìn)行一次除草和滅蟲(chóng)。

(4)林草復(fù)合培育。通過(guò)引種篩選，灌木選擇檸條(CaraganakorshinskiiKom.)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)，牧草選用沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)，作為灌木草場(chǎng)的骨干植物。灌木的株行距為1 m×1 m，灌木林帶的帶距為10 m，灌木帶每隔50 m可斷開(kāi)5 m的缺口，以便散放牲畜的走動(dòng)和取食。

(5)草場(chǎng)培育。試驗(yàn)選用的牧草為沙打旺，種植時(shí)間選擇在風(fēng)害相對(duì)較輕的5月中下旬。試驗(yàn)選用的種子為早熟新品種，適宜在北方各地種植，播前清選除雜曬種。播種的形式為條播，壟距50～60 cm，播量22.5～30 kg/hm2，播深為2 cm，回土后壓實(shí)，播種時(shí)施用磷酸二銨300～450 kg/hm2。

2012年10月，試驗(yàn)區(qū)不同沙地修復(fù)技術(shù)持續(xù)應(yīng)用10年后，在各生態(tài)修復(fù)區(qū)域內(nèi)選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)用土鉆進(jìn)行土壤取樣，取樣深度為0—20 cm，同時(shí)在生態(tài)修復(fù)區(qū)相鄰無(wú)處理地塊以同樣方式取樣作為對(duì)照。所取樣本過(guò)篩保存，用于測(cè)定土壤各養(yǎng)分含量。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

pH值通過(guò)用酸度計(jì)測(cè)定水土比為5的浸提液測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱氧化，硫酸亞鐵反滴定法測(cè)定；土壤全氮采用濃硫酸消解，硫酸鉀-硫酸銅(10 ∶1)催化，半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4消解，鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀采用NaOH熔融，火焰光度計(jì)測(cè)定；堿解氮采用1 mol/L NaOH堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定。

常規(guī)數(shù)據(jù)整理由Excel 2003完成，單因素方差分析由SPSS 16.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值

不同處理土壤養(yǎng)分含量及pH值見(jiàn)表1。各處理土壤pH值相近，均在6.20～6.75之間，其中YC處理和HS處理較低，分別為6.25和6.20，LC處理和CK處理較高，分別達(dá)到6.75和6.65，不同處理土壤pH值如圖1所示。方差分析表明，風(fēng)沙土經(jīng)長(zhǎng)期人工種植修復(fù)(YC和HS)后，pH值較CK顯著降低，而封育后依靠自然力量恢復(fù)的SW、LC和CC處理，pH值與CK處理無(wú)顯著差異。這說(shuō)明長(zhǎng)期人為施肥可能是pH值變化的主要原因，并有著土壤酸化的趨勢(shì)，這與Guo等[7]的研究結(jié)論一致。

表1 不同處理土壤養(yǎng)分含量及pH值

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，不僅能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并保持其穩(wěn)定性，還是土壤微生物生命活動(dòng)所需能量的來(lái)源，其含量是土壤肥力的重要指標(biāo)[8]。表1和圖2表明，不同沙地生態(tài)修復(fù)模式均明顯提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中：YC處理有機(jī)質(zhì)最高，達(dá)到11.42 g/kg，是CK處理的8.7倍；CC處理其次；LC處理增長(zhǎng)相對(duì)較緩慢，但仍是CK處理的3.5倍。方差分析表明各處理有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK處理，其中YC處理顯著高于其他修復(fù)模式，LC處理顯著低于其他修復(fù)模式，SW、HS和CC處理之間差異不顯著。沙地在長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，土壤肥力得到提高，施加有機(jī)肥和作物根系的生長(zhǎng)代謝更有利于有機(jī)質(zhì)的積累[9-10]。

圖1 不同處理土壤pH值

注：圖中不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著差異(P<0.05)，下同。

圖2 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.3 土壤氮素含量

土壤中全氮含量取決于氮素輸入和輸出量的相對(duì)大小。在沙地生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，氮素的輸入主要依賴于施肥、植物殘?bào)w的歸還量和生物固氮，也有少部分來(lái)源于大氣干濕沉降[11]，輸出量則主要包括分解散失和淋洗損失。從表1和圖3(a)中可以看出，除SW處理全氮含量與CK處理相近外，其余各生態(tài)修復(fù)處理土壤全氮含量均較CK處理明顯增加， 增長(zhǎng)量大小順序?yàn)閅C>CC>HS>LC，這與各處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異相似，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)及全氮的消長(zhǎng)趨勢(shì)具有一致性[12]。方差分析表明CK處理與SW處理全氮含量差異不顯著，但顯著低于其他處理；YC處理全氮含量顯著高于其他處理；HS、LC和CC之間差異不顯著。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期施肥和作物的生物作用可使土壤中氮素輸入量大于輸出量，氮素在土壤中累積；而SW處理中，差巴嘎蒿固氮能力弱，且無(wú)施肥管理，僅靠自然封育力量，氮素累積緩慢。

圖3 不同處理土壤氮素含量

土壤堿解氮是反映土壤供氮水平的一個(gè)重要指標(biāo)。從表1和圖3(b)可看出，不同生態(tài)修復(fù)模式土壤堿解氮含量的差異與土壤有機(jī)質(zhì)含量及全氮含量的差異相似，風(fēng)沙土經(jīng)長(zhǎng)期修復(fù)后堿解氮含量均高出CK處理；以人工種植為主的YC和HS處理堿解氮含量分別為51.73、55.04 mg/kg，是CK的5.0～5.3倍；LC處理增長(zhǎng)相對(duì)較緩慢，仍達(dá)到CK的2.4倍。方差分析表明，YC和HS處理差異不顯著，兩者堿解氮含量均顯著高于其他處理，CK處理堿解氮含量顯著低于其他處理；SW和LC處理堿解氮含量差異不顯著，但均顯著低于CC處理。前人研究認(rèn)為土壤中堿解氮含量受有機(jī)質(zhì)積累和分解影響[13]，其氮含量和有機(jī)質(zhì)含量具有良好的相關(guān)性[14]，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，但同時(shí)可以看出，土壤堿解氮含量與施肥存在著密切的關(guān)系，YC和HS處理長(zhǎng)期施尿素和二銨等速效氮肥，一方面直接提高了土壤堿解氮含量，另一方面通過(guò)增加作物根茬、根系和根分泌物等使有機(jī)態(tài)氮增加[15]。

2.4 土壤磷素含量

磷是作物生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，同時(shí)也是土壤養(yǎng)分退化或重建過(guò)程的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要通過(guò)施肥、畜禽糞便及作物殘茬進(jìn)入土壤[16]。由圖4(a)可知，各處理全磷含量在長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)過(guò)程中均有提高，HS處理全磷含量最高，其次分別為YC、CC、LC、SW處理，分別較CK處理增長(zhǎng)159.1%、107.8%、76.9%、72.2%和56.0%。方差分析表明，CK處理土壤全氮含量顯著低于經(jīng)生態(tài)修復(fù)的土壤，不同生態(tài)修復(fù)模式之間，LC處理顯著低于YC和HS處理，其他各處理之間差異不顯著。即沙地土壤在人工種植作物修復(fù)模式下，通過(guò)長(zhǎng)期施加肥料和有機(jī)肥能有效地提高土壤全磷含量；林草或草場(chǎng)培育、生物網(wǎng)格修復(fù)等模式下由于缺少磷肥的輸入，全磷累積相對(duì)緩慢。

土壤速效磷是能直接為作物吸收利用的無(wú)機(jī)磷或小分子的有機(jī)磷組分，是表征土壤供磷能力、確定磷肥用量和農(nóng)田磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。不同生態(tài)修復(fù)模式長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)土壤速效磷含量如圖4(b)所示，YC和HS處理土壤速效磷含量達(dá)到25.0～26.0 mg/kg，是CK處理的3.6倍，而其他修復(fù)模式土壤速效磷含量與CK處理相近。方差分析表明YC和HS處理兩者之間差異不顯著，但均顯著高于其他處理，SW、LC和CC修復(fù)措施并沒(méi)有顯著改變土壤速效磷含量。這可能和磷很容易被鐵、鋁等固定的獨(dú)特理化性質(zhì)有關(guān)[17]，而在人工種植生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，一方面施入了大量速效態(tài)磷，另一方面有機(jī)肥料分解及腐殖質(zhì)化過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、酚基和羥基等抑制磷的固定，使土壤速效磷保持較高的水平[18]。

圖4 不同處理土壤磷素含量差異

2.5 土壤鉀素含量

土壤全鉀為土壤鉀素的總儲(chǔ)量，可以作為一個(gè)地區(qū)土壤鉀庫(kù)豐缺的判定指標(biāo)[19]。從圖5(a)中可以看出，沙地土壤經(jīng)不同生態(tài)修復(fù)模式長(zhǎng)期修復(fù)后，土壤全鉀含量與CK相比，并未發(fā)生明顯變化，含量均在15.10～17.13 g/kg之間，且各處理間差異均不顯著。這可能和地區(qū)土壤礦物特性有關(guān)[20]，梁成華等[19]研究表明，我國(guó)北方土壤普遍富含2 ∶1型黏土礦物，鉀素儲(chǔ)量豐富，且固鉀能力較強(qiáng)，因此鉀素釋放與固定的動(dòng)態(tài)平衡可能是試驗(yàn)區(qū)土壤全鉀變化不顯著的主要原因。

圖5 不同處理土壤鉀素含量差異

速效鉀是反映土壤實(shí)際供鉀水平的指標(biāo)，圖5(b)表明，不同處理土壤速效鉀含量相對(duì)CK處理均明顯提高，其中HS處理速效鉀含量最大，達(dá)到145.80 mg/kg，約是CK處理的4.9倍；其次分別為SW、CC、LC和YC處理，其中YC處理速效鉀含量是CK處理的2.5倍。方差分析表明，經(jīng)多年生態(tài)修復(fù)后，沙地土壤速效鉀含量均顯著高于CK處理，HS處理顯著高于其他修復(fù)方式，CC、LC和YC處理之間差異不顯著，但均顯著低于HS和SW處理。說(shuō)明不同植被對(duì)鉀素存在形式有較大影響，速效鉀含量受作物根系分布、根系生理活動(dòng)和根際微生物活動(dòng)等影響[21]。本試驗(yàn)中，長(zhǎng)期種植花生土壤供鉀水平最高，沙地植物(差巴嘎蒿、沙打旺)土壤供鉀能力其次，種植甘草土壤供鉀能力較低。

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)遼西北地區(qū)風(fēng)沙土壤進(jìn)行長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)在長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)作用下，風(fēng)沙土土壤養(yǎng)分逐漸發(fā)生變化，各養(yǎng)分因子的變化因種類和生態(tài)修復(fù)技術(shù)的不同而異。土壤pH值和全鉀含量變化較小，有機(jī)質(zhì)、氮、磷和速效鉀含量則有明顯提高。

(2)人工種植作物的修復(fù)方式有利于有機(jī)質(zhì)、氮、磷和速效鉀含量的增加，經(jīng)人工種植甘草修復(fù)10年后，風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量分別可達(dá)到11.42 g/kg、0.110 9 g/kg和25.46 mg/kg，而在人工種植花生的修復(fù)方式下，堿解氮、全磷和速效鉀含量最高，分別可達(dá)到55.04 mg/kg、0.127 2 g/kg和145.80 mg/kg；依靠自然修復(fù)能力的生物網(wǎng)方格固沙、林草復(fù)合培育和草場(chǎng)培育等修復(fù)技術(shù)，土壤養(yǎng)分含量增長(zhǎng)緩慢。

由此可見(jiàn)，采用圍欄人工種植的方式對(duì)風(fēng)沙土快速修復(fù)可有效地提高土壤肥力，為土壤植被的進(jìn)一步恢復(fù)提供了條件，但同時(shí)也可以看出，人工種植修復(fù)技術(shù)需要增施大量有機(jī)肥和進(jìn)行田間耕作管理等，投入大量的人力物力，而自然修復(fù)方式雖然土壤肥力提高緩慢，但投入少、維護(hù)要求低，在人口稀少、資源匱乏和經(jīng)濟(jì)條件落后的風(fēng)沙區(qū)仍是生態(tài)修復(fù)的重要方式之一。

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