竇超銀，孟維忠，孫 寧

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省沙漠化土地面積達54.96萬hm2，占全省土地面積的3.77%，主要分布在遼西北地區(qū)[1]，長期以來，受干旱和大風等惡劣環(huán)境影響，土地生產(chǎn)力下降，糧食產(chǎn)量低，使當?shù)剞r(nóng)民一直無法擺脫貧困，給地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)、生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展帶來了極大的危害。針對這一現(xiàn)狀，遼寧省自“十五”以來對遼西北荒漠化土地綜合治理進行了科技攻關(guān)，開展了多種沙地生態(tài)修復技術(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)修復技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用效果上，對技術(shù)長期應(yīng)用后土壤質(zhì)量變化的研究相對較少。尤其是土壤養(yǎng)分，不僅是植物生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是土壤各方面性質(zhì)的綜合反映。一方面，通過土壤養(yǎng)分的變化可以對生態(tài)修復技術(shù)進行技術(shù)評價和選擇，另一方面，通過對土壤養(yǎng)分含量的調(diào)查研究，可對生態(tài)修復技術(shù)進行優(yōu)化改進，從而提高技術(shù)的應(yīng)用效果，因此研究長期生態(tài)修復技術(shù)應(yīng)用對土壤養(yǎng)分的影響具有重要意義。我們在長期(2002—2012年)沙地生態(tài)修復工作的基礎(chǔ)上，對不同沙地生態(tài)修復技術(shù)長期應(yīng)用后土壤中養(yǎng)分含量的差異進行了研究，以期為沙地生態(tài)修復技術(shù)的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(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，屬溫帶半干旱季風氣候，其主要特征是干燥，風沙大。年平均氣溫6.1 ℃，平均濕度58%～59%，無霜期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；年平均風速3.7～4.2 m/s，最大風速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%。試驗區(qū)地下水埋深為1.5～2.8 m。

1.2 沙地生態(tài)修復方法

遼西北地區(qū)沙地生態(tài)修復始于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)上進行人工生態(tài)修復，人工栽培部分植物，依靠植物群落的自然修復能力來恢復植被，治理流動沙丘。試驗區(qū)用水泥樁、松木桿和刺線做成的圍欄進行圍封，總面積300 hm2，劃為流動沙丘、半流動沙丘、人工固定沙丘和丘間平地等多個地塊，其中流動沙丘內(nèi)根據(jù)生態(tài)修復技術(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)、林草復合培育區(qū)(LC)和草場培育區(qū)(CC)等5個區(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、木質(zhì)橫走、當年生枝、自基部多分枝開展的特點，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。試驗材料選用一年生差巴嘎蒿枝條，種植后依靠其自身生長能力生長。

(2)藥材種植。選擇耐旱藥材甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)進行種植，種植前試驗地塊均進行人工整地，施農(nóng)家肥45 t/hm2，底肥為復合肥375 kg/hm2，深耕20 cm，在耕翻整平耙細以后，布設(shè)地下滴灌系統(tǒng)。5月下旬播種，采用條播方式，開淺溝，覆薄土，覆土不能超過2 cm，并適當鎮(zhèn)壓，播種量37.5～75 kg/hm2。當土壤含水率低于2%時，立即灌溉，土壤含水率達到3.5%時停止灌溉。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。花生種植前和藥材種植做同樣處理，種植后即進行灌水，灌水量約180 m3/hm2，隨水施肥525～600 kg/hm2；5～6片葉時，施葉面肥，用量1.2 kg/hm2，團棵期同樣施葉面肥一次；花期補充硼肥和鉬肥，用量約1.5 kg/hm2，盛花期再施葉面肥，用量1.9 kg/hm2。苗期和花期各進行一次除草和滅蟲。

(4)林草復合培育。通過引種篩選，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5 m的缺口，以便散放牲畜的走動和取食。

(5)草場培育。試驗選用的牧草為沙打旺，種植時間選擇在風害相對較輕的5月中下旬。試驗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，播種時施用磷酸二銨300～450 kg/hm2。

2012年10月，試驗區(qū)不同沙地修復技術(shù)持續(xù)應(yīng)用10年后，在各生態(tài)修復區(qū)域內(nèi)選擇5個測點用土鉆進行土壤取樣，取樣深度為0—20 cm，同時在生態(tài)修復區(qū)相鄰無處理地塊以同樣方式取樣作為對照。所取樣本過篩保存，用于測定土壤各養(yǎng)分含量。

1.3 分析項目及方法

pH值通過用酸度計測定水土比為5的浸提液測定；有機質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱氧化，硫酸亞鐵反滴定法測定；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定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4消解，鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用NaOH熔融，火焰光度計測定；堿解氮采用1 mol/L NaOH堿解擴散法測定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計測定。

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，風沙土經(jīng)長期人工種植修復(YC和HS)后，pH值較CK顯著降低，而封育后依靠自然力量恢復的SW、LC和CC處理，pH值與CK處理無顯著差異。這說明長期人為施肥可能是pH值變化的主要原因，并有著土壤酸化的趨勢，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 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，不僅能促進土壤團聚體的形成并保持其穩(wěn)定性，還是土壤微生物生命活動所需能量的來源，其含量是土壤肥力的重要指標[8]。表1和圖2表明，不同沙地生態(tài)修復模式均明顯提高了土壤有機質(zhì)含量，其中：YC處理有機質(zhì)最高，達到11.42 g/kg，是CK處理的8.7倍；CC處理其次；LC處理增長相對較緩慢，但仍是CK處理的3.5倍。方差分析表明各處理有機質(zhì)含量均顯著高于CK處理，其中YC處理顯著高于其他修復模式，LC處理顯著低于其他修復模式，SW、HS和CC處理之間差異不顯著。沙地在長期生態(tài)修復過程中，土壤肥力得到提高，施加有機肥和作物根系的生長代謝更有利于有機質(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大小。在沙地生態(tài)修復過程中，氮素的輸入主要依賴于施肥、植物殘體的歸還量和生物固氮，也有少部分來源于大氣干濕沉降[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)修復處理土壤全氮含量均較CK處理明顯增加， 增長量大小順序為YC>CC>HS>LC，這與各處理間土壤有機質(zhì)含量差異相似，說明土壤有機質(zhì)及全氮的消長趨勢具有一致性[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，長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重要指標。從表1和圖3(b)可看出，不同生態(tài)修復模式土壤堿解氮含量的差異與土壤有機質(zhì)含量及全氮含量的差異相似，風沙土經(jīng)長期修復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處理增長相對較緩慢，仍達到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。前人研究認為土壤中堿解氮含量受有機質(zhì)積累和分解影響[13]，其氮含量和有機質(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，另一方面通過增加作物根茬、根系和根分泌物等使有機態(tài)氮增加[15]。

2.4 土壤磷素含量

磷是作物生長所必需的大量營養(yǎng)元素之一，同時也是土壤養(yǎng)分退化或重建過程的重要評價指標，主要通過施肥、畜禽糞便及作物殘茬進入土壤[16]。由圖4(a)可知，各處理全磷含量在長期生態(tài)修復過程中均有提高，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)修復的土壤，不同生態(tài)修復模式之間，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模式下，通過長期施加肥料和有機肥能有效地提高土壤全磷含量；林草或草場培育、生物網(wǎng)格修復等模式下由于缺少磷肥的輸入，全磷累積相對緩慢。

土壤速效磷是能直接為作物吸收利用的無機磷或小分子的有機磷組分，是表征土壤供磷能力、確定磷肥用量和農(nóng)田磷環(huán)境風險的重要指標。不同生態(tài)修復模式長期生態(tài)修復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到25.0～26.0 mg/kg，是CK處理的3.6倍，而其他修復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修復措施并沒有顯著改變土壤速效磷含量。這可能和磷很容易被鐵、鋁等固定的獨特理化性質(zhì)有關(guān)[17]，而在人工種植生態(tài)修復過程中，一方面施入了大量速效態(tài)磷，另一方面有機肥料分解及腐殖質(zhì)化過程中產(chǎn)生的有機酸、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量，可以作為一個地區(qū)土壤鉀庫豐缺的判定指標[19]。從圖5(a)中可以看出，沙地土壤經(jīng)不同生態(tài)修復模式長期修復后，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，我國北方土壤普遍富含2 ∶1型黏土礦物，鉀素儲量豐富，且固鉀能力較強，因此鉀素釋放與固定的動態(tài)平衡可能是試驗區(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際供鉀水平的指標，圖5(b)表明，不同處理土壤速效鉀含量相對CK處理均明顯提高，其中HS處理速效鉀含量最大，達到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。說明不同植被對鉀素存在形式有較大影響，速效鉀含量受作物根系分布、根系生理活動和根際微生物活動等影響[21]。本試驗中，長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

本研究通過對遼西北地區(qū)風沙土壤進行長期生態(tài)修復試驗，得到以下結(jié)論：

(1)在長期生態(tài)修復作用下，風沙土土壤養(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)修復技術(shù)的不同而異。土壤pH值和全鉀含量變化較小，有機質(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方式有利于有機質(zhì)、氮、磷和速效鉀含量的增加，經(jīng)人工種植甘草修復10年后，風沙土有機質(zhì)、全氮和速效磷含量分別可達到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方式下，堿解氮、全磷和速效鉀含量最高，分別可達到55.04 mg/kg、0.127 2 g/kg和145.80 mg/kg；依靠自然修復能力的生物網(wǎng)方格固沙、林草復合培育和草場培育等修復技術(shù)，土壤養(yǎng)分含量增長緩慢。

由此可見，采用圍欄人工種植的方式對風沙土快速修復可有效地提高土壤肥力，為土壤植被的進一步恢復提供了條件，但同時也可以看出，人工種植修復技術(shù)需要增施大量有機肥和進行田間耕作管理等，投入大量的人力物力，而自然修復方式雖然土壤肥力提高緩慢，但投入少、維護要求低，在人口稀少、資源匱乏和經(jīng)濟條件落后的風沙區(qū)仍是生態(tài)修復的重要方式之一。

[參考文獻]

[1] 李春龍,刁占峰,張素芬.遼西北沙漠化土地生態(tài)修復技術(shù)研究[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2009(6):40-41.

[2] 錢文勝.遼寧省土壤沙漠化治理使風沙南侵趨勢減緩[J].草業(yè)科學,2006,23(8):88.

[3] 王樹海.遼寧省荒漠化土地現(xiàn)狀及治理對策[J].防護林科技,2006(3):47-48.

[4] 高香玲.遼寧省治沙工程建設(shè)技術(shù)研究[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計,2006,29(6):38-41.

[5] 韓麗文,李祝賀,單學平,等.土地沙化與防沙治沙措施研究[J].水土保持研究,2005,12(5):210-213.

[6] 褚麗妹,葛巖,惠靜夷,等.聚丙烯酰胺促進沙化退化草場植被恢復效果研究[J].中國水土保持,2012(5):27-30,76.

[7] Guo J H,Liu X J,Zhang Y,et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science,2010,327:1008-1010.

[8] 王清奎,汪思龍,高洪,等.土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響[J].生態(tài)學雜志,2005,24(4):360-363.

[9] 文啟孝.我國土壤有機質(zhì)和有機肥料的研究現(xiàn)狀[J].土壤學報,1989,26(3):255-261.

[10] 楊揚,劉炳君,房江育,等.不同植茶年齡茶樹根際與非根際土壤微生物及酶活性特征研究[J].中國農(nóng)學通報,2011,27(27):118-121.

[11] 吳志祥,謝貴水,陶忠良,等.海南儋州不同林齡橡膠林土壤碳和全氮特征[J].生態(tài)環(huán)境學報,2009,18(4):1484-1491.

[12] 呂國紅,周莉,趙先麗,等.蘆葦濕地土壤有機碳和全氮含量的垂直分布特征[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2006,17(3):384-389.

[13] 施春健,莊秋麗,李琪,等.東北地區(qū)不同緯度農(nóng)田土壤堿解氮的剖面分布[J].生態(tài)學雜志,2007,26(4):501-504.

[14] Jiang Yong,Zhang Yu-ge,Liang Wen-ju,et al.Profile distribution and storage of soil organic carbon in an aquic brown soil as affected by land use[J].Agricultural Sciences in China,2005,4(3):199-206.

[15] 孫瑞蓮,朱魯生,趙秉強,等.長期施肥對土壤微生物的影響及其在養(yǎng)分調(diào)控中的作用[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2004,15(10):1907-1910.

[16] 楊玨,阮曉紅.土壤磷素循環(huán)及其對土壤磷流失的影響[J].土壤與環(huán)境,2001,10(3):256-258.

[17] 杜臻杰,陳效民,張佳寶,等.不同施肥處理下紅壤旱地速效磷時空變化及其影響因子[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,2009,32(4):112-115.

[18] 張亞麗,沈其榮,曹翠玉.有機肥料對土壤有機磷組分及生物有效性的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學學報,1998,21(3):59-63.

[19] 梁成華,魏麗萍,羅磊.土壤固鉀與釋鉀機制研究進展[J].地球科學進展,2002,17(5):679-684.

[20] 張鴻齡,梁成華,孫鐵珩.長期定位施肥對保護地土壤供鉀特性的影響[J].生態(tài)學雜志,2007,26(9):1339-1343.

[21] 邢素麗,劉孟朝,韓保文.12年連續(xù)施用秸稈和鉀肥對土壤鉀素含量和分布的影響[J].土壤通報,2007,38(3):486-490.