不同生态修复技术长期应用对风沙土土壤养分的影响

窦超银，孟维忠，孙 宁

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

辽宁省沙漠化土地面积达54.96万hm2，占全省土地面积的3.77%，主要分布在辽西北地区[1]，长期以来，受干旱和大风等恶劣环境影响，土地生产力下降，粮食产量低，使当地农民一直无法摆脱贫困，给地区的经济建设、生态环境和社会发展带来了极大的危害。针对这一现状，辽宁省自“十五”以来对辽西北荒漠化土地综合治理进行了科技攻关，开展了多种沙地生态修复技术的研究，并取得一系列成果[2-6]。但目前研究多集中在生态修复技术的创新和应用效果上，对技术长期应用后土壤质量变化的研究相对较少。尤其是土壤养分，不仅是植物生长发育所需要的营养物质，也是土壤各方面性质的综合反映。一方面，通过土壤养分的变化可以对生态修复技术进行技术评价和选择，另一方面，通过对土壤养分含量的调查研究，可对生态修复技术进行优化改进，从而提高技术的应用效果，因此研究长期生态修复技术应用对土壤养分的影响具有重要意义。我们在长期(2002—2012年)沙地生态修复工作的基础上，对不同沙地生态修复技术长期应用后土壤中养分含量的差异进行了研究，以期为沙地生态修复技术的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于辽宁西北部的阿尔乡镇北甸子村，地处科尔沁沙地南缘，东、西、北三面与内蒙古科左后旗毗邻，属温带半干旱季风气候，其主要特征是干燥，风沙大。年平均气温6.1 ℃，平均湿度58%～59%，无霜期154 d；多年平均降水量为307 mm，多年平均蒸发量1 777.6～1 783.4 mm；降水量年内分布不均，夏季降水量占全年降水量的66%以上；年平均风速3.7～4.2 m/s，最大风速24 m/s，干燥系数1.0～1.8，沙暴天气10～15 d，主要出现于春季。土壤为风沙土，干容重1.69 g/cm3，土壤颗粒粒径主要分布在0.075—2 mm之间，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颗粒占1.8%。有机质含量为0.66 g/kg，碱解氮为7.2 mg/kg，速效磷为1.7 mg/kg，速效钾为19.1 mg/kg，全氮为0.026 g/kg，田间持水率为6.32%，饱和持水率为16.88%。试验区地下水埋深为1.5～2.8 m。

1.2 沙地生态修复方法

辽西北地区沙地生态修复始于2002年，根据辽西北沙地的自然状况，在采取大面积围栏封育措施的基础上进行人工生态修复，人工栽培部分植物，依靠植物群落的自然修复能力来恢复植被，治理流动沙丘。试验区用水泥桩、松木杆和刺线做成的围栏进行围封，总面积300 hm2，划为流动沙丘、半流动沙丘、人工固定沙丘和丘间平地等多个地块，其中流动沙丘内根据生态修复技术划分为生物网方格固沙区(SW)、药材种植区(YC)、花生种植区(HS)、林草复合培育区(LC)和草场培育区(CC)等5个区域，每块面积为10～15 hm2。具体技术措施如下：

(1)生物网方格固沙。利用差巴嘎蒿(ArtemisiahalodendronTurcz.)根茎发达、木质横走、当年生枝、自基部多分枝开展的特点，在沙地挖沟，形成2 m×2 m网方格，沟深30 cm，人工将事先割好的50～60 cm高的一年生差巴嘎蒿枝条埋入沟中，使差巴嘎蒿梢头露出地面20 cm。试验材料选用一年生差巴嘎蒿枝条，种植后依靠其自身生长能力生长。

(2)药材种植。选择耐旱药材甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)进行种植，种植前试验地块均进行人工整地，施农家肥45 t/hm2，底肥为复合肥375 kg/hm2，深耕20 cm，在耕翻整平耙细以后，布设地下滴灌系统。5月下旬播种，采用条播方式，开浅沟，覆薄土，覆土不能超过2 cm，并适当镇压，播种量37.5～75 kg/hm2。当土壤含水率低于2%时，立即灌溉，土壤含水率达到3.5%时停止灌溉。田间管理主要包括中耕除草和追肥，出苗前喷施乙草胺，消灭禾本科杂草，幼苗期采用人工除草。二年生以上甘草地采用人工与除草剂配合消灭杂草，做到田间无杂草；生育期内每年施二铵300 kg/hm2、尿素150 kg/hm2。

(3)花生种植。花生种植前和药材种植做同样处理，种植后即进行灌水，灌水量约180 m3/hm2，随水施肥525～600 kg/hm2；5～6片叶时，施叶面肥，用量1.2 kg/hm2，团棵期同样施叶面肥一次；花期补充硼肥和钼肥，用量约1.5 kg/hm2，盛花期再施叶面肥，用量1.9 kg/hm2。苗期和花期各进行一次除草和灭虫。

(4)林草复合培育。通过引种筛选，灌木选择柠条(CaraganakorshinskiiKom.)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)，牧草选用沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)，作为灌木草场的骨干植物。灌木的株行距为1 m×1 m，灌木林带的带距为10 m，灌木带每隔50 m可断开5 m的缺口，以便散放牲畜的走动和取食。

(5)草场培育。试验选用的牧草为沙打旺，种植时间选择在风害相对较轻的5月中下旬。试验选用的种子为早熟新品种，适宜在北方各地种植，播前清选除杂晒种。播种的形式为条播，垄距50～60 cm，播量22.5～30 kg/hm2，播深为2 cm，回土后压实，播种时施用磷酸二铵300～450 kg/hm2。

2012年10月，试验区不同沙地修复技术持续应用10年后，在各生态修复区域内选择5个测点用土钻进行土壤取样，取样深度为0—20 cm，同时在生态修复区相邻无处理地块以同样方式取样作为对照。所取样本过筛保存，用于测定土壤各养分含量。

1.3 分析项目及方法

pH值通过用酸度计测定水土比为5的浸提液测定；有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热氧化，硫酸亚铁反滴定法测定；土壤全氮采用浓硫酸消解，硫酸钾-硫酸铜(10 ∶1)催化，半微量凯氏定氮法测定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4消解，钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用NaOH熔融，火焰光度计测定；碱解氮采用1 mol/L NaOH碱解扩散法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度计测定。

常规数据整理由Excel 2003完成，单因素方差分析由SPSS 16.0完成。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

不同处理土壤养分含量及pH值见表1。各处理土壤pH值相近，均在6.20～6.75之间，其中YC处理和HS处理较低，分别为6.25和6.20，LC处理和CK处理较高，分别达到6.75和6.65，不同处理土壤pH值如图1所示。方差分析表明，风沙土经长期人工种植修复(YC和HS)后，pH值较CK显著降低，而封育后依靠自然力量恢复的SW、LC和CC处理，pH值与CK处理无显著差异。这说明长期人为施肥可能是pH值变化的主要原因，并有着土壤酸化的趋势，这与Guo等[7]的研究结论一致。

表1 不同处理土壤养分含量及pH值

2.2 土壤有机质

土壤有机质是土壤的重要组成部分，不仅能促进土壤团聚体的形成并保持其稳定性，还是土壤微生物生命活动所需能量的来源，其含量是土壤肥力的重要指标[8]。表1和图2表明，不同沙地生态修复模式均明显提高了土壤有机质含量，其中：YC处理有机质最高，达到11.42 g/kg，是CK处理的8.7倍；CC处理其次；LC处理增长相对较缓慢，但仍是CK处理的3.5倍。方差分析表明各处理有机质含量均显著高于CK处理，其中YC处理显著高于其他修复模式，LC处理显著低于其他修复模式，SW、HS和CC处理之间差异不显著。沙地在长期生态修复过程中，土壤肥力得到提高，施加有机肥和作物根系的生长代谢更有利于有机质的积累[9-10]。

图1 不同处理土壤pH值

注：图中不同小写字母表示在0.05水平上有显著差异(P<0.05)，下同。

图2 不同处理土壤有机质含量

2.3 土壤氮素含量

土壤中全氮含量取决于氮素输入和输出量的相对大小。在沙地生态修复过程中，氮素的输入主要依赖于施肥、植物残体的归还量和生物固氮，也有少部分来源于大气干湿沉降[11]，输出量则主要包括分解散失和淋洗损失。从表1和图3(a)中可以看出，除SW处理全氮含量与CK处理相近外，其余各生态修复处理土壤全氮含量均较CK处理明显增加， 增长量大小顺序为YC>CC>HS>LC，这与各处理间土壤有机质含量差异相似，说明土壤有机质及全氮的消长趋势具有一致性[12]。方差分析表明CK处理与SW处理全氮含量差异不显著，但显著低于其他处理；YC处理全氮含量显著高于其他处理；HS、LC和CC之间差异不显著。由此可见，长期施肥和作物的生物作用可使土壤中氮素输入量大于输出量，氮素在土壤中累积；而SW处理中，差巴嘎蒿固氮能力弱，且无施肥管理，仅靠自然封育力量，氮素累积缓慢。

图3 不同处理土壤氮素含量

土壤碱解氮是反映土壤供氮水平的一个重要指标。从表1和图3(b)可看出，不同生态修复模式土壤碱解氮含量的差异与土壤有机质含量及全氮含量的差异相似，风沙土经长期修复后碱解氮含量均高出CK处理；以人工种植为主的YC和HS处理碱解氮含量分别为51.73、55.04 mg/kg，是CK的5.0～5.3倍；LC处理增长相对较缓慢，仍达到CK的2.4倍。方差分析表明，YC和HS处理差异不显著，两者碱解氮含量均显著高于其他处理，CK处理碱解氮含量显著低于其他处理；SW和LC处理碱解氮含量差异不显著，但均显著低于CC处理。前人研究认为土壤中碱解氮含量受有机质积累和分解影响[13]，其氮含量和有机质含量具有良好的相关性[14]，本研究结果与前人研究结果一致，但同时可以看出，土壤碱解氮含量与施肥存在着密切的关系，YC和HS处理长期施尿素和二铵等速效氮肥，一方面直接提高了土壤碱解氮含量，另一方面通过增加作物根茬、根系和根分泌物等使有机态氮增加[15]。

2.4 土壤磷素含量

磷是作物生长所必需的大量营养元素之一，同时也是土壤养分退化或重建过程的重要评价指标，主要通过施肥、畜禽粪便及作物残茬进入土壤[16]。由图4(a)可知，各处理全磷含量在长期生态修复过程中均有提高，HS处理全磷含量最高，其次分别为YC、CC、LC、SW处理，分别较CK处理增长159.1%、107.8%、76.9%、72.2%和56.0%。方差分析表明，CK处理土壤全氮含量显著低于经生态修复的土壤，不同生态修复模式之间，LC处理显著低于YC和HS处理，其他各处理之间差异不显著。即沙地土壤在人工种植作物修复模式下，通过长期施加肥料和有机肥能有效地提高土壤全磷含量；林草或草场培育、生物网格修复等模式下由于缺少磷肥的输入，全磷累积相对缓慢。

土壤速效磷是能直接为作物吸收利用的无机磷或小分子的有机磷组分，是表征土壤供磷能力、确定磷肥用量和农田磷环境风险的重要指标。不同生态修复模式长期生态修复土壤速效磷含量如图4(b)所示，YC和HS处理土壤速效磷含量达到25.0～26.0 mg/kg，是CK处理的3.6倍，而其他修复模式土壤速效磷含量与CK处理相近。方差分析表明YC和HS处理两者之间差异不显著，但均显著高于其他处理，SW、LC和CC修复措施并没有显著改变土壤速效磷含量。这可能和磷很容易被铁、铝等固定的独特理化性质有关[17]，而在人工种植生态修复过程中，一方面施入了大量速效态磷，另一方面有机肥料分解及腐殖质化过程中产生的有机酸、酚基和羟基等抑制磷的固定，使土壤速效磷保持较高的水平[18]。

图4 不同处理土壤磷素含量差异

2.5 土壤钾素含量

土壤全钾为土壤钾素的总储量，可以作为一个地区土壤钾库丰缺的判定指标[19]。从图5(a)中可以看出，沙地土壤经不同生态修复模式长期修复后，土壤全钾含量与CK相比，并未发生明显变化，含量均在15.10～17.13 g/kg之间，且各处理间差异均不显著。这可能和地区土壤矿物特性有关[20]，梁成华等[19]研究表明，我国北方土壤普遍富含2 ∶1型黏土矿物，钾素储量丰富，且固钾能力较强，因此钾素释放与固定的动态平衡可能是试验区土壤全钾变化不显著的主要原因。

图5 不同处理土壤钾素含量差异

速效钾是反映土壤实际供钾水平的指标，图5(b)表明，不同处理土壤速效钾含量相对CK处理均明显提高，其中HS处理速效钾含量最大，达到145.80 mg/kg，约是CK处理的4.9倍；其次分别为SW、CC、LC和YC处理，其中YC处理速效钾含量是CK处理的2.5倍。方差分析表明，经多年生态修复后，沙地土壤速效钾含量均显著高于CK处理，HS处理显著高于其他修复方式，CC、LC和YC处理之间差异不显著，但均显著低于HS和SW处理。说明不同植被对钾素存在形式有较大影响，速效钾含量受作物根系分布、根系生理活动和根际微生物活动等影响[21]。本试验中，长期种植花生土壤供钾水平最高，沙地植物(差巴嘎蒿、沙打旺)土壤供钾能力其次，种植甘草土壤供钾能力较低。

3 结 论

本研究通过对辽西北地区风沙土壤进行长期生态修复试验，得到以下结论：

(1)在长期生态修复作用下，风沙土土壤养分逐渐发生变化，各养分因子的变化因种类和生态修复技术的不同而异。土壤pH值和全钾含量变化较小，有机质、氮、磷和速效钾含量则有明显提高。

(2)人工种植作物的修复方式有利于有机质、氮、磷和速效钾含量的增加，经人工种植甘草修复10年后，风沙土有机质、全氮和速效磷含量分别可达到11.42 g/kg、0.110 9 g/kg和25.46 mg/kg，而在人工种植花生的修复方式下，碱解氮、全磷和速效钾含量最高，分别可达到55.04 mg/kg、0.127 2 g/kg和145.80 mg/kg；依靠自然修复能力的生物网方格固沙、林草复合培育和草场培育等修复技术，土壤养分含量增长缓慢。

由此可见，采用围栏人工种植的方式对风沙土快速修复可有效地提高土壤肥力，为土壤植被的进一步恢复提供了条件，但同时也可以看出，人工种植修复技术需要增施大量有机肥和进行田间耕作管理等，投入大量的人力物力，而自然修复方式虽然土壤肥力提高缓慢，但投入少、维护要求低，在人口稀少、资源匮乏和经济条件落后的风沙区仍是生态修复的重要方式之一。

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