干旱區(qū)土地利用和土壤改良及植被恢復(fù)方式對沙地養(yǎng)分的恢復(fù)效應(yīng)

張 瑞，張景波，曹良圖

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實驗中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200）

土地退化是荒漠化的結(jié)果，土地退化包括①風(fēng)蝕和水蝕致使土壤物質(zhì)流失；②土壤的物理、化學(xué)和生物特性或經(jīng)濟(jì)特性退化；③自然植被長期喪失。它是荒漠化研究的核心問題。沙漠化是導(dǎo)致土地質(zhì)量與生產(chǎn)力下降的主要原因，而人類對土地資源的無序經(jīng)營加速了沙漠 化的進(jìn) 程［1－2］。研 究表明［3］：過牧 導(dǎo)致的沙漠化占30.1%，過度農(nóng)墾占26.9%，過度樵采占33.7%，水資源利用不當(dāng)占9.6%，工礦交通建設(shè)占10%。趙其國指出［4］，受上述因素影響，我國到21世紀(jì)初，人均耕地下降至0.1 hm2，林地0.11 hm2，草地0.25～0.26 hm2。隨著人類對土地利用強度的不斷增強，人為因子對土壤質(zhì)量的演化起著越來越重要的作用，并成為決定土壤肥力發(fā)展方向的基本動力之一［5］。在1998年第16屆國際土壤學(xué)會大會上，土地荒漠化可逆性問題已成為人們關(guān)注的熱點問題之一［6］。退化土地的恢復(fù)與重建技術(shù)，已成為當(dāng)前急待研究的課題。為了揭示人為活動與改變沙漠景觀，恢復(fù)土地生產(chǎn)系統(tǒng)能力，以中國林科院沙漠林業(yè)實驗中心為基地開展本項研究，旨在探索沙漠化土地恢復(fù)和重建的可行性和有效性，研究人類生產(chǎn)經(jīng)營活動和土地資源利用方式對沙漠化土地恢復(fù)的影響和調(diào)控機理。

1 研究區(qū)自然概況

試驗區(qū)設(shè)在中國林科院磴口沙漠實驗中心。試區(qū)地處烏蘭布和沙漠東北緣，位于106°46′E，40°28′N，海拔1 044～1 061 m，屬荒漠與干草原的過渡地帶。氣候特征為：年平均氣溫6.8～7.6℃，≥10℃積溫3 002～3 221℃，太陽總輻射643.5 kJ／cm2，無霜期130～170 d；年降水量105～144.6 mm，年蒸發(fā)量2 110.8～2 966 mm，相對濕度47%；主風(fēng)向西北風(fēng)，≥8級大風(fēng)日數(shù)7.9～28.3 d，年沙塵暴日數(shù)20.0 d，年揚塵日數(shù)79.6 d，全年40%的揚塵日數(shù)和大風(fēng)日數(shù)及60%的沙塵暴日數(shù)集中于春季年大風(fēng)日數(shù)16.5 d。

試區(qū)東臨黃河，位于內(nèi)蒙古河套平原的西南。原始荒漠區(qū)下伏地面為古河床沖積平原，地貌呈現(xiàn)流動沙丘，壟狀半固定沙丘，灌叢沙堆，黏質(zhì)土平地和風(fēng)蝕洼地相間分布的特征。沙丘高一般為1～3 m，個別高達(dá)5 m以上。土壤為發(fā)育在沖積―湖積型成土母質(zhì)及風(fēng)積型母質(zhì)上的漠鈣土，可分為松沙質(zhì)漠鈣土、沙壤質(zhì)漠鈣土及黏沙壤典型漠鈣土3種類型。表層土以沙為主，中下層土壤以黏土和漠鈣土相間分布。地下水埋深5 m左右。植被以荒漠植被占主導(dǎo)地位，以旱生及超旱生沙生灌木或半灌木為主。主要優(yōu)勢種 有 白 刺 （NitrariatangutorumBobr.）、霸 王（ZygophyllumxanthoxylonMaxim.）、油 蒿 （ArtemisiaordosicaKrasch.）、沙竹（Psamochloavillosa）、貓頭刺（Oxytropisaciphyllavar.gracilis）等。

人工綠洲開發(fā)前為固定、半固定沙丘相間分布的風(fēng)沙地貌，現(xiàn)已形成完整的以林為主的農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)。

2 研究方法

2.1 土地利用類型對沙地土壤肥力的恢復(fù)效應(yīng)

對人工綠洲內(nèi)各土地利用類型，按隨機抽樣布點，分別選取3塊樣地進(jìn)行養(yǎng)分分析，各剖面分3層取土樣（0－25，25－60，60－120 cm），制成混合土樣，剔除雜物風(fēng)干后，測定有機質(zhì)、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K，有機質(zhì)采用丘林法測定，全氮用凱氏法，速效氮用堿解擴(kuò)散法，全磷用硫酸－高氯酸消煮－鉬銻抗比色法，速效磷用0.5 mol／L碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法，全鉀用酸溶－火焰光度計法，速效鉀用醋酸銨浸提－火焰光度計法。以3個樣方的平均值進(jìn)行比較研究。

2.2 灌木薪炭林對沙化土地的改土效應(yīng)

試驗樹種為沙棘、花棒、楊柴。采用1年生苗造林，栽植密度1 m×2 m，小區(qū)面積0.7 hm2，各樹種重復(fù)3次，共計9個小區(qū)，總面積6.3 hm2。每年灌水2次。于造林前和造林后第5年分別在9個固定樣地內(nèi)選取土樣，各剖面分3層取土樣（0－30，30－60，60－100 cm），測定有機質(zhì)、全 N、速效P和速效K，測定方法同上。采用9個樣方的算術(shù)平均值進(jìn)行對比分析。

2.3 種植綠肥對沙化地土壤肥力的恢復(fù)能力

供試材料為苜蓿、沙打旺和草木樨，在沙丘推平后，試驗小區(qū)按隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積0.2 hm2，各重復(fù)3次，于5月中旬進(jìn)行撒播，每1 hm2播種量為15～22.5 kg，淺耙1次后隨后澆水，在出苗7～10 d后再澆1次水，3種植物的出苗率均在65%以上。達(dá)到試驗要求。我們分別于綠肥播種前和播種5 a后采用隨機取樣的方法對土壤進(jìn)行了分層取樣（0－20，20－40，40－60，60－80，80－100 cm），測定有機質(zhì)含量、全N、全P、全K、速效N、速效P和速效K，土壤樣品分析方法同上。采用5層測定值的平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.4 荒漠沙地封育后不同植物群落類型對土壤肥力的影響

圍欄封沙育草試驗地面積為150 hm2（1 500 m×1 000 m）。共設(shè)立8個土壤觀測固定樣地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m×20 m，在封育7 a后對土壤進(jìn)行取樣分析，各剖面分5層取樣（10，30，50，70，100 cm），測定有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀。土樣分析方法同上。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型對沙地土壤肥力的恢復(fù)效應(yīng)

土地利用方式影響土壤的功能和性質(zhì)［7］。研究表明，在沙化土地的恢復(fù)和重建過程中，由于人類對土地的開發(fā)利用方式和經(jīng)營強度的不同，其恢復(fù)和提高沙化土地肥力的作用是不同的（表1）。由表1看出，各土地利用類型的土壤營養(yǎng)元素含量排序均為全K＞有機質(zhì)＞全P＞全N，表明該地區(qū)土壤富含K素，N素極低，P素不足的特點；各土地利用類型的土壤各項養(yǎng)分含量均大大高于荒漠沙地，說明沙化土地肥力在人類合理的干預(yù)下是可以得到恢復(fù)的；按有機質(zhì)、全氮、速效氮3項指標(biāo)排序依次為草木樨玉米草田輪作地＞苜蓿地＞玉米套種小麥地＞小美旱防護(hù)林地＞籽瓜農(nóng)地＞小美旱用材林地＞蘋果地＞荒漠沙地；從上述結(jié)果可以看出，在農(nóng)業(yè)耕作制度中，其改土培肥效應(yīng)以草田輪作最高，農(nóng)作物套種次之，農(nóng)作物單種最低；在荒漠沙地開發(fā)利用上，種植農(nóng)作物較果樹更有利于保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境；在荒漠沙地上植樹，不僅可以防風(fēng)固沙，而且還能夠改良土壤，提高土壤肥力，其營造方式以防護(hù)林最佳；土壤全氮和速效氮含量以牧草地最高，分別是其它地類的2.59～1.64倍和1.67～1.07倍 （荒漠沙地除外），針對該地區(qū)土壤氮素極度貧乏的狀況，在沙地開發(fā)利用初期應(yīng)種植牧草，以加速沙地土壤肥力的恢復(fù)和提高。據(jù)估算［8］，1年生苜蓿固定到土壤中的N約為35～305 kg／hm，高于其它農(nóng)作物地和天然草場，應(yīng)作為沙地開發(fā)的首選固氮植物。

表1 各土地利用類型土壤肥力比較

3.2 灌木薪炭林對沙化土地的改土效應(yīng)

薪材是生物能源，是我國主要能源之一。它不僅是我國農(nóng)村生活用能的主要來源，也是西北沙區(qū)防治沙漠化的主要手段之一。在防風(fēng)固沙的同時肩負(fù)著改良土壤的重任。研究表明，在荒漠沙地上營造灌木薪炭林，5年后其沙地土壤肥力得到有效的恢復(fù)和改善（圖1）。由圖1看出，沙地造林前30，60，100 cm土壤有機質(zhì)分別為2.116，2.276，1.743 g／kg，造林后（5 a）分別增至2.886，2.598，3.171 g／kg，分別提高了36.38%、14.15%、81.93%；造林前全 N 分 別為0.166，0.209，0.177 g／kg，造林后（5 a）分別增至0.255，0.249，0.195 g／kg，分 別 提 高 53.62%、19.14%、10.17%；速 效 P 分 別 提 高 52.89%、48.78%、46.46%；速效 K 除了30 cm 提高21.05%外，而60，100 cm卻分別下降了5.26%和11.75%，這可能與薪炭林的消耗和新陳代謝及礦化物的轉(zhuǎn)化速率有關(guān)。從營養(yǎng)元素的分布結(jié)構(gòu)上看，造林前后也有所差異，造林前有機質(zhì)最高值分布在60 cm土層，造林后則分布于100 cm土層；全N最高值前者分布在中層，后者分布于表層；速效P前者分布在表層，后者分布于表層；速效K前者分布在表層和中層，而后者呈自上而下遞減規(guī)律，這顯然與林木根系生長發(fā)育過程有關(guān)。

3.3 種植綠肥對沙化地土壤肥力的恢復(fù)能力

烏蘭布和沙漠東北緣流動沙地具有黃灌條件，但是由于沙地保水保肥能力差，土壤貧瘠成為該地區(qū)土地開發(fā)利用的主要限制因子。因此改良土壤是該地區(qū)首要解決的問題。種植綠肥則是改良沙地土壤的重要措施。研究表明，3種綠肥植物均有改善和提高沙化土地肥力的作用。由圖2看出，種植綠肥5年后，苜蓿地土壤有機質(zhì)、全N、全P、速效N、速效P、速效 K分別增加了4.755，0.022，0.201 g／kg、8.12，5.3，15.0 mg／kg；沙打旺地分別增加16.121，0.101，0.070 g／kg、10.34，1.6，19.6 mg／kg；草木樨地分別增加1.556，0.362，0.663 g／kg、9.79，0.9，9.0 mg／kg；從增肥效果來看，3種綠肥各不相同，沙打旺對有機質(zhì)、速效N、速效K的增效優(yōu)于苜蓿和草木樨；草木樨對全N、全P的增效優(yōu)于沙打旺和苜蓿；苜蓿對速效P的增效優(yōu)于沙打旺和草木樨；值得注意的是，3種綠肥的全K含量均出現(xiàn)下降規(guī)律，即苜蓿、沙打旺和草木樨分別降低47.891，34.707，43.474 g／kg，這可能與植物對養(yǎng)分的吸收有關(guān)，據(jù)測定［9］，3種綠肥的莖葉和根系的含鉀量均高于含磷量。也有試驗表明（我國南方和北方長期多點定位試驗），在不施鉀肥或少施鉀肥的情況下，土壤速效鉀一般均有不同程度的下降［10］。由上述結(jié)果可以看出沙打旺的增肥效應(yīng)最好，草木樨次之，苜蓿最差。

圖1 沙土種植薪炭林前后土壤養(yǎng)分變化情況

圖2 綠肥種植前后土壤養(yǎng)分變化情況

3.4 荒漠沙地封育后不同植物群落類型對土壤肥力的影響

圍欄封沙育草是恢復(fù)沙地植被和改良沙地土壤的有效途徑。研究表明（表2），不同植物群落類型的土壤肥力存在差異。白刺＋沙蒿群落土壤的有機質(zhì)、速效N和速效K含量最高，與沙蒿和白刺群落相比，前者分別是后者的1.22，1.68，1.83和1.43，1.22，1.06倍；與同類型的沙蒿＋沙竹和小花棘豆＋沙蒿群落相比，前者分別是后者的1.39，1.48，1.30和1.57，2.10，1.18倍；沙蒿＋沙竹與沙竹群落相比，前者分別是后者的1.76，1.13和1.34倍；小花棘豆＋沙蒿與小花棘豆群落相比，前者分別是后者的1.17，1.17和1.31倍。從以上結(jié)果可以看出，復(fù)種群落的土壤肥力優(yōu)于單種群落，但從速效P來看，除沙蒿外，其它單種植物群落的速效P含量均高于同類復(fù)種群落，其原因不明，有待研究。

表2 封育7年后不同植物群落的土壤肥力比較

土壤中氮和磷是植物必需的大量元素。研究表明，氮磷比在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要意義［11］，土壤氮／磷比的變化與植物密度的變化密切相關(guān)，并且是干旱區(qū)油蒿群落演替的原因之一［12］。本試驗結(jié)果表明（圖3），氮磷比由高到低依次排序為白刺＋沙蒿（5.04）＞沙蒿＋沙竹（4.47）＞沙蒿（3.94）＞沙竹（3.41）＞小花棘豆＋沙蒿（3.16）＞白刺（3.03）＞小花棘豆（2.43），其變化趨勢與前所述一致。由圖3看出，各植物群落間的土壤磷素變化相對較?。?.15～0.09 mg／kg），而氮素變化相對較大（0.75～0.23 mg／kg）。可以認(rèn)為氮磷比的高低主要取決于氮素水平，而氮素水平與植物的多樣性有關(guān)，即對同一個植物種而言，單種植物群落的土壤含氮量低于復(fù)種植物群落。由此說明氮素是影響植物群落演替的原因之一。

圖3 不同植物群落的氮磷比

4 結(jié)論

（1）該地區(qū)土壤氮素貧乏，磷素不足，富含鉀素；各土地利用方式在人類合理的干預(yù)下，可以使沙化土地的肥力得到恢復(fù)和提高；在農(nóng)業(yè)耕作制度中，其改土培肥效應(yīng)以草田輪作最高，農(nóng)作物套種次之，農(nóng)作物單種最低，草田輪作是以高產(chǎn)高效可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)牧結(jié)合耕作制度，該模式即可注重經(jīng)濟(jì)效益，又能保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用；在荒漠沙地上種植農(nóng)作物較果樹更有利于保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境；在荒漠沙地上造林，應(yīng)以防護(hù)林為主，不宜營造大規(guī)模楊樹速生豐產(chǎn)林；針對該地區(qū)土壤氮素極度貧乏的狀況，在沙地開發(fā)利用初期應(yīng)種植牧草，以加速沙地土壤肥力的恢復(fù)和提高。

（2）在沙地上營造灌木薪炭林，不僅可以為農(nóng)牧民提供生活能源，而且也能起到改良貧瘠沙地的功效。

（3）種植綠肥是改良沙地土壤的重要措施，3種綠肥植物均可有效的提高沙化土地肥力。沙打旺對有機質(zhì)、速效N、速效K的增效優(yōu)于苜蓿和草木樨，草木樨對全N、全P的增效優(yōu)于沙打旺和苜蓿，苜蓿對速效P的增效優(yōu)于沙打旺和草木樨，從增肥的綜合效果比較，沙打旺最好，草木樨次之，苜蓿最差。

（4）圍欄封沙育草是恢復(fù)沙地植被和改良沙地土壤的既經(jīng)濟(jì)又有效的方式。不同植物群落類型對沙地土壤改良效果有所不同，多植物群落優(yōu)于單一植物群落。土壤氮磷比由高到低依次排序為白刺＋沙蒿＞沙蒿＋沙竹＞沙蒿＞沙竹＞小花棘豆＋沙蒿＞白刺＞小花棘豆，土壤氮磷比的高低主要取決于氮素水平，而氮素水平與植物的多樣性有關(guān)。

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