龐營軍, 屈建軍, 陳懷順, 謝勝波, 肖建華

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000; 3.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 臨澤內(nèi)陸河流域研究站, 甘肅 蘭州 730000)

雅魯藏布江江當(dāng)寬谷區(qū)固沙措施對流沙理化性質(zhì)的改良效應(yīng)

龐營軍1, 屈建軍2, 陳懷順3, 謝勝波2, 肖建華2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000; 3.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 臨澤內(nèi)陸河流域研究站, 甘肅 蘭州 730000)

[目的] 分析雅魯藏布江江當(dāng)寬谷區(qū)流沙治理技術(shù)(礫石覆蓋+人工植被+圍封)對流沙理化性質(zhì)的改良效應(yīng)，為區(qū)域荒漠化治理工作提供理論指導(dǎo)。 [方法] 對比分析固沙區(qū)和流動沙丘土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分等指標(biāo)開展研究。 [結(jié)果] 采用植物和工程相結(jié)合的固沙措施，在流沙表面覆蓋礫石、播種固沙植物，并對該區(qū)域進(jìn)行圍封后，沙丘表面植被蓋度增加，流沙基本固定。與流動沙丘相比，固沙區(qū)土壤的黏粒、粉粒明顯增多。固沙區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀含量比流動沙丘高；尤其是土壤表層0—5 cm，分別比流動沙丘高出634.3%，268.0%，506.5%，38.3%，343.8%，66.7%。固沙區(qū)0—5 cm土層的pH值比流動沙丘降低了11.5%；電導(dǎo)率比流動沙丘增加了268.1%。 [結(jié)論] 該項(xiàng)流沙治理技術(shù)(礫石覆蓋+人工植被+圍封)的固沙和改良土壤理化性質(zhì)作用明顯，適宜在該區(qū)推廣使用。

雅魯藏布江; 礫石覆蓋; 流沙; 改良

雅魯藏布江流域中上游地區(qū)土壤發(fā)育程度低，氣候干旱多風(fēng)，凍融侵蝕和水力侵蝕為風(fēng)沙災(zāi)害的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，土地沙漠化嚴(yán)重[1]；尤其是河流寬谷地區(qū)，河流相、洪積相、坡積相等沙質(zhì)沉積物豐富，相對平坦的地形為風(fēng)沙堆積提供了有利場所，河谷風(fēng)沙地貌發(fā)育廣泛[2]。植物固沙措施不僅能增加地表粗糙度，降低風(fēng)速，消弱與抑制風(fēng)沙流活動；而且固沙植物發(fā)達(dá)的根系能固結(jié)周圍的沙粒，枯枝落葉等的堆積能增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)成土作用，使流沙趨于固定[3]。植被和土壤是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，兩者相互依存相互制約。固沙植物對流沙理化性質(zhì)的影響，不僅是風(fēng)沙工程學(xué)的主要研究內(nèi)容，同時也是恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。由于流沙表面沙物質(zhì)移動性強(qiáng)，而固沙植物種子或者幼苗生存能力弱，所以在實(shí)施植被固沙措施以前通常需要提前布設(shè)工程防沙措施，發(fā)揮防風(fēng)固沙效益，同時保護(hù)固沙植物成長。礫石覆蓋作為一種古老的抗旱栽培措施，廣泛應(yīng)用于甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和陜西省的部分干旱地區(qū)。近些年，也被廣泛用于各種風(fēng)沙防治工程，例如莫高窟風(fēng)沙防護(hù)工程[4]、青藏鐵路風(fēng)沙防護(hù)工程[5]等。國內(nèi)外學(xué)者就礫石覆蓋對水分入滲、蒸發(fā)以及土壤理化性質(zhì)的影響[6-7]，也開展了大量的研究工作。本文旨在研究植物與工程措施相結(jié)合的流動沙丘固沙技術(shù)及圍欄封育對流沙機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分等的影響，定量評估該流沙治理技術(shù)對流沙理化性質(zhì)的改良效應(yīng)，為該地區(qū)的荒漠化治理工作提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)日喀則市江當(dāng)鄉(xiāng)境內(nèi)318國道旁的雅魯藏布江中游寬谷區(qū)。該區(qū)年均氣溫6.7 ℃，年均空氣濕度5.13 mb，年降雨469.9 mm，年蒸發(fā)量2 068.6 mm。年平均風(fēng)速1.47 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向西南；年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級)19 d[8]。該區(qū)主要天然植被有砂生槐(Sophoramoorcroftiana)、藏沙蒿(Artemisiawellbyi)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、固沙草(Orinusthoroldii)等。

1.2 研究方法：

1996年，選擇河流階地上的一個新月形沙丘(29°20′26″N，89°21′12″E)，在該沙丘上撒播油蒿、花棒和檸條種子，并用礫石覆蓋沙丘表面。2013年5月，該沙丘已經(jīng)變?yōu)榱斯潭ㄉ城?，植被覆蓋度約30%左右；此時該沙丘上生長最多的是鄉(xiāng)土植物砂生槐，也存活有少量人工種植的油蒿、花棒和檸條。同時，選取附近的一個未采用固沙措施的流動新月形沙丘(29°20′21″N，89°21′4″E)作為對照。在該固沙區(qū)和流動沙丘的迎風(fēng)坡中部分別隨機(jī)選取3個采樣點(diǎn)挖掘剖面，在0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm處取樣品約500 g；固沙區(qū)和流動沙丘對應(yīng)層位的3個樣品分別混合成1個樣品。

使用馬爾文激光粒度儀測定土壤機(jī)械組成；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮采用半微量開氏法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；全磷采用H2SO4-HClO4法；速效磷用NaHCO3提取法；全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法；速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法[9]。pH值以1∶2.5土水比懸液，電導(dǎo)率以1∶5土水比懸液，使用德產(chǎn)Multi-line F/SET-3分析儀直接測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械組成

研究區(qū)流動沙丘固定后，0—40 cm土層的黏粒、粉粒明顯增多；且黏粒和粉粒隨土壤深度增加而逐漸減少(表1)。主要是由于沙丘經(jīng)礫石覆蓋和植被恢復(fù)后，沙丘表面風(fēng)速減弱，大量風(fēng)積物堆積、沉降在土壤表層，使其細(xì)物質(zhì)組分增多；而土壤下層雖然不受風(fēng)的影響，但由于大氣降水的滲透和植物地下部分的參與，使下層土壤機(jī)械組成發(fā)生相應(yīng)改變[10-11]。

2.2 有機(jī)質(zhì)

由圖1可以看出，流動沙丘的有機(jī)質(zhì)含量垂直方向差異較小，各土層有機(jī)質(zhì)含量變化區(qū)間為1.32～1.61 g/kg。固沙區(qū)0—40 cm土層中有機(jī)質(zhì)含量從表層向底部逐漸遞減，其中0—5 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量最高，為10.11 g/kg；30—40 cm 土層的有機(jī)質(zhì)含量最低，為1.72 g/kg。

固沙區(qū)0—40 cm土層的有機(jī)質(zhì)平均含量為3.71 g/kg，約是流動沙丘的2.6倍，其中固沙區(qū)0—5 cm土層的有機(jī)質(zhì)是流動沙丘的7.3倍。土壤有機(jī)質(zhì)的來源主要包括微生物、植物、動物和人類活動。固沙區(qū)植被的殘落物和根系為土壤提供了大量有機(jī)質(zhì)來源，導(dǎo)致其土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于流沙區(qū)。

表1 固沙區(qū)和流動沙丘的機(jī)械組成 %

圖1 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤有機(jī)質(zhì)對比

2.3 全氮和堿解氮

由圖2可以看出，流動沙丘0—5 cm土層的全氮含量最少，僅為0.19 g/kg；5—40 cm土層的全氮含量略高，變化區(qū)間為0.23～0.25 g/kg。固沙區(qū)0—5 cm土層的全氮含量最高，為0.70 g/kg；5—40 cm土層的全氮含量顯著減少，變化區(qū)間為0.22～0.27 g/kg。固沙區(qū)的0—10 cm土層的全氮含量比流動沙丘對應(yīng)深度土層高，其中0—5 cm土層的全氮含量比流動沙丘高268.0%，而5—10 cm土層僅比流動沙丘高10.5%。固沙區(qū)10—30 cm土層的全氮含量比流動沙丘略低。

圖2 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤全氮對比

圖3表明，流動沙丘30—40 cm土層的堿解氮含量最高，為10.5 mg/kg；10—20 cm土層的堿解氮含量最低為5.9 mg/kg。整體來看，固沙區(qū)的堿解氮隨著深度增加而逐漸減少；其中0—5 cm土層的堿解氮含量最高，為38.2 mg/kg；30—40 cm土層的堿解氮含量最少，為7.6 mg/kg。

固沙區(qū)30—40 cm土層的堿解氮含量比流動沙丘略低；其余各土層都比流動沙丘高。固沙區(qū)0—5 cm的堿解氮含量是流動沙丘的6.1倍；5—10，10—20，20—30 cm的堿解氮含量分別是流動沙丘對應(yīng)層次1.5，1.7，1.8倍。

圖3 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤堿解氮對比

土壤中的氮最初主要來自于母質(zhì)，隨著土壤的發(fā)育外源氮素輸入逐漸增多，主要來源于生物固氮和大氣干濕氮沉降，少量來源于閃電的高能固氮[12]；除此之外，土壤有機(jī)質(zhì)的分解、生物殘?bào)w的降解以及根系分泌物等也是土壤氮素輸入的重要部分[13]。固沙區(qū)的礫石和植物能減少土壤風(fēng)蝕，固定降塵，滯留在土壤內(nèi)的大氣氮沉降量增多。此外，固沙區(qū)植物生長發(fā)育過程中的枯枝落葉等，一方面可以促進(jìn)微生物活動，從而提高土壤固定大氣中氣態(tài)氮的水平；另一方面其在微生物、土壤酶等作用下的降解也可以為土壤提供直接的氮素來源。固沙區(qū)堿解氮含量高于流動沙丘的最主要原因可能是有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)態(tài)氮的氨化和硝化作用速率快。

2.4 全磷和速效磷分析

由圖4可以看出，流動沙丘的全磷含量隨深度增加逐漸增大；但20—30 cm土層例外，其全磷含量最低，僅為0.63 g/kg。固沙區(qū)0—40 cm土層的全磷含量大致上隨土壤深度增加而逐漸減小，與流動沙丘的變化趨勢相反；其中0—5 cm土層的全磷含量最高，為0.94 g/kg。

固沙區(qū)0—30 cm土層的全磷含量比流動沙丘約高18.8%；而30—40 cm土層的全磷含量比流動沙丘低14.3%。

圖4 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤全磷對比

圖5表明，流動沙丘0—40 cm土層的速效磷含量垂直方向上沒有明顯的變化規(guī)律；其中20—30 cm土層的速效磷含量最高，為15.01 mg/kg；5—10 cm土層的的速效磷含量最低，為5.84 mg/kg。固沙區(qū)0—40 cm土層的速效磷含量自地表向下先減少后增加；10—20 cm土層的速效磷含量最低，僅為4.70 mg/kg；0—5 cm土層的速效磷含量最高，為40.67 mg/kg。

固沙區(qū)0—5，5—10，30—40 cm土層的速效磷含量分別比流動沙丘對應(yīng)深度土層高343.8%，94.1%和117.1%。而固沙區(qū)10—20 cm土層的速效磷含量比流動沙丘低38.8%；20—30 cm土層的速效磷含量與流動沙丘差異較小。

該固沙區(qū)和流動沙丘的成土母質(zhì)背景相同，但固沙區(qū)植被生長發(fā)育過程中從土壤中吸收大量的磷元素，而植物的枯枝落葉會在土壤表層累積，增加了土壤有機(jī)質(zhì)；而土壤有機(jī)磷一般會隨有機(jī)質(zhì)的增加而增加[14]，因此導(dǎo)致固沙區(qū)0—20 cm土層的全磷高于流沙區(qū)。土壤中速效磷的含量與土壤全磷含量、土壤微生物、土壤酸堿度和電導(dǎo)率等密切相關(guān)[15]。固沙區(qū)0—20 cm土層的全磷含量明顯高于流沙區(qū)，而5—20 cm土層的速效磷并沒有明顯增加，這一定程度上說明土層全磷含量高，有效磷未必就含量高；因此今后的流沙治理工作，還應(yīng)適當(dāng)注意創(chuàng)造磷元素有效化的條件。

圖5 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤速效磷對比

2.5 全鉀和速效鉀分析

圖6表明，流動沙丘、固沙區(qū)各土層的全鉀含量垂直方向上差異都較小。其中，流動沙丘0—5 cm土層的全鉀含量最高，為19.0 g/kg；30—40 cm土層的全鉀含量最少，僅為17.0 g/kg。固沙區(qū)除5—10 cm土層的全鉀含量為17.0 g/kg，其余各層全鉀含量都為18.0 g/kg。

固沙區(qū)0—5，5—10 cm土層的全鉀含量比流動沙丘分別低5.3%，5.6%；30—40 cm土層的全鉀含量比流動沙丘約高5.9%。10—20，20—30 cm土層的全鉀含量和流動沙丘一致。土壤中的鉀主要以礦物鉀的形態(tài)存在，而有機(jī)質(zhì)的鉀含量一般低于礦物質(zhì)，因此，土壤中有機(jī)質(zhì)的增加對土壤礦物鉀有“稀釋效應(yīng)”[16]。

固沙區(qū)表層0—10 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量大大高于流動沙丘，有機(jī)質(zhì)對土壤礦物鉀的“稀釋效應(yīng)”應(yīng)該是固沙區(qū)0—10 cm土層的全鉀含量低于流動沙丘的主要原因。

圖6 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤全鉀對比

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，固沙區(qū)和流動沙丘的速效鉀含量都隨土壤深度增加而逐漸減小。流動沙丘0—5 cm土層的全鉀含量最高，為90.0 mg/kg，30—40 cm土層的全鉀含量最低，為60.0 mg/kg。固沙區(qū)0—5 cm土層的全鉀含量最高，為150 mg/kg；30—40 cm土層的全鉀含量最低，為70.0 mg/kg。

固沙區(qū)各層土壤速效鉀含量都比流動沙丘高，0—40 cm土層的平均速效鉀含量比流動沙丘高38.9%。固沙區(qū)0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層的速效鉀含量分別比流動沙丘對應(yīng)土層高66.7%，42.9%，28.6%，28.6%，16.7%。土壤速效鉀以交換性鉀為主，交換作用的強(qiáng)弱主要受交換性鉀的吸附位置、黏粒礦物種類、陪伴離子和鉀飽和度等影響[15]。固沙區(qū)土層有機(jī)質(zhì)和黏粒含量高，有機(jī)質(zhì)和黏粒對鉀有較好的保持和儲存作用，能促進(jìn)土壤鉀的交換作用，因而能提高土壤中的速效鉀含量[16-17]。此外，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的有機(jī)酸以及根系分泌物等也能促進(jìn)土壤礦物鉀的釋放[18]。

圖7 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤速效鉀對比

2.6 pH值和電導(dǎo)率分析

由圖8可知，流動沙丘0—40 cm范圍內(nèi)各層的pH值垂直方向上差異較小，介于9.06～9.17之間，表明該流動沙丘土壤呈強(qiáng)堿性。固沙區(qū)0—5 cm土層的pH值最小，為8.04，呈微堿性；其余各層pH值差異較小，介于8.95～9.02之間，呈強(qiáng)堿性。

固沙區(qū)0—5 cm土層的pH值比流動沙丘降低了11.5%；其余各土層的pH值比流動沙丘略小。這主要是因?yàn)楣躺硡^(qū)的枯枝落葉較多，其分解產(chǎn)生有機(jī)酸，一定程度上能降低土壤pH值[19]。除此之外，固沙區(qū)植物根系呼吸產(chǎn)生的CO2溶于水生成的碳酸，也會降低土壤pH值[15]。

由圖9知，流動沙丘0—40 cm范圍內(nèi)土層的電導(dǎo)率垂直方向上差異較小，介于109.2～125.5 μS/cm之間。固沙區(qū)0—5 cm土層的電導(dǎo)率為462.0 μS/cm，明顯大于其余各層；其余各層的電導(dǎo)率介于114.1～122.2 μS/cm之間。

圖8 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘pH值對比

固沙區(qū)0—5 cm土層的電導(dǎo)率明顯大于流動沙丘，是流動沙丘的的3.7倍。固沙區(qū)5—40 cm土層的電導(dǎo)率和流動沙丘差異較??；5—10，20—30，30—40 cm土層的電導(dǎo)率比流動沙丘略大，差值介于2.1和13.0 μS/cm之間；10—20 cm土層的電導(dǎo)率比流動沙丘略小，差值為1.5 μS/cm。

固沙區(qū)0—5 cm土層的電導(dǎo)率比流動沙丘高的原因主要與植物殘落物中的可溶性鹽的積累和沉積有關(guān)[20]。

圖9 研究區(qū)固沙區(qū)和流動沙丘土壤電導(dǎo)率對比

3 結(jié) 論

(1) 采用植物和工程相結(jié)合的固沙措施，在流沙表面覆蓋礫石、播種固沙植物，并對該區(qū)域進(jìn)行圍封后，沙丘表面植被蓋度增加，流沙基本固定。雅魯藏布江流域礫石資源豐富，因此，該流沙治理技術(shù)適宜在該區(qū)推廣使用。

(2) 與流動沙丘相比，固沙區(qū)土壤的機(jī)械組成得到了改善，黏粒、粉粒明顯增多。

(3) 與流動沙丘相比，固沙區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀含量明顯增高；尤其是土壤表層0—5 cm，分別比流動沙丘高出634.3%，268.0%，506.5%，38.3%，343.8%，66.7%。

(4) 與流動沙丘相比，固沙區(qū)土壤表層0—5 cm土層的pH值降低了11.5%；土壤電導(dǎo)率增加了268.1%。

(5) 本研究中流沙理化性質(zhì)的改善，是礫石覆蓋和地表植被共同作用的結(jié)果，但無法定量區(qū)分其作用大小。因此，應(yīng)該加強(qiáng)該方面研究，以更好地評估防沙治沙措施的效益，為區(qū)域荒漠化防治提供指導(dǎo)。

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Improvement Effects of Sand Fixing Measures on Shifting-sand Physical and Chemical Properties in Jiandang Wide Valley Area of Yarlung Zangbo River

PANG Yingjun1, QU Jianjun2, CHEN Huaishun3, XIE Shengbo2, XIAO Jianhua2

(1.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China; 2.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou，Gansu730000,China; 3.LinzeInlandRiverBasinResearchStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China)

[Objective] Analyzing the responses of shifting-sand physical and chemical properties improvement to sand control technologies(gravel cover+artificial vegetation+enclosure) in Jiandang wide valley area of Yarlung Zangbo River, to provide theoretical guidance for regional desertification control. [Methods] Soil mechanical composition, organic matter and nutrients, etc. were comparatively analyzed between the samples of the sand fixed region and the ones of the mobile sand dune. [Results] After combined plantation and engineering measures were applied, such as gravel laying over the mobile dune surface，sand-fix-capable plant seeds sowing and enclosing, the sand of dune surface was fixed and the vegetation cover increased. As compared with the mobile sand dune, the contents of clay and silt particles increased significantly. The contents of soil organic matter, total nitrogen, alkaline hydrolytic nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and potassium in sand fixed region were higher than those of the corresponding values of mobile sand dune. Especially in 0—5 cm soil layer, greater improvements of 634.3 %，268.0 %，506.5 %，38.3 %，343.8 %，66.7 % of the fixed dune were obtained against the ones of the mobile sand dune, respectively. pH value at 0—5 cm soil layer in sand fixed region decreased by 11.5 % in comparison with the one of the mobile sand dune; whereas the value of conductivity at 0—5 cm soil layer in sand fixed region increased by 268.1 % than the value of the mobile sand dune. [Conclusion] The sand control technologies(gravel cover+artificial vegetation+enclosure) obviously fixed mobile sand and improved the soil physical and chemical properties, and were suitable for popularization and application in these region.

Yarlung Zangbo River; gravel mulch; shifting sand; improvement

2016-02-25

2016-03-22

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“青藏鐵路沿線沙害成因機(jī)制與分布規(guī)律”(201504401-3); 中國博士后科學(xué)資助項(xiàng)目(2015T81069); 鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G027-D)

龐營軍(1984—),男(漢族),河北省邯鄲市人,助研,主要從事荒漠化治理方面的研究。E-mail:pangyingjun@caf.ac.cn。

屈建軍(1959—),男(漢族),陜西省高陵縣人,博士，研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事風(fēng)沙地貌與風(fēng)沙工程研究。E-mail:qujianj@lzb.ac.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.012

A

1000-288X(2016)06-0067-06

S156.5

文獻(xiàn)參數(shù)： 龐營軍, 屈建軍, 陳懷順, 等.雅魯藏布江江當(dāng)寬谷區(qū)固沙措施對流沙理化性質(zhì)的改良效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：067-072.