葛佩琳, 王凌云, 莫明浩, 段 劍

(江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330029)

土地沙漠化是當(dāng)前全球廣泛關(guān)注的重大環(huán)境與資源問題之一，我國風(fēng)沙活動(dòng)區(qū)十分廣泛，在干旱、半干旱甚至半濕潤和濕潤地區(qū)均有分布[1-2]。我國南方濕潤地區(qū)的土地沙化問題，在成因、分布范圍、治理及開發(fā)利用途徑上，與北方干旱地區(qū)有所不同，在水蝕、風(fēng)蝕和人為因素共同作用下出現(xiàn)了“水鄉(xiāng)沙漠”的特殊景觀[3]。鄱陽湖作為我國第一大淡水湖泊，在維系長(zhǎng)江水量平衡和生態(tài)安全方面發(fā)揮著十分重要的作用。但鄱陽湖地區(qū)屬于水土流失易發(fā)區(qū)[4]，近代以來，受各種因素影響，鄱陽湖地區(qū)沙化較為嚴(yán)重，主要分布于濱湖地區(qū)及“五河”尾閭區(qū)[5]。隨著沙地不斷向外蔓延，嚴(yán)重影響該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

流動(dòng)沙丘是鄱陽湖濱湖地區(qū)沙丘固定和植被恢復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。沙漠治理的成功經(jīng)驗(yàn)表明，沙障不僅是控制流沙的主要措施，更是恢復(fù)植被的重要先導(dǎo)措施和必要條件，在沙地生態(tài)恢復(fù)中起著積極作用[6]。流動(dòng)沙丘固定效果和植被恢復(fù)較好的為機(jī)械沙障和生物沙障固沙[7]。鄱陽湖沙地雖然生態(tài)環(huán)境惡劣，但因其屬亞熱帶濕潤氣候，水熱條件十分優(yōu)越，生物物質(zhì)積累過程還是非常快的。因此，合理的布設(shè)沙障措施有助于使脆弱的流動(dòng)沙地快速恢復(fù)到較為穩(wěn)定的自然生態(tài)系統(tǒng)。目前，對(duì)沙障種類的環(huán)境適應(yīng)性及其阻沙固沙效果的研究日益增多[8-12]，但不同類型沙障對(duì)土壤改良效果的比較研究還尚顯不足。因此，研究鄱陽湖濱湖地區(qū)不同類型沙障對(duì)流動(dòng)沙丘土壤水分和養(yǎng)分特征的影響，篩選出適宜該地區(qū)沙地生態(tài)恢復(fù)的措施及材料，對(duì)遏制沙化土地的蔓延和發(fā)展，指導(dǎo)土壤改良以及推進(jìn)生態(tài)鄱陽湖流域建設(shè)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖濱沙地地處亞熱帶濕潤地區(qū)，在全國及江西省水土保持區(qū)劃中屬于鄱陽湖丘崗平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)[13]。主要分布在鄱陽湖周邊、贛江及撫河中下游，長(zhǎng)江沿岸及修水、信江沿岸的河流階地、河漫灘及古河床上[14]。選擇在本區(qū)域有典型代表性的省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理縣——都昌縣[15]多寶沙山作為研究區(qū)，位于鄱陽湖入江洪道右岸，位于116°03′—116°07′E和29°21′—29°27′N，海拔46.4～242.9 m，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，受鄱陽湖大水體影響，雨量豐沛，日照充足。沙山多年平均降雨量1 400～1 900 mm，蒸發(fā)量1 774～1 890 mm，年平均氣溫17.4℃，最高氣溫42℃，年均風(fēng)速為2.9～3.8 m/s，大風(fēng)天氣多出現(xiàn)在冬春兩季，主風(fēng)向?yàn)槲鞅毕?。自然土壤以紅壤和黃棕壤為主，在風(fēng)力作用下退化為風(fēng)沙土，土壤結(jié)構(gòu)松散，養(yǎng)分含量低，保水保肥能力差[16]。流動(dòng)沙丘最靠近湖濱，植被覆蓋率低于10%。優(yōu)勢(shì)植物類群主要為薔薇科(Rosaceae)、蝶形花科(Papilionaceae)、菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)植物，其中，單葉蔓荊(Vitextrigoliavar.simplicifolia)、算盤子(Glochidionpuberum)和假儉草(Eremochloaophiuroides)、知風(fēng)草(Eragrastisferruginea)等植物是本區(qū)的主要建群和先鋒植物，單葉蔓荊是沙地上優(yōu)勢(shì)的固沙先鋒植物[17]。

2 材料與方法

2.1 材料

按照就地取材原則以及考慮區(qū)域植被特點(diǎn)等因素，選擇玉米秸稈和單葉蔓荊作為布置沙障的材料。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇坡度、高度和坡向等立地條件較為一致的流動(dòng)沙丘作為沙障試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)沙丘高8～15 m，沙丘走向?yàn)楸逼骷s30°。設(shè)置單葉蔓荊沙障、玉米秸稈沙障試驗(yàn)區(qū)和裸露對(duì)照區(qū)。各試驗(yàn)區(qū)間隔20 m以上的距離，以保證各試驗(yàn)區(qū)之間互不影響，土壤化學(xué)性質(zhì)背景值詳見表1。

表1 不同類型沙障試驗(yàn)區(qū)土壤背景值

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單葉蔓荊沙障所用插條為1～2 a生的健壯枝條，在秋季進(jìn)行扦插，將長(zhǎng)約30 cm的枝條梢端進(jìn)行切除，剩下部分截成每枝50 cm長(zhǎng)。將單葉蔓荊枝條粗的一端呈45°斜插入沙層深45～50 cm，枝條地上出露約5 cm，填沙踩實(shí)。以株行距0.6 m×1 m的規(guī)格栽植，選擇陰雨天氣，當(dāng)天扦插全部完成，成活率達(dá)85%，保存率為95%。玉米秸稈沙障的布設(shè)是將玉米秸稈埋入土深30 cm，出露地面20 cm。兩種沙障的布設(shè)形式均為田字形方格，方格間距均為2 m×2 m，布設(shè)的坡位為坡腳，垂直于主風(fēng)向。裸露對(duì)照區(qū)為立地條件一致的裸露流動(dòng)沙丘，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積均為20 m×30 m，設(shè)置3組重復(fù)。沙障布設(shè)時(shí)間為2014年9月。

2.3 采樣方法

沙障試驗(yàn)布設(shè)2 a后，對(duì)單葉蔓荊沙障、玉米秸稈沙障與裸露對(duì)照區(qū)的0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層進(jìn)行土壤采樣，分析不同材料沙障對(duì)沙地土壤含水率和化學(xué)性質(zhì)的影響，評(píng)估不同類型沙障的土壤改良效應(yīng)。具體為：利用土壤水分儀(PR2)對(duì)土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，采用對(duì)角線法多點(diǎn)采集不同沙障試驗(yàn)區(qū)的土壤樣品，并帶回室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)分析，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)3個(gè)重復(fù)。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定；全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用鋁銻比色法測(cè)定；堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；速效磷的測(cè)定采用NaHCO3鉬銻比色法[18]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在Excel和SPSS 22.0軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤含水率的影響

土壤水分狀況是沙地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)因素，決定著沙地土壤的發(fā)生、演化和土地生產(chǎn)力。圖1為玉米秸稈、單葉蔓荊沙障和裸露對(duì)照區(qū)內(nèi)0—60 cm不同層次土壤含水量分析結(jié)果。與裸露對(duì)照比較，玉米沙障內(nèi)不同土壤層次土壤含水率沒有明顯變化，在4.71%～6.72%范圍內(nèi)變化；單葉蔓荊沙障在0—20 cm，20—40 cm，0—60 cm層次土壤含水率有所提高，達(dá)到顯著差異(p<0.05，下同)，增幅5.75%～18.05%。同時(shí)兩種沙障土壤含水率在也在0—20 cm，20—40 cm，0—60 cm土壤層次表現(xiàn)出顯著差異。說明沙地0—60 cm土壤含水率隨土層深度的增加而增加；玉米秸稈沙障對(duì)于土壤含水率無明顯作用效果；除40—60 cm深層土壤外，單葉蔓荊沙障對(duì)于土壤含水率的提高具有顯著效果。因此，從提高沙地土壤含水率的角度看，單葉蔓荊沙障效果明顯，而玉米秸稈沙障無明顯效果，或者說在改善土壤蓄水能力方面，單葉蔓荊沙障的時(shí)效性比玉米秸稈沙障要快。

注：不同小寫字母表示在同一土壤層次不同試驗(yàn)處理之間差異顯著(p<0.05)，下同。
圖1 不同類型沙障對(duì)不同層次土壤含水率的影響

3.2 對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤抗蝕性強(qiáng)弱和評(píng)價(jià)土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)土壤持水供水能力、孔隙度及團(tuán)聚度等物理性質(zhì)有重要影響。從玉米秸稈和單葉蔓荊沙障內(nèi)不同層次土壤有機(jī)質(zhì)含量的分析結(jié)果(圖2)，可看出兩種沙障內(nèi)0—20 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是裸露對(duì)照的3.62，22.24倍，說明兩種沙障對(duì)表土均具有顯著的改良效果，單葉蔓荊沙障的改良效果更好；而在20—40 cm，40—60 cm深層次土壤中，有機(jī)質(zhì)含量未表現(xiàn)出顯著差異。這可能是布設(shè)沙障后增加了地表粗糙度，增加了植物枯枝落葉的滯留性，尤其單葉蔓荊沙障枯落物和根系對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加起著重要作用。因此，從有機(jī)質(zhì)含量角度看，玉米秸稈沙障和單葉蔓荊沙障對(duì)深層土壤無明顯作用，對(duì)表層土壤均具有明顯的改良效果，但單葉蔓荊沙障效應(yīng)程度更大，其增幅是玉米秸稈沙障的6.14倍。

圖2 不同類型沙障對(duì)不同層次土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

3.3 對(duì)土壤氮、磷含量的影響

由兩種沙障的土壤養(yǎng)分含量分析結(jié)果(圖3)可知玉米秸稈沙障對(duì)土壤全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量均無明顯作用；單葉蔓荊沙障除對(duì)土壤全氮無明顯作用外，能有效提高全磷、堿解氮和速效磷的含量。兩種沙障對(duì)于0—20 cm表層土壤養(yǎng)分含量的影響規(guī)律是一致的，即單葉蔓荊沙障具有顯著的改良效果，其全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量分別是裸露對(duì)照的2.47，3.58，8.14，8.86倍，而玉米秸稈沙障無明顯作用效果。兩種沙障在20—40 cm層次土壤全氮、全磷和速效磷含量上有一定的變化，但經(jīng)方差分析，未達(dá)到顯著性差異；土壤堿解氮含量則表現(xiàn)為單葉蔓荊沙障差異顯著，玉米秸稈沙障無明顯作用。兩種沙障對(duì)40—60 cm層次土壤的全氮含量無明顯作用，土壤全磷、堿解氮和速效磷含量則表現(xiàn)出與0—20 cm層次土壤類似的規(guī)律。因此，從土壤養(yǎng)分改良的角度看，單葉蔓荊沙障的改良效應(yīng)程度顯著大于玉米秸稈沙障。

圖3 不同類型沙障對(duì)沙地不同層次土壤養(yǎng)分的影響

4 討 論

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，單葉蔓荊與裸沙丘土壤表層的含水量存在顯著差異，說明單葉蔓菁對(duì)土壤表層含水量有較大影響，有利于增加沙地土壤表層的水分含量。王明明等[19]認(rèn)為土壤水分動(dòng)態(tài)變化除了受土壤性質(zhì)、地下水、氣候及降水等環(huán)境因素影響外，與地表植被覆蓋密切相關(guān)。一方面，試驗(yàn)區(qū)所在的鄱陽湖濱湖地區(qū)由于屬亞熱帶濕潤氣候，不同于干旱、半干旱地區(qū)的氣候特征，具有雨量豐沛，日照充足的特殊氣候特點(diǎn)，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下單葉蔓荊茂密的枝葉可遮擋地面，當(dāng)覆蓋度達(dá)45%時(shí)有效減少地表水分蒸發(fā)。其次，單葉蔓荊繁茂的葉片形成的枯落物在地表形成致密的覆蓋層也是減少表土蒸發(fā)的原因。由于蔓荊根系特別發(fā)達(dá)，最長(zhǎng)根長(zhǎng)可達(dá)1.6 m，植物根系對(duì)水分的吸收和蒸騰作用主要發(fā)生在較深層土壤中，在綜合作用下0—40 cm土層水分含量變化劇烈，但又能保持相對(duì)較高的含水量，這與王明明[19]、李鳳英[20]等試驗(yàn)結(jié)果也一致，在沙地中種植蔓荊、馬尾松等3種植被對(duì)0—40 cm土壤有效持水量均比荒草地高，蔓荊作為先鋒植物，有利于提高表層土壤的有效持水量和沙地土壤水分的改善。此外，觀測(cè)后期發(fā)現(xiàn)假儉草、知風(fēng)草以及苔蘚類生物入侵，沙地表面逐漸產(chǎn)生了新生的地表結(jié)皮現(xiàn)象，以及單葉蔓荊對(duì)土壤氮、磷等養(yǎng)分含量全面提升后，土壤化學(xué)性能的改善使土質(zhì)結(jié)構(gòu)從松散變得緊實(shí)，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體形成，這些均是提高土壤含水量的可能原因。

兩種沙障對(duì)0—20 cm表土均具有顯著的改良效果，一方面是由于沙障在一定程度上對(duì)風(fēng)沙流、氣流中攜帶的有機(jī)碎屑等營養(yǎng)成分進(jìn)行攔截沉積，增加了土壤細(xì)顆粒和有機(jī)質(zhì)含量。其次，沙障本身的凋落物在分解后也會(huì)增加土壤養(yǎng)分含量。左長(zhǎng)青等[21]研究表明，單葉蔓菁根系非常發(fā)達(dá)，呈網(wǎng)狀分布，2 a生單葉蔓荊根幅能達(dá)到1.1 m2，最長(zhǎng)根長(zhǎng)可達(dá)1.6 m。單葉蔓荊密集的根網(wǎng)不僅可固結(jié)流沙，還可增加土壤孔隙度，根系的活動(dòng)及分泌物能加強(qiáng)土壤微生物的活動(dòng)，從而提高了土壤理化性能。

本研究?jī)H對(duì)沙障設(shè)置初期的土壤含水率變化進(jìn)行了研究，而對(duì)于沙障的布設(shè)方式、配置形式及密度調(diào)控等對(duì)于土壤含水率的影響很少涉及，另外，沙地植物的種類、生長(zhǎng)狀況及地下水埋深等也對(duì)沙地含水量有顯著影響，今后還需更多的相關(guān)試驗(yàn)和長(zhǎng)期的土壤水分年動(dòng)態(tài)變化定位觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

(1) 玉米秸稈沙障對(duì)于土壤含水率沒有明顯的作用效果，單葉蔓荊沙障對(duì)于0—40 cm深土壤含水率的提高具有顯著效果，增幅5.75%～18.05%。說明在改善土壤蓄水能力方面，單葉蔓荊沙障內(nèi)土壤蓄水能力明顯增強(qiáng)，而且單葉蔓荊沙障的時(shí)效性比玉米秸稈沙障要快。

(2) 與裸露對(duì)照相比較，單葉蔓荊沙障對(duì)土壤表層(0—20 cm)有機(jī)質(zhì)、全磷、堿解氮和速效磷含量均有大幅提高，分別是裸露對(duì)照的22.24，3.58，8.14，8.86倍；玉米秸稈沙障僅提高了表層(0—20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)含量(對(duì)照的3.62倍)，說明單葉蔓荊沙障對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的改良作用大于玉米秸稈沙障。

(3) 通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)置單葉蔓荊沙障是改良流動(dòng)沙丘土壤性狀的有效方法，單葉蔓荊又是鄉(xiāng)土的治沙先鋒樹種，為流動(dòng)沙地的治理提供了充足的植物沙障材料。鄱陽湖濱湖地區(qū)具有特殊的氣候及水文特點(diǎn)，采用活體單葉蔓荊枝條扦插沙障，是一項(xiàng)成本低，見效快，效益好，易推廣的治沙和改良土壤措施。