古尔班通古特沙漠草方格沙障对土壤养分的影响

陈志超，李 宁，刘昌华

(1．河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000； 2．新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

古尔班通古特沙漠位于欧亚大陆内部的准噶尔盆地腹地，是我国第二大沙漠，也是我国最大的固定与半固定沙漠。但由于引额济乌引水工程、沙漠公路工程和油气资源开发，一定程度上破坏了固定与半固定地表的植被，诱导沙丘移动，客观上增加了风沙天气的出现频率。因此，治理工程扰动带遭受破坏的工程迹地是保障引水工程河道安全、公路交通安全乃至区域生态安全的重要内容。

草方格沙障是一种机械防风固沙技术，其采用生物材料在地表组成障碍干扰风沙流的运行，通过改变下垫面性质，增加地面粗糙程度以改变风沙运动条件，被广泛应用于工程主体建成后扰动带地表流沙的固定[1-5]。目前关于草方格沙障应用技术和流沙综合治理方面的研究取得了一系列研究成果，但这些成果主要集中于防风固沙机制机理[5-8]和人工植被固沙效果[9-10]等领域，而对植被生长的基础物质土壤的研究相对较少[11]，从而无法全面评价草方格沙障技术。本研究以引额济乌工程附近不同设置年限草方格沙障为研究对象，分析土壤养分变化特征，以期阐明草方格沙障设置对土壤养分的影响，从而为沙漠重大工程区扰动带的植被恢复与生态重建提供理论基础和科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1研究区概况 古尔班通古特沙漠位于我国西北部的新疆准噶尔盆地腹地，其范围在 44°11′～46°20′ N，84°31′～90°00′ E，是我国最大的固定半固定沙漠，面积达4.88×104km2，海拔300～600 m，沙漠南缘区与远处天山的冲积、洪积扇缘相接，构成了天山北坡至盆地自然垂直带的基带[12]。古尔班通古特沙漠年积温3 000～3 500 ℃·d ，年平均气温6～10 ℃，年降水量70～150 mm，冬季有20 cm的稳定积雪，降水季节分配均匀，冬春两季降水占全年的30%～45%，年蒸发量2 000 mm以上，古尔班通古特沙漠南缘有较丰富的地下水分布，属于典型的内陆干旱气候[13]。该沙漠沙丘表面植被覆盖度可达15%～50%，白梭梭(Haloxylonpersicum)、梭梭(H.ammodendron)、蛇麻黄(Ephedradistachya)、沙拐枣(Calligonumleucocladum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)和白茎绢蒿(Seriphidiumterraealbae)等沙生植物构成的小半乔木、灌木和小半灌木群落在该沙漠分布广泛。

新疆引额济乌引水工程由北向南贯穿整个古尔班通古特沙漠，全长170.38 km，是目前世界上最长的沙漠引水工程。工程施工对沙漠固定或半固定状态的破坏，导致输水工程两侧一定范围内沙丘活化，风沙流严重，生态恢复初期优先采用草方格作为主要的阻沙、导沙工程。

1.2研究方法

1.2.1样地设置 在引额济乌引水工程沿线分别选择铺设1～2年、3～4年、5～6年、更新1～2年、更新2～3年的草方格沙障作为样地，并设置对照区(未铺设草方格沙障的工程扰动带)。

1.2.2土壤样品采集与测定 样地和对照区内各随机选择5个样方(1 m×1 m)进行采样，每个样方内沿着对角线，使用土钻采集0～40 cm表层土样5个，共采集150个土壤样品，带回实验室风干处理后过1 mm土壤筛备用。土壤样品分析指标为有机质、碱解氮、速效磷和速效钾，分别采用重铬酸钾法、碱解蒸馏法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和火焰分光光度法测定[14]。

1.2.3数据分析 采用SPSS 13.0软件进行数据分析，采用LSD检验进行单因素方差分析，检验不同设置年限之间土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾的差异性，显著性水平为P=0.05。

2 结果与分析

2.1草方格沙障对土壤有机质含量的影响 草方格内部沙土的有机质含量在3.23～3.58 g·kg-1，而未铺设草方格的流动沙地土壤有机质含量平均值为3.14 g·kg-1(图1)，说明设置草方格沙障增加了土壤有机质含量。草方格沙障区土样有机质含量最大值出现在沙障铺设后5～6年，为3.58 g·kg-1，比对照增加了14%，而草方格铺设1～2年后土壤有机质含量与对照差异不显著，其它铺设年限均显著高于对照(P<0.05)，但草方格铺设后期(5～6年、更新1～2年、更新2～3年)各样方之间土壤有机质差异不显著(P>0.05)，说明土壤有机质积累随着草方格布设时间逐渐增加，但积累到一定量后，积累速率趋于平缓。

2.2草方格沙障对土壤速效氮含量的影响 草方格设置对土壤速效氮含量的影响基本趋同于对土壤有机质含量的影响(图1)，铺设草方格沙障的区域与对照区相比，土壤速效氮的含量明显提高，铺设时间越长，差异越显著。铺设1～2年的草方格土壤速效氮含量与对照差异不显著(P>0.05)；铺设3～4年后的草方格土壤速效氮含量与对照差异显著(P<0.05)。最高值出现在更新2～3年,为26.9 mg·kg-1，比对照8.33 mg·kg-1高出223%。

2.3草方格沙障对土壤速效磷含量的影响 虽然草方格铺设能够增加土壤有效磷含量，但增幅不明显，表现为对照区土壤速效磷含量为2.16 mg·kg-1，草方格土壤速效磷最大值为更新2～3年的2.67 mg·kg-1(图2)。除更新2～3年草方格速效磷含量与对照区差异显著外(P<0.05)，其它年限草方格设置区的土壤速效磷含量与对照区差异均不显著(P>0.05)，说明草方格铺设对土壤速效磷的影响不明显。

图1 不同铺设年限草方格沙障土壤有机质和速效氮含量Fig.1 Effects of different age period of straw checkerboard barriers on soil organic matter and available nitrogen content

2.4草方格沙障对土壤速效钾含量的影响 土壤速效钾的变化趋势基本上与有机质变化趋势一致(图2)。草方格铺设除1～2年土壤速效钾含量与对照差异不显著外(P>0.05)，其它年份与对照差异均显著(P<0.05)。最大值出现在更新2～3年，为159 mg·kg-1，比对照区增加了73%(图2)。

图2 不同铺设年限草方格沙障土壤速效磷和速效钾含量Fig.2 Effects of different age period of straw checkerboard barriers on soil available phosphorus anf potassium content

3 讨论与结论

草方格沙障使用的材料一般为小麦秸秆、稻草或芦苇秆等，根据需要在沙丘上扎成一个1 m×1 m草方格，地上高约15 cm，埋入沙土深约20 cm。有研究表明，草方格沙障地上部分一般4年左右基本上分解殆尽，埋入沙土中的草方格7年左右也全部腐烂[15]。草方格沙障的铺设，不仅能够有效固定沙面，而且在不断分解的过程中，活化了土壤中微生物活性，加速了微生物对草方格的矿化作用，随着铺设时间的延长，对草方格内的土壤养分产生一定的影响。本研究中，随着草方格铺设时间的延长，土壤肥力有了较明显提高，有机质、速效氮和速效钾含量增加，尤其以速效氮和速效钾的增加最为显著，一般在草方格铺设5～6年时达到较高值。

本研究中，土壤养分含量随草方格沙障铺设时间延长而逐渐增加，但达到一定阶段后增加趋于平缓。草方格的铺设，一方面防风阻沙、分解有机物质，另一方面，可以将夜间空气中凝结的水分、微弱的降水、悬湿水层(初春季悬湿水层距地表较近，约10 cm，初夏则为20～40 cm)[16]水分蓄积在沙层表面，一定程度上为浅根植物的生长提供了短暂的水分供应。有研究表明[7]，无人工辅助条件下，在草方格设置当年草本植物即可侵入，但是多为一年生的短命植物。生物作用弱，土壤有机质分解速率低，故铺设1～2年的草方格对土壤养分的提高作用不显著，虽然土壤有机质与对照区有明显差异，但与土壤有机质含量呈正相关的速效氮、速效钾含量[17-18]，却与对照区差异不显著。随着草方格铺设年限的增长，草方格捕获的大气粉尘的不断积累、分解，固氮植物和生物结皮也逐渐发育，定居的生物种也逐步增加，生物作用更加明显，加速了土壤养分的积累，故研究区土样有机质含量最大值出现在沙障建植后5～6年，为3.58 g·kg-1，比对照区增加了14%；速效氮、速效磷、速效钾稍滞后于有机质达到最大值。更新后的草方格分解又重新开始，而且植物生长会消耗部分的有机质，所以更新后草方格内的土壤有机质等土壤养分含量累积减缓。磷在土壤中稳定性较大，不易流动和损失，也难被植物吸收利用[19]，故对照区与草方格设置区的土壤速效磷含量差异不显著。但由于铺设更新2～3年草方格定居植物凋落物分解较为显著，而且土壤中有效磷主要来源于植物归还土壤的磷[20]，所以土壤速效磷在铺设更新2～3年时与对照区的含量差异最为明显。

总的来说，草方格沙障的铺设，一方面可以防风固沙，另一方面，土壤定向培育也呈现出正向反馈。但土壤养分在土壤与草方格、植被之间的运移机制仍需要深入研究[21]。

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