砒砂岩区农田生态系统可持续发展模式构建

雷娜

摘 要：构建可持续发展的农田生态系统对于区域经济的发展和生态环境的保护具有重要意义。运用实验室检测对砒砂岩与沙复配土的土壤肥力以及作物种植的适宜性进行评价；运用野外调查、系统分析归纳、类比分析等方法，结合砒砂岩区的自然资源、经济、生态环境等方面的综合情况，因地制宜，筛选出适合不同立地类型典型复合农林生态系统模式。结果表明：利用砒砂岩与沙复配成土技术，有效的增加了耕地面积与耕地质量，同时通过复合农林生态系统模式的构建，发挥了固沙效应、景观效应、生物多样性效应、气候效应以及区域综合效应，形成可持续发展的农田生态系统模式。

关键词：农田生态系统；可持续发展模式；砒砂岩区

中图分类号：S727.24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180329017

农田生态系统是人类发挥主观能动性，在使用土地资源的基础上，改变自然生态系统，利用农业技术获取生存的必需品而形成的自然-人工复合生态系统。该系统解决了人类基本的生存问题，为人类提供各种农产品，包括粮食、蔬菜、水果、纤维等，这些农产品奠定了人类生存的物质基础。随着人类经济的发展，生态环境保护的重要性已被充分认识，改善和保护生态系统，保障其发挥生态系统服务功能已成为现阶段学者们研究的热点。农田生态系统不仅为区域人类提供生活必需品，其作为陆地生态系统的重要组成部分，还发挥着调节小气候、净化空气、涵养水源、保育水土、生物多样性、观光休闲等生态服务功能[1-4]，有关农田生态系统服务经济价值评价的研究逐渐增加[5-6]，可进一步量化农田生态系统生态服务功能，为生态补偿以及生态系统保护提供科学依据，形成区域生态系统良性循环，保障人类社会可持续发展。农田生态系统促进城乡居民、就业社会发展等社会功能对于人类社会的持续发展同样具有重要作用，基于农田生态系统服务评价的土地利用方式的探讨也开始出现[7-9]。

可见，农田生态系统具有生产功能、生态功能和社会功能，对于人类生存发展有重要意义。砒沙岩区生态环境恶劣，现有的土地利用系统及农业发展模式并不能最大程度地满足当地人民的生活需要，未能建立良好的农田生态系统。因此研究砒砂岩与沙复配成土技术，同时因地制宜建立复合农林生态系统，最终形成可持续的农田生态系统模式，有利于砒沙岩区合理开发利用农业资源、提高农作物产量、改善生态环境、促进农民就业、实现农业的永续发展。

1 研究区概况与样品采集

1.1 研究区概况

砒砂岩又称泥砂岩、砂砾岩，属于中生代沉积岩类，砒砂岩看似坚硬，但一经其风、雨、冻、晒等外来作用就松散为砂，极易造成环境破坏，被世界行业的专家称为“地球环境的癌症”。砒砂岩分布区域广泛，分布区域介于N3810'～4010'，E10845'～11131'之间。涉及内蒙古5个县市（东胜市、伊金霍洛旗、准格尔旗、达拉特旗及呼和浩特市清水县）、陕西（府谷、神木）、山西（河曲、保德）等，分布区域面积约为1.67万km2。砒砂岩分布区域有黄土梁峁和丘陵、土石山及风沙区等地形类型。区域土壤以栗钙土、风沙土、灰褐土3大类为主，土壤肥力地下，结构松散，容易受到外力的侵蚀而发生破坏，造成农田生态系统恶化，进一步影响区域农业生产条件和人居环境，不利于区域经济的发展和環境的保护，甚至对区域社会稳定产生一定的影响。

1.2 样品采集

土壤肥力和作物适应性评价样品采自陕西省土地工程建设集团建成的砒砂岩与沙复配成土示范工程项目区。项目区位于陕西省榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村，面积约为163 hm2，项目区平均分为7个区域，每个区域面积约为23 hm2，在2012年马铃薯收获后，每个区域采集一个混合土样，共计7个，采样区地块形状见图1。

2 研究方法

砒沙岩与沙复配成土技术即砒砂岩与沙以一定的比例混合，形成新的种植土壤。为砒沙岩区农田生态系统的建立提供基础条件。矿物是构成岩石的基础，砒砂岩主要由石英、钙蒙脱石、长石和方解石等矿物组成，偏光显微镜下分析表明，砒沙岩区沙地中的风沙土主要由岩屑、长石和石英3种颗粒组成[10]。对复配土的土壤肥力以及作物种植的适宜性的评价主要采用实验室检测，具体检测指标有pH、有机质、水溶性总盐、全氮、速效磷、速效钾等，其中pH 采用玻璃电极法，用pH计测定，水土比例为2.5：1；有机质采用重铬酸钾氧化一油浴加热法来测定，用瓶口滴定器滴定；水溶性总盐采用残渣烘干-质量法用水浴锅加热测定；全氮采用凯氏定氮仪分析测定；速效磷采用0.5mol/L NaHCO3 浸提—钼锑抗分光光度法，用紫外可见分光光度计测定；速效钾用中性乙酸溶液浸提，火焰光度计测定。对复合农林生态系统模式的构建主要是通过野外调查、专家咨询法、系统分析归纳、类比分析等方法等，结合砒砂岩的自然、资源、经济、生态环境等方面的综合情况，因地制宜，筛选出适合区域不同立地类型的典型生态系统模式。

3 结果与分析

3.1 复配土土壤肥力评价

根据选定的判定砒砂岩与沙复配土土壤质量的物理、化学等6个指标（pH值、有机质、全盐量、全氮、速效磷、速效钾），评价研究区域复配土的土壤质量，研究区土壤质量情况见表1。

表2显示，研究区域土壤pH值在8.26～8.50的范围内变动；复配土种植作物收获后有机质变化范围为0.13%～0.34%，复配土有机质平均含量为0.22%；砒砂岩与沙复配土全盐量在0.01%～0.25%的范围内变动，平均全盐量为0.13%；砒砂岩与沙复配土全氮的变化范围为0.042%～0.070%，复配土全氮平均含量为0.057%；砒砂岩与沙复配土速效磷变化范围为2.5～3.7 mg/kg，复配土速效磷平均含量为3.0 mg/kg；砒砂岩与沙复配土速效钾平均含量为60.1 mg/kg，变幅在47.4～85.0 mg/kg。

pH值、全盐量是衡量土壤物理性状的重要指标，pH值可判定土壤的酸碱度，全盐量可作为土壤盐渍化、盐碱化的重要标志。土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质含量作为土壤化学指标，是表征土壤肥力的重要指标表。以《陕西土壤》做为比对依据，研究无复配土pH值偏碱性，可选择改良剂进行改良，也可因地制宜，种植耐碱作物；《陕西土壤》中规定耕作层土壤含盐量超过0.2%时，作物的生长会受到盐渍化的影响，复配土有90%左右的全盐量小该标准，符合种植要求，对于未达标的土壤可采用盐渍化、盐碱化改良技术进行改良；复配土有机质含量能够达到《陕西土壤》中陕北地区土壤的有机质含量水平，但土壤有机质含量需要达到2%以上才能被认为是比较肥沃的土壤，所以研究区域土壤有机质含量远远偏低，可通过施用有机肥、复合肥等措施进行土壤培肥，增加土壤肥力；复配土全氮、速效磷平均含量均处于七级水平；复配土速效钾平均含量处于六级水平，对于全氮、有效磷、速效钾均可通过施用磷肥、氮肥、钾肥或是有机复合肥进行快速改良，当然更建议采用施用绿肥、农田肥等生态、环保的改良措施。

3.2 复配土作物种植适宜性评价

根据田间小区试验结果，小麦和玉米适宜在砒砂岩与沙混合比例为1：2的土壤上種植，马铃薯适宜在砒砂岩与沙混合比例为1：5的土壤上种植。而根据室内砒砂岩与沙混合比例的研究，砒砂岩与沙混合的土壤质地随着砒砂岩混合比例的增大在发生着变化，砒砂岩和沙混合比例0：1、1：5、1：2、1：1、2：1、5：1和1：0的土壤质地从砂土-砂壤-壤土-粉壤，而土壤质地的粗细直接影响土壤蓄水性、透气性和保肥性。

另外，为了复配土的农业可持续利用以及复配土作物生产力的可持续性，在做好复配土水肥管理的基础上，还应在复配土耕作管理（翻耕、旋耕、保护性耕作等）、种植制度管理（轮作、间作以及种植结构等）等方面进行进一步的研究，以达到复配土能够可持续利用的目的。

3.3 不同立地类型复合农林生态系统模式的构建

根据地貌特征砒砂岩区可分为裸露砒砂岩、风沙区和盖土区3个立地类型区.依据各种立地类型条件，有针对性地选择乔、灌、草种类，建立以当地先锋植物沙棘为主，配合其他作物的多样化复合农林系统[11]，通过植物群落的配置，形成绿色生命能够廊道以及生态景观格局，治理砒砂岩区水土流失，建立可持续发展的农田生态系统模式。

裸露砒砂岩区主要有沟谷地川滩地农林系统模式、梁峁坡农林系统模式、梁峁顶农林系统模式、沟坡农林系统模式、沟坝地基本农田建设、梯田地埂植物种植。盖土区主要有黄土阶地农林模式、隔坡梯田等。主要有丘间低地农林系统模式、盐碱土河滩农林系统模式，典型模式构建见（表2）。

沟坝地正是砒砂岩区最主要的水土保持基本农田。沟坝地是利用流域沟道空间和水沙造地的典型。沟坝地通过引流洪水形成，富集了营养物质，坝地土壤肥力高，适宜耕作，是良好的耕作农田。沟坝地建设应在已经实施坡面工程和林草治理措施、径流泥沙强度明显减弱的流域规划实施，以减少洪水泥沙对沟坝地建设的影响。沟坝地的利用应种植小麦、糜谷、胡麻等耐旱和抗逆性强的作物品种，立足于抗旱防灾高产。同时对于沟坝地不宜连作，要注意轮作倒茬和歇墒养地。沟坝地能力拦蓄泥沙的能力为89.2%～96.3%，正常年份土壤水分含量比山坡地高6%～11%，大旱年份高20%～60%。质量好的沟坝地，一次能拦蓄山洪150～200m3/667m2，相当于225～300mm的降水量，是一个很好的田间小水库[12]。

山坡地兴修水平梯田后，改变了地形条件，截短了坡长，对保持水土作用十分显著。不仅加快了治理坡耕地的速度，而且可以补充坡面水分，开展径流农业，提高农田抗旱能力，充分利用梯田的拦蓄能力，具有显著的拦泥、蓄水、聚肥和增产作用[13]。梯田种植小麦或者小麦、油菜轮作，改良茬口，田埂栽植两行以黄花菜、金银花、紫穗槐为主的经济灌草，丛间距0.3～0.5m，用以镶边固土，降低光辐射的反射率，改善田间生态小环境；该区农民耕种的同一坡面上的梯田和坡地为例，在品种、投入相同的情况下，梯田比坡地增收小麦795kg/hm2，增产66.1%。干旱季隔坡水平梯田土壤含水率比荒坡的增量为3.5%～4.7%，比一般水平梯田的增量为1.79%[14]。隔坡梯田通过工程、植物、耕作3措施结合，可以形成人工复合生态系统，充分利用光、温、水、气资源，促进经济高效良性循环，有利于陡坡地退耕还林还草，优化农业生产结构和生态环境，利于农林牧协调发展，增强综合生产能力，提高土地利用率和产出率。

4 结论与讨论

文中对2种物质形成“复配土”土壤养分状况的分析结果表明，复配土氮、磷、钾等养分含量均需要进一步提高。可采取增施有机肥，培肥地力；优化施肥结构，推广应用测土配方施肥技术；优化耕作制度，合理轮作倒茬。提高复配土的土壤肥力，为农业可持续发展奠定基础条件。

世界范围内学者们对于复合农林系统系的结构配置与调控技术研究均处于初级阶段，主要配置依据还多是一种经验性总结，有待进一步探索和验证，系统调控也才刚刚开始试验研究。砒砂岩地区地质条件恶劣，水土流失严重，地形支离破碎，千沟万壑，本实验对该地区其立地类型的划分，以及优势种和伴生种的挑选配置，从理论上讲，都有较强的依据和合理性，但是否能够真正利用并达到改善生态的目的还有待实践。另外，驯化和培育特有优势种，以达到更好的适应效果，也是今后一个值得挑战的课题。

复合农林作为生态建设的主要手段，需要做好3项基本工作：划分立地条件；甄选植物物种；进行系统结构配置，才能因地制宜，完成较理想的复合农林系统配置。本文作者根据砒砂岩区的区域自然条件，以生物多样性为指导思想，初步探索了植被群落配置模式，还有待于深入研究，另外，复合农林生态系统的结构、配置、调控等方面还有待于进一步研究。

利用砒砂岩与沙复配成土造田技术，有效的增加了耕地面积与耕地质量，同时通过复合农林生态系统模式的构建，因地制宜，发挥了固沙效应、景观效应、生物多样性效应、气候效应以及区域综合效应，形成良性循环，建立了可持续发展的农田生态系统，农田生态系统服务功能的发挥对于砒砂岩地区农业生产条件改善、生态环境改良以及人居环境净化均具有重要意义。

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