共和盆地植物活体沙障对土壤水分及养分的影响

2023-11-27马曙光张进虎

中国农村水利水电 2023年11期

马曙光，张进虎，3，陈莲，张卓，冶明

（1.青海师范大学青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室，青海西宁 81008；2.青海师范大学地理学科学院青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海西宁 81008；3.青海省人民政府北京师范大学高原科学与可持续发展研究院，青海西宁 810008）

0 引言

根据第五次荒漠化监测结果，截至2019年，我国荒漠化土地总面积为 261.16 万km2，占国土面积的27.2%，其中，沙化土地面积达172.12 万km2［1］，荒漠化防治任重道远。1949年以来，我国一直积极探索荒漠化防治技术，经过半个多世纪的不懈努力，荒漠化防治的水平已走到了世界的前列。在众多的防沙治沙措施中“草方格固沙”最具特色，是生物治沙优良的先期技术手段，被誉为“中国魔方”。然而虽然草方格沙障效果良好，但使用年限非常有限，一般不超过3年就会腐烂，失去防风固沙作用［2］；另外，随着社会经济的不断发展和产业结构的调整，小麦种植面积不断缩小，沙障原材料供应不足，尤其是青海省治沙地域均在牧区，远离农区产麦区，调运麦草费用高。这些都影响着草方格沙障在青海持续推广与应用。鉴于此，张登山［3］等人，基于共和盆地区域降水条件，提出了直接种植青稞、小麦、燕麦等活沙障来替代麦草沙障的设想，经过多年试验，终于筛选出了适宜共和盆地营建的活体沙障物种，如小麦、燕麦、披碱草等。但荒漠化防治的最终目标是实现土壤性状的改善，真正实现荒漠化的逆转。那么，共和盆地活体沙障的设置对沙地水分和养分两项土壤关键性状指标有何影响？有没有明显的改善作用呢？

随着中国防沙治沙工作的持续推进，植物活体沙障也得到了有关学者的重视。在我国的喀什地区、浑善达克沙地、嫩江沙地及民勤沙地等均有相关研究，但研究的重点在于探讨活体沙障的材料筛选，防风阻沙效能及对区域植被的影响等方面［4-6］，关于活体沙障对土壤理化性质的影响研究较少［7］。鉴于此，本文以共和盆地青海治沙站为研究区，选择小麦活体沙障、披碱草+燕麦活体沙障及尼龙袋机械沙障布设区为研究对象，并以流沙地为对照，对比分析不同类型沙障设置对沙地水分及养分的影响，加深对活体沙障生态效益的认识，为其成果转化及推广应用提供依据。

1 研究概况及方法

1.1 研究区概况

共和盆地（98°46′～101°22′ E，35°27′～36°56′N）位于青藏高原东北部，属于高原温带半干旱草原和干旱荒漠草原的过渡生物气候亚带，海拔介于2 871～3 870 m 之间。研究区沙珠玉沙漠位于青海省海南藏族自治州共和县中部沙珠玉乡，地处高寒干旱荒漠区，平均海拔2 875 m［8］。当地气候具有显著的高原大陆性特征，年平均气温2.4 ℃，多年平均降水量246.3 mm，降水季节分配不均，主要集中于6-9月。多年平均水面蒸发1 716.7 mm，年均无霜期约91 d。土壤类型主要有棕钙土、粟钙土、风沙土、草甸土和沼泽土等。植被主要以人工固沙植被为主，主要乔木有青杨（Populuscathayana）和小叶杨（Populussimonii），灌木有柠条（Caraganaintermedia）、沙蒿（Artemi-siaordosica）、乌柳（Salixcheilophila）、柽柳（Tamarixchinensis）和沙柳（Salixpsammophila）等。天然植被主要包括藏锦鸡儿（Caraganatibeti-ca）灌丛、白刺（Nitrariatangutorum）灌丛和芨芨草（Achnatherumsplendens）草原等［9］。

1.2 样地设置与样品采集

研究选取尼龙袋机械沙障、披碱草＋燕麦活体沙障及小麦活体沙障布设区为研究对象，并设立流沙为对照（表1）。在每种沙障布设区随机设置3 个1 m×1 m 调查样方，在每个样方中随机设置5 个采样点，采用手摇钻采集0～50 cm 沙层样品，采样间隔为10 cm；将同一样方内相同沙层深度的样品充分混合，取适量装入铝盒，用于含水量测定，共采集样品60份；采用环刀采集0～5 cm 土壤养分测定样品，每种沙障布设区采集9 份样品，共计36份。为排除风沙地貌对沙地水分和理化性质的影响，本实验采样在1 km×1 km范围内且在沙丘迎风坡中上部进行。

表1 样地基本信息Tab.1 Basic information of sample plot

1.3 样品测定

沙地质量含水量采用烘干法测定；有机碳测定采用重铬酸钾氧化-硫酸氧化法（NY/T1121.6-2006），全氮采用半微量凯氏法（LY/T 1228-1999），全磷采用氢氧化钠提取-钼锑抗比色法（GB7852-1987），全钾采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法（GB7854-1987）［10］。

2 结果与分析

2.1 不同类型沙障设置对土壤水分的影响

不同类型沙障布设区0～50 cm沙层含水量整体差异明显（P＜0.05）。其中，P3样地土壤含水最高，P2次之，P1最低，但均高于对照组CK。P3样地平均含水量可达4.49%，是流动沙地的2.47倍，P2样地可达3.48%，是流动沙地的1.91 倍。由此可见，不同类型沙障的布设均可改善沙地水分环境，但相对来说，尼龙袋机械沙障和披碱草+燕麦活体沙障布设对沙地水分环境改善更为明显。

图1 不同类型沙障布设区0～50 cm沙层含平均含水量Fig.1 Water content of 0～50 cm soil layer in different types of sand barrier area

不同沙障类型布设区沙层含水量随土层深度变化呈不同的变化趋势（图2）。P2沙层含水量随土层深度增加呈逐渐增大趋势，含水量在2.29%～4.07% 范围内波动，较深的30～50 cm 沙层含水量显著高于0～20 cm 浅层含水量（P＜0.05）；P1含水量在10 cm 深处达到最大值6.49%，与其他层次差异显著（P＜0.05），然后突然降低，约在20 cm 深处达到最低值（2.05%），随后保持平稳；P3含水量整体较高，保持在4%左右，随深度变化不显著（P＞0.05）；CK含水量整体较低，在1.36%～2.42%范围波动，随深度变化不显著（P＞0.05），20～40 cm 沙层水分相对较高，形成湿沙层。

图2 不同类型沙障布设区沙层水分垂直变化Fig.2 Vertical variation of soil moisture in different types of sand barrier areas

不同类型沙障布设区相同土层含水量差异性明显（表2）。0～10 cm沙层，P1及P3的含水量显著高于P2和CK（P＜0.05），而P2和CK 之间差异不显著（P＞0.05），该层次土壤含水量大小顺序为P1＞P3＞P2＞CK；10～20 cm 沙层，P3的含水量显著高于P1、P2及CK（P＜0.05），但P1和CK之间差异不显著（P＞0.05），该层次含水量大小顺序为P3＞P2＞CK＞P1；20～30 cm 沙层，含水量差异性特征与10～20 cm 沙层呈现相同的变化规律；30～40 cm 沙层，P2和P3的含水量显著高于P1及CK，含水量大小顺序为P3＞P2＞P1＞CK；40～50 cm 沙层，含水量差异性与30～40 cm 沙层呈现相同的变化规律，含水量大小顺序依次为 P2＞P3＞P1＞CK。

表2 不同类型沙障布设区沙层含水量差异性分析%Tab.2 Difference analysis of soil water content in different types of sand barrier area

表3 不同类型沙障布设区土壤养分含量差异性分析g/kgTab.3 Analysis on the difference of soil nutrient content in different types of sand barriers

2.2 不同类型沙障设置对土壤养分的影响

活体沙障对土壤养分有一定的改善作用（图3）。P1、P2样地的沙层有机质含量分别为1.21 g/kg和1.27 g/kg，虽然高于CK 区（1.03 g/kg），但未达到显著水平（P＞0.05）；全氮含量从大到小的顺序为P1＞P2＞P3＞CK，表现为P1样地含量（0.11 g/kg）显著高于CK（0.07 g/kg）（P＜0.05）；全磷和全钾含量活体沙障布设沙区均高于流沙对照区，但未达到显著水平（P＞0.05）。由此可知，活体沙障的布设对沙层养分含量均有一定的改善，对全氮改善最为明显。

图3 不同类型沙障布设区区0～5 cm沙层养分含量Fig.3 Nutrient content of 0～5 cm soil layer in different types of sand barrier area

3 讨论

3.1 活体沙障对沙地含水量的影响

关于沙障的设置对土壤水分含量是否有影响存在着不同的观点，绝大多数学者认为设置沙障后能增加土壤的保水性，提高土壤含水量［11-13］，但也有研究者认为沙障建立后虽使地表结构稳定，但也改变了过境气流或风沙流的结构，形成紊流、乱流，加速了地表土壤水分的散失，且沙障配置规格不同土壤含水量降低程度不同［14］。研究表明：不论是设置活体沙障还是尼龙袋机械沙障均可以改善沙地的水分条件，但程度有所差异。尼龙袋机械沙障设置对沙地含水量的改善作用最显著，这可能是由于尼龙袋沙障具有不透水性，当有降水发生时，降落于沙障面的雨水便会汇集，最终储存于沙障间的沙地中；另外在野外考察中发现，尼龙袋沙障布设可促进沙地物理结皮的形成，而物理结皮的形成对水分的蒸发具有一定的抑制作用，间接提高了沙地含水量［15］。小麦和披碱草+燕麦活体沙障对土壤水分条件也有一定的改善但没有尼龙袋沙障显著，这可能主要受到了采样季节的影响。本次实验采样在6月下旬进行，此时虽然降雨量较高，但也正值植被的生长旺季，植物生长发育繁衍等生理活动消耗的土壤水分较多，加之强烈的水分蒸发，最终导致植被活体沙障布设对沙地水分的改善不及尼龙袋机械沙障明显，这与展秀丽等［16］得出的土壤含水量不仅受土壤结构、结皮等因素的影响，而且还受降水和植被覆盖的影响的结果一致。值得注意的是，小麦活体沙障0～10 cm 处的土壤含水量明显高于其他样地，这种差异可能是由于麦草沙障的滞沉作用导致的，在设置了麦草沙障的沙区地带，一些被风沙吹袭的细粒物质会沉降下来，随着这些细小粒子的不断积累，沙土表面更加紧实，在夜间能使空气中凝结的水分和一些降水聚集在沙土表面，使水分不易流失，这也使得一些干旱地区的土壤能够得到宝贵的水分滋养［17］。

3.2 活体沙障对沙地养分的影响

研究表明：小麦和披碱草+燕麦活体沙障的布设均可使沙地的有机质含量增加，指示植物活体沙障对土壤有机质含量具有一定的改善提高作用，但短年限内改善不明显（P＞0.05）。这可能是因为植物活体沙障能对风速起到削弱作用，风速的降低会导致风沙流饱和度降低，含有丰富养分的尘埃沉降到沙障里，经过长期积累使得土壤养分被改善；另外，由于沙障内植被生长，土壤发育，生物作用明显，减少了流沙环境中土壤养分的流失，加之活体沙障的化感作用，导致表层土壤养分的积累［18］。陈志超［19］等的研究也表明，布设沙障可以稳定流沙，活化土壤微生物，随着沙障布设时间的增加，会影响土壤养分含量，这与本研究的结果吻合。但为什么尼龙袋沙障（0～5 cm）沙层有机质含量较低呢？这可能是由于小麦和披碱草+燕麦活体沙障中的植物凋落物多于尼龙袋沙障，植物凋落物分解有利于沙地有机质的积累。随着沙障的固沙作用的持续发挥，植物侵入，枯枝落叶分解释放大量养分，在沙地表层积累，全氮含量也随之增加，但小麦和披碱草+燕麦活体沙障对土壤全氮的影响略高于尼龙袋沙障，这可能主要与活体沙障的化感作用有关。土壤磷和钾的稳定性较强，很难被植物吸收利用，土壤中的全磷和全钾主要源于植物归还于土壤的磷和钾［20］，因此小麦和披碱草+燕麦活体沙障对全磷和全钾的影响较尼龙袋沙障略高，这充分说明活体沙障的存在对土壤条件的改善起到了积极的作用。但由于研究区沙障铺设年限较短，植被盖度较低，而植被对全磷和全钾的影响又较大，因此，土壤全磷和全钾含量在沙障区和对照区的差异并不显著（P＞0.05）。