鄱陽湖濱流動沙丘不同類型沙障土壤改良效應分析

葛佩琳, 王凌云, 莫明浩, 段 劍

(江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 南昌 330029)

土地沙漠化是當前全球廣泛關注的重大環境與資源問題之一，我國風沙活動區十分廣泛，在干旱、半干旱甚至半濕潤和濕潤地區均有分布[1-2]。我國南方濕潤地區的土地沙化問題，在成因、分布范圍、治理及開發利用途徑上，與北方干旱地區有所不同，在水蝕、風蝕和人為因素共同作用下出現了“水鄉沙漠”的特殊景觀[3]。鄱陽湖作為我國第一大淡水湖泊，在維系長江水量平衡和生態安全方面發揮著十分重要的作用。但鄱陽湖地區屬于水土流失易發區[4]，近代以來，受各種因素影響，鄱陽湖地區沙化較為嚴重，主要分布于濱湖地區及“五河”尾閭區[5]。隨著沙地不斷向外蔓延，嚴重影響該地區的生態環境和農業生產。

流動沙丘是鄱陽湖濱湖地區沙丘固定和植被恢復的重點和難點。沙漠治理的成功經驗表明，沙障不僅是控制流沙的主要措施，更是恢復植被的重要先導措施和必要條件，在沙地生態恢復中起著積極作用[6]。流動沙丘固定效果和植被恢復較好的為機械沙障和生物沙障固沙[7]。鄱陽湖沙地雖然生態環境惡劣，但因其屬亞熱帶濕潤氣候，水熱條件十分優越，生物物質積累過程還是非常快的。因此，合理的布設沙障措施有助于使脆弱的流動沙地快速恢復到較為穩定的自然生態系統。目前，對沙障種類的環境適應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不同類型沙障對流動沙丘土壤水分和養分特征的影響，篩選出適宜該地區沙地生態恢復的措施及材料，對遏制沙化土地的蔓延和發展，指導土壤改良以及推進生態鄱陽湖流域建設具有重要意義。

1 研究區概況

鄱陽湖濱沙地地處亞熱帶濕潤地區，在全國及江西省水土保持區劃中屬于鄱陽湖丘崗平原農田防護水質維護區[13]。主要分布在鄱陽湖周邊、贛江及撫河中下游，長江沿岸及修水、信江沿岸的河流階地、河漫灘及古河床上[14]。選擇在本區域有典型代表性的省級水土流失重點治理縣——都昌縣[15]多寶沙山作為研究區，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，蒸發量1 774～1 890 mm，年平均氣溫17.4℃，最高氣溫42℃，年均風速為2.9～3.8 m/s，大風天氣多出現在冬春兩季，主風向為西北向。自然土壤以紅壤和黃棕壤為主，在風力作用下退化為風沙土，土壤結構松散，養分含量低，保水保肥能力差[16]。流動沙丘最靠近湖濱，植被覆蓋率低于10%。優勢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)、知風草(Eragrastisferruginea)等植物是本區的主要建群和先鋒植物，單葉蔓荊是沙地上優勢的固沙先鋒植物[17]。

2 材料與方法

2.1 材料

按照就地取材原則以及考慮區域植被特點等因素，選擇玉米秸稈和單葉蔓荊作為布置沙障的材料。在試驗區內選擇坡度、高度和坡向等立地條件較為一致的流動沙丘作為沙障試驗區，試驗沙丘高8～15 m，沙丘走向為北偏西約30°。設置單葉蔓荊沙障、玉米秸稈沙障試驗區和裸露對照區。各試驗區間隔20 m以上的距離，以保證各試驗區之間互不影響，土壤化學性質背景值詳見表1。

表1 不同類型沙障試驗區土壤背景值

2.2 試驗設計

單葉蔓荊沙障所用插條為1～2 a生的健壯枝條，在秋季進行扦插，將長約30 cm的枝條梢端進行切除，剩下部分截成每枝50 cm長。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。以株行距0.6 m×1 m的規格栽植，選擇陰雨天氣，當天扦插全部完成，成活率達85%，保存率為95%。玉米秸稈沙障的布設是將玉米秸稈埋入土深30 cm，出露地面20 cm。兩種沙障的布設形式均為田字形方格，方格間距均為2 m×2 m，布設的坡位為坡腳，垂直于主風向。裸露對照區為立地條件一致的裸露流動沙丘，3個試驗區面積均為20 m×30 m，設置3組重復。沙障布設時間為2014年9月。

2.3 采樣方法

沙障試驗布設2 a后，對單葉蔓荊沙障、玉米秸稈沙障與裸露對照區的0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層進行土壤采樣，分析不同材料沙障對沙地土壤含水率和化學性質的影響，評估不同類型沙障的土壤改良效應。具體為：利用土壤水分儀(PR2)對土壤含水率進行測定，采用對角線法多點采集不同沙障試驗區的土壤樣品，并帶回室內進行化學性質分析，每個試驗區3個重復。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用鋁銻比色法測定；堿解氮的測定采用堿解擴散法；速效磷的測定采用NaHCO3鉬銻比色法[18]。數據統計分析在Excel和SPSS 22.0軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 對土壤含水率的影響

土壤水分狀況是沙地生態系統的重要生態因素，決定著沙地土壤的發生、演化和土地生產力。圖1為玉米秸稈、單葉蔓荊沙障和裸露對照區內0—60 cm不同層次土壤含水量分析結果。與裸露對照比較，玉米沙障內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，達到顯著差異(p<0.05，下同)，增幅5.75%～18.05%。同時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處理之間差異顯著(p<0.05)，下同。
圖1 不同類型沙障對不同層次土壤含水率的影響

3.2 對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是反映土壤抗蝕性強弱和評價土壤肥力的一項重要指標，對土壤持水供水能力、孔隙度及團聚度等物理性質有重要影響。從玉米秸稈和單葉蔓荊沙障內不同層次土壤有機質含量的分析結果(圖2)，可看出兩種沙障內0—20 cm表層土壤有機質含量分別是裸露對照的3.62，22.24倍，說明兩種沙障對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，有機質含量未表現出顯著差異。這可能是布設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表層土壤有機質含量的增加起著重要作用。因此，從有機質含量角度看，玉米秸稈沙障和單葉蔓荊沙障對深層土壤無明顯作用，對表層土壤均具有明顯的改良效果，但單葉蔓荊沙障效應程度更大，其增幅是玉米秸稈沙障的6.14倍。

圖2 不同類型沙障對不同層次土壤有機質含量的影響

3.3 對土壤氮、磷含量的影響

由兩種沙障的土壤養分含量分析結果(圖3)可知玉米秸稈沙障對土壤全氮、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。兩種沙障對于0—20 cm表層土壤養分含量的影響規律是一致的，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，但經方差分析，未達到顯著性差異；土壤堿解氮含量則表現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出與0—20 cm層次土壤類似的規律。因此，從土壤養分改良的角度看，單葉蔓荊沙障的改良效應程度顯著大于玉米秸稈沙障。

圖3 不同類型沙障對沙地不同層次土壤養分的影響

4 討 論

經分析發現，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]認為土壤水分動態變化除了受土壤性質、地下水、氣候及降水等環境因素影響外，與地表植被覆蓋密切相關。一方面，試驗區所在的鄱陽湖濱湖地區由于屬亞熱帶濕潤氣候，不同于干旱、半干旱地區的氣候特征，具有雨量豐沛，日照充足的特殊氣候特點，在強烈的蒸發作用下單葉蔓荊茂密的枝葉可遮擋地面，當覆蓋度達45%時有效減少地表水分蒸發。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的原因。由于蔓荊根系特別發達，最長根長可達1.6 m，植物根系對水分的吸收和蒸騰作用主要發生在較深層土壤中，在綜合作用下0—40 cm土層水分含量變化劇烈，但又能保持相對較高的含水量，這與王明明[19]、李鳳英[20]等試驗結果也一致，在沙地中種植蔓荊、馬尾松等3種植被對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，觀測后期發現假儉草、知風草以及苔蘚類生物入侵，沙地表面逐漸產生了新生的地表結皮現象，以及單葉蔓荊對土壤氮、磷等養分含量全面提升后，土壤化學性能的改善使土質結構從松散變得緊實，促進了土壤團聚體形成，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風沙流、氣流中攜帶的有機碎屑等營養成分進行攔截沉積，增加了土壤細顆粒和有機質含量。其次，沙障本身的凋落物在分解后也會增加土壤養分含量。左長青等[21]研究表明，單葉蔓菁根系非常發達，呈網狀分布，2 a生單葉蔓荊根幅能達到1.1 m2，最長根長可達1.6 m。單葉蔓荊密集的根網不僅可固結流沙，還可增加土壤孔隙度，根系的活動及分泌物能加強土壤微生物的活動，從而提高了土壤理化性能。

本研究僅對沙障設置初期的土壤含水率變化進行了研究，而對于沙障的布設方式、配置形式及密度調控等對于土壤含水率的影響很少涉及，另外，沙地植物的種類、生長狀況及地下水埋深等也對沙地含水量有顯著影響，今后還需更多的相關試驗和長期的土壤水分年動態變化定位觀測進行驗證。

5 結 論

(1) 玉米秸稈沙障對于土壤含水率沒有明顯的作用效果，單葉蔓荊沙障對于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，單葉蔓荊沙障內土壤蓄水能力明顯增強，而且單葉蔓荊沙障的時效性比玉米秸稈沙障要快。

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

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