不同改良劑對沙化土壤理化性質及沙米干物質量的影響

呂 濤， 魏 特， 張立欣， 袁 勤， 葉麗娜， 劉 江

(1.億利資源集團有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017418； 2.內蒙古庫布其沙漠技術研究院， 內蒙古 鄂爾多斯 017418)

土地沙化是土壤質量退化的表現之一，其發生發展將導致土壤水熱條件變化、生物多樣性降低、生態環境的進一步惡化。我國是全球土地沙化最為嚴重的國家之一，在西北地區土地荒漠化是制約區域經濟發展和生態建設的重要問題之一。截至2014年，我國荒漠化土地面積2.61×106km2，沙化土地面積1.72×106km2，與2009年相比荒漠化土地面積與沙化土地面積均有所減少。在庫布齊沙漠中段區域土地沙化的發展勢頭也得到有效遏制，近10 a來沙化土地面積年均減少126 hm2，總體表現為“整體遏制、持續縮減”的態勢，區域沙漠化程度指數從2003年的0.568下降到2014年的0.504[1]。盡管如此，防沙治沙任務仍然艱巨，已初步治理的區域生態系統尚不穩定，一些地區沙化土地仍在擴展狀態。此外，荒漠化治理市場機制不健全，公眾參與度也比較低。因此，加強沙化土地治理，改良沙化土壤，防止土地退化，仍是沙區農業生產和生態治理與恢復中亟待解決的重要問題。目前，庫布齊沙漠的治理已取得較好成績，植物固沙模式、工程治沙模式、分區治沙模式、治沙—生態—經濟并行的多位一體綜合模式，都呈現出顯著效益，在國內外具有良好的典型示范效應。以往的研究在改良土壤多集中在荒漠土、鹽堿土壤、重金屬污染土壤、酸性土壤和強還原性土壤[2,10]，改良材料以化學改良劑居多，成本較高且對土壤有潛在的污染危害。對于沙漠區域立地條件較差的沙化土地，利用新型改良材料亞麻籽粕結合其他保水材料的相關研究應用較少。本研究采用了以亞麻籽粕、農林保水材料、腐殖酸、有機肥不同組合作為低成本改良材料的改良措施，通過研究施用不同改良劑對沙化土地的治沙改土功效及對植物生長的影響，為沙化土地治理工作及生態環境的修復提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于杭錦旗獨貴塔拉鎮陳紅灣(40°36′29″N，108°33′43″E)，地處鄂爾多斯高原西北部庫布齊沙漠西北緣億利集團農業示范基地，平均海拔在1 100 m。季節變化顯著，冬季寒冷干燥，夏季較為溫和，屬溫帶大陸性季風氣候[11]。該區多年平均氣溫9.38 ℃，極端最高氣溫38.10 ℃，極端最低溫-30.50 ℃，年均日照時數3 087.4 h，≥10 ℃積溫年均值為3 196.40 ℃，無霜期135～150 d。多年平均降雨量為277 mm，雨熱同期，降水多集中在7—9月，占全年降雨量的69.77 %，年均蒸發量在2 000～2 700 mm[12]。年平均風速在3～4 m/s，大風日數27～77 d。研究區土壤類型均為風沙土，沙土平均含水量為0.64 %，平均容重達1.50 g/cm3。土壤顆粒組成主要為沙粒，其中黏粒含量1.30 %，粉粒含量3.30 %，沙粒含量95.40 %。剖面結構不明顯，主要由淋溶層和母質層構成，風蝕嚴重。土壤pH值達8.70，速效氮含量為16.33 mg/kg，速效磷含量為11.39 mg/kg，速效鉀含量為28.77 mg/kg，有機質含量為0.91 g/kg。研究區植被主要由花棒(Hedysarumscoparium)、沙柳(Salixcheilophila)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiasalsoides)、沙米(Agriophyllumarenarium)、梭梭(Haloxylonammodendron)、楊柴(Hedysarummongolicum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等植物為主的沙生灌叢及多年生草本植物所組成。

1.2 試驗材料

①有機肥。本研究所施有機肥是以家禽糞便為原料，進行資源化開發利用采用堆肥方式生產的有機肥。 ②沙漠抗旱保水保肥改良劑。亞麻籽粕、保水材料(聚丙烯酸鉀)、腐殖酸。 ③沙漠保水改良劑。保水材料(聚丙烯酸鉀)、腐殖酸。 ④植物纖維粘合劑。亞麻籽粕(亞麻籽榨油后的副產物)、腐殖酸。 ⑤試驗植物。以沙米為試驗植物種。沙米為藜科一年生草本，莖直立具有不明顯的條棱，葉無柄，披針形至條形，先端漸尖有小尖刺，是一種較為耐寒耐旱的沙生植物，主要生長于干旱半干旱地區的流動沙丘和半流動沙丘，是干旱區治沙先鋒植物，也是當地常見植物種。

1.3 試驗設計

試驗示范田區組劃分：將面積為4 669 m2試驗示范田分為4個區組，對照組(CK)、保水保肥劑組(BSBFJ)、保水劑組(BSJ)和粘合劑組(NHJ)，每個區組設置3個重復，4個試驗區組面積分別為667，1 334，1 334和1 334 m2，示范田四周種植保護行。

1.4 沙米種植方法

沙米的種植時間為2018年4月中旬。按照當地的施肥習慣90 t/hm2在試驗田內施入有機肥作為底肥，各改良劑按照375 kg/hm2的標準施在對應的區組內，深翻25～30 cm，每個區組內按照45 kg/hm2的種植密度進行沙米的種植。

1.5 樣品的采集

①土壤樣品的采集。于2018年8月17日在各試驗區組內按照對角線布置五個采樣點，分別采集0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm的土壤，每層土壤樣品分別取3個重復，將5個采樣點對應的各土層的土樣進行混合，利用四分法取混合土樣，一部分挑去細根過2 mm篩后放入4 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物數量及酶活性的測定；一部分混合土樣風干后過1 mm篩供室內化驗分析測定其化學性質指標；利用環刀采集原狀土測定土壤物理指標，環刀樣品的采集在各試驗區組內隨機選3個點挖土壤剖面，分別采集剖面內0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm的原狀土。 ②植物樣品的采集。在各試驗區組內選取有代表性的3個規格1 m×1 m的樣方，采集樣方內所有沙米的地上和地下部分，裝入塑封袋中帶回室內105 ℃殺青，65 ℃烘干恒重測定其干物質量。

1.6 測定指標與方法

土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤堿解氮采用擴散法測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定；pH值采用5∶1水土比浸提，用pH-2F數字pH值計測定；分析方法均按照《土壤農業化學分析方法》進行[13]。土壤容重、孔隙度、田間持水量、入滲速率采用環刀法測定，土壤質量含水量采用烘干法進行測定。土壤微生物數量和酶活性外送到內蒙古博測質檢科技有限責任公司進行檢測，其中細菌、真菌、放線菌的測定依據《土壤微生物生物量測定方法及應用》中的方法測定[14]；脲酶、蔗糖酶、磷酸酶的測定依據《土壤酶及其研究法》中方法測定[15]。

1.7 數據處理方法

采用Excel軟件對數據進行統計分析及作圖，利用SPSS 18.0軟件對施加不同改良劑的土壤養分、土壤物理性狀、沙米干物質量等進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，利用新復極差檢驗法(Duncan)進行多重比較(p=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對沙化土壤物理性狀的影響

與裸沙地和CK相比較，施用不同改良劑對0—30 cm沙化土壤的各物理性狀有著不同程度的調節作用(表1)。BSJ和BSBFJ處理的土壤容重下降的較為明顯，與CK相比兩種改良劑的施用使土壤容重分別下降了5.00%和4.38%，二者分別與裸沙地組之間差異達到顯著性水平(p<0.05)；裸沙地、CK，BSJ，BSBFJ和NHJ各組土壤總孔隙度分別為35.56%，35.87%，38.18%，36.85%和36.51%，施用BSJ，BSBFJ，NHJ均使土壤總孔隙度有所增加，與CK相比3者分別使總孔隙度增加了2.31%，0.98%和0.64%，3種改良劑只有BSJ與CK之間差異達到顯著性水平(p<0.05)；裸沙地、CK，BSJ，BSBFJ和NHJ各組田間持水量分別為22.03%，22.22%，23.88%，23.62%和22.83%，與裸沙地和CK相比，施用3種改良劑不同程度的增加了田間持水量，相比CK，3種改良劑施用后田間持水量分別增加了1.66%，1.40%和0.61%，各處理間除了BSJ組和裸沙地之間差異顯著(p<0.05)，其余各處理之間無顯著差異(p>0.05)；裸沙地、CK，BSJ，BSBFJ和NHJ各組土壤入滲速率分別為10.53，9.07，7.54，7.56和8.31 mm/min，與CK相比3種改良劑明顯降低土壤入滲速率，降低的幅度分別為16.87%，16.65%和8.38 %，3種改良劑分別與裸沙地和CK之間差異性達到顯著性水平(p<0.05)。

表1 不同處理對土壤物理性狀影響

注：不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(p=0.05)。下同。

為了進一步了解各改良劑對0—30 cm土層范圍內土壤物理性狀的影響，將0—30 cm范圍的土層劃分為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，并對個各土層物理性狀變化進行方差分析(表2)。根據表2的分析結果可知，相同處理下，裸沙地和CK各土層容重差異不顯著(p>0.05)，各土層的容重基本都在1.60 g/cm3。BSJ，BSBFJ，NHJ這3種處理下0—30 cm各土層容重存在差異性，3種改良劑處理在20—30 cm分別與其他兩層之間容重差異顯著(p<0.05)，且3者都表現出隨著土層的增加容重增大的趨勢，表明3種改良劑在調節土壤容重時主要作用在0—20 cm范圍；對比同一土層下不同處理之間差異可以發現，在0—10 cm和10—20 cm，3種改良劑均與裸沙地和CK之間差異顯著(p<0.05)，BSJ處理的土壤容重最小，達到1.47 g/cm3。在20—30 cm，各處理之間差異不顯著(p>0.05)，基本都維持在1.60 g/cm3。

表2 不同處理下各土層土壤物理性狀變化

注：不同小寫字母表示相同土層下，不同處理之間差異顯著；不同大寫字母表示同一處理下，不同土層之間差異顯著(p=0.05)。下同。

對土壤總孔隙度分析可知，裸沙地各土層之間無顯著差異(p>0.05)，CK組土壤總孔隙度表現為0—10 cm與10—20 cm之間差異顯著(p<0.05)。BSJ組土壤總孔隙度在20—30 cm最大，且與其他兩層之間差異顯著(p<0.05)。BSBFJ和NHJ組的土壤總孔隙度均在10—20 cm最大，且與其他兩層之間差異顯著(p<0.05)；在0—10 cm，CK，BSJ，BSBFJ和NHJ的土壤總孔隙度分別為35.53%，37.98%，36.04%和36.34%，各處理組相對CK不同程度的提高了土壤總孔隙度，其中BSJ組與CK之間差異顯著(p<0.05)。在10—20 cm，裸沙地與其他處理之間差異顯著(p<0.05)，其他處理之間差異不顯著(p>0.05)，3種改良劑中NHJ處理的土壤孔隙度最大達到38.15%。在20—30 cm，BSJ和BSBFJ處理的總孔隙度與CK之間差異顯著(p<0.05)，其中BSJ處理的土壤孔隙度最大達到38.59%，NHJ與CK差異不顯著(p>0.05)。

對比相同處理不同土層的田間持水量可以發現，裸沙地各土層之間無顯著差異(p>0.05)。CK，BSBFJ，NHJ各土層之間差異性表現出10—20 cm與其他兩層之間差異顯著(p<0.05)，BSJ各土層之間差異均達到顯著性水平(p<0.05)，并且CK，BSJ，BSBFJ，NHJ的田間持水量在0—30 cm范圍內均表現出先增大后減小的趨勢；在0—10 cm，裸沙地和CK與各處理之間差異顯著(p<0.05)，BSJ，BSBFJ，NHJ之間差異不顯著，BSJ處理的田間持水量最大為23.75%，BSBFJ和NHJ的田間持水量相差不大。在10—20 cm和20—30 cm表現出相同的規律，BSJ，BSBFJ與其他處理之間差異顯著(p<0.05)，在10—20 cm土層，BSJ和BSBFJ的田間持水量處于較高的水平，分別為25.28%和25.31%，20—30 cm土層范圍內BSJ和BSBFJ的田間持水量分別為22.62%和22.84%。

通過分析土壤入滲速率可知，裸沙地和CK的土壤入滲速率處于較高的水平，且0—30 cm內各土層之間無顯著差異(p>0.05)。BSJ中0—10 cm的土壤入滲速率與其他兩層之間差異顯著(p<0.05)，BSBFJ和NHJ在0—30 cm內各土層之間差異不顯著(p>0.05)，BSJ和BSBFJ處理的土壤入滲速率處于相對較小的水平，基本都維持在8 mm/min以下；在0—10 cm各處理之間無顯著差異(p>0.05)，BSJ，BSBFJ，NHJ處理相比較CK有所下降，3者之間入滲速率相差不大。在10—20 cm范圍內BSJ和BSBFJ分別與裸沙地和CK之間差異顯著(p<0.05)，NHJ與CK之間差異不顯著(p>0.05)。在20—30 cm，3種改良劑處理后的土壤入滲速率與CK之間無顯著差異(p>0.05)。

2.2 不同改良劑對沙化土壤pH值和養分的影響

表3為不同處理下沙化土壤化學指標的變化情況。由表3可知，BSJ處理的土壤pH值與其他處理之間差異顯著(p<0.05)，對調節沙化土壤酸堿度效果相對明顯，其他各處理之間差異不顯著(p>0.05)；各處理之間土壤速效氮變化較大，裸沙地速效氮含量最低為14.51 mg/kg，BSJ處理的土壤速效氮含量最高為21.00 mg/kg，BSJ處理分別與裸沙地和NHJ處理的土壤速效氮差異顯著(p<0.05)；各處理之間速效磷變化較大，裸沙地速效磷含量最低為14.69 mg/kg，BSJ處理的土壤速效磷含量最高為24.85 mg/kg，BSJ處理與裸沙地、CK、BSBFJ的土壤速效磷之間差異顯著，3種改良劑中BSJ和NHJ處理的土壤速效磷含量較高，而BSBFJ處理的土壤速效磷相對較低與CK組相近；各處理之間速效鉀含量差異較大，各處理的速效鉀含量分別為28.89，69，74.24，103.36和99.64 mg/kg，BSBFJ和NHJ的施用對提高土壤速效鉀效果相對明顯，BSBFJ和NHJ與CK之間差異顯著(p<0.05)，BSJ與CK之間差異不顯著(p>0.05)；各處理之間有機質含量相差不大，裸沙地有機質含量最低為1.03 g/kg，BSBFJ處理的土壤有機質含量最高為2.91 g/kg，除了裸沙地組與BSBFJ組之間差異顯著(p<0.05)，其他各處理之間差異不顯著(p>0.05)。

表3 不同處理對土壤化學性質影響

由于不同改良劑作用于沙化土壤上對養分的保留及肥料的累積效應，導致各處理下土壤速效養分存在差異(表3)。結合全國第二次土壤普查分級標準(表4)可以發現[16]，各個處理對調節土壤速效氮作用不太明顯，各處理的土壤速效氮均處于極缺的水平；未施用改良劑的土壤速效磷處于中等水平，3種改良劑中BSJ的施用對提高土壤速效磷相對較好，BSJ處理的土壤速效磷達到較豐富的水平；裸沙地的土壤速效鉀處于極缺的狀態，CK，BSJ，NHJ組土壤速效鉀處于較缺的水平，施用保水劑對土壤速效鉀調節作用不明顯，施用BSBFJ對調節土壤速效鉀的效果相對較好，土壤速效鉀含量處于中等水平；裸沙地和CK組的土壤有機質含量均處于極缺的水平，通過添加3種改良劑后土壤有機質含量變化較小，BSBFJ處理的土壤有機質含量最高，各處理有機質含量依然處于極缺的水平。

表4 全國第二次土壤普查分級標準

2.3 不同改良劑對沙米干物質量和土壤微生物數量及酶活性的影響

通過分析不同處理下沙米的干物質量(圖1)，可知CK，BSJ，NHJ，BSBFJ處理的沙米干物質總量分別為72.10，526.74，199.35和595.68 g/m2，地上部分干重分別為65.97，497.94，187.12和553.46 g/m2，3種改良劑的施用顯著提高沙米的干物質量。BSJ，NHJ，BSBFJ處理的沙米干物質量均與CK之間差異顯著(p<0.05)，BSJ與BSBFJ處理的沙米干物質量之間差異不顯著(p>0.05)。由此可以看出3種改良劑BSBFJ處理對提高沙米干物質量效果最佳，其次是BSJ，最后為NHJ。

不同處理下土壤細菌、真菌、放線菌的數量不同并且相差較大(表5)。土壤細菌含量的高低表現為：裸沙地

注：不同小寫字母表示不同處理下沙米總干物質之間差異顯著(p=0.05)

圖1 不同處理下沙米干物質量

表5 不同處理土壤微生物數量及酶活性

裸沙地和CK組中的土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶酶活性相比3種改良劑處理的土壤酶活性相對較低。其中各處理土壤脲酶活性高低為：裸沙地

3 討 論

土壤的物理性質是影響植物生長的重要因素之一，土壤物理性質的差異直接影響著其礦質養分的供應，進而影響作物的生長[17]。沙化土壤中施入不同的改良劑可以有效調節土壤的物理性狀，研究結果表明，BSJ和BSBFJ對降低沙化土壤容重和土壤入滲速率、提高土壤總孔隙度和田間持水量優于NHJ。分析原因主要是因為BSJ和BSBFJ的成分中含有農林保水劑材料聚丙烯酸鉀，這些保水材料吸水后膨脹，由顆粒狀變成多枝纖維狀填充原有的土壤孔隙[18]，使得土體膨脹從而降低了土壤容重，增加其土壤總孔隙度和田間持水量，當保水材料溶于水后使水的粘滯度增加，水分在土壤中流動摩擦力增大滲透速率就會下降。而NHJ則是通過其包含的亞麻籽膠具有較強的黏合力，促進土壤中的微團聚體結構的形成，增加沙化土壤中的小孔隙數量，來實現降低容重和滲透速率，提高孔隙度和田間持水量。類似的員學峰[19]的研究也發現，土壤中施入PAM可以有效降低土壤容重，增加土壤的孔隙度。此外，PAM易于將周圍分散的土粒和礦質物質膠結在一起形成微團聚體，增強土壤的保水性能。3種改良劑在0—30 cm范圍處理的土壤容重和田間持水量表現為在0—20 cm土壤容重顯著降低，田間持水量明顯增加，而20—30 cm土壤容重和田間持水量基本沒有改變。BSBFJ和NHJ對土壤總孔隙度的調節作用不強，而BSJ對0—30 cm各層土壤總孔隙度的調節作用相對明顯，在0—10 cm土壤總孔隙度增大的幅度最大。3種改良劑在0—30 cm范圍對土壤入滲速率降低的程度表現為：BSJ>BSBFJ>NHJ，并且隨著土層增加降低土壤入滲速率效果減弱。根據以上分析可知，3種改良劑在降低沙化土壤容重和入滲速率，提高土壤總孔隙度和田間持水量效果表現為：BSJ>BSBFJ>NHJ,并且隨著土層增加3者調節土壤物理性質作用減弱，這可能受改良劑和沙米根系活動共同作用影響。植物在適應水分脅迫條件根系主要有兩種表現，一方面其根系表層化，趨向于淺層土壤區域，以充分利用降雨，從而占據更強的競爭優勢；另一方面根系會向下延伸至深層土壤，以保證其獲取充足的水分。沙米的根系表現出深根性的特點，黃剛[20]等在科爾沁沙地的研究發現沙米的主根通常可以伸入土層達60 cm，其側根主要集中20—30 cm。植物的根系生長旺盛時會對其周圍土壤有一定的擠壓作用，使其周圍土壤變得緊實。宋自影等[21]研究發現，植物的根系會對土壤產生不同大小的機械壓力，并隨土層呈現出一定變化。因此，在本研究中3種改良劑調節土壤物理性質的作用會隨著土層增加而減弱。

3種改良劑的施用不同程度的降低了土壤中的pH值，BSJ對降低土壤pH值效果最好，分析原因是保水材料吸水膨脹，切斷土壤上下部的毛管孔隙，降低其土壤水分蒸發，進而實現降低土壤pH值。3種改良劑對提高土壤速效氮和有機質的效果不明顯，3者處理的土壤速效氮和有機質含量依然處于極缺的水平。這主要是因為沙米在種植過程中僅僅施入有機肥作為底肥，在生長過程中未進行追肥，沙化土地自身有機質含量與速效氮含量處于極缺的水平。各處理的土壤速效磷和速效鉀含量相比CK均有所增加，其中BSJ和NHJ處理的土壤速效磷由中等水平提高至較豐富水平，BSBFJ處理的土壤速效鉀含量由較缺提高至中等水平。毛思帥[22]的研究也發現，沙地中種植燕麥時加入保水劑等材料，在收獲期土壤速效磷和速效鉀含量明顯提高。這主要是因為改良材料中的聚丙烯酸鉀與土壤中小顆粒結合形成團聚體結構，增加了對水分和養分的吸附能力，當植物生長需要時釋放出來[23]。而亞麻籽膠可以使沙子相互之間形成約束力，提高沙化土壤顆粒之間的粘合力，進而改變沙化土壤結構，促進沙化土壤內團聚體結構形成，增加土壤保肥效果。

4 結 論

(1) 3種改良劑對降低沙化土壤容重和入滲速率、提高土壤總孔隙度和田間持水量效果表現為：保水劑(BSJ)>保水保肥劑(BSBFJ)>粘合劑(NHJ),且隨著土層深度增加，3者調節土壤物理性質的作用減弱。

(2) BSJ對降低土壤pH值、提高土壤速效氮、速效磷含量效果最好，BSBFJ對提高土壤速效鉀和有機質含量效果最明顯，NHJ對調節土壤養分作用不明顯。3種改良劑對提高沙米的總干物質量程度表現為：BSBFJ>BSJ>NHJ。

(3)各改良劑可以有效地提高沙化土壤中微生物數量及酶活性，NHJ對提高土壤細菌、放線菌數量、脲酶活性效果最佳，BSBFJ對提高土壤真菌數量、蔗糖酶活性、磷酸酶活性最佳，BSJ在提高土壤細菌、脲酶活性、蔗糖酶活性和磷酸酶活性作用不明顯，對提高土壤放線菌和真菌數量的效果是介于BSBFJ和NHJ之間。

(4) 綜合考慮改良劑對調節土壤理化性質、微生物數量、酶活性及沙米干物質量的作用，3種改良劑效果表現為：BSBFJ>BSJ>NHJ，建議在庫布齊地區沙化土地改良工作中應優先選擇BSBFJ。