陳志超，李 寧，劉昌華

(1．河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000； 2．新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

古爾班通古特沙漠位于歐亞大陸內(nèi)部的準噶爾盆地腹地，是我國第二大沙漠，也是我國最大的固定與半固定沙漠。但由于引額濟烏引水工程、沙漠公路工程和油氣資源開發(fā)，一定程度上破壞了固定與半固定地表的植被，誘導沙丘移動，客觀上增加了風沙天氣的出現(xiàn)頻率。因此，治理工程擾動帶遭受破壞的工程跡地是保障引水工程河道安全、公路交通安全乃至區(qū)域生態(tài)安全的重要內(nèi)容。

草方格沙障是一種機械防風固沙技術(shù)，其采用生物材料在地表組成障礙干擾風沙流的運行，通過改變下墊面性質(zhì)，增加地面粗糙程度以改變風沙運動條件，被廣泛應用于工程主體建成后擾動帶地表流沙的固定[1-5]。目前關(guān)于草方格沙障應用技術(shù)和流沙綜合治理方面的研究取得了一系列研究成果，但這些成果主要集中于防風固沙機制機理[5-8]和人工植被固沙效果[9-10]等領(lǐng)域，而對植被生長的基礎(chǔ)物質(zhì)土壤的研究相對較少[11]，從而無法全面評價草方格沙障技術(shù)。本研究以引額濟烏工程附近不同設(shè)置年限草方格沙障為研究對象，分析土壤養(yǎng)分變化特征，以期闡明草方格沙障設(shè)置對土壤養(yǎng)分的影響，從而為沙漠重大工程區(qū)擾動帶的植被恢復與生態(tài)重建提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況 古爾班通古特沙漠位于我國西北部的新疆準噶爾盆地腹地，其范圍在 44°11′～46°20′ N，84°31′～90°00′ E，是我國最大的固定半固定沙漠，面積達4.88×104km2，海拔300～600 m，沙漠南緣區(qū)與遠處天山的沖積、洪積扇緣相接，構(gòu)成了天山北坡至盆地自然垂直帶的基帶[12]。古爾班通古特沙漠年積溫3 000～3 500 ℃·d ，年平均氣溫6～10 ℃，年降水量70～150 mm，冬季有20 cm的穩(wěn)定積雪，降水季節(jié)分配均勻，冬春兩季降水占全年的30%～45%，年蒸發(fā)量2 000 mm以上，古爾班通古特沙漠南緣有較豐富的地下水分布，屬于典型的內(nèi)陸干旱氣候[13]。該沙漠沙丘表面植被覆蓋度可達15%～50%，白梭梭(Haloxylonpersicum)、梭梭(H.ammodendron)、蛇麻黃(Ephedradistachya)、沙拐棗(Calligonumleucocladum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)和白莖絹蒿(Seriphidiumterraealbae)等沙生植物構(gòu)成的小半喬木、灌木和小半灌木群落在該沙漠分布廣泛。

新疆引額濟烏引水工程由北向南貫穿整個古爾班通古特沙漠，全長170.38 km，是目前世界上最長的沙漠引水工程。工程施工對沙漠固定或半固定狀態(tài)的破壞，導致輸水工程兩側(cè)一定范圍內(nèi)沙丘活化，風沙流嚴重，生態(tài)恢復初期優(yōu)先采用草方格作為主要的阻沙、導沙工程。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置 在引額濟烏引水工程沿線分別選擇鋪設(shè)1～2年、3～4年、5～6年、更新1～2年、更新2～3年的草方格沙障作為樣地，并設(shè)置對照區(qū)(未鋪設(shè)草方格沙障的工程擾動帶)。

1.2.2土壤樣品采集與測定 樣地和對照區(qū)內(nèi)各隨機選擇5個樣方(1 m×1 m)進行采樣，每個樣方內(nèi)沿著對角線，使用土鉆采集0～40 cm表層土樣5個，共采集150個土壤樣品，帶回實驗室風干處理后過1 mm土壤篩備用。土壤樣品分析指標為有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀，分別采用重鉻酸鉀法、堿解蒸餾法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和火焰分光光度法測定[14]。

1.2.3數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用LSD檢驗進行單因素方差分析，檢驗不同設(shè)置年限之間土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的差異性，顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1草方格沙障對土壤有機質(zhì)含量的影響 草方格內(nèi)部沙土的有機質(zhì)含量在3.23～3.58 g·kg-1，而未鋪設(shè)草方格的流動沙地土壤有機質(zhì)含量平均值為3.14 g·kg-1(圖1)，說明設(shè)置草方格沙障增加了土壤有機質(zhì)含量。草方格沙障區(qū)土樣有機質(zhì)含量最大值出現(xiàn)在沙障鋪設(shè)后5～6年，為3.58 g·kg-1，比對照增加了14%，而草方格鋪設(shè)1～2年后土壤有機質(zhì)含量與對照差異不顯著，其它鋪設(shè)年限均顯著高于對照(P<0.05)，但草方格鋪設(shè)后期(5～6年、更新1～2年、更新2～3年)各樣方之間土壤有機質(zhì)差異不顯著(P>0.05)，說明土壤有機質(zhì)積累隨著草方格布設(shè)時間逐漸增加，但積累到一定量后，積累速率趨于平緩。

2.2草方格沙障對土壤速效氮含量的影響 草方格設(shè)置對土壤速效氮含量的影響基本趨同于對土壤有機質(zhì)含量的影響(圖1)，鋪設(shè)草方格沙障的區(qū)域與對照區(qū)相比，土壤速效氮的含量明顯提高，鋪設(shè)時間越長，差異越顯著。鋪設(shè)1～2年的草方格土壤速效氮含量與對照差異不顯著(P>0.05)；鋪設(shè)3～4年后的草方格土壤速效氮含量與對照差異顯著(P<0.05)。最高值出現(xiàn)在更新2～3年,為26.9 mg·kg-1，比對照8.33 mg·kg-1高出223%。

2.3草方格沙障對土壤速效磷含量的影響 雖然草方格鋪設(shè)能夠增加土壤有效磷含量，但增幅不明顯，表現(xiàn)為對照區(qū)土壤速效磷含量為2.16 mg·kg-1，草方格土壤速效磷最大值為更新2～3年的2.67 mg·kg-1(圖2)。除更新2～3年草方格速效磷含量與對照區(qū)差異顯著外(P<0.05)，其它年限草方格設(shè)置區(qū)的土壤速效磷含量與對照區(qū)差異均不顯著(P>0.05)，說明草方格鋪設(shè)對土壤速效磷的影響不明顯。

圖1 不同鋪設(shè)年限草方格沙障土壤有機質(zhì)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草方格沙障對土壤速效鉀含量的影響 土壤速效鉀的變化趨勢基本上與有機質(zhì)變化趨勢一致(圖2)。草方格鋪設(shè)除1～2年土壤速效鉀含量與對照差異不顯著外(P>0.05)，其它年份與對照差異均顯著(P<0.05)。最大值出現(xiàn)在更新2～3年，為159 mg·kg-1，比對照區(qū)增加了73%(圖2)。

圖2 不同鋪設(shè)年限草方格沙障土壤速效磷和速效鉀含量Fig.2 Effects of different age period of straw checkerboard barriers on soil available phosphorus anf potassium content

3 討論與結(jié)論

草方格沙障使用的材料一般為小麥秸稈、稻草或蘆葦稈等，根據(jù)需要在沙丘上扎成一個1 m×1 m草方格，地上高約15 cm，埋入沙土深約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盡，埋入沙土中的草方格7年左右也全部腐爛[15]。草方格沙障的鋪設(shè)，不僅能夠有效固定沙面，而且在不斷分解的過程中，活化了土壤中微生物活性，加速了微生物對草方格的礦化作用，隨著鋪設(shè)時間的延長，對草方格內(nèi)的土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響。本研究中，隨著草方格鋪設(shè)時間的延長，土壤肥力有了較明顯提高，有機質(zhì)、速效氮和速效鉀含量增加，尤其以速效氮和速效鉀的增加最為顯著，一般在草方格鋪設(shè)5～6年時達到較高值。

本研究中，土壤養(yǎng)分含量隨草方格沙障鋪設(shè)時間延長而逐漸增加，但達到一定階段后增加趨于平緩。草方格的鋪設(shè)，一方面防風阻沙、分解有機物質(zhì)，另一方面，可以將夜間空氣中凝結(jié)的水分、微弱的降水、懸濕水層(初春季懸濕水層距地表較近，約10 cm，初夏則為20～40 cm)[16]水分蓄積在沙層表面，一定程度上為淺根植物的生長提供了短暫的水分供應。有研究表明[7]，無人工輔助條件下，在草方格設(shè)置當年草本植物即可侵入，但是多為一年生的短命植物。生物作用弱，土壤有機質(zhì)分解速率低，故鋪設(shè)1～2年的草方格對土壤養(yǎng)分的提高作用不顯著，雖然土壤有機質(zhì)與對照區(qū)有明顯差異，但與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)的速效氮、速效鉀含量[17-18]，卻與對照區(qū)差異不顯著。隨著草方格鋪設(shè)年限的增長，草方格捕獲的大氣粉塵的不斷積累、分解，固氮植物和生物結(jié)皮也逐漸發(fā)育，定居的生物種也逐步增加，生物作用更加明顯，加速了土壤養(yǎng)分的積累，故研究區(qū)土樣有機質(zhì)含量最大值出現(xiàn)在沙障建植后5～6年，為3.58 g·kg-1，比對照區(qū)增加了14%；速效氮、速效磷、速效鉀稍滯后于有機質(zhì)達到最大值。更新后的草方格分解又重新開始，而且植物生長會消耗部分的有機質(zhì)，所以更新后草方格內(nèi)的土壤有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量累積減緩。磷在土壤中穩(wěn)定性較大，不易流動和損失，也難被植物吸收利用[19]，故對照區(qū)與草方格設(shè)置區(qū)的土壤速效磷含量差異不顯著。但由于鋪設(shè)更新2～3年草方格定居植物凋落物分解較為顯著，而且土壤中有效磷主要來源于植物歸還土壤的磷[20]，所以土壤速效磷在鋪設(shè)更新2～3年時與對照區(qū)的含量差異最為明顯。

總的來說，草方格沙障的鋪設(shè)，一方面可以防風固沙，另一方面，土壤定向培育也呈現(xiàn)出正向反饋。但土壤養(yǎng)分在土壤與草方格、植被之間的運移機制仍需要深入研究[21]。

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