發(fā)布時(shí)間：2022-06-08所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:隨著一帶一路戰(zhàn)略的推進(jìn)與科學(xué)技術(shù)的不斷完善,沙漠治理技術(shù)趨向于探尋更加經(jīng)濟(jì)、高效與可持續(xù)的方法. 土壤改良劑作為一種有效的手段已廣泛應(yīng)用于沙漠環(huán)境治理尤其是沙質(zhì)土壤質(zhì)量的提升. 沙質(zhì)土壤施用土壤改良劑可有效改善其理化性質(zhì),使之更有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育;
摘要:隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)與科學(xué)技術(shù)的不斷完善,沙漠治理技術(shù)趨向于探尋更加經(jīng)濟(jì)、高效與可持續(xù)的方法. 土壤改良劑作為一種有效的手段已廣泛應(yīng)用于沙漠環(huán)境治理尤其是沙質(zhì)土壤質(zhì)量的提升. 沙質(zhì)土壤施用土壤改良劑可有效改善其理化性質(zhì),使之更有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育;可提高植物固沙效率、降低投入成本. 本文通過(guò)對(duì)比分析不同治沙技術(shù),綜述了沙漠治理中沙質(zhì)土壤的改良方法,重點(diǎn)闡述了土壤改良劑在沙質(zhì)土壤改良中的作用機(jī)理、有效性及其在沙漠治理中的應(yīng)用狀況,并對(duì)其未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.
關(guān)鍵詞:沙漠治理;土壤改良劑;沙質(zhì)土壤;土壤特性
全球沙漠主要分布于極端干旱、干旱、半干旱和部分半濕潤(rùn)地帶,占陸地總面積的 20% 左右, 對(duì)區(qū)域氣候的影響不容忽視[1—2] . 中國(guó)是世界上干旱區(qū)和半干旱區(qū)分布面積最大的國(guó)家之一,其中沙漠面積約占全國(guó)陸地總面積的 13% ,主要集中分布于西北干旱區(qū),約占全國(guó)沙漠總面積的 80% [3—4] . 截至 2014 年, 我國(guó)荒漠化土地面積 261. 16 萬(wàn) km 2 ,沙化土地面積 172. 12 萬(wàn) km 2 ,分別占國(guó)土總面積的 27. 20% 和 17. 93% [5—6] . 沙漠化防治及生態(tài)環(huán)境保護(hù)是干旱半干旱區(qū)面臨的主要環(huán)境問(wèn)題.
我國(guó)沙漠化防治工作于 20 世紀(jì) 50 年代末初步開(kāi)展考察與改造利用研究. 竺可楨在指導(dǎo)工作時(shí)就經(jīng)常論及沙漠化方面的問(wèn)題[7—9] ,指出“由于人為的原因,把不應(yīng)該成為沙漠的地方破壞成為了沙漠”,“在陜西和內(nèi)蒙古伊克盟的毛烏素 53 萬(wàn) hm 2 多沙荒大都是這樣造成的”,即所謂的“人造沙漠”. 他提出了兩種治理流沙的措施,要求從風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)、水分平衡、固沙植物的生理生態(tài)特征等方面去綜合研究植物固沙. 1977 年聯(lián)合國(guó)沙漠化大會(huì)正式提出以“沙漠化”為對(duì)象開(kāi)始多學(xué)科綜合研究與防治實(shí)踐工作. 我國(guó)沙漠科技工作者在沙區(qū)自然條件與資源、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、農(nóng)田草場(chǎng)防風(fēng)治沙、沙區(qū)水土資源合理開(kāi)發(fā)利用等方面開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐推廣工作,為北方地區(qū)大規(guī)模開(kāi)展沙漠化研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 然而,隨著中國(guó)西部發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)及“一帶一路” 戰(zhàn)略的實(shí)施,國(guó)家對(duì)沙漠化的防治措施提出了更高的要求. 因此,探尋一種既符合生態(tài)安全又高效經(jīng)濟(jì)的沙漠化防治方法是沙漠治理研究中的重要課題.
土壤改良劑又稱為土壤調(diào)理劑,多應(yīng)用于退化土壤,如酸性土壤、堿性土壤、鹽漬化土壤、污染土壤、沙化土壤等. 已有研究表明,沙土中施加改良劑能有效改善沙土結(jié)構(gòu),提高沙土持水保肥能力,有利于植物在沙土環(huán)境中生存,是一種既可以修復(fù)生態(tài)環(huán)境又能提高生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展的固沙措施[10—12] . 近些年,隨著土壤改良劑效能的不斷改進(jìn)及使用技術(shù)的不斷完善成熟,以及環(huán)境友好型產(chǎn)品的研發(fā),其在沙漠治理中的應(yīng)用逐漸發(fā)展為研究的熱點(diǎn). 本文基于前人對(duì)沙漠土壤治理的研究,通過(guò)對(duì)比分析,綜述了土壤改良劑在沙質(zhì)土壤改良中的作用機(jī)理、有效性及其在沙漠治理中的應(yīng)用狀況,并對(duì)其未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.
1 沙漠治理技術(shù)分析
傳統(tǒng)上,沙漠治理的技術(shù)主要有工程治沙、生物治沙、化學(xué)治沙、綜合防沙治沙等(見(jiàn)表 1),其中工程治沙、生物治沙已廣泛研究和應(yīng)用,并對(duì)沙漠的治理起到了積極作用,其他方法也已有大量的研究和探索.
1. 1 工程治沙技術(shù)
工程治沙技術(shù)是采用各類機(jī)械手段來(lái)防止風(fēng)沙移動(dòng)的固沙措施,應(yīng)用較早. 工程治沙分為兩種:機(jī)械阻沙和沙障固沙. 機(jī)械阻沙的主要方法是采用防沙網(wǎng)或擋沙墻來(lái)阻擋風(fēng)沙和引導(dǎo)沙粒的走向,進(jìn)而縮小流沙的活動(dòng)范圍,阻止沙漠的進(jìn)一步擴(kuò)張. 沙障固沙通常是在沙漠表面鋪設(shè)障礙物,改變風(fēng)沙流動(dòng)的速度、方向和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等,進(jìn)而減弱風(fēng)沙移動(dòng)及影響區(qū)域微地貌狀況等[13—16] . 工程治沙技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是起效迅速且耗水少,缺點(diǎn)是在風(fēng)沙較大的區(qū)域很難達(dá)到固沙效果,且隨著時(shí)間推移容易失效,因此只是一種臨時(shí)的輔助性固沙措施.
1. 2 生物治沙技術(shù)
生物治沙技術(shù)通過(guò)沙生植物的生長(zhǎng)繁殖,不僅能夠防風(fēng)固沙及改善沙漠環(huán)境,還能生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物或藥材,提供飼料或燃料,是一種兼具生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的治沙技術(shù)[17—20] ,也是最有效、最根本的治沙技術(shù). 如我國(guó)新疆地區(qū)塔克拉瑪干沙漠公路沿線防護(hù)林的建設(shè),為世界沙漠地區(qū)生物防沙起到了示范作用. 然而,能在干旱沙漠中生長(zhǎng)的植物種數(shù)量稀少,成活率極低且生長(zhǎng)周期較長(zhǎng), 因此生物固沙初期的效果較差且易被破壞,需要投入大量人力和財(cái)力,長(zhǎng)期才能發(fā)揮明顯作用.
1. 3 化學(xué)治沙技術(shù)
化學(xué)治沙技術(shù)是在沙漠表面鋪設(shè)天然或人工合成的化學(xué)膠結(jié)材料,形成固結(jié)層,來(lái)防止風(fēng)沙移動(dòng)[21] . 固結(jié)層可以固結(jié)沙面、防止風(fēng)力吹蝕和保持土壤下層水分,同時(shí)具有光滑且堅(jiān)實(shí)的表面,有助于風(fēng)沙順利輸移到固定區(qū)域[22—23] . 固沙劑按原材料可以分為四類:水玻璃類、石油產(chǎn)品類、水泥漿類和合成高分子類,據(jù)統(tǒng)計(jì)目前已開(kāi)發(fā)出一百余種化學(xué)固沙劑,如硅酸鉀固沙劑、瀝青乳液、聚乙烯醇類固沙劑等[24—25] . 化學(xué)治沙實(shí)施簡(jiǎn)單,起效快,但只能固定地表流沙,不能從根本上遏制沙漠的擴(kuò)張. 另外,使用化學(xué)固沙劑還應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境的影響,固沙物質(zhì)應(yīng)是易于被降解且無(wú)毒無(wú)害, 不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害的材料. 目前,雖然在化學(xué)固沙物質(zhì)方面做了大量研究,但是還未得到廣泛應(yīng)用.
1. 4 綜合治沙技術(shù)
對(duì)于大面積的沙漠治理工程而言,采用單一的固沙方法可能會(huì)出現(xiàn)固沙成本高、效率低和無(wú)法達(dá)到預(yù)期固沙效果,因此,為了降低固沙成本并提高固沙效率,綜合固沙技術(shù)越來(lái)越受到重視和采納. 常采用的綜合固沙技術(shù)有工程固沙和植物固沙結(jié)合、植物固沙和化學(xué)固沙結(jié)合以及植物固沙和沙土改良結(jié)合等. 在科爾沁沙地,采用工程固沙和植物固沙相結(jié)合的方法,沙丘上鋪設(shè)草方格并在草方格內(nèi)種植小葉錦雞兒和山竹子等固沙植被,發(fā)現(xiàn) 綜 合 治 沙 技 術(shù) 能 達(dá) 到 較 好 的 固 沙 效果[26] . 在騰格里沙漠,運(yùn)用噴灑適于植物生長(zhǎng)的化學(xué)固沙劑,發(fā)現(xiàn)三種固沙劑均能促進(jìn)沙地植株的生長(zhǎng)發(fā)育[22] .
2 土壤改良劑在沙漠治理中的應(yīng)用
近年來(lái),土壤改良劑在沙漠治理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛. 沙土改良技術(shù)是添加能夠改善沙質(zhì)土壤性質(zhì)的改良劑,使其具有穩(wěn)定沙土、改善沙土漏水漏肥特性,從而更適合植物存活和生長(zhǎng). 添加土壤改良物質(zhì)更有利于實(shí)現(xiàn)沙漠的生態(tài)恢復(fù),因此是一種既經(jīng)濟(jì)高效又可以持續(xù)利用的方法[27—28] . 沙土改良可從根本上解決沙漠環(huán)境中植物生長(zhǎng)較差的問(wèn)題,因此無(wú)論在前期植物栽植還是后期維護(hù),都能達(dá)到節(jié)約固沙成本的目的. 土壤改良劑能促進(jìn)沙漠植物的生長(zhǎng),短期就能達(dá)到較好的固沙效果. 但目前高效低用量、環(huán)境友好型改良劑的研發(fā)還不成熟.
土壤改良劑在沙土中應(yīng)用主要不是為植株生長(zhǎng)提供養(yǎng)分,而是改良沙土自身性質(zhì),從而使植物能在沙土環(huán)境中更好的生長(zhǎng). 19 世紀(jì)末研究者發(fā)現(xiàn)將藻朊酸鈉添加到土壤中,少量施用就有明顯的改土效果. 自此以后,改良劑的研究逐漸展開(kāi), 改良劑的研究發(fā)展經(jīng)歷了從天然物質(zhì)中提取到合成人工改良劑. 20 世紀(jì) 80 年代,土壤改良劑的研制及應(yīng)用達(dá)到高潮,并開(kāi)始與生物固沙技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于沙漠治理. 21 世紀(jì)以來(lái),土壤改良劑發(fā)展進(jìn)入合成階段,根據(jù)土壤的不同性質(zhì)與需求合成不同功效的改良劑. 適合于沙地的土壤改良劑按照組成和來(lái)源可以分為無(wú)機(jī)改良劑、有機(jī)改良劑、人工合成改良劑和生物改良劑[29-30] .
2. 1 無(wú)機(jī)改良劑
目前研究適用于沙漠治理的無(wú)機(jī)改良劑主要包括膨潤(rùn)土、磷石膏、沸石和粉煤灰等.
膨潤(rùn)土是一種主要由蒙脫石(含量 85% ~ 90% )組成的細(xì)粒粘土. 自身具有較強(qiáng)的吸水性和膨脹性,可吸附自身質(zhì)量十倍左右的水分;膨潤(rùn)土的 2 ∶1型晶體結(jié)構(gòu)所形成的層狀結(jié)構(gòu)會(huì)吸附 K,Na,Mg 等陽(yáng)離子,使膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的離子交換性能和粘著性等[29] . 李浩等[30] 用膨潤(rùn)土與丙烯酸鹽接枝聚合,制成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土壤改良劑,應(yīng)用于沙漠公路的邊坡及防護(hù)林. 我國(guó)膨潤(rùn)土資源極為豐富,儲(chǔ)量占世界第一,價(jià)格低廉,在沙土改良方面應(yīng)用前景廣闊.
磷石膏(主要成分為 CaSO4·2H2O)是磷肥、磷酸生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物,據(jù)統(tǒng)計(jì)每生產(chǎn) 1 t 磷酸會(huì)產(chǎn)生約 5 t 的磷石膏,但目前我國(guó)磷石膏的綜合利用效率較低. 我國(guó)每年排出的磷石膏渣占用大量土地,利用磷石膏改良沙土是廢棄物的再利用,既能消除污染又能改變沙漠環(huán)境. 磷石膏可將細(xì)顆粒吸附到其周圍,形成水穩(wěn)性較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),并 富 含 有 效 鈣 和 有 效 磷, 能 夠 增 加 土 壤養(yǎng)分[31—33] .
沸石是一種含水的鋁硅酸礦物,沸石晶體的架狀結(jié)構(gòu)使其具有較大孔隙度和比表面積,而沸石內(nèi)部豐富的孔道使水分和陽(yáng)離子能自由通過(guò)并為陽(yáng)離子發(fā)生交換反應(yīng)提供場(chǎng)所,因此沸石具有極強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力和水分吸附能力;同時(shí)沸石含有二十多種植物生長(zhǎng)所需的常量和微量元素[34] . 有研究者將其用于保水性較差的沙土中來(lái)提高沙土持水能力[35—36] .
粉煤灰是燃煤電廠排放的副產(chǎn)物,呈多孔狀的蜂窩結(jié)構(gòu),因此具有較大的孔隙度和比表面積, 吸附能力較強(qiáng);同時(shí)粉煤灰顆粒含有多種微量元素,能促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成,在沙土改良中有巨大的應(yīng)用潛力. 但是粉煤灰中含有重金屬和放射性元素, 因 此 應(yīng) 充 分 考 慮 其 對(duì) 土 壤 的 毒 害 作用[37-38] . 已有學(xué)者將粉煤灰與聚丙烯酰胺(PAM) 混合施用,認(rèn)為能避免高含量粉煤灰對(duì)環(huán)境的毒害[39] .
2. 2 有機(jī)改良劑
目前適用于沙漠治理的有機(jī)改良劑主要包括泥炭、生物炭、腐植酸和有機(jī)固體廢物等.
泥炭來(lái)源于天然沼澤地,富含有機(jī)質(zhì),疏松多孔,透氣性好,吸附性能強(qiáng),應(yīng)用于沙土改良,能提高沙土保水保肥能力,改善沙土結(jié)構(gòu). 以泥炭為原材料生產(chǎn)的腐植酸類復(fù)合肥料,在沙土改良領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[40] .
生物炭是秸稈等有機(jī)廢棄物經(jīng)高溫裂解制成的多孔固體產(chǎn)物,生物炭的孔隙度和比表面積較大、離子交換性能較強(qiáng)及含有大量的活化反應(yīng)官能團(tuán)[41—43] ,有利于改良土壤結(jié)構(gòu). 另外,生物炭的碳、氫、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素及 K,Na,Ca,Mg 等離子含量較高,可以有效提高土壤肥力.
腐植酸是土壤中動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)微生物消化分解而產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì),在自然界中廣泛存在. 腐殖酸含有豐富的含氧活性官能團(tuán)(如羧基、醇羥基、酚羥基、甲氧基等),因此腐植酸具有較強(qiáng)的親水性、陽(yáng)離子交換性能、吸附能力及絡(luò)合能力等,有利于改良沙土結(jié)構(gòu). 以腐植酸為原材料制成的保水劑能夠緩慢釋放水分,被廣泛應(yīng)用于沙漠地區(qū)的植被恢復(fù)[44—45] .
有機(jī)固體廢物(如造紙污泥、污水污泥和作物秸稈等) 產(chǎn)量大、利用效率低而且處置不當(dāng)會(huì)污染環(huán)境,是目前固廢處理處置中的難點(diǎn)之一. 使用有機(jī)固廢改良沙土,不僅能有效改良土壤性質(zhì), 而且能達(dá)到固廢資源化利用的目的. 有機(jī)固體廢物富含有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素和眾多微量元素[46—47] ,在土壤改良方面應(yīng)用廣泛. 已有研究將造紙污泥制成顆粒土壤改良劑,發(fā)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,且對(duì)土壤和農(nóng)作物沒(méi)有污染[48] .
2. 3 人工合成改良劑
適用于沙漠治理的人工合成改良劑主要包括聚丙烯酸鹽、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉和高分子保水劑等.
天然土壤改良劑大都有施用量大,施用效果不持久等缺點(diǎn),人工合成改良劑能夠克服以上不足,因此得到越來(lái)越多的應(yīng)用,但研制低成本低用量且對(duì)環(huán)境友好的人工合成改良劑是目前研究的難點(diǎn).
美國(guó)率先合成的高分子改良劑 Krilium,主要成分為聚丙烯酸鈉,吸水性較強(qiáng)且粘度高,能夠促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,不易被微生物降解. 聚乙烯醇(PVA)是生產(chǎn)維尼綸的中間產(chǎn)物,能改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤持水性能. 有研究者使用瀝青乳劑與 PVA 改良沙土,結(jié)果表明兩種改良劑的改土效果 均 隨 用 量 增 加 而 增 加[49] . 聚 丙 烯 酰 胺 (PAM)具有超高的吸水保水能力,是目前人工合成土壤改良劑的研究熱點(diǎn),能反復(fù)吸水,提高水分利用率,被稱為土壤的“微型水庫(kù)”;同時(shí) PAM 易于將周圍分散的土粒和礦質(zhì)物質(zhì)膠結(jié)在一起,形成 微 團(tuán) 聚 體, 因 此 保 水 性 能 和 粘 聚 效 果很強(qiáng)[50—52] .
相關(guān)知識(shí)推薦：研究化肥和土壤的論文發(fā)表雜志推薦
羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種采用稻草、廢棉花等有機(jī)物質(zhì)改性處理得到的含有羧甲基單元的纖維素醚衍生物,是目前使用量最大、使用范圍最廣的纖維素種類. 羧甲基纖維素鈉在自然界中極易獲取,無(wú)毒無(wú)污染且具有很強(qiáng)的粘結(jié)力和保水作用,因此近幾年常被用作土壤改良劑[53—54] . 高分子保水劑( super absorbent polymer,SAP) 是一種使用聚丙烯酸等材料接枝羥基、羧基等強(qiáng)親水性基團(tuán)、使其能吸收保水劑自身質(zhì)量的幾百倍甚至幾千倍水分的高分子材料,能最大限度地保存沙土的水分. 由于其具有用量小、保水性好、見(jiàn)效快等特點(diǎn),在沙漠治理中應(yīng)用前景廣泛[55—56] .
2. 4 生物改良劑
適用于沙漠治理的生物改良劑主要包括微生物菌劑和土壤動(dòng)物等. 微生物菌劑是一類添加特定功能的經(jīng)工業(yè)化擴(kuò)繁的微生物,通過(guò)微生物的呼吸作用等達(dá)到改良土壤、促進(jìn)植物發(fā)育生長(zhǎng)和抑制病菌和特定害蟲的活菌制劑,可同時(shí)發(fā)揮肥料和農(nóng)藥的雙重作用[57] . 土壤動(dòng)物如蚯蚓等的活動(dòng)可以增加土壤透氣性和促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán),對(duì)土壤水分和氣體的傳導(dǎo)產(chǎn)生重要的影響.
3 土壤改良劑作用機(jī)理研究
土壤改良劑對(duì)土壤、植被和區(qū)域環(huán)境均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響,本文著重概述土壤改良劑對(duì)土壤自身的影響.
3. 1 土壤物理性質(zhì)
已有研究表明向沙土中添加土壤改良劑,土壤物理性質(zhì)如容重、孔隙度、土粒密度、顆粒組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量、水分特性等均得到改善. 在秸稈改良沙土的研究中發(fā)現(xiàn),用氨化處理粉碎秸稈改良沙土,能顯著改善沙土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),減小容重,增加孔隙度[58] ;而用麥稈材料(PAM 占 2% ) 改良沙土能顯著改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),同時(shí)飽和含水量顯著增加[59] . 土壤改良劑添加量與 > 0. 25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量成正比,使孔隙度和土壤毛管持水量增加[60] . 土壤質(zhì)量含水率和土壤貯水量隨膨潤(rùn)土的施加而提高,同時(shí)土壤的水分利用效率也顯著提高[61] . 在沙漠表層添加離心脫水污泥,隨添加量的增加,土粒密度及容重降低、土壤孔隙度及持水能力增加[62] . 趙智等[39] 研究認(rèn)為粉煤灰質(zhì)量比為 10% ,PAM 施用量為 120 mg·kg -1 時(shí), 能夠顯著提高土壤田間持水量和有效含水量,減小土壤飽和導(dǎo)水率. 另外,適度添加改良劑,會(huì)增加沙土凝結(jié)水量和水分保蓄能力,并減緩沙土中水分的下滲速度[17] .
3. 2 土壤化學(xué)性質(zhì)
添加土壤改良劑能調(diào)節(jié)土壤的酸堿性,改善作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境. 土壤改良劑可使土壤 pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、陽(yáng)離子交換量、含鹽量等均得到改善. 已有研究發(fā)現(xiàn)添加污泥堆肥產(chǎn)品,使沙土 pH 更利于高羊茅生長(zhǎng),土壤電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量與土壤改良劑添加量成正比[46] . 侯建偉等[63]用生物炭與有機(jī)物料混合改良沙土,發(fā)現(xiàn)沙土的有效養(yǎng)分含量顯著增加. 土壤的 pH 和電導(dǎo)率隨生物炭用量增加而增加,速效 N,P,K 和有機(jī)質(zhì)的含量與生物炭施用量成正比[64] . 沙土有萬(wàn)方數(shù)據(jù) 機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及速效氮、速效磷、速效鉀含量均隨改良劑的用量而增加,顯著提高了沙土的保肥能力[26,65] . 另外,添加土壤改良物質(zhì),土壤的有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量和腐殖質(zhì)含量均顯著增加[66] .
3. 3 土壤生物學(xué)性質(zhì)
添加土壤改良劑可使土壤微生物數(shù)量、種群數(shù)量、土壤酶活性等均得到改善. 適量施用生物炭能顯著增加沙土微生物數(shù)量(如細(xì)菌、真菌、纖維素分解菌、自生固氮菌和氨化細(xì)菌) 以及蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性[43] . 另外,施用有機(jī)碳土壤改良劑與施用化肥比較,細(xì)菌、真菌、放線菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶含量均大幅增加[67] . 腐植酸復(fù)合材料可有效提高沙土的脲酶和過(guò)氧化氫酶活性[42] . 有機(jī)物料和生物炭單獨(dú)施加均能提高沙土微生物量炭、氮含量,混合施用效果好于單獨(dú)施加的累加效果[63] . 施用土壤改良劑顯著增加沙土中脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性及提高了微生物量炭、氮、磷含量[26] .
3. 4 土壤力學(xué)性質(zhì)
沙漠中影響植株生長(zhǎng)的重要的因素之一是流沙的移動(dòng),流沙被風(fēng)吹起后導(dǎo)致植株易被掩埋或根系無(wú)法在松軟的沙土中扎穩(wěn)扎牢,因此植株難以正常生長(zhǎng). 添加土壤改良劑可使土壤力學(xué)性質(zhì)如抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力及抗剪強(qiáng)度等均得到改善. 已有研究認(rèn)為添加改良劑的沙土具有較高的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,從而改善植株的立地條件并提高沙土保水保肥能力[69] . 趙瑩瑩等[70] 將聚丙烯纖維添加到風(fēng)沙土中,通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)證明土體的抗剪強(qiáng)度顯著提高. 另外,土壤抗剪強(qiáng)度與粉煤灰施用量成正比,改良增大了沙土的抗風(fēng)蝕能力[37] . 生物炭施用可降低紅壤的抗壓強(qiáng)度及內(nèi)聚力,對(duì)內(nèi)摩擦角沒(méi)有顯著影響[71] . 喜迎巧等[72] 對(duì)比了羧甲基纖維素鈉、磷石膏及生物炭三種改良劑對(duì)風(fēng)沙土抗剪強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)三種改良劑均能提高沙土內(nèi)聚力,尤其以羧甲基纖維素鈉效果最佳.
3. 5 綜合效應(yīng)
土壤改良劑的改土效果不是單一的,會(huì)同時(shí)改變?cè)嚬┩寥赖亩喾N性質(zhì),而各項(xiàng)性質(zhì)間也會(huì)互相影響,比如土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量越多,土壤結(jié)構(gòu)越優(yōu)良,則更利于存留水分和促進(jìn)植株對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收;土壤養(yǎng)分含量越高,則有助于提高土壤酶活性和增加微生物數(shù)量,進(jìn)一步促進(jìn)植株生長(zhǎng);土壤總孔隙度越大,更有利于植物根系在沙土中扎穩(wěn)扎牢,土壤穩(wěn)定性提高;改良后的土壤結(jié)構(gòu)孔隙狀況良好,土壤不太容易受到外力而變形,彈性模數(shù)較高,土壤的恢復(fù)能力強(qiáng),更有利于沙漠植被的生態(tài)恢復(fù).
4 展望及前景
自十七大提出生態(tài)文明理念以來(lái),國(guó)內(nèi)掀起一場(chǎng)關(guān)于環(huán)境保護(hù)、資源合理利用及可持續(xù)發(fā)展的熱潮,這為經(jīng)濟(jì)趨向于又好又快的發(fā)展模式提供了有力支撐. “一帶一路” 發(fā)展計(jì)劃的提出,將成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展新的格局和增長(zhǎng)點(diǎn). 而陸上絲綢之路經(jīng)過(guò)的歐亞大陸腹地,氣候干燥、水資源嚴(yán)重缺乏,沙漠面積占總面積四分之一以上,將生態(tài)文明理念融入“一帶一路” 建設(shè),將有益于 “一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施. 因此研制與施用能夠改善沙漠環(huán)境的土壤改良劑,對(duì)于我國(guó)特別是西北地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展非常重要.
1984 年錢學(xué)森提出了沙產(chǎn)業(yè)概念,經(jīng)過(guò)幾十年的探索發(fā)現(xiàn),沙產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸成為沙漠地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)之一. 沙產(chǎn)業(yè)是在防沙治沙前提下發(fā)展適合于沙漠的生態(tài)產(chǎn)業(yè),并形成一條可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈. 如新疆的塔克拉瑪干沙漠地區(qū)開(kāi)發(fā)適用于沙地生產(chǎn)的特色林果(如核桃、石榴、紅棗和杏子等)以及特色藥材植物(如肉蓯蓉、甘草、黨參和紅柳等),該地區(qū)特色林果業(yè)和藥材的種植不僅能夠防風(fēng)固沙和改善生態(tài)環(huán)境,而且極大地增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的收入,已經(jīng)在新疆甚至全國(guó)范圍內(nèi)得到較大認(rèn)可[73—74] . 若能將土壤改良劑應(yīng)用到沙漠治理中,沙產(chǎn)業(yè)也將會(huì)得到更好的發(fā)展.
生物固沙是最環(huán)保的固沙方法,但沙漠土壤養(yǎng)分和水分極少,植株存活率低,因此建設(shè)成本和前期維護(hù)成本較高;而在生物固沙前施入少量土壤改良劑將有助于提高固沙效果. 通過(guò)改善沙土的性質(zhì)及環(huán)境,能促進(jìn)固沙植被及經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)繁殖,短期內(nèi)可達(dá)到較好的固沙效果. 沙漠地區(qū)降水稀少,蒸發(fā)量大,水資源短缺,土壤改良劑有助于增強(qiáng)沙土保水保肥能力,可顯著提高植株的水分利用效率,節(jié)約沙漠地區(qū)水資源. 因此,越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注土壤改良劑的研究,目前萬(wàn)方數(shù)據(jù) 已研制出多種天然或人工改良劑. 進(jìn)一步,研制經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且高效的復(fù)合土壤改良劑將對(duì)沙漠治理起到更為積極的作用.
然而,土壤改良劑的應(yīng)用還存在一定的問(wèn)題: 1) 天然改良劑效果一般,施加量較大且容易失效,后期需要補(bǔ)加;部分天然改良劑如粉煤灰還會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生重金屬毒害或污染等環(huán)境問(wèn)題;2)人工合成改良劑的研制過(guò)程復(fù)雜,成本較高,目前多關(guān)注于改良劑施加后對(duì)沙土的即時(shí)效果,而對(duì)于改良劑對(duì)土壤及植物是否存在副作用沒(méi)有深入的研究;3)不同土壤改良劑復(fù)配使用可能會(huì)達(dá)到比單獨(dú)施加累加更好的效果,比如研究者將粘土、腐植酸及有機(jī)肥復(fù)配施用效果好于單獨(dú)施加的累加,但不同改良劑的組合方式及比例還有待研究.
目前土壤改良劑的研究主要集中在改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響機(jī)理方面等,關(guān)于改良劑對(duì)沙土力學(xué)性質(zhì)及土壤環(huán)境影響方面的研究還很缺乏. 沙土中植物難以生長(zhǎng),一個(gè)很重要的原因是風(fēng)沙顆粒分散,受風(fēng)蝕影響大. 因此,如果運(yùn)用改良劑能夠提高土壤的穩(wěn)定性,這將對(duì)沙地人工林建設(shè)及其沙漠土壤的可持續(xù)利用起到非常重要的作用.——論文作者：趙 英1,2 ,喜銀巧2 ,董正武2 ,李生宇2
參考文獻(xiàn):
[1] 朱震達(dá),陳廣庭. 中國(guó)土地沙質(zhì)荒漠化[M]. 北京: 科學(xué)出版社,1994.
[2] 吳正. 中國(guó)沙漠與治理研究 50 年[ J]. 干旱區(qū)研究, 2009,26(1):3-9.
[3] 徐利崗,周宏飛,李彥,等. 中國(guó)北方荒漠區(qū)降水穩(wěn)定性與趨勢(shì)分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(6):792 -799.
[4] 夏訓(xùn)誠(chéng),樊勝岳. 中國(guó)沙漠科學(xué)研究進(jìn)展[ J]. 科學(xué)通報(bào),2000,45(18): 1908-1912.
[5] 韓麗文,李祝賀,單學(xué)平,等. 土地沙化與防沙治沙措施研究 [ J]. 水土保持研究,2005,12 ( 5 ):214 -217.
[6] 尚可政,董光榮,王式功,等. 我國(guó)北方沙區(qū)氣候變化對(duì)全球變暖的響應(yīng)[J]. 中國(guó)沙漠,2001, 21(4): 387-392.
[7] 竺可楨. 改造沙漠是我們的歷史任務(wù)[N]. 人民日?qǐng)?bào),1959.
[8] 竺可楨. 變沙漠為綠洲[C]∥竺可楨文集. 北京: 科學(xué)出版社, 1979.
[9] 竺可楨. 向沙漠進(jìn)軍[N]. 人民日?qǐng)?bào),1961.
[10] 張志偉,楊發(fā)相,吳吉龍,等. 新疆沙漠空間分布格局與類型結(jié)構(gòu)[ J]. 干旱區(qū)研究,2014,31 (4):763 -770.
[11] 郭彩贇,韓致文,李愛(ài)敏. 塔克拉瑪干沙漠地區(qū)沙塵暴研究 進(jìn) 展 [ J]. 中 國(guó) 沙 漠, 2016, 36 ( 6 ): 1646 -1652.
[12] 蘇雪萍,劉景輝,李立軍,等. 春秋施沙質(zhì)土壤改良劑對(duì)旱作玉米抗旱保苗增產(chǎn)效應(yīng)[ J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2014,30(15):201-206.
[13] 馬學(xué)喜,李生宇,王海峰,等. 固沙網(wǎng)沙障積沙凹曲面特征及其固沙效益分析[ J]. 干旱區(qū)研究,2016, 33(4):898-904.
[14] 馬全林,王繼和,詹科杰,等. 塑料方格沙障的固沙原理及其推廣應(yīng)用前景[ J]. 水土保持學(xué)報(bào),2005, 19(1):36-39.
[15] 孫濤,劉虎俊,朱國(guó)慶,等. 3 種機(jī)械沙障防風(fēng)固沙功能的時(shí)效性[ J]. 水土保持學(xué)報(bào),2012,26(4):12 -16.
[16] 劉世增,詹科杰,方峨天,等. 草基高立式葵花秸稈沙障的壓制方法及防風(fēng)固沙效能研究[ J]. 水土保持研究,2016,23(6):98-101.
[17] 王永福,趙學(xué)勇,王少昆,等. 科爾沁沙地兩種固沙灌木林地土壤理化性質(zhì)和酶活性比較[ J]. 中國(guó)沙漠,2015,35(4):937-941.
[18] 王少昆,趙學(xué)勇,張銅會(huì),等. 造林對(duì)沙地土壤微生物的數(shù)量、生物量碳及酶活性的影響[ J]. 中國(guó)沙漠,2013,33(2):529-535.
[19] 戴雅婷,侯向陽(yáng),閆志堅(jiān),等. 庫(kù)布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物和土壤化學(xué)性質(zhì)比較研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(20): 6353-6364.
[20] LOKHANDE V H,GOR B K,DESAI N S,et al. Sesuvium portulacastrum,a plant for drought, salt stress, sand fixation,food and phytoremediation. A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2013, 33 (2):329-348.
[21] 溫學(xué)飛. 7 種化學(xué)固沙劑固結(jié)層的基本特征研究 [J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2014,30(11):186-190.
[22] 徐先英,唐進(jìn)年,金紅喜,等. 3 種新型化學(xué)固沙劑的固沙效益實(shí)驗(yàn)研究[ J]. 水土保持學(xué)報(bào),2005,19 (3):62-65
