翻埋与覆盖林木枝条改善宁夏沙化土壤性质_李志刚

第31卷第10期农业工程学报V ol.31 No.10 174 2015年5月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2015翻埋与覆盖林木枝条改善宁夏沙化土壤性质李志刚1,2，谢应忠1※（1. 宁夏大学农学院，银川 750021；2. 宁夏林业研究所种苗生物工程国家重点实验室，银川 750004）摘要：土地沙漠化一直是影响宁夏生态建设和农业生产的主要问题之一。

为探讨林木枝条对沙化土壤的改良效果，以当地农田防护林所产生的林木枝条为原料，在2011年10月至2013年10月期间研究了土壤翻埋杨树粉碎枝条（chips incorporation，CI）、覆盖杨树粉碎枝条（chips mulch，CM）、翻埋杨树粉碎枝条+覆盖未粉碎的柳树枝条（chips incorporation plus branches mulch，CI+BM）和不做任何处理的对照（control，CK）对宁夏沙化土壤理化性状和生物学特性的影响。

结果表明，CI和CI+BM与CK相比，2012年和2013年均增加了土壤总孔隙度、田间持水率、有机碳、有效磷和速效钾含量（P<0.05），提高了土壤呼吸强度、微生物数量（细菌、真菌和放线菌）和酶活性（脲酶、过氧化氢酶）（P<0.05），降低了土壤密度（P<0.05）；2013年CI和CI+BM进一步增加了土壤全氮、全磷和水解氮含量（P<0.05），但同时也增加了土壤全盐含量（P<0.05）。

CM与CK相比，2012年和2013年均显著增加了土壤有效磷和速效钾含量（P<0.05），提高了土壤呼吸强度和酶活性（P<0.05）；2013年CM处理的土壤pH值、全氮和水解氮含量亦显著增加（P<0.05）。

相关分析结果显示，沙化土壤性质的改善与土壤中有机碳含量的增加密切相关，处理间土壤有机碳含量CI+BM>CI>CM>CK，表征土壤质量的综合指数表现出同样的趋势：2012年分别为0.907、0.678、0.259和0.105，2013年分别为0.926、0.828、0.258和0.136。

该研究为当地及中国北方干旱半干旱地区沙地生态治理及农业生产提供了可借鉴的案例，同时也为促进林木废弃物的资源化利用提供理论基础。

关键词：土壤；生态；有机碳；林木枝条；施用方式；改良效果；宁夏doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.023中图分类号：S156.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-10-174-08李志刚，谢应忠. 翻埋与覆盖林木枝条改善宁夏沙化土壤性质[J]. 农业工程学报，2015，31(10)：174－181.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.023 Li Zhigang, Xie Yingzhong. Improving desertified soil properties by incorporating and mulching tree branch in Ningxia province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 174－181.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.023 0 引 言沙漠化被认为是全球最严重的环境问题和经济社会问题之一。

据估计，沙漠化已影响全球40%的陆地面积，严重危害着干旱和半干旱地区生态环境[1]。

中国干旱和半干旱区域主要分布在35°N以上、降雨量低于450 mm的区域[2]，而沙漠化主要发生在北部[3-4]。

宁夏地处西北地区，其西部、北部和东部分别被腾格里沙漠、乌兰布和沙地和毛乌素沙漠包围，是中国沙漠化最严重的地区之一[5]，也仍然是影响当地生态建设和农业生产的主要问题之一。

土壤沙漠化最突出的问题是土壤的持水能力低、土壤瘠薄[6-7]，使得植物生长所需的水和肥不能被正常供给。

土壤有机质已被广泛的认为在土壤物理、化学及生物学过程中具有极其关键的作用，而且认为土壤有机碳是影收稿日期：2015-03-24 修订日期：2015-05-06基金项目：国家林业公益性行业科研专项（201304311）；国家国际合作专项（2015DFA90900）；“948”项目（2013-04-79）作者简介：李志刚，男，宁夏海原人，博士生，主要从事草地生态学方面的研究。

银川宁夏大学农学院，750021。

Email：lizg001@※通信作者：谢应忠，男，陕西榆林人，教授，博士，博士生导师，主要从事草地生态方面的研究。

银川宁夏大学农学院，750021。

Email：xieyz@ 响土壤质量最主要的决定因素，因为它影响了土壤水分、土壤养分和植物的生长等[8-10]。

因此，沙漠化土壤的恢复是伴随土壤有机碳增加的，同时土壤物理、化学特性及生物学特性也得以改善[11-13]。

目前，国内外在干旱半干旱地区土壤改良方面的研究多集中于利用秸秆还田、凋落物和其他有机物料返还等增加土壤有机碳来改良土壤，而少见利用林木废弃物改良土壤的研究。

然而，作为沙漠化地区生态环境和农田的主要保护屏障——生态防护林和农田防护林在中国北方地区特别是宁夏广泛分布[14]，这就意味着大量林木废弃物（如枝条）可能被循环利用于沙化土壤的改良，然而这方面的研究并不多见。

杨树（populus L.）是中国分布最广泛的树种[15]，面积达1.01×106 km2，其中种植面积为7.57×105 km2[16]。

在中国北方地区，杨树多以生态防护林和农田防护林形式分布[17]。

在宁夏，杨树的面积与其他树种面积相比占据第一位[18]。

另外，杨树生长速度快[19]，可以生产丰富的诸如枝条类的林木废弃物材料。

除杨树外，柳树（Ulmus pumila L.）也是中国北方地区重要的水土保持植物和园林绿化植物，在宁夏也广泛分布[20]。

鉴于以上需求与实际，本文以宁夏农田防护林的主要树种—杨树的修剪枝条为主，研究施用林木枝条对沙化土壤的理化特性及微生物活性的影响，旨在为宁夏乃至中国沙漠化地区的土壤改第10期李志刚等：翻埋与覆盖林木枝条改善宁夏沙化土壤性质175良提供理论依据，同时促进林木废弃物资源的循环利用。

1 材料与方法1.1 研究区概况试验区位于宁夏贺兰山东麓的银川腹部沙地（107°22′E、38°28′N），属于宁夏沙漠化的分布区，有流动沙丘分布，天然植被为荒漠草地，但由于毗邻黄河，节灌农业发达，且分布有大面积的以杨树为主的农田防护林。

该地区的气候条件和土壤类型是宁夏全区沙漠化分布区现状的典型代表。

试验区海拔1 115 m，主要气候特点：昼夜温差大，雨雪稀少，蒸发强烈，气候干燥，风大沙多等。

年平均气温10.1℃左右，年平均降水量181.2 mm，蒸发量为1 882.5 mm。

1月份平均最低气温−15.2℃，极端最低气温−27.9℃，7月份平均最高气温30.1℃，极端最高气温37.2℃。

试验期间研究区气温和降雨如图1所示。

为体现研究的典型性，本研究的样地选择了沙化程度较为严重的土壤开展试验研究，其土壤类型为砂土（砂粒质量分数92.5%，粉粒质量分数5.48%，粘粒质量分数2.02%），40 cm土壤pH值9.07、有机质含量为2.01 g/kg、全氮含量0.11 g/kg、全磷含量0.08 mg/kg 和全钾含量14.51 g/kg。

图1 试验期间研究区气温和降雨Fig.1 Air temperature and rainfall in study site duringexperimental period1.2 试验材料与样地设置本研究根据该当地生态建设与生产实践的实际情况，在银川腹部沙地选择平坦沙地设计了林木枝条的4种施用方式：对照（CK），即不做任何处理；翻埋粉碎枝条（chips incorporation，CI），即土壤0~20 cm深度翻埋5%（质量比）杨树粉碎枝条；覆盖粉碎枝条（chips mulch，CM），即土表覆盖约3 cm的杨树粉碎枝条；翻埋粉碎枝条+覆盖枝条（chips incorporation plus branches mulch，CI+BM），即在土壤翻埋木屑的基础上土表覆盖30～40 cm的未粉碎的柳树枝条，覆盖度为50%～60%。

以上用于处理的材料为收集的宁夏分布较为广泛的杨树和柳树修剪枝条。

所有收集到的枝条晒干后去除叶片，以防止试验期间风力带走叶片而干扰试验结果。

用于翻埋粉碎枝条处理（CI）和覆盖粉碎枝条处理（CM）的材料为筛选的直径约为0.5 cm、长度约为1 cm的杨树枝条粉碎材料；未粉碎的柳树枝条用于翻埋粉碎枝条后的土壤表层覆盖处理（CI+BM）。

不选择在翻埋粉碎枝条处理（CI）的土表再覆盖粉碎枝条是由于在降雨的作用下，一些翻埋至土壤中的粉碎物会浮出土表而自然形成一层粉碎枝条的覆盖，而选择柳树枝条是因为其枝条分枝紧密，易于形成较好的覆盖层。

以上每个处理试验小区大小为3 m×3 m，每个处理方式设5个重复。

试验小区随机区组排列，每个区组之间设3 m宽的过道，小区间相距1 m。

试验期间定期拔除小区中的杂草，保证所有小区无植物生长。

试验样地的布置于2011年10月－2013年10月进行。

1.3 土壤采集与处理分别在2012年10月底和2013年10月底分两次取样。

每个处理小区采用3点法采集0～20 cm土样，将取到的土壤混合后装入事先标记好的自封袋。

每个处理5个重复取样。

样品带回实验室后立即测定其含水率，并在无菌条件下过2 mm的筛，然后在每个自封袋中取出大约500 g保存于4℃的冰箱进行微生物活性的测定；其余样品风干后用于化学特性的测定。

1.4 测定指标与方法土壤密度、总孔隙度和田间持水率分别于2012年10月和2013年10月采用环刀法采集田间原状土带回实验室一次性测定[21-22]。

土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾及pH值均采用常规法测定[23]。

土壤全盐量以 1:5 的土水比用电导法测定[24]。

土壤呼吸速率采用LI-8100（LI-COR，Lincoh，NE，USA）分别在2012年10月和2013年10月选择晴朗无风的天气测定，测定时间为上午8:00－11:00，连续测定2 d[25]。