摘要:随着“一带一路”战略的推进与科学技术的不断完善,沙漠治理技术趋向于探寻更加经济、高效与可持续的方法. 土壤改良剂作为一种有效的手段已广泛应用于沙漠环境治理尤其是沙质土壤质量的提升. 沙质土壤施用土壤改良剂可有效改善其理化性质,使之更有利于植物的生长发育;可提高植物固沙效率、降低投入成本. 本文通过对比分析不同治沙技术,综述了沙漠治理中沙质土壤的改良方法,重点阐述了土壤改良剂在沙质土壤改良中的作用机理、有效性及其在沙漠治理中的应用状况,并对其未来应用前景进行了展望.
关键词:沙漠治理;土壤改良剂;沙质土壤;土壤特性
全球沙漠主要分布于极端干旱、干旱、半干旱和部分半湿润地带,占陆地总面积的 20% 左右, 对区域气候的影响不容忽视[1—2] . 中国是世界上干旱区和半干旱区分布面积最大的国家之一,其中沙漠面积约占全国陆地总面积的 13% ,主要集中分布于西北干旱区,约占全国沙漠总面积的 80% [3—4] . 截至 2014 年, 我国荒漠化土地面积 261. 16 万 km 2 ,沙化土地面积 172. 12 万 km 2 ,分别占国土总面积的 27. 20% 和 17. 93% [5—6] . 沙漠化防治及生态环境保护是干旱半干旱区面临的主要环境问题.
我国沙漠化防治工作于 20 世纪 50 年代末初步开展考察与改造利用研究. 竺可桢在指导工作时就经常论及沙漠化方面的问题[7—9] ,指出“由于人为的原因,把不应该成为沙漠的地方破坏成为了沙漠”,“在陕西和内蒙古伊克盟的毛乌素 53 万 hm 2 多沙荒大都是这样造成的”,即所谓的“人造沙漠”. 他提出了两种治理流沙的措施,要求从风沙运动、水分平衡、固沙植物的生理生态特征等方面去综合研究植物固沙. 1977 年联合国沙漠化大会正式提出以“沙漠化”为对象开始多学科综合研究与防治实践工作. 我国沙漠科技工作者在沙区自然条件与资源、风沙运动规律、农田草场防风治沙、沙区水土资源合理开发利用等方面开展了大量的研究和实践推广工作,为北方地区大规模开展沙漠化研究奠定了坚实的基础. 然而,随着中国西部发展战略的持续推进及“一带一路” 战略的实施,国家对沙漠化的防治措施提出了更高的要求. 因此,探寻一种既符合生态安全又高效经济的沙漠化防治方法是沙漠治理研究中的重要课题.
土壤改良剂又称为土壤调理剂,多应用于退化土壤,如酸性土壤、碱性土壤、盐渍化土壤、污染土壤、沙化土壤等. 已有研究表明,沙土中施加改良剂能有效改善沙土结构,提高沙土持水保肥能力,有利于植物在沙土环境中生存,是一种既可以修复生态环境又能提高生产力的可持续发展的固沙措施[10—12] . 近些年,随着土壤改良剂效能的不断改进及使用技术的不断完善成熟,以及环境友好型产品的研发,其在沙漠治理中的应用逐渐发展为研究的热点. 本文基于前人对沙漠土壤治理的研究,通过对比分析,综述了土壤改良剂在沙质土壤改良中的作用机理、有效性及其在沙漠治理中的应用状况,并对其未来应用前景进行了展望.
1 沙漠治理技术分析
传统上,沙漠治理的技术主要有工程治沙、生物治沙、化学治沙、综合防沙治沙等(见表 1),其中工程治沙、生物治沙已广泛研究和应用,并对沙漠的治理起到了积极作用,其他方法也已有大量的研究和探索.
1. 1 工程治沙技术
工程治沙技术是采用各类机械手段来防止风沙移动的固沙措施,应用较早. 工程治沙分为两种:机械阻沙和沙障固沙. 机械阻沙的主要方法是采用防沙网或挡沙墙来阻挡风沙和引导沙粒的走向,进而缩小流沙的活动范围,阻止沙漠的进一步扩张. 沙障固沙通常是在沙漠表面铺设障碍物,改变风沙流动的速度、方向和风沙流结构等,进而减弱风沙移动及影响区域微地貌状况等[13—16] . 工程治沙技术优点是起效迅速且耗水少,缺点是在风沙较大的区域很难达到固沙效果,且随着时间推移容易失效,因此只是一种临时的辅助性固沙措施.
1. 2 生物治沙技术
生物治沙技术通过沙生植物的生长繁殖,不仅能够防风固沙及改善沙漠环境,还能生产经济作物或药材,提供饲料或燃料,是一种兼具生态效益和经济效益的治沙技术[17—20] ,也是最有效、最根本的治沙技术. 如我国新疆地区塔克拉玛干沙漠公路沿线防护林的建设,为世界沙漠地区生物防沙起到了示范作用. 然而,能在干旱沙漠中生长的植物种数量稀少,成活率极低且生长周期较长, 因此生物固沙初期的效果较差且易被破坏,需要投入大量人力和财力,长期才能发挥明显作用.
1. 3 化学治沙技术
化学治沙技术是在沙漠表面铺设天然或人工合成的化学胶结材料,形成固结层,来防止风沙移动[21] . 固结层可以固结沙面、防止风力吹蚀和保持土壤下层水分,同时具有光滑且坚实的表面,有助于风沙顺利输移到固定区域[22—23] . 固沙剂按原材料可以分为四类:水玻璃类、石油产品类、水泥浆类和合成高分子类,据统计目前已开发出一百余种化学固沙剂,如硅酸钾固沙剂、沥青乳液、聚乙烯醇类固沙剂等[24—25] . 化学治沙实施简单,起效快,但只能固定地表流沙,不能从根本上遏制沙漠的扩张. 另外,使用化学固沙剂还应考虑其对环境的影响,固沙物质应是易于被降解且无毒无害, 不会对环境造成危害的材料. 目前,虽然在化学固沙物质方面做了大量研究,但是还未得到广泛应用.
1. 4 综合治沙技术
对于大面积的沙漠治理工程而言,采用单一的固沙方法可能会出现固沙成本高、效率低和无法达到预期固沙效果,因此,为了降低固沙成本并提高固沙效率,综合固沙技术越来越受到重视和采纳. 常采用的综合固沙技术有工程固沙和植物固沙结合、植物固沙和化学固沙结合以及植物固沙和沙土改良结合等. 在科尔沁沙地,采用工程固沙和植物固沙相结合的方法,沙丘上铺设草方格并在草方格内种植小叶锦鸡儿和山竹子等固沙植被,发现 综 合 治 沙 技 术 能 达 到 较 好 的 固 沙 效果[26] . 在腾格里沙漠,运用喷洒适于植物生长的化学固沙剂,发现三种固沙剂均能促进沙地植株的生长发育[22] .
2 土壤改良剂在沙漠治理中的应用
近年来,土壤改良剂在沙漠治理中的应用越来越广泛. 沙土改良技术是添加能够改善沙质土壤性质的改良剂,使其具有稳定沙土、改善沙土漏水漏肥特性,从而更适合植物存活和生长. 添加土壤改良物质更有利于实现沙漠的生态恢复,因此是一种既经济高效又可以持续利用的方法[27—28] . 沙土改良可从根本上解决沙漠环境中植物生长较差的问题,因此无论在前期植物栽植还是后期维护,都能达到节约固沙成本的目的. 土壤改良剂能促进沙漠植物的生长,短期就能达到较好的固沙效果. 但目前高效低用量、环境友好型改良剂的研发还不成熟.
土壤改良剂在沙土中应用主要不是为植株生长提供养分,而是改良沙土自身性质,从而使植物能在沙土环境中更好的生长. 19 世纪末研究者发现将藻朊酸钠添加到土壤中,少量施用就有明显的改土效果. 自此以后,改良剂的研究逐渐展开, 改良剂的研究发展经历了从天然物质中提取到合成人工改良剂. 20 世纪 80 年代,土壤改良剂的研制及应用达到高潮,并开始与生物固沙技术联合应用于沙漠治理. 21 世纪以来,土壤改良剂发展进入合成阶段,根据土壤的不同性质与需求合成不同功效的改良剂. 适合于沙地的土壤改良剂按照组成和来源可以分为无机改良剂、有机改良剂、人工合成改良剂和生物改良剂[29-30] .
2. 1 无机改良剂
目前研究适用于沙漠治理的无机改良剂主要包括膨润土、磷石膏、沸石和粉煤灰等.
膨润土是一种主要由蒙脱石(含量 85% ~ 90% )组成的细粒粘土. 自身具有较强的吸水性和膨胀性,可吸附自身质量十倍左右的水分;膨润土的 2 ∶1型晶体结构所形成的层状结构会吸附 K,Na,Mg 等阳离子,使膨润土具有较强的离子交换性能和粘着性等[29] . 李浩等[30] 用膨润土与丙烯酸盐接枝聚合,制成三维网状结构的土壤改良剂,应用于沙漠公路的边坡及防护林. 我国膨润土资源极为丰富,储量占世界第一,价格低廉,在沙土改良方面应用前景广阔.
磷石膏(主要成分为 CaSO4·2H2O)是磷肥、磷酸生产过程的副产物,据统计每生产 1 t 磷酸会产生约 5 t 的磷石膏,但目前我国磷石膏的综合利用效率较低. 我国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废弃物的再利用,既能消除污染又能改变沙漠环境. 磷石膏可将细颗粒吸附到其周围,形成水稳性较好的团粒结构,并 富 含 有 效 钙 和 有 效 磷, 能 够 增 加 土 壤养分[31—33] .
沸石是一种含水的铝硅酸矿物,沸石晶体的架状结构使其具有较大孔隙度和比表面积,而沸石内部丰富的孔道使水分和阳离子能自由通过并为阳离子发生交换反应提供场所,因此沸石具有极强的阳离子交换能力和水分吸附能力;同时沸石含有二十多种植物生长所需的常量和微量元素[34] . 有研究者将其用于保水性较差的沙土中来提高沙土持水能力[35—36] .
粉煤灰是燃煤电厂排放的副产物,呈多孔状的蜂窝结构,因此具有较大的孔隙度和比表面积, 吸附能力较强;同时粉煤灰颗粒含有多种微量元素,能促进土壤大团聚体形成,在沙土改良中有巨大的应用潜力. 但是粉煤灰中含有重金属和放射性元素, 因 此 应 充 分 考 虑 其 对 土 壤 的 毒 害 作用[37-38] . 已有学者将粉煤灰与聚丙烯酰胺(PAM) 混合施用,认为能避免高含量粉煤灰对环境的毒害[39] .
2. 2 有机改良剂
目前适用于沙漠治理的有机改良剂主要包括泥炭、生物炭、腐植酸和有机固体废物等.
泥炭来源于天然沼泽地,富含有机质,疏松多孔,透气性好,吸附性能强,应用于沙土改良,能提高沙土保水保肥能力,改善沙土结构. 以泥炭为原材料生产的腐植酸类复合肥料,在沙土改良领域具有较好的应用前景[40] .
生物炭是秸秆等有机废弃物经高温裂解制成的多孔固体产物,生物炭的孔隙度和比表面积较大、离子交换性能较强及含有大量的活化反应官能团[41—43] ,有利于改良土壤结构. 另外,生物炭的碳、氢、氮、磷等营养元素及 K,Na,Ca,Mg 等离子含量较高,可以有效提高土壤肥力.
腐植酸是土壤中动植物残体经微生物消化分解而产生的有机物质,在自然界中广泛存在. 腐殖酸含有丰富的含氧活性官能团(如羧基、醇羟基、酚羟基、甲氧基等),因此腐植酸具有较强的亲水性、阳离子交换性能、吸附能力及络合能力等,有利于改良沙土结构. 以腐植酸为原材料制成的保水剂能够缓慢释放水分,被广泛应用于沙漠地区的植被恢复[44—45] .
有机固体废物(如造纸污泥、污水污泥和作物秸秆等) 产量大、利用效率低而且处置不当会污染环境,是目前固废处理处置中的难点之一. 使用有机固废改良沙土,不仅能有效改良土壤性质, 而且能达到固废资源化利用的目的. 有机固体废物富含有机质、氮磷钾等营养元素和众多微量元素[46—47] ,在土壤改良方面应用广泛. 已有研究将造纸污泥制成颗粒土壤改良剂,发现对作物生长有促进作用,且对土壤和农作物没有污染[48] .
2. 3 人工合成改良剂
适用于沙漠治理的人工合成改良剂主要包括聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠和高分子保水剂等.
天然土壤改良剂大都有施用量大,施用效果不持久等缺点,人工合成改良剂能够克服以上不足,因此得到越来越多的应用,但研制低成本低用量且对环境友好的人工合成改良剂是目前研究的难点.
美国率先合成的高分子改良剂 Krilium,主要成分为聚丙烯酸钠,吸水性较强且粘度高,能够促进水稳性团聚体的形成,不易被微生物降解. 聚乙烯醇(PVA)是生产维尼纶的中间产物,能改善土壤结构,增加土壤持水性能. 有研究者使用沥青乳剂与 PVA 改良沙土,结果表明两种改良剂的改土效果 均 随 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剂的研究热点,能反复吸水,提高水分利用率,被称为土壤的“微型水库”;同时 PAM 易于将周围分散的土粒和矿质物质胶结在一起,形成 微 团 聚 体, 因 此 保 水 性 能 和 粘 聚 效 果很强[50—52] .
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羧甲基纤维素钠(CMC)是一种采用稻草、废棉花等有机物质改性处理得到的含有羧甲基单元的纤维素醚衍生物,是目前使用量最大、使用范围最广的纤维素种类. 羧甲基纤维素钠在自然界中极易获取,无毒无污染且具有很强的粘结力和保水作用,因此近几年常被用作土壤改良剂[53—54] . 高分子保水剂( super absorbent polymer,SAP) 是一种使用聚丙烯酸等材料接枝羟基、羧基等强亲水性基团、使其能吸收保水剂自身质量的几百倍甚至几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、见效快等特点,在沙漠治理中应用前景广泛[55—56] .
2. 4 生物改良剂
适用于沙漠治理的生物改良剂主要包括微生物菌剂和土壤动物等. 微生物菌剂是一类添加特定功能的经工业化扩繁的微生物,通过微生物的呼吸作用等达到改良土壤、促进植物发育生长和抑制病菌和特定害虫的活菌制剂,可同时发挥肥料和农药的双重作用[57] . 土壤动物如蚯蚓等的活动可以增加土壤透气性和促进养分循环,对土壤水分和气体的传导产生重要的影响.
3 土壤改良剂作用机理研究
土壤改良剂对土壤、植被和区域环境均会产生不同程度的影响,本文着重概述土壤改良剂对土壤自身的影响.
3. 1 土壤物理性质
已有研究表明向沙土中添加土壤改良剂,土壤物理性质如容重、孔隙度、土粒密度、颗粒组成、水稳性团聚体数量、水分特性等均得到改善. 在秸秆改良沙土的研究中发现,用氨化处理粉碎秸秆改良沙土,能显著改善沙土的团粒结构,减小容重,增加孔隙度[58] ;而用麦秆材料(PAM 占 2% ) 改良沙土能显著改善土壤团粒结构,同时饱和含水量显著增加[59] . 土壤改良剂添加量与 > 0. 25 mm 团聚体数量成正比,使孔隙度和土壤毛管持水量增加[60] . 土壤质量含水率和土壤贮水量随膨润土的施加而提高,同时土壤的水分利用效率也显著提高[61] . 在沙漠表层添加离心脱水污泥,随添加量的增加,土粒密度及容重降低、土壤孔隙度及持水能力增加[62] . 赵智等[39] 研究认为粉煤灰质量比为 10% ,PAM 施用量为 120 mg·kg -1 时, 能够显著提高土壤田间持水量和有效含水量,减小土壤饱和导水率. 另外,适度添加改良剂,会增加沙土凝结水量和水分保蓄能力,并减缓沙土中水分的下渗速度[17] .
3. 2 土壤化学性质
添加土壤改良剂能调节土壤的酸碱性,改善作物生长的土壤环境. 土壤改良剂可使土壤 pH、电导率、有机质、养分、阳离子交换量、含盐量等均得到改善. 已有研究发现添加污泥堆肥产品,使沙土 pH 更利于高羊茅生长,土壤电导率、有机质及土壤养分含量与土壤改良剂添加量成正比[46] . 侯建伟等[63]用生物炭与有机物料混合改良沙土,发现沙土的有效养分含量显著增加. 土壤的 pH 和电导率随生物炭用量增加而增加,速效 N,P,K 和有机质的含量与生物炭施用量成正比[64] . 沙土有万方数据 机质、全氮、全磷、全钾及速效氮、速效磷、速效钾含量均随改良剂的用量而增加,显著提高了沙土的保肥能力[26,65] . 另外,添加土壤改良物质,土壤的有机质含量、阳离子交换量和腐殖质含量均显著增加[66] .
3. 3 土壤生物学性质
添加土壤改良剂可使土壤微生物数量、种群数量、土壤酶活性等均得到改善. 适量施用生物炭能显著增加沙土微生物数量(如细菌、真菌、纤维素分解菌、自生固氮菌和氨化细菌) 以及蔗糖酶和过氧化氢酶活性[43] . 另外,施用有机碳土壤改良剂与施用化肥比较,细菌、真菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶含量均大幅增加[67] . 腐植酸复合材料可有效提高沙土的脲酶和过氧化氢酶活性[42] . 有机物料和生物炭单独施加均能提高沙土微生物量炭、氮含量,混合施用效果好于单独施加的累加效果[63] . 施用土壤改良剂显著增加沙土中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性及提高了微生物量炭、氮、磷含量[26] .
3. 4 土壤力学性质
沙漠中影响植株生长的重要的因素之一是流沙的移动,流沙被风吹起后导致植株易被掩埋或根系无法在松软的沙土中扎稳扎牢,因此植株难以正常生长. 添加土壤改良剂可使土壤力学性质如抗压强度、内聚力及抗剪强度等均得到改善. 已有研究认为添加改良剂的沙土具有较高的强度、刚度和稳定性,从而改善植株的立地条件并提高沙土保水保肥能力[69] . 赵莹莹等[70] 将聚丙烯纤维添加到风沙土中,通过三轴压缩试验证明土体的抗剪强度显著提高. 另外,土壤抗剪强度与粉煤灰施用量成正比,改良增大了沙土的抗风蚀能力[37] . 生物炭施用可降低红壤的抗压强度及内聚力,对内摩擦角没有显著影响[71] . 喜迎巧等[72] 对比了羧甲基纤维素钠、磷石膏及生物炭三种改良剂对风沙土抗剪强度的影响,发现三种改良剂均能提高沙土内聚力,尤其以羧甲基纤维素钠效果最佳.
3. 5 综合效应
土壤改良剂的改土效果不是单一的,会同时改变试供土壤的多种性质,而各项性质间也会互相影响,比如土壤水稳性团聚体数量越多,土壤结构越优良,则更利于存留水分和促进植株对土壤养分的吸收;土壤养分含量越高,则有助于提高土壤酶活性和增加微生物数量,进一步促进植株生长;土壤总孔隙度越大,更有利于植物根系在沙土中扎稳扎牢,土壤稳定性提高;改良后的土壤结构孔隙状况良好,土壤不太容易受到外力而变形,弹性模数较高,土壤的恢复能力强,更有利于沙漠植被的生态恢复.
4 展望及前景
自十七大提出生态文明理念以来,国内掀起一场关于环境保护、资源合理利用及可持续发展的热潮,这为经济趋向于又好又快的发展模式提供了有力支撑. “一带一路” 发展计划的提出,将成为区域经济环境发展新的格局和增长点. 而陆上丝绸之路经过的欧亚大陆腹地,气候干燥、水资源严重缺乏,沙漠面积占总面积四分之一以上,将生态文明理念融入“一带一路” 建设,将有益于 “一带一路”战略的实施. 因此研制与施用能够改善沙漠环境的土壤改良剂,对于我国特别是西北地区的可持续发展非常重要.
1984 年钱学森提出了沙产业概念,经过几十年的探索发现,沙产业已经逐渐成为沙漠地区的支柱产业之一. 沙产业是在防沙治沙前提下发展适合于沙漠的生态产业,并形成一条可持续发展的产业链. 如新疆的塔克拉玛干沙漠地区开发适用于沙地生产的特色林果(如核桃、石榴、红枣和杏子等)以及特色药材植物(如肉苁蓉、甘草、党参和红柳等),该地区特色林果业和药材的种植不仅能够防风固沙和改善生态环境,而且极大地增加当地农民的收入,已经在新疆甚至全国范围内得到较大认可[73—74] . 若能将土壤改良剂应用到沙漠治理中,沙产业也将会得到更好的发展.
生物固沙是最环保的固沙方法,但沙漠土壤养分和水分极少,植株存活率低,因此建设成本和前期维护成本较高;而在生物固沙前施入少量土壤改良剂将有助于提高固沙效果. 通过改善沙土的性质及环境,能促进固沙植被及经济作物的生长繁殖,短期内可达到较好的固沙效果. 沙漠地区降水稀少,蒸发量大,水资源短缺,土壤改良剂有助于增强沙土保水保肥能力,可显著提高植株的水分利用效率,节约沙漠地区水资源. 因此,越来越多的研究者开始关注土壤改良剂的研究,目前万方数据 已研制出多种天然或人工改良剂. 进一步,研制经济实惠且高效的复合土壤改良剂将对沙漠治理起到更为积极的作用.
然而,土壤改良剂的应用还存在一定的问题: 1) 天然改良剂效果一般,施加量较大且容易失效,后期需要补加;部分天然改良剂如粉煤灰还会对土壤产生重金属毒害或污染等环境问题;2)人工合成改良剂的研制过程复杂,成本较高,目前多关注于改良剂施加后对沙土的即时效果,而对于改良剂对土壤及植物是否存在副作用没有深入的研究;3)不同土壤改良剂复配使用可能会达到比单独施加累加更好的效果,比如研究者将粘土、腐植酸及有机肥复配施用效果好于单独施加的累加,但不同改良剂的组合方式及比例还有待研究.
目前土壤改良剂的研究主要集中在改良剂对土壤理化性质的影响机理方面等,关于改良剂对沙土力学性质及土壤环境影响方面的研究还很缺乏. 沙土中植物难以生长,一个很重要的原因是风沙颗粒分散,受风蚀影响大. 因此,如果运用改良剂能够提高土壤的稳定性,这将对沙地人工林建设及其沙漠土壤的可持续利用起到非常重要的作用.——论文作者：赵 英1,2 ,喜银巧2 ,董正武2 ,李生宇2
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