摘要: 为了修复荒漠化土壤、提升荒漠化土壤的肥力，本文选取了自2014年起在科尔沁奈曼旗沙地利用衬膜水稻种植技术修复的土壤作为研究对象，介绍了几种衬膜水稻种植的技术和工艺，主要研究了连续衬膜水稻种植和种植后休耕对科尔沁沙地土壤肥力的影响，以研究区未修复的沙地作为对照，分别对0~10、10~20和20~30 cm土层中的土壤全氮、全磷、全钾以及土壤有机质含量进行了测量。结果表明，连续衬膜水稻种植和种植后休耕可以提升土壤的全氮、全磷、全钾以及土壤有机质含量。与未修复的沙地土壤相比，连续衬膜水稻种植的土壤全氮含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了123%、126%、38%，全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了67%、57%、71%，全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了15%、14%、19%，有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了198%、225%、172%。但是种植后休耕的土壤的全碳、全氮以及土壤有机质含量相较于连续衬膜水稻种植的有所下降，但仍高于未修复沙漠的水平。综上，衬膜水稻种植技术可以改善荒漠化地区的土壤肥力，对荒漠化土壤的治理具有积极作用。然而，不能只通过自然演替就使种植后休耕地的土壤的质量达到草原的水平。因此，需要在种植后的休耕地上采取一定的人工干预措施，例如人工植草或者植被覆盖休耕土壤等方式来减少土壤中的水和肥料的损失，从而促进演替，达到长期的修复效果。
Abstract: In order to repair desertification soil and improve the fertility of desertification soil, this paper selected the soil that has been repaired by film-lined rice planting technology in Naiman Banner of Horqin since 2014 as the research object, introduced several film-lined rice planting technologies and processes, mainly studied the impact of continuous film-lined rice planting and fallow after planting on soil fertility in Horqin Sandy Land, and measured the content of soil total nitrogen, total phosphorus, total potassium and soil organic matter in 0~10, 10~20 and 20~30 cm soil layers respectively, taking the unrepaired sandy land in the study area as the control. The results showed that continuous film-lined rice planting and fallow after planting can increase the total nitrogen, total phosphorus, total potassium, and soil organic matter content in the soil. Compared with unrepaired sandy soil, the total nitrogen content of the soil planted with continuous film-lined rice in the soil layers of 0~10, 10~20, and 20~30 cm increased by 123%, 126%, and 38%, respectively. The total phosphorus content in the soil layers of 0~10, 10~20, and 20~30 cm increased by 67%, 57%, and 71%, respectively. The total potassium content in the soil layers of 0~10, 10~20, and 20~30 cm increased by 15%, 14%, and 19%, respectively. The organic matter content in the soil layers of 0~10, 10~20, and 20~30 cm increased by 198%, 225%, and 172%, respectively. However, the total carbon, total nitrogen, and soil organic matter content of the fallow soil after planting have decreased compared to continuous film-rice cultivation, but still remain higher than the level of unrepaired desert. In summary, the film-lined rice planting technology can improve soil fertility in desertified areas and have a positive effect on the management of desertified soil. However, the soil quality of fallow land after planting can not be achieved at the level of grasslands solely through natural succession. Therefore, it is necessary to take certain artificial intervention measures on fallow land after planting, such as artificial grass planting or vegetation covering fallow soil, to reduce the loss of water and fertilizer in the soil, promote succession, and achieve long-term restoration effects.
1. 引言
荒漠化是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化[1]。它能使土地生物和经济生产潜力减少，甚至基本丧失，进而对全球的生态平衡构成严重威胁。土地荒漠化是全球目前面临的最为严重的生态环境问题之一，荒漠化问题将破坏土地资源、威胁生物多样性、加剧农民的贫困程度以及破坏生态环境。中国是全球荒漠化面积较大、分布较广、危害较严重的国家之一，共有荒漠化土地262.2万平方公里，占整个国土面积的27.3%。主要分布在西北、东北、华北地区的13个省区市[2]。据国家林业局统计，截至2014年，我国沙化土地面积172.12万平方公里，占国土面积的1/6以上[3]。科尔沁沙地(东经120˚19'40''~121˚31'44''，北纬42˚14'40''~43˚32'30'')是我国四大沙地之一，总面积约5.18万km2，主要分布在内蒙古东部的赤峰、通辽及辽宁西北部和吉林西部等地，是我国北方典型的生态脆弱地区，也是我国土地荒漠化防治的重点工程区[4]。历史上该地区曾是湖泊众多、林草繁茂的森林–草原景观，是传统的宜牧地区。但近百年来，受气候干旱、多风等自然因素和过度垦荒、过度放牧等人为活动的双重影响，使得土壤性质发生显著变化，土壤细颗粒减少高达89%，含沙量增加高达47%。在荒漠化严重地区，土壤粘粒和水分分别减少了60%和52% [5]。土壤沙化严重使植被生长和生物量积累受到严重限制[6]。
为了修复荒漠化土壤，提升荒漠化土壤肥力，自2014年起，本课题组在内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁沙地建立衬膜水稻试验基地并展开研究，在此期间，不仅要对衬膜的材料、方式进行调整，还要定期对试验地的土壤进行采样测定，研究氮、磷、钾、有机质等影响水稻生长的元素及土壤肥力的含量及变化，确定土壤修复效果，为下一步研究工作做好准备[7]。本文将内蒙古自治区奈曼旗沙地作为研究对象，在衬膜水稻技术的基础上对该试验地连续衬膜种植水稻和种植后休耕地的土壤全碳、全氮以及土壤有机质含量进行测定，以探究衬膜水稻种植对荒漠化土壤肥力的修复效果和稳定性，并为后续的研究提供数据支持。
2. 衬膜、覆膜技术和双膜技术
2.1. 衬膜技术
对于漏水漏肥、养分含量低的荒漠化的土壤而言，如何有效地进行防渗、节水、保肥一直都是困扰生态修复研究者的一大难题。通过在沙地上铺设防渗层并进行作物种植，可以有效地缓解荒漠化土壤面临的问题，并且能在一定程度上提升荒漠化土壤的肥力，这些在国内外都有成功的案例。60年代中期，日本水稻专家松岛省三等开展了小面积的沙地水稻栽培试验，取得了一些成果[8]；90年代初期，我国哲盟农科所副研究员严哲洙与中科院兰州沙漠所黄学文在科尔沁沙地进行了衬膜水稻栽培研究，并取得了成功[9]。
从2014年起本课题组在内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁沙地建立衬膜水稻试验基地并展开研究，经过不懈的努力，最终形成了较为成熟的技术和一定规模的衬膜水稻试验地。衬膜水稻技术是利用无土栽培原理，在有水源的沙区，充分利用沙地温度高、通气性好的有利条件，克服漏水、漏肥的不利条件，在养分含量极低、风沙活动强烈、自然条件下农作物根本无法生长的沙丘上，通过平沙造田铺设塑料薄膜防渗层，采取配方施肥、节水灌溉、丰产栽培管理等一系列措施[10]。具体是指在沙地被平整后，考虑需承受大型机械作业，在砂层的80厘米处铺设防水衬膜，减轻水的渗漏量，按照顺序在沙子上沉积土壤和基肥，在防渗层上放置堤边，堤边需要高于基肥，在防渗层和堤边旁建立蓄水沙田，在蓄水沙田中蓄水并种植水稻，可以起到治沙和增加耕地面积的作用。而灌溉用水一般通过打井抽取地下水的方式。肥料采用沙地水稻专用液体肥，水肥一体化追肥施用。
衬膜技术主要适用于需要保水保肥的地区，尤其是干旱或半干旱地区、土壤结构较差，需增强保水性的区域，通过在土壤下层铺设衬膜来防止水分和养分流失，在铺设的过程中需要检查衬膜铺设的完整性，以防漏水。衬膜水稻相较于传统水稻种植有效地阻止了灌溉水和肥力的渗漏，在同等条件下，比常规水稻节水30%左右、省肥10%、缩短生育期7~10天[11]；经改良后的衬膜工程可连续使用10~12年，期间不翻地、不整地、不除草，有很好的推广前景。通过铺设衬膜种植水稻可以改善荒漠化土壤的肥力，提高水资源利用率，激活沙区丰富的土地资源、光热资源等，实现资源的优化配置，对于荒漠化土壤的修复具有重要的生态和经济意义。
2.2. 覆膜技术
水稻覆膜技术是一种节水栽培方法，将水稻种植在有塑料薄膜覆盖的田地上，然后在不被水淹没的条件下进行旱管旱长[12]。沙漠水稻覆膜技术是一项节水增产的新技术，即在确定规格的厢面进行覆膜打孔，然后播种芽谷，并在生长季节进行湿润灌水。其减少了技术环节，降低了劳动强度。与传统的淹水栽培技术比较，具有“一早”、“两免”、“三省”、“四提高”的明显特征，所谓的一早，就是提早十天左右成熟，所谓的“两免”，就是免去了育秧和薅秧的环节。三省是指节省水的用量、节省技术环节、节省经费，四提高是指提高品质、提高产量、提高肥料的利用率、提高经济效益[13]。
覆膜技术广泛用于农作物种植，提高地温和保湿等方面，适合各种气候条件，尤以早春低温地区效果显著。通常在播种后将膜覆盖在地表，在使用过程中需考虑膜的透光性和耐久性。
2.3. 双膜技术
双膜覆盖水稻种植技术是将衬膜技术和覆膜技术相结合的一项新技术。在内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁沙地从2014年起就应用了双膜覆盖技术进行水稻种植。双膜覆盖技术是指将沙地表面平整后，在沙层下80 cm深处铺设衬膜，以减少水的渗漏；为防止表面蒸发，使用厚度为5~7 μm的塑料薄膜覆盖表面，并且在整个生长期不形成水层，在分蘖中期之前，保持根层土壤基本饱和，之后维持根层土壤在不饱和状态[14]。双膜覆盖水稻种植技术的应用可以提升荒漠化土壤的土壤肥力，并且随着种植年限的增加，土壤肥力也在不断积累。而且相比于传统衬膜水稻每亩800 m3的需水量，双膜覆盖水稻种植每亩仅需300 m3的需水量[15]。
双膜技术适合需要更强保温保湿能力的作物或地区，主要应用于气候极端或条件恶劣的环境。其综合了衬膜用于地下防水和覆膜用于地上保温的优点，两者结合可显著提高土壤水分和养分的利用效率，提供双重保护。在使用的过程中需要协调两层膜的厚度和材质，确保不影响作物生长。衬膜、覆膜、双膜技术相辅相成，选择具体方案时需根据当地的气候条件和土壤特性进行调整，因地制宜。
3. 材料与方法
3.1. 研究区域概况
试验样地位于科尔沁沙地南部，行政区划隶属于内蒙古自治区通辽市奈曼旗(42˚14'40''N~43˚32'30''N，120˚19'40''E~121˚31'44''E)，研究区属于北温带大陆性季风干旱气候，春夏季降水较多，秋冬季降水较少[16]，一年中降水集中在夏季(6~8月)，年均降水量366 mm，年蒸发量1935 mm [17]。科尔沁沙地年平均气温6.00℃~6.50℃，无霜期平均约150天，全年日照率66.00%~69.90%，平均每日日照8.70~9.20 h，年平均风速3.60~4.10 m∙s−1。试验样地土壤类型为风沙土，植被类型主要是黄柳、白茅、大针茅、山杏、羊草。
3.2. 土壤样品采集
研究区设置三种处理样地，分别为：沙地(未修复的沙漠土壤)、水稻田(衬膜水稻修复10年土壤)、休耕地(种植衬膜水稻9年后休耕1年土壤)。以沙地为对照，于2023年5月，分别在上述3个样地中，采用五点取样法，选取5个1 m × 1 m取样点，用环刀分别采集3个研究区的0~10、10~20、20~30 cm土层土样。将每个采样点0~10、10~20、20~30 cm土层的土壤样品中的根系、杂质等直接剔除，然后混合均匀，用四分法缩分至密封袋中贴上标签，每个样地重复3次。将土样带回实验室，用于测定土壤养分的相关指标。
3.3. 测定指标与方法
采用元素分析仪测定土壤全氮(TN)含量；用三酸消煮提取土壤全磷(TP)、全钾(TK)，采用流动注射分析仪测定含量[18]；采用高温外热重铬酸钾氧化–容量法测定土壤有机质(SOM)含量[19]。
3.4. 数据处理
采用Excel 2408软件处理数据，对收集的土壤养分数据进行整理和初步分析，确保数据的准确性和完整性；采用SPSS 25进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，分析衬膜水稻种植与休耕对荒漠化土壤碳氮磷钾及有机质含量变化的影响；采用OriginPro 2021绘制图表，将分析结果可视化。
4. 结果与分析
4.1. 土壤全氮含量变化
注：不同小写字母表示处理间的显著差异(P < 0.05)。下同。
Figure 1. Effect of film-lined rice cultivation on total nitrogen content in desertified soil
图1. 衬膜水稻种植对荒漠化土壤全氮含量的影响
各处理表层土壤全氮含量介于0.21~0.67 g∙kg−1之间，变幅为0.46 g∙kg−1。由图1可知，水稻田和休耕地的土壤全氮含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层均较沙地有所提升。相比于沙地，水稻田的全氮含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了123%、126%、38%，其中在0~10、10~20 cm的土层中差异显著，休耕地的全氮含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了53%、30%、43%，在0~10、10~20、20~30 cm的土层中差异不显著。随着土层深度的增加，水稻田和休耕地的土壤全氮含量逐渐降低，特别是休耕地的土壤全氮含量下降速度较快，在0~10、10~20、20~30 cm的土层中沙地、水稻田、休耕地的全氮含量虽然仍高于沙地水平，但已无明显差异。
4.2. 土壤全磷含量变化
各处理表层土壤全磷含量介于0.035~0.06 g∙kg−1之间，变幅为0.025 g∙kg−1。由图2可知，水稻田和休耕地的土壤全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层均较沙地有所提升。相比于沙地，水稻田的全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了67%、57%、71%，其中在0~10、10~20 cm的土层中差异显著，休耕地的全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了58%、57%、37%，在0~10、10~20 cm的土层中差异显著。随着土层深度的增加，水稻田的土壤全磷含量相对稳定，而休耕地的土壤全磷含量在20~30 cm的土层中略有下降。总体来说，水稻田和休耕地的土壤全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中都有所提升且较为稳定。
Figure 2. Effect of film-lined rice cultivation on total phosphorus content in desertified soil
图2. 衬膜水稻种植对荒漠化土壤全磷含量的影响
4.3. 土壤全钾含量变化
Figure 3. Effect of film-lined rice cultivation on total potassium content in desertified soil
图3. 衬膜水稻种植对荒漠化土壤全钾含量的影响
各处理表层土壤全钾含量介于16.67~19.93 g∙kg−1之间，变幅为3.26 g∙kg−1。由图3可知，水稻田和休耕地的土壤全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层均较沙地有所提升。相比于沙地，水稻田的全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了15%、14%、19%，其中在0~10、20~30 cm的土层中差异显著，休耕地的全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了9%、8%、8%，在0~10、10~20、20~30 cm的土层中差异显著。随着土层深度的增加，水稻田的土壤全钾含量相对稳定，休耕地的土壤全钾含量在10~20 cm的土层中略低。总体来说，水稻田和休耕地的土壤全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中相较于沙地都有所提升。
4.4. 土壤有机质含量变化
Figure 4. Effect of film-lined rice cultivation on organic matter content in desertified soil
图4. 衬膜水稻种植对荒漠化土壤有机质含量的影响
各处理表层土壤有机质含量介于5.80~21.06 g∙kg−1之间，变幅为15.26g∙kg−1。由图4可知，水稻田和休耕地的土壤有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层均较沙地有所提升。相比于沙地，水稻田的有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了198%、225%、172%，其中在0~10、10~20、20~30 cm的土层中差异显著，休耕地的有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了148%、160%、239%，在0~10、10~20、20~30 cm的土层中差异显著。随着土层深度的增加，水稻田和休耕地的土壤有机质含量逐渐降低，但仍高于沙地水平。
5. 讨论
土壤养分是指作物生长过程中从土壤中摄取的所必须的营养元素[20]。土壤养分可以反映土壤肥力的高低，选取单一的氮磷钾及有机质指标进行评价，特别是一些土壤肥力培养的研究中可以把土壤肥力完全等同于土壤养分[21]。在本研究中，科尔沁沙地荒漠化土壤经过衬膜水稻修复后水稻田的全氮含量相较于沙地在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了123%、126%、38%，全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了67%、57%、71%，全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了15%、14%、19%，有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了198%、225%、172%，土壤的氮、磷、钾、有机质含量都有所提升即土壤肥力增加，土壤修复效果明显，这与衬膜修复的众多学者[17] [22]的研究一致，说明衬膜水稻技术确实可以提升荒漠化土壤的肥力。但是衬膜水稻修复后的水稻田土壤的氮、磷、钾、有机质含量均呈现随着土层深度的增加而降低的特征，并且养分表现出“表层富集”的特点，特别是在0~20 cm的土层，这与薄慧娟和戴奥娜等[23] [24]的研究结果一致，土壤养分确实会出现“表层富集”的特点。
衬膜水稻休耕后，休耕地的全氮含量相较于沙地在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了53%、30%、43%，休耕地的全磷含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了58%、57%、37%，休耕地的全钾含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了9%、8%、8%，休耕地的有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层中分别提升了148%、160%、239%，休耕地的土壤的氮、磷、钾、有机质含量相较于未修复的沙地都有所提升，但低于水稻田的土壤养分含量，特别是土壤的全氮和有机质含量差异显著(P < 0.05)。这表明休耕之后土壤的养分含量相较于水稻田下降速度较大，单纯靠衬膜水稻修复后休耕无法使得土壤养分继续提升，需要采取一些其他必要的人工措施进行干预，以期继续达到恢复荒漠化土壤的目标。
6. 结论
衬膜水稻种植确实可以修复荒漠化土壤、提升荒漠化土壤的肥力，经过衬膜水稻修复10年土壤，其土壤氮磷钾有机质含量在0~10、10~20、20~30 cm的土层都有提升，土壤肥力得到提升，但是具有普遍的表层集聚效应，主要体现在0~20 cm的土层。而种植9年休耕一年的土壤，其土壤氮磷钾有机质含量虽然相较于未修复的沙地有所提升，但低于水稻田，特别是全氮和有机质含量下降速度略快，仍需定期监测。
总体而言，衬膜水稻种植技术能够有效修复荒漠化土壤，逐步提升土壤中的氮、磷、钾及有机质含量，从而增强土壤的肥力。与传统的植被恢复和土壤改良等方法相比，这一技术不仅可以提高土壤肥力、减缓土壤荒漠化的进程，而且还能为当地居民创造收入，帮助他们脱贫。因此，它所带来的生态和经济效益非常值得推广和深入研究。作为一种快速恢复沙地植被和治理荒漠化土壤的新方法，衬膜水稻种植技术在未来的研究中，不仅需要持续关注水稻田的养分变化，还应定期监测休耕后土壤的养分含量。如果仅依靠自然演替进行休耕，可能会导致土壤养分下降和肥力降低。因此，需要采取必要的人工干预措施，比如人工植草或在休耕土壤上覆盖植被，以减少水分和肥料的损失，从而促进生态演替，实现长期的修复效果。通过综合运用衬膜水稻种植技术与适当的人工干预，我们可以更好地应对荒漠化带来的挑战，实现生态系统的恢复和可持续发展，确保荒漠化土壤修复的成功与持久。
基金项目
2022年度沈阳市科学技术计划科研立项：沈阳市浑南区李相街道农村厕卫改造科技特派团(k500000376)。
NOTES
*通讯作者。