林业科学  2005, Vol. 41 Issue (4): 67-71   PDF    
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鲁小珍, 金永灿, 杨益琴, 曹云峰, 李忠正.
Lu Xiaozhen, Jin Yongcan, Yang Yiqin, Cao Yunfeng, Li Zhongzheng.
木质素固沙材料应用于沙漠化地区植被恢复的研究
Application of Lignin Sand-Fixer to Vegetation Restoration in Desertificated Areas
林业科学, 2005, 41(4): 67-71.
Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(4): 67-71.

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收稿日期:2003-11-25

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鲁小珍
金永灿
杨益琴
曹云峰
李忠正

木质素固沙材料应用于沙漠化地区植被恢复的研究
鲁小珍, 金永灿, 杨益琴, 曹云峰, 李忠正     
南京林业大学 南京 210037
摘要: 木质素固沙材料是制浆废液经化学改性制备而成的一种新型固沙材料,具有见效快、可降解、成本低等优点,并可与植物固沙有机结合,促进沙化地区的植被恢复。经过3年在宁夏(半干旱地区)的木质素固沙与植被恢复相结合的研究,结果表明:1)木质素固沙材料溶液可以在1天之内快速形成沙结皮,起到固沙作用,比草方格固沙节约成本50%以上,当年植被便可恢复,经济、生态效益明显;同时使固沙的高度突破了1/2,达到了2/3的沙丘高度;使生物多样性明显增加。为干旱、半干旱地区的生态建设提供了一项新的技术措施。2)木质素固沙材料1%~2%的浓度和2.5 L·m-2的剂量既可有效固沙,同时还可保持水分、减缓水分蒸发,对植物的发芽、生长及生物量积累均起到了良好的作用,是固沙与植被恢复的理想结合。3)木质素固沙材料是水溶性的,在半干旱地区木质素固沙材料的作用大约在8个月至1年,足以帮助植物的生长,但降水过多地区将使木质素的效能弱化。4)1年生草本与多年生的灌木植物组合配置,可持续性发挥固沙作用。
关键词: 木质素    固沙    植被恢复    
Application of Lignin Sand-Fixer to Vegetation Restoration in Desertificated Areas
Lu Xiaozhen, Jin Yongcan, Yang Yiqin, Cao Yunfeng, Li Zhongzheng     
Nanjing Forestry University Nanjing 210037
Abstract: Lignin chemically extracted from pulp waste liquor has been used as a sand fixer in an experiment of sand stabilization in 2001—2003 in a semiarid area in Ningxia. The results obtained were summarized as follows:1)the sand crusts were formed within 24 hours after spraying the lignin sand-fixer on the sand surface. The lignin sand-fixer reduced the cost more than 50% as compared with that of the grass-grid. The fixed sand could increase the height as much as 2/3 of the sand dune that could create favorable conditions for restoration of vegetation and biodiversity. 2)A desirable result was obtained by spraying the solution of 1%~2% lignin sand-fixer in a dose of 2.5 L·m-2 on sand surface. As a result of reducing evaporation, consequently the moisture was favorable for seed germination, plant growth, and accumulation of biomass and final restoration of vegetation. 3)Lignin sand-fixer was water-soluble and could maintain sand-fixed for 8~12 months in semiarid area, which was enough for plant growth. 4)Sand could be fixed continuously by combining the annual herbs and the perennial shrubs.
Key words: lignin    sand fixation    vegetation restoration    

风沙流是一种贴地面的沙子搬运现象(常兆丰,1998),其搬运的沙量80%(根据当地沙粒组成而异)集于贴地表 0~20 cm的高度内通过,特别是贴地面10 cm的气流中。因此近地层的风速变化影响着风积物的堆积状况和风蚀程度。沙地表面上枝叶茂密的植物群丛会对气流产生很大的阻力,在其周围不仅不发生风蚀,而且能够积沙(徐秀梅等,2003)。国内外目前的主要治沙技术措施包括(杨金平等,2002;于云江等,2002):植物治沙(造林治沙,封沙育林育草),机械沙障压沙(粘土沙障,低立式柴草沙障)和综合治沙模式(造林与机械沙障相结合的治理流沙模式,乔、灌、草、网、片、带相结合的防护林模式)、化学固沙(Ritter et al ., 1998;Chow et al., 1997;Ibrahim et al., 2002; Pakparva, 1998)等,但存在治沙费用高,见效时间长或环保效果差等问题。而利用工业木质素(Jin et al., 2004;吴玉英等,1998Li et al., 2001;王佩卿等,1999)和植物繁殖材料相结合的治沙模式未见报道,无论从经济上还是生态环保上看,这均是一项极有前景的新型治沙模式,它的推广可能带来治沙技术的一场革命。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于宁夏回族自治区银川市以北56 km的西大滩,东经106°13′,北纬38°45′,海拔1 100 m,属我国的半干旱荒漠地区,年平均气温4.7~8.1 ℃,年降水量172.2 mm, 2 /3集中于7—9月,蒸发量1 755.1 mm,春秋偏西北风风速常超过17.2 m·s-1。试验地设在靠近黄河水灌溉后的退水沟边的“星月形”半固定湿沙丘上,以迎风坡(坡度12~20 °)为主,沙土厚而贫瘠,100 cm厚沙层的平均含水量4%左右,几无有机质。原状沙丘寸草不长。试验时间2001—2003年。

1.2 研究方法 1.2.1 研究内容

2001年,进行木质素固沙材料的固沙试验,确定固沙的有效性及合理浓度与剂量;2002年,木质素固沙材料固沙结合草灌种植,将木质素固沙与植被恢复有机结合,进一步分析确定浓度、剂量与播种出苗、成活的关系;2003年,进行扩大试验,根据合理浓度与剂量,扩大多年生灌木种植的种类,以期达到一劳永逸的固沙与植被恢复效果。

1.2.2 试验材料

2002年4月,用柳树(Salix sp.)2年生苗及NFDB9柳(Tamarix laxa)野生多年生苗作为试验区防护林植物种植,不喷木质素固沙材料;沙米(Agriophyllum squarrosum)和沙蒿(Artemisia desertorum)种子作为沙地植被恢复的先锋植物先混合播种,后喷施木质素固沙材料;2003年4月,用NFDB9柳、柠条(Caragana mirophylla)、花棒(Hedysarum scoparium)、沙棘(Hippophae rhamnoides)的营养钵苗,沙米及沙蒿的种子,也是先混合播种、栽苗,再喷木质素固沙材料。其中沙蒿种子的质量可能有问题,至当年8月仍未发芽。

本研究采用的木质素固沙材料是利用造纸制浆废液进行化学改性制备而成的一种新型高效低成本固沙剂(Jin et al., 2004;吴玉英等,1998)。2001、2002年所用木质素固沙材料由江苏某造纸厂提供,为麦草烧碱法制浆黑液经化学改性制备而成,以GS-AL表示;2003年所用木质素固沙剂除GS-AL外,同时进行由麦草亚硫酸钠-甲醛法制浆废液改性制备的固沙材料(以GS-SL表示)的试验。

1.2.3 试验区设置

2001年6月进行小范围的木质素固沙材料的固沙试验,设置0.2%、0.5%、1.0%共3个浓度,2、4、6、8、10 L·m-2 5个剂量,2 m×2 m小样方2次重复随机排列。1 d后,在试验小区东、南、西、北方向共挖取4块10 cm×10 cm沙结皮实测其厚度,按平均厚度记入统计表,以便对木质素喷施剂量与沙结皮厚度关系进行探讨;2002年4月,根据上年的结果,结合植被恢复进行小试,木质素固沙材料溶液配成4%、2%和1%共3个浓度、2.5和5 L·m-2 2种剂量,2 m×2 m的样方4次重复进行随机区组试验,同时设清水对照;2003年4月底进行扩大试验,在上年基础上,结合推广实际,按浓度为2%、用量为2.5 L·m-2,采用GS-AL、GS-SL、GS-AL与GS-SL混合3种处理,分迎风坡和背风坡进行较大面积喷施,喷施总面积达3 hm2

1.2.4 试验区观测

沙米出苗率和保存率的观测采用试验区各处理的地表覆盖率估计法,每个试验小区观测5个值,按平均值进入统计分析;对各样地成活普遍较好的沙蒿及NFDB9柳、花棒营养钵苗按15%的抽样比随机抽样进行生长观测记载,包括植株高度、地径、冠幅及新梢长度等4个指标;柠条和沙棘种植在沙丘的1/2以上高度,因成活率偏低,未作生长调查;同时观测各样地的物种多样性情况。生物量测定分地上、地下2层,在各处理上分别设1 m×1 m的标准样方采集植物茎叶、根系,烘干法(105 ℃烘至恒重)测定植物的干质量。

2 结果与分析 2.1 木质素固沙材料浓度、剂量对沙结皮厚度的影响

表 1表明,在纯沙丘上,0.5%及1.0%浓度的木质素固沙材料对沙丘表面均匀浇湿(用量控制在2~4 L·m-2),则可以在1 d内快速形成厚1 cm以上的沙结皮,起到快速固定沙土、防止风吹沙跑的作用。考虑到植被根系对水及营养的需要,实际工作中需要加大木质素的用量。即使按2%浓度和2.5 L·m-2的剂量,折合成每公顷固沙材料成本(现价)仍不到1 950元人民币,而草方格固沙的成本在宁夏每公顷高达4 500~9 000元,前者比后者节约成本达57.7%~78.3%,且草沙障要形成沙结皮需长达6~9年1)

表 1 木质素不同浓度、剂量固沙的平均结皮厚度 Tab.1 The average thickness of sand crust under different lignin concentrations and dosagescm

1) 根据当地调查经验数据。

2.2 木质素固沙材料对植物生长的影响 2.2.1 木质素浓度及剂量对沙米出苗率及存活率的影响

在木质素固沙材料不同浓度与剂量条件下,播种沙米15 d后,对出苗覆盖率进行调查,70 d后对存活率进行调查。方差分析显示:不同浓度与剂量对出苗影响不显著,且无交互作用(表 2)。表明降雨充足时沙米的出苗与木质素固沙材料无显著关系,主要是受天气条件及种子本身质量的影响,种子无质量问题时,降雨是影响沙米出苗率的主导因子。由于播种后的15 d内下过两场6 mm左右的雨,大大促进了沙米的发芽,甚至清水对照区因无沙结皮阻隔,比木质素喷施区出苗密度还大(盖度达67.5%,木质素喷施区盖度则为50%左右)。但不同浓度的木质素固沙材料对沙米70 d时的存活率有显著影响(表 3)(F=7.247>F0.05=4.26),以1%~2%浓度区的沙米存活率为高,剂量之间则无显著差异(F=1.858>F 0.05=3.403)。故2.5 L·m-2的剂量视为经济合理剂量。浓度与剂量的交互作用对沙米存活也无显著影响。因此认为木质素固沙材料1%~2%的浓度和2.5 L·m-2的剂量是固沙与植被恢复的理想组合。

表 2 沙米出苗率方差分析 Tab.2 The variance analysis of emergence percentage of A. squarrosum
表 3 70 d时沙米存活率方差分析 Tab.3 The variance analysis of survival rate of A. squarrosum
2.2.2 木质素产品与植物生长的关系

表 4表明,2003年试验地中NFDB9柳营养苗种植在沙丘的靠下部位。清水对照区9株仅1株成活,高20 cm且无分枝,长势明显弱于木质素固沙材料喷施区;木质素固沙材料喷施区NFDB9柳的成活率均在90%以上。栽后苗木地上部分全部枯死后,又从根部抽出新枝且分枝较多,长势较旺,植株的平均高在32~44 cm,地径0.31~0.47 cm,冠幅1 110~1 690 cm2。反映了清水区无沙结皮阻隔,表面蒸发强烈,NFDB9柳根系来不及进入沙土深层吸水而“渴死”;而木质素固沙材料喷施区因快速形成的沙结皮减缓了表面水分的蒸发,为根系生长创造了条件,根系伸入到深层沙土补充水分而继续生存。

表 4 不同木质素固沙材料处理的植物平均生长情况 Tab.4 The growth of plants under different lignin sand-fixer

在木质素固沙材料处理区,多重比较结果表明,迎风坡NFDB9柳的株高、冠幅与地径均无显著差异,表明不同形态的木质素基本性能一致;背风坡的NFDB9柳地径与迎风坡的显著不同,株高、冠幅与迎风坡的2%GS-SL区显著不同,3项指标均优于迎风坡。这与背风坡的NFDB9柳靠近丘间底部,水分条件较好,又是背风面,受风沙危害较小有关。

花棒营养苗数量少,集中于2%GS-SL区,新梢生长达到34.59 cm,冠幅舒展,冠幅达到1 835.96 cm2,有效增加了地面的粗糙度,弱化风的动能,又是多年生灌木,是沙地植被恢复的理想乡土物种。

2002年试验地的沙蒿(多年生植物)自当年7月底出苗后,一部分保存下来,2003年调查时盖度达到30%且生长很好(表 4),甚至已分不出清水对照区了,整个试验区均被沙蒿、沙米所覆盖,但沙米已现缺水黄化状,沙蒿因其根系深扎于沙土中,能吸收到沙土深层的水分,还在正常生长。2003年试验地虽然混合播种了沙蒿种子,但未出苗,据分析可能与种子质量有关,可能拿到了陈种子,但当时因时间、设备等关系没有做发芽试验。

不同处理的沙米(一年生植物)都有所生长,盖度5%~40%,高度5~50 cm。以清水对照区长势最弱,与2003年试验期间降水偏少、表面水分蒸发过快而缺乏沙米发芽条件有关;其次是背风坡区,调查时还是10 cm高的小苗,木质素固沙层已被10 cm以上厚度的流沙所覆盖,分析认为与流动沙丘顶部因风吹后移导致沙埋有关。而迎风坡的木质素区及2002年试验区沙米长势都很好,与木质素固沙材料覆盖、固定沙土,减缓表面水分蒸发,尤其是降水偏少年份有利于沙米发芽有关。

2.2.3 不同的木质素固沙材料处理与植物生物量的关系

表 5反映了各个处理的植物生物量的积累情况。结果表明,2002年试验区经过2个生长季,总生物量明显高于其他处理区,与GS-SL区持平,但根茎比接近1:1,比GS-SL区的1:6对植物群落来说更具稳定性。茎叶的生物量以GS-SL区最大,干质量达196.11 g·m-2,根的生物量以2002年试验区为最大,干质量达104.22 g·m-2。清水对照区的生物量是最少的,可以忽略不计,其次是背风坡区。说明木质素固沙材料固沙对促进植物生长、积累生物量的良好作用。在青铜峡农场围栏封育区的试验(现已毁损)结果(喷过木质素固沙材料的区域明显比对照区植物长得高大,植被密度也明显较大)也充分说明了这一点。

表 5 不同木质素固沙材料处理的植物生物量 Tab.5 The biomass of plants in different lignin sand-fixer treatments
2.3 试验区面貌及生物多样性的变化

一般的流动沙丘上由于风蚀问题而无法长草灌等植物。在迎风坡高的1/3以下风势最弱,1/3~1/2处风速中等,1/2以上则最大。为减轻风蚀,前人也想了很多办法,但均局限于沙丘高度的1/2以下范围。本试验采用化学与生物相结合的固沙新方法,使固沙与植被恢复的高度达到了2/3的沙丘高度。

从2002—2003年的试验地情况看,凡是喷过木质素的沙丘,没有风吹移动的迹象,而沙丘上部没有喷木质素的部位已明显发生了位移,距离从2~30 m不等。

从生物多样性角度看,试验区临近沙丘上还是光秃秃的不长植物,而试验区则是一片绿色,植被得到了良好恢复,随着植被的覆盖,生物物种多样性明显增加,在试验地就发现有碱蓬(Suaeda salsa)、棘豆(Oxytropis ochrocephala)、猪毛菜(Salsola foliosa)侵入,且新增有狗獾(Meles meles)、野兔(Lepus capensis)等出没。挖土壤剖面时,植被覆盖好的样地上土壤动物明显多于清水对照及植被覆盖差的样地。

3 结论与讨论

木质素固沙材料溶液可在1 d之内快速形成沙结皮,起到其他沙障同样的防风固沙作用,比草方格固沙节约成本57%~78%,当年植被便得到了恢复,而且更为方便快捷,经济、生态效益明显。同时与植被恢复相结合,使固沙的高度突破了1/2,达到了2/3的沙丘高度,且生物多样性明显增加。为干旱、半干旱地区的生态建设提供了一项新的技术措施。

木质素固沙材料1%~2%的浓度和2.5 L·m-2的剂量既可有效固沙,也可减缓水分蒸发,对植物的发芽、生长及生物量积累均起到了良好的作用,是固沙与植被恢复的理想组合。

木质素固沙材料是水溶性的,在半干旱地区其作用在8~12个月,足以帮助植物生长,但降水过多地区将使木质素固沙材料的效能弱化。如有需要,可进一步研究改进木质素固沙材料的配方。

植物种类配置很重要,如果仅用1年生的植物,如沙米,当年的固沙效果很明显,但第2年由于表层水分一部分被蒸发,一部分很快被沙米前期萌发生长所吸收、蒸腾,8月份以后明显可见缺水黄化现象;如果结合多年生的草灌植物种植,则以后即使1年生植物黄枯,而多年生植物的根系已达很深的土层,生长还呈正常状态,持续发挥生物固沙作用。

土壤性质的变化尤其是土壤—植物—大气连续体的水分运移规律尚待深入研究,在后续论文中论述。

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