聚焦荒漠化问题——土壤改良及生物治理研究

徐州市第一中学高一15班   孙鼎焜、柳佳宜、王潇潇、徐华卿

【摘要】

针对荒漠化问题，小组成员通过三个小实验对土地荒漠化有进一步的了解，对目前国家实施的治理办法有深入认识。实验结果发现在风沙土中国添加粉煤灰可以增强沙土贮水量；可以利用稗草进行飞播植草，从而改善荒漠沙化程度。

【关键词】贮水量；蒸发量；入渗率；抗旱指数

一、研究背景

中国是世界上荒漠化面积较大、分布较广、受害严重的国家之一，荒漠化类型多样、程度严重。根据全国沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化调研结果表明，我国荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4%，近4亿人口受到荒漠化的影响。据中、美、加国际合作项目研究，中国因荒漠化造成的直接经济损失约为541亿人民币。荒漠草原由于长期的自然条件和人为过度开垦导致草地植被及其物理生境退化。针对于此，近年来普遍采取了引种补播、造灌木林、 围栏禁牧等一系列恢复措施，遏制了草地退化的势头。退化草地根本性恢复的重点在于其生境的恢复。

   有效治理荒漠化有利于因地制宜地进行产业结构的调整，使农林牧副渔全面发展，可以增加农民收入，促进当地经济发展，改善农民生活条件，提高生活质量；有利于保护土地资源改善当地的生态环境；有利于促进生态和经济的可持续发展。

目前对于荒漠化治理方法有工程措施、化学措施和生物措施三类。小组成员聚焦化学和生物措施，打算通过三个小实验对土地荒漠化有进一步的了解，对目前国家实施的治理办法有深入认识。

实验一、通过研究风沙土与田园土持水、入渗、蒸发等特征差异，强化对荒漠地区环境特征及植物贫乏原因的理解；

实验二、通过探究添加不同比例的粉煤灰后风沙土的入渗及蒸发特性，增强对风沙土改良的兴趣，并对改良方法有一定认识；

实验三、通过探究不同禾本科牧草抗旱能力差异 ，了解评价种子耐旱能力的方法。

二、实验材料

1、实验材料：风沙土，粉煤灰，稗草种、狗尾草种、沙打旺种，学校下发。田园土，从小区绿地获得。

2、实验仪器：量筒、量杯、滴管、搅拌棒、透明自制封袋、一次性手套、筛网、滤纸、漏斗、分装瓶、培养皿、称量纸、金属药勺、塑料烧杯。

实验试剂：乙醇消毒液、PEG-6000

三、研究过程

课题一、风沙土与田园土贮水、入渗及蒸发特征比较

具体步骤：

1 、土样最大贮水量测定

1.1土样准备：用量筒量取相同体积(如 15mL，确保土柱中无空气隔层)的风沙土和田园土（实验中田园土需自取，田园土和风沙土需先过 2mm 筛网后晾干），标记组别。

1.2装置搭建：用滤纸制作2个纸漏斗分分别放在2个塑料漏斗中，然后将漏斗置于 50mL 量筒上，小心将量好的土样置于纸漏斗中（注意土样不要洒出来）。

1.3加水饱和入渗测试：用滴管吸取清水，依次缓慢滴加于风沙土和田园土表层，控制两个土样加水量一致，分次、缓慢添加直到装有土样的漏斗下方有水滴出，观察两个土样出水先后，记录加水体积及渗出水的体积。

1.4最大贮水量测定：待漏斗下方不滴水后，小心将量筒中的水样转移至烧杯中称重（渗出水量），记录并计算土样吸水体积（最大贮水量）。

2、模拟降雨条件下的入渗速率比较

   由于沙区降雨，特别是在晚间降雨，大气湿度特别大，且温度较低，因此，本试验在入渗过程中暂不考虑蒸发，观测降雨在不同土壤中的最大入渗深度。在室内模拟不同土壤水分入渗试验时，降雨采用人工模拟降雨的方法， 考虑到实验条件限制，降雨尺度采用5mm。

2.1装土：取相同体积（如40mL）的风沙土和田园土（此处田园土为过2mm筛网后晾干后的土壤），置于50mL 量筒中，确保土柱中无空气隔层，标记组别。

2.2模拟降雨：（模拟 5mm 降雨尺度时首先确定所用容器对应的降雨量，因为1mm的降水量是指单位面积上水深1mm，实验中所使用的的 50mL量筒内径为22mm，因此需量取水的体积约为1.9mL）用3mL塑料滴管将1.9mL（可用可用滴管测定1mL下水滴数，发现 1mL可滴 20 滴，所以实验中滴加量为lmL+18滴）清水缓慢滴于风沙土和田园土表面，滴水结束后，将量筒放置于阴凉蔽日处，称重。

2.3观察记录：每隔一段时间观察量筒中湿润锋的位置，用量尺记录入渗深度（以土层表面为起始刻度线），计数时间间隔采用10min、30min和1h、2h、12h、24h、48h、72h等，直至入渗深度无变化为止，记录数据并尝试计算入渗速率。

3、自然光照/通风条件下的蒸发量比较

   入渗完成后，将2个50mL量筒称重，然后置于自然光照、通风（如窗台等）处，每天用电子秤称量2个组别质量，前后质量差为每天的蒸发量。连续观测7-10天，记录数据。降雨量完全蒸发所用时间越长，表明能够被职务利用的时间就越长。

课题二、“点沙成土”——土壤改良剂对风沙土入渗及蒸发特性影响研究

1、添加粉煤灰的风沙土组别设置:

验设定4种处理，即对照(CK)和粉煤灰施用率为风沙土质量的10%、20%、40%。土样的数量必影响土壤对水分的吸持能力，为了研究不同粉煤灰施用率下风沙土的入渗、蒸发性能，试验配土设定为每种处理配装混合土样总计 80g，各种处理按照施用比例配土。不同组别配土处理数据如下表所示。

称取相应比例的粉煤灰及风沙土分别置于4个不同的 100mL烧杯中，用搅拌棒充分搅拌混匀，然后用漏斗将不同组别的土样缓慢置于4个50mL量筒中，土样装配好后充分振动以确保沙柱中无空气隔层，标记组别。

2、不同处理风沙土入渗速率测定方法：

2.1模拟降雨：（模拟5mm降雨尺度时首先确定所用容器对应的降雨量，因为1mm 的降水量是指单位面积上水深lmm，实验中所使用的的50mL 量筒内径为22mm，因此需量取水白的体积约为1.9mL）用 3mL 塑料滴管 1.9mL（可用滴管测定 1ml下水滴数，发现 1mL 可滴 20滴，所以实验中滴加量为1m L+18滴）清水缓慢滴于不同土样表面，滴水结束后，将量信置于阴凉蔽日处，称重。

2.2观察记录：每隔一段时间观察量筒中湿润锋的位置，用量尺记录入渗深度（以土层表面为起始刻度线），计数时间间隔采用10min、30min和1h、2h、12h、24h、48h、72h等， 直至入渗深度无变化为止，记录数据并尝试计算入渗速率。

3、不同处理风沙土日蒸发量测定方法：

入渗完成后，将4个 50mL 量筒称重，然后置于自然光照 通风（如窗台等）处，每天用电子秤称量4个组别质量，前后 质量差为每天的蒸发量。连续观测 7-10 天，记录数据。降雨雨量完全蒸发所用时间越长，表明能够被植被利用的时间就越长。

课题三、飞播植草——不同禾本科牧草抗旱能力差异研究

1、种子消毒处理：分别选取籽粒饱满、大小一致、无病虫且种胚色泽一致的3种牧草草籽各60粒，

用 75% 的乙醇灭菌消毒 5min，之后用清水洗净，用滤纸吸干种子表面的水分。

2、PEG-6000 溶液配制：用电子秤分别称取 10g、20g的PEG-6000，置于2个100mL试剂瓶中，然后在2个试剂瓶中分别添加 90mL、80mL的清水，即配制得到2种PEG-6000溶液，质量分数分别为 10%，20%。其中 10%PEG-6000 溶液模拟中度胁迫条件，20%PEG-6000溶液模拟重度胁迫条件。另取100mL 清水置于100mL试剂瓶中模拟正常供水条件，作为空白对照组CK。

3、发芽床设置：将3种不同的牧草种子分别置于铺有9cm滤纸的培养皿中，每个培养皿中放 20粒种子，浇 2mL 处理液。发芽条件为室温、正常光照。

4、补充溶液及观察记录：从种子置床之日起，每天定时、定量补充适量对应浓度的PEG-6000溶液（以种子周围不出现水膜为标准，根据不同季节和室温可微调，一般2-4mL），同时每天定时记录发芽种子数（发芽标准是以胚芽长度为种子长度的1/2时），第4天计算发芽势、第8天结束试验，计算发芽指数。

计算方法：

发芽率GR=第8天正常发芽种子数/供试种子数x100%；

发芽势GE=第4天正常发芽种子数/供试种子数x100%。

发芽指数GI=∑（Gt/Dt）。

式中，Gt指时间t日当天的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

5、抗旱指数计算：综合所得实验数据，计算不同种子的抗旱指数。参照Bouslama等的计算方法，对计算公式稍加改动。

抗旱指数= PIs /PIc

式中，PIs、PIc分别表示干旱胁迫下种子萌发指数、对照种子萌发指数；其中PI=(1.00)Rd3+(

0.75)Rd4+(0.5)Rd6+(0.25)Rds;Rd3、Rd4、Rd6、Rd8 分别为第 3、4、6、8天的种子发芽率。

四、结果与分析

 课题一结果：通过课题一实验通过以上实验，可知在相同的自然条件下，

在入渗速率、入渗能力、蒸发量方面：风沙土＞田园土； 在最大贮水量方面：风沙土＜田园土。

由此可知：以风沙土为主要土质的荒漠环境下，不适合植物生长，因为无法持续、充足的提供植物生长所需的水分。

                    表1-1 图土最大贮水量测定比较

                    表1-2A 模拟降雨条件下的入渗量比较记录表

                  表1-2B 模拟降雨条件下的入渗速率比较记录表

                表1-3A  自然光照、通风条件下的日蒸发后组别质量记录表

              表1-3B  自然光照、通风条件下的日蒸发量比较分析表

课题二结果：粉煤灰的添加降低了风沙土的入渗速率，降低了风沙土的日蒸发。

                表2-1A 不同处理风沙土入渗量比较实验数据分析表

                 表2-1B  不同处理风沙土的入渗速率比较分析表

课题三结果： 通过实验，可发现正常供水条件下，3种牧草发芽指数差异_业明显，具体表现为，不同收草发芽指数从高到低依次为稗草>沙打旺>狗尾草，这说明稗草种子活力最高。

   就同一牧草而言，可发现，发芽率随PEG-6000浓度的增加而降低。不同牧草在相同干旱胁迫强度下发芽率差异明显，具体表现为，在中度胁迫下不同牧草发芽率从高到低依次为稗草>沙打旺>狗尾草；重度胁迫下不同品种发芽率从高到低依次为稗草>沙打旺≈狗尾草

   综合分析不同牧草在不同干旱胁迫下的发芽率、发芽势、发芽指数及抗旱指数等指标，可发现稗草表现出对干旱的较强耐受性，沙打旺对干旱胁迫敏感，推荐选择稗草作为干旱半干旱地区栽培草地建植和退化草地恢复重建过程中草种进行飞播。

五、结论

课题一实验结论：以风沙土为主要土质的荒漠环境下，不适合植物生长，因为无法持续、充足的提供植物生长所需的水分。

  课题二实验结论：粉煤灰降低了风沙土的入渗速率，降低了风沙土的日蒸发。风沙土中掺入粉煤灰使风沙土黏粒含量增多，土壤容重、孔隙度降低。其含水量较风沙土有明显提高，渗透性不断升高，有效水分滞留时间增加。随着粉煤灰含量的增多，沙粒含量减少，而粉粒、黏粒含量有所增多，土壤变得粘合，通透性降低，保水性增强。

    未来可以持续提高粉煤灰综合利用水平，推进粉煤灰盐碱地、沙漠化土地生态修复等领域的利用。

   课题三实验结论：稗草表现出对干旱有较强的耐受性。推荐选择稗草作为半旱半干旱地区栽培草地建植和退化草地恢复重建过程中草种进行飞播。

六、参考文献

期刊类:

[1]原鹏飞,丁国栋,王炜炜,王翔宇,石慧书.毛乌素沙地降雨入渗和蒸发特征【J】.中国水土保持科学,2008(04):23-27.

[2]李爱德,王耀林,赵明,郭志中,张德奎.民勤地区沙面蒸发及影响因素的初步研究【J】干旱区研究，1996（03）：54-59