砒砂巖區農田生態系統可持續發展模式構建

雷娜

摘 要：構建可持續發展的農田生態系統對于區域經濟的發展和生態環境的保護具有重要意義。運用實驗室檢測對砒砂巖與沙復配土的土壤肥力以及作物種植的適宜性進行評價；運用野外調查、系統分析歸納、類比分析等方法，結合砒砂巖區的自然資源、經濟、生態環境等方面的綜合情況，因地制宜，篩選出適合不同立地類型典型復合農林生態系統模式。結果表明：利用砒砂巖與沙復配成土技術，有效的增加了耕地面積與耕地質量，同時通過復合農林生態系統模式的構建，發揮了固沙效應、景觀效應、生物多樣性效應、氣候效應以及區域綜合效應，形成可持續發展的農田生態系統模式。

關鍵詞：農田生態系統；可持續發展模式；砒砂巖區

中圖分類號：S727.24 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180329017

農田生態系統是人類發揮主觀能動性，在使用土地資源的基礎上，改變自然生態系統，利用農業技術獲取生存的必需品而形成的自然-人工復合生態系統。該系統解決了人類基本的生存問題，為人類提供各種農產品，包括糧食、蔬菜、水果、纖維等，這些農產品奠定了人類生存的物質基礎。隨著人類經濟的發展，生態環境保護的重要性已被充分認識，改善和保護生態系統，保障其發揮生態系統服務功能已成為現階段學者們研究的熱點。農田生態系統不僅為區域人類提供生活必需品，其作為陸地生態系統的重要組成部分，還發揮著調節小氣候、凈化空氣、涵養水源、保育水土、生物多樣性、觀光休閑等生態服務功能[1-4]，有關農田生態系統服務經濟價值評價的研究逐漸增加[5-6]，可進一步量化農田生態系統生態服務功能，為生態補償以及生態系統保護提供科學依據，形成區域生態系統良性循環，保障人類社會可持續發展。農田生態系統促進城鄉居民、就業社會發展等社會功能對于人類社會的持續發展同樣具有重要作用，基于農田生態系統服務評價的土地利用方式的探討也開始出現[7-9]。

可見，農田生態系統具有生產功能、生態功能和社會功能，對于人類生存發展有重要意義。砒沙巖區生態環境惡劣，現有的土地利用系統及農業發展模式并不能最大程度地滿足當地人民的生活需要，未能建立良好的農田生態系統。因此研究砒砂巖與沙復配成土技術，同時因地制宜建立復合農林生態系統，最終形成可持續的農田生態系統模式，有利于砒沙巖區合理開發利用農業資源、提高農作物產量、改善生態環境、促進農民就業、實現農業的永續發展。

1 研究區概況與樣品采集

1.1 研究區概況

砒砂巖又稱泥砂巖、砂礫巖，屬于中生代沉積巖類，砒砂巖看似堅硬，但一經其風、雨、凍、曬等外來作用就松散為砂，極易造成環境破壞，被世界行業的專家稱為“地球環境的癌癥”。砒砂巖分布區域廣泛，分布區域介于N3810'～4010'，E10845'～11131'之間。涉及內蒙古5個縣市（東勝市、伊金霍洛旗、準格爾旗、達拉特旗及呼和浩特市清水縣）、陜西（府谷、神木）、山西（河曲、保德）等，分布區域面積約為1.67萬km2。砒砂巖分布區域有黃土梁峁和丘陵、土石山及風沙區等地形類型。區域土壤以栗鈣土、風沙土、灰褐土3大類為主，土壤肥力地下，結構松散，容易受到外力的侵蝕而發生破壞，造成農田生態系統惡化，進一步影響區域農業生產條件和人居環境，不利于區域經濟的發展和環境的保護，甚至對區域社會穩定產生一定的影響。

1.2 樣品采集

土壤肥力和作物適應性評價樣品采自陜西省土地工程建設集團建成的砒砂巖與沙復配成土示范工程項目區。項目區位于陜西省榆林市榆陽區小紀汗鄉大紀汗村，面積約為163 hm2，項目區平均分為7個區域，每個區域面積約為23 hm2，在2012年馬鈴薯收獲后，每個區域采集一個混合土樣，共計7個，采樣區地塊形狀見圖1。

2 研究方法

砒沙巖與沙復配成土技術即砒砂巖與沙以一定的比例混合，形成新的種植土壤。為砒沙巖區農田生態系統的建立提供基礎條件。礦物是構成巖石的基礎，砒砂巖主要由石英、鈣蒙脫石、長石和方解石等礦物組成，偏光顯微鏡下分析表明，砒沙巖區沙地中的風沙土主要由巖屑、長石和石英3種顆粒組成[10]。對復配土的土壤肥力以及作物種植的適宜性的評價主要采用實驗室檢測，具體檢測指標有pH、有機質、水溶性總鹽、全氮、速效磷、速效鉀等，其中pH 采用玻璃電極法，用pH計測定，水土比例為2.5：1；有機質采用重鉻酸鉀氧化一油浴加熱法來測定，用瓶口滴定器滴定；水溶性總鹽采用殘渣烘干-質量法用水浴鍋加熱測定；全氮采用凱氏定氮儀分析測定；速效磷采用0.5mol/L NaHCO3 浸提—鉬銻抗分光光度法，用紫外可見分光光度計測定；速效鉀用中性乙酸溶液浸提，火焰光度計測定。對復合農林生態系統模式的構建主要是通過野外調查、專家咨詢法、系統分析歸納、類比分析等方法等，結合砒砂巖的自然、資源、經濟、生態環境等方面的綜合情況，因地制宜，篩選出適合區域不同立地類型的典型生態系統模式。

3 結果與分析

3.1 復配土土壤肥力評價

根據選定的判定砒砂巖與沙復配土土壤質量的物理、化學等6個指標（pH值、有機質、全鹽量、全氮、速效磷、速效鉀），評價研究區域復配土的土壤質量，研究區土壤質量情況見表1。

表2顯示，研究區域土壤pH值在8.26～8.50的范圍內變動；復配土種植作物收獲后有機質變化范圍為0.13%～0.34%，復配土有機質平均含量為0.22%；砒砂巖與沙復配土全鹽量在0.01%～0.25%的范圍內變動，平均全鹽量為0.13%；砒砂巖與沙復配土全氮的變化范圍為0.042%～0.070%，復配土全氮平均含量為0.057%；砒砂巖與沙復配土速效磷變化范圍為2.5～3.7 mg/kg，復配土速效磷平均含量為3.0 mg/kg；砒砂巖與沙復配土速效鉀平均含量為60.1 mg/kg，變幅在47.4～85.0 mg/kg。

pH值、全鹽量是衡量土壤物理性狀的重要指標，pH值可判定土壤的酸堿度，全鹽量可作為土壤鹽漬化、鹽堿化的重要標志。土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量作為土壤化學指標，是表征土壤肥力的重要指標表。以《陜西土壤》做為比對依據，研究無復配土pH值偏堿性，可選擇改良劑進行改良，也可因地制宜，種植耐堿作物；《陜西土壤》中規定耕作層土壤含鹽量超過0.2%時，作物的生長會受到鹽漬化的影響，復配土有90%左右的全鹽量小該標準，符合種植要求，對于未達標的土壤可采用鹽漬化、鹽堿化改良技術進行改良；復配土有機質含量能夠達到《陜西土壤》中陜北地區土壤的有機質含量水平，但土壤有機質含量需要達到2%以上才能被認為是比較肥沃的土壤，所以研究區域土壤有機質含量遠遠偏低，可通過施用有機肥、復合肥等措施進行土壤培肥，增加土壤肥力；復配土全氮、速效磷平均含量均處于七級水平；復配土速效鉀平均含量處于六級水平，對于全氮、有效磷、速效鉀均可通過施用磷肥、氮肥、鉀肥或是有機復合肥進行快速改良，當然更建議采用施用綠肥、農田肥等生態、環保的改良措施。

3.2 復配土作物種植適宜性評價

根據田間小區試驗結果，小麥和玉米適宜在砒砂巖與沙混合比例為1：2的土壤上種植，馬鈴薯適宜在砒砂巖與沙混合比例為1：5的土壤上種植。而根據室內砒砂巖與沙混合比例的研究，砒砂巖與沙混合的土壤質地隨著砒砂巖混合比例的增大在發生著變化，砒砂巖和沙混合比例0：1、1：5、1：2、1：1、2：1、5：1和1：0的土壤質地從砂土-砂壤-壤土-粉壤，而土壤質地的粗細直接影響土壤蓄水性、透氣性和保肥性。

另外，為了復配土的農業可持續利用以及復配土作物生產力的可持續性，在做好復配土水肥管理的基礎上，還應在復配土耕作管理（翻耕、旋耕、保護性耕作等）、種植制度管理（輪作、間作以及種植結構等）等方面進行進一步的研究，以達到復配土能夠可持續利用的目的。

3.3 不同立地類型復合農林生態系統模式的構建

根據地貌特征砒砂巖區可分為裸露砒砂巖、風沙區和蓋土區3個立地類型區.依據各種立地類型條件，有針對性地選擇喬、灌、草種類，建立以當地先鋒植物沙棘為主，配合其他作物的多樣化復合農林系統[11]，通過植物群落的配置，形成綠色生命能夠廊道以及生態景觀格局，治理砒砂巖區水土流失，建立可持續發展的農田生態系統模式。

裸露砒砂巖區主要有溝谷地川灘地農林系統模式、梁峁坡農林系統模式、梁峁頂農林系統模式、溝坡農林系統模式、溝壩地基本農田建設、梯田地埂植物種植。蓋土區主要有黃土階地農林模式、隔坡梯田等。主要有丘間低地農林系統模式、鹽堿土河灘農林系統模式，典型模式構建見（表2）。

溝壩地正是砒砂巖區最主要的水土保持基本農田。溝壩地是利用流域溝道空間和水沙造地的典型。溝壩地通過引流洪水形成，富集了營養物質，壩地土壤肥力高，適宜耕作，是良好的耕作農田。溝壩地建設應在已經實施坡面工程和林草治理措施、徑流泥沙強度明顯減弱的流域規劃實施，以減少洪水泥沙對溝壩地建設的影響。溝壩地的利用應種植小麥、糜谷、胡麻等耐旱和抗逆性強的作物品種，立足于抗旱防災高產。同時對于溝壩地不宜連作，要注意輪作倒茬和歇墑養地。溝壩地能力攔蓄泥沙的能力為89.2%～96.3%，正常年份土壤水分含量比山坡地高6%～11%，大旱年份高20%～60%。質量好的溝壩地，一次能攔蓄山洪150～200m3/667m2，相當于225～300mm的降水量，是一個很好的田間小水庫[12]。

山坡地興修水平梯田后，改變了地形條件，截短了坡長，對保持水土作用十分顯著。不僅加快了治理坡耕地的速度，而且可以補充坡面水分，開展徑流農業，提高農田抗旱能力，充分利用梯田的攔蓄能力，具有顯著的攔泥、蓄水、聚肥和增產作用[13]。梯田種植小麥或者小麥、油菜輪作，改良茬口，田埂栽植兩行以黃花菜、金銀花、紫穗槐為主的經濟灌草，叢間距0.3～0.5m，用以鑲邊固土，降低光輻射的反射率，改善田間生態小環境；該區農民耕種的同一坡面上的梯田和坡地為例，在品種、投入相同的情況下，梯田比坡地增收小麥795kg/hm2，增產66.1%。干旱季隔坡水平梯田土壤含水率比荒坡的增量為3.5%～4.7%，比一般水平梯田的增量為1.79%[14]。隔坡梯田通過工程、植物、耕作3措施結合，可以形成人工復合生態系統，充分利用光、溫、水、氣資源，促進經濟高效良性循環，有利于陡坡地退耕還林還草，優化農業生產結構和生態環境，利于農林牧協調發展，增強綜合生產能力，提高土地利用率和產出率。

4 結論與討論

文中對2種物質形成“復配土”土壤養分狀況的分析結果表明，復配土氮、磷、鉀等養分含量均需要進一步提高?？刹扇≡鍪┯袡C肥，培肥地力；優化施肥結構，推廣應用測土配方施肥技術；優化耕作制度，合理輪作倒茬。提高復配土的土壤肥力，為農業可持續發展奠定基礎條件。

世界范圍內學者們對于復合農林系統系的結構配置與調控技術研究均處于初級階段，主要配置依據還多是一種經驗性總結，有待進一步探索和驗證，系統調控也才剛剛開始試驗研究。砒砂巖地區地質條件惡劣，水土流失嚴重，地形支離破碎，千溝萬壑，本實驗對該地區其立地類型的劃分，以及優勢種和伴生種的挑選配置，從理論上講，都有較強的依據和合理性，但是否能夠真正利用并達到改善生態的目的還有待實踐。另外，馴化和培育特有優勢種，以達到更好的適應效果，也是今后一個值得挑戰的課題。

復合農林作為生態建設的主要手段，需要做好3項基本工作：劃分立地條件；甄選植物物種；進行系統結構配置，才能因地制宜，完成較理想的復合農林系統配置。本文作者根據砒砂巖區的區域自然條件，以生物多樣性為指導思想，初步探索了植被群落配置模式，還有待于深入研究，另外，復合農林生態系統的結構、配置、調控等方面還有待于進一步研究。

利用砒砂巖與沙復配成土造田技術，有效的增加了耕地面積與耕地質量，同時通過復合農林生態系統模式的構建，因地制宜，發揮了固沙效應、景觀效應、生物多樣性效應、氣候效應以及區域綜合效應，形成良性循環，建立了可持續發展的農田生態系統，農田生態系統服務功能的發揮對于砒砂巖地區農業生產條件改善、生態環境改良以及人居環境凈化均具有重要意義。

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