北方農牧交錯帶花生種植模式對荒漠化的影響

齊麗，何振嘉

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，西安 710075）

荒漠化是指人類活動、氣候變異等因素導致的土地退化，在全世界范圍內廣泛發生，荒漠化是也是目前全球最嚴重的環境問題之一[1]。土地荒漠化會影響作物產量和土地可持續性，進而影響人類的生存環境[2]。農牧交錯帶是我國遏止荒漠化、沙化東移南下的最后一道屏障，其中位于長城一線以北、草原東側和南側的北方農牧交錯帶是我國重要的生態治理區域和北方地區重要的生態防線[3-4]。但伴隨著人為干預的不斷增多，人類對土地不合理的開墾以及放牧，導致農牧交錯帶不僅未發揮生態屏障的作用，反而成為了生態脆弱帶[5]。目前農牧交錯帶荒漠化問題對我國社會經濟發展已造成了一定的阻礙，引起了政府和科研人員的廣泛關注。

我國北方農牧交錯帶位于半干旱和干旱氣候的交匯處，作為京津冀地區重要的水源涵養帶與中東部地區重要的生態安全屏障，對維護國家的生態安全具有重要作用[6]。遼北農牧交錯帶作為北方農牧交錯帶的重要組成部分，位于東北平原下沉區，是防止科爾沁沙地向南入侵華北平原、向東南入侵東北平原最重要的生態屏障[2]。該地區受降水量少、蒸發量大、氣候干旱及人為干擾等因素影響，區域內的植被、地貌和水文條件等環境因素均發生了一系列的變化，進而導致土地荒漠化日益嚴重，并且呈南侵及東南侵的態勢。研究表明，高植被覆蓋率能有效抑制土地沙漠化[7-8]。遼寧省阜新市彰武縣花生種植歷史悠久，雖然多年來獲得了較高的經濟效益，但由于其種植模式落后，致使土壤流失、土表粗化、地力急劇下降。因此，探討適宜研究區的花生種植模式對于土地的可持續利用、防止土地沙漠化、保護區域生態具有重要意義。本研究選取遼北農牧交錯帶典型區域彰武縣作為研究區，以多時相遙感作物識別理論和土地荒漠化評價理論為基礎，應用RS軟件（遙感圖像處理）和GIS軟件（各種地圖處理），以土地利用覆被狀況和土壤質量為觀察指標，對不同種植模式下的土地進行荒漠化評價，分析不同種植模式與荒漠化演替方向的影響及不同種植模式下的優勢和劣勢，以期為改善不合理種植模式提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

彰武縣隸屬于遼寧省阜新市，地處遼寧省西北部、科爾沁沙地南部，東連康平縣、法庫縣，南接新民市，西隔繞陽河與阜新蒙古族自治縣相鄰，北依內蒙古自治區通遼市的庫倫旗和科爾沁左翼后旗。研究區（42°07′—42°51′N，121°53′—122°58′E）為彰武縣北部章古臺鎮、大冷鄉、四合城鄉、阿爾鄉，耕地總面積約3萬hm2，其中花生種植面積約1.38萬hm2。研究區地勢北高南低，東西丘陵，北部沙荒，中、南部為平原，屬于溫和半濕潤的季風大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，光照充足。

1.2 數據來源

數據主要來源于彰武縣自然資源局與統計局。應用的數據主要為彰武縣2015和2020年Landsat-5TM數據、彰武縣統計年限數據、彰武縣1∶10 000土地利用現狀圖和1∶10 000地形圖等，其中遙感數據主要利用3、4波段數據。

1.3 數據預處理

1.3.1 研究區域的剪裁 將3、4波段影像圖導入ENVI4.5中；選擇Overlay菜單中的Vectors選項，將研究區域的邊界疊加到影像上；在Vector Parameters對話框中的File菜單中，打開Export Active Layer to ROIs選項選擇Convert All Vectors to One ROI；在Tools菜單中選擇Region of Interest中的ROI Tool，并在其對話框中選擇File中的Subset Data via ROIs選項，同時將Background Value設為0，然后保存在一個新的文件夾中。另一期數據采用同樣方法處理。

1.3.2 花生種植面積遙感數據的提取與處理 以2015和2020年Landsat 5TM遙感影像為基本數據源，除TM 6波段外，其余波段空間分辨率均為30 m，為p120r31，基本無云覆蓋，已經過輻射校正和幾何校正，數據質量較好，以研究區行政區劃圖、1∶50 000數字高程模型（digital elevation mode，DEM）、1∶10 000土地利用現狀圖、野外調查數據及自然、社會、經濟等文字資料為輔助資料，在Arcgis 9.3和ENVI 4.7等遙感影像處理軟件的支持下，對美國陸地衛星4~5號專題制圖儀（thematic mapper，TM）影像進行多波段融合。在遙感數據信息提取的基礎上，根據研究需要及彰武縣實際情況，對遙感影像初步判讀種植模式進行修訂，以花生種植區周邊的土地利用覆被現狀及地形地貌特征為劃分依據，選擇5種花生種植模式：沙平地-花生種植模式以阿爾鄉為代表，砂質丘陵-花生種植模式以大冷鄉、阿爾鄉為代表，沙平地防護林-花生種植模式以章古臺鎮、四合城鄉、大冷鄉為代表，砂質丘陵防護林-花生種植模式以大冷鄉、阿爾鄉為代表，農林復合種植模式以章古臺鎮、大冷鄉為代表。

1.4 土壤理化性質測定方法

參照《土壤學》[9]，采用比重法測定土壤機械組成；采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；采用凱氏定氮法測定全氮含量；采用超臨界萃取技術測定土壤胡敏酸/富里酸（humic acid/fulvic acid，HA/FA）值。

1.5 荒漠化評價指標體系建立方法

采用專家打分法[10]并結合研究區的實際情況，初步選出遙感、立地條件、理化性狀和土地利用指數4個指標，見表1。

表1 彰武縣北部荒漠化評價指標體系Table 1 Desertification evaluation index system in the north of Zhangwu county

植被覆蓋指數（normalized difference vegetation index，NDVI）計算公式如下。

式中，Nir、Red分別為Landsat-5TM遙感影像的TM4和TM3波段亮度值。

利用黃妙芬等[11]建立的Landsat-TM數據的反演模型（2）估算研究區地表反照率。

式中，Albedo為地表反照率（%）；ρ為不同波段地面相對反射率（%）；TM1~TM7代表不同波段的遙感影像。

采用層次分析法確定評價因子權重，通過建立層次結構與構造判斷矩陣確定權重，如表2所示。

表2 荒漠化評價因子組合權重Table 2 Combination weight of desertification evaluation factor

對于各評價因子的隸屬函數的確定，采用戒上型函數和概念型函數2種類型函數。戒上型函數模型如下。

式中，ui為樣品觀測值；ut為指標下限值；yi為第i個因素評語；ai為系數；ci為標準指標值；i=1,2,…,m。

概念型評價因子的隸屬度由專家打分法[10-11]得出，按照指標對于荒漠化影響程度特點直接進行賦值（表3）。在此基礎上，進行綜合評價的計算，但在評價因子中，某些評價因子對荒漠化程度存在明顯的限制性，即某些評價因子存在極限值，當這些因子的值變化超過極限值時，會加劇荒漠化。本研究采用特爾斐法[12]確定并經實地驗證最終確定了研究區荒漠化程度極限因子及其極限值（即坡度≥25°或＜2°）。采用修正的加權指數和法計算各評價單元的綜合指數以確定用地適宜性等級，計算公式如下。

表3 概念型評價因子隸屬度Table 3 The membership degree of generalizingevaluation factors

式中，Sj為綜合指數；Wi為評價因子的權重；Pij為評價因子的隸屬度。

1.6 荒漠化等級確定

運用累積曲線分級法[13]劃分研究區荒漠化程度，將彰武縣北部研究區荒漠化程度分為4個級別，分別是無荒漠化（綜合分數≥0.79分）、輕度荒漠化（綜合分數0.63～0.78分）、中度荒漠化（綜合分數0.40～0.62分）、重度荒漠化（綜合分數＜0.40分）。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下土壤機械組成

為方便表達，將農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式5種模式分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示。由圖1可知，5種模式在剖面的每個深度層次上砂粒、黏粒、粉粒的含量依次減少，并且砂粒含量遠高于其他粒級含量，說明這5種種植模式均存在不同程度的沙化；農林復合模式和沙平地防護林-花生模式砂粒含量均隨著土層深度的增加而增加，即20—40 cm砂粒含量在各種植模式下均最高；砂質丘陵防護林-花生模式隨著土層深度的增加，砂粒含量變化幅度不明顯，沙平地-花生模式則隨著土層深度的增加砂粒含量呈先升高后降低的趨勢；砂質丘陵-花生模式則隨著土層深度的增加，砂粒含量逐漸降低。農林復合模式黏粒含量隨著土層深度的增加呈先增加后降低的趨勢；沙平地防護林-花生模式黏粒含量隨著土層深度的增加逐漸降低，其他3種模式粉粒、黏粒含量隨著土層的增加均變化不明顯。結果表明，農林復合模式、沙平地防護林-花生模式由于樹木發達的枝干和根系對于土壤沙化具有一定的抑制作用，因此均具有不同程度防止顆粒粗化的能力。

圖1 不同種植模式下土壤剖面機械組成Fig.1 Mechanical composition of soil profile under different planting modes

由圖2可知，土壤砂黏比在0—10和10—20 cm土層農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式依次遞增；隨著土層增加，沙平地-花生模式砂黏比出現先增加后降低的趨勢，可能是由于在秋起花生后，裸露的地表得到了一定的保護，說明在過去的某一時間曾有過沙化侵襲，現在有所恢復。農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式隨著土層深度的增加砂黏比升高，說明現在的荒漠化程度和過去某一時期相比有所減輕；而砂質丘陵-花生模式隨著土層深度的增加砂黏比降低，說明現在的荒漠化程度和過去的某一時期相比有所增加。

圖2 不同種植模式下土壤剖面砂黏比Fig.2 Soil profile sand viscosity ratio under different planting modes

2.2 不同種植模式下有機質含量比較

5種不同利用模式采樣點表層風沙土有機質含量在1.76~21.34 g·kg-1范圍內，平均為6.58 g·kg-1；有機質含量低于6.58 g·kg-1的土壤約占到了整個樣品數的59%。對表層土壤（0—10 cm）不同種植方式的平均有機質含量進行方差分析，如表4所示，5種不同模式下土壤有機質含量差異顯著（P＜0.05），說明不同種植模式下荒漠化對土壤有機質的影響程度也不同，其中耕地有機質平均含量低于林地，說明固定風沙土林地被開辟為農田以后，其土壤有機質受人為活動的影響越來越大，原因為農業生產將地上部的生物量進行收獲，僅有地下部的根系作為有機物質的主要來源，減少了有機物的輸入；同時，作為耕種土壤，不斷的耕作活動加速了原有有機質的礦化，導致有機質含量不斷降低，但其有機質含量仍高于草地，說明該地區草地土壤正處于退化階段，有機質含量正在不斷降低。而當地采取的高留茬、施用有機肥，種植防護林等措施對耕地有機質的積累起到了一定的作用。土壤表層有機質含量總體變化趨勢為農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式依次降低，各利用模式土壤有機質的含量均受到不同程度荒漠化的影響，含量普遍較低。這些土壤大部分處于風沙區，受風蝕影響，表層的細顆粒被風吹蝕，有機質隨風流失，使有機質含量下降；同時表層土壤常處于通氣良好狀態，好氣分解性質較強，不利于有機質積累。就有機質積累能力而言，農林復合模式最強，砂質丘陵-花生模式最差。

表4 研究區表層土壤不同利用模式下有機質方差分析結果Table 4 Analysis of variance results of organic matter under different utilization modes of topsoil in the study area

從剖面的角度得出不同利用模式下的剖面有機質分布情況如圖3所示，5種利用模式中，農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式的有機質含量在各自剖面上均呈隨著深度的增加而減少的趨勢，3種利用模式表層土壤（0—10 cm）有機質含量均最高，且表層有機質含量依次為農林復合模式＞沙平地防護林-花生模式＞砂質丘陵防護林-花生模式。而沙平地-花生模式和砂質丘陵-花生模式的有機質含量在各自剖面基本呈隨深度增加而增加的趨勢，其中沙平地-花生模式有機質含量出現先增加后減少的趨勢，可能是由于防護林枯枝葉層較厚，有機質積累較多，同時，林地對于防風固沙也有一定作用。

圖3 不同利用模式下剖面有機質的變化情況Fig.3 Changes of profile organic matter under different utilization modes

2.3 不同種植模式下全氮含量

研究區表層土壤全氮含量為0.62~1.59 g·kg-1，其平均值為0.94 g·kg-1，根據各種利用模式的平均值與其總平均值的差異程度可以看出，土壤全氮與有機質的分布相似。對不同利用模式下全氮平均含量的方差分析結果如表5所示，表層土壤全氮含量以農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式的順序依次降低，農林復合模式與砂質丘陵-花生模式之間差異極顯著（P＜0.05）。結果表明氮素在土壤中極易揮發、流失，即使人為在耕作中增加氮肥的施用量，對土壤中氮素含量增加效果也不明顯。

表5 研究區表層土壤不同利用模式下全氮含量方差分析結果Table 5 Analysis of variance results of total nitrogen content in topsoil under different utilization modes in the study area

如圖4所示，不同種植模式的剖面土壤全氮含量均隨土層深度增加呈逐漸減少的趨勢，但在0—10 cm處全氮含量高于其他層次，其主要原因是隨著土壤垂直深度的增加，生物量的積累和有機質的分解強度是決定土壤氮素含量的主要因素。農林復合模式和沙平地防護林-花生模式隨深度變化明顯，而其他3種模式變化較為平緩，分析原因為這2種模式表層生物量積累較多，受雨水與氣候影響分解更快，因此差異更明顯。

圖4 不同利用模式土壤剖面全氮含量Fig.4 Total nitrogen content of soil profile under different utilization modes

2.4 不同種植模式下HA/FA比較

HA/FA主要用于衡量腐殖質品質，HA/FA比例越高，腐殖質的活性越強，品質越好。研究區表層土壤HA/FA平均值在0.33～0.59范圍內。根據各種利用模式的平均值與其總平均值的差異程度可以看出，土壤HA/FA與有機質分布相似。不同利用模式下HA/FA比值的方差分析結果如表6所示，表層土壤HA/FA以農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式的順序依次降低，因此腐化程度也依次降低，農林復合模式與砂質丘陵-花生模式HA/FA差異極顯著（P＜0.01）。結果表明，農林復合模式的表層生物量積累更多，并且樹木也起到一定的防風固沙的作用。

表6 研究區表層土壤不同利用模式下HA/FA方差分析結果Table 6 Analysis results of variance of HA/FA under different utilization modes of topsoil in the study area

土壤腐殖質具有復雜的復合結構，可影響土壤的物理性質、化學性質和生物學特性，土壤腐殖質的形成是積累的過程，很大程度上可以影響土壤的肥力，是農作物品質和產量的保證。研究區內不同利用種植模式HF/FA的比例規律如圖5所示，表層土壤HA/FA依次為農林復合模式＞沙平地防護林-花生模式＞砂質丘陵防護林-花生模式＞沙平地-花生模式＞砂質丘陵-花生模式，且農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式的HA/FA隨著土層的增加整體上呈減少的趨勢，而沙平地-花生模式和砂質丘陵-花生模式的HA/FA隨著土層的增加整體上呈增加的趨勢。

圖5 不同利用模式土壤剖面HA/FA含量Fig.5 HA/FA content in soil profiles of different utilization modes

2.5 不同種植模式下荒漠化程度分析

2020年在農林復合模式下，無荒漠化點位樣本數為7個，輕度荒漠化為3個，中度荒漠化為2個，重度荒漠化為0個，而2015年農林復合模式相同點位荒漠化信息提取中顯示，無荒漠化樣本數為4個，輕度荒漠化為2個，中度荒漠化為4個，重度荒漠化為2個，對比可以看出中度荒漠化和重度荒漠化均有所減少，而無荒漠化和輕度荒漠化均增加，其中無荒漠化增加最多，說明這5年中荒漠化土地發生了較大程度的逆向演替，土壤理化條件得到了顯著改善。

2020年在沙平地防護林-花生模式下，無荒漠化點位樣本數為2個，輕度荒漠化為12個，中度荒漠化為8個，重度荒漠化為0個；而2015年沙平地防護林-花生模式相同點位荒漠化信息提取中，無荒漠化樣本數為3個，輕度荒漠化為2個，中度荒漠化為10個，重度荒漠化為7個。對比2020年可以看出，重度荒漠化減少最多，中度荒漠化也向輕度荒漠化發生逆向演替，而無荒漠化減少可能是由于防護林不完備或者在風口處將林地開墾為耕地，使得部分土地發生退化。總體來說，沙平地防護林-花生模式荒漠化為逆向演替，但程度低于農林復合模式。

2020年在砂質丘陵防護林-花生模式下，無荒漠化點位樣本數為0個，輕度荒漠化為2個，中度荒漠化為9個，重度荒漠化為0個；而2015年砂質丘陵防護林-花生模式相同點位荒漠化信息提取中，無荒漠化樣本數為2個，輕度荒漠化為0個，中度荒漠化為5個，重度荒漠化為4個。對比2020年可以看出重度荒漠化減少最多，荒漠化發生逆向演替，而無荒漠化減少說明砂質丘陵可以在一定程度上加重荒漠化的正向演替。總體來說，砂質丘陵防護林-花生模式可在重度或中度荒漠化土地上抑制荒漠化的正向演替，在無荒漠化土地和輕度荒漠化土地上發生的是荒漠化正向演替，這也說明了砂質丘陵會在一定程度上加速土地荒漠化的正向演替，因此砂質丘陵防護林-花生模式雖然可以起到防風固沙作用使荒漠化逆向演替，但又存在一定的局限性。

2020年在沙平地-花生模式下，無荒漠化點位樣本數為0個，輕度荒漠化為0個，中度荒漠化為8個，重度荒漠化數為4個；而2015年沙平地-花生模式相同點位荒漠化信息提取中，無荒漠化樣本數為0個，輕度荒漠化為2個，中度荒漠化為6個，重度荒漠化為4個。對比2020年可以看出輕度荒漠化向中度荒漠化發展，重度荒漠化保持不變，這說明沙平地-花生模式存在一定程度的土地退化，發生荒漠化的正向演替。

2020年在砂質丘陵-花生模式下，無荒漠化點位樣本數為0個，輕度荒漠化為0個，中度荒漠化為0個，重度荒漠化數9個；而2015年砂質丘陵-花生模式相同點位荒漠化信息提取中，無荒漠化樣本數為0個，輕度荒漠化為3個，中度荒漠化為4個，重度荒漠化為2個。對比2020年可以看出輕度荒漠化和中度荒漠化均向重度荒漠化方向演替，重度荒漠化個數顯著增加，這說明砂質丘陵-花生模式存在較大的土地退化問題，發生荒漠化的正向演替。與其他4種模式相比，砂質丘陵-花生模式荒漠化正向演替更加強烈，而且程度大、速度快，造成局部地區土壤條件惡化，因此砂質丘陵-花生模式是5種模式中最不合理的模式，需要有關部門加大管理力度。

3 討論

荒漠化防治是人類面臨的共同挑戰，需要國際社會共同協作應對[14]。本研究結果表明，5種不同模式下土壤有機質含量差異顯著，原因為風沙土林地被開辟為農田后，其土壤有機質受人為活動的影響越來越大，農業生產中通常將地上部的生物量進行收獲，僅將地下部的根系作為有機物質的主要來源，減少了有機物的輸入。針對土壤氮素與HA/FA進行差異性分析表明，其與土壤有機質分布相似，且農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式、沙平地-花生模式、砂質丘陵-花生模式5種模式對減輕荒漠化的能力依次降低。

農林復合模式、沙平地防護林-花生模式、砂質丘陵防護林-花生模式均有使荒漠化逆向演替的效果，但演替程度逐漸降低，其中砂質丘陵防護林-花生模式有一定的局限性；沙平地-花生、砂質丘陵-花生模式均有使荒漠化正向演替的效果，演替程度逐漸加劇。當前對于該方向的研究尚鮮有報道，但已有研究者針對土地荒漠化及其驅動因素進行了研究，如張博[15]研究指出，人類活動是影響土壤荒漠化的重要因素，不同的人類活動方式對于土壤荒漠化的影響不同；Ma等[16]收集了50年來的數據與資料，進一步分析得出，人類活動在影響民勤縣的土地荒漠化中占據主要地位；張東杰[17]以共和盆地作為研究區，通過對50年來的數據進行分析得出人類活動是影響土地荒漠化的主要因素；章予舒等[18]使用灰色關聯度法對土地荒漠化因素進行分析，得出安西縣土地荒漠化的最大影響因素是過度放牧，其次是人口數量的變化以及農業活動造成的土地過度開墾；奧布力·塔力普等[19]針對我國南疆地區土地荒漠化因素進行了分析，并指出造成土地荒漠化的因素分為自然因素和人為因素；何鵬杰等[20]對河西地區土地荒漠化影響因素進行分析，表明人類活動（包括墾荒、放牧等）是荒漠化的重要影響因素，并指出調整產業發展模式，使產業結構合理化、高級化是解決荒漠化的有效途徑。

本研究中不同的種植模式對于土壤荒漠化的影響也存在差異，有正向影響，也有負向影響，與以上研究結果一致。不同的是，目前研究者大多是針對驅動因素與土地荒漠化的相關關系進行分析，但具體分析各種因素是如何影響土地荒漠化的研究較少，或者難以確定何種模式對于土地荒漠化有更好的抑制和改善效果。因此，確定具體的影響關系，從而建立科學合理的種植模式對于土地荒漠化的治理具有重要意義。

綜上所述，彰武縣北部歷來屬于風蝕荒漠化較為嚴重的區域，經過長期的造林活動，土壤條件得到了一定的改善，但是群眾的生態環境意識還需加強，同時在固定沙丘上由于大面積開墾導致部分天然植被遭到破壞，存在潛在沙化的問題，應適當減少耕地面積，實行保護性耕作。在秋起花生后增加秸稈覆蓋還田可以對花生產量、土壤水分利用效率的影響達到顯著水平。在覆蓋量適中的情況下，秸稈覆蓋還田既增加了來年種植時土壤有機質含量，又能擋風遮蔭，有效抑制風蝕，使表土層不易被大風吹走，減少對土壤結構的破壞，腐爛的秸稈在增加土壤有機質的同時還可以使土壤結構變得疏松，提高降水入滲率和滲深，從而使土壤接收更多的雨水，提高了水分利用效率。此外，還應完善網格狀防護林建設，積極采取農林復合模式以保證秋起花生后對裸露表土層的保護，同時農林復合也可起到抑制土地風蝕所造成的地勢變化，保持地勢平坦。同時政府應大力倡導構建有利于生態環境的農林復合模式，以起到保護土壤生態環境的作用。