固定流沙防止风蚀是一个世界性的课题。中国是世界上荒漠化面积最大(约占国土面积的27.2%)、受风沙危害最严重的国家之一^[1]。由于日益加剧的荒漠化对生态环境造成的巨大压力和人们对改善生态环境的迫切要求, 加上传统的工程固沙与生物固沙技术的机械化程度不高及其生态效益的相对迟缓性, 各国对固沙新技术和新材料的需求也愈来愈大^[2]。面对种类繁多的固沙材料, 引进与筛选绿色生态、多功能的固沙材料对我国防沙、治沙工程意义重大。

研究^[3]表明在荒漠化地区，结皮的存在对流沙表层的固定、土壤表面物理化学特性的改良、植被恢复与重建均具有重要作用。相对于生物结皮，采用化学胶结物质在沙土表面形成结皮具有见效快、成本低、施工简单等优点^[4]。从20世纪60年代起我国先后试验了水玻璃液态高效复合材料、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯酸酯(PVAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、乳化沥青、乳化原油等固沙材料，但绝大多数都没有得到推广，其主要原因是无法解决固沙材料污染环境的问题^[5]；因此，采用基于生物质原料(可降解、无污染)且成本较低的绿色生态固沙材料是未来化学固沙的发展趋势^[6]。

笔者采用2种由厦门大学研制的新型环保生物基固沙材料：生物基钙肥和生物基铵肥为试验对象，按照不同的施用量喷洒在沙土表层，利用盆栽方法研究和比较2种生物基肥对沙土的保水性、结皮抗压强度，结皮厚度、pH值和种子发芽率的影响，试图筛选出最适于宁夏沙地采用的生物基肥和施用量。研究结果对于新型固沙材料性能评价和推广都具有重要的参考价值。

白芨滩(E 106°23′~106°48′，N 37°54′~38°22′；海拔1 100~1 250 m)位于毛乌素沙地西南边缘，属典型的大陆性气候特征，昼夜温差较大，年平均温度8.6℃。年蒸发量2 500~2 800 mm，年降水量200~250 mm，且主要集中在7—9月^[7]。白芨滩的荒漠化土地面积占70%，土壤类型以草原风沙土为主，有机质及养分含量较低，碳酸钙含量较高，土壤偏碱性，具体理化性质见表 1和表 2。白芨滩主要沙生灌木有柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、川青锦鸡儿(Caragana tibetica)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、红柳(Tamarix ramosissima)、花棒(Hedysarum scoparium)、扬柴(Hedysarum mongolicum)等^[8]。白芨滩在全国水土保持三级区划中属于“宁中北丘陵平原防沙生态维护区(Ⅳ-1-3 fw)”，在宁夏水土保持区划中属于“丘陵台地干旱草原风水蚀交错区”。本研究土壤采样地点位于宁夏白芨滩国家级自然保护区沙漠公园内(E 106°24′46″，N 37°57′30″；海拔1 183 m)。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil 土壤机械组成Particle size distribution/% 土壤含水率Moisture content/% 干密度Dry density/(g·cm-3) >1 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm 0.1~0.25 mm 0.075~0.1 mm < 0.075 mm 最小值 Minimum value 最大值 Maximum value 0 0.09 3.24 92.63 2.95 1.09 2.12 22.77 1.54 注：土壤含水率与干密度值为土层厚度0~60 cm的平均值。Notes: Values of moisture content and dry density are mean of those in 0-60 cm of soil layer.

表 1 土壤基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤基本化学性质 Tab. 2 Basic chemical properties of soil 深度 Depth/cm 全氮 Total nitrogen/(g·kg-1) 全磷 Total phosphorus/(g·kg-1) 全钾 Total potassium/(g·kg-1) 碱解氮 Hydrolyzable nitrogen/(g·kg-1) 速效磷 Available phosphorus/(g·kg-1) 速效钾 Available potassium/(g·kg-1) 有机质 Organic matter/(g·kg-1) 全盐 Total salt/(g·kg-1) 碳酸钙 Calcium carbonate/(g·kg-1) pH 0~20 0.34 0.26 17.47 12.80 1.57 131.20 2.08 0.20 47.87 9.14 20~40 0.11 0.23 17.67 10.47 1.17 97.70 4.37 0.44 46.63 8.99 40~60 0.05 0.23 17.60 6.37 1.10 94.37 2.92 1.17 53.76 9.17 平均值Average value 0.17 0.24 17.58 9.88 1.28 107.76 4.13 0.60 49.42 9.10

表 2 土壤基本化学性质 Tab. 2 Basic chemical properties of soil

试验用2种生物基固沙材料是以柠条、沙柳、葵花秆、牲畜粪便、生化污泥、石膏、粉煤灰、腐植酸等为基本原料，利用清洁制浆和直接磺化成盐工艺生产的多功能、生物质水溶性高分子材料^[9]。其中生物基钙肥：固体40%、有机质40%、pH值6~7、黏度约120 MPa·s；生物基铵肥：固体40%、有机质31%、硫酸铵9%、pH值6~7、黏度约20 MPa·s。以白芨滩国家级自然保护区沙漠公园的沙土为试验用土，播种前对柠条种子进行浸种处理(40 ℃，24 h)。

采用称量法测定。试验中2种生物基固沙材料的施用量均为40、60、100和140 g/m^2[9]，对照组(CK)为0 g/m²(每个处理3个重复)。在含有相同质量沙土1 200 g的沙盘中(直径Ø=24 cm；深度h= 5 cm)喷一定量的水269.76 g(起始含水率为22.48%)，确保每盘沙土的起始含水率均相等，此后每天同一时间对沙盘重复称量。试验时间为2017年9—10月。

采用堆载法测定抗压强度^[3]。保水性试验结束后，在已经形成结皮的沙盘上不断添加质量为4.5 kg砝码直到薄壳破裂或凹陷。试验共计9个处理，每个处理3个重复。

采用pHs-3C精密酸度计进行测量。将沙盘中的沙土风干、研磨、过1 mm筛，并称取5 g置于25 mL小烧杯中，加蒸馏水25 mL，放入振荡机中振荡30 min，静置30 min，用校正过的pHs-3C测定悬浊液的pH值，每个处理重复测量3次。

类似保水性测定的方法，对播种后的沙盘表面喷洒生物基固沙材料(土壤含水率设定为15%)并称量，记录好称量的时间。此后每天同一时间对沙盘重复称量，计算出24 h水分蒸发量，然后用喷壶对每盘沙土进行补浇水(浇水量等于蒸发量)，从而尽量保证每盘沙土的含水率稳定在15%。目的是为了研究生物基肥对柠条发芽率的影响，而减少土壤含水率对其的干扰。试验直至沙盘中的种子不再发芽，每天同一时间记录每盘种子的发芽个数，试验共计9个处理，每个处理3个重复。

由图 1和表 3可以看到，相对于对照CK，施用生物基钙肥和铵肥后的沙土保水效果明显；且施用量越大保水效果越好。在140 g/m²的处理下，生物基铵肥的保水效果显著高于生物基钙肥(P＜0.05)；但是在100、60和40 g/m²的施用量下，2种生物基固沙材料并无显著差异(P＞0.05)。表 3中可见，不同施用量下的生物基钙肥和铵肥与对照CK相比均有显著差异(P＜0.05)；在140 g/m²的施用量下，生物基铵肥比钙肥高0.50%，比对照CK高1.90%；生物基钙肥比对照CK高1.39%。从图 1和表 3中还可以看到，不同施用量下的2种生物基固沙材料与CK的失水过程均符合形如y=ax^-b的幂函数变化，并且基本上都是从第6天开始，失水过程趋于平稳。方差分析中由于原始数据不符合正态分布和方差齐次性条件，对原始数据做标准化处理。

图 1(Fig. 1)

图 1 2种生物基固沙材料失水过程 Fig. 1 Water loss process of 2 biological sand-fixing materials

表 3(Tab. 3)

表 3 2种生物基固沙材料保水性的多重比较 Tab. 3 Multiple comparison of water retention of 2 biological sand-fixing materials 处理 Treatments 均值 Mean value/g 5%显著水平 5% significant level 拟合函数 Fitting function 铵肥Ammonium fertilizer 140 g/m2 1 556.83 a y=1 791.1x-0.100 R2=0.976 0 钙肥Calcium fertilizer 140 g/m2 1 549.16 b y=1 782.8x-0.100 R2=0.963 1 铵肥Ammonium fertilizer 100 g/m2 1 546.13 b y=1 770.8x-0.097 R2=0.963 4 钙肥Calcium fertilizer 100 g/m2 1 546.71 b y=1 777.5x-0.099 R2=0.949 6 铵肥Ammonium fertilizer 60 g/m2 1 542.74 bc y=1 769.7x-0.098 R2=0.961 7 钙肥Calcium fertilizer 60 g/m2 1 542.28 b y=1 760.0x-0.094 R2=0.948 4 铵肥Ammonium fertilizer 40 g/m2 1 541.17 bc y=1 765.4x-0.097 R2=0.964 7 钙肥Calcium fertilizer 40 g/m2 1 537.14 cd y=1 779.5x-0.105 R2=0.965 1 对照CK 1 527.87 d y=1 738.5x-0.092 R2=0.967 1 注：具有相同字母表示无显著差异，不同字母表示存在显著差异，α=0.05。下同。Note: Same letters indicate no significant difference, and different letters indicate significant difference, α=0.05. The same below.

表 3 2种生物基固沙材料保水性的多重比较 Tab. 3 Multiple comparison of water retention of 2 biological sand-fixing materials

图 2是不同施用量及对照CK下的2种生物基固沙材料对柠条种子发芽率的影响的比较分析，可见40和60 g/m²施用量下生物基钙肥与铵肥的柠条发芽率并无显著差异(P＞0.05)；但当施用量增加到100和140 g/m²时，生物基钙肥与铵肥的柠条发芽率出现显著差异(P＜0.05)，且生物基钙肥的柠条发芽率高于生物基铵肥。当施用量为140 g/m²时，生物基钙肥的发芽率达到最高(77.33%)，且显著高于对照CK(高16.00%，P＜0.05)；而生物基铵肥的发芽率达到最低(33.33%)，且显著低于对照CK(低50.00%，P＜0.05)。随着施用量的增加，生物基钙肥对柠条发芽率有提升作用；但是生物基铵肥对柠条发芽率有抑制作用。方差分析中由于原始数据不符合正态分布和方差齐次性条件，对原始数据做标准化处理。

图 2(Fig. 2)

图 2 柠条种子发芽率试验 Fig. 2 Tests on germination rate of Caragana korshinskii seeds

将不同施用量的生物基固沙材料喷洒在沙土表面，水分蒸发后会在沙面上形成固结层，也就是结皮。由图 3可知，2种生物基固沙材料的结皮抗压强度均随施用量的增加有增大趋势。当施用量为40和60 g/m²时，2种生物基固沙材料的结皮抗压强度并无显著差异(P＞0.05)；但是当施用量增加到100 g/m²和140 g/m²时，结皮抗压强度出现显著差异(P＜0.05)。施用量为100 g/m²时，生物基钙肥的平均结皮抗压强度(14 727.39 Pa)比生物基铵肥(9 254.26 Pa)高出59.14%；施用量为140 g/m²时，生物基钙肥的平均结皮抗压强度(19 636.71 Pa)比生物基铵肥(9 784.95 Pa)高出100.68%。方差分析中由于原始数据不符合正态分布和方差齐次性条件，对原始数据取倒数处理。

图 3(Fig. 3)

图 3 2种生物基固沙材料的结皮抗压强度 Fig. 3 Crust compressive strength of 2 biological sand-fixing materials

图 4是不同施用量下2种生物基固沙材料所形成的结皮及对照CK的pH值比较分析。从图 4可知，随着施用量的增加，2种生物基固沙材料结皮的pH值均逐渐减小，且均显著低于对照CK的pH值(P＜0.05)。生物基铵肥结皮的pH值显著低于钙肥(P＜0.05)：当施用量为40 g/m²时，生物基铵肥结皮pH均值(7.98)比钙肥(8.23)低3.04%，比对照CK(9.07)低12.02%；当施用量为60 g/m²时，生物基铵肥结皮pH均值(7.36)比钙肥(7.93)低7.19%，比对照CK低18.85%；当施用量为100 g/m²时，生物基铵肥结皮pH均值(7.15)比钙肥(7.66)低6.66%，比对照CK低21.17%；当施用量为140 g/m²时，生物基铵肥结皮pH均值(7.05)比钙肥(7.47)低5.62%，比对照CK低22.27%。生物基铵肥结皮pH均值平均比钙肥低5.63%，比对照CK低18.58%；生物基钙肥结皮pH均值平均比对照CK低13.75%。方差分析中由于原始数据不符合正态分布和方差齐次性条件，对原始数据做取自然底对数处理。

图 4(Fig. 4)

图 4 2种生物基固沙材料结皮的pH值 Fig. 4 pH of crust of 2 biological sand-fixing materials

2种生物基固沙材料与对照CK相比都具有明显的保水效果，且施用量越大保水效果越好，很显然这是由于施用量越大所形成的结皮越厚所致^[10]。根据本文的试验结果，2种生物基固沙材料在施用量达到140 g/m²时，保水性才会出现显著的差异(表 3)，此时生物基铵肥的保水性比钙肥高0.5%，比对照高1.90%；从不同施用量下的保水性综合来看，生物基铵肥的保水性优于钙肥，但是仅从保水性来判断2种生物基固沙材料的优劣显然并不全面^[1]。

柠条种子发芽率试验表明，施用生物基铵肥对种子发芽率有抑制作用，且施用量越大这种抑制作用越明显(图 2)，当施用量达到100 g/m²、140 g/m²时与对照和生物基钙肥比出现了显著差异，此时柠条发芽率比钙肥分别低了35.71%、56.90%，比对照分别低了28%、50%。造成这一现象的主要原因可能是生物基铵肥中的硫酸铵((NH₄)₂SO₄，含量为9%)含量较高而导致土壤酸性较强，从图 4中可以看到铵肥的pH值显著低于钙肥和对照，而酸性的硫酸根SO4^2-离子浓度过高时，会造成烧苗现象^[11]；此外，铵离子(NH4⁺)会与沙土中的钙离子(Ca²⁺)发生交换，形成不溶性的硫酸钙(CaSO₄)，堵塞土壤孔隙，会造成土壤透气性下降，这也可能是生物基铵肥的保水性优于钙肥的原因^[12]。

当使用量达到100 g/m²、140 g/m²生物基钙肥的结皮抗压强度要显著高于铵肥，分别高出59.14%和100.68%，这是由于钙肥中的Ca²⁺与沙土中的碳酸根离子(CO₃^2-)形成不溶于水的CaCO₃，而CaCO₃是一种强度较高的无机化合物所致。在不同施用量下，生物基铵肥的pH值都显著低于钙肥和对照(图 4)，可见铵肥的酸性较强，且影响到了柠条种子的发芽率(图 2)。有研究认为，(NH₄)₂SO₄与土壤中的Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺等阳离子产生颉颃作用(antagonistic effect)，诱导养分的缺乏，植物为了保证体内阴阳离子平衡，释放H⁺，与SO4^2-结合后造成根际酸化，抑制根系生长^[13]。

笔者在对2种新型生物基固沙材料的保水性、结皮抗压强度、pH值和对柠条种子发芽率的影响试验基础上，分析总结后得出以下结论：

1) 生物基铵肥与钙肥都有显著的保水效果，且施用量越大保水性越好。140 g/m²施用量下生物基铵肥的保水效果显著高于钙肥。当施用量为100 g/m²、140 g/m²时，生物基铵肥对柠条种子的发芽有抑制作用，且施用量越大抑制作用越明显；但生物基钙肥对柠条种子的发芽有促进作用。

2) 生物基铵肥与钙肥都能形成结皮，当施用量为100 g/m²、140 g/m²时，生物基钙肥结皮的抗压强度显著高于铵肥；生物基铵肥所形成的结皮pH值显著低于钙肥，施用量越大pH值越低，且均低于对照。

3) 2种新型生物基固沙材料中，生物基钙肥的综合性能优于铵肥，且钙肥的最佳施用量为140 g/m²。