CN87105995A - 细质土壤的改良方法 - Google Patents

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Abstract

一种在干旱半干旱条件下改良细质粘重土壤和被破坏的细质土壤的方法。改良方法包括：在细质土壤上覆盖至少1英寸厚的沙子，沙子的粒度在0.05mm—2.0mm范围之内，然后播种引进的植物。

Description

本发明涉及到在干旱和半干旱气候条件下，由于自然的、偶然的或有意的原因而失去植被的细质土壤的改良方法。
由于恶劣的环境因素和缺乏适当的技术，在使干旱、半干旱地区自然地、偶然地、人为地破坏的地方再生植被的努力，一般是面临失败。干旱、半干旱土地在美国和其它许多国家的土地中占有很大比例。这些地区的年降水量常常少于12英寸。在干旱、半干旱地区的降水是典型不可预报的，伴随着周期性的旱灾，这不是例外而是规律。在较冷的气候条件下，一年中的许多降水量是在这一年的非生长季以雪的形式出现的，雪容易被劲风吹而升华，这是世界上干旱和半干旱地区的特征。在土地还冻着时，雪也可能融化，因此造成大量的径流，少量的水渗入土壤。所以，冬季水分中仅一小部分能被植物利用。干旱、半干旱地区的夏季雨水常以高强度、短时期的暴雨形式出现，这种形式的暴雨其特点是产生大量的径流，有很少的水分渗入土壤被植物利用。在暴雨严重时，骤发洪水和严重的侵蚀问题就会出现。
干旱、半干旱土地的蒸发蒸腾率也高，潜在的蒸发蒸腾率每年可能超过50英寸。在世界的许多干旱、半干旱地区，大多数甚至整个生长季内都存在水分缺乏。很明显，水分成为干旱、半干旱地区植被建立、生长和繁殖的主要限制因素。
过去的地理气候条件已导致了世界上许多干旱、半干旱地区的土壤的形成，这些土壤可称为细质的粘重土壤。表Ⅰ规定了土壤分类中所用的颗粒大小范围。基本土壤质地种类中的三种主要组分的百分含量见图1所示。
表    Ⅰ
土壤组分的大小范围
美国农业规划部
（U.S.Department    of    Agriculture    Scheme）
组分名称    直径（范围）毫米
极粗沙    2.0-1.0
粗沙    1.0-0.5
中沙    0.5-0.25
细沙    0.25-0.10
极细沙    0.10-0.5
粉沙    0.05-0.002
粘土    ＜0.001
细质土壤，特别是粘土（定义为至少含35～40%粘粒的土壤）所具有的物理化学特性，加重了存在于干旱、半干旱地区的水分缺乏。正是由于它们的特性，细质土壤使能够渗入土壤中的水分量降低。这是由于（1）细质土壤不是特别多孔的;（2）细质土壤的孔是典型非常小的;（3）水移动通过小孔时带来了粘粒或粉沙粒，它们可以堵塞小孔;（4）细质土壤刚一湿润就膨胀，有效地严密封闭了表孔和亚表孔，使土壤严重地不渗水。由于水和粘粒间强烈的电荷吸引，大量渗入细质土壤中的水也不能被植被利用。土壤水分特性及土壤质地的一般关系见图2。注意细质土壤的田间持水量比粗质土壤的田间持水量大得多，但细质土壤中的不可利用的水量也比粗质土壤中的大得多。当细质土壤中仍有许多水分时，其萎蔫点已来到。
细质土壤也可能是重盐土盐碱土或碱土，这部分是由于细质土壤吸收的水分减少，不能将盐分从土壤中淋洗出。土壤中盐分的存在对土壤水分吸收和植物根利用土壤水分的能力起消极影响。
已经知道细质土壤抑制植物的种子萌发和生长。细质土壤紧实的性状，使自然传播或人工播下的种子很难被埋住。当种子萌发，如果是在土壤表面，则其生存的可能性是很小的。如果种子由于自然作用或人为开沟播种，被细质粘重土壤埋住，这些种子常常不能穿透细质粘重土的坚实表面。很明显，干旱、半干旱地区的改良要想成功，就必须使恶劣的气候和土壤条件得到改善。
目前，美国和其它国家的法律都要求对露天矿、矿渣汇集处和其它人类干扰区进行改良。改良过程一般包括用有利用价值的土，重新填入由于露天开采矿而形成的坑或覆盖住矿渣滓池，再种植当地的或引进的植物。在旱期到来之前，细质土壤和少量的降雨导致草、灌木、非禾草植物和树，在有雨时期内萌发和建立完整的根系非常困难。在这些条件下，植物经常不能适当地生根，导致很高的死亡率。我发现了一个相当简单的方法来为种子萌发和幼苗生长提供适宜的环境，并且使有效水分保持较长的时间，故能帮助可生存植物种群的萌发和生长。
在那些植被被自然地、偶然地或有意地毁灭或破坏的干旱、半干旱地区，一种使这些地区的细质土壤再生植被的方法已经发现了。这一方法包括：在受影响的土壤上覆盖至少1英寸，最好2-6英寸的沙子，提供一个适于萌发的水分吸附层，在这层中种子可以萌发并在细质土壤上生长。在改良工作中，本方法对覆盖于露天矿、矿渣池或其它人为破坏地方的细质土壤，使植被再生特别有用。这一改良方法对于改良由于火、放牧过度或其它自然原因而毁坏的土地也有用处。这一改良方法有助于防止土壤侵蚀和促进植被的重建。
图1表示基本土壤质地种类中三个主要成分的百分含量。
图2表示土壤水分特性和土壤质地的一般关系。
在那些植被被自然地、偶然地或有意地毁灭或破坏的干旱、半干旱地区，一种使这些地区的细质土壤再生植被的方法已被发现了。这类土壤的改良过程包括：在细质土壤上铺至少1英寸厚的沙子，比较好的是至少2英寸，最好是2-6英寸厚的沙子，然后在一年中的适当时间播种引进的植物。沙子质地的规格范围是从细沙（大约0.05mm-大约0.5mm）到粗沙（大约0.5mm-大约2.0mm）。在沙子形成的这层中，通过自然过程或人工播种，种子容易被埋住，靠灌溉或自然降雨，种子萌发时容易穿过沙子表面。由于沙子有使水分很快渗透的能力，它还可以吸收那些在细质土壤上由于径流一般可能失去的水分。沙子可将水分保持足够的时间来让水分慢慢渗入细质土壤中，来供植物以后利用，这种水分渗透比一般渗透进细质土壤中的要多，也引起高浓度的有害盐分被淋洗到土壤纵断面的较深处或从灌排系统中冲洗出去。
应用本发明有效的细质土壤是由美国农业部定义的那些细质土壤类型，如：粉砂壤土、粉砂砂质粘壤土、粘壤土、粉砂质粘壤土、沙质粘土、粉砂质粘土和粘土。这些土壤类型定义如下：
壤土：土壤物质包含7-27%粘粒，28-50%粉粒    和小于52%的沙粒。
粉砂壤土：土壤物质包含50%或更多的粉粒和12-27%粘粒;或包含50-80%粉粒和小于12%的粘粒。
粉砂：土壤物质包含80%或更多的粉粒和小于12%的粘粒。
沙质粘壤土：土壤物质含20～35%粘粒、小于28%的粉粒和45%或更多的沙粒。
粘壤土：土壤物质含27-40%粘粒和20-45%沙粒。
粉砂质粘壤土：土壤物质含27-40%粘粒和小于20%的沙粒。
沙质粘土：土壤物质含35%或更多的粘粒和45%或更多的沙粒。
粘土：土壤物质含40%或更多的粘粒，小于45%的沙粒和小于40%的粉粒。
“破坏土壤”是指毁坏减少、改变或消除土壤表面植物的任何自然的、人为的活动或结果。
图1表示土壤分类名称与其颗粒大小分布的关系。（Brady.N.C.The    Nature    and    Properties    of    Soil，Macmillan    Publishing    Co.Inc.，New    York，P.639，（1974）。图2表示土壤水分特性和质地及维持植物所需水量的一般关系（Brady，见上）。有效的，可以用于实施本发明的沙子，其规格范围是0.05mm-2.0mm。
尽管在细质土壤上可铺比6英寸厚的沙子，但就经济角度来说，应该用获得适当的萌发、水分保持和生根所必需的最少量的沙子。我发现1-6寸厚的沙子在细质土壤上可以产生效果。没必要将沙子与细质土壤混合起来，事实上这么做是有害的，因为土壤中的细粒常会倾没沙子，在干旱条件下，导致土壤形成坚硬的象混凝土式的混合物。
对那些曾用来露天采矿或因露天采矿或亚表层采矿操作而用作矿渣池的土地改良，这一方法特别有效。一般在这种环境中，州和（或）联邦的法律都要求，土地应尽可能地还其本来面目，一般矿渣和（或）矿渣覆盖层应重新填入露天的或亚表层的矿坑，并且在矿渣或矿渣覆盖层上还应覆盖数层本地土壤。如果土壤是细质的并且（或）含相当量的盐分，那么在这样的表土中要获得植物的种子萌发和生根是很困难的。如果种子在这种条件下萌发，除非水分在相当长一段时间内是易被利用的，否则，一般会萎蔫和死亡。如果植被还没有建立，几次降雨和径流最终会冲蚀掉最上部土壤层，使潜在有毒的矿渣覆盖层或矿渣暴露，并可能导致将矿渣或矿渣覆盖层中的许多矿物质淋洗进入溪流或地下水。
“有效水”定义为土壤中容易被植物根吸收的那部分水，大部分工作者认为是那些土壤中能吸持高达近15巴压力的水。
“田间持水量”定义为土壤浸泡后二、三天并且自然排水确实停止，仍留在土壤中水的百分含量。
“细质土壤”定义为含有大量的细粒;特别是粉粒和粘粒的土壤，包括所有的粘壤土和粘土（粘壤土、沙质粘壤土、粉砂质粘壤土、沙质粘土、粉砂质粘土和粘土质类）。
“处女地”定义为其自然环境没有被明显破坏的土地。
“水分张力”（或压力）定义为与土壤水当量的负压力，这个值等于必须施加于土壤水的，使它通过内装同样成分水的多孔可透壁或膜而达到水力平衡的所需的压力值。
本发明的方法由下面的例子说明，设计这些实例是为了检测沙子作为细质土壤改良剂的有效性，除此之外，还包括其它一些检测。这些检侧包括（1）对毛细管障碍物的估计;（2）评价五个生根介质厚度的意义;（3）评价三种土壤类型。这个实验的目的是为了确定成功地改良天然碱矿渣的方法。
土壤小区构造
一块靠近一个天然碱矿渣汇集处的42×81米的地块被挖去约1英尺深，坑中放入了一层1英尺深的干天然碱矿渣，然后立桩将这块地分成22个5×27米的小区。再加入毛细管障碍物。类型1障碍物是由23厘米厚的筛过的粗砂砾组成，10个矿渣小区表面这样处理，在砂砾上加一层10厘米厚的稿秆，以防止土壤进入由砂砾形成的毛细管障碍层中。类型2障碍物是由10厘米厚的稿秆直接铺在矿渣上而组成，9个小区这样处理。希望这些稿秆能起到阻碍钠移动的作用。另外三个小区不覆盖障碍物，作为对照。
分别用1英尺，2英尺，3英尺，4英尺，6英尺的土壤深度来估价种植植物所需要的最小的有效生根深度。每一小区以梯田形式达到不同的土壤深度。实验中用到三种不同的土壤类型。土壤类型A是在清洁的废渣埋填地取到的高pH值含钠粘土。土壤类型B是从我们指定的表土层取土区得到的，高pH的含盐的壤质沙土。土壤类型C是从实验地附近取到的高pH的盐碱沙质壤土。在4个小区的粘土和壤质沙土上覆盖一层15厘米厚的粗沙，来确定它对在本实验所用的劣质土壤中的萌发和生存有何影响。每一小区用0.3米宽的粗砂砾缓冲带来隔开。
植物种植
十月下旬，每一小区播下6种多年生草种。这6种草种是膜质落芒草（Oryzopsis    hymenoides）、粗穗冰草（Agropyron    dasystachum）、galleta（Hilaria    jamesii）、狐尾大麦（芒麦草）（sitanion    hystrix）、蓝从冰草（Agropyron    spicatum）和灰色野麦草（大盆地野黑麦Elymus    cinereus）。应用Plant    Jr.Seeder播种机来播种这些草，这一播种机是一种小型的开沟播种机。
在第二年四月里，将440株四种当地灌木种于实验小区里，这些灌木都是用集装箱运来的苗子。这四种灌木是怀俄明三齿蒿（Artemisia    tridentata    wyomingensis）、冷蒿（Artemisia    frigida）、灌丛滨藜（Atriplex    Canescens）、兔食木（Chry    sothamnus    vicidiflo-rus）。这些灌木按行距1米，株距1米来种植，在种植时，每一株灌木浇约1升水，这块实验田上没有另外的水分供应。
土壤分析
对于研究用的三种类型土壤的物理化学性质做了相当全面的分析。测验的土壤参数有pH、导电性、饱水百分率、钠吸附率（SAR）、阳离子交换量（CEC）、可溶阳离子、可交换钠、有机质、可交换钠百分率（ESP）、氮、总氮、植物有效磷，钾和质地。
植物测量
在种植后每一个九月里，测定灌木的生存情况，通过测量最大灌木的高度和直径，两个数相乘结果就是灌木的生长指数。
原计划在生长季结束时，六种草都剪下来测生物产量，但是这一计划落空了。除了灰色野麦草（大盆地野黑麦）没被损害外，其它草的地上部分几乎每一叶片都被羚羊，兔子和其它啮齿类动物吃了。在不同深度的每一小区里随机取样，取长一米的灰色野麦草（大盆地野黑麦）条块，在地面以上2英寸处剪，剪下的部分风干两星期，称重，然后测定每一处理和不同土壤深度的单位长度（米）的重量。
数据的统计学分析
用典型统计量的纽曼-柯尔斯多范围测定标准来确定不同处理灌丛滨藜生长的统计学可靠的对比。其它灌木由于受到严重的放牧影响，不做统计学测验。由于放牧，既影响了灌木的生长又影响了生存。只有灌丛滨藜没被吃掉。用纽曼-柯尔斯检验标准来比较不同处理的灰色野麦草（大盆地野黑麦）的生物产量，它是唯一没被大量吃掉的草。
结果
矿渣的化学分析
所用的矿渣物质下面几个指标都高：pH、导电性、钠、钙、硝酸盐、氟化物、钠吸附率和可交换钠百分率，这些参数对植物都是有害的或极为不利的。不可能有一种较经济的方法，能消除或减轻矿渣物质中的有害的不利成分。矿渣的碱性强弱是主要问题。
由于水分运动，矿渣中的可溶性成分如氯化物、硼、氟化物和钠可以移到与生根介质挨着的矿渣层中，达到毒害或不利于植物的水平。钠又是主要问题。
土壤的物理化学分析
表Ⅱ列出了实验小区中用的三种类型土壤的物理化学分析结果。它们的质地SAR和pH值都不在怀俄明三齿蒿生长良好的可取安全范围之内。此外A型和C型土壤的可交换钠百分率都没降到可接受范围之内。三种土壤中的钾和有机质测定结果也不利于植物生长。
表Ⅱ土壤物理化学分析
参数    土壤类型
粘土（A）    壤质沙土（B）    沙质壤土（C）
pH    10.5    10.2    10.3
导电性（mmhos/cm）    6.7    14.4    7.9
饱和水百分率    66.4    31.7    31.4
钠吸附率    53.9    11.2    19.6
可交换钠百分率    44.1    14.9    18.2
阳离子交换量（meg/L）    43.1    8.7    9.9
可溶性阳离子（mg/L）
钠    61.78    64.67    61.00
钾    0.28    1.23    1.37
钙    2.23    41.12    8.69
镁    0.40    26.04    10.76
可交换钠（meg/L）    19.0    1.3    1.8
有机质%    0.6    0.2    0.2
硝态氮（ppm）    41    16    10
总氮（ppm）    180    43    16
植物有效磷（ppm）    16    3    3
钾（ppm）    800    220    350
质地（%）
沙粒    20    82    76
粉粒    19    14    18
粘粒    61    4    6
植物数据
灌木成活率
表Ⅲ列出了不同土壤类型中每种灌木的成活率数据。在所有的灌木比较中，这些数据可能是最有意义的。可以看出，四种灌木的成活率均在粘土中最低，而在用沙子处理的粘土中最高。相比，壤质沙土中的沙子，除灌丛滨藜存活率非统计性显著升高外，并没有增加灌木的存活率。
表Ⅲ灌木存活率与土壤类型的关系
存活率＊
土壤类型    三齿蒿    灌丛滨藜    兔食木    冷蒿
粘土 4 10a1 6
经沙处理的粘土 48 70c23 48
壤质沙土 23 50b8 32
经沙处理的壤质沙土 10 58b3 13
沙质壤土 6 43b4 17
＊按照纽曼-柯尔斯多范围测定标准，数字后带相同字母的处理，其差异达不到5%显著程度。
表Ⅳ    列出了所有灌木的存活率与土壤深度的关系。冷蒿从1英尺到6英尺，随土壤加深，存活率上升;其它灌木从1英尺到4英尺尺，存活率增加，6英尺深时，存活率下降。
表Ⅳ不同土壤深度灌木的存活率
存活率＊
土壤深度    三齿蒿    灌丛滨藜    兔食木    冷蒿
1英尺 8 40a1 10
2英尺 9 44a5 17
3英尺 13 43a2 16
4英尺 25 50a13 21
6英尺 17 38a9 25
＊按照纽曼-柯尔斯多范围测定标准，数字后带相同字母的处理其差异达不到5%显著程度。
灌木生长指数
表Ⅴ列出了不同土壤类型的灌木生长指数。既然除灌丛滨藜外，其它灌木都被大量吃掉，故除灌丛滨藜外，其它灌木的生长指数比较意义不大。生长指数数据的统计分析仅限于灌丛滨藜的数据。灌丛滨藜在沙处理的粘土中生长最好，在粘土和沙质壤土中生长最差。
表Ⅴ不同土壤类型的灌木生长指数
生长指数＊
土壤类型    三齿蒿    灌丛滨藜    兔食木    冷蒿
粘土 143 2225bc79 496
用沙处理的粘土 323 8774a133 807
壤质沙土 240 4867b311 729
沙处理的壤质沙土 585 5122b215 382
沙质壤土 80 2208c129 282
＊按照纽曼-柯尔斯多范围检验标准，数字后跟相同字母的处理，其差异达不到5%显著程度。
草的生物产量
表Ⅵ显示了灰色野麦草（大盆地野黑麦）的生长反应和灌丛滨藜的生长反应类似，在粘土中生长最差，在经沙子处理的粘土中生长最好。象灌木生长的情况一样，用沙处理的壤质沙土类型和壤质沙土类型在统计上无显著性差异。
表Ⅵ不同土壤类型灰色野麦草（大盆地野黑麦）
生长情况
土壤类型    灰色野麦草（大盆地野黑麦）
（克/长度米＊）
粘土 0.5a
用沙处理的粘土 133.2b
壤质沙土 45.7c
用沙处理的壤质沙土 38.5c
沙质壤土 27.4c
＊按照纽曼-柯尔斯多范围检验标准，数字后带同样字母的处理，其差异达不到5%显著程度。
在第三个生长季到来之前，实验地用篱笆围起来防止植物被牲畜吃掉。在前两年里死掉的灌木再重新种活的幼苗，草再播种。实验地目前已通过了五个生长季了。在第一个生长季所观察到的存活和生长趋势没有变化。所有灌木和草的生长和存活都在粘土小区中最低，在用沙处理的粘土中最高。
实验室内，对不同细质土壤和用沙处理的细质土壤中的植物种子萌发和生长进行了研究。这些实验的结果与上述结果是一致的。

Claims (6)

1、希望或要求在干旱半干旱地区建立植被的改良细质土壤和被破坏的细质土壤的方法，包括：至少用1英寸厚的沙子覆盖细质土壤或被破坏的细质土壤，沙子的质地范围约在0.05mm-2.0mm之内，然后在沙子中种植或播种当地引进的植物。
2、权利要求1所述的方法，其中沙子的深度至少是2英寸。
3、权利要求1所述的方法，其中沙子深度约在2-6英寸之间，沙子质地范围约在0.05mm-2.0mm之间。
4、使开矿地、矿渣堆积处和其它自然的、人为破坏的土地再生植被的方法，包括：
（a）用细质土壤覆盖被破坏的土地，这些细质土壤可从下面土壤中选择：粉砂壤土、粉砂土，沙质粘壤土、粘壤土、粉质粘壤土、沙质粘土、粉质粘土，粘土和由它们组成的混合土;
（b）用至少1英寸厚的沙子覆盖于细质土壤上，沙子质地范围约在0.05mm-2.0mm之间。
（c）在沙子中种植或播种引进的植物。
5、权利要求4所述的方法，其中沙子的深度至少是约2英寸。
6、权利要求4所述的方法，其中沙子的深度是从约2英寸到约6英寸，沙子质地范围从约0.05mm-2mm。
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