毛烏素沙地東南緣沙漠化過程中土壤理化性質分析

楊梅煥，曹明明，朱志梅，邱海軍

(西北大學城市與資源學系，陜西西安710127)

沙漠化作為一個全球性環境問題日益引起人們的關注[1]。對沙漠化的研究，朱震達[2]指出，其研究和防治的重點應著重放在兩種生態系統相毗連的“邊界”地區，即生態系統脆弱帶的研究。毛烏素沙地東南緣位于我國北方農牧交錯帶的西部，地質上屬于典型的多層次過渡帶，生態環境脆弱，是我國北方沙漠化最嚴重的地區之一。

沙漠化演變的一個基本特征就是土壤退化。國內外學者[3-10]也對沙漠化過程中土壤理化性質的變化進行了相關研究，物理特性方面主要分析了土壤顆粒粒徑、含水量、容重等方面的變化[3-6，9]，化學性質方面主要集中于對土壤pH、電導率、土壤養分、全碳、有機質、重金屬、含鹽量等方面的研究[3-4，7-8，10]，并得出一些相似的結論。對毛烏素沙地土壤特性的研究主要集中在土壤水分的時空變化方面[11-14]，而對其土壤理化性質的研究鮮見報道。

因此，本研究對生態脆弱區毛烏素沙地東南緣不同沙漠化階段土壤顆粒組成、水分含量、容重等物理性狀和有機質、有機碳、全氮含量等化學性質進行分析，探討了沙漠化過程中土壤理化性質變化規律，揭示沙漠化過程中土壤各物質含量之間的相互關系及其演變過程，以期為沙漠化地區土壤—植被系統的修復提供科學依據。

1 研究區概況

選擇毛烏素沙地東南緣陜西省榆林地區沙質草原地帶沙漠化程度明顯的區域為研究區，該區轄神木縣、榆陽區、橫山縣、靖邊縣和定邊縣 4縣1區，位于東經 107°15＇—110°54′，北緯 36°49′—39°27′，海拔1 200～1 400 m，相對高度 10～50 m。

該區屬陜北風沙灘地區，沙地占區域總面積的80%左右，其中流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘在沙地面積中各占約1/3。因緯度偏北，屬溫帶寒冷半干旱氣候，絕大部分地區年均溫小于8℃，一月均溫-11℃～8℃，7月均溫22℃～24℃，年內≥10℃積溫為2 500℃～3 800℃。年降水量250～440 mm，其中7—9月集中了全年降水量的60%～75%。區內土壤主要為淡栗鈣土、栗鈣土，丘間低地主要為草甸土，還有風沙土、黑焦土等。沙生植被、草原、草甸、鹽生植被、鹽生草甸等群落類型均易見。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

采用植被動態學中群落的空間序列方法(空間代替時間法)，以一定的沙漠化空間梯度系列代表不同的演替階段，在結合野外調查和圖像資料的基礎上將沙漠化過程分為 5個階段:Ⅰ原生植被類型(植被蓋度＞35%)，Ⅱ潛在沙漠化階段(植被蓋度25%～35%)，Ⅲ輕度沙漠化階段(植被蓋度15%～25%)，Ⅳ中度沙漠化階段(植被蓋度5%～15%)，Ⅴ重度沙漠化階段(植被蓋度＜5%)。

2008年7月，在具有明顯沙漠化的區域神木縣、榆陽區和靖邊縣選取3個樣地，每個樣地基本包括5個沙漠化階段，每個階段隨機選取3個1 m×1 m的樣方。

2.2 土樣采集

在選取的每個樣方中按照0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm 深度分層取樣，用于土壤顆粒組成、水分含量、有機質、有機碳和全氮含量等項目的測定，用環刀和土壤盒取土用于土壤容重的測定。

2.3 測定方法

土壤顆粒組成采用篩分與比重計相結合的方法測定[15];土壤含水量、容重采用烘干稱重法測定;土壤有機質、有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定[15];土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定[15]。

2.4 數據分析

利用SPSS軟件，對測定數據進行ANOVA和相關性分析，研究各理化性狀之間的關系。

3 結果與分析

3.1 不同沙漠化階段土壤理化性質變化分析

3.1.1 土壤顆粒組成變化 土壤顆粒組成是土壤質地和結構的重要表征之一，而沙漠化的核心問題是土壤顆粒的粗大化[16]。研究區不同沙漠化階段表層(0—5 cm)土壤顆粒組成變化見表1，隨著沙漠化程度的加劇，土壤顆粒組成發生明顯變化，砂粒含量急劇增加，粉粒、黏粒含量趨于減少。這主要是由于沙漠化過程中植被覆蓋率越來越低，因而導致裸露的土壤表層細土因風蝕而粗粒化和單粒化，致使土壤機械組成隨沙漠化發生巨大轉變。

表1 不同沙漠化階段土壤顆粒組成變化 %

3.1.2 土壤含水量、容重變化 水分在沙漠化及其植被演替過程中起著關鍵作用，特別是在干旱、半干旱地區，水分是土壤發育及植物生長最重要的控制因子。研究區土壤含水量變化如圖1，在沙漠化過程中表層土壤含水量趨于減少，由Ⅰ階段的1.522%降低為Ⅴ階段的0.270%，降幅達82.260%，這主要是由于隨著沙漠化程度加劇，地表裸露面越來越大，導致蒸發量也越來越大。在0—30 cm剖面中，各沙漠化階段土壤含水量不存在顯著差異(P＞0.05)，而含水量隨土層深度增加均表現出不同程度的增加，總體變化為沙漠化越嚴重區域隨深度的增加其含水量增長幅度越大，這主要是由于沙漠化區域土壤水分的下滲作用較強使得深層土壤含水量高于表層。另外，沙區植被越少，其地下根系的吸水量也越少，進而導致沙漠化嚴重區域深層土層的含水量較高。

圖1 不同沙漠化階段土壤含水量剖面變化

土壤容重綜合反映了土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況。土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多，反之，土粒密度大，表明土體比較緊實，結構性差，孔隙少。根據試驗數據的統計分析顯示，各沙漠化階段土壤容重并不存在顯著差異(P＞0.05)。在每個階段，表層土壤容重總體偏低，隨深度增加土壤容重波動幅度漸大，并有隨土層深度增加而增加的趨勢，各階段之間容重的變異性隨深度變化而逐漸減小。

3.1.3 土壤有機質、有機碳和全氮含量變化 土壤有機質是土壤中含碳有機化合物的總稱，一般占固相總重量的10%以下，是土壤形成的主要標志，對土壤性質有很大的影響。有機碳含量按照有機質含量的58%計算，其變化趨勢與有機質相同(圖2)。

圖2 不同沙漠化階段土壤有機質變化

沙漠化過程中，土壤有機質和有機碳含量下降，且階段間存在極顯著差異(P＜0.01)。各階段表層土壤有機質及有機碳含量均最多，且差異最大，Ⅴ階段有機質及有機碳含量僅為Ⅰ階段的36%，這是由于隨沙漠化程度加劇，地表植被減少，落葉、植物殘體等形成的腐殖質越來越少而導致土壤有機質含量降低;隨深度增加，有機質及有機碳含量趨于減少，且10 cm以下各階段土壤有機質含量變化較小。

氮素是植物生長必需的營養元素之一，土壤中的氮素含量直接表征了土壤為植物提供氮的潛能[3]。土壤全氮含量變化剖面如圖3所示，研究區沙漠化過程中表層土壤全氮含量急劇減少，且土壤全氮含量較其它沙漠化區域偏低[3，17];Ⅰ，Ⅱ階段變化幅度較大，其它各階段均無較大變化，各階段15 cm以下全氮含量基本不變;統計分析顯示，各沙漠化階段土壤全氮含量存在極顯著差異(P＜0.01)。

圖3 不同沙漠化階段土壤全氮變化

3.1.4 土壤C/N變化 土壤的C/N是衡量土壤C和N營養平衡狀況的指標，與土壤質地、有機質和養分存在密切關系[18]。

相關研究表明[3，7-8，18]，C/N 越小，土壤質量越高，越能為植物生長提供所需養分。研究區沙漠化過程中C/N變化如表2所示，由表中可見，隨沙漠化程度的加劇，土壤C/N整體呈增加趨勢，這說明在沙漠化進程中土壤質量逐漸減低，且N的衰竭速率要大于C，這意味著沙漠中植物的生長可能受缺N土壤環境限制;另外隨深度的增加土壤C/N呈現先增加后降低的趨勢，其最高值出現在5～25 cm范圍內，這主要是由于沙生植物根系吸收土壤中的 N導致其C/N較大。

表2 不同沙漠化階段C/N變化

3.2 土壤各理化性質之間的相關性分析

沙漠化過程總是伴隨著土壤顆粒、含水量、容重、有機質、有機碳和全氮含量有規律的變化，集中體現在隨沙漠化程度的加劇，土壤砂粒含量、容重和C/N升高;含水量、有機質、有機碳和全氮含量降低。而沙漠化土壤各理化性質之間也存在著密切的內在聯系，如黏粒含量較多的土壤，其有機碳和全氮含量也相應較高;有機質含量較高的土壤其結構和物理性質也相對穩定[19]。

對研究區表層(0—5 cm)土壤理化性質進行相關性分析(表3)發現，土壤容重和C/N與各指標存在負相關關系，其余各指標間均存在正相關關系;黏粒含量與含水量、容重、有機質和全氮含量之間均存在顯著相關性，含水量與容重、有機質和全氮含量也顯著相關，容重與有機質和全氮含量之間以及有機質與全氮含量之間存在極顯著相關性;C/N與各指標之間的相關性均不顯著。其中，有機質與全氮之間的相關系數最大，達到0.993 5;容重與含水量容重、有機質和全氮之間的相關系數均較大。

表3 土壤黏粒、含水量、容重、有機質、N及C/N之間相關性分析

4 結論

(1)在沙漠化過程中，土壤物理性質的轉變首先是黏粒等細顆粒物質受風蝕作用而減少，砂粒等粗粒物質增多。在毛烏素沙地東南緣整個沙漠化過程中，黏粒呈指數減少，砂粒呈線性增加。

(2)研究結果表明，沙漠化過程中，土壤結構發生了轉變。表層土壤含水量在整個過程中迅速降低，而隨土層深度的增加各階段土壤含水量呈上升趨勢，這主要與地表植被覆蓋和蒸發量有關。容重是土壤結構的重要表征特征，在沙漠化過程中表層土壤容重逐漸提高，表明土壤肥力下降，質量降低。

(3)土壤有機質、有機碳和全氮是反映土壤質量與土壤退化程度的有效表征指標。結果表明，沙漠化過程中，土壤有機質、C和N含量都呈現出隨沙漠化程度的加劇和土層深度的加深而急劇降低的趨勢，這說明沙漠化導致土壤質量嚴重退化;C/N的升高則表明在土壤質量退化的過程中N的衰竭更快。

(4)相關性分析結果表明，該區土壤各理化性質之間存在著密切的相關性。其中，容重與有機質和全氮之間以及有機質與全氮之間存在極顯著相關性;黏粒含量與含水量、容重、有機質和全氮之間均存在顯著相關性，含水量與容重、有機質和全氮也顯著相關。

(5)土壤理化性質在沙漠化過程中發生了不同程度的變化，但有關不同沙漠化階段土壤演替及替變閾值的研究至今較少，對該區的后續研究中將進一步探討沙漠化的演替機制與土壤理化性質之間的關系。

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