若爾蓋地區草地沙化特征研究

張芮嘉，龍 建，蔣 偉，梁玉祥

（四川大學 化工學院，四川 成都 610065）

由于不合理的人類活動造成的土壤退化問題嚴重威脅著人民的生活和農業生產。我國土壤退化面積逐年增加，草地退化面積占到很大的比例。我國草地退化始于20世紀60年代以后，最早出現草地退化的地區是人口相對較多的農牧交錯區。到20世紀70年代中期，全國退化草地面積約占草地面積的15%，80年代中期增加到30%以上，90年代中期達到50%以上，到了21世紀初已增加到90%［1］，而且還以每年67×104km2的速度在繼續［2］。國家林業總局2011年發布的《中國荒漠化和沙化狀況公報》顯示，截至2009年底，我國荒漠化土地面積為262.37km2，沙化土地面積為173.11萬km2。與2004年相比，5年間荒漠化土地面積凈減少12 454km2，年均減少2 491km2，沙化土地面積凈減少8 587km2，年均減少1 717km2［3］，草地生態環境形勢十分嚴峻［4］。

草地生態系統是陸地生態系統的重要組成部分之一，是一個脆弱的生態系統。草地面積的減少和退化速度的加劇使得草地生產能力顯著下降，嚴重阻礙了牧區畜牧業和社會的發展。根據草原生態的三種分級方法［5］，在我們的研究中，將若爾蓋地區的草地按草地蓋度分：蓋度大于80%為普通草地，蓋度在50%～20%為半沙化草地，蓋度低于20%為全沙化草地。從草地外觀分類后，研究草地土壤參數，探索其退化機制。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

若爾蓋地區位于青藏高原東北部，地理坐標為E 102°10′～103°55′，N 32°20′～34°05′，是黃河源頭與長江上游、嘉陵江的分水嶺，海拔3 450～3 600m，屬高原亞寒帶半濕潤大陸性季風氣候，長冬無夏春秋相連，土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土，是我國優質的高原牧區，享有“高原之腎”的美譽［6］。然而近50年來，由于各種自然因素和人為因素的影響，若爾蓋地區正沿著“濕地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”這條生態惡化的路子越演越烈［7］。草原沙化面積大幅度擴大，沙化程度也不斷加劇。1966年該區域內原有沙地1 248.4hm2，沙化草地7 767.8hm2，2000 年 草 地 沙 化 面 積 增 加 了307.7%［8］，沙化遞增率達4.22%，每年草地沙化面積擴大816hm2。該地區嚴重的沙化面積導致下墊面的蒸發過程發生變化，這一變化對降水、環流形式及大氣溫、濕狀態都有著顯著的影響［9］。該地區形成了典型的全沙化草地、半沙化草地、普通草地3種典型地貌，為研究“濕地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”的退化路徑提供了現場條件。

1.2 研究方法

2008年對若爾蓋地區的草地進行分類取樣，包括普通草地、半沙化草地、全沙化草地。普通草地距離濕地112m，主要植被為四川蒿草，雜草較少，蓋度大于80%，土壤含水量較高、理化性質良好；半沙化草地距離普通草地448m，主要植被為小蒿草，雜草較多，蓋度在20%～50%，土壤含水量低于15%，沙含量高于草地，而理化性質遭到破壞；全沙化草地為遠離普通草地的一片沙地，面積較大，主要植被為雜草和有毒草，蓋度低于20%，地面生物量很少，土壤含水量低于5%，沙含量遠高于草地，達到98%，土壤團粒結構惡化，營養物質嚴重流失。

以普通草地為對照在不同退化草地用土鉆隨機取0、10、20、30、40、50、60cm土層土壤，3次重復，將同一樣地同一土層的3個土樣混合一起編號，于實驗室測定土壤全氮、全磷、全鉀、有機質、腐殖酸的含量以及土壤水分含量、沙含量，分別從縱向和橫向上來比較其養分流失的情況。

測定方法：沙含量用篩分法；水分含量用重量法；全氮用半微量凱氏法；全磷用HClO4－H2SO4法；全鉀用NaOH熔融－火焰光度法；有機質用K2Cr2O7容量法；腐殖酸用酸析法。

沙含量是指樣品中粒徑≤0.178mm的土壤顆粒含量。測定時取一定質量的樣品，用80目（孔徑0.178 mm）的篩子篩分樣品，得到粒徑≤0.178mm的土壤顆粒，稱量，計算其質量百分含量。水分含量是指樣品中土壤水分含量。測定時取一定質量的樣品于烘箱中，在100℃下烘干4h，取出稱量，計算水分的百分含量。

2 結果與分析

2.1 普通草地，半沙化草地和全沙化草地養分含量的比較分析

2.1.1 全氮含量的變化 由于土壤退化，全沙化草地和半沙化草地的全氮含量都很低，最大值只有0.05%，而普通草地的全氮含量最大值是1.10%，是全沙化草地和半沙化草地的22倍，全氮流失率達到95.45%。普通草地土壤表層到土下30cm處值表明，土壤退化過程中，全氮含量的降低主要發生在這一范圍的土層，也是植被根系分布的主要區域。隨著土壤退化，N素流失相當嚴重。草地的表層有機質含量高，土壤中的N素主要以有機態的形式出現，有機質含量高，全氮含量相應也高。而在半沙化地和完全沙化地的土壤中，有機質的含量很低，所以N素含量也很少（圖1）。

圖1 不同草地0～60cm深度的土壤全氮含量動態Fig.1 Changes of total nitrogen（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.2 全磷含量的變化 全沙化草地和半沙化草地的全磷含量在不同土層變化不大，整體在0.04%之間波動。全磷含量的減小主要發生在土壤表層到土表下20cm處，隨著土層深度的增大，全磷含量趨于平衡（圖2）。在土壤退化過程中，土表以下10cm全磷含量的差值最大，全磷含量的流失率達到了59.10%。草地土壤中的磷元素主要是以有機態的形式存在，其含量變化和土壤中有機質的含量成正相關，在土壤表層10cm處達到最高值。土壤有機質產生的腐殖質可以在土壤粘粒以及 Al（OH）3、Fe（OH）3等礦質沉淀的表面上形成膠膜，阻礙了磷酸根與礦質成分的直接反應，減弱這些礦質沉淀對P的化學固定；同時，有機質的分解過程中，產生酒石酸、草酸、蘋果酸等含羧基的多種有機酸，他們對Fe、Mg、Al等的絡合能力較強，能夠形成較為穩定的有機絡合物，從而在這些金屬離子的磷酸鹽中將P釋放出；有機質在微生物的幫助下產生的各類有機酸對礦質巖石有不同程度的分解能力，有些能夠溶解Ca－P、Fe－P、Al－P、Mg－P等固態磷化合物，增加土壤中有效磷的含量［13］。而半沙化草地和全沙化草地的土壤磷元素含量基本保持不變，可能和土壤中有機質含量過低相關，多以不溶性礦質元素的形式存在。

圖2 不同草地0～60cm深度的土壤全磷含量動態Fig.2 Changes of total phosphorus（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.3 全鉀含量的變化 普通草地、半沙化草地與全沙化草地的全鉀含量相差不大，平均值都在1.75%之間。但是在土壤表層以下10cm處，普通草地的全鉀含量達到最小值1.45%，可能是因為取樣時間為5月，正值植株生長需要消耗大量鉀素的緣故。拋開此點看出，盡管普通草地、半沙化草地、全沙化草地鉀含量的變化隨土層的加深均沒有太大波動，但從整體上看是普通草地＞半沙化地＞全沙化地，這正好和三者土壤中的有機質含量呈非線性正相關。鉀元素和氮、磷不同，在土壤中的主要存在形態是無機態。土壤中的鉀包括礦物晶層中固定的緩效性鉀、難溶性的礦物態鉀以及被土壤膠體吸附的代換性鉀［13］。在微生物的參與下，有機質能夠分解重新合成腐殖質，他是一種特殊類型的有機高分子膠體，能夠有效地改善土壤顆粒的團粒結構，孔隙率大，通氣性好［10］。而且腐殖酸含量的增加，能夠有效提高與K＋的結合能力，增強對鉀的固定作用，減少水淋等對鉀造成的流失［11］（圖3）。

3.1.4 有機質和腐殖酸含量的變化 普通草地的有機質和腐殖酸含量在0～20cm遠高于半沙化和全沙化草地，均在土壤表層以下10cm處達到各自的最高點（圖4，5）。全沙化草地的有機質和腐殖酸的流失率分別為98.85%和98.36%，但含量稍高于半沙化草地，這可能是因為全沙化草地表面的細砂粒在沙層表面形成一個保護層，使得20～40cm的沙層中還含有部分植物根系，在腐敗過程中產生大量有機質和腐殖酸。土壤中由各種腐殖質組成的有機膠體的微粒很小，具有很大的比表面積，對養分具有很好的吸附保持能力；同時，土壤中腐殖酸含量高，能夠有效的增加土壤團聚體的穩定性，使土壤土質疏松、孔隙率大、通氣性能好、滲透率高、持水能力強［12］。有機質中的蛋白質、氨基酸等有機物分解過后產生氨或銨鹽，進而轉化為硝酸與硝酸鹽，而核酸與磷脂等最終分解得到磷酸和磷酸鹽［13］。因此，有機質含量高，是土壤團粒結構好，固肥、導熱、持水等優質性能的前提。

圖3 不同草地0～60cm的土壤全鉀含量動態Fig.3 Changes of total potassium（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

圖4 不同草地0～60cm的土層壤有機質含量動態Fig.4 Changes of organic matter（%）along with dept（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

圖5 不同草地0～60cm的土壤腐殖酸含量動態Fig.5 Changes of humus（%）along with depth（cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.2 普通草地與全沙化草地沙含量和水分含量的比較分析

2.2.1 沙含量的變化 普通草地土壤0～15cm隨著土壤深度的增加，沙含量略有升高，最高點達到了95.90%，但15cm后隨著土壤深度的增加，沙含量逐漸降低；從整體上看，全沙化草地的沙含量隨土壤深度變大變化不大，基本保持在98%左右，遠大于普通草地（圖6）。

圖6 不同草地0～60cm的土壤沙含量隨土層深度動態Fig.6 Changes of sediment concentration（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

2.2.2 水分含量的變化 普通草地的濕含量遠遠高于全沙化草地。從整體上看，普通草地在土壤淺層0～30cm土壤濕含量高出全沙化草地10%以上。從總體上看，濕含量的變化與沙含量的變化呈負相關。

圖7 不同草地0～60cm的含量動態Fig.7 Changes of moisture content（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

草地退化引起土壤物理、化學、生物性質的變化［14］，土壤中有機質與腐殖酸含量明顯偏低，缺乏有機膠體的粘合作用，土壤團粒結構差，沙含量增加，沙粒與沙粒之間無粘接，土壤中水分很難進入沙粒內部［15］。由于顆粒間空隙較大，沙粒外部的游離水分極易汽化，加上植被蓋度減小、多樣性降低，造成土壤表層水分蒸發過快。土壤養分含量的急劇下降和微生物生存條件的破壞使植物的生長受到限制。當水分蒸發使地下水位下降至土壤根系層以下時，植被就會逐漸枯死［16］。植被蓋度降低甚至消失讓地表暴露于大氣中，增加太陽輻射［17］，加速風蝕和水蝕，進一步改變了地氣界面的傳熱關系，提高了水分蒸發量。當氣候變化引起降水量減少時［18］，土壤更加缺水造成干旱，最終導致植被枯死和草地沙化。

3 討論與結論

（1）研究數據表明，當草地退化時0～30cm土層N、有機質和腐殖酸的流失為明顯，三者的流失率分別達到95.45%、98.85%、98.36%，土壤P、K含量降低，表現出明顯的沙化特征。

（2）隨著草地退化程度的加深，0～30cm土層土壤濕度不斷降低，從普通草地的35%下降到全沙化草地的5%以下，而沙含量不斷升高，全沙化草地達到98%，草地沙化從0～30cm土層開始，尤其是在20 cm，土壤水分含量和沙含量的變化使得該土層成為沙化敏感區。

（3）在不合理的人類活動作用下，草地的土墑條件改變。草地退化使土壤粘粒減少，團粒骨架坍塌、結構惡化，加之風蝕、水蝕等自然因素的影響，地表土壤顆粒粗質化。孔隙度高且孔隙分布均勻的優質土壤逐漸退化為容重大孔隙度小且孔隙集中分布在較窄范圍內的大孔隙的重砂土。毛細孔隙大量減少，在大氣蒸發力作用下，下層水分難以通過毛細作用補充到土壤表面，由于供水不足，蒸發面向地表以下推移，表層土壤干燥化。而土壤養分含量的急劇下降和微生物生存條件的破壞使植物的生長受到限制。當水分蒸發使地下水位下降至土壤根系層以下時，植被就會逐漸枯死。植被的消失讓地表暴露于大氣中，不僅加速了風蝕和水蝕，還進一步改變了地氣界面的傳熱關系，提高水分蒸發量。當降水量減少時，土壤更加缺水造成干旱，最終導致植被枯死和草地沙化。這是一個正向反饋過程，也是一個惡性循環過程。

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