河北壩上低山區坡地灌叢沙堆表面土壤理化性質

胡國云, 郭中領, 王仁德, 王紅營, 邱夢如, 周宏巖, 高海樓, 常春平

(1.河北師范大學 資源與環境科學學院 河北省環境演變與生態建設省級重點實驗室, 河北 石家莊 050024;2.河北省科學院 地理科學研究所, 河北 石家莊 050011; 3.保定長城汽車股份有限公司, 河北 保定 071000)

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河北壩上低山區坡地灌叢沙堆表面土壤理化性質

胡國云1, 郭中領1, 王仁德2, 王紅營1, 邱夢如1, 周宏巖3, 高海樓3, 常春平1

(1.河北師范大學 資源與環境科學學院 河北省環境演變與生態建設省級重點實驗室, 河北 石家莊 050024;2.河北省科學院 地理科學研究所, 河北 石家莊 050011; 3.保定長城汽車股份有限公司, 河北 保定 071000)

[目的] 揭示河北省壩上地區低山坡地不同坡向和坡位小葉錦雞灌叢沙堆土壤理化性質變化規律，為坡地草地生態環境穩定提供理論依據。 [方法] 基于對山坡638個灌叢沙堆野外測量和86個室內土樣分析的數據，運用地統計學和樣品室內分析的方法。 [結果] (1) 從低山坡腳到坡頂，灌叢沙堆pH值、粗砂、中砂和細砂總含量逐漸減少，粉砂、極細砂逐漸增加；有機質、全氮和全磷含量逐漸增加。 (2) 迎風坡不同坡位上灌叢沙堆表面顆粒中粗砂、中砂、細砂總含量大于背風坡相同坡位，極細砂和粉砂小于背風坡相同坡位。表面的土壤養分(有機質、全氮和全磷)為迎風坡坡腳大于背風坡坡腳，迎風坡坡中和坡頂的灌叢沙堆土壤養分含量小于背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆，但是pH值變化與灌叢沙堆養分變化趨勢相反。 [結論] 受坡位和坡向的影響，灌叢沙堆土壤理化性質空間分布具有一定的差異性。

河北壩上; 灌叢沙堆; 坡位和坡向; 土壤理化性質

文獻參數： 胡國云, 郭中領, 王仁德, 等.河北壩上低山區坡地灌叢沙堆表面土壤理化性質[J].水土保持通報，2016,36(4)：315-319.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.054

近年來，由于河北壩上地區過度放牧，農田開墾不合理，加上冬春季節大風頻繁，土地風蝕嚴重[1]，在坡地草場上形成了大量的灌叢沙堆，構成了獨特的坡地灌叢沙堆景觀。坡地草原的灌叢化現象是草地退化的標志之一，小葉錦雞灌木的入侵破壞了草地生態環境的相對均一性，改變坡地土壤養分和質地、土壤濕度、土壤微生物和坡地周圍小氣候，導致土壤理化性質的改變。坡地草地灌叢化越來越嚴重，在一定程度上破壞整個區域坡地生態系統養分平衡，草地覆蓋度和生產力下降，進一步影響區域天然草原向灌木草地轉變，加劇了草原的荒漠化過程，致使草原生態修復更加困難。目前中國灌叢沙堆的研究多關注高原平坦草地灌叢沙堆演變過程[2-3]、空間分布格局[4-6]、“沃島效應”[7-10]、生態效應[11]等。對坡地上生長的灌叢沙堆關注程度較低，尤其坡面灌叢沙堆的土壤理化性質變化特征仍不清楚，難以對其進行坡地草原恢復工作。本文通過對河北壩上坡地灌叢沙堆表面土壤進行野外采樣和室內分析，對不同坡位和坡向灌叢沙堆土壤理化性質變化特征進行研究，以期為坡地草地恢復、保育及其生態環境穩定提供理論依據。

1　研究區概況和研究方法

1.1研究區概況

研究區位于河北省壩上地區的康保縣境內(41°25′—42°08′N，114°11′—114°56′E)，是中國北方農牧交錯帶境內中部。研究區受地質構造的影響，東部為緩坡丘陵區，南部波狀平原區，北部低山丘陵區[1]。區域屬中溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季涼爽且短促，年平均降水量約300～400 mm，冬春季節風大沙多，風向以偏西風為主，年均6級以上大風日達60 d左右。

該區土壤類型以沙質、沙礫質粟鈣土為主，結構松散、質地較粗、土層較薄。研究區植被大部分是半干旱典型草原類型，主要的建群種是針茅、冰草、隱子草等，一般分布在平均海拔大于1 400 m北部低山丘陵區。灌木有小葉錦雞、枸杞、沙棘等，其中小葉錦雞分布最廣泛，為優勢灌木，一般高為40～70 cm，人工種植可高達1 m，具有耐干旱、耐鹽堿、抗風蝕等特點，在荒草地和低山丘陵區集中分布[7]。

1.2研究方法

1.2.1樣地確定及采樣2014年4—5月對研究區的北部低山坡地小葉錦雞兒灌叢沙堆分布情況進行大范圍的野外調查采樣。在大量實地調查基礎上，確定康保縣西五福堂村西500 m和北部照洋河鎮后照陽村南500 m附近的兩座低山坡地作為典型樣地進行深入研究。由于研究區冬春季節盛行風向為西北風，因此本研究中將兩座山坡的西北坡定義為迎風坡，東南坡定義為背風坡。在迎風坡和背風坡的坡腳、坡中和坡頂各設置1個25 m×25 m樣方，共12個樣方。在每個25 m×25 m的樣方中選取一個形態大小、植被蓋度、發育程度等比較接近的灌叢沙堆作為采樣對象。在每個灌叢沙堆的迎風坡坡腳、迎風坡坡中、坡頂、背風坡坡中、背風坡坡腳、側坡坡中、側坡坡腳分別采集表層土樣，采樣厚度為表層5 cm，共采集84個土樣，用來分析沙堆表面土壤理化性質分析(表1)。

1.2.2土壤理化性質測試方法土壤樣品在室內自然風干，取部分樣品過1 mm的篩，去除殘留的枯落物，用5 g土樣用于測定pH值(水∶土為5∶1懸液)，分析方法采用電位法測定(PHS-3c數字酸度計)；取部分土樣研磨并用0.25 mm篩進行篩分用于測定有機質，分析方法采用(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用分光光度法；粒度分析采用干篩法。樣品測試在河北師范大學分析測試中心進行，數據分析采用Excel和SPSS 13.0進行。

2　結果與分析

2.1坡地灌叢沙堆表面土壤粒度特征

坡地灌叢沙堆表面粒度組成以砂粒為主[12]，不同坡位和坡向的灌叢沙堆粒級組成差異很大(表2)，灌叢沙堆從坡腳到坡頂，極細砂和粉砂的百分含量顯著增加，中砂、細砂和粗砂總含量下降；從不同的坡向上看，迎風坡坡腳、坡中和坡頂的灌叢沙堆極細砂、粉砂百分含量小于背風坡相同坡位，中砂、細砂和粗砂總含量大于背風坡相同坡位總含量。坡地灌叢沙堆土壤顆粒組成的變化，首先是由于坡位和坡向通過影響風速、沙源和風向，使上風向的風蝕物等輸送的沙物質粒度在不同坡位和坡向上出現分異；其次不同的坡向和坡位沙堆植物的覆蓋度和附生植物的豐富度也影響沙堆表面粒度的分異，從而導致坡腳到坡頂和迎風坡到背風坡灌叢沙堆土壤粒度有變細的特征。

表1　研究區樣地基本情況

表2　坡面灌叢沙堆表面土壤顆粒組成　%

2.2坡地灌叢沙堆表面有機質變化特征

對不同坡位和坡向的坡地灌叢沙堆土壤有機質含量研究表明，不同坡位和坡向的灌叢沙堆有機質變化差異很大(圖1)，從坡腳、坡中到坡頂沙堆有機質含量趨于增加，且迎風坡坡腳到坡頂的沙堆有機質含量增長幅度小，背風坡坡腳到坡頂沙堆有機質增長幅度相對大；從不同的坡向上看，迎風坡坡腳沙堆有機質的含量大于背風坡坡腳沙堆有機質的含量，迎風坡坡中和坡頂灌叢沙堆有機質的含量小于背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆有機質含量。這是由于坡地不同坡向和坡位灌叢沙堆土壤質地的差異和沙堆上植物反饋作用，導致沙堆表面土壤的溫度、水分、微生物等的改變，也加快沙堆表面凋落物和礦物質的分解速度，增加小葉錦雞灌木的營養條件，使有機質呈現了空間上的變異。

圖1　研究區坡地灌叢沙堆有機質含量變化

2.3坡地灌叢沙堆表面全氮變化特征

對不同坡位和坡向的坡地灌叢沙堆表面土壤全氮研究表明，不同坡位和坡向的灌叢沙堆全氮差異明顯(圖2)。從坡腳到坡頂，沙堆全氮含量增加尤其是背風坡坡腳到坡中灌叢沙堆的全氮含量增加的幅度最大；從不同的坡向看，迎風坡的坡腳處灌叢沙堆的全氮含量大于背風坡的全氮含量，迎風坡坡中和坡頂沙堆全氮含量小于背風坡坡中和坡頂沙堆全氮含量。坡地灌叢沙堆不同坡位和坡向全氮含量的差異與有機質的變化趨勢一致，說明坡地沙堆全氮和有機質一樣，是由于土壤質地的變異，凋落物的積累、土壤溫度、濕度和植物的反饋作用等差異，導致土壤全氮在表層積累的空間變異。

圖2　研究區坡地灌叢沙堆全氮含量的變化

2.4坡地灌叢沙堆表面全磷變化特征

對不同坡位和坡向的坡地灌叢沙堆表面土壤全磷研究表明，不同坡位和坡向的灌叢沙堆全磷變化特征不明顯(圖3)，從坡腳到坡頂灌叢沙堆的全磷含量幾乎持平，變化差異小；從不同的坡向來看，迎風坡坡腳灌叢沙堆全磷的含量大于背風坡坡腳，迎風坡坡中及坡頂灌叢沙堆的全磷的含量略小于背風坡坡中和坡腳灌叢沙堆。坡地灌叢沙堆不同坡位和坡向全磷含量的變化特征與有機質和全氮的變化趨勢一致，這也是因為沙堆土壤質地、有機質、全氮和植物反饋作用等其他理化性質共同作用的結果。

圖3　研究區坡地灌叢沙堆全磷含量變化

2.5坡地灌叢沙堆pH變化特征

對不同坡位和坡向的坡地灌叢沙堆表面土壤pH研究表明(圖4),坡地灌叢沙堆整體呈現弱堿性。從坡腳到坡頂pH值逐漸下降；從不同坡向來看，迎風坡坡腳小于背風坡腳灌叢沙堆pH值，迎風坡坡中和坡頂灌叢沙堆pH值大于背風坡相對坡位灌叢沙堆pH值。由于在沙堆形成發育過程中，沙堆由表面初期的物理結皮逐漸發育成了有機結皮，有機結皮的形成使地表土壤持水性能、土壤溫度、濕度、物理、化學性質等狀況產生了差異，同時從坡腳到坡頂灌叢沙堆大量一年生草本植物覆蓋度增加，它們的光合和呼吸作用加強，分泌的有機酸及根際微生物分解物不斷積累導致pH值從坡腳到坡頂不斷減低，但酸化程度較弱。背風坡坡腳植物覆蓋度小于迎風坡坡腳，植物的分泌的有機酸、凋落物和根際微生物小于迎風坡坡腳；反之，背風坡坡中和坡頂土壤粒度及植物覆蓋度大于迎風坡，所以背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆pH值小于迎風坡坡中和坡頂灌叢沙堆。

圖4　研究區坡地灌叢沙堆pH值變化

3　討 論

3.1坡位對坡地灌叢沙堆表面土壤理化性質的影響

坡地灌叢沙堆從坡腳、坡中到坡頂，其粗砂、中砂和細砂總量逐漸減少，極細砂和粉砂逐漸增加，有機質、全氮、全磷出現了增加的趨勢，pH值卻出現減少的趨勢。這與賈曉紅等人對沙坡頭流沙固定過程中土壤性質變化的研究和杜建會等對民勤綠洲不同演化階段白刺灌叢沙堆表面土壤理化性質研究結果較一致[3,14]。賈寶全等[15]對甘肅省民勤沙區土壤結皮理化性質研究也表明，白刺灌叢沙堆圍封后能夠顯著的促進物理結皮變成有機結皮，也促使有機結皮中的有機質、全氮、全磷、速效氮等養分含量的提高。有機質、全氮和全磷在坡頂含量均顯著大于其他坡位，首先，由于坡頂灌叢沙堆土壤極細砂和粉砂大于其他坡位(表2)，坡頂灌叢沙堆表面土壤顆粒組成的變化，造成土壤持水性的改變，一定程度上影響了土壤水的再分配過程，使得灌叢沙堆表面從原來疏松、滲透性強的砂粒土層變為持水性較強、滲漏緩慢和變淺的表面，使小葉錦雞灌木生長受到限制，生長矮小、稀疏，而坡頂沙堆表面附生的一年生草本得到繁衍；其次，這種一年生的草本植物增加沙堆表面凋落物的含量，沙堆植被蓋度的增加也減弱了風力對于沙堆表面養分的侵蝕，改善了沙堆表面的小氣候，也有利于沙堆表面凋落物分解。而坡腳灌叢沙堆土壤不僅極細砂、粉砂含量均顯著低于坡中和坡頂，沙堆土壤含水量低，容重大，而且沙堆表面的小葉錦雞灌木生長茂盛，幾乎沒有別的草本植物生長，沙堆凋落物的含量小，再加上人和動物的破壞，可能導致沙堆表面土壤養分虧損，因此從坡腳到坡頂灌叢沙堆有機質、全氮和全磷含量增大。但pH值和灌叢沙堆養分變化趨勢相反，這是因為坡頂灌叢沙堆一年生的草本植物生長繁盛，它們經過呼吸作用和光合作用分泌大量有機酸，坡中和坡腳灌叢沙堆一年生的草本植物小于坡中，分泌的有機酸小于坡頂，所以從坡腳到坡頂灌叢沙堆pH值下降。

3.2坡向對坡地灌叢沙堆土壤理化性質的影響

迎風坡坡腳土壤粒度極細砂和粉砂小于背風坡坡腳，但其表面的土壤養分為迎風坡坡腳大于背風坡坡腳，這因為迎風坡坡腳灌叢沙堆單體體積大、植被覆蓋度大于背風坡坡腳灌叢堆，茂盛沙堆植物截留了大氣運動帶來的營養物質和植物的凋落物，有利于迎風坡坡腳灌叢沙堆養分的聚集，這一結果與Dougill等[16]對南非的Molopo盆地灌叢沙堆養分主要來自于植被的反饋作用研究結論相一致。除了迎風坡坡腳外，迎風坡坡中、坡頂灌叢沙堆有機質、全氮、全磷含量小于背風坡坡中、坡頂灌叢沙堆。首先，背風坡坡中和坡頂沙堆土壤粒度含組成變化外，造成沙堆化學性質空間變異；其次，由于迎風坡風速大，不僅對外來的凋落物難以捕獲，本身的凋落物也會在強風的作用下大量損失，原來形成的微環境被破壞，凋落物分解速度降低，加之其人為條件的破壞，也會影響到土壤微生物的生存，因此，迎風坡坡中和坡頂的灌叢沙堆土壤養分含量小于背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆。pH值和灌叢沙堆養分變化趨勢相反，這因為養分高的沙堆，植物生長茂盛，分泌的有機酸多，pH值就會減少。

4　結 論

(1) 坡地灌叢沙堆從坡腳到坡頂，其粗砂、中砂、細砂總含量和pH值逐漸減少，極細砂、粉砂、有機質、全氮、全磷增加，并且在坡頂處達到最大；迎風坡坡腳、坡中和坡頂灌叢沙堆粒度變化規律一致，均為迎風坡粗砂、中砂、細砂總含量大于背風坡，極細砂、粉砂含量小于背風坡，其次，除了迎風坡坡腳灌叢沙堆有機質、全氮和全磷大于背風坡坡腳灌叢沙堆，pH值小于背風坡坡腳灌叢沙堆。迎風坡坡中、坡頂的有機質、全氮、全磷均小于背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆，pH值為迎風坡坡中和坡頂灌叢沙堆大于背風坡坡中和坡頂灌叢沙堆。

(2) 坡地灌叢沙堆生態景觀環境不但在防風固沙方面具有重要意義，也影響坡地土壤理化性質空間變異。首先，坡地灌叢沙堆增加了坡面粗糙度，風沙流在移動過程中遇到的阻力增大，大幅度降低風速和輸沙率。其次，沙堆的存在，使坡地的微環境產生了很大的分異，背風坡和迎風坡沙堆表面土壤機械組成不同，造成沙堆的水分、溫度和微生物環境的改變，微環境條件的改變，引起不同坡向和坡位沙堆土壤理化性質空間變異，背風坡(陽坡)的溫熱條件得以加強，干燥性有所增強；迎風坡(陰坡)蒸散強度下降，同時沙堆植物的覆蓋度和沙堆表面的凋落物也對沙堆土壤理化性質變異起到一定作用。

(3) 坡地灌叢沙堆土壤理化性質空間變異規律對典型低山坡地草原區防止沙漠化，恢復生態環境具有理論指導的意義。可以根據這種空間變異規律在土地退化嚴重的坡地荒草地上種植小葉錦雞兒，不僅增加土層厚度，提高土壤肥力，還能改善局部小氣侯。

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Soil Physical and Chemical Properties of Nebkhas on Slopes in Bashang Region of Hebei Province

HU Guoyun1, GUO Zhongling1, WANG Rende2, WANG Hongying1,QIU Mengru1, ZHOU Hongyan3, GAO Hailou3, CHANG Chunping1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences，HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang，Hebei050024,China; 2.InstituteofGeographicalScience,HebeiAcademyofSciences,Shijiazhuang，Hebei050011,China; 3.GreatWallMotorCompanyofBaoding,Baoding，Hebei071000,China)

[Objective] The soil physical and chemical properties ofCaraganaNebkhas were analyzed in different slope position and slope direction at the he Bashang area of Hebei Province in order to keep the slope eco-environment stabile . [Methods] Investigation data of 638 nebkhass and assay data of 86 soil samples were analyzed by geo-statistics. [Results] From the top to the foot of the investigated hills, contents of coarse sand, medium sand and fine sand and pH value gradually decreased, whereas, contents of clay, silt, organic matter, total N and total P showed an increased trend. Soil particle composition was different for slope wind exposure, the contents of coarse sand, medium sand and fine sand in the windward slope of nebkhas were greater than the corresponding values in the leeward slope; Comparatively, contents of very fine sand and silt were less than that in the leeward slope. Soil nutrients(organic matter, total N and total P content) in the foot of windward slope were greater than that in the foot of leeward slope; However, in the middle and top of the windward slope were less than the corresponding values of the leeward slope. pH value had a reverse trend. [Conclusion] Soil properties of nabkhas are different in different slope positions and directions resulted from wind-involved pedogenesis.

Bashang region; nebkhas; slope aspects and slope position; soil physical and chemical properties

2015-09-29

2015-10-26

河北省軟科學項目“河北壩上農田防護林空間結構配置與建設對策研究”(13454213D); 國家自然科學基金重點項目(41330746); 國家自然科學基金青年項目(41301291)

胡國云(1989—),女(漢族),河北省邯鄲市人,碩士研究生,研究方向為建設與災害防治。E-mail:15233611847@163.com。

常春平(1969—),男(漢族),河北省康保市人,博士,教授,碩士生導師,主要從事水土保持,環境評價方面的研究與教學工作。E-mail:changchunping@126.com。

A

1000-288X(2016)04-0315-05

P931.3