科爾沁沙地不同草地利用方式下土壤粒度和有機碳分布特征

王 燕， 包 翔， 王明玖， 郝良杰， 艷 秀

(內蒙古農業大學 草原與資源環境學院 內蒙古自治區土壤質量與養分資源重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010018)

科爾沁沙地面積約4.00×104km2，在全國十大沙漠中占居第五位，在歷史上曾經為我國著名的科爾沁優良草原分布地區，然而近百年來，由于生態環境受到嚴重破壞成為如今的茫茫沙地[1-2]，“沙進人退”到“綠進沙退”的綠色發展、“綠水青山就是金山銀山”的綠色思想以及科學治理沙化對整個華北地區的經濟、生態、民生等綜合效益具有重要的作用[3]。因沙化、風蝕而導致的土壤細顆粒物的損失伴隨著土壤養分的損耗、貧瘠化，嚴重降低了土壤生長植物的能力，也減弱了土壤的黏結力，反過來又促進了土壤風蝕，引起土壤顆粒粗化問題[4]。土壤顆粒粗化是我國北方草場退化、沙化的主要表現形式之一[5]，粒度作為影響地表土壤風蝕的重要因子，能夠決定風蝕顆粒的運動性質和風蝕強度[6-7]。隨著土壤顆粒的損失，有機碳也隨之流失，土壤有機碳庫的穩定性與土壤侵蝕、生態系統的維持、發展及穩定性機制有著緊密聯系[8]，由于草地利用方式的不同，土壤中物質輸入與輸出方式存在一定的差異，加上人類活動的影響，造成了不同草地利用方式下土壤中不同粒徑分布特征及有機碳含量有所差異[9]。國內外學者[10-15]也對草地、沙地、農田等不同土地利用方式下土壤粒度與有機碳的分布特征及變化[9，16]進行了大量的研究，并得出了一些相似的結論，也都取得了相應的成果，但是生態環境日趨惡化的局面尚未得到控制，草地退化導致的區域貧困問題未能得到根本解決[2，17]，目前在科爾沁沙地從土壤粒度分布規律及變化角度揭示不同草地利用方式土壤粒度特征和有機碳分布的研究較少。本研究以科爾沁沙地烏力吉木倫河流域流動和半固定風沙土為研究對象，對圍封草地、退化程度不同并且伴隨有沙化的輕度、重度鹽堿化草地和人工種植牧草的燕麥地、苜蓿地等不同草地利用方式下粒度與有機碳含量及相關性進行了探索研究，旨在揭示科爾沁沙地在退化過程當中土壤有機碳的損失速率，為科爾沁沙地生態環境恢復治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏力吉木倫河古代是科爾沁草原的河流是屬遼河西源西遼河水系新開河的支流，位于內蒙古自治區赤峰市東北部通遼市西部。地理坐標位于43°50′13″—45°35′31″N，119°13′48″—121°56′05″E，經阿魯科爾沁旗和通遼市扎魯特旗，注入新開河，總長度250 km，河流面積3.34×104km2，扎魯特旗屬內蒙古高原向松遼平原過渡地帶。該地區屬于中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，光照充足，太陽輻射較強，日照時間長，年均氣溫6.6 ℃。無霜期中南部較長，北部較短，平均139 d。春旱多風，年均降雨量382.5 mm，主要集中在7—8月，年均蒸發量1 800 mm以上，年均濕度49%，年均風速2.7 m/s，海拔一般在400～600 m之間，最高達1 500 m。地帶性土壤為栗鈣土，非地帶性土壤為沼澤土、鹽土、堿土、草甸土，風沙土[17]，流域內主要植被包括堿地膚(KochiascopariaSchred. var.sieversiana)、峰芒草(Tragusracemosus)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、堿韭(Alliumpolyrhizum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狗尾草(Setariaviridis)。

1.2 試驗設計與樣品采集

于2017年8月初進行土壤樣品的采集，在科爾沁沙地進行野外考察的基礎上，結合扎魯特旗當地的土壤類型分布與土地利用方式在《北方草甸退化草地治理技術與示范課題》區域內選擇5種典型樣地，分別為2013年圍封天然草地(E)、因過度放牧和氣候因素導致的嚴重退化的伴隨沙化和鹽堿化的輕度鹽堿退化樣地(LG)、重度鹽堿退化樣地(HG)和半固定沙丘地進行人工種植的多年生豆科植物苜蓿樣地(M)和一年生禾本植物燕麥樣地(A)。用土鉆進行分層取樣，取樣前一周內無大風和降水，每個樣地按照多點同層混合采集法進行采樣，每個樣地選擇3個取樣點，每個取樣點隨機選取7個點，取樣深度為0—20 cm，20—30 cm，30—50 cm，將樣品放入自封袋帶回實驗室進行相關指標的測定。

1.3 測定指標及方法

土壤粒度測量使用英國Malvern公司生產的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀(以體積分數計)測定0—20 cm土層粒度，儀器測量范圍0.01～3 500 μm，土壤粒徑按照美國制土壤粒徑分級標準進行劃分[18]：黏粒(<2 μm)、粉粒(2～<50 μm)、極細砂(50～<100 μm)、細砂(100～<250 μm)、中砂(250～<500 μm)、粗砂(500～<1 000 μm)，測定0—20 cm，20—30 cm，30—50 cm土層有機碳含量，采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法。

數據處理與作圖采用Excel軟件；GRADISTAT粒度處理軟件；SAS統計軟件。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤粒度組成和參數特征

由各樣地0—20 cm土層粒度組成特征可以看出(表1)，各樣地表現出以粉粒和砂粒為主，苜蓿樣地和燕麥樣地以砂粒為主，體積百分含量分別為78.24%和69.56%，其他3個樣地以粉粒和砂粒為主，圍封草地粉粒體積百分含量為58.75%，砂粒體積百分含量為41.06%，輕度鹽堿化樣地粉粒體積百分含量為47.20%，砂粒體積百分含量為52.73%，重度鹽堿化樣地粉粒體積百分含量為50.96%，砂粒體積百分含量為48.61%。通過對砂粒進一步分析發現苜蓿樣地和燕麥樣地砂粒主要以極細砂、細砂和中砂組成，圍封草地、輕度、重度鹽堿化樣地以極細砂和細砂為主，中砂、粗砂粒徑含量加和不足5%。不同樣地相同粒徑含量之間存在顯著差異，各樣地黏粒含量均不足1%，苜蓿樣地和燕麥樣地黏、粉、極細砂含量顯著低于其他3個樣地，細砂、中砂含量顯著高于其他3個樣地，輕度鹽堿化樣地比其他樣地具有較高的粗砂含量，但含量極其少。

燕麥和苜蓿樣地細砂和中砂體積百分含量比其他樣地明顯高是與苜蓿和燕麥是在半固定的流動沙丘上種植有密切的關系，其基底組分為砂粒。從各類樣地中值粒徑來看，燕麥和苜蓿樣地相比其他樣地顯著較高，由于開墾的作用，苜蓿樣地和燕麥樣地相比其他3個樣地具有更高的峰值。

表1 各樣地0-20 cm土壤粒度組成和參數特征

注：土壤顆粒組成單位為%； 不同小寫字母表示各樣地相同粒徑間顯著差異(p<0.05)。M為半固定沙丘地進行人工種植的多年生豆科植物苜蓿樣地； A為一年生禾本植物燕麥樣地。

累積頻率分布曲線可以反映土壤顆粒的分布情況，一般曲線越陡峻，顆粒分布越均勻[12]。通過分析5種樣地0—20 cm土壤粒度累積頻率曲線可知(圖1)，圍封草地和重度鹽堿化樣地均勻度較好，各樣地累積頻率曲線在10～100 μm之間變化最大，表示各樣地土壤顆粒粒徑在此范圍內最集中。不同土地利用方式下各樣地土壤粒度累積頻率平均距離在100 μm處出現一個明顯的變化，也就是說平均距離最大值在100 μm處，說明在100 μm處各樣地顆粒粒徑差異較大，100 μm處土壤顆粒含量最易受到自然以及人為條件的干擾影響。

由不同草地利用方式下土壤粒度頻率分布曲線可以看出(圖2)，5個樣地粒徑分布存在一定的差異，各樣地在10 μm處左右出現第一個波峰，第二個波峰在100 μm前后，其中苜蓿樣地在100 μm左右處波峰最為明顯，其次為燕麥樣地，且波峰均在100 μm之后，說明燕麥和苜蓿樣地比其他樣地土壤粗顆粒分配較多，此結果與前面的分析一致。

圖1 各樣地0-20 cm土壤粒度累計頻率曲線及其差異

圖2 各樣地0-20 cm土壤粒度頻率曲線

2.2 土壤顆粒粗化與有機碳動態

土壤顆粒粗化主要是由風蝕引起的土壤細顆粒的遷移和損失。由各樣地0—20 cm小于100 μm土壤粒度組分分配可以看出(圖3)，圍封草地、輕度和重度鹽堿化樣地<100 μm土壤顆粒含量處于較高的水平，苜蓿樣地和燕麥樣地粒徑小于100 μm土壤粒度含量明顯小于其他樣地，圍封草地相比小于100 μm粒度含量最少的苜蓿樣地多出44.46%，比燕麥樣地多出40.23%，說明收割過程破壞了土壤表層，因此地表松散的土壤侵蝕程度較嚴重，燕麥和苜蓿樣地在細顆粒分配比例上出現差異性是與收割次數有著一定的關系，一年中苜蓿比燕麥多收割一次所以在小于100 μm顆粒分配比例上明顯小于苜蓿樣地，收割次數越多對土壤表層的破壞越大。為了解研究區有機碳和粒度的相關性，用小于100 μm土壤粒度組分含量與土壤有機碳含量繪制了散點圖(圖4)，進行相關性擬合發現二者具有線型相關，相關系數為0.800 7，且土壤中小于100 μm 顆粒組分每被吹蝕1%，其有機碳含量將損失0.120 4 g/kg。

圖3 各樣地0-20 cm小于100 μm土壤粒度組分分配

2.3 各樣地土壤有機碳含量的垂直變化

從各樣地土壤有機碳含量垂直變化可以看出(圖5)，隨著土層的加深有機碳含量逐漸變小，燕麥樣地各層有機碳含量在各樣地中表現出最高，這種現象與燕麥的生長特點和根系分布有著密切的聯系，前人的研究表明種植苜蓿固氮的同時也能提高土壤有機碳含量[19]，與外援物質也有著一定的聯系，而苜蓿樣地有機碳含量表現出比圍封草地和輕度鹽堿化樣地低與收割次數有著一定的關系，收割次數多會直接破壞土壤表層結構，細顆粒的減少將會大大降低有機碳含量，燕麥地有機碳含量高這種現象與陶貞等[20]在高寒草甸土壤有機碳含量分布的研究結果一致，雖然翻耕種植燕麥和苜蓿在一定程度上導致土壤沙化，但能有效的提高土壤的有機碳含量，土壤有機碳的恢復和積累是一個較為緩慢的過程，輕度鹽堿化樣地表層少量枯枝落葉的分解使機碳含量在各樣地中處在較高的階段，而隨著水土流失嚴重，地面裸露，植物根系不發達重度鹽堿化樣地有機碳含量在各樣地中表現出最低，且各樣地有機碳含量有土層深度呈對數擬合關系。

圖4 小于100 μm土壤粒度組分含量與有機碳含量相關關系

圖5 各樣地土壤有機碳含量垂直變化

3 討 論

受氣候干旱、沙漠化過程活躍，加之過度放牧和人類活動，湖淖和低洼甸子地的蒸發作用等各方面的因素使科爾沁沙質草甸土形成了不同程度的鹽堿化、沙化草地[21-22，17]。本研究通過分析不同土地利用方式下土壤粒度組成和有機碳含量發現，無植被覆蓋的重度鹽堿化樣地粉粒分配比例僅次于圍封草地，但有機碳含量明顯低于圍封草地和其他樣地，輕度鹽堿化樣地和以粉粒和砂粒為主，有機碳含量次于圍封草地，圍封草地有機碳含量次于燕麥和輕度鹽堿化樣地，而人工種植的燕麥樣地雖以砂粒為主，但有機碳含量在各樣地中表現出最高，因此，不同土地利用方式對土壤粒度組成、分布特征、有機碳含量影響均是不同的。

研究區輕度和重度鹽堿化樣地表現出粉粒含量多一方面是因為堿土中存在大量的鈉離子導致土壤表層表現出較強的黏結、黏著和可塑性，外加氣候干旱水分蒸發量大土壤表層形成光滑堅實的地表，使地表組分運移能力明顯的減少，雖然鹽堿地土壤理化性質惡劣不能生長植物但是堅實的光滑地表這一特征在一定程度上減少了土壤細顆粒的風蝕；另一方面堿土中的堿化層有利于細顆粒的聚集[23]，但鹽堿地的抗風蝕能力遠低于圍封草地土壤形成的生物結皮，雖然有堅實的地表和堿化層的保護，加之人類和畜牧活動，地面的保護層終會被破壞，并且流域內坨甸相間，地下水位較淺，在干旱多風的氣候下依舊能成為沙化的物源[24]。根據前人對扎魯特旗荒漠化土地調查可知[17]，烏力吉木倫河流域地區鹽堿化土地分布較廣，湖淖周圍和低洼的甸子地因蒸發作用致使鹽分在土壤表層積累使鹽堿化更加嚴重，再加上風力和降水直接作用于裸地地表又加劇了土壤沙化和風蝕[25-26]，鹽堿地細顆粒多但有機碳含量較低，這與前人[27-28]研究的細顆粒含量較多的土壤有機碳含量也相應較高，其物理性質和結構也相對穩定的結果有著一定的差異，因鹽堿地成土過程復雜雖細顆粒含量多，但因惡劣的理化性質有機碳含量極其低，兩者的關系較為復雜，有待長期深入研究。研究區圍封草地黏粒、粉粒、極細砂含量加和達到81.44%，其中粉粒含量在各樣地均表現出最高且存在顯著性差異，且有機碳含量比重度鹽堿化樣地高出很多，由此可知，圍封后植被在相對穩定的環境中得以恢復，植被覆蓋度的提高能有效降低群落中地表風速，保存大氣過程所攜帶的粉塵[29]，土壤當中粗顆粒逐漸向細小顆粒轉化，因此土壤中細小顆粒物逐漸積累含量較多，這與張曉娜等[28]在不同植被覆蓋下土壤粒度組成與養分特征研究的結果相似，說明圍封措施對控制土壤沙化、增加土壤抗蝕能力、改善土壤肥力等方面均起到顯著的作用[30]，圍封措施在干旱半干旱區域也是最為推薦的兩種碳截存方式之一，Grandy等[31]認為，在短時期內退化草地恢復的土壤碳截存效應在表層最為顯著。而人工種植的苜蓿和燕麥樣地與圍封草地和鹽堿化樣地相反，以砂粒含量為主，且砂粒含量中以極細砂為主，原因在于翻耕之后土壤脆弱的表層結構遭到破壞，疏松了表土層，使土壤實際抗蝕穩定性降低，細小顆粒物易被風搬運[32]，燕麥樣地雖以砂粒為主但有機碳含量在各樣地中表現出最高，苜蓿樣地僅次于輕度鹽堿化樣地、燕麥樣地，與圍封草地不相上下，雖然翻耕及多次收割對土壤表層造成一定的破壞，但有機碳含量的高低與燕麥和苜蓿自身的根系和生長特點有著極其重要的聯系，所以不同的植被分布特點及覆蓋度與土壤微環境的形成有著緊密的關系，影響也是多方面的[25]。

有研究表明100～150 μm處顆粒最易被搬運[33]，本試驗中各類樣地土壤粒度累積頻率平均距離最大值出現在100 μm 左右，也就是說100 μm處顆粒最易被搬運，從古地質環境來看，烏力吉木倫河流域處在泥盆系和石炭二疊系砂頁巖上，河谷中多為黃土狀沉積物以及沖洪積物，東亞季風氣候尾閭區，四季分明，春季干旱多風又是農牧交錯的敏感區域[34，17]，在這樣的基質下下伏沙質沉積物和粗顆粒更容易發生運移，因此各類樣地粒徑在100 μm 左右變化較大。通過試驗發現有機碳含量與各粒級含量具有顯著相關性，相關系數達到0.800 4，且土壤中小于100 μm 顆粒組分每被吹蝕1%，其有機碳含量將損失0.120 4 g/kg，細顆粒的比表面積越大，越有利于有機碳的吸附和富集，也可以解釋為小粒級有助于土壤養分離子的吸附和保存，即土壤顆粒越粗土壤有機碳含量越少，有機碳含量較高的土壤，其理化性質和結構也相對穩定[35]。

4 結 論

(1) 科爾沁沙地5種草地利用方式下表層粒度分布特征和各層有機碳含量均存在顯著差異，各樣地中圍封草地對控制土壤侵蝕、保存和提高有機碳含量起到明顯的作用，說明不同土地利用方式對土壤粒度及有機碳含量的影響均是不同的，使土壤結構及有機碳含量發生一定的變化。

(2) 科爾沁沙地5種草地利用方式下圍封草地、輕度、重度鹽堿化樣地表現出細顆粒含量較多，苜蓿和燕麥樣地粗顆粒含量較多，但燕麥樣地有機碳含量在各樣地中表現出最高，粒度參數特征顯示苜蓿和燕麥樣地相比其他3個樣地中值粒徑最大，峰值最高，說明開墾在一定程度上促使了土壤風蝕，但在流動和半固定沙丘上適當的種植禾本植物會提高土壤有機碳含量。

(3) 科爾沁沙地5種草地利用方式下土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示粒徑在100 μm 左右顆粒為易受侵蝕顆粒。

(4) 科爾沁沙地5種草地利用方式下有機碳含量均隨土層深度變小，放牧是土壤風蝕的首要因素，退化的重度鹽堿化樣地有機碳含量最低，燕麥樣地有機碳含量表現出最高，開墾促使了土壤風蝕，開墾地相比天然草地表現出明顯的風蝕特征，多種因素而導致退化的鹽堿化樣地細小顆粒雖多但有機碳含量及其少，而適當種植牧草能促進有機碳的積累，有助于土壤有機碳的恢復和截存，因此，在丘間平地分布的鹽堿化草甸土地，根據實際情況結合圍封措施種植混播豆科和禾本科牧草能有效提高有機碳含量和防止土壤侵蝕。