近自然恢復狀態下荒漠草原不同群落表土粒度特征研究

王瑞東，高 永，黨曉宏,2*，蒙仲舉, 張 格，張 超，萬 芳

(1. 內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018； 2. 內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 鄂爾多斯 017400；3. 中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，內蒙古 蹬口 015200)

內蒙古希拉穆仁草原作為我國北方重要的草地生態系統，在氣候調節、水土保持、荒漠化防治等生態功能方面發揮著特殊的生態學意義，乃至在整個北方地區農牧交錯帶的經濟發展也發揮著重要的作用[1-2]。有研究表明，采取圍封措施在一定時間可以有效使已退化的草地恢復到一個近自然狀況[3]，以此改變近地表風蝕率及減少土壤風蝕量[4]。在長期圍封草地的過程中，草地群落的多樣性及結構的顯著變化會對小區域生態系統帶來重要的影響[5]。尤其在干旱區、半干旱區草地的恢復過程中，植被為適應其生長環境不斷進行自我調節，植被高度、蓋度、生物量會出現不同程度的波動變化[6-7]。草地生態系統由于自身的復雜性和長期過度放牧、旅游、開采等人類活動干擾和氣候波動，退化草地群落圍封后在恢復過程中出現正、負兩面性，負面影響指已退化的荒漠草原由原先分布均一、植被較繁茂的草地變得稀疏低矮，在長期風力侵蝕作用下，地表細顆粒物質被吹蝕，導致地表呈現粗粒化，地表土壤顆粒粒度分布發生明顯變化[8-9]。

地上植被與地下土壤存在密切的關系[10]，植被蓋度與土壤機械組成、含水量等呈正相關關系，在生態學領域屬于重點研究范圍[11-12]。土壤粒度特征能夠有效地表征土壤的機械組成狀況，土壤顆粒直徑大小直接影響著水分的運輸與傳導、蒸發及養分積累，很大程度上表征了土壤顆粒的運移特征，決定土壤抗風蝕性的強弱[13-15]，在土地荒漠化和風蝕程度研究中備受關注[16-17]。目前利用土壤顆粒機械組成的研究已經較為成熟，研究結果簡單準確，因此利用激光衍射法分析土壤顆粒機械組成能夠有效說明土壤粗粒化現象[18]。在長期進行圍封措施后草地達到近自然狀態時，通過對不同類型群落地表土壤顆粒粒度特征的研究，對揭示近自然狀態下草地表層風蝕特征有重要生態學意義。

基于此，本文以內蒙古陰山北麓中部的希拉穆仁荒漠草原圍封16年的蒙古韭(Alliummongolicum)、銀灰旋花(Convoloulusammannii)、克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschimensis)、洽草(Koeleriaglauca)、短花針茅(Stipabrevii))6種類型群落表層土壤為研究對象，通過對不同類型群落地表0～2 cm土壤粒度參數的測定，分析退化草原在圍封后恢復到近自然狀態下不同群落植被蓋度的土壤風蝕粗?；町惣疤卣?，并對地表土壤易受風蝕顆粒分布頻率范圍進行判別，為該地區草原利用地表粗化程度進行評估和植被群落穩定、制定合理圍封等退化防治策略提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古高原中部地帶的南緣達爾罕茂明安聯合旗(簡稱達茂旗)南部希拉穆仁草原(111°13′39″ E，41°21′1″ N)，該區域屬低山丘陵類型，地形低緩起伏，平均海拔高度1 600 m。中溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年平均降水量為279.40 mm，主要集中在7—9月；全年多風，年均風速4.50 m·s-1，年大風日數為63 d，風沙天氣主要集中冬春兩季，以北風和西北風為主。試驗地風蝕和水蝕交替作用造成土壤板結和地表顆粒粗化，使希拉穆仁草原生態環境脆弱，該區域地帶性土壤主要以栗鈣土為主，土壤質地較粗糙，多為砂質壤土。希拉穆仁鎮地帶性植被建群種植物為克氏針茅，草地群落主要以羊草×克氏針茅為主，其他植物種有蒙古韭、銀灰旋花、洽草、短花針茅等多年生旱生草本植物，呈典型荒漠草原特征[16,19]。受當地過度放牧及旅游業等人為擾動活動的影響，該區域草地出現嚴重退化。試驗地在保證完全排除放牧和旅游等人為干擾后從2002年起進行圍封管理，至2018年已圍封16 年，圍封面積達133 hm2。

1.2 樣地布設與樣品采集

試驗于2018年8月中旬在希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持試驗中心圍封區域內進行。為了研究圍封區內不同群落草地在自然風蝕狀態下的特征[20]，選擇在坡向相同，地勢平坦，坡度在2.5°～3.5°圍封16年的草地，進行土壤和植被取樣。采樣區域東西長1.20 km，南北寬1.00 km，沿東西布設4條長度為300 m的樣線，每條樣線間隔50 m，根據優勢種變化情況及其他植物群落特征設置35個樣方，測量樣方內各種植物的蓋度、高度、頻度和地上生物量等指標。并利用指示種分析法[19]確定6種群落類型樣地，每類樣地內包含3～10個1 m×1 m正方形植物樣方。在取樣前一周天氣良好，無大風和降水，采樣時選取平整地面，在已確定的6塊不同植被類型樣地，將樣方內植物地上部分進行刈割，將地表枯落物等物質分裝于塑封袋內，帶回實驗室，80℃烘干至恒重，稱量其干重。土壤樣品的采集在相應進行植被取樣的位置，采用鐵鏟采集表層0～2 cm土樣，實驗室烘干處理后利用Mastersizer 3000 激光粒度分析儀分析其土壤機械組成狀況。

1.3 土壤粒徑參數模型

土壤樣品烘干處理后利用土壤篩去除直徑大于3.50 mm的粗物質顆粒和植物根系，稱取5.00 g置于燒杯中，加入45.00 mL蒸餾水充分浸沒樣品，滴入1～2滴濃度為30% H2O2溶液。靜置24 h后去除土壤中的有機質，待燒杯中無氣泡產時，進行加熱，使過剩的H2O2完全揮發反應。冷卻后加入純凈水的同時滴入1 ～2 mL濃度為10%的HCL溶液，溶解樣品中碳酸鹽物質，再次靜置24 h，測試樣品中的pH值，待樣品pH值呈中性后啟動激光粒度分析儀(Mastersizer3000型，英國)，攪拌均勻后取適量樣品于儀器中進行土壤粒度測定。利用分析儀器自帶軟件的用戶分級功能，依據美國制土壤粒徑分級標準[21]，將土壤樣品按粒徑劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、極細砂(0.05～0.10 mm)、細砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、極粗砂(1.00～2.00 mm)和砂石(>2.00 mm)，并輸出土壤顆粒累計體積分數為5%，95%，16%，84%，25%，75%，50% 所對應的土壤顆粒徑級后進行土壤粒度參數計算。

首先通過Udden～Wenworth粒級標準進行劃分粒級，之后轉換為利于計算的Ф值[22]，轉換公式為：

Φ=-log2d

(1)

式中：d為以mm計算的顆粒直徑。

粒度參數采用Foil-Ward的圖解法[23](平均粒徑d0、標準偏差б0、偏度SK與峰態Kg)進行相關計算。公式如下：

平均粒徑：

d0=(Ф16+Ф50+Ф84)

(2)

標準偏差：

(3)

偏度：

(4)

(5)

平均粒徑d0是表示土壤粒徑中各級含量的平均分布情況，是描述土壤顆粒運動規律重要指標和影響土力水力性質等重要的物理特性之一[24]。標準偏差б0表示土壤顆粒分布數據集的離散程度，標準偏差值越小偏離值離平均值越小，表明土壤顆粒分布越均勻，分選性越好，根據標準偏差б0標準劃分為7個分選級別[25]，分別表示為：б0≤ 0.35，分選性極好；0.35<б0≤ 0.50，分選性好；0.50<б0≤0.71，分選性較好；0.71<б0≤ 1.00，分選性中等；1.00<б0≤ 2.00，分選性較差；2.00<б0≤ 4.00，分選性差；б0>4.00，分選性極差。偏度SK又稱為偏態系數，表征土壤粒度頻率曲線相對于平均值的對稱程度，判斷土壤顆粒粒度的分布規律性，國家按其標準分為5個等級[26]，分別表示為：0.30≤SK<1.00，極正偏；0.10≤SK<0.30，正偏；-0.10≤SK<0.10，近于對稱；-0.30≤SK<-0.10，負偏；-1.00≤SK<-0.30，極負偏。峰態Kg反映土壤平均粒度頻率分布曲線在頂端尖峭或扁平的程度參數，對土壤顆粒頻率分布曲線峰形的寬窄陡緩進行定量衡量，計算過程中以正態分布曲線為基準，土壤顆粒頻率曲線一般用Ф95與Ф5之間粒度間距和Ф75與Ф25之間粒度間距表示，峰度值分別表示為：Kg≤0.67，很寬平；0.673.00，極尖窄[27]。

1.4 土壤粒度累積頻率間平均距離的計算

土壤粒度累積頻率分布間平均距離D與土壤粒度累積頻率曲線共同反映不同群落類型間土壤質地的顆粒差異及變化分布情況，判別研究區地表顆粒向粗粒化方向發展狀況[28]。

土壤粒度累積體積頻率分布平均距離：

(6)

2 結果與分析

2.1 不同群落類型土壤粒度組成特征

由表2可知，蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅、羊草、洽草、短花針茅6種類型群落土壤粒度組成中均以砂粒和粉粒為主，砂粒平均體積百分含量分別為70.63%，63.94%，37.29%，75.97%，42.72%，41.75%；其中，克氏針茅地表極細砂平均含量顯著高于他5種群落(P<0.05)。粉粒平均百分含量除蒙古韭、銀灰旋花、羊草群落間基本無差異(P>0.05)，其他3種群落粉粒百分含量均在50%以上，克氏針茅群落粉粒平均百分含量最高，為62.65%，短花針茅次之，為55.67%，顯著高于其他4種群落(P<0.05)。蒙古韭、羊草黏粒平均百分含量為0，其余4種群落表層土壤黏粒平均含量均未超過1%，彼此間差異顯著(P<0.05)。克氏針茅群落表層礫石含量為0，其余5種群落表層土壤礫石平均百分含量均顯著升高(P<0.05)，但彼此間無差異(P>0.05)。

表2 不同群落表層土壤粒度組成

注：表中同列不同小寫字母表示各群落間差異顯著(P<0.05)

Note：The different lowercase letters at the same column in the table refer to significant differences (P<0.05)

2.2 不同群落表土粒度參數特征

由表3可知，6種群落表土粒度參數平均粒徑由大至小依次表現為羊草>蒙古韭>銀灰旋花>洽草>短花針茅>克氏針茅。標準偏差由大至小依次表現為洽草>短花針茅>羊草>蒙古韭>銀灰旋花>克氏針茅，即克氏針茅群落土壤分選性相比其他群落較差。偏度等級依次表現為正偏、近于對稱、負偏、近于對稱、極正偏、正偏,其中銀灰旋花、羊草群落表土頻率曲線形態對稱，其他4種群落表土頻率曲線形態不對稱，克氏針茅群落波峰偏向細顆粒一側，結合表2不同群落類型表土粒度組成分布情況，克氏針茅群落表土均以粉粒和砂粒中極細砂含量為主，細砂含量所占比例較少，且無中砂、粗砂、極粗砂、礫石存在，顆粒分布不對稱。蒙古韭、短花針茅、洽草群落波峰均表現為偏向較粗粒一側，顆粒以粗組分為主，其中洽草群落表土機械組成較蒙古韭、短花針茅群落較粗，土壤機械組成以砂粒為主，其中粗粒含量相對細砂、中砂含量較多，顆粒分布不對稱，整體偏向粗顆粒一側，粗化作用明顯。銀灰旋花、羊草群落在恢復過程中，表層土壤中細粒物質含量均比其他群落高，粗顆粒含量較少，進一步說明土壤顆粒組成狀況較復雜且表現出向均勻化的方向發展。

表3 不同群落表層土壤粒度參數

注：表中同列不同小寫字母表示各群落間差異顯著(P<0.05)

Note：The different lowercase letters at the same column in the table refer to significant differences (P<0.05)

蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅、羊草、洽草、短花針茅6種群落峰態分屬中等、中等、中等、寬平、寬平、尖窄，短花針茅群落土壤顆粒分布較集中，蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅3種群落土壤顆粒分布較羊草、洽草群落集中，結合表2不同群落表土粒度組成分布情況，克氏針茅群落粉粒為優勢顆粒這與其負偏一致，表明顆粒組成向細粒物質集中，而蒙古韭、銀灰旋花群落表現為向粗顆粒集中，砂粒含量比例較高，其偏度也表現為正偏與近于對稱。羊草、洽草群落表土峰態均表現為寬平，所占百分含量相對無占優勢的顆粒，分布較復雜，與其偏度相對應。

2.3 不同群落土壤顆粒頻率分布曲線

由圖1可以看出，6種不同群落間顆粒分布存在明顯差異?？耸厢樏┤郝洳ǚ遄顬槊黠@，呈單峰分布，其波峰出現在67 μm附近。其他5種群落均表現為雙峰或多峰分布，其中洽草、短花針茅群落波峰較為靠前，出現在20～40 μm附近，說明其表土顆粒主要為粉粒為主；而銀灰旋花、蒙古韭、羊草群落波峰出現在50～70 μm附近，砂粒中細砂物質含量較其他群落較低，且波峰高度隨地表粗粒的增大而降低。

圖2表示不同群落表土粒度累積頻率分布情況，一般曲線越陡峻，顆粒分布越均勻。分析各類型群落表層土壤的分布均勻程度發現，克氏針茅群落表土顆粒組成以細粒物質含量較多。短花針茅、洽草群落介于蒙古韭、銀灰旋花、羊草群落之間，其中，洽草群落表土粒度累計分布曲線開始時變化較陡峻，但約在163 μm后逐漸變緩慢，短花針茅群落表土累計分布曲線開始時變化較陡峻，但約在105 μm后開始變緩慢。6種群落均在100～300 μm范圍內斜率最大，說明各群落表土顆粒粒徑大部分集中在100～300 μm。

2.4 不同群落類型地表風蝕顆粒判別

蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅、羊草、洽草、短花針茅6種群落間距離很近，各群落表層土壤顆粒頻率分布曲線(圖1)表現出不同程度的差異，其波峰、波谷的出現呈現出趨勢相同的一致性，在同類型群落中土壤母質差別較小。不同群落土壤粒度累積頻率百分量反映出群落間顆粒差異變化情況，即定性描述顆粒在一定范圍內受到風蝕的影響。由圖2可知，各群落土壤粒度累積頻率間平均距離粒徑最大值出現在100～250 μm區間內，說明各群落整體顆粒粒徑在100～250 μm區域間較大，因此可認為研究區易風蝕顆粒范圍為100～250 μm。

圖2 土壤顆粒累計頻率曲線

3 討論

希拉穆仁草原屬于荒漠草原類型，干旱少雨，土壤結構干燥松散，地表植被覆蓋度低，易發生風蝕現象[31]。粒徑在土壤風蝕過程中承擔著重要控制作用，能夠定量描述土壤顆粒在風蝕過程中釋放、運移和沉降情況，最終影響風蝕強度[32]。而對于土壤退化的草地來講，采取圍封措施，可以通過植被的恢復增強土壤的保護作用，恢復土壤機理，從而抑制土壤風蝕，同時截取大氣中的降塵和養分含量較高的細顆粒物質[33]。

土壤粒度特征與風蝕強度的關系一直受到荒漠化防治學界的探討。相關研究表明，土壤風蝕與粒度存在密切關系，董治寶等[4]通過風洞試驗將土壤顆粒機械組成按其抗蝕性的差異劃分為：0.08～0.40 mm為易蝕顆粒，>0.05～0.08 mm和0.70～0.40 mm間為較難蝕顆粒，>0.70 mm和<0.05 mm為難蝕顆粒；由表2可以看出，蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅、羊草、洽草、短花針茅6種不同群落間土壤顆粒分布有相似之處也有明顯差異，表土粒度組成均以砂粒、粉粒為主，黏粒含量較低。其中砂粒含量在41.72%～75.97%，粉粒含量17.86%～62.65%。群落土壤粒度組成從細到粗依次表現為克氏針茅>短花針茅>洽草>銀灰旋花>蒙古韭>羊草，土壤呈現逐漸粗化方向發展。短花針茅、洽草群落的植被蓋度雖然不及克氏針茅群落，但能夠最大限度地降低近地表的氣流結構，利于大氣中細顆粒物質在地表聚集和分選，增加地表穩定性，減少土壤風蝕，可能是生物量和大量的枯落物導致地表覆蓋的短花針茅群落表層土壤中的細顆粒含量較高的原因。需要進一步說明的是，克氏針茅、短花針茅、洽草群落地表土壤中的粉粒和黏粒等細顆粒物質含量雖然較其他群落有所增加，但與其他地區的相關研究結果相比較還處于較低水平。植被近自然恢復16年后，植被恢復區表層機械組成仍然較粗，可能與該地區土壤質地結構本身較粗糙有關。結合表1發現，洽草、羊草群落的植被蓋度和地上生物量與克氏針茅群落相當或更高，導致克氏針茅群落下土壤更偏細的主要原因是：其一由于克氏針茅屬于多年生密叢型草本植物，旱生草原種，是典型草原的建群種之一，在當地蓋度較大且稈直立，植株高30～60 cm，且克氏針茅地上部分由多數分蘗形成密集的草叢，成簇生長，葉層高20～30 cm，生殖枝高50～60 cm，叢幅直徑通常為30～40 cm[34]。因此，克氏針茅群落與其他群落相比，其憑借自身植株蓋度和高度的優勢增大了地表粗糙度，降低地表上方氣流的吹蝕能力，抑制風蝕的發生，并較大程度有效地截攔近地表氣流中的細粒物質，導致地表土壤中顆粒細物質偏多，對表層土壤中的細顆粒起到了一定的存留作用[35]；第二個原因植物根系都有改善土壤理化性質的功能，在土壤風蝕方面增強土壤顆?？傮w粒徑，從而增強地表粗糙度，抑制地表氣流[36]；而克氏針茅是由多數分蘗形成密集的草叢，成簇生長，具有發達的根系，其發達的根系能有效改變土壤質地，形成寶貴的團粒結構將土壤中的較粗粒物質逐漸向砂壤質轉變，對細顆粒形成補給，使得樣地內顆粒組成保持在較細的水平上，提高土體的抗風蝕能力[36]。并且在取樣時還發現克氏針茅群落腐殖質層較薄，在20～30 cm土層下可見鈣積層，所以細顆粒物質與其他群落相比較較多。因此當地相關部門在實行圍封草場、禁止放牧等保護措施的同時可以考慮增加克氏針茅等建群種的植被蓋度和高度等，在保護地表土壤的同時降低地表粗顆粒含量。

由表2可知，克氏針茅群落表層土壤黏粒、粉粒、砂粒中極細砂的平均含量均高于其他群落。砂粒中細砂含量雖有所降低，各群落間存在顯著差異(P<0.05)。隨著顆粒徑級變大，除中砂含量顯著偏低外，顆粒更粗的粗砂、極粗砂等含量均無顯著變化。進一步對各群落表層土壤顆粒頻率分布曲線(圖2)分析可知，各類型植被土壤粒度累積頻率之間平均距離粒徑最大值出現在100～250 μm區間內，說明各類型草地整體差異在顆粒粒徑100～250 μm之間差異較大，因此可認為研究區易風蝕顆粒范圍在100～250 μm。各類型植被土壤粒度累積頻率之間平均距離最大值出現在111 μm處，一般研究指明土壤顆粒在100～150 μm范圍內風蝕顆粒運動活躍，運動方式主要以躍移為主[29-30]。李曉麗等[37]在裸露耕地土壤風蝕躍移顆粒分布特征的試驗研究中得出在陰山北麓發生躍移顆粒粒徑主要發生在75～200 μm，這一范圍與本研究結果一致，說明各群落間顆粒粒徑整體差異在111 μm左右較大，可能是由于該區域多年平均起沙風速達到6 m·s-1的次數有600余次，整體土壤粒徑偏向粗，所以本研究得出的風蝕顆粒范圍相對偏大。

綜合而言，蒙古韭、銀灰旋花、克氏針茅、羊草、洽草、短花針茅為優勢種的6種群落地表土壤粗粒化的原因，受到氣候、土壤母質等自然因素的影響，各群落的土壤風蝕情況雖有一定的改善，但相比之下近自然恢復狀態16年后改善半荒漠草原的土壤環境狀況還是比較緩慢的過程。因此，還需要堅持長期圍封，加強對脆弱生態系統的保護和管理，防止該地區土壤向粗?；较虬l展。

4 結論

希拉穆仁荒漠草原不同群落表層土壤粒度組成均以砂粒、粉粒為主，黏粒含量較低，其中粉粒含量在41.72%～75.97%，不同群落土壤粒度組成從細到粗依次表現為克氏針茅>短花針茅>洽草>銀灰旋花>蒙古韭>羊草。不同群落間偏度差異較明顯，可作為表土粒徑的有效粒度參數指標。

除克氏針茅群落呈單峰分布，其他群落均呈現雙峰或多峰分布，易風蝕顆粒范圍為100～250 μm。銀灰旋花、蒙古韭、羊草群落表層土壤粒度分布范圍較寬。當地應繼續堅持長期圍封，防止草原土壤向粗化方向發展。