科爾沁沙地不同類型沙丘表土有機質與粒度特征差異分析

張桂華，劉洪妍，介冬梅,3,4，劉穎，蒙萌，王江永，高桂在,3,4，李德暉，李楠楠，牛洪昊，冷程程

1. 東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；2. 安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455000；3. 國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130024；4. 長白山地理過程與生態安全教育部重點實驗室，吉林 長春 130024

科爾沁沙地地處東北平原與內蒙古高原、半干旱與半濕潤、農業與牧業三大過渡帶的交匯處，屬典型的生態過渡帶。近一個世紀以來，伴隨著區域氣候暖干化、人口增長以及人類不合理的土地利用方式，沙地植被日益退化、生物多樣性減少、土地沙漠化日趨嚴重（岳喜元等，2018）。近年來，隨著一系列治沙防沙工程的啟動，科爾沁沙地整體上呈現生態恢復的逆轉趨勢，但處于生態恢復初期，系統尚不穩定，極易出現反復（趙學勇等，2006）。科爾沁沙地沙塵治理中仍然面臨著草地數量、質量有待提高的局面（趙學勇等，2009）。在退化植被恢復和重建的過程中，圍欄封育已成為退化土地恢復的重要措施之一，被世界各地廣泛采用（寶音陶格濤等，1997；楊曉暉等，2005）。目前，國內外已對封育方式（王明玖等，2001；侯瑞萍等，2004）、封育效果（Hiernaux，1998；何振磊等，2019；王常順等，2019；戴捷等，2020；趙文等，2020）等方面進行了大量的研究。張建鵬等（2017）以過度放牧后的沙漠化草地為對象，調查了禁牧圍封 13年后沙漠化草地土壤理化性質的變化特征，并分析了圍封對土壤固碳潛力的影響，研究發現，禁牧圍封可以有效促進土壤有機質、養分和微量元素的增加，影響土壤的機械組成及固碳潛力等的變化，但嚴重退化沙漠化草地的恢復需要一個長期的過程。王蕙等（2012）以不同封育管理的沙質草地為研究對象，研究了土壤理化性質和植被特征，并認為退化沙質草地在恢復過程中植被與土壤之間逐漸形成一個相互作用、相互影響的系統，天然封育配合人工撫育措施對沙質草地的影響和改善程度高于純天然封育措施。左萬慶等（2009）研究了圍欄封育措施對退化羊草草原植物群落特征的影響，結果表明圍欄封育對退化草原結構和功能的恢復存在不同步性，需要合理制定恢復時間。文海燕等（2005）在科爾沁沙地研究了開墾和封育年限對退化沙質草地土壤性狀的影響，研究發現，不同退化程度的沙質草地、不同的封育管理方式，對沙質草地生態系統的恢復和土壤理化性質的改善等有不同的效果。但是，關于圍封禁牧對沙地不同類型沙丘及同一沙丘不同部位土壤理化性質影響的研究還較少。

土壤有機質是土壤養分的主要來源和存在形式（Percival et al.，2000），其含量的多少是退化生態系統恢復程度的重要參考指標，表土粒度特征對于了解土壤風蝕、土壤肥力變化具有重要的參考價值（李占宏等，2009）。本文以科爾沁沙地不同固定程度的沙丘為研究對象，采用空間序列代替時間序列的方法，對比分析了不同類型沙丘表層的有機質含量和粒度的特征，研究了沙地土壤在地表植被恢復后土壤有機質含量和質地變化規律，旨在追蹤科爾沁沙地植被修復對土壤的影響，以期為不同類型沙丘植被修復提供治理方案。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區（圖 1）位于內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗境內，地處科爾沁沙地東南緣與松遼平原西部的連接帶。地理位置 121°30′—123°43′E，42°40′—43°41′N。該區屬溫帶大陸性半干旱季風氣候區，年均氣溫為6.4 ℃，全年≥10 ℃的有效積溫在 3000 ℃以上，無霜期約 150 d，年平均降水量364.4 mm，主要集中在6—8月，年蒸發量1972.8 mm，年平均風速 3.5 m·s?1，大風日數 20—60 d。

該區地勢西高東低，第四紀以來堆積了深厚的沖積、湖積細沙夾粘土層，屬堆積平原地形，地貌主要由壟狀沙丘、平緩沙地和帶狀平原組成。土壤類型有風沙土、草甸土、沼澤土和泥炭土等。其中，風沙土是科左后旗的主要土類，該土類結構松散，極易風蝕，養分含量低，保水保肥性能差（蘇永中等，2003）。研究區原生植被為沙地疏林草原，由于植被受到破壞，原生植被退化為不同發育階段的隱域型沙地植被，主要植被類型中優勢灌木為差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、黃柳（Salix gordejevii）和小葉錦雞（Caragana microphylla）；草本優勢植物包括糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、野生豆科（Leguminosae）、叉分蓼（Polygonum divaricatum）、狗尾草（Setaria viridis）、冷蒿（Artemisia frigida）和霧冰藜（Bassia dasyphylla）等。

1.2 采樣點設計

研究樣地選擇在內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗的沙質草地區（圖1）。在研究區內根據植被蓋度差異隨機選擇4種不同固定程度的沙丘（詳見表 1），并調查了每個沙丘圍封前的植被覆蓋狀況。采樣方法為：分別在每個選定沙丘的迎風坡和背風坡設置采樣點，從坡頂到坡底，以1 m為間隔（個別沙丘為1.5 m或2 m），用鐵鍬在表層0—5 cm處取樣500 g，同時記錄采樣部位的上覆植被蓋度，優勢植物種類等，共采集樣品589個。隨機選定11個沙丘，其中固定沙丘（以迎風坡和背風坡為不同樣點而編號1—5）、半固定沙丘（編號6—10）、半流動沙丘（編號11—16）分別為3個，流動沙丘（編號17—20）為2個，力求做到基于過程變化的點位特異性集成分析，并保證每類型的沙丘重復采樣 3個，以減少采樣及實驗過程中出現的誤差。在實驗室，待樣品自然風干后，過2 mm篩去除雜質（植物根系和其他凋落物等），一部分樣品用于有機質含量測定，另一部分用于粒度分析。

圖1 研究區位置及樣點分布圖Fig. 1 The study area and samples locations

表1 采樣點基本信息Table 1 General conditions of samples

1.3 實驗方法

1.3.1 有機質測定

目前測定土壤有機質含量的方法很多，本文采用燒失量（Loss on ignition，簡稱為LOI）法即灼燒法，是通過高溫煅燒使土壤或沉積物中的有機質氧化分解，根據煅燒后失去的質量來計算有機碳含量（錢寶等，2011；楊冰潔等，2015；胡彩莉等，2016）。朱廣偉等（2004）研究發現，在550 ℃高溫下灼燒測定的燒失量和有機質的含量比較接近，因此本文以燒失量代表土壤中的有機質含量，以燒失量的變化反映土壤中有機質的含量變化。

本文燒失量測試樣品589個，測定樣品中的有機質含量，具體步驟如下：（1）將容量為30 mL的素燒坩堝用鹽酸（1∶4）煮1—2 h，洗凈、烘干后稱質量（m1）；（2）考慮到樣品的有機質含量較低、煅燒質量變化較小，故增大樣品量，同時保證煅燒充分。取適量樣品（平均20 g左右）放入坩堝中；（3）將樣品放入烘箱中，105 ℃烘干24 h，取出放入干燥器冷卻后稱質量（m2）；（4）將烘干后的樣品放入溫度為550℃的馬弗爐中，6 h有機質完全分解后取出稱質量（m3）。

后期計算公式為：

其中，m1為坩堝的質量（g）；m2為105 ℃烘干后樣品和坩堝的質量（g）；m3為550 ℃灼燒后樣品和坩堝的質量（g）。因此，該式的計算結果代表樣品的燒失量，即有機質含量[ω(OM)]。

1.3.2 粒度分析測試

本文粒度分析樣品共 589個，選擇 Microtrac S3500激光粒度分析儀，激光粒度分析儀測量原理基于光的散射，樣品顆粒的大小可通過散射角的大小體現出來，并與散射角的大小成反比，通過對顆粒角向散射光強度的測量，即可獲得樣品的粒度分布，并通過所獲得的粒度參數和測試結果圖分析沉積物的物質來源和沉積環境。

樣品預處理及上機測試具體步驟為：（1）取1 g樣品放入離心管中，將濃度為36.5%的HCl加水稀釋，配成10%的稀鹽酸溶液，放置在清潔的燒杯中，并用滴管取約 5 mL的 HCl滴入到每個樣品中，以除去樣品中的鈣；（2）將裝有樣品的離心管放在燒杯中水浴加熱，加熱時間約1 h，當樣品全部分散至鹽酸當中，即可停止加熱，并將樣品取出放置在試管架上；（3）將樣品加蒸餾水至10 mL，離心，并將上層清液倒入廢液桶中，共離心3次；（4）取約5 mL雙氧水加入離心管中，搖晃，使得雙氧水與樣品充分接觸，并將樣品放置在燒杯中水浴加熱約2 h，以除有機質；（5）將離心管取出，加蒸餾水至10 mL，離心，并將上層清液倒入廢液桶中，共離心3次；（6）向離心管中滴加 0.05 mol·L?1六偏磷酸鈉溶液約5 mL，搖晃，使樣品與溶液充分接觸，偏磷酸鈉可以起到分散劑的作用，使得樣品充分混合、分散；（7）用超聲波清洗儀震蕩樣品約10 min，使樣品充分分散；（8）打開粒度分析儀并選擇型號：S3500；加水，搖勻；搖晃離心管，使樣品充分混合，并用滴管取少量樣品放入離心機中測試；漂洗，搖勻，依次進行下一個樣品的測量；當所有樣品測量完畢后，漂洗并排干，關閉粒度分析儀即可。

1.4 數據處理

利用獨立樣本T檢驗對固定、半固定、半流動和流動沙丘4種生境下的燒失量和平均粒徑進行差異顯著性分析（P＜0.05）。用單因素方差分析（ANOVA）對不同類型沙丘進行差異顯著性分析。用Tilla 1.6.7、CANOCO 4.5分別對有機質含量和粒度參數進行聚類分析、主成分分析。用Pearson相關分析計算地表植被、平均粒徑和燒失量的相關性。以上數據分析和圖表制作在Arcgis 10.3、SPSS 17.0和Origin 9.1軟件下完成。

2 結果與分析

2.1 不同類型沙丘表土有機質含量變化

由方差分析（表2）可知，不同類型沙丘的有機質含量通過了顯著性檢驗，即不同類型沙丘表土有機質差異明顯。另外，由實驗結果可知，固定沙丘的有機質含量最高，從半固定沙丘、半流動沙丘到流動沙丘的有機質含量依次降低。其次，對同一個沙丘而言，迎風坡的有機質含量比背風坡的有機質含量低，坡頂的有機質含量也明顯低于坡中和坡底。

表2 不同類型沙丘表層有機質含量[ω(OM)]的差異性分析Table 2 Difference analysis of ω(OM) on surface layer of the different types of dune

2.2 不同類型沙丘表土的粒度特征變化

粒度是指沉積物顆粒的大小，為方便作圖，顆粒直徑d由mm轉化為φ值，換算公式為φ= ?log2d。粒度參數一般包括中值粒徑（Mz）、分選系數（Si）、偏度（Si）和峰度（Kg）。由圖2可以看出，科爾沁沙地中值粒徑均以中砂和細砂為主。中值粒徑并不因沙丘類型的不同而發生變化，從坡頂至坡底，中值粒徑也表現較為均一，但是在同一個沙丘上，迎風坡的表土粒徑則較背風坡的偏粗。

根據福克和沃德（1957）分選性等級表，我們發現，大部分沙丘表土的分選程度為較好，同一沙丘迎風坡較背風坡分選更好。從坡頂到坡底，分選系數的曲線略有上揚，坡頂比坡底分選好。從同一沙丘分選系數的均值，可以看出從固定沙丘到流動沙丘，分選越來越好。大部分沙丘的偏態呈近對稱分布，或正偏。正偏是細偏，粒度集中于粗端部分。根據成都地質學院的《沉積巖粒度分析及其應用》可知，沙丘及風坪沙多為正偏，本文的結果與之一致，符合風成沉積物的粒度特征。對半流動沙丘和流動沙丘而言，同一沙丘迎風坡和背風坡的偏度差異明顯，背風坡的粒度相比于迎風坡，細粒部分偏多。而固定沙丘和半固定沙丘，該現象則不明顯。總體來看，同一沙丘從迎風坡到背風坡偏值變小，峰態變寬，迎風坡的粒度分布較為集中。

2.3 不同類型沙丘表土有機質含量與粒度參數的聚類分析

對11個沙丘的迎風坡和背風坡（共20個樣點）表土有機質含量[ω(OM)]與粒度參數（Mz、Si、Ski、Kg）的均值進行聚類分析（圖3），結果顯示樣點被劃分為五類，1—5號樣點為固定沙丘被劃分為第一類，6號樣點是半固定沙丘的背風坡，由于該樣點沒有迎風坡的采樣點，被劃分為第二類，7—13號樣點為半固定和半流動沙丘被劃分為第三類，14號樣點被單歸為第四類，該沙丘背風坡有機質含量偏高，沙粒偏細，15—16號半流動沙丘與17—20號樣點（流動沙丘）劃為第五類。該結果與依據植被蓋度劃分的結果相似，但對個別沙丘不符。

為了進一步定量刻畫沙丘固定程度與地表蓋度Cov（Coverage）、有機質含量和粒度參數之間的關系，本文利用植被蓋度、有機質含量和粒度參數組合進行主成分分析（圖4）。地表蓋度（Cov）、有機質含量[ω(OM)]和粒度參數（Mz、Si、Ski、Kg）主成分分析生成4個主成分因子，共解釋100%的變量信息，其中第二軸為最重要的排序軸（98%）。依植被蓋度而分的沙丘類型與樣點分布圖來看（圖4），固定沙丘、半固定沙丘以及部分沙丘的背風坡樣點多分布在第二軸的負方向象限，半流動沙丘、流動沙丘以及部分沙丘的迎風坡樣點（13、15、17、18、19、20號）多分布在第二軸的正方向象限。所以第二軸解釋的應是沙丘的固定程度，從負軸往正軸方向沙丘固定程度越來越低。其中植被蓋度、有機質含量、分選系數和中值粒徑對其影響較大。

3 討論

3.1 有機質與粒度的變化規律

圖2 不同類型沙丘表層有機質含量[ω(OM)]和中值粒徑值（Mz）的分布Fig. 2 Distribution of surface ω(OM) and the Mz of different types of dune

圖3 表土有機質含量[ω(OM)]與粒度參數（Mz，Si，Ski，Kg）的聚類分析Fig. 3 Cluster analysis of the ω(OM) and particle size parameters(Mz，Si，Ski，Kg)

沙丘的有機質含量相對偏高，對應的采樣點沙粒偏細，也就是說表土越細，越有利于有機質的積累。劉暢（2004）認為土壤機械組成與土壤全量養分是相關的，在土壤機械組成中，土壤粘粒含量高是有利于土壤有機質積累的主要因素之一。根據粒級界線（烏登-溫特沃思分類表）將沉積物劃分為礫、砂、粉砂和黏土4組，結合粒度測試結果，科爾沁沙地四類不同類型沙丘，砂所占的比例基本為100%。固定沙丘的土壤機械組成，以砂和粉砂為主，其中砂所占的比例遠遠大于粉砂所占的比例，平均在90%以上，粘粒含量幾乎為零，有機質含量普遍較低，這與前人的研究結果相一致（朱孟娜，2017）。

布日敦嘎查北側固定沙丘的背風坡，有機質含量的曲線大致可分為兩個部分，采樣點1—20號有機質含量均值約為 0.53%，21—39號均值約為1.36%，坡頂部分有機質含量少于坡底部分，可能與地形有關，曹櫻子（2012）研究表明，風蝕沉積過程中，因為坡頂比中破和坡底更陡、更容易受到風蝕，而坡中和坡底是接受坡頂風蝕土壤沉積的主要部位，因而土壤養分較坡頂高。

3.2 有機質、粒度變化與植被蓋度的關系

圖4 不同類型沙丘地表蓋度（Cov）、表土有機質含量[ω(OM)]和粒度參數（Mz，Si，Ski，Kg）的主成分分析圖Fig. 4 Principal component analysis (PCA) for distinguishing the Cov，ω(OM) and grain size parameters (Mz，Si，Ski，Kg)

通過聚類分析（圖 3）發現，依據地表蓋度與依據表土有機質含量和粒度參數劃分沙丘的固定程度的結果相似。由主成分析（圖 4）可以看出，植被蓋度、有機質含量兩個因素與沙丘固定的程度關系密切，植被蓋度對沙丘的固定程度影響最大。其中2號（固定沙丘的背風坡）、8號（半固定沙丘的背風坡）樣點，15、16號（半流動沙丘）樣點，有機質的含量比與之相近植被蓋度的沙丘的有機質含量的值低，這可能也是15、16號樣點依據植被蓋度劃分為半流動沙丘，而聚類分析（圖 3）的結果是與流動沙丘劃為第五類的原因。在沙地地區，地表植被是土壤有機質的重要來源（段利民，2011）。通過相關分析（表3）可知，有機質含量與地表植被覆蓋度（r=0.43）呈顯著線性相關，但相關系數的值并不高。結合前期的野外調查可知，科爾沁沙地近年來已實行禁牧圍封政策，2018年實行全年全域禁牧圍封政策，推測禁牧圍封使地表植被得到了恢復，但仍然保留了沙地曾經歷過活化或者植被覆蓋度較低的事實，土壤有機質的積累滯后于植被的恢復。

植被蓋度是影響沙丘固定程度的最重要因素，沙丘迎風坡比背風坡的顆粒粒徑偏粗，位于盛行風向的背風坡，植被覆蓋度較好，受到風的吹蝕作用小。弋雙文（2013）等研究指出，植被增多又加大了地面的粗糙度，減弱了近地面風速，使得沙粒粉塵更容易沉降，進而保持水土。由此可知沙粒的大小與地表遭受風蝕的程度有關，即與地表植被蓋度有關，而通過相關分析（表 3）可知，地表蓋度與不同類型沙丘的粒徑大小（r=0.163）關系極弱，不同類型沙丘對應的粒徑大小并無規律可循，推測不同固定程度沙丘的植被蓋度處于動態的變化過程中，流動沙丘可能是固定沙丘活化而來，固定沙丘也可能是流動沙丘植被恢復的結果。也可能是采樣沙丘先前不在圍封禁牧保護區內，由于放牧等人為因素，破壞了地表植被對沙丘土壤水土保持的作用。沙漠化治理的關鍵是植被的恢復，并且維持植被－土壤系統的良性循環，可知科爾沁沙地目前沙漠化治理道路還很漫長，須繼續堅持圍封禁牧，保護沙丘地表植被。

表3 地表蓋度、表土粒度和有機質含量間的相關關系Table 3 Correlation between Coverage，Mz and ω(OM)

目前，我們的地球有向暖演變的趨勢，如果未來氣候變化趨向暖干，沙漠環境又有沙化的風險，而不合理的開墾、過度放牧等人為活動是當前局地沙漠化的主要成因（徐志偉，2013）。該區地處典型的生態過渡帶，降水集中于夏季，年平均降水量360 mm，水分條件較好，圍封禁牧可以使沙丘表層的植被自然恢復。沙丘上的各種灌（草）叢起著顯著的防風固沙作用，然而在植被覆蓋沙丘后的很長時間內，仍處于土壤形成的初期階段，對沙丘生態系統穩定性的影響有限，須對生有植被的沙丘實施封育，采取人工措施為其提供便利條件（韓廣等，2011）。各種原因引起的土壤風蝕是造成沙漠化發展中土壤過程的主要動力因素（劉樹林，2008），本文的實驗結果發現流動沙丘、半流動沙丘迎風坡顆粒明顯較背風坡的偏粗，看出迎風坡的風蝕作用更強烈，坡頂比坡底更易受到風蝕，在恢復植被時可以流動、半流動沙丘迎風坡的坡頂部分為重點恢復區。

4 結論

（1）科爾沁沙地表土有機質含量較低，在 4種類型的沙丘上有機質含量呈顯著差異，同一沙丘迎風坡的有機質含量低于背風坡，坡頂的有機質含量低于坡中和坡底。粒度分析結果可以看出，科爾沁沙地中值粒徑組成以中砂和細砂為主，迎風坡的沙粒粒徑較背風坡的粗，分選較好，同一沙丘迎風坡較背風坡分選好，坡頂比坡底分選好。偏態多為近對稱分布或正偏態分布，從迎風坡到背風坡峰態變寬。

（2）表土有機質含量與地表植被蓋度顯著相關，固定沙丘的表土有機質含量最高，粒徑越細，粘粒含量高，有利于有機質的積累。而土壤有機質的積累慢于植被的恢復。而沙粒粒度的大小與植被蓋度關系極弱，推測沙地局地環境有可能在短時間內形成突變，也可能是沙地植被遭到破壞，降低了對表層的水土保持，沙漠化治理道路還很漫長，須繼續堅持圍封禁牧，保護地表植被，實現植被-土壤生態系統的良性循環。

（3）植被蓋度是影響沙丘固定程度最大的因素，圍封禁牧使地表的植被首先得以恢復，有機質的積累和土壤機械組成的改善，則依賴長時間的植被重建。流動沙丘、半流動沙丘迎風坡顆粒明顯較背風坡的偏粗，看出迎風坡的土壤風蝕作用更強烈，坡頂比坡底更易受到風蝕，在恢復植被時適當的采取人工措施，可以流動、半流動沙丘迎風坡的坡頂部分為重點恢復區。