鄱陽湖區風沙化過程中土壤理化性質的變化特征

王 農，彭 浪,，湯崇軍*，莫明浩，段 劍，劉士余

（1.江西省水利科學院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029；2. 江西農業大學 國土資源與環境學院，江西 南昌 330045）

土壤沙漠化是全球所面臨最嚴重的生態環境問題之一［1-2］，不僅在干旱及半干旱地區普遍存在，在濕潤及半濕潤地區也同樣存在土壤沙漠化現象。據國家林業和草原局第四次全國荒漠化和沙化監測統計，中國南方的濕潤沙化土地分布廣泛，面積達到0.88萬km2［3］，加上不合理的人類活動，嚴重威脅生態安全，影響人民的生產生活。當前，對于土壤沙漠化防治的研究多集中在干旱及半干旱地區［4-6］，對于濕潤及半濕潤地區的研究尚不足。濕潤及半濕潤地區的沙地物種組成及生境條件，與干旱及半干旱地區存在較大的差異。因此，研究濕潤及半濕潤地區風沙化過程中的土壤性質變化，對于風沙化土壤植被的恢復工作具有重要意義。

鄱陽湖區作為典型的濕潤及半濕潤地區，地處長江中游，在長江流域生態安全、社會穩定和經濟發展中都發揮著巨大作用［7］。但近代以來，由于受人口、經濟、資源和發展等多重壓力的影響，鄱陽湖區的生態嚴重退化，水土嚴重流失［8］。除水蝕外，風蝕現象在鄱陽湖濱湖地區也廣泛存在，不僅導致風蝕劣地的形成，還破壞植被、壓埋農田、毀壞耕地，導致人地矛盾日益突出，嚴重影響了鄱陽湖區的生態安全、糧食安全和社會安全［9］。相關調查表明，江西省主要風沙區的沙地面積為282.47 km2，主要分布于鄱陽湖濱湖地區和“五河”尾閭區，其中以都昌多寶沙山最為典型［10］。當前，對于鄱陽湖區沙地的研究主要集中于沙山形成、泥沙來源和植物多樣性等方面［11-13］，而對于土地風沙化過程中土壤理化性質變化的研究鮮見。鑒于此，本文以鄱陽湖區都昌縣多寶鄉風蝕區為研究區，采用空間代替時間的方法，以土地風沙化過程中固定沙丘、半流動沙丘、流動沙丘為研究對象，研究了土地風沙化過程中土壤理化性質的變化規律，以期為鄱陽湖濱湖地區的沙地植被恢復和土地風沙化防治提供科學參考依據。

1 研究區概況

江西省都昌縣多寶沙山位于鄱陽湖入江洪道右岸（116°3′～116°7′42″E, 29°21′22″～29°21′18″N），南北長10 km，東西寬2 km，海拔46.4～ 242.9 m，屬亞熱帶溫暖濕潤氣候，自然土壤以紅壤、黃棕壤為主，在風的作用下退化為風沙土，土壤結構松散，養分含量低，保水、保肥能力差。沙山氣溫較高，雨量充沛，年平均降雨量為1400～1900 mm，蒸發量為1774～1890 mm，平均氣溫17.4 ℃，最高氣溫42.0 ℃，最高地表溫度69.5 ℃，全年無霜期241～304 d，年均風速2.9～3.8 m/s，全年發生5級以上大風21 d。該區整個植被景觀為草本、灌木與喬木的鑲嵌體，地貌類型以固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘為主要特征［7］。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與取樣

采用空間代替時間的方法，對鄱陽湖區土地風沙化過程中土壤理化性質的變化規律進行研究。于2020年7月，在江西省都昌縣多寶鄉進行土壤采樣，根據植被覆蓋度的不同，按照土地風沙化過程劃分為固定沙丘、半流動沙丘、流動沙丘3種沙丘類型：固定沙丘，植被覆蓋度C＞30%；半流動沙丘，15%＜覆蓋度C＜30%；流動沙丘，覆蓋度C＜15%［14］。

在研究區內隨機選取24個樣地（表1），其中流動沙丘位于湖岸地帶，半流動沙丘及固定沙丘位于遠離湖岸的湖濱地帶。在3種類型沙丘樣地的坡頂、坡中、坡腳隨機布設3個樣方，樣方方位均設置在沙丘迎風坡（避免坡向差異影響），樣方面積均為1 m×1 m；記錄各樣方內的植物覆蓋度。采用S型取樣法進行多點取樣，每個樣方5點混合成1個樣品，并分別在0～10、10～20 cm土層深處取樣。

表1 不同類型沙丘樣地概況

為避免由于時間的不同對土壤含水率的影響，分別在固定沙丘、半流動沙丘及流動沙丘中每天采集相同的樣品數，采樣時間持續3 d，每天進行含水率的測定，土壤含水率取3 d土壤含水率的平均值。將所取土壤帶回室內進行物理性質及養分分析，采集樣品的檢測均采用常規分析方法，具體參照《土壤農業化學分析方法》［15］。

2.2 數據分析

多組試驗數據的平均值比較采用One-way ANOVA方法；采用SPSS 10.0軟件進行統計分析；采用Excel軟件進行數據處理和制圖。

3 結果與分析

3.1 風沙化過程中土壤物理性質的變化

3.1.1 土壤含水量 土壤水分在植物生長過程中扮演著重要的角色，其含量直接影響到植物的蒸騰作用和代謝［16］。在風沙化過程中，各類型沙丘樣地0～10、10～20 cm土層的土壤含水率均不相同（圖1），但其變化規律一致，含量大小依次為固定沙丘＞半流動沙丘＞流動沙丘，且不同樣地10～20 cm土層的土壤含水率均比0～10 cm土層的土壤含水率高。此外，在風沙化過程中，各沙丘樣地在0～10、10～20 cm土層的土壤含水率都較低，均不足10%，這在很大程度上限制了沙生植物的生長發育。

圖1 不同類型沙丘的土壤含水率

3.1.2 土壤容重及孔隙度 由圖2可知，各類沙丘樣地在0～10、10～20 cm土層的土壤容重均高于1.4g/cm3，且順序為：流動沙丘＞半流動沙丘＞固定沙丘；各樣地的土壤孔隙度的大小順序則相反。固定沙丘、半流動沙丘在0～10、10～20 cm土層的土壤容重均顯著低于流動沙丘，但前兩者之間的土壤容重不存在顯著性差異。對0～10、10～20 cm土層的土壤孔隙度而言，半流動沙丘、流動沙丘顯著低于固定沙丘，前兩者之間在0～10 cm的土壤孔隙度不存在顯著性差異，但在10～20 cm土層，流動沙丘顯著低于半流動沙丘。此外，各沙丘樣地0～10 cm土層的土壤容重均低于10～20 cm土層的土壤容重，而土壤孔隙度的表現則相反。

圖2 不同類型沙丘的土壤容重和土壤孔隙度

3.1.3 土壤機械組成 土壤機械組成即土壤質地，是指土壤中各級土粒含量的相對比例及其所表現的土壤砂黏性質［17］。通過Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀[購自荷蘭安米德(Ankersmid)有限公司]對風沙化過程中不同類型沙丘樣地0～10、10～20 cm土層的土壤機械組成進行測定。由表2可知，不同類型沙丘樣地在0～10、10～20 cm土層的土壤機械組成差異較大，土壤質地類型也不相同。在0～10 cm土層的土壤類別中，固定沙丘、半流動沙丘、流動沙丘分別為中砂土、中砂土、極重砂土；在10～20 cm土層的土壤分別為極重砂土、極重砂土、重砂土。因此，各類沙丘樣地的上層（0～10 cm）和下層（10～20 cm）的土壤質地均在中砂土以上，大部分質地表現為極重砂土，這表明湖濱帶的土地沙化情況較為嚴重。此外，流動沙丘、半流動沙丘、固定沙丘3類樣地的土壤質地沒有本質區別，質地分類均為砂質土。

表2 不同類型沙丘的土壤質地

3.2 風沙化過程中土壤化學性質的變化

土壤有機質是土壤的重要組成成分，也是植物生長所需的各種營養元素的重要來源。由圖3可知，各類沙丘樣地0～10、10～20 cm土層的土壤有機質含量從大到小依次為固定沙丘、半流動沙丘、流動沙丘，上層土壤（0～10 cm）的有機質含量高于下層土壤（10～20 cm）。各沙丘樣地的土壤有機質含量總體上較低，最高含量僅為1.2%左右，均屬于有機質極低的土壤類型。

圖3 風沙化過程中土壤有機質含量的變化

氮素是植物生長必需的營養元素之一，而土壤的全氮含量是衡量土壤供氮狀況的重要指標［18］。由圖4可知：各沙丘樣地的土壤全氮含量由固定沙丘到流動沙丘樣地依次降低；各沙丘樣地的上層土壤（0～10 cm）的全氮含量高于下層土壤（10～20 cm）。此外，在各類型沙丘樣地中，固定沙丘的土壤全氮含量為0.042%～0.047%，半流動沙丘土壤全氮含量為0.032%～0.038%，流動沙丘土壤全氮含量為0.025%～0.029%，這表明各沙丘樣地的土壤全氮含量總體處于偏低水平。

圖4 風沙化過程中土壤全氮含量的變化

磷是植物生長必需的營養元素，土壤全磷含量反映了土壤磷素潛在的供應能力。由圖5可知，樣地土壤的全磷含量最高，其次為半流動沙丘，流動沙丘最低，且土壤表層的全磷含量比深層的含量略高。在不同類型沙丘樣地土壤中，固定沙丘土壤全磷含量為0.1388～0.1457 g/kg，半流動沙丘土壤全磷含量為0.1204～0.1322 g/kg，流動沙丘土壤全磷含量為0.0901～0.0975 g/kg。因此，不同類型沙丘樣地土壤的全磷含量總體也處于偏低水平。

圖5 風沙化過程中土壤全磷含量的變化

4 討論

良好的土壤性能是健康生態系統的一個重要保障，土壤含水量、容重、孔隙度、機械組成均為土壤性能中的重要指標，其中土壤含水量是植物生長發育的重要影響因子［19］。本研究發現，從固定沙丘到流動沙丘，上層（0～10 cm）和下層（10～20 cm）土壤的容重均呈上升趨勢，而孔隙度、有機質和氮磷養分含量等指標均呈下降趨勢（表3），這與段爭虎等［20］的研究結果一致。由于鄱陽湖區在土地風沙化過程中，首先受風力的作用，較細土壤顆粒被吹失；其次，鄱陽湖區的年降雨量大，在降雨驅動下，土壤有機質和氮磷養分等也通過地表徑流和土壤侵蝕等途徑流失。在水力和風力的復合侵蝕下，沙地土壤退化嚴重，進而導致了植物覆蓋度和多樣性的下降。此外，在不同類型沙丘中，10～20 cm土層土壤的容重均高于0～10 cm土層的，而孔隙度、有機質和養分含量則均低于后者，這與楊梅煥等［21］的研究結果相似。這說明在風力和水力的復合侵蝕作用下，不同土壤層次間的理化性質也存在較大差異。在將來的研究中應加大采樣深度，系統研究不同層次土壤對水力—風力復合侵蝕的響應規律。

表3 半流動沙丘和流動沙丘土壤理化指標的降幅

鄱陽湖區地處亞熱帶濕潤區，多年平均降水量為1400～1900 mm，但由于沙地日照強、地表溫度高（最高地表溫度可達69.5 ℃）、地表蒸發強（年蒸發量1774～1890 mm），再加上沙地保水能力差，使得土壤含水率成為沙山植物生長的重要限制因子。植被不僅可通過對地表的覆蓋降低土壤水分的蒸發流失，提高土壤含水率［22］，還可通過根系在土壤中穿插固結土壤，提升土壤的保水能力［23］。本文認為不同類型沙丘土壤含水量的差異，一方面是由于在風沙化嚴重的半流動沙丘和流動沙丘中，泥沙粒徑較大，土壤水分下滲快，對降雨的截留效果較差；另一方面，在固定沙丘中，植被覆蓋有效改良了土壤，提高了降雨截留效果和土壤蓄水能力。這說明在風沙化過程中，沙地植被恢復對提升土壤含水量有明顯的作用。也有研究表明，植被本身的蒸騰作用也會損耗土壤水分，王力等［24］研究發現，與農地、荒草地相比，林地植被較高的蒸騰量會嚴重損耗土壤水分；龐敏等［25］研究也表明，植被由草被植物向喬木演替的過程中，土壤耗水量增加，土壤水分逐步降低。因此，在鄱陽湖區沙地植被恢復工作中，選擇合理的先鋒植物種類，并進行優化配置顯得尤為重要。

土壤理化性質的改良，有利于植被群落結構穩定和正向演替。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，3種類型沙丘樣地的土壤有機質含量仍處于缺乏甚至很缺乏的級別，而全氮和全磷的含量均處于極缺乏的級別（表4），這說明土壤有機質和養分仍然是該區域植被恢復的重要限制因素。由于沙地土壤本身不具備保水和保肥性，使得土壤養分容易因風力和水力的侵蝕而逐漸流失，導致植被難以存活。因此，對于鄱陽湖區的植被恢復和生態修復工作而言，對土壤水分、理化性質等立地條件的改良尤為重要。

表4 鄱陽湖濱沙土養分含量級別 %

5 結論

鄱陽湖區沙地在風沙化過程中，不同類型沙丘的土壤性質差異顯著。固定沙丘的土壤含水率、孔隙度、有機質、全氮和全磷含量均為最高，其次為半流動沙丘，流動沙丘最低；而土壤容重則以流動沙丘最大、其次為半流動沙丘、固定沙丘。鄱陽湖區沙地風沙化過程中，不同類型沙丘上層（0～10 cm）和下層（10～20 cm）土層土壤相比較，下層土壤的含水率、容重均高于上層土壤，而上層土壤的孔隙度、有機質、全氮、全磷含量均高于下層土壤。鄱陽湖區的沙地整體理化性質較差，不同類型沙丘樣地的土壤含水率、孔隙度、有機質、全氮、全磷含量均處于較低水平，且容重較高，土壤顆粒較大。