楊梅煥，曹明明，朱志梅，邱海軍

(西北大學(xué)城市與資源學(xué)系，陜西西安710127)

沙漠化作為一個全球性環(huán)境問題日益引起人們的關(guān)注[1]。對沙漠化的研究，朱震達[2]指出，其研究和防治的重點應(yīng)著重放在兩種生態(tài)系統(tǒng)相毗連的“邊界”地區(qū)，即生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶的研究。毛烏素沙地東南緣位于我國北方農(nóng)牧交錯帶的西部，地質(zhì)上屬于典型的多層次過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國北方沙漠化最嚴重的地區(qū)之一。

沙漠化演變的一個基本特征就是土壤退化。國內(nèi)外學(xué)者[3-10]也對沙漠化過程中土壤理化性質(zhì)的變化進行了相關(guān)研究，物理特性方面主要分析了土壤顆粒粒徑、含水量、容重等方面的變化[3-6，9]，化學(xué)性質(zhì)方面主要集中于對土壤pH、電導(dǎo)率、土壤養(yǎng)分、全碳、有機質(zhì)、重金屬、含鹽量等方面的研究[3-4，7-8，10]，并得出一些相似的結(jié)論。對毛烏素沙地土壤特性的研究主要集中在土壤水分的時空變化方面[11-14]，而對其土壤理化性質(zhì)的研究鮮見報道。

因此，本研究對生態(tài)脆弱區(qū)毛烏素沙地東南緣不同沙漠化階段土壤顆粒組成、水分含量、容重等物理性狀和有機質(zhì)、有機碳、全氮含量等化學(xué)性質(zhì)進行分析，探討了沙漠化過程中土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律，揭示沙漠化過程中土壤各物質(zhì)含量之間的相互關(guān)系及其演變過程，以期為沙漠化地區(qū)土壤—植被系統(tǒng)的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇毛烏素沙地東南緣陜西省榆林地區(qū)沙質(zhì)草原地帶沙漠化程度明顯的區(qū)域為研究區(qū)，該區(qū)轄神木縣、榆陽區(qū)、橫山縣、靖邊縣和定邊縣 4縣1區(qū)，位于東經(jīng) 107°15＇—110°54′，北緯 36°49′—39°27′，海拔1 200～1 400 m，相對高度 10～50 m。

該區(qū)屬陜北風(fēng)沙灘地區(qū)，沙地占區(qū)域總面積的80%左右，其中流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘在沙地面積中各占約1/3。因緯度偏北，屬溫帶寒冷半干旱氣候，絕大部分地區(qū)年均溫小于8℃，一月均溫-11℃～8℃，7月均溫22℃～24℃，年內(nèi)≥10℃積溫為2 500℃～3 800℃。年降水量250～440 mm，其中7—9月集中了全年降水量的60%～75%。區(qū)內(nèi)土壤主要為淡栗鈣土、栗鈣土，丘間低地主要為草甸土，還有風(fēng)沙土、黑焦土等。沙生植被、草原、草甸、鹽生植被、鹽生草甸等群落類型均易見。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

采用植被動態(tài)學(xué)中群落的空間序列方法(空間代替時間法)，以一定的沙漠化空間梯度系列代表不同的演替階段，在結(jié)合野外調(diào)查和圖像資料的基礎(chǔ)上將沙漠化過程分為 5個階段:Ⅰ原生植被類型(植被蓋度＞35%)，Ⅱ潛在沙漠化階段(植被蓋度25%～35%)，Ⅲ輕度沙漠化階段(植被蓋度15%～25%)，Ⅳ中度沙漠化階段(植被蓋度5%～15%)，Ⅴ重度沙漠化階段(植被蓋度＜5%)。

2008年7月，在具有明顯沙漠化的區(qū)域神木縣、榆陽區(qū)和靖邊縣選取3個樣地，每個樣地基本包括5個沙漠化階段，每個階段隨機選取3個1 m×1 m的樣方。

2.2 土樣采集

在選取的每個樣方中按照0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm 深度分層取樣，用于土壤顆粒組成、水分含量、有機質(zhì)、有機碳和全氮含量等項目的測定，用環(huán)刀和土壤盒取土用于土壤容重的測定。

2.3 測定方法

土壤顆粒組成采用篩分與比重計相結(jié)合的方法測定[15];土壤含水量、容重采用烘干稱重法測定;土壤有機質(zhì)、有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定[15];土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定[15]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS軟件，對測定數(shù)據(jù)進行ANOVA和相關(guān)性分析，研究各理化性狀之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同沙漠化階段土壤理化性質(zhì)變化分析

3.1.1 土壤顆粒組成變化 土壤顆粒組成是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重要表征之一，而沙漠化的核心問題是土壤顆粒的粗大化[16]。研究區(qū)不同沙漠化階段表層(0—5 cm)土壤顆粒組成變化見表1，隨著沙漠化程度的加劇，土壤顆粒組成發(fā)生明顯變化，砂粒含量急劇增加，粉粒、黏粒含量趨于減少。這主要是由于沙漠化過程中植被覆蓋率越來越低，因而導(dǎo)致裸露的土壤表層細土因風(fēng)蝕而粗?；蛦瘟；率雇寥罊C械組成隨沙漠化發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。

表1 不同沙漠化階段土壤顆粒組成變化 %

3.1.2 土壤含水量、容重變化 水分在沙漠化及其植被演替過程中起著關(guān)鍵作用，特別是在干旱、半干旱地區(qū)，水分是土壤發(fā)育及植物生長最重要的控制因子。研究區(qū)土壤含水量變化如圖1，在沙漠化過程中表層土壤含水量趨于減少，由Ⅰ階段的1.522%降低為Ⅴ階段的0.270%，降幅達82.260%，這主要是由于隨著沙漠化程度加劇，地表裸露面越來越大，導(dǎo)致蒸發(fā)量也越來越大。在0—30 cm剖面中，各沙漠化階段土壤含水量不存在顯著差異(P＞0.05)，而含水量隨土層深度增加均表現(xiàn)出不同程度的增加，總體變化為沙漠化越嚴重區(qū)域隨深度的增加其含水量增長幅度越大，這主要是由于沙漠化區(qū)域土壤水分的下滲作用較強使得深層土壤含水量高于表層。另外，沙區(qū)植被越少，其地下根系的吸水量也越少，進而導(dǎo)致沙漠化嚴重區(qū)域深層土層的含水量較高。

圖1 不同沙漠化階段土壤含水量剖面變化

土壤容重綜合反映了土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況。土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多，反之，土粒密度大，表明土體比較緊實，結(jié)構(gòu)性差，孔隙少。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析顯示，各沙漠化階段土壤容重并不存在顯著差異(P＞0.05)。在每個階段，表層土壤容重總體偏低，隨深度增加土壤容重波動幅度漸大，并有隨土層深度增加而增加的趨勢，各階段之間容重的變異性隨深度變化而逐漸減小。

3.1.3 土壤有機質(zhì)、有機碳和全氮含量變化 土壤有機質(zhì)是土壤中含碳有機化合物的總稱，一般占固相總重量的10%以下，是土壤形成的主要標志，對土壤性質(zhì)有很大的影響。有機碳含量按照有機質(zhì)含量的58%計算，其變化趨勢與有機質(zhì)相同(圖2)。

圖2 不同沙漠化階段土壤有機質(zhì)變化

沙漠化過程中，土壤有機質(zhì)和有機碳含量下降，且階段間存在極顯著差異(P＜0.01)。各階段表層土壤有機質(zhì)及有機碳含量均最多，且差異最大，Ⅴ階段有機質(zhì)及有機碳含量僅為Ⅰ階段的36%，這是由于隨沙漠化程度加劇，地表植被減少，落葉、植物殘體等形成的腐殖質(zhì)越來越少而導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量降低;隨深度增加，有機質(zhì)及有機碳含量趨于減少，且10 cm以下各階段土壤有機質(zhì)含量變化較小。

氮素是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，土壤中的氮素含量直接表征了土壤為植物提供氮的潛能[3]。土壤全氮含量變化剖面如圖3所示，研究區(qū)沙漠化過程中表層土壤全氮含量急劇減少，且土壤全氮含量較其它沙漠化區(qū)域偏低[3，17];Ⅰ，Ⅱ階段變化幅度較大，其它各階段均無較大變化，各階段15 cm以下全氮含量基本不變;統(tǒng)計分析顯示，各沙漠化階段土壤全氮含量存在極顯著差異(P＜0.01)。

圖3 不同沙漠化階段土壤全氮變化

3.1.4 土壤C/N變化 土壤的C/N是衡量土壤C和N營養(yǎng)平衡狀況的指標，與土壤質(zhì)地、有機質(zhì)和養(yǎng)分存在密切關(guān)系[18]。

相關(guān)研究表明[3，7-8，18]，C/N 越小，土壤質(zhì)量越高，越能為植物生長提供所需養(yǎng)分。研究區(qū)沙漠化過程中C/N變化如表2所示，由表中可見，隨沙漠化程度的加劇，土壤C/N整體呈增加趨勢，這說明在沙漠化進程中土壤質(zhì)量逐漸減低，且N的衰竭速率要大于C，這意味著沙漠中植物的生長可能受缺N土壤環(huán)境限制;另外隨深度的增加土壤C/N呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其最高值出現(xiàn)在5～25 cm范圍內(nèi)，這主要是由于沙生植物根系吸收土壤中的 N導(dǎo)致其C/N較大。

表2 不同沙漠化階段C/N變化

3.2 土壤各理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

沙漠化過程總是伴隨著土壤顆粒、含水量、容重、有機質(zhì)、有機碳和全氮含量有規(guī)律的變化，集中體現(xiàn)在隨沙漠化程度的加劇，土壤砂粒含量、容重和C/N升高;含水量、有機質(zhì)、有機碳和全氮含量降低。而沙漠化土壤各理化性質(zhì)之間也存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系，如黏粒含量較多的土壤，其有機碳和全氮含量也相應(yīng)較高;有機質(zhì)含量較高的土壤其結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也相對穩(wěn)定[19]。

對研究區(qū)表層(0—5 cm)土壤理化性質(zhì)進行相關(guān)性分析(表3)發(fā)現(xiàn)，土壤容重和C/N與各指標存在負相關(guān)關(guān)系，其余各指標間均存在正相關(guān)關(guān)系;黏粒含量與含水量、容重、有機質(zhì)和全氮含量之間均存在顯著相關(guān)性，含水量與容重、有機質(zhì)和全氮含量也顯著相關(guān)，容重與有機質(zhì)和全氮含量之間以及有機質(zhì)與全氮含量之間存在極顯著相關(guān)性;C/N與各指標之間的相關(guān)性均不顯著。其中，有機質(zhì)與全氮之間的相關(guān)系數(shù)最大，達到0.993 5;容重與含水量容重、有機質(zhì)和全氮之間的相關(guān)系數(shù)均較大。

表3 土壤黏粒、含水量、容重、有機質(zhì)、N及C/N之間相關(guān)性分析

4 結(jié)論

(1)在沙漠化過程中，土壤物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)變首先是黏粒等細顆粒物質(zhì)受風(fēng)蝕作用而減少，砂粒等粗粒物質(zhì)增多。在毛烏素沙地東南緣整個沙漠化過程中，黏粒呈指數(shù)減少，砂粒呈線性增加。

(2)研究結(jié)果表明，沙漠化過程中，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。表層土壤含水量在整個過程中迅速降低，而隨土層深度的增加各階段土壤含水量呈上升趨勢，這主要與地表植被覆蓋和蒸發(fā)量有關(guān)。容重是土壤結(jié)構(gòu)的重要表征特征，在沙漠化過程中表層土壤容重逐漸提高，表明土壤肥力下降，質(zhì)量降低。

(3)土壤有機質(zhì)、有機碳和全氮是反映土壤質(zhì)量與土壤退化程度的有效表征指標。結(jié)果表明，沙漠化過程中，土壤有機質(zhì)、C和N含量都呈現(xiàn)出隨沙漠化程度的加劇和土層深度的加深而急劇降低的趨勢，這說明沙漠化導(dǎo)致土壤質(zhì)量嚴重退化;C/N的升高則表明在土壤質(zhì)量退化的過程中N的衰竭更快。

(4)相關(guān)性分析結(jié)果表明，該區(qū)土壤各理化性質(zhì)之間存在著密切的相關(guān)性。其中，容重與有機質(zhì)和全氮之間以及有機質(zhì)與全氮之間存在極顯著相關(guān)性;黏粒含量與含水量、容重、有機質(zhì)和全氮之間均存在顯著相關(guān)性，含水量與容重、有機質(zhì)和全氮也顯著相關(guān)。

(5)土壤理化性質(zhì)在沙漠化過程中發(fā)生了不同程度的變化，但有關(guān)不同沙漠化階段土壤演替及替變閾值的研究至今較少，對該區(qū)的后續(xù)研究中將進一步探討沙漠化的演替機制與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系。

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