張芮嘉，龍 建，蔣 偉，梁玉祥

（四川大學(xué) 化工學(xué)院，四川 成都 610065）

由于不合理的人類活動(dòng)造成的土壤退化問題嚴(yán)重威脅著人民的生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。我國土壤退化面積逐年增加，草地退化面積占到很大的比例。我國草地退化始于20世紀(jì)60年代以后，最早出現(xiàn)草地退化的地區(qū)是人口相對較多的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)。到20世紀(jì)70年代中期，全國退化草地面積約占草地面積的15%，80年代中期增加到30%以上，90年代中期達(dá)到50%以上，到了21世紀(jì)初已增加到90%［1］，而且還以每年67×104km2的速度在繼續(xù)［2］。國家林業(yè)總局2011年發(fā)布的《中國荒漠化和沙化狀況公報(bào)》顯示，截至2009年底，我國荒漠化土地面積為262.37km2，沙化土地面積為173.11萬km2。與2004年相比，5年間荒漠化土地面積凈減少12 454km2，年均減少2 491km2，沙化土地面積凈減少8 587km2，年均減少1 717km2［3］，草地生態(tài)環(huán)境形勢十分嚴(yán)峻［4］。

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是一個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。草地面積的減少和退化速度的加劇使得草地生產(chǎn)能力顯著下降，嚴(yán)重阻礙了牧區(qū)畜牧業(yè)和社會(huì)的發(fā)展。根據(jù)草原生態(tài)的三種分級方法［5］，在我們的研究中，將若爾蓋地區(qū)的草地按草地蓋度分：蓋度大于80%為普通草地，蓋度在50%～20%為半沙化草地，蓋度低于20%為全沙化草地。從草地外觀分類后，研究草地土壤參數(shù)，探索其退化機(jī)制。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋地區(qū)位于青藏高原東北部，地理坐標(biāo)為E 102°10′～103°55′，N 32°20′～34°05′，是黃河源頭與長江上游、嘉陵江的分水嶺，海拔3 450～3 600m，屬高原亞寒帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，長冬無夏春秋相連，土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土，是我國優(yōu)質(zhì)的高原牧區(qū)，享有“高原之腎”的美譽(yù)［6］。然而近50年來，由于各種自然因素和人為因素的影響，若爾蓋地區(qū)正沿著“濕地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”這條生態(tài)惡化的路子越演越烈［7］。草原沙化面積大幅度擴(kuò)大，沙化程度也不斷加劇。1966年該區(qū)域內(nèi)原有沙地1 248.4hm2，沙化草地7 767.8hm2，2000 年 草 地 沙 化 面 積 增 加 了307.7%［8］，沙化遞增率達(dá)4.22%，每年草地沙化面積擴(kuò)大816hm2。該地區(qū)嚴(yán)重的沙化面積導(dǎo)致下墊面的蒸發(fā)過程發(fā)生變化，這一變化對降水、環(huán)流形式及大氣溫、濕狀態(tài)都有著顯著的影響［9］。該地區(qū)形成了典型的全沙化草地、半沙化草地、普通草地3種典型地貌，為研究“濕地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”的退化路徑提供了現(xiàn)場條件。

1.2 研究方法

2008年對若爾蓋地區(qū)的草地進(jìn)行分類取樣，包括普通草地、半沙化草地、全沙化草地。普通草地距離濕地112m，主要植被為四川蒿草，雜草較少，蓋度大于80%，土壤含水量較高、理化性質(zhì)良好；半沙化草地距離普通草地448m，主要植被為小蒿草，雜草較多，蓋度在20%～50%，土壤含水量低于15%，沙含量高于草地，而理化性質(zhì)遭到破壞；全沙化草地為遠(yuǎn)離普通草地的一片沙地，面積較大，主要植被為雜草和有毒草，蓋度低于20%，地面生物量很少，土壤含水量低于5%，沙含量遠(yuǎn)高于草地，達(dá)到98%，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)惡化，營養(yǎng)物質(zhì)嚴(yán)重流失。

以普通草地為對照在不同退化草地用土鉆隨機(jī)取0、10、20、30、40、50、60cm土層土壤，3次重復(fù)，將同一樣地同一土層的3個(gè)土樣混合一起編號，于實(shí)驗(yàn)室測定土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、腐殖酸的含量以及土壤水分含量、沙含量，分別從縱向和橫向上來比較其養(yǎng)分流失的情況。

測定方法：沙含量用篩分法；水分含量用重量法；全氮用半微量凱氏法；全磷用HClO4－H2SO4法；全鉀用NaOH熔融－火焰光度法；有機(jī)質(zhì)用K2Cr2O7容量法；腐殖酸用酸析法。

沙含量是指樣品中粒徑≤0.178mm的土壤顆粒含量。測定時(shí)取一定質(zhì)量的樣品，用80目（孔徑0.178 mm）的篩子篩分樣品，得到粒徑≤0.178mm的土壤顆粒，稱量，計(jì)算其質(zhì)量百分含量。水分含量是指樣品中土壤水分含量。測定時(shí)取一定質(zhì)量的樣品于烘箱中，在100℃下烘干4h，取出稱量，計(jì)算水分的百分含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通草地，半沙化草地和全沙化草地養(yǎng)分含量的比較分析

2.1.1 全氮含量的變化 由于土壤退化，全沙化草地和半沙化草地的全氮含量都很低，最大值只有0.05%，而普通草地的全氮含量最大值是1.10%，是全沙化草地和半沙化草地的22倍，全氮流失率達(dá)到95.45%。普通草地土壤表層到土下30cm處值表明，土壤退化過程中，全氮含量的降低主要發(fā)生在這一范圍的土層，也是植被根系分布的主要區(qū)域。隨著土壤退化，N素流失相當(dāng)嚴(yán)重。草地的表層有機(jī)質(zhì)含量高，土壤中的N素主要以有機(jī)態(tài)的形式出現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量高，全氮含量相應(yīng)也高。而在半沙化地和完全沙化地的土壤中，有機(jī)質(zhì)的含量很低，所以N素含量也很少（圖1）。

圖1 不同草地0～60cm深度的土壤全氮含量動(dòng)態(tài)Fig.1 Changes of total nitrogen（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.2 全磷含量的變化 全沙化草地和半沙化草地的全磷含量在不同土層變化不大，整體在0.04%之間波動(dòng)。全磷含量的減小主要發(fā)生在土壤表層到土表下20cm處，隨著土層深度的增大，全磷含量趨于平衡（圖2）。在土壤退化過程中，土表以下10cm全磷含量的差值最大，全磷含量的流失率達(dá)到了59.10%。草地土壤中的磷元素主要是以有機(jī)態(tài)的形式存在，其含量變化和土壤中有機(jī)質(zhì)的含量成正相關(guān)，在土壤表層10cm處達(dá)到最高值。土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以在土壤粘粒以及 Al（OH）3、Fe（OH）3等礦質(zhì)沉淀的表面上形成膠膜，阻礙了磷酸根與礦質(zhì)成分的直接反應(yīng)，減弱這些礦質(zhì)沉淀對P的化學(xué)固定；同時(shí)，有機(jī)質(zhì)的分解過程中，產(chǎn)生酒石酸、草酸、蘋果酸等含羧基的多種有機(jī)酸，他們對Fe、Mg、Al等的絡(luò)合能力較強(qiáng)，能夠形成較為穩(wěn)定的有機(jī)絡(luò)合物，從而在這些金屬離子的磷酸鹽中將P釋放出；有機(jī)質(zhì)在微生物的幫助下產(chǎn)生的各類有機(jī)酸對礦質(zhì)巖石有不同程度的分解能力，有些能夠溶解Ca－P、Fe－P、Al－P、Mg－P等固態(tài)磷化合物，增加土壤中有效磷的含量［13］。而半沙化草地和全沙化草地的土壤磷元素含量基本保持不變，可能和土壤中有機(jī)質(zhì)含量過低相關(guān)，多以不溶性礦質(zhì)元素的形式存在。

圖2 不同草地0～60cm深度的土壤全磷含量動(dòng)態(tài)Fig.2 Changes of total phosphorus（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.3 全鉀含量的變化 普通草地、半沙化草地與全沙化草地的全鉀含量相差不大，平均值都在1.75%之間。但是在土壤表層以下10cm處，普通草地的全鉀含量達(dá)到最小值1.45%，可能是因?yàn)槿訒r(shí)間為5月，正值植株生長需要消耗大量鉀素的緣故。拋開此點(diǎn)看出，盡管普通草地、半沙化草地、全沙化草地鉀含量的變化隨土層的加深均沒有太大波動(dòng)，但從整體上看是普通草地＞半沙化地＞全沙化地，這正好和三者土壤中的有機(jī)質(zhì)含量呈非線性正相關(guān)。鉀元素和氮、磷不同，在土壤中的主要存在形態(tài)是無機(jī)態(tài)。土壤中的鉀包括礦物晶層中固定的緩效性鉀、難溶性的礦物態(tài)鉀以及被土壤膠體吸附的代換性鉀［13］。在微生物的參與下，有機(jī)質(zhì)能夠分解重新合成腐殖質(zhì)，他是一種特殊類型的有機(jī)高分子膠體，能夠有效地改善土壤顆粒的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，孔隙率大，通氣性好［10］。而且腐殖酸含量的增加，能夠有效提高與K＋的結(jié)合能力，增強(qiáng)對鉀的固定作用，減少水淋等對鉀造成的流失［11］（圖3）。

3.1.4 有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量的變化 普通草地的有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量在0～20cm遠(yuǎn)高于半沙化和全沙化草地，均在土壤表層以下10cm處達(dá)到各自的最高點(diǎn)（圖4，5）。全沙化草地的有機(jī)質(zhì)和腐殖酸的流失率分別為98.85%和98.36%，但含量稍高于半沙化草地，這可能是因?yàn)槿郴莸乇砻娴募?xì)砂粒在沙層表面形成一個(gè)保護(hù)層，使得20～40cm的沙層中還含有部分植物根系，在腐敗過程中產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)和腐殖酸。土壤中由各種腐殖質(zhì)組成的有機(jī)膠體的微粒很小，具有很大的比表面積，對養(yǎng)分具有很好的吸附保持能力；同時(shí)，土壤中腐殖酸含量高，能夠有效的增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，使土壤土質(zhì)疏松、孔隙率大、通氣性能好、滲透率高、持水能力強(qiáng)［12］。有機(jī)質(zhì)中的蛋白質(zhì)、氨基酸等有機(jī)物分解過后產(chǎn)生氨或銨鹽，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸與硝酸鹽，而核酸與磷脂等最終分解得到磷酸和磷酸鹽［13］。因此，有機(jī)質(zhì)含量高，是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好，固肥、導(dǎo)熱、持水等優(yōu)質(zhì)性能的前提。

圖3 不同草地0～60cm的土壤全鉀含量動(dòng)態(tài)Fig.3 Changes of total potassium（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

圖4 不同草地0～60cm的土層壤有機(jī)質(zhì)含量動(dòng)態(tài)Fig.4 Changes of organic matter（%）along with dept（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

圖5 不同草地0～60cm的土壤腐殖酸含量動(dòng)態(tài)Fig.5 Changes of humus（%）along with depth（cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.2 普通草地與全沙化草地沙含量和水分含量的比較分析

2.2.1 沙含量的變化 普通草地土壤0～15cm隨著土壤深度的增加，沙含量略有升高，最高點(diǎn)達(dá)到了95.90%，但15cm后隨著土壤深度的增加，沙含量逐漸降低；從整體上看，全沙化草地的沙含量隨土壤深度變大變化不大，基本保持在98%左右，遠(yuǎn)大于普通草地（圖6）。

圖6 不同草地0～60cm的土壤沙含量隨土層深度動(dòng)態(tài)Fig.6 Changes of sediment concentration（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

2.2.2 水分含量的變化 普通草地的濕含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全沙化草地。從整體上看，普通草地在土壤淺層0～30cm土壤濕含量高出全沙化草地10%以上。從總體上看，濕含量的變化與沙含量的變化呈負(fù)相關(guān)。

圖7 不同草地0～60cm的含量動(dòng)態(tài)Fig.7 Changes of moisture content（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

草地退化引起土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的變化［14］，土壤中有機(jī)質(zhì)與腐殖酸含量明顯偏低，缺乏有機(jī)膠體的粘合作用，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，沙含量增加，沙粒與沙粒之間無粘接，土壤中水分很難進(jìn)入沙粒內(nèi)部［15］。由于顆粒間空隙較大，沙粒外部的游離水分極易汽化，加上植被蓋度減小、多樣性降低，造成土壤表層水分蒸發(fā)過快。土壤養(yǎng)分含量的急劇下降和微生物生存條件的破壞使植物的生長受到限制。當(dāng)水分蒸發(fā)使地下水位下降至土壤根系層以下時(shí)，植被就會(huì)逐漸枯死［16］。植被蓋度降低甚至消失讓地表暴露于大氣中，增加太陽輻射［17］，加速風(fēng)蝕和水蝕，進(jìn)一步改變了地氣界面的傳熱關(guān)系，提高了水分蒸發(fā)量。當(dāng)氣候變化引起降水量減少時(shí)［18］，土壤更加缺水造成干旱，最終導(dǎo)致植被枯死和草地沙化。

3 討論與結(jié)論

（1）研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)草地退化時(shí)0～30cm土層N、有機(jī)質(zhì)和腐殖酸的流失為明顯，三者的流失率分別達(dá)到95.45%、98.85%、98.36%，土壤P、K含量降低，表現(xiàn)出明顯的沙化特征。

（2）隨著草地退化程度的加深，0～30cm土層土壤濕度不斷降低，從普通草地的35%下降到全沙化草地的5%以下，而沙含量不斷升高，全沙化草地達(dá)到98%，草地沙化從0～30cm土層開始，尤其是在20 cm，土壤水分含量和沙含量的變化使得該土層成為沙化敏感區(qū)。

（3）在不合理的人類活動(dòng)作用下，草地的土墑條件改變。草地退化使土壤粘粒減少，團(tuán)粒骨架坍塌、結(jié)構(gòu)惡化，加之風(fēng)蝕、水蝕等自然因素的影響，地表土壤顆粒粗質(zhì)化?？紫抖雀咔铱紫斗植季鶆虻膬?yōu)質(zhì)土壤逐漸退化為容重大孔隙度小且孔隙集中分布在較窄范圍內(nèi)的大孔隙的重砂土。毛細(xì)孔隙大量減少，在大氣蒸發(fā)力作用下，下層水分難以通過毛細(xì)作用補(bǔ)充到土壤表面，由于供水不足，蒸發(fā)面向地表以下推移，表層土壤干燥化。而土壤養(yǎng)分含量的急劇下降和微生物生存條件的破壞使植物的生長受到限制。當(dāng)水分蒸發(fā)使地下水位下降至土壤根系層以下時(shí)，植被就會(huì)逐漸枯死。植被的消失讓地表暴露于大氣中，不僅加速了風(fēng)蝕和水蝕，還進(jìn)一步改變了地氣界面的傳熱關(guān)系，提高水分蒸發(fā)量。當(dāng)降水量減少時(shí)，土壤更加缺水造成干旱，最終導(dǎo)致植被枯死和草地沙化。這是一個(gè)正向反饋過程，也是一個(gè)惡性循環(huán)過程。

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