劉 朔，陳天文，蔡凡隆，楊建勇，鄒 峽，朱子政

(1.四川林業(yè)調查規(guī)劃院，四川 成都 610081;2.四川省長江造林局涼山分局，四川 冕寧 615608)

引言

川西北位于四川省西部，地處青藏高原東南緣，包括四川省甘孜藏族自治州的全部18個縣，阿壩藏族羌族自治州的全部13個縣，共計31個縣，總面積23.7萬km2。2009年川西北沙化土地面積達82.19萬 hm2，占全省沙化土地的 89.9%［1］。1994 年至2009年間沙化總面積增加了28.1%，表明川西北草地呈嚴重沙化的趨勢，土地沙化已經嚴重影響區(qū)域生態(tài)安全和經濟可持續(xù)發(fā)展。

對川西北高寒沙區(qū)草地沙化進程中土壤物理性質變化的研究尚不多見，本研究以川西北高寒沙區(qū)典型沙化縣—理塘縣為例，以不同沙化程度高寒草地土壤物理性質的變化為研究重點，以揭示高寒草地沙化進程中土壤物理性質的變化規(guī)律，為川西北高寒沙區(qū)沙化草地的生態(tài)治理及恢復研究與實踐提供基礎數據。

1 研究區(qū)概況

理塘縣位于四川省西部、甘孜藏族自治州西南部，地處康南中心，地理位置為東經99°19'～100°56'，北緯 28°57'～30°43'。幅員面積14182 km2，其中草地面積占總面積58.9%，縣城海拔4014.187 m，素有“世界高城”之稱。

理塘縣氣候屬大陸性高原季風氣候，多年來平均降雨量718.9 mm，平均蒸發(fā)量767.8 mm，平均氣溫為3.5℃，1月平均氣溫為－6.7℃，7月平均氣溫為11℃，極端最高氣溫為25.6℃，極端最低氣溫為－30.6℃，≥0℃積溫3256℃，≥10℃的積溫2301.2℃，年平均風速為12 m·s－1，最大風速為25 m·s－1，多為東北風，年平均風日數24.3(≥8級)，平均風能密度7.6 w·m－2。

2 研究方法

2.1 沙化類型的確定

沙化土地技術指標依據《四川省沙化監(jiān)測技術操作細則》中的相關標準執(zhí)行［2］。具體劃分標準見表1。

表1 沙化類型劃分標準

2.2 土地樣品采集及測定方法

采用空間序列代替時間序列的研究方法［3］，2012年8月在理塘縣的高城鎮(zhèn)和奔戈鄉(xiāng)進行取樣，在不同沙化類型的草地上分別隨機布設20個10 m×10 m的樣方，在每個樣方的四角和中部共選設5個點，按0～20 c m和20 cm ～40 cm深度分層取樣，每個土層用環(huán)刀取原狀土，帶回室內測定容重、毛管孔隙度和總孔隙度，同時分層采集一定質量土樣(每層質量不小于1 kg)，帶回室內進行土壤粒徑等相關分析。土壤容重、孔隙度測定采用環(huán)刀法，土壤粒徑分析采用簡易比重計法［4］。

3 結果與分析

3.1 土壤機械組成的變化

土壤是由大小不同的土粒按不同的比例組合而成的，這些不同的粒級混合在一起表現(xiàn)出的土壤粗細狀況，稱土壤機械組成或土壤質地。土壤機械組成是土壤最基本的物理性質之一，也是影響土壤水肥狀況的關鍵因子［5，6］。

研究區(qū)高寒草地土壤機械組成整體較粗，土壤中砂粒含量比重很大，表明研究區(qū)土壤中有較多的沙物質，即本身存在沙化的物質條件。天然草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中平均砂粒(＞0.05 mm)含量分別為77.06%、75.29%，平均粘粒(＜0.02 mm)含量分別為12.03%、12.77%;而沙化草地在0～20 cm層深度中平均砂粒含量在82.11% ～92.13%之間，粘粒(＜0.02 mm)含量僅在4.14% ～8.52%之間;沙化草地在20 cm～40 cm層深度中平均砂粒含量在80.01%～92.55%之間，粘粒(＜0.02 mm)含量僅在4.23% ～9.54%之間。和北方相關沙區(qū)比較［7，8］，在0 ～20 cm 層，沙化草地砂粒含量(平均砂粒含量為82.11% ～92.13%)要普遍小于科爾沁沙地(平均砂粒含量為86.9% ～98.9%)和渾善達克沙地(根據研究王利兵的研究［8］，其半固定沙地表層平均砂粒含量達96.9%)。

隨沙化程度的加劇，0～20 cm層和20 cm～40 cm層總體呈現(xiàn)出砂粒含量逐步增加，而粘粒和粉粒(0.002 mm～0.05 mm)含量逐步下降的趨勢，見圖1，圖2，圖3。表明在高寒草地的沙化進程中隨著植被蓋度降低，使得上層土壤受到風蝕作用影響逐步粗化從而使其機械組成的呈現(xiàn)層間差異。

圖1

圖2

圖3

根據Bagnold研究［9］，風吹沙粒的粒徑一般在0.15 mm～0.30 mm，土壤中粒徑0.05 mm～0.5 mm的顆粒比重越高，土壤越容易發(fā)生風蝕且風蝕程度越大。從本次調查的樣地來看，以粒徑在0.05 mm～0.5 mm之間的砂粒所占比重最大，均在72%以上，表明理塘縣高寒草地土壤本身容易發(fā)生風蝕。其中，天然草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中粒徑(0.05 mm～0.5 mm)平均含量(占總的機械組成)分別為74.24%、74.26%;沙化草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中粒徑(0.05 mm～0.5 mm)含量(占總的機械組成)分別達75.73% ～82.75%、72.89% ～86.79%。詳見表2。

表2 理塘縣高寒沙化草地機械組成

3.2 土壤容重的變化

土壤容重不僅是土壤機械組成和孔隙度的綜合反映，也是判斷土壤結構、土壤肥力水平和退化程度的重要指標［10］。

隨著沙化程度的加劇，土壤上層和下層容重均呈逐步增加的趨勢，見圖4和表3。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均容重分別為0.842 g·cm－3、1.027 g·cm－3。沙化草地在 0 ～20 cm 容重在1.125 g·cm－3～1.353 g·cm－3之間，20 cm～40 cm層沙化草地容重在1.211 g·cm－3～1.404 g·cm－3之間。與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動沙地在0～20 cm層土壤容重增幅分別為 33.61%、50.59%、54.99%、60.69%;20 cm～40 cm層土壤容重增幅分別為17.92%、19.96%、32.52%、36.71%。表明20 cm～40 cm層土壤容重變化幅度不如0～20 cm層。隨著沙化程度的加劇，土壤容重逐步增加的原因是牛羊踐踏，加之植被蓋度減少，使得土壤中植物殘體減少，有機質含量降低，影響植物根系的生長，使土壤緊實板結，導致土壤容重的增加。

表3 理塘縣高寒沙化草地土壤容重(g·cm－3)

圖4

從層間差異來看，對照、露沙地、半固定沙地、流動沙地上層容重均小于下層容重，其中對照上、下層容重差異最顯著，而固定沙地上層容重反而大于下層容重。

3.3 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙大小是土壤物理性質的基本特征也是評價土壤結構特征的重要指標［10］。

理塘縣高寒草地的土壤總孔隙度隨沙化程度的加劇而減小。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均土壤總孔隙度分別為57.6%、50.7%。沙化草地在0～20 cm平均土壤總孔隙度在37.6%～43.7%之間，沙化草地在20 cm～40 cm平均土壤總孔隙度在35.9%～39.8%之間。與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動沙地在0～20 cm層土壤總孔隙度增幅分別為24.13%、29.69%、32.99%、34.72%;20 cm～40 cm層土壤總孔隙度增幅分別為 21.5%、24.26%、25.64%、29.19%，表明20 cm～40 cm層土壤總孔隙度變化幅度不如0～20 cm層。詳見表4和圖5。

表4 理塘縣高寒沙化草地土壤總孔隙度(%)

圖5

理塘縣高寒草地的土壤毛管孔隙度隨沙化程度的加劇而減小。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均土壤毛管孔隙度分別為45.2%、40.4%。沙化草地在0～20 cm層平均土壤毛管孔隙度在32.2% ～36.8%之間，沙化草地在20 cm～40 cm層平均土壤毛管孔隙度在31.6%～35.3%之間，與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動沙地在0～20 cm層土壤毛管孔隙度增幅分別為 18.58%、20.8%、26.33%、28.76%;20 cm ～40 cm層土壤毛管孔隙度增幅分別為12.62%、16.34%、20.3%、21.78%，表明20 cm～40 cm層土壤毛管孔隙度變化幅度不如0～20 cm層。詳見表5和圖6。

表5 理塘縣高寒沙化草地土壤毛管孔隙度(%)

圖6

4 結論及討論

4.1 川西北高寒草地具備潛在的沙化物質條件

從本次調查來看，理塘縣高寒草地砂粒含量很高，平均在75%以上，從較長的地質歷史發(fā)展角度分析，理塘縣沙化草地的地質主體部分是第四紀構造沉降階段形成的河湖相沉積物，出露巖層風化后含沙量高，因此高寒草地表層植被受破壞后，很容易導致沙化［11］。從整個川西北高寒草地來看，相當部分草地的地層出露巖層主要有T2、T3砂板巖、頁巖和第四紀松散堆積沉積物，T2、T3砂板巖、頁巖風化后含沙量高，第四紀松散堆積沉積物又主要是粉沙沉積和沼澤沉積，粉沙分布廣泛［12］。因此，可以說川西北高寒草地區(qū)具備潛在的沙化物質條件。

4.2 川西北高寒草地沙化初始階段(天然草地——露沙地)是沙化防治的關鍵階段

在理塘縣高寒草地沙化初始階段(天然草地→露沙地)過程中，在0～20 cm層土壤容重增加幅度、土壤總孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分別為33.61%、24.13%、18.58%，其變化幅度均大于露沙地→流動沙地的沙化發(fā)展階段(土壤容重增加幅度、土壤總孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分別為20.27%、13.96%、12.5%)。在20 cm～40 cm層，沙化初始階段的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度的變化幅度也同樣大于沙化發(fā)展階段。因此，高寒草地沙化初始階段(天然草地→露沙地)是土壤物理性質變化最大的階段，其原因可能是天然草地向露沙地轉化過程中，由于天然草地本身具有較強穩(wěn)定性，其抗逆性強，對外界干擾有較大的“緩沖性”(土壤物理性質體現(xiàn)就是容重和孔隙度所表現(xiàn)出來的較大變化幅度)，一旦累積干擾超過緩沖的“閾值”，沙化進程就呈加快的趨勢(土壤物理性質體現(xiàn)就是沙化發(fā)展階段土壤容重和孔隙度變化幅度要小于沙化初始階段)，因此，從沙化防治理的角度看，川西北高寒草地沙化初始階段是沙化防治的關鍵階段。

［1］四川省林業(yè)廳，四川省林業(yè)勘察設計研究院.四川省沙化土地監(jiān)測報告［R］.2010.3.

［2］四川省林業(yè)廳.四川省第四次沙化監(jiān)測技術操作細則［R］.2009.4

［3］王輝，任繼周，袁宏波.黃河源區(qū)高寒草地沙化進程中土壤物理性質的變化(簡報)—以瑪曲為例［J］.草業(yè)學報，2007，16(1):30.

［4］中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海:上?？萍汲霭嫔?，1978.

［5］樊華，楊志國，叢志軍，等.防護林帶和封育對沙化草場土壤理化性質的影響［J］.中國水土保持科學，2007，5(6):43～46.

［6］王彥武，廖超英，徐恒.毛烏素沙地固沙林土壤物理性狀研究［J］.西北林學院學報，2008，23(3):36～39.

［7］張繼義，趙哈林.退化沙質草地恢復過程土壤顆粒組成變化對土壤－植被系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18(4):1395～1401.

［8］王利兵，胡小龍，余偉蒞，等.沙粒粒徑組成的空間異質性及其與灌叢大小和土壤風蝕相關性分析［J］.干旱區(qū)地理，2006，29(5):688～692.

［9］BAGNOLD R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes［M］.London:Methuen，1941，50 ～58.

［10］紅梅，韓國棟，趙萌莉.放牧強度對渾善達克沙地土壤物理性質的影響［J］.草業(yè)科學，2004，21(12):108 ～111.

［11］理塘縣土壤普查辦公室.理塘縣土壤［R］.1986.12.

［12］四川省林業(yè)廳.川西北地區(qū)沙化科學考察報告［R］.2007.5.