李小樂， 魏亞娟， 黨曉宏,2， 戴玉芝， 翟 波，遲 旭， 吳惠敏

（1.內蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.內蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內蒙古鄂爾多斯 017400；3.呼和浩特氣象站，內蒙古呼和浩特 010018）

灌叢可截獲風沙流中凋落物及細顆粒，使其沉積于灌叢下方形成沙堆，是沙源、風力、植被三者協(xié)同作用而形成的動力平衡態(tài)［1］。在生物和非生物作用下，土壤資源向灌叢聚集的現(xiàn)象稱為“肥島效應”［2］。“肥島效應”揭示了灌叢對土壤養(yǎng)分的保護和利用機制，對于加強干旱地區(qū)植物資源恢復和利用有重要意義。同時“肥島”效應促進灌叢發(fā)育進而影響微地形地貌的沉積特征，沙堆沉積物中包含大量區(qū)域環(huán)境變化信息，可綜合反映沉積區(qū)動力環(huán)境和物質來源，是描述區(qū)域土壤風蝕與土地退化狀況的重要參數(shù)指標［3］。因此，灌叢沙堆的土壤沉積特征和養(yǎng)分積累特征近年來成為研究熱點。

沙堆的形成發(fā)育依附灌叢生長，灌叢死亡后沙堆也隨之退化消散［4］，不同植物種因其攔截能力、根系分泌、自身凋落物等方面差異導致沙堆土壤理化性質出現(xiàn)差異［5］。另一方面，不同區(qū)域因其環(huán)境和沙源條件差異，最終在灌叢沙堆的沉積特征方面也產(chǎn)生較大不同［6］。前人研究發(fā)現(xiàn)了灌叢對干旱區(qū)生態(tài)微環(huán)境的防護作用以及沙堆對環(huán)境穩(wěn)定性的指示作用，但將灌叢與沙堆視為一個有機整體，探討其與土壤風蝕和荒漠化防治之間的耦合關系，測定沙堆指示作用的可靠度和靈敏度仍需要進一步研究。

紅砂（Reaumuria soongorica）屬于超旱生小灌木，因其抗干旱、耐貧瘠的特點在環(huán)境惡劣的白音恩格爾自然保護區(qū)廣泛分布，并形成規(guī)模小、密度高的穩(wěn)定種群［7］。紅砂灌叢發(fā)揮著防風固沙和改良土壤肥力的作用，并為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的恢復及區(qū)域水土保持提供保障［8-10］。因此，本文將紅砂灌叢與沙堆這一有機整體作為研究對象，探究風蝕影響下紅砂灌叢對沙堆土壤結構和養(yǎng)分的防護作用，以期揭示紅砂灌叢對沙堆土壤粒度組成及養(yǎng)分積累的影響規(guī)律，為荒漠生態(tài)治理提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處鄂爾多斯高原西北緣白音恩格爾自然保護區(qū)（107°02′～107°19′E；40°08′～40°23′N），屬中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫4.7～7.0 ℃，年降水量144～340 mm，且主要集中在6—8 月。研究區(qū)光能資源豐富，年均日照時長3129.5 h，年潛在蒸發(fā)量2278.7～3274.7 mm。風向以偏西北風為主，年平均風速3.2 m·s-1，最大風速可達24.2 m·s-1。研究區(qū)處于丘陵和平原交界處，西南方向地形屬低山丘陵，地勢起伏較小，東北方向為較平坦的平原地貌。土壤類型主要為灰漠土和風沙土，表現(xiàn)為土壤水分少、養(yǎng)分貧瘠，礦質部分以細砂為主。研究區(qū)域優(yōu)勢種為紅砂（圖1），植被覆蓋度40%～60%，伴生少量貓頭刺（Oxytropis aciphylla）和沙蒿（Artemisia desertorum）。植物所需水分多來自天然降水，地下水埋深大于15 m［11］。

圖1 白音恩格爾自然保護區(qū)紅砂灌叢沙堆Fig.1 Nebkhas of Reaumuria soongorica in Baiyinengle Nature Reserve

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2021 年4月上旬進行試驗，選擇地勢平坦處設置50 m×50 m的標準樣地，以東西方向為X軸，南北方向為Y軸，沿西南角至東北角的對角線，等距離劃分3 個10 m×10 m 的小樣方，用卷尺對小樣方內全部紅砂灌叢短軸（Wg）、長軸（Lg）、株高（Hg）及沙堆的短軸（Wd）、長軸（Ld）、高度（Hd）測量，計算灌叢冠幅（C）、沙堆底面積（Sd）和沙堆體積（Vd）（表1）。計算公式如下：

表1 樣本灌叢及沙堆基本情況Tab.1 Basic condition of sample scrub and nebkhas

因紅砂灌叢沙堆呈橢圓形［12］，計算公式如下：

每個小樣方內選取3叢發(fā)育良好且具有代表性的紅砂灌叢，在灌叢沙堆迎風側、背風側和灌叢間空地的位置，用內徑5 cm 的土鉆對0～15 cm 土層土壤樣品進行采集，每5 cm 為一層，分為0～5 cm，5～10 cm 和10～15 cm。將3 個小樣方相同土層土壤進行混勻后分成3 份，為3 次重復處理，共27 份，用于土壤粒度組成和土壤養(yǎng)分測定。

2.2 樣品測定

采集的土壤樣品置于實驗室內自然風干。去除土壤中雜質后過2 mm 篩用以土壤養(yǎng)分及土壤粒度組成測定，再過0.149 mm 篩用以土壤有機質測定。有機質（SOM）選擇硫酸消煮-重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮（AN）選擇NaOH 堿解擴散法；速效磷（AP）選擇NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）選擇醋酸銨浸提-原子吸收分光光度計法。取10 g土樣加至50 mL玻璃燒杯內，加入45 mL蒸餾水浸沒土樣后加入1～2滴30%H2O2，靜置24 h，用以去除土樣中有機質。待燒杯內無氣泡產(chǎn)生用電熱板加熱樣品來將剩余H2O2完全揮發(fā)。待溶液冷卻后加水、再加1～2 mL10%HCl溶液，用以溶解溶液內碳酸鹽類物質，靜置24 h 后用滴管取上層清液。用MIKPH173 型pH 計來測樣品pH，并加入蒸餾水稀釋至中性。利用Analysette 22 Micro Tec Plues 型號激光粒度儀對土壤粒度組成測定。

2.3 土壤粒度累積體積頻率分布平均距離

平均距離d可反映不同土樣的質量差異狀況，為土壤粗化提供依據(jù)。其公式為：

式中：P為某一樣地土壤粒度累積頻率；Pˉ為樣地土壤粒度累積頻率平均值；K-1為自由度，K=3。

2.4 土壤粒度參數(shù)模型

土壤粒度組成依據(jù)美國制土壤粒度分級標準［13］，即極粗砂（1000～2000 μm）、粗砂（500～1000 μm）、中砂（250～500 μm）、細砂（100～250 μm）、極細砂（50～100 μm）、粉粒（2～50 μm）、黏粒（＜2 μm），手動篩選出土壤顆粒累積體積分數(shù)為5%、10%、16%、25%、50%、75%、84%、90%、95%所對應的顆粒直徑用以后期參數(shù)計算。依據(jù)Udden-Wenworth［14］粒級標準進行分級。

依據(jù)Folk-Ward［15］圖解法計算粒度參數(shù)：平均粒徑（d0）、標準偏差（δ）、偏度（SK）、峰態(tài)（Kg）。

依據(jù)Tyler 和Wheatcraft［16］的方法，粒徑體積分布表征土壤分形模型來計算分形維數(shù)。

式中：Ri表示測量土壤粒徑；Rmax為最大粒級粒徑；V（r＜Ri）為小于測量粒徑的土壤體積；VT為土壤各粒級體積的總和；D表示土壤分形維數(shù)。計算不同粒徑（Ri）的體積比對數(shù)和粒徑比對數(shù)，以粒徑比對數(shù)為橫坐標，體積比對數(shù)為縱坐標進行線性擬合求出斜率K，分形維數(shù)D=3-K。

2.5 土壤養(yǎng)分積累特征計算

采用相對作用強度（Relative Interaction Intense,RII）［17］表示沙堆土壤養(yǎng)分富集情況。

式中：Xn和Xi分別表示灌叢沙堆內外土壤養(yǎng)分含量值。當RII＞0時，表示灌叢對該養(yǎng)分含量形成富集，形成“肥島效應”；當RII＜0時，表示灌叢對該養(yǎng)分含量有降低效應，未形成“肥島效應”。RII距離0值越遠表示效應影響越強。

2.6 數(shù)據(jù)處理及分析

運用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行前期整理，用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對各土壤養(yǎng)分指標進行單因素方差分析，數(shù)據(jù)表達形式為平均值±標準差。運用Origin 2018進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 紅砂灌叢沙堆土壤粒度組成

由表2 可知，各土層深度土壤粒度組成均以砂粒為主，由高到低為：迎風側（各層均值為95.15%）＞丘間空地（93.36%）＞背風側（93.31%）。對砂粒深度分析，除丘間空地0～10 cm 土層以粗砂（35.30%）為主，其他均以細砂為主。在各粒級百分含量方面，背風側土壤極細砂（12.29%）和細砂（65.31%）含量最高（P＜0.05），丘間空地的極細砂（8.53%）和細砂（36.34%）含量最低（P＜0.05）；迎風側中砂（20.62%）含量最高（P＜0.05），背風側中砂（9.00%）含量最低（P＜0.05）；丘間空地粗砂（27.45%）和極粗砂（8.15%）含量最高（P＜0.05），背風側粗砂（5.15%）和極粗砂（1.55%）含量最少（P＜0.05）；黏粒和粉粒含量百分比最低，均不超過7%，且差異性各異。0～10 cm土層各粒級間含量差異較大，10～15 cm土層各粒級間含量差異較小。

表2 不同土層土壤粒度組成Tab.2 Composition of soil particles on different layers/%

3.2 紅砂灌叢沙堆土壤粒度參數(shù)特征

由表3 可知，灌叢沙堆與丘間空地各土層d0范圍處于1.45 Φ～3.08 Φ之間，且彼此存在顯著差異（P＜0.05）。d0由低到高為：丘間空地（1.90 Φ）＜迎風側（2.30 Φ）＜背風側（2.79 Φ）。背風側各土層細砂含量均高于迎風側；而丘間空地主要粒度組成成分除細砂外，還有大量粗砂存在，其中細砂含量與土層深度呈負相關，粗砂規(guī)律相反。灌叢沙堆及丘間空地各土層δ范圍處于0.86～2.05 之間，灌叢沙堆和丘間空地存在顯著差異（P＜0.05）。δ由高到低為：丘間空地（1.52）＜迎風側（1.11）＜背風側（1.00），分別屬于分選性較差、分選性較差、分選性中等。結合表2深度分析，灌叢沙堆背風側土壤粒度組成相對集中，主要由大量細砂加極細砂組成；而迎風側和丘間空地粒度組成相對分散，迎風側除細砂和極細砂外還包含大量中砂和粗砂；丘間空地包含一定量極粗砂。SK范圍處于-0.42～0.11 之間。背風側0～5 cm 土層和丘間空地0～10 cm 土層SK范圍在-0.26～-0.42 之間，屬于負偏；其他土壤粒度組成SK為-0.1～0.1之間，屬于對稱。Kg范圍處于0.72～1.76之間，Kg由低到高為：丘間空地（1.05）＜迎風側（1.22）＜背風側（1.69），分別屬于寬平、尖窄及很尖窄。D范圍處于2.37～2.94 之間。D由大到小為：背風側（2.88）＞迎風側（2.73）＞丘間空地（2.61）。

表3 不同土層土壤粒度參數(shù)Tab.3 Soil particle parameters on different layers

3.3 紅砂灌叢沙堆土壤顆粒頻率分布

土壤顆粒頻率分布曲線可表征土壤粒徑分布情況。由圖2 可知，各土層土壤粒度體積百分含量曲線均為雙峰曲線，波峰于100 μm 和900 μm 處，100 μm處陡峻程度由高至低為：背風側＞迎風側＞丘間空地，900 μm處陡峻程度則相反。土壤累積體積分布曲線均表現(xiàn)為前期平緩，100 μm 后趨于陡峻。0～10 cm 土層，灌叢沙堆土壤累積體積分布曲線表現(xiàn)出近似“S”形的曲線，且背風側曲線更陡峻；而丘間空地表現(xiàn)為波浪形，2 次起伏分別出現(xiàn)于100 μm和900 μm 附近。10～15 cm 土層3 條曲線基本重合。土壤粒度累積頻率間平均距離曲線隨土層深度增加趨于平緩，于100～250 μm 間達峰值，可認為該區(qū)間是研究區(qū)易風蝕顆粒范圍。

圖2 不同土層土壤顆粒頻率分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves on different layers

3.4 紅砂灌叢沙堆土壤養(yǎng)分空間異質性

灌叢沙堆土壤SOM、AN、AP 及AK 含量顯著高于丘間空地（P＜0.05）（圖3）。SOM 含量由高到低為：背風側（2.25 g·kg-1）＞迎風側（2.07 g·kg-1）＞丘間空地（1.60 g·kg-1）；AN 含量為：背風側（115.97 mg·kg-1）＞迎風側（98.34 mg·kg-1）＞丘間空地（75.24 mg·kg-1）；AP 含量為：背風側（62.33 mg·kg-1）＞迎風側（55.76 mg·kg-1）＞丘間空地（20.79 mg·kg-1）；AK含量為：迎風側（18.27 mg·kg-1）＞背風側（16.53 mg·kg-1）＞丘間空地（12.77 mg·kg-1）。

圖3 不同土層土壤養(yǎng)分含量Fig.3 Soil nutrient contents on different layers

灌叢沙堆土壤AP 和AK 未因土層深度而表現(xiàn)出顯著差異，背風側的SOM 和AN 含量則與土層深度呈負相關（P＜0.05）。背風側0～5 cm 土層SOM 含量分別較5～10 cm 和10～15 cm 土層增加17.86%和41.18%；5～10 cm土層背風側AN含量分別較迎風側和丘間空地增加65.97%和95.23%（P＜0.05）；10～15 cm 土層分別增加11.71%和73.14%（P＜0.05）。丘間空地AP 和AK 含量與土層深度呈負相關（P＜0.05），0～5 cm 土層AP 分別較5～10 cm 和10～15 cm 增加414.91%和333.93%；AK分別增加11.82%和24.47%。

3.5 紅砂灌叢沙堆土壤養(yǎng)分積累特征

紅砂灌叢對土壤養(yǎng)分積累有明顯的正效應（圖4），且背風側累積效果更好。灌叢沙堆背風側SOM、AN、AP 和AK 的RII＞0，說明背風側各養(yǎng)分指標均出現(xiàn)養(yǎng)分富集現(xiàn)象。迎風側AN 各土層以及AK 的5～15 cm 土層養(yǎng)分積累特征表現(xiàn)為RII＜0，未形成養(yǎng)分的富集，其他均表現(xiàn)為養(yǎng)分富集。

圖4 紅砂灌叢對不同土層沙堆土壤養(yǎng)分的影響Fig.4 Effects of Reaumuria soongorica on soil nutrients in sand pile of different soil layers

4 討論

灌叢沙堆的形成受沙源、植被類型、風力等多方面因素影響［18］，如白刺（Nitraria tangutorum）等匍匐生長、分枝多的灌叢更易形成橢圓或盾形沙堆，而油蒿（Artemisia ordosica）等垂向生長、分枝少的灌叢更易圓錐形沙堆［19］。研究區(qū)位于干旱、半干旱荒漠過渡帶，氣候干旱、地表含水量低、風速大、沙源豐富，丘間空地d0為1.9 Φ，被起沙風吹起后主要以懸移或躍移的形式移動，紅砂灌叢匍匐生長，株高均值僅為0.16 m，灌叢低矮的形態(tài)致使攔截風沙流后沙堆向水平尺度發(fā)育，而隨灌叢生長沙堆垂直方向也不斷增加，最終紅砂灌叢形成橢圓形沙堆。

4.1 紅砂灌叢沙堆土壤粒度組成

本研究中，研究區(qū)灌叢冠幅內外土壤粒度組成均以砂粒為主，灌叢沙堆迎風側、背風側和丘間空地的土壤粒度組成依次變細。該結論與苑依笑等［20］結論一致。風蝕主要表現(xiàn)為土壤易蝕性高的細粒物質被吹走，土壤質地粗化［21］。研究區(qū)風能資源極其豐富，吹蝕未受灌叢保護的丘間空地后形成含有細粒物質的風沙流，而風蝕過程中，隨顆粒粒徑逐漸增大，啟動風速變化表現(xiàn)為先增大后減小，因此大量100～250 μm 的丘間空地土壤顆粒隨風沙流被吹起［22］，其土壤結構變得松散，逐漸趨于沙質化。紅砂灌叢的生長增加了地表粗糙程度，風沙流受到灌叢阻攔后風速降低，對沙堆土壤結構的吹蝕作用減弱。同時，由于受紅砂灌叢阻擋后風沙流不再飽和，其中的細沙物質沉積于灌叢下方，增加了灌叢沙堆土壤細顆粒含量。

風蝕主要發(fā)生在沙堆的迎風側，背風側為主要的沉積區(qū)［23］。這是由于風沙流吹蝕灌叢沙堆迎風側過程中，風速沿迎風側上爬動能逐漸減小，粗顆粒受自身重力影響，在此沉積；風沙流遇坡頂灌叢后風速降至最低，大量細粒物質沉積于坡頂或繼續(xù)搬運至背風側；氣流在背風側形成回旋流，風沙流風速再次減弱，輸沙率下降，部分細粒物質沉積于背風側，導致背風側顆粒較細。該結論與前人對油蒿［24］研究結果較為一致，說明不同種植物雖形態(tài)特征與生長方式存在差異，但攔截風沙流改變其運移機制的規(guī)律基本相同。灌叢沙堆背風側、迎風側和丘間空地分選性依次降低，說明紅砂灌叢對沉積物的重新分選作用。背風側分選性優(yōu)于迎風側說明氣流影響下的不同部位所受風力侵蝕和沉積作用存在差異，最終影響分選性。峰度與偏度規(guī)律變化與分選性相似，也表明了沉積物在不同部位遭遇氣流存在差異性，反映了灌叢沙堆表面風沙流侵蝕變化規(guī)律［25］。紅砂灌叢以覆蓋地表、分解風力等形式改變地表流場，降低風蝕對土壤結構破壞作用，同時固定流沙，避免其形成新的沙源［26-27］。研究區(qū)風沙活動頻繁，受其影響嚴重的表層土壤沙物質頻繁交換，而深層土壤受風沙活動影響較小。因此0～10 cm 土層3 條土壤顆粒頻率分布曲線差異較大，而10～15 cm土層幾乎重合，土壤粒度累積頻率間平均距離曲線也隨土層深度增加而趨于平緩。

4.2 紅砂灌叢土壤養(yǎng)分積累特征

灌叢的生長會改變區(qū)域土壤資源空間分布，在對流動沙地的恢復治理中可利用這一原理，將養(yǎng)分聚集于灌叢下方，促進灌叢生長發(fā)育進而達到固定流沙的目的［28］。土壤養(yǎng)分集中于細顆粒內［29］，風蝕致使未受保護的丘間空地細顆粒被吹蝕搬運，導致養(yǎng)分流失［30］，而灌叢的攔截作用促使地表顆粒物再分配，細顆粒及凋落物沉積于灌叢下方增加了沙堆土壤養(yǎng)分；灌叢覆蓋可避免陽光直射和地表高溫，為其自身及其他生物的生存提供更優(yōu)質的微環(huán)境，因此促進了灌叢自身生長并增加沙堆內部生物多樣性，進而隨灌叢生長發(fā)育而產(chǎn)生的大量凋落物及沙堆內部生物的排泄物被微生物分解后提高了沙堆土壤的養(yǎng)分含量［31］。本研究中，沙堆土壤養(yǎng)分含量增加，RII＞0，形成“肥島”效應，與羅維成等［32］結論一致，但背風側養(yǎng)分積累效果優(yōu)于迎風側。該結果與研究區(qū)頻繁的風沙活動有關，灌叢沙堆雖攔截風沙流沉積大量細顆粒和凋落物，但迎風側為主要風蝕區(qū)，背風側是主要沉積區(qū)，土壤養(yǎng)分含量也隨細顆粒和凋落物沉積含量不同而產(chǎn)生差異。本研究還發(fā)現(xiàn)，相較于0～5 cm層土壤，深層土壤AN含量更高，這與灌叢根系有關，灌叢通過根際沉積的方式將光合作用產(chǎn)物輸入土壤［33］。對灌叢沙堆挖掘后發(fā)現(xiàn)，被沙埋的紅砂枝系于埋深5～10 cm 處開始萌發(fā)不定根，根系生長對于土壤氮素轉化和吸收有顯著影響［34］，最終導致土層間AN含量出現(xiàn)差異。

由于受氣候中水分和溫度影響，干旱、半干旱區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳固存潛力遠低于其他地區(qū)［35］，而灌叢覆蓋有效提高土壤碳儲量。一方面由于灌叢覆蓋地表增加凋落物輸入，促進土壤微生物礦化作用，增加土壤肥力和固碳潛力［36］。另一方面，土壤有機碳含量和穩(wěn)定性與土壤顆粒有密切聯(lián)系，砂土含量高則不易形成穩(wěn)定的團聚體，進而無法有效保護土壤有機質，導致降低土壤固碳能力［37］。而灌叢覆蓋改變地表流場，沙堆細顆粒有機物沉積含量增加，沙粒中穩(wěn)定有機碳比例提升，最終固碳潛力提升。

5 結論

（1）白音恩格爾自然保護區(qū)草原化荒漠過渡帶土壤粒徑組成以細砂為主。灌叢沙堆背風側、迎風側和丘間空地土壤粒徑組成依次變粗，分選性依次變差，峰態(tài)逐漸寬平，分形維數(shù)逐漸變小。灌叢沙堆土壤粒徑組成含量分布較丘間空地更對稱。相較于灌叢沙堆，丘間空地土壤質地呈明顯粗化和沙化趨勢。

（2）富集于土壤細粒組分的土壤養(yǎng)分隨土壤粗化而逐漸降低。灌叢沙堆迎風側和背風側AN、AP及AK 含量分別較沙堆間空地增加23.49%和35.12%、62.72%和66.45%、30.10%和22.75%（P＜0.05）。

（3）紅砂灌叢養(yǎng)分空間分布狀況表現(xiàn)為沙堆顯著高于丘間空地（P＜0.05）。紅砂灌叢對土壤養(yǎng)分積累作用有積極影響，灌叢沙堆存在“肥島”效應。