展秀麗 董智今 韓磊

(寧夏大學，銀川，750021)

風沙土地表沉積物的粒度特征對探討沙漠物質(zhì)來源具有重要意義[1]。分析不同地表沉積物樣品的粒度目的是了解該地區(qū)復雜地貌單元的沉積環(huán)境[2]。在干旱、半干旱區(qū)，土壤粒度空間分布是風力搬運、沉積及物質(zhì)再分配過程的集中體現(xiàn)。國內(nèi)外學者對風沙土粒度及沉積變化特征開展了眾多研究，國內(nèi)重點集中在騰格里沙漠[3]、巴丹吉林[1]、塔克拉瑪干沙漠[4]、庫姆塔格沙漠[5]以及東部沙區(qū)[6]，其中對中國東部沙區(qū)表層沉積物粒度特征的研究發(fā)現(xiàn)，風力和植被覆蓋狀況的差異決定了各沙地所處的風沙環(huán)境性質(zhì)和風沙活動強度，導致東部沙區(qū)表層沉積物粒度特征存在明顯的區(qū)域差異性。目前對沙漠粒度研究已取得了長足的發(fā)展，已有的研究重點針對的是對沙粒沉積特征以及沉積環(huán)境等方面的相關(guān)研究，對于在沙漠化治理過程中的風沙土顆?？臻g異質(zhì)性及其與養(yǎng)分元素的空間相關(guān)性研究較少。

土壤有機質(zhì)和全氮在植被格局形成過程中非常重要[7]，對于土壤有機碳和全氮的相關(guān)研究主要集中于森林、草原和濕地生態(tài)系統(tǒng)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)由于土壤有機碳較少，則較少被關(guān)注[8]。目前，已有學者對干旱半干旱區(qū)沙地的土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性開展了相關(guān)研究。Zuo et al.[9]在科爾沁沙地研究了放牧與恢復條件下沙丘土壤性質(zhì)的空間格局和異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)沙丘土壤有機碳和全氮與土壤粒度、采樣點相對高度和植被覆蓋度密切相關(guān)。學者們對古爾班通古特沙漠南部風沙土粒度分布的空間異質(zhì)性研究表明不同地貌部位粒級組成差異明顯[10]，對毛烏素沙地地表土粒度空間異質(zhì)性[11]和渾善達克沙地沙粒粒度的研究[12]也發(fā)現(xiàn)區(qū)域粒度組成具有明顯的空間異質(zhì)性。

寧夏鹽池縣是寧夏河東沙區(qū)分布的主要區(qū)域，該區(qū)域防沙治沙取得了重大效果，對該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中土壤性質(zhì)的定時監(jiān)測和研究對生態(tài)恢復具有重要的實踐價值和理論指導意義，可為進一步制定防沙治沙措施提供科學參考。土壤粒度與養(yǎng)分元素作為土壤重要的自然屬性，其組成、空間分布特征，以及風沙土粒度與重要養(yǎng)分之間的相關(guān)性研究對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。本研究選擇寧夏鹽池縣王樂井鄉(xiāng)防沙治沙區(qū)作為研究對象，通過研究該區(qū)域風沙土粒度與養(yǎng)分元素空間分布特征，同時分析粒度組成對土壤有機碳和全氮空間分布的影響，從而揭示該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中土壤性質(zhì)的空間變化規(guī)律，本研究結(jié)果有助于從區(qū)域小尺度上深入認識風沙土沉積對營養(yǎng)元素的空間分布的影響，同時也能夠反映出實施防沙治沙措施以來風沙土顆粒變化對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復的指示作用，對防沙治沙具有重要的指導意義。

1 研究區(qū)概況

寧夏鹽池縣是寧夏飛播造林種草加快生態(tài)修復重點示范區(qū)。本研究區(qū)位于鹽池縣中北部的王樂井鄉(xiāng)狼洞溝村防沙治沙區(qū)(37.87°N，106.92°E)，處于毛烏素沙地南緣，屬于寧夏河東沙區(qū)沙漠化重點治理區(qū)，為典型中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量為287 mm，年蒸發(fā)量2 100 mm，年平均風速為2.6 m·s-1。土壤類型主要有灰鈣土、黑壚土和風沙土。植被類型主要有灌叢、草原、沙地植被和荒漠植被，主要種類有賴草(Leymussecalinus)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)及甘草(Glycyrrhizauralensis)等。研究區(qū)地形多平地、緩坡。其中草本植物生長于坡上，夏季植被蓋度約60%，坡腳及平緩地段生長灌木，夏季植被蓋度約50%。

2 研究方法

2.1 土壤采樣與分析

在寧夏鹽池縣王樂井鄉(xiāng)狼洞溝村防沙治沙區(qū)，沿南北方向130 m，東西方向100 m，圈定90 m×120 m的樣地(圖1a)。樣地內(nèi)布設(shè)13條樣帶，均勻設(shè)置10 m×10 m的樣方130個，取樣深度為0～30 cm的表層風沙土(圖1b)。

圖1 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)位置圖及采樣點布局

粒度測定采用馬爾文激光粒度儀測定，分析結(jié)果以美國制土壤粒徑分級標準輸出。土壤有機碳(SOC)的測定用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，土壤全氮(TN)的測定用半微量凱氏定氮法。

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用GS+10.0地統(tǒng)計學分析軟件分析各粒級、SOC和TN的空間異質(zhì)性，建立半方差函數(shù)模型，并進行克里格插值。根據(jù)半方差分析結(jié)果擬合出研究指標的空間變異最佳理論模型，表達式為[13]：

式中：h為取樣間距；γ(h)為某屬性的變異函數(shù)，是取樣范圍內(nèi)間距為h的所有樣點上(土壤粒度、SOC、TN)的半方差；N(h)為取樣間距對應的數(shù)據(jù)點對數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別為在空間位置xi和xi+h處測得的數(shù)據(jù)。

變異系數(shù)(Cv)的大小反映了顆粒組成的空間變異性大小，一般認為Cv<10%為弱變異性，10%≤Cv<100%為中等變異性，Cv≥100%為強變異性?？臻g變異性強弱可根據(jù)塊金值(C0)與基臺值(C0+C，C為拱高)的比值，即塊金系數(shù)進行劃分，若塊金系數(shù)<25%，說明變量有很強的空間相關(guān)性；25%≤塊金系數(shù)<50%，說明變量有明顯的空間自相關(guān)；50%≤塊金系數(shù)<75%時，變量有中等空間自相關(guān)；塊金系數(shù)>75%時，變量空間自相關(guān)弱[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度、SOC、TN空間異質(zhì)性

從表1可見，表層土壤機械組成主要包括粉沙(0.02 mm≤粒徑(D)<0.05 mm)、極細沙(0.05 mm≤D<0.10 mm)、細沙(0.10 mm≤D<0.25 mm)和中沙(0.25 mm≤D<0.50 mm)，其體積分數(shù)分別為16.22%、32.98%、48.69%和1.97%。其中粉沙體積分數(shù)變化最大，為0.40%～36.42%；其次是細沙，最小值為33.18%、最大值為68.07%；極細沙為21.12%～43.24%；中沙變化最小，最小值為0，最大值為6.87%。通過不同顆粒組成分析得出，該區(qū)域風沙土優(yōu)勢粒級是細沙和極細沙，中沙體積分數(shù)較低。表層風沙土中的各級顆粒的體積分數(shù)以及SOC與TN質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)為中等變異，中沙和粉沙體積分數(shù)較低，變異性最高，細沙和極細沙變異系數(shù)較低，表明其是該區(qū)域沉積物顆粒主要組成成分。同時也可以反映出該區(qū)域在經(jīng)過了生物措施后，植物覆蓋度增加，風沙土顆粒組成逐漸細化，促進了該區(qū)域土壤成土過程，但是風沙土中的SOC與TN均較低。

表1 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)土壤粒度、SOC、TN的統(tǒng)計特征(n=130)

由粒度組成的半方差模型(表2)可知，粉沙、極細沙和中沙體積分數(shù)變異函數(shù)均為指數(shù)模型，細沙體積分數(shù)變異函數(shù)為球狀模型，說明其參數(shù)可客觀地反應變異性特征。極細沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現(xiàn)出強烈的空間自相關(guān)，表明土壤性質(zhì)主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而細沙塊金系數(shù)為38.3%，說明變量有明顯的空間自相關(guān)，受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同影響。其中極細沙塊金系數(shù)最小，較粉沙、中沙和細沙空間自相關(guān)強烈。從TN和SOC的半方差分析可見，二者空間變異擬合為指數(shù)模型，SOC空間自相關(guān)強于TN。風沙土顆粒沉積主要受控于物質(zhì)來源和環(huán)境，在干旱半干旱沙區(qū)，風沙區(qū)沉積主要受風的強度以及地表粗糙度的影響。從圖2可見，土壤中粉沙的空間分布表現(xiàn)出從東北向西南逐漸增多的趨勢，極細沙的空間分布表現(xiàn)為從北向南減少，細沙體積分數(shù)最高，空間特征呈明顯帶狀分布，顆粒較粗的中沙分布表現(xiàn)為在坡底低地處體積分數(shù)低，從坡腳-坡中-坡頂表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，西北角最低。該分布特征受地形影響最為明顯，該區(qū)域地形為北高南低緩坡，因此，受風力、水力侵蝕影響，南面低地土壤顆粒組成中粉沙體積分數(shù)最高?？梢?，該區(qū)域不同地貌部位粒度組成存在差異，坡面上表現(xiàn)為細沙和極細沙體積分數(shù)最高，坡底粉沙體積分數(shù)最高，中沙體積分數(shù)最低。

表2 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)土壤粒度、TN、SOC變異函數(shù)模型

3.2 SOC、TN的空間分布規(guī)律

通過半方差函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，TN和SOC的變異函數(shù)均為指數(shù)模型。SOC的變程最小，空間自相關(guān)最高。從圖2可見，TN在空間分布上表現(xiàn)出從西北向東南增加的分布趨勢。SOC在空間上分布與TN有較高的相似性，總體上西北角質(zhì)量分數(shù)較低，東南角質(zhì)量分數(shù)較高，受地形影響較明顯，研究區(qū)地形緩坡，北高南低，東南部為低地，表明地形起伏程度影響了土壤SOC和TN的空間分布。總體上，研究區(qū)養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)處于較低水平，但是在空間分布上與粒度組成具有較高的相似性，這說明土壤顆粒沉積對土壤養(yǎng)分具有一定的影響。

圖2 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)各粒級與SOC、TN空間分布

3.3 粒度組成與TN、SOC的關(guān)系

從圖4看出，隨著細沙體積分數(shù)的增加，土壤TN明顯呈降低趨勢，極細沙也是緩慢降低。隨著粉沙體積分數(shù)的增加，TN表現(xiàn)出上升趨勢。粒度組成對SOC的影響特征與TN相似(圖3，圖4)，但是變化趨勢較緩慢。TN與粉沙和細沙相關(guān)性明顯高于SOC。

4 結(jié)論與討論

本研究區(qū)進行植物固沙以來，植被恢復較好，土壤顆粒組成細沙和極細沙為主，粉沙體積分數(shù)較周圍寧夏白芨灘防沙治沙區(qū)增加，這與該區(qū)域本地的沙源、風力狀況以及降雨與植被覆蓋狀況有關(guān)，寧夏鹽池縣分布較廣的干草原與荒漠草原，氣候較周邊沙區(qū)降雨較多，這對于植被恢復至關(guān)重要。從本研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域各級顆粒均表現(xiàn)為中等變異，中沙和粉沙體積分數(shù)較低，變異性最高，細沙和極細沙變異系數(shù)較低。極細沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現(xiàn)出強烈的空間自相關(guān)，表明土壤性質(zhì)主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而細沙塊金系數(shù)為38.3%，在25%～50%之間說明變量有明顯的空間自相關(guān)，受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同影響。

本研究區(qū)地形為緩坡，北高南低，東南部為低地，研究結(jié)果表明地形起伏程度影響了本區(qū)域SOC和TN的空間分布，以往研究表明SOC及其他養(yǎng)分在坡底或丘底顯著聚集[15]。汪言在[16]對塔克拉瑪干沙漠防沙林帶風沙沉積粒徑變化特征的研究表明，在沙壟不同部位，顆粒組成粗細存在差異，在干旱環(huán)境條件下，風力環(huán)境變化對地表沉積顆粒粒徑影響非常明顯。流動沙丘的固定及植被恢復過程實質(zhì)是植被恢復和土壤肥力增加的過程，在這一過程中地形的起伏程度又影響了土壤有機碳和全氮的空間分布[17]。本研究中土壤SOC在空間上分布與TN有較高的相似性，總體表現(xiàn)為西北角質(zhì)量分數(shù)較低，東南角質(zhì)量分數(shù)較高，該特征主要受地形影響。隨著粉沙體積分數(shù)的增加，TN質(zhì)量分數(shù)也隨著上升，此外，粒度組成對土壤SOC的影響特征與TN相似，但是變化趨勢較緩慢。其他沙區(qū)相關(guān)研究也表現(xiàn)出細顆粒與土壤SOC和TN的相關(guān)性較高，例如在渾善達克沙地[18]，土壤表層SOC和TN與土壤黏粒體積分數(shù)和粗粉沙體積分數(shù)均有線性相關(guān)關(guān)系，但是與黏粒的相關(guān)性高于粗粉沙，而且土壤TN質(zhì)量分數(shù)與黏粒體積分數(shù)相關(guān)性更好。受風蝕作用影響，沙化過程中的土壤粒度表現(xiàn)為隨著土壤表層粗化，SOC和TN質(zhì)量分數(shù)顯著下降，而筆者研究的是該區(qū)域通過長期植被恢復、沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中的土壤顆粒組成變化，從本研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤顆粒組成中粗沙和黏粒體積分數(shù)為0。本研究區(qū)隨著沙丘固定與植被恢復，土壤性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。通過防治治沙、植被恢復，促進了土壤的恢復。

圖3 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)粒度組成與TN的關(guān)系

圖4 寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)粒度組成與SOC的關(guān)系

綜上所述，該區(qū)域土壤粒度、SOC、TN具有明顯的空間分布特征，粉沙體積分數(shù)對SOC和TN影響較為顯著，說明該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中土壤性質(zhì)在逐漸發(fā)生改變，在空間上表現(xiàn)出了一定的分布規(guī)律，而且隨著土壤粒度逐漸細化，對土壤養(yǎng)分(SOC、TN)的空間分布也有一定的影響。在對該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程土壤變化特征研究中，還應開展該區(qū)域沙漠化治理過程中植被演替變化特征的研究，進一步探討該區(qū)域土壤-植被系統(tǒng)的耦合機理研究。