黃河首曲高寒草甸的土壤特征及其對沙化的響應

安富博，李銀科，紀永福，唐志紅，金紅喜，趙艷麗，肖 斌

(1.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅 武威 733000；2.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300；3.甘肅臨澤荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究觀測研究站，甘肅 臨澤 734200；4.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070； 5.甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020)

瑪曲高寒草甸是青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是黃河上游主要的產流區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)和水源補給區(qū)。但近年來，在全球氣候變暖趨勢下，加上人為活動干擾，該區(qū)地表徑流減少、地下水位下降、植被破壞、草場嚴重退化及水土流失等生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重，尤其是草地沙化問題已相當突出[1]，致使整個區(qū)域草場載畜量和草地植被涵養(yǎng)水源功能大為降低，嚴重制約著該區(qū)資源的可持續(xù)開發(fā)利用及畜牧業(yè)發(fā)展，直接影響當?shù)厝藗兊恼Ｉ钌a、社會安定、經(jīng)濟發(fā)展，影響西北邊疆安全和民族團結，也危及黃河中下游及沿黃9省(區(qū))的生態(tài)安全[2]。

高寒草地生態(tài)系統(tǒng)脆弱，抗干擾能力差，恢復能力有限[3]，地上植被一旦失去，緊接著土壤系統(tǒng)也會喪失生態(tài)平衡，遭受破壞，表現(xiàn)出退化趨勢。而土壤退化是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化的核心問題[4]，嚴重影響著高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。草地沙化是指一定生境條件下的草地植被與該生境的頂級或亞頂級植被狀態(tài)的背離，是整個草地生態(tài)系統(tǒng)的退化，與此相對應的，土壤理化特征也將發(fā)生變化[5]。我們擬通過對瑪曲草原土壤剖面特征的研究，了解在沙化過程中土壤理化性質的變化特征及其與沙化的關系，以期為高寒草地沙化治理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省瑪曲縣(東經(jīng)100°45′45″—102°29′00″，北緯33°06′30″—34°30′15″)位于青藏高原的東南緣，甘肅、青海和四川三省的結合部，土地總面積1.019萬km2，海拔3 300—4 806 m，年平均氣溫1.1～2.7 ℃，年降水量501.6～615.5 mm，降水主要集中于5—9月，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，年平均風速2.5 m/s，8級以上大風日數(shù)77.1 d，氣候高寒陰濕，屬半濕潤過渡地帶的草原區(qū)，擁有86萬hm2亞洲最優(yōu)質的天然草場，是“羌中畜牧甲天下”的富庶之地，也是一個藏族聚居的純牧業(yè)縣。境內星羅棋布的大小湖泊和沼澤草場，構成黃河上游完整的水源體系，黃河自東、南、北三面環(huán)繞瑪曲縣，形成“九曲黃河”第一灣。境內干流流程433.3 km，流域面積8 850 km2，是黃河徑流主要產流區(qū)、匯集區(qū)，也是黃河上游的重要水源涵養(yǎng)區(qū)，具有特殊的生態(tài)保護功能。阿尼瑪卿山、西傾山兩大山系主脈形成的西北部高山區(qū)，中南部阿尼瑪卿山東南端和西傾山前山地帶丘陵區(qū)，以及東部黃河沿岸河流階地構成該地地形地貌格局。

1.2 調查分析方法

2012年8月，以瑪曲縣東部黃河沿岸河流階地、中南部丘陵區(qū)及西北部高山區(qū)3種地貌為單元進行土壤考察及取樣。另外，在東部黃河沿岸河流階地，選取嚴重潛在沙化、較嚴重潛在沙化和輕度潛在沙化3種不同潛在沙化程度沙地進行土壤采樣，每間隔10 cm深取一個樣，共取10層，取樣過程中記錄土壤剖面顏色變化、地上植被狀況等。

考察共采集土壤剖面樣品193個，每個土壤類型選一個典型剖面，測定土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀、pH值、電導率。

土樣在室內風干后一部分過1 mm篩，用于測定速效磷、速效鉀、pH值、電導率，另一部分過0.25 mm篩，用于測定有機質、全氮。土壤有機質的測定用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮用半微量開氏法；速效磷用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸提-原子吸收比色法；pH值用電極法，水土比為2.5 ∶1。

2 結果與分析

2.1 主要土壤類型剖面特征

參考以往劃分的瑪曲土壤類型[6]，另根據(jù)我們的考察目的，將瑪曲土壤類型分為風沙土、草甸土、高山草甸土、亞高山草甸土、泥炭土和沼澤土，具體情況見表1。

風沙土(見表2)屬于非地帶性土壤，斷續(xù)分布于黃河沿岸和新老階地交界處沙丘或固定沙丘，在采日瑪至曼日瑪?shù)囊矤柲獑讨羻炭拼笳訚蓶|側山丘間亦有分布。成土過程微弱，土層很薄，剖面通體為沙或沙丘，表層有0～30 cm的草皮層，土地顏色也為一致的淺黃色或表層為灰黑色。個別地方植被破壞，沙丘裸露，沙隨風移動，草皮層一經(jīng)破壞沙粒即出露。

表1 主要土壤類型總體情況

表2 風沙土剖面(18號剖面，山前丘陵，固定沙丘)

草甸土(見表3)主要分布于黃河沿岸沖積階地及其支流的沖積洪積扇上，一般在海拔3 600 m以下、地勢平坦、地下水位1～3 m的地方，屬非地帶性土壤。此類土為半水成土，形成主要受草甸化過程的作用。草甸化過程包括兩個方面：一是在草甸植被下形成有機質的大量積累；二是下部土層受地下水的浸潤有季節(jié)性氧化還原過程，形成銹斑層。發(fā)育在低洼地有季節(jié)積水的草甸土銹斑層下有潛育層出現(xiàn)。

表3 草甸土剖面(8號剖面，地表起伏明顯，最高可達1 m，草場長勢良好)

亞高山草甸土(見表4)主要分布于海拔3 600 m以上的山地，以歐拉、歐拉秀瑪、木西合、阿萬倉、尼瑪分布最多。土壤的周期性凍融變化顯著，但一般無常年凍土層。草根盤結形成較松軟的氈狀草皮層，其下的腐殖質層發(fā)育良好，厚10～30 cm，顏色多為暗灰棕和灰黑色，具粉粒狀和粒狀結構。土體層次向下過渡明顯，從草皮層下的腐殖質層很快過渡到與母質相近的AB層或AC層。

表4 亞高山草甸土剖面(146號剖面，黃河邊半山坡)

泥炭土(見表5)在曼日瑪、采日瑪和齊哈瑪分布最多，河曲馬場、畜牧試驗站、尼瑪鄉(xiāng)與歐拉鄉(xiāng)也有分布，屬非地帶性土壤。主要發(fā)育在黃河古道、沖積湖積灘和積石山低洼谷底上。由于湖相沉積物質黏重，土壤水分下滲困難，植物殘體連年積累，在還原條件下形成泥炭，當泥炭層厚度超過50 cm以后，土體的主體層即被泥炭占領，深度可達4 m以上。由于夏秋多雨、冬春干旱，沼澤地表水的多寡變化導致泥炭層通氣好壞差異，有機質還原離鐵后，部分又被氧化而成黃色銹斑，以不規(guī)則的層狀分布于泥炭層中。泥炭層下亦有潛育層存在，為藍灰色黏泥。

表5 泥炭土剖面(32號剖面，干旱沼澤，凍脹土丘較大)

沼澤土(見表6)主要分布在齊哈瑪、采日瑪、曼日瑪和阿萬倉鄉(xiāng)，河曲馬場與尼瑪鄉(xiāng)亦有分布，屬非地帶性土壤。發(fā)育在低洼滯水的黃河古道河湖沉積物與積石山東麓丘陵間低洼谷底沉積物上。地下水位高，潛水豐富，河湖沉積物質地黏重、滲水性差，且地表水匯聚，排水不暢，積滯成沼。植物殘體難以分解，形成泥炭，并發(fā)生有機質的還原離鐵作用，使底土灰藍色潛育層上部摻雜了灰黃色銹紋層次，總稱為礦質潛育層。

表6 沼澤土剖面(33號剖面)

瑪曲氣溫低，土壤有機質分解緩慢、積累多，表層顏色黑，一般形成一個緊實的草皮層。土壤有機質、全氮含量高，速效鉀含量也較高，速效磷含量低。pH值一般在6.5～8.1之間，電導率較小。

2.2 土壤特征變化與沙化的關系

該區(qū)風沙土與草原沙化有直接的關系。風沙土大多發(fā)育在河流沖積物上，母質沙源豐富；土層薄的草甸土也存在潛在沙化的可能，草甸土沙化后即演變?yōu)轱L沙土。表7為不同潛在沙化程度風沙土理化性質。

嚴重潛在沙化風沙土土層薄，成土過程微弱，植被稀疏，一般為半固定-固定沙丘。有風蝕剖面，是一種退化(沙化)類型，表層有0～5 cm新覆沙，風蝕和風積同時進行著。土層厚度為0～40 cm，表層有機質含量在2～12 g/kg之間。表層大多松散，沒有草皮層或草皮層很薄，極易被破壞，在風力作用下很容易起沙。有的地方母質層以下有一層10～30 cm厚的灰黑色砂壤土層，甚至幾層，結構較緊實，為埋藏層，是早期的一個成土過程在風積作用下被埋藏，表明該區(qū)風沙活動在很早以前就一直進行著，近期超載等人為活動又促進了古沙丘的活化，即沙化。

表7 不同潛在沙化程度0—1 m風沙土理化性質

較嚴重潛在沙化風沙土一般為古沙丘，成土過程較明顯，表層也有積沙過程，表層有機質含量在14～20 g/kg之間，土層厚度60 cm左右，以下為淺黃色的砂粒母質層。草皮層10 cm左右，沙物質含量高，較緊實，易被破壞。有少量風蝕斷面，風力作用下容易起沙。

輕度潛在沙化風沙土土層較厚，為古沙丘，有明顯成土過程，植被生長較好，有約20 cm厚的草皮層，表層有機質積累多(40～55 g/kg)，顏色較深，呈灰黑色，層狀，緊實。向下有機質積累減少，顏色逐漸變淺，結構變松散。80 cm以下為淺黃色的砂粒母質層。

隨著潛在沙化程度的增加，植被稀疏、土層厚度變薄、土體顏色變淺、草皮層變薄、緊實度降低，很容易被破壞，一旦破壞，生態(tài)恢復極其困難，且會導致更多的水分下滲[2]，下層沙暴露，在風力作用下起沙，顆粒組成變粗。如果大面積連片破壞，則會形成流動沙丘。

有研究表明，高寒草地沙化進程中，土壤機械組成不斷變粗，土壤容重不同程度增加而孔隙度相應減小[7]，土壤碳、氮、磷含量明顯降低，鉀素變化不明顯，鈣含量和pH值顯著升高[8]。從表7可以看出，隨著潛在沙化程度的增加，0—1 m土壤有機質和全氮含量明顯降低，速效磷含量增加，速效鉀、pH值和電導率變化規(guī)律不明顯。因為隨著潛在沙化程度的增加，土層變薄，植物稀疏，有機物質積累減少；再者，地表裸露破碎，冬春季極易造成風蝕，使大量的有機物質隨表層細顆粒的吹失而損失[9]，所以土壤有機質和全氮含量降低。而速效磷的增加可能與植被的吸收減少有關。隨著潛在沙化程度加重，土壤養(yǎng)分和水分狀況惡化，更不利于植物生長，生態(tài)狀況存在嚴重威脅。

3 結 論

該區(qū)地帶性土壤為高山草甸土和亞高山草甸土，非地帶性土壤有草甸土、風沙土、泥炭土和沼澤土等。該區(qū)的土壤有機質分解緩慢、積累多，表層顏色黑，一般形成一個緊實的草皮層。土壤有機質、全氮含量高，速效鉀也較高，速效磷含量貧乏，土壤呈中性或弱堿性，鹽分含量較低。風沙土沙物質豐富，與草原沙化有著直接的關系；發(fā)育在黃河沿岸沖積階地上的草甸土母質沙源豐富，土層薄的草甸土也存在潛在沙化的可能。該區(qū)風沙活動存在已久，沙丘處于固定和活化的動態(tài)平衡中。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響加大，沙丘活化趨勢總體強于固定趨勢。沙丘活化導致原來固定的沙丘土壤養(yǎng)分和水分狀況惡化，植被退化，草原生態(tài)遭到破壞。應對已沙化和嚴重潛在沙化草地采取封育和人工干預促進植被恢復，對輕度潛在沙化草地采取合理配置載畜量等措施，促使活化沙丘逐步趨向固定，進而有效防止和治理草原沙化。

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