川西北高寒沙地不同恢復年限對土壤機械組成的影響

吳世磊, 陳德朝, 鄢武先, 鄧東周, 文智猷, 余凌帆

四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610000

川西北地區(qū)地處青藏高原東南緣，是長江、黃河上游重要的水源涵養(yǎng)地，具有特殊的生態(tài)區(qū)位和重要的生態(tài)保護功能，對長江、黃河流域水資源保護和國家生態(tài)安全有著重要的作用和影響。川西北地區(qū)草原受自然和人為原因加速了草原的沙化[1-2]，自然原因包括地形地貌和水文母質(zhì)因素、氣候因素；人為成因包括過渡放牧，濫墾亂挖和疏干沼澤等因素。其中，自然成因是造成研究區(qū)沙化的基礎性因素，人為不合理的經(jīng)濟活動，在一定程度上引發(fā)和大大加速了草原的沙化；而人為因素是造成由沼澤草甸-草原草甸-草原草地-退化草地退化的主要成因，其中以過度放牧最為普遍和嚴重[3]。

目前川西北草原沙化最嚴重、研究最多的多集中流動沙地上，流動沙地的形成主要是風力作用使地表刷地沙地土壤發(fā)生變化[4-5]，對沙地土壤的研究多集中在不同地類土壤機械組成對比、土壤有機質(zhì)含量等方面，蘇志珠等[6]認為不同地類土壤機械組成存在差異，農(nóng)田主要為粉粒，人工林主要為極細砂、粉砂，荒地優(yōu)勢粒級為粉粒；吳永勝等[7]認為在沙漠化監(jiān)測與評價指標中，土壤機械組成是重要的監(jiān)測指標之一，其粒級組分的級配和含量直接影響川西北高原土壤的理化性質(zhì)等；彭佳佳等[8]認為隨著生態(tài)修復年限的增加，植被蓋度和高度顯著提高，各土層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量均呈現(xiàn)增加特征。游秋明[9]認為pH 值均隨沙化程度的加重逐步升高，而有機質(zhì)、全N、水解N、全P 含量則逐步降低。但關于川西北高寒地區(qū)不同年限植被恢復后不同深度的土壤機械組成研究鮮見報道。本試驗采用時空替代法，即在立地條件一致或相近的條件下，在一定的空間尺度內(nèi)，以不同地點上選取不同治理年限的流動沙地來代替同一生長地點上治理的不同治理年限的流動沙地，探討川西北高寒沙地植被恢復后不同恢復年限對沙化土地土壤機械組成的研究，以期對川西北沙化治理及監(jiān)測評估提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于川西北地區(qū)若爾蓋縣轄曼鄉(xiāng)、阿西鄉(xiāng)，平均海拔在3 600 m 以上。年平均氣溫1.1 ℃，極端最低氣溫-36.2 ℃，年降水量為753 mm，主要集中在5—10 月。氣候類型屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候，年均日照時數(shù)2 400 h，年均積雪90 d 左右，無絕對無霜期。該地區(qū)植物群落中主要優(yōu)勢物種有紫羊茅、老芒麥、四川嵩草、垂穗披堿草、早熟禾等。

1.2 試驗方法

于2019 年夏季，采用時空替代法，以若爾蓋縣高寒沙地示范區(qū)內(nèi)未治理流動沙地（N）、植被恢復年限分別為3 年、5 年、10 年的高寒沙地（R3、R5、R10）樣地作為研究對象，研究土壤的物理性狀，即流動沙地的機械組成。筆者查閱大量關于沙化成土的研究，發(fā)現(xiàn)沙化土地經(jīng)過多少年治理能變成草地尚無依可查。因此，將未破壞的草地（G）所測指標作為流動沙地恢復的目標。樣品采集采取多點采樣方式進行[10]，由于以流動沙地為研究對象，治理前植被蓋度低，因此忽略植被恢復前原有植被對沙區(qū)土壤機械組成的影響（見表1）。

表 1 試驗地點概況Tab. 1 Basic information of the test sites

機械組成的測定采用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000，Malvern Instruments Ltd.）[11]，機械組成的分級標準參考吳正等[12]，粒級分類詳見表2。

表 2 粒級分類制Tab. 2 Soil classification system

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復年限土壤機械組成

對比川西北不同恢復年限高寒流動沙地機械組成，以不同恢復年限樣地的土壤顆粒均值作為代表值，對照（G、N）分析不同恢復年限高寒流動沙地土壤機械組成。各樣地土壤機械組成測定結(jié)果見表3。

表 3 川西北高寒流動沙地土壤機械組成Tab. 3 Soil mechanical composition of the sandy land in Northwest Sichuan

由表3 可知，所有測試樣地都以粉砂、極細砂、細砂、中砂為主，黏粒及粗砂含量極少，但不同樣地之間土壤顆粒含量存在差異。沙地黏粒和粗砂含量之和不足1%，黏粒含量草地較流動沙地多，但也僅3.93%。橫向?qū)Ρ炔煌瑯拥氐酿ち＜按稚昂?，黏粒含量：G＞R10＞R5＞R3＞N，其中草地與其他沙地黏粒含量差異明顯；各樣地粗砂含量相對變化幅度低：N＞R3＞R5＞R10＞G。

沙地和草地土壤機械組成對比，沙地主要以細砂和中砂為主，兩者含量之和大于50%，草地以粉砂、極細砂、細砂為優(yōu)勢粒級，三者之和大于90%，其中粉砂含量最多，大于50%。各沙地樣地土壤顆粒含量對比，N 樣地以細砂和中砂為優(yōu)勢粒級，兩者含量之和在90%以上，土壤顆粒含量表現(xiàn)為中砂＞細砂＞極細砂＞粉砂＞粗砂，幾乎無黏粒存在；R3 樣地仍以細砂和中砂為優(yōu)勢粒級，兩者含量之和在90%以上，土壤顆粒含量表現(xiàn)為細砂＞中砂＞極細砂＞粉砂＞粗砂＞黏粒；R5 樣地主要以極細砂、細砂、中砂為主，三者含量之和在90%以上，土壤顆粒含量表現(xiàn)為細砂＞中砂＞極細砂＞粉砂＞粗砂＞黏粒；R10 樣地較上述樣地粉砂、極細砂含量增大，以粉砂、極細砂、細砂為優(yōu)勢粒級，三者含量之和在80%以上，粗砂含量極低，土壤顆粒含量表現(xiàn)為細砂＞極細砂＞粉砂＞中砂＞黏粒＞粗砂。

2.2 不同深度土壤機械組成

由不同深度高寒沙地土壤顆粒含量變化狀況（見圖1）可見，黏粒、粉砂、極細砂、細砂、中砂、粗砂的百分含量在不同深度隨時間的變化大致相同。黏粒百分含量低，隨恢復時間的增加而增長，但增長極度緩慢；恢復初期粉砂含量較低，隨恢復時間的增加而增長，恢復5 年后增長速率明顯，最終能達到50%以上；恢復初期極細砂含量低，隨著治理時間增加呈現(xiàn)先增長后略微減少的趨勢；恢復初期細砂含量達40%，呈現(xiàn)先增長后顯著減少趨勢；恢復初期中砂含量最高，呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，前期減少明顯，后減少趨勢減緩；粗砂含量一直很低且變化不明顯。

圖 1 不同深度高寒沙地土壤顆粒含量變化狀況Fig. 1 Changes of soil particle content of different depths in the alpine sandy land

對比不同恢復年限高寒沙地土壤顆粒含量在不同深度的分布狀況（見圖2），其中G 樣地土壤顆粒組成中，黏粒、粉砂、極細砂含量表層＞下層，細砂、中砂、粗砂含量則是表層＜下層；N 樣地土壤顆粒組成中，黏粒、粉砂含量表層＜下層，極細砂含量表層≈下層，中砂、粗砂含量則是表層＞下層；各恢復年度高寒沙地土壤顆粒組成與未治理沙地在同一深度的分布狀況差別不大，表層和下層黏粒、粉砂、極細砂含量R10＞R5＞R3，細砂含量R5＞R3＞R10，中砂、粗砂含量R3＞R5＞R10。

各樣地不同深度的土壤顆粒含量表現(xiàn)為，R10 樣地黏粒、粉砂、極細砂含量表層＞下層，細砂、中砂、粗砂含量表層＜下層；R5 樣地黏粒、粉砂、極細砂含量表層＞下層，細砂含量表層≈下層，中砂、粗砂含量表層＜下層；R3 樣地黏粒含量極低，表層和下層粉砂、極細砂、細砂、中砂、粗砂含量差異不明顯。

圖 2 不同恢復年限高寒沙地土壤顆粒含量在不同深度上的分布Fig. 2 Distribution of soil particle content at different depths in the sandy land with different restoration years

3 討論

在對川西北高寒沙地植被恢復后沙化土地狀況考察和土壤樣品取樣檢測的基礎上，對未治理流動沙地、植被恢復年限分別為3 年、5 年、10 年的土壤機械組成進行了分析與討論：

（1）以未破壞的草地所測指標作為流動沙地恢復的目標，從高寒沙地土壤顆粒含量變化狀況可以看出，雖然經(jīng)過10 年的治理沙化地土壤機械組成有所改善，但與未沙化的草地相對比，兩者土壤機械組成差距明顯。土壤機械組成又是草原沙化程度、治理成效的重要指標，可見沙化成土過程是一個緩慢的過程。因此，應需對沙化成土監(jiān)測開展進一步研究，本試驗的結(jié)果能為沙化監(jiān)測及沙化治理成效等提供理論依據(jù)。

（2）研究區(qū)不同深度的土壤機械組成各樣地差異明顯,恢復初期沙地土壤表層和下層差別不大，可能是因為才進行植被恢復不久，在植被恢復時受整地等活動影響；隨著治理年限的增加，沙地土壤顆粒組成表層較下層細，可能是受植被恢復地表植被影響所致；未治理流動沙地土壤顆粒組成表層較下層粗，可能是因裸露地表缺乏植被保護，受風蝕影響，在風力作用下富含養(yǎng)分的地表細顆粒物質(zhì)被吹蝕，而粗顆粒物質(zhì)殘留地表導致粗化。受川西北高原氣候條件限制，固沙植物主要為高山柳，高山柳通過其特殊的生態(tài)特性捕獲大氣環(huán)境中的降塵，并不斷向地表輸入，從而增加土壤機械組成中的細顆粒物。

（3）沙化治理對流動沙地的土壤有一定的改善，但川西北高原地區(qū)一年生長季節(jié)短，植被生長緩慢等因素不利于高寒沙地成土過程，植被恢復措施很難在短時間內(nèi)顯著影響成土母質(zhì)的變化[7]。因此，應繼續(xù)加強對脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理，避免荒漠化導致土壤生態(tài)環(huán)境的難以恢復。