寧夏鹽池縣防沙治沙區(qū)土壤粒度、SOC及TN的空間異質(zhì)性1)

展秀麗 董智今 韓磊

(寧夏大學(xué)，銀川，750021)

風(fēng)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(fù)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(fēng)力搬運(yùn)、沉積及物質(zhì)再分配過程的集中體現(xiàn)。國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)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(fēng)力和植被覆蓋狀況的差異決定了各沙地所處的風(fēng)沙環(huán)境性質(zhì)和風(fēng)沙活動強(qiáng)度，導(dǎo)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(fēng)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(jī)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(jī)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(jī)碳較少，則較少被關(guān)注[8]。目前，已有學(xué)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(fù)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(jī)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(xué)者們對古爾班通古特沙漠南部風(fēng)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(dá)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?xùn)|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(fù)具有重要的實踐價值和理論指導(dǎo)意義，可為進(jìn)一步制定防沙治沙措施提供科學(xué)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(fēng)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(fēng)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(jī)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(rèn)識風(fēng)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(fēng)沙土顆粒變化對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的指示作用，對防沙治沙具有重要的指導(dǎo)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(fù)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?xùn)|沙區(qū)沙漠化重點治理區(qū)，為典型中溫帶大陸性季風(fēng)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(fēng)速為2.6 m·s-1。土壤類型主要有灰鈣土、黑壚土和風(fēng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)輸出。土壤有機(jī)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(xué)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(jìn)行克里格插值。根據(jù)半方差分析結(jié)果擬合出研究指標(biāo)的空間變異最佳理論模型，表達(dá)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(yīng)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(rèn)為Cv<10%為弱變異性，10%≤Cv<100%為中等變異性，Cv≥100%為強(qiáng)變異性?？臻g變異性強(qiáng)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(jìn)行劃分，若塊金系數(shù)<25%，說明變量有很強(qiáng)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(jī)械組成主要包括粉沙(0.02 mm≤粒徑(D)<0.05 mm)、極細(xì)沙(0.05 mm≤D<0.10 mm)、細(xì)沙(0.10 mm≤D<0.25 mm)和中沙(0.25 mm≤D<0.50 mm)，其體積分?jǐn)?shù)分別為16.22%、32.98%、48.69%和1.97%。其中粉沙體積分?jǐn)?shù)變化最大，為0.40%～36.42%；其次是細(xì)沙，最小值為33.18%、最大值為68.07%；極細(xì)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(fēng)沙土優(yōu)勢粒級是細(xì)沙和極細(xì)沙，中沙體積分?jǐn)?shù)較低。表層風(fēng)沙土中的各級顆粒的體積分?jǐn)?shù)以及SOC與TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為中等變異，中沙和粉沙體積分?jǐn)?shù)較低，變異性最高，細(xì)沙和極細(xì)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(fēng)沙土顆粒組成逐漸細(xì)化，促進(jìn)了該區(qū)域土壤成土過程，但是風(fēng)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(xì)沙和中沙體積分?jǐn)?shù)變異函數(shù)均為指數(shù)模型，細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)變異函數(shù)為球狀模型，說明其參數(shù)可客觀地反應(yīng)變異性特征。極細(xì)沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現(xiàn)出強(qiáng)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(xì)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(jī)性因素共同影響。其中極細(xì)沙塊金系數(shù)最小，較粉沙、中沙和細(xì)沙空間自相關(guān)強(qiáng)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(qiáng)于TN。風(fēng)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(fēng)沙區(qū)沉積主要受風(fēng)的強(qiáng)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(xì)沙的空間分布表現(xiàn)為從北向南減少，細(xì)沙體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(fēng)力、水力侵蝕影響，南面低地土壤顆粒組成中粉沙體積分?jǐn)?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(xì)沙和極細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)最高，坡底粉沙體積分?jǐn)?shù)最高，中沙體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)較低，東南角質(zhì)量分?jǐn)?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?？傮w上，研究區(qū)養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)沙體積分?jǐn)?shù)的增加，土壤TN明顯呈降低趨勢，極細(xì)沙也是緩慢降低。隨著粉沙體積分?jǐn)?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(xì)沙相關(guān)性明顯高于SOC。

4 結(jié)論與討論

本研究區(qū)進(jìn)行植物固沙以來，植被恢復(fù)較好，土壤顆粒組成細(xì)沙和極細(xì)沙為主，粉沙體積分?jǐn)?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(fēng)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(fù)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?jǐn)?shù)較低，變異性最高，細(xì)沙和極細(xì)沙變異系數(shù)較低。極細(xì)沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現(xiàn)出強(qiáng)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(xì)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(jī)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(fēng)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(xì)存在差異，在干旱環(huán)境條件下，風(fēng)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(fù)過程實質(zhì)是植被恢復(fù)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(jī)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?jǐn)?shù)較低，東南角質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，該特征主要受地形影響。隨著粉沙體積分?jǐn)?shù)的增加，TN質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)顆粒與土壤SOC和TN的相關(guān)性較高，例如在渾善達(dá)克沙地[18]，土壤表層SOC和TN與土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)和粗粉沙體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性更好。受風(fēng)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?jǐn)?shù)顯著下降，而筆者研究的是該區(qū)域通過長期植被恢復(fù)、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?jǐn)?shù)為0。本研究區(qū)隨著沙丘固定與植被恢復(fù)，土壤性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。通過防治治沙、植被恢復(fù)，促進(jìn)了土壤的恢復(fù)。

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?jǐn)?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(xì)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(yīng)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(jìn)一步探討該區(qū)域土壤-植被系統(tǒng)的耦合機(jī)理研究。