烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣含量特征

阿拉薩，王 隴，高廣磊,2?，張 英，曹紅雨，杜宇佳，劉雪鋒

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，751500，寧夏鹽池；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，010010，呼和浩特)

土壤風(fēng)蝕是一個復(fù)雜的綜合自然地理過程[1]，不僅受氣候、地表粗糙度、植被、土壤結(jié)皮和人類活動等因素的影響，還與土壤內(nèi)在屬性密切相關(guān)[2]。土壤有機質(zhì)和碳酸鈣深刻地影響著土壤對風(fēng)力侵蝕的抵抗能力[3]。其中，土壤有機質(zhì)主要來源于枯落物細(xì)根分解產(chǎn)生的腐殖物質(zhì)[4-5]，雖然其在土壤總量中僅占極小比例，但對土壤質(zhì)量有著重要影響[6]。土壤有機質(zhì)在土壤團聚體形成過程中起到黏合劑的作用，是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[7-8]，其含量的改變可以顯著影響土壤結(jié)構(gòu)體間的抗離散能力和土壤顆粒之間的膠結(jié)力，從而改變土壤的抗風(fēng)蝕能力。此外，土壤有機質(zhì)還間接地影響著土壤孔隙度、水分入滲率、保水能力、土壤生物多樣性等多種土壤特性，進(jìn)而影響著土壤風(fēng)蝕過程[9]。碳酸鈣普遍存在于干旱區(qū)土壤，主要來源于機質(zhì)降解、微生物礦化作用等多種過程[10-12]。碳酸鈣含量的增加可通過改變土壤微團聚體結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致土壤的成塊性和機械穩(wěn)定性大大降低[4-5]。但也有研究表明，碳酸鈣含量的增加也可以通過黏結(jié)作用增強土壤的穩(wěn)定性，對不同質(zhì)地土壤的影響效果存在明顯差異[13]。

烏蘭布和沙漠降水稀少，土壤粗化，風(fēng)沙天氣頻繁，嚴(yán)重影響國家基礎(chǔ)交通設(shè)施安全，限制區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展。同時，受土壤風(fēng)蝕影響，烏蘭布和沙漠風(fēng)沙土大量進(jìn)入黃河，也深刻地影響著黃河河床演變和泥沙含量[14]；鑒于此，筆者以烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙土為研究對象，分析不同沙丘類型和沙丘部位土壤有機質(zhì)和碳酸鈣的含量特征及其相互關(guān)系，以期揭示沙丘固定過程中土壤有機質(zhì)和碳酸鈣的變化規(guī)律，深入理解烏蘭布和沙漠沿黃段土壤風(fēng)蝕過程。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗東北緣，烏蘭布和沙漠黃河沿岸，地理坐標(biāo)E 106°39′12″、N 39°36′49″，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫7.8 ℃，年均降水量102.9 mm，年蒸發(fā)量2 400～2 900 mm，無霜期168 d，年平均風(fēng)速4.1 m/s，終年盛行西南風(fēng)。烏蘭布和沙漠分布著面積廣大、植被覆蓋度極低的流動沙丘，約占烏蘭布和沙漠總面積的36.9%，半固定和固定沙丘則分別占總面積的33.3%和29.8%。區(qū)域分布著大量非地帶性流動風(fēng)沙土，土壤疏松發(fā)育較差。流動沙丘常見沙生植物為白沙蒿(Artemisiablepharolepis)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙竹(Phyllostachyspropinqua)等植物。固定、半固定沙丘常見植物包括油蒿(Artemisiaordosica)、白刺(Nitrariatangutorum)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)為主。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與處理

隨機選取烏蘭布和沙漠沿黃段流動、半固定和固定沙丘各3處，分別在其迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡以及丘間地隨機設(shè)置3個1 m×1 m樣方(表1)，除去表層枯枝落葉層后采取5點取樣法，使用園藝鏟采集表層0～5 cm土壤3 kg左右并充分混合后裝入自封袋中，共計108袋。風(fēng)沙土樣品帶回實驗室自然風(fēng)干后去除雜質(zhì)并過0.25 mm篩孔。

表1 采樣點基本信息Tab.1 Basic information of the sampling points

土壤樣品有機碳(soil organic carbon, SOC)與有機質(zhì)(soil organic matter, SOM)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱發(fā)測定，其計算式為：

(1)

SOM%=SOC%×1.724。

土壤樣品碳酸鈣(calcium carbonate, CaCO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用Bante 931-Ca鈣離子濃度計測定，其計算式為:

(3)

式中：c為FeSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度mol/L；V0為空白滴定FeSO4消耗量，L；V為樣品滴定FeSO4消耗量，L；3.00為1/4碳原子摩爾質(zhì)量，g/mol；1.33為氧化校正系數(shù)；m為加入燒杯中的土樣質(zhì)量，g；100為CaCO3的摩爾質(zhì)量，g/mol；C1為滴定前測得鈣離子濃度，mol/L；C2為滴定后測得鈣離子濃度，mol/L。

2.2 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS 24軟件進(jìn)行方差分析。采用最小顯著性差異法(least significant diffenence, LSD)對同一類型沙丘不同部位和同一部位不同類型沙丘風(fēng)沙土的有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行單因素方差分析(α=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型沙丘有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

烏蘭布和沙漠沿黃段流動、半固定和固定沙丘風(fēng)沙土有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.71%、1.57%和2.21%(圖1)。隨著沙丘的固定，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢。固定沙丘風(fēng)沙土有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于流動沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，流動沙丘和半固定沙丘有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異(P>0.05)。

不同大寫字母表示沙丘不同部位有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示不同類型沙丘有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)。下同。Different capital letters indicate significant difference in SOM contents in different positions of dunes, and different lowercase letters indicate significant differences in SOM contents in different types of dunes. The same below.圖1 沙丘不同部位有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 SOM (soil organic matter) contents at different positions of dunes

烏蘭布和沙漠沿黃段流動、半固定和固定沙丘風(fēng)沙土碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.11%和0.16%(圖2)。隨著沙丘的固定，土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢。固定沙丘風(fēng)沙土碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于流動沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，流動沙丘和半固定沙丘碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異(P>0.05)。

圖2 沙丘不同部位碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 CaCO3 contents at different positions of dunes

3.2 沙丘不同部位有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

流動沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.34%、1.61%、1.91%和1.96%。其中，丘間地和坡頂有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于迎風(fēng)坡(P<0.05)，其他沙丘部位差異不顯著(P>0.05)。半固定沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.33%、1.73%、0.73和1.09%。其中，迎風(fēng)坡有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余沙丘部位(P<0.05)，坡頂有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其余沙丘部位(P<0.05)，其他部位差異不顯著(P>0.05)。固定沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.76%、2.24%、2.53%和2.41%，沙丘不同部位有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05)。

流動沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.07%、0.08%、0.13%和0.12%。其中，背風(fēng)坡和丘間地碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于迎風(fēng)坡和坡頂(P<0.05)，其余部位差異不顯著(P>0.05)。半固定沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.18%、0.11%、0.03%和0.08%。其中，迎風(fēng)坡碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其余沙丘部位(P<0.05)，背風(fēng)坡碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其余沙丘部位(P<0.05)，其他部位差異不顯著(P>0.05)。固定沙丘迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地的土壤碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.14%、0.16%、0.17%和0.16%。其中，背風(fēng)坡和丘間地碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于迎風(fēng)坡(P>0.05)，其他部位差異不顯著(P>0.05)。

3.3 風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

烏蘭布和沙漠沿黃段、流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.807、0.761、0.873和0.693，P<0.01)(圖3)。此外，隨著有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，流動沙丘和半固定沙丘風(fēng)沙土碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加速率增大，固定沙丘則發(fā)生減緩。

圖3 風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性Fig.3 Correlation between organic matter and CaCO3 contents

4 討論

1) 沙丘流動性對土壤有機質(zhì)和碳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。烏蘭布和沙漠沿黃段固定沙丘有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于流動沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，這主要是受不同類型沙丘植被覆蓋狀況的影響。一方面，固定沙丘植被覆蓋度高于流動、半固定沙丘(表1)，可以攔截風(fēng)沙流中富含土壤養(yǎng)分的細(xì)粒物質(zhì)[15]，而流動沙丘風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散，流動性強，多處于風(fēng)蝕狀態(tài)。同時，在固定沙丘上，適度沙埋可以促進(jìn)沙生植物生長，產(chǎn)生“灌叢肥島效應(yīng)”，進(jìn)一步促進(jìn)其攔截作用[16]。另一方面，固定沙丘植物根系的固結(jié)作用增加了土體的機械穩(wěn)定性，使土壤保水保肥性增加，為土壤微生物分解植被枯落物形成有機質(zhì)提供了良好的環(huán)境條件[17-18]。烏蘭布和沙漠沿黃段流動沙丘和半固定沙丘有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異(P>0.05)，這主要是因為沙漠植被的防風(fēng)效果和植被蓋度并非呈簡單的線性關(guān)系。當(dāng)干旱區(qū)植被蓋度<36%時空氣動力學(xué)粗糙度隨植被蓋度的增加比較緩慢，當(dāng)植被蓋度>36%時，空氣動力學(xué)粗糙度隨植被蓋度的增加急劇增加。本研究中流動沙丘和固定沙丘植被蓋度均小于該臨界值(表1)，因此2種類型沙丘植被的防風(fēng)固沙效果差異較小，土壤細(xì)粒物質(zhì)剝蝕均較為強烈，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著[19]。

烏蘭布和沙漠沿黃段固定沙丘碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于流動沙丘和固定沙丘(P<0.05)，流動沙丘和半固定沙丘碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異(P>0.05)。這主要是由于植被蓋度的差異?；哪寥乐械奶妓徕}來自多種途徑：一部分來源于土壤有機質(zhì)的分解。在植物的自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸過程中，有機質(zhì)的分解會釋放出鈣離子，在適宜的條件下會形成碳酸鈣[8-9]；另一部分碳酸鈣來源于微生物的礦化作用[10]，微生物吸附環(huán)境中的鈣離子，通過生命活動使其與碳酸根離子結(jié)合在細(xì)胞表面形成大量碳酸鈣晶體[20]。在烏蘭布和沙漠沿黃段，固定沙丘植被覆蓋度高于流動沙丘和半固定沙丘，為碳酸鈣的形成提供了豐富的枯枝落葉物質(zhì)基礎(chǔ)和促進(jìn)微生物礦化過程的良好條件。流動沙丘和半固定沙丘碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異(P>0.05)。這是因為當(dāng)植被蓋度<36%時植被空氣動力學(xué)粗糙度增長較為平緩，流動和半固定沙丘植被的防風(fēng)效果差異較小，土壤細(xì)粒物質(zhì)剝離程度相似，因而碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異[19]。

2)沙丘部位對土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量的影響。烏蘭布和沙漠沿黃段沙丘不同部位有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(P<0.05)。流動沙丘丘間地土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于迎風(fēng)坡(P<0.05)。這主要受沙丘不同部位風(fēng)蝕狀況差異的影響。烏蘭布和沙漠風(fēng)速從沙丘迎風(fēng)坡腳至背風(fēng)坡坡腳呈現(xiàn)先增大后減小再增大的“S”型趨勢，因此丘間地風(fēng)速最小，受風(fēng)沙流擾動相對最輕，土壤細(xì)粒物質(zhì)損失較少[21]。固定沙丘迎風(fēng)坡有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于背風(fēng)坡和丘間地(P<0.05)。這是因為迎風(fēng)坡面與風(fēng)向相垂直且相比其他沙丘部位處于上風(fēng)向，風(fēng)力作用下的土壤細(xì)粒剝離過程更為劇烈[11]。固定沙丘相同部位的有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于流動沙丘，這說明在植被的遮擋作用下，固定沙丘受風(fēng)沙流擾動程度比流動沙丘低，這與科爾沁沙地相關(guān)研究結(jié)論相似[20]。

半固定沙丘土壤有機質(zhì)和碳酸鈣分布狀況與流動沙丘和固定沙丘有較大區(qū)別，土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出迎風(fēng)坡高于背風(fēng)坡的趨勢(P<0.05)。這是因為半固定沙丘雖然有一定的植被覆蓋，但是中間存在一定的間隙，當(dāng)氣流經(jīng)過時由于“峽谷效應(yīng)”風(fēng)速產(chǎn)生加速效果[22]，加劇對土壤顆粒的吹蝕。因此，半固定沙丘的土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律可能比流動沙丘和固定沙丘較為復(fù)雜。

3) 不同類型沙丘土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量相關(guān)性。烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系(R2=0.807，P<0.01)，這與呼倫貝爾沙地相關(guān)研究結(jié)果[23]相似。在荒漠地區(qū)，植物枯落物和土壤微生物生命活動產(chǎn)物是土壤有機質(zhì)和碳酸鈣共同的主要來源[17]。一方面，在沙丘固定過程中，沙生植物通過根系作用改善了土壤保水保肥性，促進(jìn)了微生物分解植物腐殖物質(zhì)過程和礦化作用，因此土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，變化過程呈現(xiàn)高度的“同步性”[24]。另一方面，沙生植物通過地上部分的“灌叢肥島效應(yīng)”和防風(fēng)作用增加土壤內(nèi)有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。固定沙丘碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加速率低于流動沙丘和半固定沙丘，這是因為在微生物作用下植物枯落物被分解成有機質(zhì)并非全部參與礦化作用而產(chǎn)生碳酸鈣，還有相當(dāng)一部分有機質(zhì)被進(jìn)一步分解成有機物分子被植物再次吸收利用或用于微生物呼吸過程[25-26]。

5 結(jié)論

1)烏蘭布和沙漠沿黃段流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.71%、1.57%和2.21%，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.11%和0.16%。沙丘類型對風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣分布存在顯著影響(P<0.05)。隨著沙丘固定，植被覆蓋度增加，風(fēng)沙土有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

2)烏蘭布和沙漠沿黃段不同沙丘類型和沙丘部位土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布存在顯著差異(P<0.05)。流動沙丘和固定沙丘不同部位土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異主要受土壤風(fēng)蝕強度影響。由于“峽谷效應(yīng)”，半固定沙丘不同部位土壤有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布較為復(fù)雜。

3)烏蘭布和沙漠沿黃段風(fēng)沙土有機質(zhì)和碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系(R2=0.807,P<0.01)。土壤有機質(zhì)在碳酸鈣形成過程中起著重要的作用。在沙丘固定過程中，隨著有機質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長速率減小。