沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑土壤粒度組成及養(yǎng)分特征

關(guān)鍵詞：風(fēng)蝕坑；土壤粒度；養(yǎng)分特征；形成發(fā)育階段

草原是我國(guó)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，面積約4億hm2，是我國(guó)重要的自然資源和生態(tài)屏障，也是保證草原區(qū)農(nóng)牧民生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，具有重要的生態(tài)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，在我國(guó)自然資源中占據(jù)十分重要的地位，為超過(guò)25億人提供賴(lài)以生存的棲息地和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12]。然而，由于草原群落結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，受氣候變化和人為因素的影響，其具有嚴(yán)重的生態(tài)脆弱性和不穩(wěn)定性[3]，我國(guó)90%的天然草原呈現(xiàn)出不同程度的退化，面臨著生物多樣性喪失、土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化等多種威脅[45]，因此草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化問(wèn)題是全球性問(wèn)題。分布在干旱半干旱地區(qū)的草原，在風(fēng)大沙多、水分承載力資源受限等自然因素以及車(chē)輛碾壓、過(guò)度放牧等人為因素雙重作用下，地表草原植被出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，地表裸露面積大，形成風(fēng)蝕裸地，逐漸發(fā)展成風(fēng)蝕坑[6]。風(fēng)蝕坑的出現(xiàn)導(dǎo)致草地逐漸沙化，也是草原沙帶形成和發(fā)展的起始形態(tài)，對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響極大。

風(fēng)蝕坑的形成與發(fā)育會(huì)對(duì)草原生態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，草原的土壤結(jié)構(gòu)被破環(huán)，下層沙物質(zhì)掩埋草場(chǎng)，在風(fēng)蝕和沙埋的共同作用下相鄰的風(fēng)蝕坑合并發(fā)展成大的復(fù)合型坑，使得草原地貌加速演變?yōu)樯车氐孛瞇78]。土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱地區(qū)土壤退化的主要過(guò)程之一，而土壤退化是草原沙化的強(qiáng)烈反映。強(qiáng)烈的風(fēng)蝕使地表土壤被剝蝕、搬運(yùn)，土壤可蝕性物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失，土壤質(zhì)地粗化，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降及土壤保肥、保水能力弱化，同時(shí)土壤營(yíng)養(yǎng)元素恢復(fù)周期延長(zhǎng)。土壤表層的細(xì)顆粒通常富含大量土壤養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分含量下降使地表質(zhì)地沙化，長(zhǎng)此惡性循環(huán)會(huì)造成地表植被稀疏和草地退化，嚴(yán)重影響區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[9]。土壤粒徑能夠反映土壤結(jié)構(gòu)和侵蝕狀況，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分狀況，土壤氮、磷、鉀作為土壤肥力的重要指標(biāo)，對(duì)氣候變化和人為活動(dòng)較為敏感[10]，同時(shí)對(duì)風(fēng)蝕坑發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。目前，對(duì)于風(fēng)蝕坑的形態(tài)發(fā)育及動(dòng)力學(xué)[11-13]、氣流場(chǎng)[14]、演變特征[15]等研究較多，而關(guān)于風(fēng)蝕坑發(fā)育過(guò)程土壤性質(zhì)的變化研究且較少，對(duì)草原風(fēng)蝕坑發(fā)育的土壤環(huán)境影響尚不了解。因此，開(kāi)展草原風(fēng)蝕坑發(fā)育對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究可以清晰土壤質(zhì)量的演化特征[16]。

基于此，本研究以錫林郭勒草原不同發(fā)育階段風(fēng)蝕坑為研究對(duì)象，通過(guò)野外觀測(cè)取樣和室內(nèi)土壤指標(biāo)測(cè)定，揭示草原風(fēng)蝕坑發(fā)育土壤特征，為進(jìn)一步探究風(fēng)蝕坑對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響以及風(fēng)蝕坑發(fā)育與演化研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟多倫縣（41°45′—42°39′N(xiāo)， 115°30′—116°55′E），屬中溫帶半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡的典型大陸性氣候，干冷多風(fēng)。年均氣溫1.6 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-39.8 ℃，無(wú)霜期100 d左右。該區(qū)主要風(fēng)向?yàn)槲髂虾臀鞅?，其中西北風(fēng)占比較高，并在4月出現(xiàn)最大值，年均風(fēng)速3.6 m·s-1，年均降水量385 mm，年均日照3 000 h。土壤類(lèi)型以栗鈣土、風(fēng)沙土為主[17]。該區(qū)域地帶性植被為典型草原植被，天然建群植物主要有冰草（Agropyroncristatum）、羊草（Leymus chinensis）、大針茅（Stipagrandis）、克氏針茅（Stipa krylovii）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）等[18]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及樣品采集 隨機(jī)選取15個(gè)風(fēng)蝕坑作為研究對(duì)象。采用張德平等[19]對(duì)呼倫貝爾沙質(zhì)草原形態(tài)、分類(lèi)的研究成果，并根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征、土層結(jié)構(gòu)和地表形態(tài)，將所選的15個(gè)風(fēng)蝕坑劃分為5種類(lèi)型，分別為裸地沙斑、活躍發(fā)展、固定階段、消亡階段和活化階段，每個(gè)發(fā)育階段選取3個(gè)風(fēng)蝕坑。在風(fēng)蝕坑的入風(fēng)口、坑底、坑后3個(gè)位置分別進(jìn)行分層取樣，取樣深度為0—10、10—20 cm。分別將同一發(fā)育階段風(fēng)蝕坑各土層3個(gè)位置的土樣混合均勻，每種類(lèi)型的3個(gè)風(fēng)蝕坑為3次重復(fù)，以風(fēng)蝕坑外周邊未風(fēng)蝕草地作為對(duì)照（CK）。將采集的土壤樣品裝入塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，用于土壤粒度組成和土壤養(yǎng)分測(cè)定。

1.2.2 土壤粒度的測(cè)定 在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)激光粒度儀實(shí)驗(yàn)室采用Mastersizer 2000 激光粒度儀（英國(guó) Malvern公司）測(cè)定土壤粒度。流程如下：取約5 g 土壤干樣品置入三角瓶中，加入10 mL10% 的H2O2 溶液，低溫消煮去除樣品中的有機(jī)質(zhì)；再加入10 mL 10 %的HCl，去除樣品中的碳酸鹽；加入10 mL 1 mol·L?1的六偏磷酸鈉溶液，攪拌均勻，靜置12 h后待測(cè)。測(cè)量時(shí)充分搖勻樣品溶液，迅速加入儀器中，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.3 土壤養(yǎng)分的測(cè)定 采用硫酸消煮?重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）含量；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮（alkalinehydrolysis nitrogen，AN）含量；采用鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷（available phosphorus，AP）含量；采用醋酸銨浸提?原子吸收分光光度計(jì)法速效鉀（available potassium，AK）含量[20]。

1.2.4 土壤粒度參數(shù)模型 采用美國(guó)制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：黏粒（0～2 μm）、粉粒（2～50 μm）、極細(xì)砂（50～100 μm）、細(xì)砂（100～250 μm）、中砂（250～500 μm）和粗砂（500～1 000 μm）。依據(jù)Folk-Ward[21]圖解法計(jì)算粒度參數(shù)，包括平均粒徑（d0）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、偏度（SK）、峰態(tài)（Kg）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理，用SPSS 26軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，使用Origin 2022軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)蝕坑土壤粒度組成

由表1可知，研究區(qū)風(fēng)蝕坑土壤粒度組成主要為細(xì)砂和中砂。未風(fēng)蝕草地黏粒含量為12.34%，顯著高于裸地沙斑、活躍發(fā)展、固定階段和活化階段；粉粒含量為15.85%，顯著高于其他發(fā)育階段。相較于未風(fēng)蝕草地，消亡階段的土壤黏粒含量未表現(xiàn)出明顯變化，但顯著高于裸地沙斑、活躍發(fā)展、固定階段和活化階段；其余階段的土壤黏粒含量均下降，至活躍發(fā)展階段低至3.48%。粉粒含量在風(fēng)蝕坑5種發(fā)育階段土壤中均減少，其中在活化和活躍發(fā)展階段幾乎損失殆盡。極細(xì)砂含量隨著風(fēng)蝕坑形成和發(fā)展而減少，至活躍發(fā)展階段含量幾乎為0。粗砂含量隨著風(fēng)蝕坑發(fā)育而增加，至活躍發(fā)展階段含量達(dá)9.72%。不同發(fā)育階段的細(xì)砂和極細(xì)砂含量差異不顯著。

2.2 風(fēng)蝕坑土壤粒度參數(shù)特征

由表2可知，研究區(qū)平均粒徑為1.65～3.55 μm，未風(fēng)蝕草地、消亡階段的平均粒徑顯著高于其他發(fā)育階段，其中活躍發(fā)展階段的平均粒徑最低；各發(fā)育階段的分選系數(shù)均低于未風(fēng)蝕草地，消亡階段0—20 cm的分選系數(shù)與未風(fēng)蝕草地差異不顯著，活躍發(fā)展階段的分選性表現(xiàn)最差，分選系數(shù)為0.78；與未風(fēng)蝕草地相比，偏度表現(xiàn)為活躍發(fā)展階段較低，消亡階段較高，其他3個(gè)發(fā)育階段的偏度無(wú)顯著差異；峰態(tài)表現(xiàn)為裸地沙斑和固定階段較高，未風(fēng)蝕草地、活躍發(fā)展階段較低。綜上，未風(fēng)蝕草地屬于尖窄，活躍發(fā)展、活化階段和消亡階段屬于很尖窄，裸地沙斑和固定階段屬于極尖窄。

2.3 風(fēng)蝕坑土壤顆粒粒徑頻率分布

由圖2可知，不同發(fā)育階段土壤粒度分布曲線總體走向較為一致，均為雙峰曲線，在1～10 μm范圍內(nèi)出現(xiàn)第1個(gè)波峰，在100～1 000 μm范圍內(nèi)出現(xiàn)第2個(gè)波峰，均在3 μm附近明顯凸出。土壤體積百分含量表現(xiàn)為：未風(fēng)蝕草地gt;消亡階段gt;固定階段gt;裸地沙斑gt;活化階段gt;活躍發(fā)展，而在250 μm處體積百分含量與之相反。

累積頻率分布曲線可以反映土壤顆粒的分布情況，通常越陡峭，分布就越均勻。未風(fēng)蝕草地土壤累積體積分布曲線前期表現(xiàn)為稍陡峭，各發(fā)育階段的累積曲線則表現(xiàn)為平穩(wěn)，150 μm后均趨于陡峭。0—10 cm 土層累積曲線近似“S”形，未風(fēng)蝕草地土壤分布最均勻，活躍發(fā)展階段分布最不均勻。10—20 cm 土層累積曲線幾乎接近重合，同樣活躍發(fā)展階段土壤表現(xiàn)為最不均勻。在風(fēng)蝕坑所有發(fā)育階段里活躍發(fā)展階段土壤顆粒分布情況最差。

2.4 風(fēng)蝕坑土壤養(yǎng)分含量變化特征

由圖3可知，不同發(fā)育階段風(fēng)蝕坑土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量存在顯著差異，而堿解氮含量差異不顯著。SOM 含量表現(xiàn)為隨著風(fēng)蝕坑發(fā)育至活躍階段逐漸降低，當(dāng)風(fēng)蝕坑進(jìn)入固定階段時(shí)有所增加，活化時(shí)又下降；速效磷含量在未風(fēng)蝕草地、活躍發(fā)展、活化階段較高，在裸地沙斑和固定階段含量較少；速效鉀含量在風(fēng)蝕坑整個(gè)發(fā)育過(guò)程中不斷下降，直至風(fēng)蝕坑走向消亡，在消亡階段有所增加，活化階段時(shí)又表現(xiàn)為下降；堿解氮含量在風(fēng)蝕坑各個(gè)發(fā)育階段變化較小。

2.5 風(fēng)蝕坑土壤養(yǎng)分與粒度相關(guān)關(guān)系

由圖4可知，風(fēng)蝕坑土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒和粉粒呈正相關(guān)，與粗砂呈負(fù)相關(guān)；堿解氮與粗砂呈正相關(guān)；速效磷與黏粒和粉粒呈負(fù)相關(guān)；速效鉀與細(xì)砂呈負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 不同發(fā)育階段風(fēng)蝕坑土壤粒度特征

強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用及人為活動(dòng)干擾造成草原土層破口，進(jìn)而形成風(fēng)蝕坑[22]。風(fēng)蝕坑發(fā)育改變了土層結(jié)構(gòu)、粒度組成及土壤養(yǎng)分等。本研究表明，風(fēng)蝕坑在發(fā)育過(guò)程中土壤表層顆粒逐漸粗化，砂粒含量表現(xiàn)為不斷上升趨勢(shì)，與王帥等[23]對(duì)沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑土壤粒度組成研究結(jié)果一致。風(fēng)蝕坑發(fā)育一方面會(huì)造成草地逐漸沙化，由草原地貌加速演變?yōu)樯车氐孛?；另一方面由于土壤顆粒的搬運(yùn)和沉積，使得細(xì)物質(zhì)顆粒被帶走，土壤顆粒進(jìn)行重新分選。張惜偉等[24]對(duì)呼倫貝爾沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑表層土壤粒度特征研究表明，該區(qū)除未風(fēng)蝕草地含有極粗砂和礫石外，其他各發(fā)育階段風(fēng)蝕坑皆不含。本研究顯示，研究區(qū)未風(fēng)蝕草地與各發(fā)育階段風(fēng)蝕坑皆不含極粗砂和礫石。這可能與區(qū)域環(huán)境、風(fēng)況、沙源沉積物結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，因此在土壤粒度組成上不同研究區(qū)域風(fēng)蝕坑間存在差別。本研究表明，隨著風(fēng)蝕坑不斷發(fā)育，黏粒和粉粒含量不斷減少，至活躍發(fā)展階段降到最低。張德平等[19]研究認(rèn)為，草原表層土壤由粘結(jié)性良好的栗鈣土和植物根系組成，下層為粘性較差但緊實(shí)度大的沙土，當(dāng)失去表層植被保護(hù)后極易形成散沙?；钴S發(fā)展階段的風(fēng)蝕坑幾乎無(wú)植被生長(zhǎng)，而植被可以增加地表粗糙度，當(dāng)風(fēng)沙流攜過(guò)時(shí)可以降低風(fēng)速，減小吹蝕作用，粉粒和黏粒質(zhì)量輕且體積小，在該過(guò)程中易隨過(guò)境風(fēng)形成風(fēng)沙流，而大粒徑砂粒會(huì)保留下來(lái)形成均勻的沙質(zhì)土壤。隨著風(fēng)蝕坑的固定，微生物環(huán)境有所改善后植被持續(xù)穩(wěn)定的生長(zhǎng)，風(fēng)沙流過(guò)境時(shí)會(huì)被植被截留，因而留下的細(xì)顆粒物質(zhì)變多，粒度組成變細(xì)，粉粒和黏粒含量增加。消亡階段的風(fēng)蝕坑土壤質(zhì)量和性狀變好，地貌逐漸恢復(fù)為草原地貌。由于錫林郭勒盟降水量少，且該地常年受風(fēng)沙活動(dòng)以及人類(lèi)活動(dòng)的破壞，已經(jīng)消亡的風(fēng)蝕坑，當(dāng)環(huán)境條件惡化、水分變差、風(fēng)力作用加強(qiáng)時(shí)風(fēng)蝕坑會(huì)再次活化，顆粒組成又會(huì)粗化。

3.2 不同發(fā)育階段風(fēng)蝕坑土壤養(yǎng)分含量變化特征

土壤養(yǎng)分是影響植物群落生長(zhǎng)和演替的重要因子，主要是氮磷鉀和有效的微量元素，這些元素含量是反映土壤質(zhì)量的重要指向性指標(biāo)[25]。本研究表明，草原風(fēng)蝕坑在發(fā)育過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和速效磷均出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，與張惜偉[26]對(duì)呼倫貝爾沙質(zhì)草原土壤化學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果相一致。風(fēng)蝕坑發(fā)育造成土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀供給能力下降，是因?yàn)轲B(yǎng)分的來(lái)源發(fā)生了改變。土壤養(yǎng)分主要來(lái)源于植物，包括植物枯枝落葉分解形成的有機(jī)物以及植物根系分泌物的補(bǔ)給。而風(fēng)蝕坑的發(fā)育過(guò)程就是植物群落消退的過(guò)程，植物根系和枯落物的減少是土壤養(yǎng)分下降的直接原因；另外土壤養(yǎng)分含量與微生物群落也息息相關(guān)，微生物可以促進(jìn)植物枯枝落葉的分解，風(fēng)蝕坑發(fā)育會(huì)造成土壤水分減少，從而使土壤堿性增強(qiáng)，進(jìn)而影響土壤細(xì)菌群落數(shù)量及結(jié)構(gòu)，間接造成土壤養(yǎng)分減少。此外，由于風(fēng)蝕作用導(dǎo)致風(fēng)蝕坑在發(fā)育過(guò)程中，細(xì)顆粒物質(zhì)會(huì)被吹走[27]，砂粒含量顯著增加，土壤顆粒不斷粗化，砂土含量高，不易形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，且土壤保水保肥能力降低，因而無(wú)法保護(hù)土壤中的有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致其流失[28]。當(dāng)環(huán)境條件有所改善時(shí)，風(fēng)蝕坑到固定階段甚至消亡時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量又有所增加，充分說(shuō)明風(fēng)蝕坑發(fā)育是草原沙化的初始階段，養(yǎng)分損失量不大，應(yīng)及時(shí)采取合理的防治措施，預(yù)防其惡化發(fā)展。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮含量在風(fēng)蝕坑整個(gè)發(fā)育過(guò)程中波動(dòng)較小，表明風(fēng)蝕坑發(fā)育過(guò)程對(duì)氮元素的影響較小。研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷含量在風(fēng)蝕坑發(fā)育過(guò)程中先降低后升高，這可能是土壤磷元素除了生物有機(jī)質(zhì)輸入外，母巖在風(fēng)化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磷元素，從而使得土壤磷含量具有穩(wěn)定的分布和可補(bǔ)償能力[29]。