毛乌素沙地东南缘沙漠化过程中土壤理化性质分析

杨梅焕，曹明明，朱志梅，邱海军

(西北大学城市与资源学系，陕西西安710127)

沙漠化作为一个全球性环境问题日益引起人们的关注[1]。对沙漠化的研究，朱震达[2]指出，其研究和防治的重点应着重放在两种生态系统相毗连的“边界”地区，即生态系统脆弱带的研究。毛乌素沙地东南缘位于我国北方农牧交错带的西部，地质上属于典型的多层次过渡带，生态环境脆弱，是我国北方沙漠化最严重的地区之一。

沙漠化演变的一个基本特征就是土壤退化。国内外学者[3-10]也对沙漠化过程中土壤理化性质的变化进行了相关研究，物理特性方面主要分析了土壤颗粒粒径、含水量、容重等方面的变化[3-6，9]，化学性质方面主要集中于对土壤pH、电导率、土壤养分、全碳、有机质、重金属、含盐量等方面的研究[3-4，7-8，10]，并得出一些相似的结论。对毛乌素沙地土壤特性的研究主要集中在土壤水分的时空变化方面[11-14]，而对其土壤理化性质的研究鲜见报道。

因此，本研究对生态脆弱区毛乌素沙地东南缘不同沙漠化阶段土壤颗粒组成、水分含量、容重等物理性状和有机质、有机碳、全氮含量等化学性质进行分析，探讨了沙漠化过程中土壤理化性质变化规律，揭示沙漠化过程中土壤各物质含量之间的相互关系及其演变过程，以期为沙漠化地区土壤—植被系统的修复提供科学依据。

1 研究区概况

选择毛乌素沙地东南缘陕西省榆林地区沙质草原地带沙漠化程度明显的区域为研究区，该区辖神木县、榆阳区、横山县、靖边县和定边县 4县1区，位于东经 107°15＇—110°54′，北纬 36°49′—39°27′，海拔1 200～1 400 m，相对高度 10～50 m。

该区属陕北风沙滩地区，沙地占区域总面积的80%左右，其中流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘在沙地面积中各占约1/3。因纬度偏北，属温带寒冷半干旱气候，绝大部分地区年均温小于8℃，一月均温-11℃～8℃，7月均温22℃～24℃，年内≥10℃积温为2 500℃～3 800℃。年降水量250～440 mm，其中7—9月集中了全年降水量的60%～75%。区内土壤主要为淡栗钙土、栗钙土，丘间低地主要为草甸土，还有风沙土、黑焦土等。沙生植被、草原、草甸、盐生植被、盐生草甸等群落类型均易见。

2 研究方法

2.1 样地选择

采用植被动态学中群落的空间序列方法(空间代替时间法)，以一定的沙漠化空间梯度系列代表不同的演替阶段，在结合野外调查和图像资料的基础上将沙漠化过程分为 5个阶段:Ⅰ原生植被类型(植被盖度＞35%)，Ⅱ潜在沙漠化阶段(植被盖度25%～35%)，Ⅲ轻度沙漠化阶段(植被盖度15%～25%)，Ⅳ中度沙漠化阶段(植被盖度5%～15%)，Ⅴ重度沙漠化阶段(植被盖度＜5%)。

2008年7月，在具有明显沙漠化的区域神木县、榆阳区和靖边县选取3个样地，每个样地基本包括5个沙漠化阶段，每个阶段随机选取3个1 m×1 m的样方。

2.2 土样采集

在选取的每个样方中按照0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm 深度分层取样，用于土壤颗粒组成、水分含量、有机质、有机碳和全氮含量等项目的测定，用环刀和土壤盒取土用于土壤容重的测定。

2.3 测定方法

土壤颗粒组成采用筛分与比重计相结合的方法测定[15];土壤含水量、容重采用烘干称重法测定;土壤有机质、有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定[15];土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定[15]。

2.4 数据分析

利用SPSS软件，对测定数据进行ANOVA和相关性分析，研究各理化性状之间的关系。

3 结果与分析

3.1 不同沙漠化阶段土壤理化性质变化分析

3.1.1 土壤颗粒组成变化 土壤颗粒组成是土壤质地和结构的重要表征之一，而沙漠化的核心问题是土壤颗粒的粗大化[16]。研究区不同沙漠化阶段表层(0—5 cm)土壤颗粒组成变化见表1，随着沙漠化程度的加剧，土壤颗粒组成发生明显变化，砂粒含量急剧增加，粉粒、黏粒含量趋于减少。这主要是由于沙漠化过程中植被覆盖率越来越低，因而导致裸露的土壤表层细土因风蚀而粗粒化和单粒化，致使土壤机械组成随沙漠化发生巨大转变。

表1 不同沙漠化阶段土壤颗粒组成变化 %

3.1.2 土壤含水量、容重变化 水分在沙漠化及其植被演替过程中起着关键作用，特别是在干旱、半干旱地区，水分是土壤发育及植物生长最重要的控制因子。研究区土壤含水量变化如图1，在沙漠化过程中表层土壤含水量趋于减少，由Ⅰ阶段的1.522%降低为Ⅴ阶段的0.270%，降幅达82.260%，这主要是由于随着沙漠化程度加剧，地表裸露面越来越大，导致蒸发量也越来越大。在0—30 cm剖面中，各沙漠化阶段土壤含水量不存在显著差异(P＞0.05)，而含水量随土层深度增加均表现出不同程度的增加，总体变化为沙漠化越严重区域随深度的增加其含水量增长幅度越大，这主要是由于沙漠化区域土壤水分的下渗作用较强使得深层土壤含水量高于表层。另外，沙区植被越少，其地下根系的吸水量也越少，进而导致沙漠化严重区域深层土层的含水量较高。

图1 不同沙漠化阶段土壤含水量剖面变化

土壤容重综合反映了土壤固体颗粒和土壤孔隙的状况。土壤容重小，表明土壤比较疏松，孔隙多，反之，土粒密度大，表明土体比较紧实，结构性差，孔隙少。根据试验数据的统计分析显示，各沙漠化阶段土壤容重并不存在显著差异(P＞0.05)。在每个阶段，表层土壤容重总体偏低，随深度增加土壤容重波动幅度渐大，并有随土层深度增加而增加的趋势，各阶段之间容重的变异性随深度变化而逐渐减小。

3.1.3 土壤有机质、有机碳和全氮含量变化 土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称，一般占固相总重量的10%以下，是土壤形成的主要标志，对土壤性质有很大的影响。有机碳含量按照有机质含量的58%计算，其变化趋势与有机质相同(图2)。

图2 不同沙漠化阶段土壤有机质变化

沙漠化过程中，土壤有机质和有机碳含量下降，且阶段间存在极显著差异(P＜0.01)。各阶段表层土壤有机质及有机碳含量均最多，且差异最大，Ⅴ阶段有机质及有机碳含量仅为Ⅰ阶段的36%，这是由于随沙漠化程度加剧，地表植被减少，落叶、植物残体等形成的腐殖质越来越少而导致土壤有机质含量降低;随深度增加，有机质及有机碳含量趋于减少，且10 cm以下各阶段土壤有机质含量变化较小。

氮素是植物生长必需的营养元素之一，土壤中的氮素含量直接表征了土壤为植物提供氮的潜能[3]。土壤全氮含量变化剖面如图3所示，研究区沙漠化过程中表层土壤全氮含量急剧减少，且土壤全氮含量较其它沙漠化区域偏低[3，17];Ⅰ，Ⅱ阶段变化幅度较大，其它各阶段均无较大变化，各阶段15 cm以下全氮含量基本不变;统计分析显示，各沙漠化阶段土壤全氮含量存在极显著差异(P＜0.01)。

图3 不同沙漠化阶段土壤全氮变化

3.1.4 土壤C/N变化 土壤的C/N是衡量土壤C和N营养平衡状况的指标，与土壤质地、有机质和养分存在密切关系[18]。

相关研究表明[3，7-8，18]，C/N 越小，土壤质量越高，越能为植物生长提供所需养分。研究区沙漠化过程中C/N变化如表2所示，由表中可见，随沙漠化程度的加剧，土壤C/N整体呈增加趋势，这说明在沙漠化进程中土壤质量逐渐减低，且N的衰竭速率要大于C，这意味着沙漠中植物的生长可能受缺N土壤环境限制;另外随深度的增加土壤C/N呈现先增加后降低的趋势，其最高值出现在5～25 cm范围内，这主要是由于沙生植物根系吸收土壤中的 N导致其C/N较大。

表2 不同沙漠化阶段C/N变化

3.2 土壤各理化性质之间的相关性分析

沙漠化过程总是伴随着土壤颗粒、含水量、容重、有机质、有机碳和全氮含量有规律的变化，集中体现在随沙漠化程度的加剧，土壤砂粒含量、容重和C/N升高;含水量、有机质、有机碳和全氮含量降低。而沙漠化土壤各理化性质之间也存在着密切的内在联系，如黏粒含量较多的土壤，其有机碳和全氮含量也相应较高;有机质含量较高的土壤其结构和物理性质也相对稳定[19]。

对研究区表层(0—5 cm)土壤理化性质进行相关性分析(表3)发现，土壤容重和C/N与各指标存在负相关关系，其余各指标间均存在正相关关系;黏粒含量与含水量、容重、有机质和全氮含量之间均存在显著相关性，含水量与容重、有机质和全氮含量也显著相关，容重与有机质和全氮含量之间以及有机质与全氮含量之间存在极显著相关性;C/N与各指标之间的相关性均不显著。其中，有机质与全氮之间的相关系数最大，达到0.993 5;容重与含水量容重、有机质和全氮之间的相关系数均较大。

表3 土壤黏粒、含水量、容重、有机质、N及C/N之间相关性分析

4 结论

(1)在沙漠化过程中，土壤物理性质的转变首先是黏粒等细颗粒物质受风蚀作用而减少，砂粒等粗粒物质增多。在毛乌素沙地东南缘整个沙漠化过程中，黏粒呈指数减少，砂粒呈线性增加。

(2)研究结果表明，沙漠化过程中，土壤结构发生了转变。表层土壤含水量在整个过程中迅速降低，而随土层深度的增加各阶段土壤含水量呈上升趋势，这主要与地表植被覆盖和蒸发量有关。容重是土壤结构的重要表征特征，在沙漠化过程中表层土壤容重逐渐提高，表明土壤肥力下降，质量降低。

(3)土壤有机质、有机碳和全氮是反映土壤质量与土壤退化程度的有效表征指标。结果表明，沙漠化过程中，土壤有机质、C和N含量都呈现出随沙漠化程度的加剧和土层深度的加深而急剧降低的趋势，这说明沙漠化导致土壤质量严重退化;C/N的升高则表明在土壤质量退化的过程中N的衰竭更快。

(4)相关性分析结果表明，该区土壤各理化性质之间存在着密切的相关性。其中，容重与有机质和全氮之间以及有机质与全氮之间存在极显著相关性;黏粒含量与含水量、容重、有机质和全氮之间均存在显著相关性，含水量与容重、有机质和全氮也显著相关。

(5)土壤理化性质在沙漠化过程中发生了不同程度的变化，但有关不同沙漠化阶段土壤演替及替变阈值的研究至今较少，对该区的后续研究中将进一步探讨沙漠化的演替机制与土壤理化性质之间的关系。

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