宁夏盐池县防沙治沙区土壤粒度、SOC及TN的空间异质性1)

展秀丽 董智今 韩磊

(宁夏大学，银川，750021)

风沙土地表沉积物的粒度特征对探讨沙漠物质来源具有重要意义[1]。分析不同地表沉积物样品的粒度目的是了解该地区复杂地貌单元的沉积环境[2]。在干旱、半干旱区，土壤粒度空间分布是风力搬运、沉积及物质再分配过程的集中体现。国内外学者对风沙土粒度及沉积变化特征开展了众多研究，国内重点集中在腾格里沙漠[3]、巴丹吉林[1]、塔克拉玛干沙漠[4]、库姆塔格沙漠[5]以及东部沙区[6]，其中对中国东部沙区表层沉积物粒度特征的研究发现，风力和植被覆盖状况的差异决定了各沙地所处的风沙环境性质和风沙活动强度，导致东部沙区表层沉积物粒度特征存在明显的区域差异性。目前对沙漠粒度研究已取得了长足的发展，已有的研究重点针对的是对沙粒沉积特征以及沉积环境等方面的相关研究，对于在沙漠化治理过程中的风沙土颗粒空间异质性及其与养分元素的空间相关性研究较少。

土壤有机质和全氮在植被格局形成过程中非常重要[7]，对于土壤有机碳和全氮的相关研究主要集中于森林、草原和湿地生态系统，荒漠生态系统由于土壤有机碳较少，则较少被关注[8]。目前，已有学者对干旱半干旱区沙地的土壤性质空间异质性开展了相关研究。Zuo et al.[9]在科尔沁沙地研究了放牧与恢复条件下沙丘土壤性质的空间格局和异质性，发现沙丘土壤有机碳和全氮与土壤粒度、采样点相对高度和植被覆盖度密切相关。学者们对古尔班通古特沙漠南部风沙土粒度分布的空间异质性研究表明不同地貌部位粒级组成差异明显[10]，对毛乌素沙地地表土粒度空间异质性[11]和浑善达克沙地沙粒粒度的研究[12]也发现区域粒度组成具有明显的空间异质性。

宁夏盐池县是宁夏河东沙区分布的主要区域，该区域防沙治沙取得了重大效果，对该区域沙漠化逆转过程中土壤性质的定时监测和研究对生态恢复具有重要的实践价值和理论指导意义，可为进一步制定防沙治沙措施提供科学参考。土壤粒度与养分元素作为土壤重要的自然属性，其组成、空间分布特征，以及风沙土粒度与重要养分之间的相关性研究对该区域生态环境具有十分重要的意义。本研究选择宁夏盐池县王乐井乡防沙治沙区作为研究对象，通过研究该区域风沙土粒度与养分元素空间分布特征，同时分析粒度组成对土壤有机碳和全氮空间分布的影响，从而揭示该区域沙漠化逆转过程中土壤性质的空间变化规律，本研究结果有助于从区域小尺度上深入认识风沙土沉积对营养元素的空间分布的影响，同时也能够反映出实施防沙治沙措施以来风沙土颗粒变化对该区域生态环境恢复的指示作用，对防沙治沙具有重要的指导意义。

1 研究区概况

宁夏盐池县是宁夏飞播造林种草加快生态修复重点示范区。本研究区位于盐池县中北部的王乐井乡狼洞沟村防沙治沙区(37.87°N，106.92°E)，处于毛乌素沙地南缘，属于宁夏河东沙区沙漠化重点治理区，为典型中温带大陆性季风气候，年平均气温7.9 ℃，年平均降水量为287 mm，年蒸发量2 100 mm，年平均风速为2.6 m·s-1。土壤类型主要有灰钙土、黑垆土和风沙土。植被类型主要有灌丛、草原、沙地植被和荒漠植被，主要种类有赖草(Leymussecalinus)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)及甘草(Glycyrrhizauralensis)等。研究区地形多平地、缓坡。其中草本植物生长于坡上，夏季植被盖度约60%，坡脚及平缓地段生长灌木，夏季植被盖度约50%。

2 研究方法

2.1 土壤采样与分析

在宁夏盐池县王乐井乡狼洞沟村防沙治沙区，沿南北方向130 m，东西方向100 m，圈定90 m×120 m的样地(图1a)。样地内布设13条样带，均匀设置10 m×10 m的样方130个，取样深度为0～30 cm的表层风沙土(图1b)。

图1 宁夏盐池县防沙治沙区位置图及采样点布局

粒度测定采用马尔文激光粒度仪测定，分析结果以美国制土壤粒径分级标准输出。土壤有机碳(SOC)的测定用重铬酸钾容量法-外加热法，土壤全氮(TN)的测定用半微量凯氏定氮法。

2.2 数据分析

采用GS+10.0地统计学分析软件分析各粒级、SOC和TN的空间异质性，建立半方差函数模型，并进行克里格插值。根据半方差分析结果拟合出研究指标的空间变异最佳理论模型，表达式为[13]：

式中：h为取样间距；γ(h)为某属性的变异函数，是取样范围内间距为h的所有样点上(土壤粒度、SOC、TN)的半方差；N(h)为取样间距对应的数据点对数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为在空间位置xi和xi+h处测得的数据。

变异系数(Cv)的大小反映了颗粒组成的空间变异性大小，一般认为Cv<10%为弱变异性，10%≤Cv<100%为中等变异性，Cv≥100%为强变异性。空间变异性强弱可根据块金值(C0)与基台值(C0+C，C为拱高)的比值，即块金系数进行划分，若块金系数<25%，说明变量有很强的空间相关性；25%≤块金系数<50%，说明变量有明显的空间自相关；50%≤块金系数<75%时，变量有中等空间自相关；块金系数>75%时，变量空间自相关弱[14]。

3 结果与分析

3.1 粒度、SOC、TN空间异质性

从表1可见，表层土壤机械组成主要包括粉沙(0.02 mm≤粒径(D)<0.05 mm)、极细沙(0.05 mm≤D<0.10 mm)、细沙(0.10 mm≤D<0.25 mm)和中沙(0.25 mm≤D<0.50 mm)，其体积分数分别为16.22%、32.98%、48.69%和1.97%。其中粉沙体积分数变化最大，为0.40%～36.42%；其次是细沙，最小值为33.18%、最大值为68.07%；极细沙为21.12%～43.24%；中沙变化最小，最小值为0，最大值为6.87%。通过不同颗粒组成分析得出，该区域风沙土优势粒级是细沙和极细沙，中沙体积分数较低。表层风沙土中的各级颗粒的体积分数以及SOC与TN质量分数均表现为中等变异，中沙和粉沙体积分数较低，变异性最高，细沙和极细沙变异系数较低，表明其是该区域沉积物颗粒主要组成成分。同时也可以反映出该区域在经过了生物措施后，植物覆盖度增加，风沙土颗粒组成逐渐细化，促进了该区域土壤成土过程，但是风沙土中的SOC与TN均较低。

表1 宁夏盐池县防沙治沙区土壤粒度、SOC、TN的统计特征(n=130)

由粒度组成的半方差模型(表2)可知，粉沙、极细沙和中沙体积分数变异函数均为指数模型，细沙体积分数变异函数为球状模型，说明其参数可客观地反应变异性特征。极细沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表现出强烈的空间自相关，表明土壤性质主要受结构性因素影响，而细沙块金系数为38.3%，说明变量有明显的空间自相关，受结构性因素和随机性因素共同影响。其中极细沙块金系数最小，较粉沙、中沙和细沙空间自相关强烈。从TN和SOC的半方差分析可见，二者空间变异拟合为指数模型，SOC空间自相关强于TN。风沙土颗粒沉积主要受控于物质来源和环境，在干旱半干旱沙区，风沙区沉积主要受风的强度以及地表粗糙度的影响。从图2可见，土壤中粉沙的空间分布表现出从东北向西南逐渐增多的趋势，极细沙的空间分布表现为从北向南减少，细沙体积分数最高，空间特征呈明显带状分布，颗粒较粗的中沙分布表现为在坡底低地处体积分数低，从坡脚-坡中-坡顶表现出先增加后减少的趋势，西北角最低。该分布特征受地形影响最为明显，该区域地形为北高南低缓坡，因此，受风力、水力侵蚀影响，南面低地土壤颗粒组成中粉沙体积分数最高。可见，该区域不同地貌部位粒度组成存在差异，坡面上表现为细沙和极细沙体积分数最高，坡底粉沙体积分数最高，中沙体积分数最低。

表2 宁夏盐池县防沙治沙区土壤粒度、TN、SOC变异函数模型

3.2 SOC、TN的空间分布规律

通过半方差函数分析发现，TN和SOC的变异函数均为指数模型。SOC的变程最小，空间自相关最高。从图2可见，TN在空间分布上表现出从西北向东南增加的分布趋势。SOC在空间上分布与TN有较高的相似性，总体上西北角质量分数较低，东南角质量分数较高，受地形影响较明显，研究区地形缓坡，北高南低，东南部为低地，表明地形起伏程度影响了土壤SOC和TN的空间分布。总体上，研究区养分质量分数处于较低水平，但是在空间分布上与粒度组成具有较高的相似性，这说明土壤颗粒沉积对土壤养分具有一定的影响。

图2 宁夏盐池县防沙治沙区各粒级与SOC、TN空间分布

3.3 粒度组成与TN、SOC的关系

从图4看出，随着细沙体积分数的增加，土壤TN明显呈降低趋势，极细沙也是缓慢降低。随着粉沙体积分数的增加，TN表现出上升趋势。粒度组成对SOC的影响特征与TN相似(图3，图4)，但是变化趋势较缓慢。TN与粉沙和细沙相关性明显高于SOC。

4 结论与讨论

本研究区进行植物固沙以来，植被恢复较好，土壤颗粒组成细沙和极细沙为主，粉沙体积分数较周围宁夏白芨滩防沙治沙区增加，这与该区域本地的沙源、风力状况以及降雨与植被覆盖状况有关，宁夏盐池县分布较广的干草原与荒漠草原，气候较周边沙区降雨较多，这对于植被恢复至关重要。从本研究发现该区域各级颗粒均表现为中等变异，中沙和粉沙体积分数较低，变异性最高，细沙和极细沙变异系数较低。极细沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表现出强烈的空间自相关，表明土壤性质主要受结构性因素影响，而细沙块金系数为38.3%，在25%～50%之间说明变量有明显的空间自相关，受结构性因素和随机性因素共同影响。

本研究区地形为缓坡，北高南低，东南部为低地，研究结果表明地形起伏程度影响了本区域SOC和TN的空间分布，以往研究表明SOC及其他养分在坡底或丘底显著聚集[15]。汪言在[16]对塔克拉玛干沙漠防沙林带风沙沉积粒径变化特征的研究表明，在沙垄不同部位，颗粒组成粗细存在差异，在干旱环境条件下，风力环境变化对地表沉积颗粒粒径影响非常明显。流动沙丘的固定及植被恢复过程实质是植被恢复和土壤肥力增加的过程，在这一过程中地形的起伏程度又影响了土壤有机碳和全氮的空间分布[17]。本研究中土壤SOC在空间上分布与TN有较高的相似性，总体表现为西北角质量分数较低，东南角质量分数较高，该特征主要受地形影响。随着粉沙体积分数的增加，TN质量分数也随着上升，此外，粒度组成对土壤SOC的影响特征与TN相似，但是变化趋势较缓慢。其他沙区相关研究也表现出细颗粒与土壤SOC和TN的相关性较高，例如在浑善达克沙地[18]，土壤表层SOC和TN与土壤黏粒体积分数和粗粉沙体积分数均有线性相关关系，但是与黏粒的相关性高于粗粉沙，而且土壤TN质量分数与黏粒体积分数相关性更好。受风蚀作用影响，沙化过程中的土壤粒度表现为随着土壤表层粗化，SOC和TN质量分数显著下降，而笔者研究的是该区域通过长期植被恢复、沙漠化逆转过程中的土壤颗粒组成变化，从本研究结果中发现该区土壤颗粒组成中粗沙和黏粒体积分数为0。本研究区随着沙丘固定与植被恢复，土壤性质也随之发生变化。通过防治治沙、植被恢复，促进了土壤的恢复。

图3 宁夏盐池县防沙治沙区粒度组成与TN的关系

图4 宁夏盐池县防沙治沙区粒度组成与SOC的关系

综上所述，该区域土壤粒度、SOC、TN具有明显的空间分布特征，粉沙体积分数对SOC和TN影响较为显著，说明该区域沙漠化逆转过程中土壤性质在逐渐发生改变，在空间上表现出了一定的分布规律，而且随着土壤粒度逐渐细化，对土壤养分(SOC、TN)的空间分布也有一定的影响。在对该区域沙漠化逆转过程土壤变化特征研究中，还应开展该区域沙漠化治理过程中植被演替变化特征的研究，进一步探讨该区域土壤-植被系统的耦合机理研究。