寧夏鹽池縣防沙治沙區土壤粒度、SOC及TN的空間異質性1)

展秀麗 董智今 韓磊

(寧夏大學，銀川，750021)

風沙土地表沉積物的粒度特征對探討沙漠物質來源具有重要意義[1]。分析不同地表沉積物樣品的粒度目的是了解該地區復雜地貌單元的沉積環境[2]。在干旱、半干旱區，土壤粒度空間分布是風力搬運、沉積及物質再分配過程的集中體現。國內外學者對風沙土粒度及沉積變化特征開展了眾多研究，國內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[6]，其中對中國東部沙區表層沉積物粒度特征的研究發現，風力和植被覆蓋狀況的差異決定了各沙地所處的風沙環境性質和風沙活動強度，導致東部沙區表層沉積物粒度特征存在明顯的區域差異性。目前對沙漠粒度研究已取得了長足的發展，已有的研究重點針對的是對沙粒沉積特征以及沉積環境等方面的相關研究，對于在沙漠化治理過程中的風沙土顆粒空間異質性及其與養分元素的空間相關性研究較少。

土壤有機質和全氮在植被格局形成過程中非常重要[7]，對于土壤有機碳和全氮的相關研究主要集中于森林、草原和濕地生態系統，荒漠生態系統由于土壤有機碳較少，則較少被關注[8]。目前，已有學者對干旱半干旱區沙地的土壤性質空間異質性開展了相關研究。Zuo et al.[9]在科爾沁沙地研究了放牧與恢復條件下沙丘土壤性質的空間格局和異質性，發現沙丘土壤有機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。學者們對古爾班通古特沙漠南部風沙土粒度分布的空間異質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性[11]和渾善達克沙地沙粒粒度的研究[12]也發現區域粒度組成具有明顯的空間異質性。

寧夏鹽池縣是寧夏河東沙區分布的主要區域，該區域防沙治沙取得了重大效果，對該區域沙漠化逆轉過程中土壤性質的定時監測和研究對生態恢復具有重要的實踐價值和理論指導意義，可為進一步制定防沙治沙措施提供科學參考。土壤粒度與養分元素作為土壤重要的自然屬性，其組成、空間分布特征，以及風沙土粒度與重要養分之間的相關性研究對該區域生態環境具有十分重要的意義。本研究選擇寧夏鹽池縣王樂井鄉防沙治沙區作為研究對象，通過研究該區域風沙土粒度與養分元素空間分布特征，同時分析粒度組成對土壤有機碳和全氮空間分布的影響，從而揭示該區域沙漠化逆轉過程中土壤性質的空間變化規律，本研究結果有助于從區域小尺度上深入認識風沙土沉積對營養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沙土顆粒變化對該區域生態環境恢復的指示作用，對防沙治沙具有重要的指導意義。

1 研究區概況

寧夏鹽池縣是寧夏飛播造林種草加快生態修復重點示范區。本研究區位于鹽池縣中北部的王樂井鄉狼洞溝村防沙治沙區(37.87°N，106.92°E)，處于毛烏素沙地南緣，屬于寧夏河東沙區沙漠化重點治理區，為典型中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量為287 mm，年蒸發量2 100 mm，年平均風速為2.6 m·s-1。土壤類型主要有灰鈣土、黑壚土和風沙土。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狼洞溝村防沙治沙區，沿南北方向130 m，東西方向100 m，圈定90 m×120 m的樣地(圖1a)。樣地內布設13條樣帶，均勻設置10 m×10 m的樣方130個，取樣深度為0～30 cm的表層風沙土(圖1b)。

圖1 寧夏鹽池縣防沙治沙區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，分析結果以美國制土壤粒徑分級標準輸出。土壤有機碳(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 數據分析

采用GS+10.0地統計學分析軟件分析各粒級、SOC和TN的空間異質性，建立半方差函數模型，并進行克里格插值。根據半方差分析結果擬合出研究指標的空間變異最佳理論模型，表達式為[13]：

式中：h為取樣間距；γ(h)為某屬性的變異函數，是取樣范圍內間距為h的所有樣點上(土壤粒度、SOC、TN)的半方差；N(h)為取樣間距對應的數據點對數；Z(xi)和Z(xi+h)分別為在空間位置xi和xi+h處測得的數據。

變異系數(Cv)的大小反映了顆粒組成的空間變異性大小，一般認為Cv<10%為弱變異性，10%≤Cv<100%為中等變異性，Cv≥100%為強變異性。空間變異性強弱可根據塊金值(C0)與基臺值(C0+C，C為拱高)的比值，即塊金系數進行劃分，若塊金系數<25%，說明變量有很強的空間相關性；25%≤塊金系數<50%，說明變量有明顯的空間自相關；50%≤塊金系數<75%時，變量有中等空間自相關；塊金系數>75%時，變量空間自相關弱[14]。

3 結果與分析

3.1 粒度、SOC、TN空間異質性

從表1可見，表層土壤機械組成主要包括粉沙(0.02 mm≤粒徑(D)<0.05 mm)、極細沙(0.05 mm≤D<0.10 mm)、細沙(0.10 mm≤D<0.25 mm)和中沙(0.25 mm≤D<0.50 mm)，其體積分數分別為16.22%、32.98%、48.69%和1.97%。其中粉沙體積分數變化最大，為0.40%～36.42%；其次是細沙，最小值為33.18%、最大值為68.07%；極細沙為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，該區域風沙土優勢粒級是細沙和極細沙，中沙體積分數較低。表層風沙土中的各級顆粒的體積分數以及SOC與TN質量分數均表現為中等變異，中沙和粉沙體積分數較低，變異性最高，細沙和極細沙變異系數較低，表明其是該區域沉積物顆粒主要組成成分。同時也可以反映出該區域在經過了生物措施后，植物覆蓋度增加，風沙土顆粒組成逐漸細化，促進了該區域土壤成土過程，但是風沙土中的SOC與TN均較低。

表1 寧夏鹽池縣防沙治沙區土壤粒度、SOC、TN的統計特征(n=130)

由粒度組成的半方差模型(表2)可知，粉沙、極細沙和中沙體積分數變異函數均為指數模型，細沙體積分數變異函數為球狀模型，說明其參數可客觀地反應變異性特征。極細沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現出強烈的空間自相關，表明土壤性質主要受結構性因素影響，而細沙塊金系數為38.3%，說明變量有明顯的空間自相關，受結構性因素和隨機性因素共同影響。其中極細沙塊金系數最小，較粉沙、中沙和細沙空間自相關強烈。從TN和SOC的半方差分析可見，二者空間變異擬合為指數模型，SOC空間自相關強于TN。風沙土顆粒沉積主要受控于物質來源和環境，在干旱半干旱沙區，風沙區沉積主要受風的強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出從東北向西南逐漸增多的趨勢，極細沙的空間分布表現為從北向南減少，細沙體積分數最高，空間特征呈明顯帶狀分布，顆粒較粗的中沙分布表現為在坡底低地處體積分數低，從坡腳-坡中-坡頂表現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，該區域地形為北高南低緩坡，因此，受風力、水力侵蝕影響，南面低地土壤顆粒組成中粉沙體積分數最高。可見，該區域不同地貌部位粒度組成存在差異，坡面上表現為細沙和極細沙體積分數最高，坡底粉沙體積分數最高，中沙體積分數最低。

表2 寧夏鹽池縣防沙治沙區土壤粒度、TN、SOC變異函數模型

3.2 SOC、TN的空間分布規律

通過半方差函數分析發現，TN和SOC的變異函數均為指數模型。SOC的變程最小，空間自相關最高。從圖2可見，TN在空間分布上表現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，總體上西北角質量分數較低，東南角質量分數較高，受地形影響較明顯，研究區地形緩坡，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。總體上，研究區養分質量分數處于較低水平，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分具有一定的影響。

圖2 寧夏鹽池縣防沙治沙區各粒級與SOC、TN空間分布

3.3 粒度組成與TN、SOC的關系

從圖4看出，隨著細沙體積分數的增加，土壤TN明顯呈降低趨勢，極細沙也是緩慢降低。隨著粉沙體積分數的增加，TN表現出上升趨勢。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與粉沙和細沙相關性明顯高于SOC。

4 結論與討論

本研究區進行植物固沙以來，植被恢復較好，土壤顆粒組成細沙和極細沙為主，粉沙體積分數較周圍寧夏白芨灘防沙治沙區增加，這與該區域本地的沙源、風力狀況以及降雨與植被覆蓋狀況有關，寧夏鹽池縣分布較廣的干草原與荒漠草原，氣候較周邊沙區降雨較多，這對于植被恢復至關重要。從本研究發現該區域各級顆粒均表現為中等變異，中沙和粉沙體積分數較低，變異性最高，細沙和極細沙變異系數較低。極細沙、粉沙、中沙和土壤SOC、TN均表現出強烈的空間自相關，表明土壤性質主要受結構性因素影響，而細沙塊金系數為38.3%，在25%～50%之間說明變量有明顯的空間自相關，受結構性因素和隨機性因素共同影響。

本研究區地形為緩坡，北高南低，東南部為低地，研究結果表明地形起伏程度影響了本區域SOC和TN的空間分布，以往研究表明SOC及其他養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，顆粒組成粗細存在差異，在干旱環境條件下，風力環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過程實質是植被恢復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，總體表現為西北角質量分數較低，東南角質量分數較高，該特征主要受地形影響。隨著粉沙體積分數的增加，TN質量分數也隨著上升，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。其他沙區相關研究也表現出細顆粒與土壤SOC和TN的相關性較高，例如在渾善達克沙地[18]，土壤表層SOC和TN與土壤黏粒體積分數和粗粉沙體積分數均有線性相關關系，但是與黏粒的相關性高于粗粉沙，而且土壤TN質量分數與黏粒體積分數相關性更好。受風蝕作用影響，沙化過程中的土壤粒度表現為隨著土壤表層粗化，SOC和TN質量分數顯著下降，而筆者研究的是該區域通過長期植被恢復、沙漠化逆轉過程中的土壤顆粒組成變化，從本研究結果中發現該區土壤顆粒組成中粗沙和黏粒體積分數為0。本研究區隨著沙丘固定與植被恢復，土壤性質也隨之發生變化。通過防治治沙、植被恢復，促進了土壤的恢復。

圖3 寧夏鹽池縣防沙治沙區粒度組成與TN的關系

圖4 寧夏鹽池縣防沙治沙區粒度組成與SOC的關系

綜上所述，該區域土壤粒度、SOC、TN具有明顯的空間分布特征，粉沙體積分數對SOC和TN影響較為顯著，說明該區域沙漠化逆轉過程中土壤性質在逐漸發生改變，在空間上表現出了一定的分布規律，而且隨著土壤粒度逐漸細化，對土壤養分(SOC、TN)的空間分布也有一定的影響。在對該區域沙漠化逆轉過程土壤變化特征研究中，還應開展該區域沙漠化治理過程中植被演替變化特征的研究，進一步探討該區域土壤-植被系統的耦合機理研究。