沙質草原風蝕坑土壤粒度組成及養分特征

關鍵詞：風蝕坑；土壤粒度；養分特征；形成發育階段

草原是我國最大的陸地生態系統類型，面積約4億hm2，是我國重要的自然資源和生態屏障，也是保證草原區農牧民生產、生活和生態功能的重要物質基礎，具有重要的生態功能和生態系統服務價值，在我國自然資源中占據十分重要的地位，為超過25億人提供賴以生存的棲息地和生態系統服務[12]。然而，由于草原群落結構較簡單，受氣候變化和人為因素的影響，其具有嚴重的生態脆弱性和不穩定性[3]，我國90%的天然草原呈現出不同程度的退化，面臨著生物多樣性喪失、土壤肥力和生態系統服務退化等多種威脅[45]，因此草原生態系統服務退化問題是全球性問題。分布在干旱半干旱地區的草原，在風大沙多、水分承載力資源受限等自然因素以及車輛碾壓、過度放牧等人為因素雙重作用下，地表草原植被出現嚴重的破壞現象，地表裸露面積大，形成風蝕裸地，逐漸發展成風蝕坑[6]。風蝕坑的出現導致草地逐漸沙化，也是草原沙帶形成和發展的起始形態，對草原生態系統的影響極大。

風蝕坑的形成與發育會對草原生態產生嚴重影響，草原的土壤結構被破環，下層沙物質掩埋草場，在風蝕和沙埋的共同作用下相鄰的風蝕坑合并發展成大的復合型坑，使得草原地貌加速演變為沙地地貌[78]。土壤風蝕是干旱、半干旱地區土壤退化的主要過程之一，而土壤退化是草原沙化的強烈反映。強烈的風蝕使地表土壤被剝蝕、搬運，土壤可蝕性物質和營養物質損失，土壤質地粗化，進一步導致土壤養分含量下降及土壤保肥、保水能力弱化，同時土壤營養元素恢復周期延長。土壤表層的細顆粒通常富含大量土壤養分，土壤養分含量下降使地表質地沙化，長此惡性循環會造成地表植被稀疏和草地退化，嚴重影響區域農牧業生產活動及經濟可持續發展[9]。土壤粒徑能夠反映土壤結構和侵蝕狀況，進而影響土壤養分狀況，土壤氮、磷、鉀作為土壤肥力的重要指標，對氣候變化和人為活動較為敏感[10]，同時對風蝕坑發育也會產生動態影響。目前，對于風蝕坑的形態發育及動力學[11-13]、氣流場[14]、演變特征[15]等研究較多，而關于風蝕坑發育過程土壤性質的變化研究且較少，對草原風蝕坑發育的土壤環境影響尚不了解。因此，開展草原風蝕坑發育對土壤性質影響的研究可以清晰土壤質量的演化特征[16]。

基于此，本研究以錫林郭勒草原不同發育階段風蝕坑為研究對象，通過野外觀測取樣和室內土壤指標測定，揭示草原風蝕坑發育土壤特征，為進一步探究風蝕坑對草原生態系統結構和功能的影響以及風蝕坑發育與演化研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區錫林郭勒盟多倫縣（41°45′—42°39′N， 115°30′—116°55′E），屬中溫帶半干旱向半濕潤過渡的典型大陸性氣候，干冷多風。年均氣溫1.6 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-39.8 ℃，無霜期100 d左右。該區主要風向為西南和西北，其中西北風占比較高，并在4月出現最大值，年均風速3.6 m·s-1，年均降水量385 mm，年均日照3 000 h。土壤類型以栗鈣土、風沙土為主[17]。該區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 樣地設置及樣品采集 隨機選取15個風蝕坑作為研究對象。采用張德平等[19]對呼倫貝爾沙質草原形態、分類的研究成果，并根據研究區地形地貌特征、土層結構和地表形態，將所選的15個風蝕坑劃分為5種類型，分別為裸地沙斑、活躍發展、固定階段、消亡階段和活化階段，每個發育階段選取3個風蝕坑。在風蝕坑的入風口、坑底、坑后3個位置分別進行分層取樣，取樣深度為0—10、10—20 cm。分別將同一發育階段風蝕坑各土層3個位置的土樣混合均勻，每種類型的3個風蝕坑為3次重復，以風蝕坑外周邊未風蝕草地作為對照（CK）。將采集的土壤樣品裝入塑封袋帶回實驗室內自然風干，用于土壤粒度組成和土壤養分測定。

1.2.2 土壤粒度的測定 在內蒙古農業大學激光粒度儀實驗室采用Mastersizer 2000 激光粒度儀（英國 Malvern公司）測定土壤粒度。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質；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。測量時充分搖勻樣品溶液，迅速加入儀器中，每個樣品重復測定3次。

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

1.2.4 土壤粒度參數模型 采用美國制土壤粒徑分級標準：黏粒（0～2 μm）、粉粒（2～50 μm）、極細砂（50～100 μm）、細砂（100～250 μm）、中砂（250～500 μm）和粗砂（500～1 000 μm）。依據Folk-Ward[21]圖解法計算粒度參數，包括平均粒徑（d0）、標準偏差（δ）、偏度（SK）、峰態（Kg）。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2010 進行試驗數據的統計和整理，用SPSS 26軟件進行單因素方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行差異顯著性檢驗，使用Origin 2022軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 風蝕坑土壤粒度組成

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

2.2 風蝕坑土壤粒度參數特征

由表2可知，研究區平均粒徑為1.65～3.55 μm，未風蝕草地、消亡階段的平均粒徑顯著高于其他發育階段，其中活躍發展階段的平均粒徑最低；各發育階段的分選系數均低于未風蝕草地，消亡階段0—20 cm的分選系數與未風蝕草地差異不顯著，活躍發展階段的分選性表現最差，分選系數為0.78；與未風蝕草地相比，偏度表現為活躍發展階段較低，消亡階段較高，其他3個發育階段的偏度無顯著差異；峰態表現為裸地沙斑和固定階段較高，未風蝕草地、活躍發展階段較低。綜上，未風蝕草地屬于尖窄，活躍發展、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 風蝕坑土壤顆粒粒徑頻率分布

由圖2可知，不同發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范圍內出現第1個波峰，在100～1 000 μm范圍內出現第2個波峰，均在3 μm附近明顯凸出。土壤體積百分含量表現為：未風蝕草地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。未風蝕草地土壤累積體積分布曲線前期表現為稍陡峭，各發育階段的累積曲線則表現為平穩，150 μm后均趨于陡峭。0—10 cm 土層累積曲線近似“S”形，未風蝕草地土壤分布最均勻，活躍發展階段分布最不均勻。10—20 cm 土層累積曲線幾乎接近重合，同樣活躍發展階段土壤表現為最不均勻。在風蝕坑所有發育階段里活躍發展階段土壤顆粒分布情況最差。

2.4 風蝕坑土壤養分含量變化特征

由圖3可知，不同發育階段風蝕坑土壤有機質、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 含量表現為隨著風蝕坑發育至活躍階段逐漸降低，當風蝕坑進入固定階段時有所增加，活化時又下降；速效磷含量在未風蝕草地、活躍發展、活化階段較高，在裸地沙斑和固定階段含量較少；速效鉀含量在風蝕坑整個發育過程中不斷下降，直至風蝕坑走向消亡，在消亡階段有所增加，活化階段時又表現為下降；堿解氮含量在風蝕坑各個發育階段變化較小。

2.5 風蝕坑土壤養分與粒度相關關系

由圖4可知，風蝕坑土壤有機質與黏粒和粉粒呈正相關，與粗砂呈負相關；堿解氮與粗砂呈正相關；速效磷與黏粒和粉粒呈負相關；速效鉀與細砂呈負相關。

3 討論

3.1 不同發育階段風蝕坑土壤粒度特征

強烈的風蝕作用及人為活動干擾造成草原土層破口，進而形成風蝕坑[22]。風蝕坑發育改變了土層結構、粒度組成及土壤養分等。本研究表明，風蝕坑在發育過程中土壤表層顆粒逐漸粗化，砂粒含量表現為不斷上升趨勢，與王帥等[23]對沙質草原風蝕坑土壤粒度組成研究結果一致。風蝕坑發育一方面會造成草地逐漸沙化，由草原地貌加速演變為沙地地貌；另一方面由于土壤顆粒的搬運和沉積，使得細物質顆粒被帶走，土壤顆粒進行重新分選。張惜偉等[24]對呼倫貝爾沙質草原風蝕坑表層土壤粒度特征研究表明，該區除未風蝕草地含有極粗砂和礫石外，其他各發育階段風蝕坑皆不含。本研究顯示，研究區未風蝕草地與各發育階段風蝕坑皆不含極粗砂和礫石。這可能與區域環境、風況、沙源沉積物結構等因素有關，因此在土壤粒度組成上不同研究區域風蝕坑間存在差別。本研究表明，隨著風蝕坑不斷發育，黏粒和粉粒含量不斷減少，至活躍發展階段降到最低。張德平等[19]研究認為，草原表層土壤由粘結性良好的栗鈣土和植物根系組成，下層為粘性較差但緊實度大的沙土，當失去表層植被保護后極易形成散沙。活躍發展階段的風蝕坑幾乎無植被生長，而植被可以增加地表粗糙度，當風沙流攜過時可以降低風速，減小吹蝕作用，粉粒和黏粒質量輕且體積小，在該過程中易隨過境風形成風沙流，而大粒徑砂粒會保留下來形成均勻的沙質土壤。隨著風蝕坑的固定，微生物環境有所改善后植被持續穩定的生長，風沙流過境時會被植被截留，因而留下的細顆粒物質變多，粒度組成變細，粉粒和黏粒含量增加。消亡階段的風蝕坑土壤質量和性狀變好，地貌逐漸恢復為草原地貌。由于錫林郭勒盟降水量少，且該地常年受風沙活動以及人類活動的破壞，已經消亡的風蝕坑，當環境條件惡化、水分變差、風力作用加強時風蝕坑會再次活化，顆粒組成又會粗化。

3.2 不同發育階段風蝕坑土壤養分含量變化特征

土壤養分是影響植物群落生長和演替的重要因子，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量的重要指向性指標[25]。本研究表明，草原風蝕坑在發育過程中土壤有機質、速效鉀和速效磷均出現顯著下降趨勢，與張惜偉[26]對呼倫貝爾沙質草原土壤化學性質的研究結果相一致。風蝕坑發育造成土壤有機質、速效磷和速效鉀供給能力下降，是因為養分的來源發生了改變。土壤養分主要來源于植物，包括植物枯枝落葉分解形成的有機物以及植物根系分泌物的補給。而風蝕坑的發育過程就是植物群落消退的過程，植物根系和枯落物的減少是土壤養分下降的直接原因；另外土壤養分含量與微生物群落也息息相關，微生物可以促進植物枯枝落葉的分解，風蝕坑發育會造成土壤水分減少，從而使土壤堿性增強，進而影響土壤細菌群落數量及結構，間接造成土壤養分減少。此外，由于風蝕作用導致風蝕坑在發育過程中，細顆粒物質會被吹走[27]，砂粒含量顯著增加，土壤顆粒不斷粗化，砂土含量高，不易形成穩定的土壤團聚體，且土壤保水保肥能力降低，因而無法保護土壤中的有機質，導致其流失[28]。當環境條件有所改善時，風蝕坑到固定階段甚至消亡時，土壤有機質、速效磷和速效鉀含量又有所增加，充分說明風蝕坑發育是草原沙化的初始階段，養分損失量不大，應及時采取合理的防治措施，預防其惡化發展。本研究結果發現，土壤堿解氮含量在風蝕坑整個發育過程中波動較小，表明風蝕坑發育過程對氮元素的影響較小。研究發現，土壤磷含量在風蝕坑發育過程中先降低后升高，這可能是土壤磷元素除了生物有機質輸入外，母巖在風化時也會產生磷元素，從而使得土壤磷含量具有穩定的分布和可補償能力[29]。