川西北高寒草地沙化進(jìn)程中土壤物理性質(zhì)的變化—以理塘縣為例*

劉 朔，陳天文，蔡凡隆，楊建勇，鄒 峽，朱子政

(1.四川林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081;2.四川省長(zhǎng)江造林局涼山分局，四川 冕寧 615608)

引言

川西北位于四川省西部，地處青藏高原東南緣，包括四川省甘孜藏族自治州的全部18個(gè)縣，阿壩藏族羌族自治州的全部13個(gè)縣，共計(jì)31個(gè)縣，總面積23.7萬km2。2009年川西北沙化土地面積達(dá)82.19萬 hm2，占全省沙化土地的 89.9%［1］。1994 年至2009年間沙化總面積增加了28.1%，表明川西北草地呈嚴(yán)重沙化的趨勢(shì)，土地沙化已經(jīng)嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

對(duì)川西北高寒沙區(qū)草地沙化進(jìn)程中土壤物理性質(zhì)變化的研究尚不多見，本研究以川西北高寒沙區(qū)典型沙化縣—理塘縣為例，以不同沙化程度高寒草地土壤物理性質(zhì)的變化為研究重點(diǎn)，以揭示高寒草地沙化進(jìn)程中土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律，為川西北高寒沙區(qū)沙化草地的生態(tài)治理及恢復(fù)研究與實(shí)踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

理塘縣位于四川省西部、甘孜藏族自治州西南部，地處康南中心，地理位置為東經(jīng)99°19'～100°56'，北緯 28°57'～30°43'。幅員面積14182 km2，其中草地面積占總面積58.9%，縣城海拔4014.187 m，素有“世界高城”之稱。

理塘縣氣候?qū)俅箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，多年來平均降雨量718.9 mm，平均蒸發(fā)量767.8 mm，平均氣溫為3.5℃，1月平均氣溫為－6.7℃，7月平均氣溫為11℃，極端最高氣溫為25.6℃，極端最低氣溫為－30.6℃，≥0℃積溫3256℃，≥10℃的積溫2301.2℃，年平均風(fēng)速為12 m·s－1，最大風(fēng)速為25 m·s－1，多為東北風(fēng)，年平均風(fēng)日數(shù)24.3(≥8級(jí))，平均風(fēng)能密度7.6 w·m－2。

2 研究方法

2.1 沙化類型的確定

沙化土地技術(shù)指標(biāo)依據(jù)《四川省沙化監(jiān)測(cè)技術(shù)操作細(xì)則》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［2］。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沙化類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 土地樣品采集及測(cè)定方法

采用空間序列代替時(shí)間序列的研究方法［3］，2012年8月在理塘縣的高城鎮(zhèn)和奔戈鄉(xiāng)進(jìn)行取樣，在不同沙化類型的草地上分別隨機(jī)布設(shè)20個(gè)10 m×10 m的樣方，在每個(gè)樣方的四角和中部共選設(shè)5個(gè)點(diǎn)，按0～20 c m和20 cm ～40 cm深度分層取樣，每個(gè)土層用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)測(cè)定容重、毛管孔隙度和總孔隙度，同時(shí)分層采集一定質(zhì)量土樣(每層質(zhì)量不小于1 kg)，帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤粒徑等相關(guān)分析。土壤容重、孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法，土壤粒徑分析采用簡(jiǎn)易比重計(jì)法［4］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機(jī)械組成的變化

土壤是由大小不同的土粒按不同的比例組合而成的，這些不同的粒級(jí)混合在一起表現(xiàn)出的土壤粗細(xì)狀況，稱土壤機(jī)械組成或土壤質(zhì)地。土壤機(jī)械組成是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，也是影響土壤水肥狀況的關(guān)鍵因子［5，6］。

研究區(qū)高寒草地土壤機(jī)械組成整體較粗，土壤中砂粒含量比重很大，表明研究區(qū)土壤中有較多的沙物質(zhì)，即本身存在沙化的物質(zhì)條件。天然草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中平均砂粒(＞0.05 mm)含量分別為77.06%、75.29%，平均粘粒(＜0.02 mm)含量分別為12.03%、12.77%;而沙化草地在0～20 cm層深度中平均砂粒含量在82.11% ～92.13%之間，粘粒(＜0.02 mm)含量?jī)H在4.14% ～8.52%之間;沙化草地在20 cm～40 cm層深度中平均砂粒含量在80.01%～92.55%之間，粘粒(＜0.02 mm)含量?jī)H在4.23% ～9.54%之間。和北方相關(guān)沙區(qū)比較［7，8］，在0 ～20 cm 層，沙化草地砂粒含量(平均砂粒含量為82.11% ～92.13%)要普遍小于科爾沁沙地(平均砂粒含量為86.9% ～98.9%)和渾善達(dá)克沙地(根據(jù)研究王利兵的研究［8］，其半固定沙地表層平均砂粒含量達(dá)96.9%)。

隨沙化程度的加劇，0～20 cm層和20 cm～40 cm層總體呈現(xiàn)出砂粒含量逐步增加，而粘粒和粉粒(0.002 mm～0.05 mm)含量逐步下降的趨勢(shì)，見圖1，圖2，圖3。表明在高寒草地的沙化進(jìn)程中隨著植被蓋度降低，使得上層土壤受到風(fēng)蝕作用影響逐步粗化從而使其機(jī)械組成的呈現(xiàn)層間差異。

圖1

圖2

圖3

根據(jù)Bagnold研究［9］，風(fēng)吹沙粒的粒徑一般在0.15 mm～0.30 mm，土壤中粒徑0.05 mm～0.5 mm的顆粒比重越高，土壤越容易發(fā)生風(fēng)蝕且風(fēng)蝕程度越大。從本次調(diào)查的樣地來看，以粒徑在0.05 mm～0.5 mm之間的砂粒所占比重最大，均在72%以上，表明理塘縣高寒草地土壤本身容易發(fā)生風(fēng)蝕。其中，天然草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中粒徑(0.05 mm～0.5 mm)平均含量(占總的機(jī)械組成)分別為74.24%、74.26%;沙化草地在0～20 cm層和20 cm～40 cm層深度中粒徑(0.05 mm～0.5 mm)含量(占總的機(jī)械組成)分別達(dá)75.73% ～82.75%、72.89% ～86.79%。詳見表2。

表2 理塘縣高寒沙化草地機(jī)械組成

3.2 土壤容重的變化

土壤容重不僅是土壤機(jī)械組成和孔隙度的綜合反映，也是判斷土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力水平和退化程度的重要指標(biāo)［10］。

隨著沙化程度的加劇，土壤上層和下層容重均呈逐步增加的趨勢(shì)，見圖4和表3。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均容重分別為0.842 g·cm－3、1.027 g·cm－3。沙化草地在 0 ～20 cm 容重在1.125 g·cm－3～1.353 g·cm－3之間，20 cm～40 cm層沙化草地容重在1.211 g·cm－3～1.404 g·cm－3之間。與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地在0～20 cm層土壤容重增幅分別為 33.61%、50.59%、54.99%、60.69%;20 cm～40 cm層土壤容重增幅分別為17.92%、19.96%、32.52%、36.71%。表明20 cm～40 cm層土壤容重變化幅度不如0～20 cm層。隨著沙化程度的加劇，土壤容重逐步增加的原因是牛羊踐踏，加之植被蓋度減少，使得土壤中植物殘?bào)w減少，有機(jī)質(zhì)含量降低，影響植物根系的生長(zhǎng)，使土壤緊實(shí)板結(jié)，導(dǎo)致土壤容重的增加。

表3 理塘縣高寒沙化草地土壤容重(g·cm－3)

圖4

從層間差異來看，對(duì)照、露沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地上層容重均小于下層容重，其中對(duì)照上、下層容重差異最顯著，而固定沙地上層容重反而大于下層容重。

3.3 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙大小是土壤物理性質(zhì)的基本特征也是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)［10］。

理塘縣高寒草地的土壤總孔隙度隨沙化程度的加劇而減小。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均土壤總孔隙度分別為57.6%、50.7%。沙化草地在0～20 cm平均土壤總孔隙度在37.6%～43.7%之間，沙化草地在20 cm～40 cm平均土壤總孔隙度在35.9%～39.8%之間。與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地在0～20 cm層土壤總孔隙度增幅分別為24.13%、29.69%、32.99%、34.72%;20 cm～40 cm層土壤總孔隙度增幅分別為 21.5%、24.26%、25.64%、29.19%，表明20 cm～40 cm層土壤總孔隙度變化幅度不如0～20 cm層。詳見表4和圖5。

表4 理塘縣高寒沙化草地土壤總孔隙度(%)

圖5

理塘縣高寒草地的土壤毛管孔隙度隨沙化程度的加劇而減小。天然草地土壤0～20 cm層和20 cm～40 cm層平均土壤毛管孔隙度分別為45.2%、40.4%。沙化草地在0～20 cm層平均土壤毛管孔隙度在32.2% ～36.8%之間，沙化草地在20 cm～40 cm層平均土壤毛管孔隙度在31.6%～35.3%之間，與天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地在0～20 cm層土壤毛管孔隙度增幅分別為 18.58%、20.8%、26.33%、28.76%;20 cm ～40 cm層土壤毛管孔隙度增幅分別為12.62%、16.34%、20.3%、21.78%，表明20 cm～40 cm層土壤毛管孔隙度變化幅度不如0～20 cm層。詳見表5和圖6。

表5 理塘縣高寒沙化草地土壤毛管孔隙度(%)

圖6

4 結(jié)論及討論

4.1 川西北高寒草地具備潛在的沙化物質(zhì)條件

從本次調(diào)查來看，理塘縣高寒草地砂粒含量很高，平均在75%以上，從較長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展角度分析，理塘縣沙化草地的地質(zhì)主體部分是第四紀(jì)構(gòu)造沉降階段形成的河湖相沉積物，出露巖層風(fēng)化后含沙量高，因此高寒草地表層植被受破壞后，很容易導(dǎo)致沙化［11］。從整個(gè)川西北高寒草地來看，相當(dāng)部分草地的地層出露巖層主要有T2、T3砂板巖、頁巖和第四紀(jì)松散堆積沉積物，T2、T3砂板巖、頁巖風(fēng)化后含沙量高，第四紀(jì)松散堆積沉積物又主要是粉沙沉積和沼澤沉積，粉沙分布廣泛［12］。因此，可以說川西北高寒草地區(qū)具備潛在的沙化物質(zhì)條件。

4.2 川西北高寒草地沙化初始階段(天然草地——露沙地)是沙化防治的關(guān)鍵階段

在理塘縣高寒草地沙化初始階段(天然草地→露沙地)過程中，在0～20 cm層土壤容重增加幅度、土壤總孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分別為33.61%、24.13%、18.58%，其變化幅度均大于露沙地→流動(dòng)沙地的沙化發(fā)展階段(土壤容重增加幅度、土壤總孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分別為20.27%、13.96%、12.5%)。在20 cm～40 cm層，沙化初始階段的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度的變化幅度也同樣大于沙化發(fā)展階段。因此，高寒草地沙化初始階段(天然草地→露沙地)是土壤物理性質(zhì)變化最大的階段，其原因可能是天然草地向露沙地轉(zhuǎn)化過程中，由于天然草地本身具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，其抗逆性強(qiáng)，對(duì)外界干擾有較大的“緩沖性”(土壤物理性質(zhì)體現(xiàn)就是容重和孔隙度所表現(xiàn)出來的較大變化幅度)，一旦累積干擾超過緩沖的“閾值”，沙化進(jìn)程就呈加快的趨勢(shì)(土壤物理性質(zhì)體現(xiàn)就是沙化發(fā)展階段土壤容重和孔隙度變化幅度要小于沙化初始階段)，因此，從沙化防治理的角度看，川西北高寒草地沙化初始階段是沙化防治的關(guān)鍵階段。

［1］四川省林業(yè)廳，四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院.四川省沙化土地監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.2010.3.

［2］四川省林業(yè)廳.四川省第四次沙化監(jiān)測(cè)技術(shù)操作細(xì)則［R］.2009.4

［3］王輝，任繼周，袁宏波.黃河源區(qū)高寒草地沙化進(jìn)程中土壤物理性質(zhì)的變化(簡(jiǎn)報(bào))—以瑪曲為例［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2007，16(1):30.

［4］中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海:上?？萍汲霭嫔纾?978.

［5］樊華，楊志國(guó)，叢志軍，等.防護(hù)林帶和封育對(duì)沙化草場(chǎng)土壤理化性質(zhì)的影響［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2007，5(6):43～46.

［6］王彥武，廖超英，徐恒.毛烏素沙地固沙林土壤物理性狀研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，23(3):36～39.

［7］張繼義，趙哈林.退化沙質(zhì)草地恢復(fù)過程土壤顆粒組成變化對(duì)土壤－植被系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18(4):1395～1401.

［8］王利兵，胡小龍，余偉蒞，等.沙粒粒徑組成的空間異質(zhì)性及其與灌叢大小和土壤風(fēng)蝕相關(guān)性分析［J］.干旱區(qū)地理，2006，29(5):688～692.

［9］BAGNOLD R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes［M］.London:Methuen，1941，50 ～58.

［10］紅梅，韓國(guó)棟，趙萌莉.放牧強(qiáng)度對(duì)渾善達(dá)克沙地土壤物理性質(zhì)的影響［J］.草業(yè)科學(xué)，2004，21(12):108 ～111.

［11］理塘縣土壤普查辦公室.理塘縣土壤［R］.1986.12.

［12］四川省林業(yè)廳.川西北地區(qū)沙化科學(xué)考察報(bào)告［R］.2007.5.