科爾沁沙地不同草地利用方式下土壤粒度和有機(jī)碳分布特征

王 燕， 包 翔， 王明玖， 郝良杰， 艷 秀

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

科爾沁沙地面積約4.00×104km2，在全國(guó)十大沙漠中占居第五位，在歷史上曾經(jīng)為我國(guó)著名的科爾沁優(yōu)良草原分布地區(qū)，然而近百年來，由于生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞成為如今的茫茫沙地[1-2]，“沙進(jìn)人退”到“綠進(jìn)沙退”的綠色發(fā)展、“綠水青山就是金山銀山”的綠色思想以及科學(xué)治理沙化對(duì)整個(gè)華北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、民生等綜合效益具有重要的作用[3]。因沙化、風(fēng)蝕而導(dǎo)致的土壤細(xì)顆粒物的損失伴隨著土壤養(yǎng)分的損耗、貧瘠化，嚴(yán)重降低了土壤生長(zhǎng)植物的能力，也減弱了土壤的黏結(jié)力，反過來又促進(jìn)了土壤風(fēng)蝕，引起土壤顆粒粗化問題[4]。土壤顆粒粗化是我國(guó)北方草場(chǎng)退化、沙化的主要表現(xiàn)形式之一[5]，粒度作為影響地表土壤風(fēng)蝕的重要因子，能夠決定風(fēng)蝕顆粒的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和風(fēng)蝕強(qiáng)度[6-7]。隨著土壤顆粒的損失，有機(jī)碳也隨之流失，土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性與土壤侵蝕、生態(tài)系統(tǒng)的維持、發(fā)展及穩(wěn)定性機(jī)制有著緊密聯(lián)系[8]，由于草地利用方式的不同，土壤中物質(zhì)輸入與輸出方式存在一定的差異，加上人類活動(dòng)的影響，造成了不同草地利用方式下土壤中不同粒徑分布特征及有機(jī)碳含量有所差異[9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[10-15]也對(duì)草地、沙地、農(nóng)田等不同土地利用方式下土壤粒度與有機(jī)碳的分布特征及變化[9，16]進(jìn)行了大量的研究，并得出了一些相似的結(jié)論，也都取得了相應(yīng)的成果，但是生態(tài)環(huán)境日趨惡化的局面尚未得到控制，草地退化導(dǎo)致的區(qū)域貧困問題未能得到根本解決[2，17]，目前在科爾沁沙地從土壤粒度分布規(guī)律及變化角度揭示不同草地利用方式土壤粒度特征和有機(jī)碳分布的研究較少。本研究以科爾沁沙地烏力吉木倫河流域流動(dòng)和半固定風(fēng)沙土為研究對(duì)象，對(duì)圍封草地、退化程度不同并且伴隨有沙化的輕度、重度鹽堿化草地和人工種植牧草的燕麥地、苜蓿地等不同草地利用方式下粒度與有機(jī)碳含量及相關(guān)性進(jìn)行了探索研究，旨在揭示科爾沁沙地在退化過程當(dāng)中土壤有機(jī)碳的損失速率，為科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏力吉木倫河古代是科爾沁草原的河流是屬遼河西源西遼河水系新開河的支流，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東北部通遼市西部。地理坐標(biāo)位于43°50′13″—45°35′31″N，119°13′48″—121°56′05″E，經(jīng)阿魯科爾沁旗和通遼市扎魯特旗，注入新開河，總長(zhǎng)度250 km，河流面積3.34×104km2，扎魯特旗屬內(nèi)蒙古高原向松遼平原過渡地帶。該地區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，太陽輻射較強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，年均氣溫6.6 ℃。無霜期中南部較長(zhǎng)，北部較短，平均139 d。春旱多風(fēng)，年均降雨量382.5 mm，主要集中在7—8月，年均蒸發(fā)量1 800 mm以上，年均濕度49%，年均風(fēng)速2.7 m/s，海拔一般在400～600 m之間，最高達(dá)1 500 m。地帶性土壤為栗鈣土，非地帶性土壤為沼澤土、鹽土、堿土、草甸土，風(fēng)沙土[17]，流域內(nèi)主要植被包括堿地膚(KochiascopariaSchred. var.sieversiana)、峰芒草(Tragusracemosus)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、堿韭(Alliumpolyrhizum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狗尾草(Setariaviridis)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

于2017年8月初進(jìn)行土壤樣品的采集，在科爾沁沙地進(jìn)行野外考察的基礎(chǔ)上，結(jié)合扎魯特旗當(dāng)?shù)氐耐寥李愋头植寂c土地利用方式在《北方草甸退化草地治理技術(shù)與示范課題》區(qū)域內(nèi)選擇5種典型樣地，分別為2013年圍封天然草地(E)、因過度放牧和氣候因素導(dǎo)致的嚴(yán)重退化的伴隨沙化和鹽堿化的輕度鹽堿退化樣地(LG)、重度鹽堿退化樣地(HG)和半固定沙丘地進(jìn)行人工種植的多年生豆科植物苜蓿樣地(M)和一年生禾本植物燕麥樣地(A)。用土鉆進(jìn)行分層取樣，取樣前一周內(nèi)無大風(fēng)和降水，每個(gè)樣地按照多點(diǎn)同層混合采集法進(jìn)行采樣，每個(gè)樣地選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)選取7個(gè)點(diǎn)，取樣深度為0—20 cm，20—30 cm，30—50 cm，將樣品放入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤粒度測(cè)量使用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀(以體積分?jǐn)?shù)計(jì))測(cè)定0—20 cm土層粒度，儀器測(cè)量范圍0.01～3 500 μm，土壤粒徑按照美國(guó)制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分[18]：黏粒(<2 μm)、粉粒(2～<50 μm)、極細(xì)砂(50～<100 μm)、細(xì)砂(100～<250 μm)、中砂(250～<500 μm)、粗砂(500～<1 000 μm)，測(cè)定0—20 cm，20—30 cm，30—50 cm土層有機(jī)碳含量，采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法。

數(shù)據(jù)處理與作圖采用Excel軟件；GRADISTAT粒度處理軟件；SAS統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤粒度組成和參數(shù)特征

由各樣地0—20 cm土層粒度組成特征可以看出(表1)，各樣地表現(xiàn)出以粉粒和砂粒為主，苜蓿樣地和燕麥樣地以砂粒為主，體積百分含量分別為78.24%和69.56%，其他3個(gè)樣地以粉粒和砂粒為主，圍封草地粉粒體積百分含量為58.75%，砂粒體積百分含量為41.06%，輕度鹽堿化樣地粉粒體積百分含量為47.20%，砂粒體積百分含量為52.73%，重度鹽堿化樣地粉粒體積百分含量為50.96%，砂粒體積百分含量為48.61%。通過對(duì)砂粒進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)苜蓿樣地和燕麥樣地砂粒主要以極細(xì)砂、細(xì)砂和中砂組成，圍封草地、輕度、重度鹽堿化樣地以極細(xì)砂和細(xì)砂為主，中砂、粗砂粒徑含量加和不足5%。不同樣地相同粒徑含量之間存在顯著差異，各樣地黏粒含量均不足1%，苜蓿樣地和燕麥樣地黏、粉、極細(xì)砂含量顯著低于其他3個(gè)樣地，細(xì)砂、中砂含量顯著高于其他3個(gè)樣地，輕度鹽堿化樣地比其他樣地具有較高的粗砂含量，但含量極其少。

燕麥和苜蓿樣地細(xì)砂和中砂體積百分含量比其他樣地明顯高是與苜蓿和燕麥?zhǔn)窃诎牍潭ǖ牧鲃?dòng)沙丘上種植有密切的關(guān)系，其基底組分為砂粒。從各類樣地中值粒徑來看，燕麥和苜蓿樣地相比其他樣地顯著較高，由于開墾的作用，苜蓿樣地和燕麥樣地相比其他3個(gè)樣地具有更高的峰值。

表1 各樣地0-20 cm土壤粒度組成和參數(shù)特征

注：土壤顆粒組成單位為%； 不同小寫字母表示各樣地相同粒徑間顯著差異(p<0.05)。M為半固定沙丘地進(jìn)行人工種植的多年生豆科植物苜蓿樣地； A為一年生禾本植物燕麥樣地。

累積頻率分布曲線可以反映土壤顆粒的分布情況，一般曲線越陡峻，顆粒分布越均勻[12]。通過分析5種樣地0—20 cm土壤粒度累積頻率曲線可知(圖1)，圍封草地和重度鹽堿化樣地均勻度較好，各樣地累積頻率曲線在10～100 μm之間變化最大，表示各樣地土壤顆粒粒徑在此范圍內(nèi)最集中。不同土地利用方式下各樣地土壤粒度累積頻率平均距離在100 μm處出現(xiàn)一個(gè)明顯的變化，也就是說平均距離最大值在100 μm處，說明在100 μm處各樣地顆粒粒徑差異較大，100 μm處土壤顆粒含量最易受到自然以及人為條件的干擾影響。

由不同草地利用方式下土壤粒度頻率分布曲線可以看出(圖2)，5個(gè)樣地粒徑分布存在一定的差異，各樣地在10 μm處左右出現(xiàn)第一個(gè)波峰，第二個(gè)波峰在100 μm前后，其中苜蓿樣地在100 μm左右處波峰最為明顯，其次為燕麥樣地，且波峰均在100 μm之后，說明燕麥和苜蓿樣地比其他樣地土壤粗顆粒分配較多，此結(jié)果與前面的分析一致。

圖1 各樣地0-20 cm土壤粒度累計(jì)頻率曲線及其差異

圖2 各樣地0-20 cm土壤粒度頻率曲線

2.2 土壤顆粒粗化與有機(jī)碳動(dòng)態(tài)

土壤顆粒粗化主要是由風(fēng)蝕引起的土壤細(xì)顆粒的遷移和損失。由各樣地0—20 cm小于100 μm土壤粒度組分分配可以看出(圖3)，圍封草地、輕度和重度鹽堿化樣地<100 μm土壤顆粒含量處于較高的水平，苜蓿樣地和燕麥樣地粒徑小于100 μm土壤粒度含量明顯小于其他樣地，圍封草地相比小于100 μm粒度含量最少的苜蓿樣地多出44.46%，比燕麥樣地多出40.23%，說明收割過程破壞了土壤表層，因此地表松散的土壤侵蝕程度較嚴(yán)重，燕麥和苜蓿樣地在細(xì)顆粒分配比例上出現(xiàn)差異性是與收割次數(shù)有著一定的關(guān)系，一年中苜蓿比燕麥多收割一次所以在小于100 μm顆粒分配比例上明顯小于苜蓿樣地，收割次數(shù)越多對(duì)土壤表層的破壞越大。為了解研究區(qū)有機(jī)碳和粒度的相關(guān)性，用小于100 μm土壤粒度組分含量與土壤有機(jī)碳含量繪制了散點(diǎn)圖(圖4)，進(jìn)行相關(guān)性擬合發(fā)現(xiàn)二者具有線型相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.800 7，且土壤中小于100 μm 顆粒組分每被吹蝕1%，其有機(jī)碳含量將損失0.120 4 g/kg。

圖3 各樣地0-20 cm小于100 μm土壤粒度組分分配

2.3 各樣地土壤有機(jī)碳含量的垂直變化

從各樣地土壤有機(jī)碳含量垂直變化可以看出(圖5)，隨著土層的加深有機(jī)碳含量逐漸變小，燕麥樣地各層有機(jī)碳含量在各樣地中表現(xiàn)出最高，這種現(xiàn)象與燕麥的生長(zhǎng)特點(diǎn)和根系分布有著密切的聯(lián)系，前人的研究表明種植苜蓿固氮的同時(shí)也能提高土壤有機(jī)碳含量[19]，與外援物質(zhì)也有著一定的聯(lián)系，而苜蓿樣地有機(jī)碳含量表現(xiàn)出比圍封草地和輕度鹽堿化樣地低與收割次數(shù)有著一定的關(guān)系，收割次數(shù)多會(huì)直接破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒的減少將會(huì)大大降低有機(jī)碳含量，燕麥地有機(jī)碳含量高這種現(xiàn)象與陶貞等[20]在高寒草甸土壤有機(jī)碳含量分布的研究結(jié)果一致，雖然翻耕種植燕麥和苜蓿在一定程度上導(dǎo)致土壤沙化，但能有效的提高土壤的有機(jī)碳含量，土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和積累是一個(gè)較為緩慢的過程，輕度鹽堿化樣地表層少量枯枝落葉的分解使機(jī)碳含量在各樣地中處在較高的階段，而隨著水土流失嚴(yán)重，地面裸露，植物根系不發(fā)達(dá)重度鹽堿化樣地有機(jī)碳含量在各樣地中表現(xiàn)出最低，且各樣地有機(jī)碳含量有土層深度呈對(duì)數(shù)擬合關(guān)系。

圖4 小于100 μm土壤粒度組分含量與有機(jī)碳含量相關(guān)關(guān)系

圖5 各樣地土壤有機(jī)碳含量垂直變化

3 討 論

受氣候干旱、沙漠化過程活躍，加之過度放牧和人類活動(dòng)，湖淖和低洼甸子地的蒸發(fā)作用等各方面的因素使科爾沁沙質(zhì)草甸土形成了不同程度的鹽堿化、沙化草地[21-22，17]。本研究通過分析不同土地利用方式下土壤粒度組成和有機(jī)碳含量發(fā)現(xiàn)，無植被覆蓋的重度鹽堿化樣地粉粒分配比例僅次于圍封草地，但有機(jī)碳含量明顯低于圍封草地和其他樣地，輕度鹽堿化樣地和以粉粒和砂粒為主，有機(jī)碳含量次于圍封草地，圍封草地有機(jī)碳含量次于燕麥和輕度鹽堿化樣地，而人工種植的燕麥樣地雖以砂粒為主，但有機(jī)碳含量在各樣地中表現(xiàn)出最高，因此，不同土地利用方式對(duì)土壤粒度組成、分布特征、有機(jī)碳含量影響均是不同的。

研究區(qū)輕度和重度鹽堿化樣地表現(xiàn)出粉粒含量多一方面是因?yàn)閴A土中存在大量的鈉離子導(dǎo)致土壤表層表現(xiàn)出較強(qiáng)的黏結(jié)、黏著和可塑性，外加氣候干旱水分蒸發(fā)量大土壤表層形成光滑堅(jiān)實(shí)的地表，使地表組分運(yùn)移能力明顯的減少，雖然鹽堿地土壤理化性質(zhì)惡劣不能生長(zhǎng)植物但是堅(jiān)實(shí)的光滑地表這一特征在一定程度上減少了土壤細(xì)顆粒的風(fēng)蝕；另一方面堿土中的堿化層有利于細(xì)顆粒的聚集[23]，但鹽堿地的抗風(fēng)蝕能力遠(yuǎn)低于圍封草地土壤形成的生物結(jié)皮，雖然有堅(jiān)實(shí)的地表和堿化層的保護(hù)，加之人類和畜牧活動(dòng)，地面的保護(hù)層終會(huì)被破壞，并且流域內(nèi)坨甸相間，地下水位較淺，在干旱多風(fēng)的氣候下依舊能成為沙化的物源[24]。根據(jù)前人對(duì)扎魯特旗荒漠化土地調(diào)查可知[17]，烏力吉木倫河流域地區(qū)鹽堿化土地分布較廣，湖淖周圍和低洼的甸子地因蒸發(fā)作用致使鹽分在土壤表層積累使鹽堿化更加嚴(yán)重，再加上風(fēng)力和降水直接作用于裸地地表又加劇了土壤沙化和風(fēng)蝕[25-26]，鹽堿地細(xì)顆粒多但有機(jī)碳含量較低，這與前人[27-28]研究的細(xì)顆粒含量較多的土壤有機(jī)碳含量也相應(yīng)較高，其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果有著一定的差異，因鹽堿地成土過程復(fù)雜雖細(xì)顆粒含量多，但因惡劣的理化性質(zhì)有機(jī)碳含量極其低，兩者的關(guān)系較為復(fù)雜，有待長(zhǎng)期深入研究。研究區(qū)圍封草地黏粒、粉粒、極細(xì)砂含量加和達(dá)到81.44%，其中粉粒含量在各樣地均表現(xiàn)出最高且存在顯著性差異，且有機(jī)碳含量比重度鹽堿化樣地高出很多，由此可知，圍封后植被在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中得以恢復(fù)，植被覆蓋度的提高能有效降低群落中地表風(fēng)速，保存大氣過程所攜帶的粉塵[29]，土壤當(dāng)中粗顆粒逐漸向細(xì)小顆粒轉(zhuǎn)化，因此土壤中細(xì)小顆粒物逐漸積累含量較多，這與張曉娜等[28]在不同植被覆蓋下土壤粒度組成與養(yǎng)分特征研究的結(jié)果相似，說明圍封措施對(duì)控制土壤沙化、增加土壤抗蝕能力、改善土壤肥力等方面均起到顯著的作用[30]，圍封措施在干旱半干旱區(qū)域也是最為推薦的兩種碳截存方式之一，Grandy等[31]認(rèn)為，在短時(shí)期內(nèi)退化草地恢復(fù)的土壤碳截存效應(yīng)在表層最為顯著。而人工種植的苜蓿和燕麥樣地與圍封草地和鹽堿化樣地相反，以砂粒含量為主，且砂粒含量中以極細(xì)砂為主，原因在于翻耕之后土壤脆弱的表層結(jié)構(gòu)遭到破壞，疏松了表土層，使土壤實(shí)際抗蝕穩(wěn)定性降低，細(xì)小顆粒物易被風(fēng)搬運(yùn)[32]，燕麥樣地雖以砂粒為主但有機(jī)碳含量在各樣地中表現(xiàn)出最高，苜蓿樣地僅次于輕度鹽堿化樣地、燕麥樣地，與圍封草地不相上下，雖然翻耕及多次收割對(duì)土壤表層造成一定的破壞，但有機(jī)碳含量的高低與燕麥和苜蓿自身的根系和生長(zhǎng)特點(diǎn)有著極其重要的聯(lián)系，所以不同的植被分布特點(diǎn)及覆蓋度與土壤微環(huán)境的形成有著緊密的關(guān)系，影響也是多方面的[25]。

有研究表明100～150 μm處顆粒最易被搬運(yùn)[33]，本試驗(yàn)中各類樣地土壤粒度累積頻率平均距離最大值出現(xiàn)在100 μm 左右，也就是說100 μm處顆粒最易被搬運(yùn)，從古地質(zhì)環(huán)境來看，烏力吉木倫河流域處在泥盆系和石炭二疊系砂頁(yè)巖上，河谷中多為黃土狀沉積物以及沖洪積物，東亞季風(fēng)氣候尾閭區(qū)，四季分明，春季干旱多風(fēng)又是農(nóng)牧交錯(cuò)的敏感區(qū)域[34，17]，在這樣的基質(zhì)下下伏沙質(zhì)沉積物和粗顆粒更容易發(fā)生運(yùn)移，因此各類樣地粒徑在100 μm 左右變化較大。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量與各粒級(jí)含量具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.800 4，且土壤中小于100 μm 顆粒組分每被吹蝕1%，其有機(jī)碳含量將損失0.120 4 g/kg，細(xì)顆粒的比表面積越大，越有利于有機(jī)碳的吸附和富集，也可以解釋為小粒級(jí)有助于土壤養(yǎng)分離子的吸附和保存，即土壤顆粒越粗土壤有機(jī)碳含量越少，有機(jī)碳含量較高的土壤，其理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定[35]。

4 結(jié) 論

(1) 科爾沁沙地5種草地利用方式下表層粒度分布特征和各層有機(jī)碳含量均存在顯著差異，各樣地中圍封草地對(duì)控制土壤侵蝕、保存和提高有機(jī)碳含量起到明顯的作用，說明不同土地利用方式對(duì)土壤粒度及有機(jī)碳含量的影響均是不同的，使土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳含量發(fā)生一定的變化。

(2) 科爾沁沙地5種草地利用方式下圍封草地、輕度、重度鹽堿化樣地表現(xiàn)出細(xì)顆粒含量較多，苜蓿和燕麥樣地粗顆粒含量較多，但燕麥樣地有機(jī)碳含量在各樣地中表現(xiàn)出最高，粒度參數(shù)特征顯示苜蓿和燕麥樣地相比其他3個(gè)樣地中值粒徑最大，峰值最高，說明開墾在一定程度上促使了土壤風(fēng)蝕，但在流動(dòng)和半固定沙丘上適當(dāng)?shù)姆N植禾本植物會(huì)提高土壤有機(jī)碳含量。

(3) 科爾沁沙地5種草地利用方式下土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示粒徑在100 μm 左右顆粒為易受侵蝕顆粒。

(4) 科爾沁沙地5種草地利用方式下有機(jī)碳含量均隨土層深度變小，放牧是土壤風(fēng)蝕的首要因素，退化的重度鹽堿化樣地有機(jī)碳含量最低，燕麥樣地有機(jī)碳含量表現(xiàn)出最高，開墾促使了土壤風(fēng)蝕，開墾地相比天然草地表現(xiàn)出明顯的風(fēng)蝕特征，多種因素而導(dǎo)致退化的鹽堿化樣地細(xì)小顆粒雖多但有機(jī)碳含量及其少，而適當(dāng)種植牧草能促進(jìn)有機(jī)碳的積累，有助于土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和截存，因此，在丘間平地分布的鹽堿化草甸土地，根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合圍封措施種植混播豆科和禾本科牧草能有效提高有機(jī)碳含量和防止土壤侵蝕。