王 農(nóng),彭 浪,,湯崇軍*,莫明浩,段 劍,劉士余
(1.江西省水利科學(xué)院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330029;2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330045)
土壤沙漠化是全球所面臨最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[1-2],不僅在干旱及半干旱地區(qū)普遍存在,在濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)也同樣存在土壤沙漠化現(xiàn)象。據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局第四次全國(guó)荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì),中國(guó)南方的濕潤(rùn)沙化土地分布廣泛,面積達(dá)到0.88萬(wàn)km2[3],加上不合理的人類活動(dòng),嚴(yán)重威脅生態(tài)安全,影響人民的生產(chǎn)生活。當(dāng)前,對(duì)于土壤沙漠化防治的研究多集中在干旱及半干旱地區(qū)[4-6],對(duì)于濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)的研究尚不足。濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)的沙地物種組成及生境條件,與干旱及半干旱地區(qū)存在較大的差異。因此,研究濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)風(fēng)沙化過(guò)程中的土壤性質(zhì)變化,對(duì)于風(fēng)沙化土壤植被的恢復(fù)工作具有重要意義。
鄱陽(yáng)湖區(qū)作為典型的濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū),地處長(zhǎng)江中游,在長(zhǎng)江流域生態(tài)安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中都發(fā)揮著巨大作用[7]。但近代以來(lái),由于受人口、經(jīng)濟(jì)、資源和發(fā)展等多重壓力的影響,鄱陽(yáng)湖區(qū)的生態(tài)嚴(yán)重退化,水土嚴(yán)重流失[8]。除水蝕外,風(fēng)蝕現(xiàn)象在鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)也廣泛存在,不僅導(dǎo)致風(fēng)蝕劣地的形成,還破壞植被、壓埋農(nóng)田、毀壞耕地,導(dǎo)致人地矛盾日益突出,嚴(yán)重影響了鄱陽(yáng)湖區(qū)的生態(tài)安全、糧食安全和社會(huì)安全[9]。相關(guān)調(diào)查表明,江西省主要風(fēng)沙區(qū)的沙地面積為282.47 km2,主要分布于鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)和“五河”尾閭區(qū),其中以都昌多寶沙山最為典型[10]。當(dāng)前,對(duì)于鄱陽(yáng)湖區(qū)沙地的研究主要集中于沙山形成、泥沙來(lái)源和植物多樣性等方面[11-13],而對(duì)于土地風(fēng)沙化過(guò)程中土壤理化性質(zhì)變化的研究鮮見(jiàn)。鑒于此,本文以鄱陽(yáng)湖區(qū)都昌縣多寶鄉(xiāng)風(fēng)蝕區(qū)為研究區(qū),采用空間代替時(shí)間的方法,以土地風(fēng)沙化過(guò)程中固定沙丘、半流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙丘為研究對(duì)象,研究了土地風(fēng)沙化過(guò)程中土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律,以期為鄱陽(yáng)湖濱湖地區(qū)的沙地植被恢復(fù)和土地風(fēng)沙化防治提供科學(xué)參考依據(jù)。
江西省都昌縣多寶沙山位于鄱陽(yáng)湖入江洪道右岸(116°3′~116°7′42″E, 29°21′22″~29°21′18″N),南北長(zhǎng)10 km,東西寬2 km,海拔46.4~ 242.9 m,屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候,自然土壤以紅壤、黃棕壤為主,在風(fēng)的作用下退化為風(fēng)沙土,土壤結(jié)構(gòu)松散,養(yǎng)分含量低,保水、保肥能力差。沙山氣溫較高,雨量充沛,年平均降雨量為1400~1900 mm,蒸發(fā)量為1774~1890 mm,平均氣溫17.4 ℃,最高氣溫42.0 ℃,最高地表溫度69.5 ℃,全年無(wú)霜期241~304 d,年均風(fēng)速2.9~3.8 m/s,全年發(fā)生5級(jí)以上大風(fēng)21 d。該區(qū)整個(gè)植被景觀為草本、灌木與喬木的鑲嵌體,地貌類型以固定沙丘、半固定沙丘、流動(dòng)沙丘為主要特征[7]。
采用空間代替時(shí)間的方法,對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)土地風(fēng)沙化過(guò)程中土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。于2020年7月,在江西省都昌縣多寶鄉(xiāng)進(jìn)行土壤采樣,根據(jù)植被覆蓋度的不同,按照土地風(fēng)沙化過(guò)程劃分為固定沙丘、半流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙丘3種沙丘類型:固定沙丘,植被覆蓋度C>30%;半流動(dòng)沙丘,15%<覆蓋度C<30%;流動(dòng)沙丘,覆蓋度C<15%[14]。
在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取24個(gè)樣地(表1),其中流動(dòng)沙丘位于湖岸地帶,半流動(dòng)沙丘及固定沙丘位于遠(yuǎn)離湖岸的湖濱地帶。在3種類型沙丘樣地的坡頂、坡中、坡腳隨機(jī)布設(shè)3個(gè)樣方,樣方方位均設(shè)置在沙丘迎風(fēng)坡(避免坡向差異影響),樣方面積均為1 m×1 m;記錄各樣方內(nèi)的植物覆蓋度。采用S型取樣法進(jìn)行多點(diǎn)取樣,每個(gè)樣方5點(diǎn)混合成1個(gè)樣品,并分別在0~10、10~20 cm土層深處取樣。
表1 不同類型沙丘樣地概況
為避免由于時(shí)間的不同對(duì)土壤含水率的影響,分別在固定沙丘、半流動(dòng)沙丘及流動(dòng)沙丘中每天采集相同的樣品數(shù),采樣時(shí)間持續(xù)3 d,每天進(jìn)行含水率的測(cè)定,土壤含水率取3 d土壤含水率的平均值。將所取土壤帶回室內(nèi)進(jìn)行物理性質(zhì)及養(yǎng)分分析,采集樣品的檢測(cè)均采用常規(guī)分析方法,具體參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15]。
多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值比較采用One-way ANOVA方法;采用SPSS 10.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。
3.1.1 土壤含水量 土壤水分在植物生長(zhǎng)過(guò)程中扮演著重要的角色,其含量直接影響到植物的蒸騰作用和代謝[16]。在風(fēng)沙化過(guò)程中,各類型沙丘樣地0~10、10~20 cm土層的土壤含水率均不相同(圖1),但其變化規(guī)律一致,含量大小依次為固定沙丘>半流動(dòng)沙丘>流動(dòng)沙丘,且不同樣地10~20 cm土層的土壤含水率均比0~10 cm土層的土壤含水率高。此外,在風(fēng)沙化過(guò)程中,各沙丘樣地在0~10、10~20 cm土層的土壤含水率都較低,均不足10%,這在很大程度上限制了沙生植物的生長(zhǎng)發(fā)育。
圖1 不同類型沙丘的土壤含水率
3.1.2 土壤容重及孔隙度 由圖2可知,各類沙丘樣地在0~10、10~20 cm土層的土壤容重均高于1.4g/cm3,且順序?yàn)椋毫鲃?dòng)沙丘>半流動(dòng)沙丘>固定沙丘;各樣地的土壤孔隙度的大小順序則相反。固定沙丘、半流動(dòng)沙丘在0~10、10~20 cm土層的土壤容重均顯著低于流動(dòng)沙丘,但前兩者之間的土壤容重不存在顯著性差異。對(duì)0~10、10~20 cm土層的土壤孔隙度而言,半流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙丘顯著低于固定沙丘,前兩者之間在0~10 cm的土壤孔隙度不存在顯著性差異,但在10~20 cm土層,流動(dòng)沙丘顯著低于半流動(dòng)沙丘。此外,各沙丘樣地0~10 cm土層的土壤容重均低于10~20 cm土層的土壤容重,而土壤孔隙度的表現(xiàn)則相反。
圖2 不同類型沙丘的土壤容重和土壤孔隙度
3.1.3 土壤機(jī)械組成 土壤機(jī)械組成即土壤質(zhì)地,是指土壤中各級(jí)土粒含量的相對(duì)比例及其所表現(xiàn)的土壤砂黏性質(zhì)[17]。通過(guò)Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀[購(gòu)自荷蘭安米德(Ankersmid)有限公司]對(duì)風(fēng)沙化過(guò)程中不同類型沙丘樣地0~10、10~20 cm土層的土壤機(jī)械組成進(jìn)行測(cè)定。由表2可知,不同類型沙丘樣地在0~10、10~20 cm土層的土壤機(jī)械組成差異較大,土壤質(zhì)地類型也不相同。在0~10 cm土層的土壤類別中,固定沙丘、半流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙丘分別為中砂土、中砂土、極重砂土;在10~20 cm土層的土壤分別為極重砂土、極重砂土、重砂土。因此,各類沙丘樣地的上層(0~10 cm)和下層(10~20 cm)的土壤質(zhì)地均在中砂土以上,大部分質(zhì)地表現(xiàn)為極重砂土,這表明湖濱帶的土地沙化情況較為嚴(yán)重。此外,流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、固定沙丘3類樣地的土壤質(zhì)地沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,質(zhì)地分類均為砂質(zhì)土。
表2 不同類型沙丘的土壤質(zhì)地
土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成成分,也是植物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素的重要來(lái)源。由圖3可知,各類沙丘樣地0~10、10~20 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量從大到小依次為固定沙丘、半流動(dòng)沙丘、流動(dòng)沙丘,上層土壤(0~10 cm)的有機(jī)質(zhì)含量高于下層土壤(10~20 cm)。各沙丘樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上較低,最高含量?jī)H為1.2%左右,均屬于有機(jī)質(zhì)極低的土壤類型。
圖3 風(fēng)沙化過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化
氮素是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,而土壤的全氮含量是衡量土壤供氮狀況的重要指標(biāo)[18]。由圖4可知:各沙丘樣地的土壤全氮含量由固定沙丘到流動(dòng)沙丘樣地依次降低;各沙丘樣地的上層土壤(0~10 cm)的全氮含量高于下層土壤(10~20 cm)。此外,在各類型沙丘樣地中,固定沙丘的土壤全氮含量為0.042%~0.047%,半流動(dòng)沙丘土壤全氮含量為0.032%~0.038%,流動(dòng)沙丘土壤全氮含量為0.025%~0.029%,這表明各沙丘樣地的土壤全氮含量總體處于偏低水平。
圖4 風(fēng)沙化過(guò)程中土壤全氮含量的變化
磷是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,土壤全磷含量反映了土壤磷素潛在的供應(yīng)能力。由圖5可知,樣地土壤的全磷含量最高,其次為半流動(dòng)沙丘,流動(dòng)沙丘最低,且土壤表層的全磷含量比深層的含量略高。在不同類型沙丘樣地土壤中,固定沙丘土壤全磷含量為0.1388~0.1457 g/kg,半流動(dòng)沙丘土壤全磷含量為0.1204~0.1322 g/kg,流動(dòng)沙丘土壤全磷含量為0.0901~0.0975 g/kg。因此,不同類型沙丘樣地土壤的全磷含量總體也處于偏低水平。
圖5 風(fēng)沙化過(guò)程中土壤全磷含量的變化
良好的土壤性能是健康生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要保障,土壤含水量、容重、孔隙度、機(jī)械組成均為土壤性能中的重要指標(biāo),其中土壤含水量是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因子[19]。本研究發(fā)現(xiàn),從固定沙丘到流動(dòng)沙丘,上層(0~10 cm)和下層(10~20 cm)土壤的容重均呈上升趨勢(shì),而孔隙度、有機(jī)質(zhì)和氮磷養(yǎng)分含量等指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)(表3),這與段爭(zhēng)虎等[20]的研究結(jié)果一致。由于鄱陽(yáng)湖區(qū)在土地風(fēng)沙化過(guò)程中,首先受風(fēng)力的作用,較細(xì)土壤顆粒被吹失;其次,鄱陽(yáng)湖區(qū)的年降雨量大,在降雨驅(qū)動(dòng)下,土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷養(yǎng)分等也通過(guò)地表徑流和土壤侵蝕等途徑流失。在水力和風(fēng)力的復(fù)合侵蝕下,沙地土壤退化嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致了植物覆蓋度和多樣性的下降。此外,在不同類型沙丘中,10~20 cm土層土壤的容重均高于0~10 cm土層的,而孔隙度、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量則均低于后者,這與楊梅煥等[21]的研究結(jié)果相似。這說(shuō)明在風(fēng)力和水力的復(fù)合侵蝕作用下,不同土壤層次間的理化性質(zhì)也存在較大差異。在將來(lái)的研究中應(yīng)加大采樣深度,系統(tǒng)研究不同層次土壤對(duì)水力—風(fēng)力復(fù)合侵蝕的響應(yīng)規(guī)律。
表3 半流動(dòng)沙丘和流動(dòng)沙丘土壤理化指標(biāo)的降幅
鄱陽(yáng)湖區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)區(qū),多年平均降水量為1400~1900 mm,但由于沙地日照強(qiáng)、地表溫度高(最高地表溫度可達(dá)69.5 ℃)、地表蒸發(fā)強(qiáng)(年蒸發(fā)量1774~1890 mm),再加上沙地保水能力差,使得土壤含水率成為沙山植物生長(zhǎng)的重要限制因子。植被不僅可通過(guò)對(duì)地表的覆蓋降低土壤水分的蒸發(fā)流失,提高土壤含水率[22],還可通過(guò)根系在土壤中穿插固結(jié)土壤,提升土壤的保水能力[23]。本文認(rèn)為不同類型沙丘土壤含水量的差異,一方面是由于在風(fēng)沙化嚴(yán)重的半流動(dòng)沙丘和流動(dòng)沙丘中,泥沙粒徑較大,土壤水分下滲快,對(duì)降雨的截留效果較差;另一方面,在固定沙丘中,植被覆蓋有效改良了土壤,提高了降雨截留效果和土壤蓄水能力。這說(shuō)明在風(fēng)沙化過(guò)程中,沙地植被恢復(fù)對(duì)提升土壤含水量有明顯的作用。也有研究表明,植被本身的蒸騰作用也會(huì)損耗土壤水分,王力等[24]研究發(fā)現(xiàn),與農(nóng)地、荒草地相比,林地植被較高的蒸騰量會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗土壤水分;龐敏等[25]研究也表明,植被由草被植物向喬木演替的過(guò)程中,土壤耗水量增加,土壤水分逐步降低。因此,在鄱陽(yáng)湖區(qū)沙地植被恢復(fù)工作中,選擇合理的先鋒植物種類,并進(jìn)行優(yōu)化配置顯得尤為重要。
土壤理化性質(zhì)的改良,有利于植被群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和正向演替。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),3種類型沙丘樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量仍處于缺乏甚至很缺乏的級(jí)別,而全氮和全磷的含量均處于極缺乏的級(jí)別(表4),這說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分仍然是該區(qū)域植被恢復(fù)的重要限制因素。由于沙地土壤本身不具備保水和保肥性,使得土壤養(yǎng)分容易因風(fēng)力和水力的侵蝕而逐漸流失,導(dǎo)致植被難以存活。因此,對(duì)于鄱陽(yáng)湖區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)修復(fù)工作而言,對(duì)土壤水分、理化性質(zhì)等立地條件的改良尤為重要。
表4 鄱陽(yáng)湖濱沙土養(yǎng)分含量級(jí)別 %
鄱陽(yáng)湖區(qū)沙地在風(fēng)沙化過(guò)程中,不同類型沙丘的土壤性質(zhì)差異顯著。固定沙丘的土壤含水率、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量均為最高,其次為半流動(dòng)沙丘,流動(dòng)沙丘最低;而土壤容重則以流動(dòng)沙丘最大、其次為半流動(dòng)沙丘、固定沙丘。鄱陽(yáng)湖區(qū)沙地風(fēng)沙化過(guò)程中,不同類型沙丘上層(0~10 cm)和下層(10~20 cm)土層土壤相比較,下層土壤的含水率、容重均高于上層土壤,而上層土壤的孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均高于下層土壤。鄱陽(yáng)湖區(qū)的沙地整體理化性質(zhì)較差,不同類型沙丘樣地的土壤含水率、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均處于較低水平,且容重較高,土壤顆粒較大。
江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2022年11期