沙棘草地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的變化

沙棘草地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的變化

*胡倫貝爾草是中國(guó)東部半干旱地區(qū)最靠北的牧場(chǎng)。它也是中國(guó)著名的牧場(chǎng)之一。但近些年來(lái),由于受氣候變化和人類活動(dòng)不斷增強(qiáng)的影響,該區(qū)草地沙漠化迅速擴(kuò)展。沙漠化面積已由1987年的5963km2擴(kuò)展到2002年的11413km2,年擴(kuò)張速率高達(dá)6.1%,成為我國(guó)近些年來(lái)沙漠化發(fā)展速度最快的地區(qū)之一。由于沙漠化不僅可以導(dǎo)致風(fēng)沙地貌的形成,還會(huì)引起草地土壤的粗化、貧瘠化和草地生產(chǎn)潛力的明顯降低,對(duì)草地畜牧業(yè)和草地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此,近些年來(lái),隨著呼倫貝爾草原沙漠化問(wèn)題日益受到社會(huì)的普遍關(guān)注,已經(jīng)有了不少相關(guān)研究報(bào)道?？傮w來(lái)看已有研究主要集中于呼倫貝爾草原沙漠化的綜合評(píng)估、發(fā)展動(dòng)態(tài)、形成原因、防治對(duì)策、生態(tài)治理和治理區(qū)劃等方面,而對(duì)于該區(qū)草地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的演變規(guī)律及其機(jī)制的研究還鮮有報(bào)道。國(guó)內(nèi)關(guān)于沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的變化特征及演變規(guī)律,已有不少報(bào)道。例如,楊梅煥等分析了毛烏素沙地東南緣草地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性變化及土壤-植被的關(guān)系,劉樹林等研究了渾善達(dá)克沙地沙漠過(guò)程中土壤粒度和養(yǎng)分的變化,Zhao等研究了沙漠化對(duì)科爾沁沙質(zhì)草地和農(nóng)田土壤理化特性的影響,李玉強(qiáng)等研究了科爾沁沙地沙漠化過(guò)程中土壤-植被系統(tǒng)碳氮儲(chǔ)量變化,曹成有等研究了科爾沁沙質(zhì)草地沙漠化過(guò)程中生物活性的變化,劉穎茹等研究了我國(guó)北方草原沙漠化過(guò)程中土壤碳氮的變化規(guī)律,等等。通過(guò)這些研究,已經(jīng)初步揭示了毛烏素、渾善達(dá)和科爾沁等沙地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的一些演變特征。但迄今為止,對(duì)于呼倫貝爾沙質(zhì)草地沙漠化過(guò)程中土壤理化特性的變化和機(jī)制研究還較少見有報(bào)道。本研究目的是通過(guò)調(diào)查呼倫貝爾沙地不同沙漠化類型草地的土壤機(jī)械組成、土壤緊實(shí)度、容重、土壤溫度和含水量,以及土壤有機(jī)碳、氮、磷含量和土壤pH等的變化,分析其土壤理化特性的沙漠化演變規(guī)律,探討其發(fā)生機(jī)制,為該區(qū)草地沙漠化的防治提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1土壤條件及植被研究區(qū)位于內(nèi)蒙古陳巴爾虎旗西烏珠爾鄉(xiāng),地處呼倫貝爾草原西北部。該區(qū)地處大陸內(nèi)陸,屬于中溫帶大陸性氣候。年均降水量290~400mm,年均氣溫-0.5~1.5℃,≥10℃年積溫2200~2400℃,無(wú)霜期100~114d。地帶性土壤為栗鈣土,但很大一部分因受多年過(guò)度放牧的干擾,土壤已演變?yōu)轱L(fēng)沙土。地帶性植被為典型草原,而在一些沙漠化嚴(yán)重的草地已退化為沙地植被。沙漠化草地的主要優(yōu)勢(shì)種有扁穗冰草(Agropyroncristatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、蟲實(shí)(Corispermummacrocarpum)、豬毛菜(Salsolacollina)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。1.2樣地設(shè)置與測(cè)定2009年7月在西烏珠爾鄉(xiāng)選擇一處具有明顯沙漠化梯度的新圍封沙質(zhì)草地作為研究區(qū)。研究區(qū)內(nèi)地貌為緩起伏沙地,包括一些低矮沙丘和平坦草地。根據(jù)我國(guó)已故著名沙漠化專家朱震達(dá)教授有關(guān)沙漠化土地類型劃分標(biāo)準(zhǔn),分別選擇非沙漠化草地、輕度沙漠化草地、中度沙漠化草地、重度沙漠化草地和嚴(yán)重沙漠化草地各一處,其每個(gè)樣地的植被特征見表1。在每個(gè)樣地的典型地段,隨機(jī)設(shè)置3個(gè)點(diǎn)。在每個(gè)點(diǎn),采取土鉆取樣烘干稱重法測(cè)定土壤含水量,用環(huán)刀(100cm3)法測(cè)定土壤容重,用硬度計(jì)測(cè)定土壤硬度(緊實(shí)度)。同時(shí),在其周圍提取土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤理化特性分析。另外,在樣點(diǎn)附近,設(shè)置地溫計(jì),自早上6:00開始每隔2h測(cè)定1次土壤溫度,下午6:00結(jié)束,連續(xù)觀測(cè)2d,取平均值。1.3土壤有機(jī)碳元素含量、土壤ph的測(cè)定先將土壤樣品置于陰涼處風(fēng)干后過(guò)2mm篩,一部分供土壤顆粒的粒級(jí)分析,另一部分進(jìn)一步磨細(xì)用于土壤其他理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)采用的具體分析方法:土壤顆粒組成采用濕篩加吸管法;比重采用比重瓶法;土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮采用凱氏法(意大利產(chǎn)DK6,UDK140分析儀);全磷采用高氯酸、硫酸硝化-鉬銻抗比色法(日產(chǎn)UV-1601分光光度計(jì))。土壤pH以1∶1水土比懸液用德產(chǎn)MultilineF/SET23分析儀直接測(cè)定。應(yīng)用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,應(yīng)用MicrosoftExcel2003軟件進(jìn)行圖表制作,采用單因素方差分析(One-wayANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異,用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相互關(guān)系。2結(jié)果與分析2.1草地機(jī)械組成圖1是呼倫貝爾沙質(zhì)草地沙漠化過(guò)程中土壤機(jī)械組成的變化。結(jié)果顯示,研究區(qū)土壤的質(zhì)地較粗,非沙漠化草地0~20cm土壤層平均沙粒含量高達(dá)92.5%,黏粉粒含量?jī)H占7.5%。隨著草地沙漠化的發(fā)展,土壤中黏粉粒含量顯著下降,沙粒含量明顯增加(P<0.05)。其中,粉粒含量變化幅度最大,在中度沙漠化階段即已下降了59.3%,至嚴(yán)重沙漠化階段下降幅度高達(dá)88.0%;其次是黏粒含量,在嚴(yán)重沙漠化階段其含量總下降幅度為16.1%;沙粒含量變化幅度最小,至嚴(yán)重沙漠化階段其含量才增加了4.0%。分層看,非沙漠化草地表層土壤(0~10cm)和下層土壤(10~20cm)的土壤機(jī)械組成沒有顯著差異。草地沙漠化過(guò)程中,上下層土壤機(jī)械組成的變化趨勢(shì)相同,且差異不顯著(P>0.05)。2.2不同坡位土壤容重的變化隨著草地沙漠化的發(fā)展,表層土壤(0~5cm)的容重在輕度沙漠化和中度沙漠化階段略有增加,在重度和嚴(yán)重沙漠化階段略有下降,但各樣地間的差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表2)。下層土壤(10~15cm)容重的變化和上層土壤略有不同,所有沙漠化草地的土壤容重均較非沙漠化草地有所增加,其增加幅度在輕度和嚴(yán)重沙漠化草地達(dá)到了顯著水平(P<0.05),但變化趨勢(shì)不明顯。沙漠化過(guò)程中,草地土壤緊實(shí)度(硬度)從中度沙漠化階段開始顯著下降(P<0.05),至嚴(yán)重沙漠化階段,其土壤緊實(shí)度較非沙漠化草地下降了81.8%。2.3不同樣地土層土壤含水量的變化隨著沙漠化的發(fā)展,0~20cm土層的水分含量趨于增加(表3),但只有嚴(yán)重沙漠化草地的水分增加量達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。隨著沙漠化的發(fā)展,0~20cm土層平均溫度趨于下降,但各樣地之間的差異未達(dá)到顯著水分(P>0.05)。分層看,表層(0~10cm)土壤含水量在5個(gè)樣地之間差異不顯著(P>0.05),而下層(10~20cm)土壤含水量各沙漠化草地均顯著高于非沙漠化草地(P<0.05)。土壤溫度是除了表層土壤在重度和嚴(yán)重沙漠化草地顯著下降外(P<0.05),5和20cm土壤溫度在各樣地間的差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。2.4土壤養(yǎng)分含量各類型草地表層土壤的有機(jī)碳和養(yǎng)分含量都高于下層土壤(表4),而且都是隨著沙漠化的發(fā)展土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量顯著下降(P<0.05)。其中,表層土壤的有機(jī)質(zhì)和全磷含量的下降幅度在輕度沙漠化階段即已達(dá)到顯著水平,全氮、有效氮、有效磷的下降幅度至中度沙漠化階段達(dá)到顯著水平(P<0.05)。而下層土壤全磷和有效磷的下降幅度在輕度沙漠化階段達(dá)到顯著水平,有機(jī)碳、全氮和有效氮的下降幅度在中度沙漠化階段達(dá)到顯著水平(P<0.05)。另外,隨著草地沙漠化的發(fā)展,無(wú)論是表層土壤,還是下層土壤,其C/N均呈明顯下降趨勢(shì)(P<0.05),而且表層土壤的下降幅度大于下層土壤。表層土壤的pH值呈明顯下降趨勢(shì),而下層土壤pH值呈波動(dòng)式增加趨勢(shì)。2.5土壤理化性質(zhì)與土壤溫度的關(guān)系為了了解草地沙漠化過(guò)程中土壤不同理化特性變化的關(guān)系,對(duì)一些主要土壤理化特性的變化進(jìn)行了相關(guān)分析(表5)。結(jié)果表明,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的變化多與土壤粘粉粒含量、緊實(shí)度、容重、土壤溫度和pH值呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤沙粒含量和水分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但只與土壤粘粉粒含量、土壤沙粒含量及土壤硬度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了顯著水平(P<0.05),與其他土壤理化特性的相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。土壤pH的變化與土壤粘粉粒、土壤緊實(shí)度和土壤溫度的變化呈正相關(guān)關(guān)系,與沙粒含量、土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。土壤溫度變化除了與土壤緊實(shí)度,土壤水分含量除了與土壤容重的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平外(P<0.05),與其他土壤理化特性的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。3討論3.1沙漠化過(guò)程對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響研究結(jié)果表明,在呼倫貝爾草原,隨著草地沙漠化的發(fā)展,土壤黏粉粒含量顯著下降,沙粒含量明顯增加。和非沙漠化草地相比,嚴(yán)重沙漠化草地0~20cm土壤黏粉粒含量下降了49.3%,沙粒含量增加4.0%。其中,以中度和重度沙漠化階段土壤機(jī)械組成變化幅度最大,其黏粉粒含量分別下降25%和34%,沙粒含量分別增加了2.5%和4.2%。這說(shuō)明,沙漠化導(dǎo)致了呼倫貝爾沙地土壤的明顯粗化,其中土壤粉塵(黏粉粒)的主要排放期是在中度和嚴(yán)重沙漠化階段。草地沙漠化過(guò)程中,之所以會(huì)出現(xiàn)土壤黏粉粒含量減少和沙粒含量增加,其主要機(jī)制是:沙漠化是以風(fēng)力為外營(yíng)力,以土壤風(fēng)蝕為主要特征的一種土地退化類型,土壤風(fēng)蝕會(huì)造成土壤顆粒的分選,使土壤中細(xì)顆粒(黏粉粒)被吹離原土壤,粗顆粒(沙粒)留下來(lái),從而導(dǎo)致土壤發(fā)生粗化。而且,風(fēng)蝕越嚴(yán)重,土壤中細(xì)顆粒被吹蝕的數(shù)量越多,土壤中沙粒的含量會(huì)越高,沙漠化也會(huì)越嚴(yán)重。在研究中,土壤黏粉粒的下降與土壤沙粒的增加呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,也證實(shí)了這一點(diǎn)。沙漠化過(guò)程中,土壤黏粉粒之所以在中度和嚴(yán)重沙漠階段下降幅度較大,可能是其植被蓋度和高度在這一階段下降幅度較大(表1),土壤受風(fēng)蝕危害較為嚴(yán)重所致。另外,研究結(jié)果還表明,隨著沙漠化的發(fā)展,除了土壤緊實(shí)度顯著降低外,土壤容重和土壤溫度的變化均未達(dá)到顯著水平,土壤水分含量雖然呈增加趨勢(shì),但只在嚴(yán)重沙漠化階段才達(dá)到顯著水平。相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤緊實(shí)度和土壤黏粉粒含量,土壤水分含量與土壤容重均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而土壤容重、土壤溫度和含水量與土壤機(jī)械組成的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明,沙漠化過(guò)程中土壤黏粉粒的損失是導(dǎo)致土壤粘結(jié)性降低,土壤緊實(shí)度下降的主要原因,但土壤機(jī)械組成的變化并不是導(dǎo)致土壤容重、土壤水熱狀況變化的主要機(jī)制。土壤容重、緊實(shí)度、土壤水熱狀況的變化除受土壤質(zhì)地影響外,還受到植被等其他多種因素的影響。和他人在科爾沁沙地、毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地的研究結(jié)果相比,呼倫貝爾沙地土壤物理特性的變化幅度明顯小得多。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況,主要是因?yàn)楹魝愗悹柹迟|(zhì)草地沙漠化過(guò)程中的土壤粗化幅度明顯小于其他幾個(gè)沙地,因而由此引發(fā)的土壤容重、土壤緊實(shí)度和土壤水熱變化也就相應(yīng)較小。而其土壤粗化速率之所以較低,則是因?yàn)楹魝愗悹柹车乇尘巴寥?非沙漠化草地)的黏粉粒含量明顯低于科爾沁等3個(gè)沙地,而其嚴(yán)重沙漠化草地的土壤粗沙含量又和這3個(gè)沙地相近,從而使其土壤質(zhì)地變化幅度較小。3.2沙漠化對(duì)土壤養(yǎng)分元素的變化大量研究結(jié)果表明,沙漠化對(duì)土壤化學(xué)特性有著顯著影響,可以導(dǎo)致土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量的急劇下降,引起土壤不同養(yǎng)分的比例失調(diào)和土壤貧瘠化,從而成為植物或作物生長(zhǎng)的主要限制因子。本研究結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。在本研究中,隨著沙漠化的發(fā)展,0~20cm土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、有效氮和有效磷均顯著下降。和非沙漠化草地相比,嚴(yán)重沙漠化草地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效氮和有效磷分別下降了75.9%,57.6%,44.7%,51.1%和64.5%。其中,表層土壤(0~10cm)有機(jī)碳和養(yǎng)分含量的下降幅度要大于下層(10~20cm)土壤,中度沙漠化階段土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量的損失要比其他沙漠化階段更顯著。同時(shí),隨著沙漠化的發(fā)展,碳/氮也呈現(xiàn)明顯的下降。這一方面說(shuō)明,沙漠化導(dǎo)致了草地土壤嚴(yán)重貧瘠化,沙漠化對(duì)草地土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的危害在中度沙漠化階段即已達(dá)到了嚴(yán)重程度,而且對(duì)表層土壤的危害要大于下層土壤;另一方面說(shuō)明,沙漠化過(guò)程中,不同土壤養(yǎng)分元素的下降速率有很大差異,有機(jī)碳的下降速率大于氮。這不僅意味著沙漠化導(dǎo)致了土壤固碳能力的降低,土壤有機(jī)質(zhì)礦化程度加劇,土壤難以儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳,可能因釋放更多的無(wú)機(jī)氮,導(dǎo)致土壤氮素的流失,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響;而且還意味著土壤有機(jī)碳在促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,維持土壤穩(wěn)定,保障土壤養(yǎng)分供給中的作用明顯降低,土壤的穩(wěn)定性變差,更易遭受風(fēng)蝕。另外,研究結(jié)果還表明,隨著沙漠化的發(fā)展,表層土壤的pH值也出現(xiàn)了顯著下降,這說(shuō)明沙漠化過(guò)程中土壤的酸堿度也發(fā)生了明顯改變。相關(guān)分析表明,沙漠化過(guò)程中,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的變化均與土壤黏粉粒含量的減少呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與沙粒含量的增加呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤pH的變化與土壤機(jī)械組成也呈正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平。這一方面說(shuō)明,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的變化與土壤質(zhì)地的變化密切相關(guān),土壤黏粉粒的吹失和土壤的粗化導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的大量損失,也導(dǎo)致了土壤pH的變化。這一結(jié)果支持了Lowery等和Mann和Tolbert有關(guān)“風(fēng)蝕引起的土地沙漠化是通過(guò)改變土壤質(zhì)地,進(jìn)而改變土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量,導(dǎo)致土壤貧瘠化”的觀點(diǎn)。沙漠化過(guò)程中,土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量之所以隨著土壤的粗化而下降,其主要機(jī)制是土壤中大部分有機(jī)質(zhì)是和土壤細(xì)顆粒結(jié)合在一起的,當(dāng)土壤細(xì)顆粒被吹失時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)也隨著土壤細(xì)顆粒從土壤中散失。土壤黏粉粒和有機(jī)質(zhì)是決定土壤質(zhì)地和肥力的關(guān)鍵因素,一旦土壤黏粉粒和有機(jī)質(zhì)大量損失,土壤養(yǎng)分狀況也就會(huì)發(fā)生明顯改變。4沙漠化過(guò)程對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響隨著沙漠化的發(fā)展,草地土壤細(xì)顆粒(黏粉粒)含量明顯下降,沙粒含量明顯增加,土壤質(zhì)