若尔盖地区草地沙化特征研究

2012-05-13张芮嘉梁玉祥

草原与草坪 2012年4期

张芮嘉，龙建，蒋伟，梁玉祥

（四川大学化工学院，四川成都 610065）

由于不合理的人类活动造成的土壤退化问题严重威胁着人民的生活和农业生产。我国土壤退化面积逐年增加，草地退化面积占到很大的比例。我国草地退化始于20世纪60年代以后，最早出现草地退化的地区是人口相对较多的农牧交错区。到20世纪70年代中期，全国退化草地面积约占草地面积的15%，80年代中期增加到30%以上，90年代中期达到50%以上，到了21世纪初已增加到90%［1］，而且还以每年67×104km2的速度在继续［2］。国家林业总局2011年发布的《中国荒漠化和沙化状况公报》显示，截至2009年底，我国荒漠化土地面积为262.37km2，沙化土地面积为173.11万km2。与2004年相比，5年间荒漠化土地面积净减少12 454km2，年均减少2 491km2，沙化土地面积净减少8 587km2，年均减少1 717km2［3］，草地生态环境形势十分严峻［4］。

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分之一，是一个脆弱的生态系统。草地面积的减少和退化速度的加剧使得草地生产能力显著下降，严重阻碍了牧区畜牧业和社会的发展。根据草原生态的三种分级方法［5］，在我们的研究中，将若尔盖地区的草地按草地盖度分：盖度大于80%为普通草地，盖度在50%～20%为半沙化草地，盖度低于20%为全沙化草地。从草地外观分类后，研究草地土壤参数，探索其退化机制。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

若尔盖地区位于青藏高原东北部，地理坐标为E 102°10′～103°55′，N 32°20′～34°05′，是黄河源头与长江上游、嘉陵江的分水岭，海拔3 450～3 600m，属高原亚寒带半湿润大陆性季风气候，长冬无夏春秋相连，土壤类型以亚高山草甸土为主，有部分沼泽土及沼泽化草甸土，是我国优质的高原牧区，享有“高原之肾”的美誉［6］。然而近50年来，由于各种自然因素和人为因素的影响，若尔盖地区正沿着“湿地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”这条生态恶化的路子越演越烈［7］。草原沙化面积大幅度扩大，沙化程度也不断加剧。1966年该区域内原有沙地1 248.4hm2，沙化草地7 767.8hm2，2000 年草地沙化面积增加了307.7%［8］，沙化递增率达4.22%，每年草地沙化面积扩大816hm2。该地区严重的沙化面积导致下垫面的蒸发过程发生变化，这一变化对降水、环流形式及大气温、湿状态都有着显著的影响［9］。该地区形成了典型的全沙化草地、半沙化草地、普通草地3种典型地貌，为研究“湿地－草甸－退化草甸－沙化草地－沙化”的退化路径提供了现场条件。

1.2 研究方法

2008年对若尔盖地区的草地进行分类取样，包括普通草地、半沙化草地、全沙化草地。普通草地距离湿地112m，主要植被为四川蒿草，杂草较少，盖度大于80%，土壤含水量较高、理化性质良好；半沙化草地距离普通草地448m，主要植被为小蒿草，杂草较多，盖度在20%～50%，土壤含水量低于15%，沙含量高于草地，而理化性质遭到破坏；全沙化草地为远离普通草地的一片沙地，面积较大，主要植被为杂草和有毒草，盖度低于20%，地面生物量很少，土壤含水量低于5%，沙含量远高于草地，达到98%，土壤团粒结构恶化，营养物质严重流失。

以普通草地为对照在不同退化草地用土钻随机取0、10、20、30、40、50、60cm土层土壤，3次重复，将同一样地同一土层的3个土样混合一起编号，于实验室测定土壤全氮、全磷、全钾、有机质、腐殖酸的含量以及土壤水分含量、沙含量，分别从纵向和横向上来比较其养分流失的情况。

测定方法：沙含量用筛分法；水分含量用重量法；全氮用半微量凯氏法；全磷用HClO4－H2SO4法；全钾用NaOH熔融－火焰光度法；有机质用K2Cr2O7容量法；腐殖酸用酸析法。

沙含量是指样品中粒径≤0.178mm的土壤颗粒含量。测定时取一定质量的样品，用80目（孔径0.178 mm）的筛子筛分样品，得到粒径≤0.178mm的土壤颗粒，称量，计算其质量百分含量。水分含量是指样品中土壤水分含量。测定时取一定质量的样品于烘箱中，在100℃下烘干4h，取出称量，计算水分的百分含量。

2 结果与分析

2.1 普通草地，半沙化草地和全沙化草地养分含量的比较分析

2.1.1 全氮含量的变化由于土壤退化，全沙化草地和半沙化草地的全氮含量都很低，最大值只有0.05%，而普通草地的全氮含量最大值是1.10%，是全沙化草地和半沙化草地的22倍，全氮流失率达到95.45%。普通草地土壤表层到土下30cm处值表明，土壤退化过程中，全氮含量的降低主要发生在这一范围的土层，也是植被根系分布的主要区域。随着土壤退化，N素流失相当严重。草地的表层有机质含量高，土壤中的N素主要以有机态的形式出现，有机质含量高，全氮含量相应也高。而在半沙化地和完全沙化地的土壤中，有机质的含量很低，所以N素含量也很少（图1）。

图1 不同草地0～60cm深度的土壤全氮含量动态Fig.1 Changes of total nitrogen（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.2 全磷含量的变化全沙化草地和半沙化草地的全磷含量在不同土层变化不大，整体在0.04%之间波动。全磷含量的减小主要发生在土壤表层到土表下20cm处，随着土层深度的增大，全磷含量趋于平衡（图2）。在土壤退化过程中，土表以下10cm全磷含量的差值最大，全磷含量的流失率达到了59.10%。草地土壤中的磷元素主要是以有机态的形式存在，其含量变化和土壤中有机质的含量成正相关，在土壤表层10cm处达到最高值。土壤有机质产生的腐殖质可以在土壤粘粒以及 Al（OH）3、Fe（OH）3等矿质沉淀的表面上形成胶膜，阻碍了磷酸根与矿质成分的直接反应，减弱这些矿质沉淀对P的化学固定；同时，有机质的分解过程中，产生酒石酸、草酸、苹果酸等含羧基的多种有机酸，他们对Fe、Mg、Al等的络合能力较强，能够形成较为稳定的有机络合物，从而在这些金属离子的磷酸盐中将P释放出；有机质在微生物的帮助下产生的各类有机酸对矿质岩石有不同程度的分解能力，有些能够溶解Ca－P、Fe－P、Al－P、Mg－P等固态磷化合物，增加土壤中有效磷的含量［13］。而半沙化草地和全沙化草地的土壤磷元素含量基本保持不变，可能和土壤中有机质含量过低相关，多以不溶性矿质元素的形式存在。

图2 不同草地0～60cm深度的土壤全磷含量动态Fig.2 Changes of total phosphorus（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.1.3 全钾含量的变化普通草地、半沙化草地与全沙化草地的全钾含量相差不大，平均值都在1.75%之间。但是在土壤表层以下10cm处，普通草地的全钾含量达到最小值1.45%，可能是因为取样时间为5月，正值植株生长需要消耗大量钾素的缘故。抛开此点看出，尽管普通草地、半沙化草地、全沙化草地钾含量的变化随土层的加深均没有太大波动，但从整体上看是普通草地＞半沙化地＞全沙化地，这正好和三者土壤中的有机质含量呈非线性正相关。钾元素和氮、磷不同，在土壤中的主要存在形态是无机态。土壤中的钾包括矿物晶层中固定的缓效性钾、难溶性的矿物态钾以及被土壤胶体吸附的代换性钾［13］。在微生物的参与下，有机质能够分解重新合成腐殖质，他是一种特殊类型的有机高分子胶体，能够有效地改善土壤颗粒的团粒结构，孔隙率大，通气性好［10］。而且腐殖酸含量的增加，能够有效提高与K＋的结合能力，增强对钾的固定作用，减少水淋等对钾造成的流失［11］（图3）。

3.1.4 有机质和腐殖酸含量的变化普通草地的有机质和腐殖酸含量在0～20cm远高于半沙化和全沙化草地，均在土壤表层以下10cm处达到各自的最高点（图4，5）。全沙化草地的有机质和腐殖酸的流失率分别为98.85%和98.36%，但含量稍高于半沙化草地，这可能是因为全沙化草地表面的细砂粒在沙层表面形成一个保护层，使得20～40cm的沙层中还含有部分植物根系，在腐败过程中产生大量有机质和腐殖酸。土壤中由各种腐殖质组成的有机胶体的微粒很小，具有很大的比表面积，对养分具有很好的吸附保持能力；同时，土壤中腐殖酸含量高，能够有效的增加土壤团聚体的稳定性，使土壤土质疏松、孔隙率大、通气性能好、渗透率高、持水能力强［12］。有机质中的蛋白质、氨基酸等有机物分解过后产生氨或铵盐，进而转化为硝酸与硝酸盐，而核酸与磷脂等最终分解得到磷酸和磷酸盐［13］。因此，有机质含量高，是土壤团粒结构好，固肥、导热、持水等优质性能的前提。

图3 不同草地0～60cm的土壤全钾含量动态Fig.3 Changes of total potassium（%）along with depth（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

图4 不同草地0～60cm的土层壤有机质含量动态Fig.4 Changes of organic matter（%）along with dept（0～60cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

图5 不同草地0～60cm的土壤腐殖酸含量动态Fig.5 Changes of humus（%）along with depth（cm）of grass，semi－desertified points，and completely desertified point

2.2 普通草地与全沙化草地沙含量和水分含量的比较分析

2.2.1 沙含量的变化普通草地土壤0～15cm随着土壤深度的增加，沙含量略有升高，最高点达到了95.90%，但15cm后随着土壤深度的增加，沙含量逐渐降低；从整体上看，全沙化草地的沙含量随土壤深度变大变化不大，基本保持在98%左右，远大于普通草地（图6）。

图6 不同草地0～60cm的土壤沙含量随土层深度动态Fig.6 Changes of sediment concentration（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

2.2.2 水分含量的变化普通草地的湿含量远远高于全沙化草地。从整体上看，普通草地在土壤浅层0～30cm土壤湿含量高出全沙化草地10%以上。从总体上看，湿含量的变化与沙含量的变化呈负相关。

图7 不同草地0～60cm的含量动态Fig.7 Changes of moisture content（%）along with soil depth（0～60cm）of zoige soil

草地退化引起土壤物理、化学、生物性质的变化［14］，土壤中有机质与腐殖酸含量明显偏低，缺乏有机胶体的粘合作用，土壤团粒结构差，沙含量增加，沙粒与沙粒之间无粘接，土壤中水分很难进入沙粒内部［15］。由于颗粒间空隙较大，沙粒外部的游离水分极易汽化，加上植被盖度减小、多样性降低，造成土壤表层水分蒸发过快。土壤养分含量的急剧下降和微生物生存条件的破坏使植物的生长受到限制。当水分蒸发使地下水位下降至土壤根系层以下时，植被就会逐渐枯死［16］。植被盖度降低甚至消失让地表暴露于大气中，增加太阳辐射［17］，加速风蚀和水蚀，进一步改变了地气界面的传热关系，提高了水分蒸发量。当气候变化引起降水量减少时［18］，土壤更加缺水造成干旱，最终导致植被枯死和草地沙化。

3 讨论与结论

（1）研究数据表明，当草地退化时0～30cm土层N、有机质和腐殖酸的流失为明显，三者的流失率分别达到95.45%、98.85%、98.36%，土壤P、K含量降低，表现出明显的沙化特征。

（2）随着草地退化程度的加深，0～30cm土层土壤湿度不断降低，从普通草地的35%下降到全沙化草地的5%以下，而沙含量不断升高，全沙化草地达到98%，草地沙化从0～30cm土层开始，尤其是在20 cm，土壤水分含量和沙含量的变化使得该土层成为沙化敏感区。

（3）在不合理的人类活动作用下，草地的土墒条件改变。草地退化使土壤粘粒减少，团粒骨架坍塌、结构恶化，加之风蚀、水蚀等自然因素的影响，地表土壤颗粒粗质化。孔隙度高且孔隙分布均匀的优质土壤逐渐退化为容重大孔隙度小且孔隙集中分布在较窄范围内的大孔隙的重砂土。毛细孔隙大量减少，在大气蒸发力作用下，下层水分难以通过毛细作用补充到土壤表面，由于供水不足，蒸发面向地表以下推移，表层土壤干燥化。而土壤养分含量的急剧下降和微生物生存条件的破坏使植物的生长受到限制。当水分蒸发使地下水位下降至土壤根系层以下时，植被就会逐渐枯死。植被的消失让地表暴露于大气中，不仅加速了风蚀和水蚀，还进一步改变了地气界面的传热关系，提高水分蒸发量。当降水量减少时，土壤更加缺水造成干旱，最终导致植被枯死和草地沙化。这是一个正向反馈过程，也是一个恶性循环过程。

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