川西北高寒草地沙化进程中土壤物理性质的变化—以理塘县为例*

刘 朔，陈天文，蔡凡隆，杨建勇，邹 峡，朱子政

(1.四川林业调查规划院，四川 成都 610081;2.四川省长江造林局凉山分局，四川 冕宁 615608)

引言

川西北位于四川省西部，地处青藏高原东南缘，包括四川省甘孜藏族自治州的全部18个县，阿坝藏族羌族自治州的全部13个县，共计31个县，总面积23.7万km2。2009年川西北沙化土地面积达82.19万 hm2，占全省沙化土地的 89.9%［1］。1994 年至2009年间沙化总面积增加了28.1%，表明川西北草地呈严重沙化的趋势，土地沙化已经严重影响区域生态安全和经济可持续发展。

对川西北高寒沙区草地沙化进程中土壤物理性质变化的研究尚不多见，本研究以川西北高寒沙区典型沙化县—理塘县为例，以不同沙化程度高寒草地土壤物理性质的变化为研究重点，以揭示高寒草地沙化进程中土壤物理性质的变化规律，为川西北高寒沙区沙化草地的生态治理及恢复研究与实践提供基础数据。

1 研究区概况

理塘县位于四川省西部、甘孜藏族自治州西南部，地处康南中心，地理位置为东经99°19'～100°56'，北纬 28°57'～30°43'。幅员面积14182 km2，其中草地面积占总面积58.9%，县城海拔4014.187 m，素有“世界高城”之称。

理塘县气候属大陆性高原季风气候，多年来平均降雨量718.9 mm，平均蒸发量767.8 mm，平均气温为3.5℃，1月平均气温为－6.7℃，7月平均气温为11℃，极端最高气温为25.6℃，极端最低气温为－30.6℃，≥0℃积温3256℃，≥10℃的积温2301.2℃，年平均风速为12 m·s－1，最大风速为25 m·s－1，多为东北风，年平均风日数24.3(≥8级)，平均风能密度7.6 w·m－2。

2 研究方法

2.1 沙化类型的确定

沙化土地技术指标依据《四川省沙化监测技术操作细则》中的相关标准执行［2］。具体划分标准见表1。

表1 沙化类型划分标准

2.2 土地样品采集及测定方法

采用空间序列代替时间序列的研究方法［3］，2012年8月在理塘县的高城镇和奔戈乡进行取样，在不同沙化类型的草地上分别随机布设20个10 m×10 m的样方，在每个样方的四角和中部共选设5个点，按0～20 c m和20 cm ～40 cm深度分层取样，每个土层用环刀取原状土，带回室内测定容重、毛管孔隙度和总孔隙度，同时分层采集一定质量土样(每层质量不小于1 kg)，带回室内进行土壤粒径等相关分析。土壤容重、孔隙度测定采用环刀法，土壤粒径分析采用简易比重计法［4］。

3 结果与分析

3.1 土壤机械组成的变化

土壤是由大小不同的土粒按不同的比例组合而成的，这些不同的粒级混合在一起表现出的土壤粗细状况，称土壤机械组成或土壤质地。土壤机械组成是土壤最基本的物理性质之一，也是影响土壤水肥状况的关键因子［5，6］。

研究区高寒草地土壤机械组成整体较粗，土壤中砂粒含量比重很大，表明研究区土壤中有较多的沙物质，即本身存在沙化的物质条件。天然草地在0～20 cm层和20 cm～40 cm层深度中平均砂粒(＞0.05 mm)含量分别为77.06%、75.29%，平均粘粒(＜0.02 mm)含量分别为12.03%、12.77%;而沙化草地在0～20 cm层深度中平均砂粒含量在82.11% ～92.13%之间，粘粒(＜0.02 mm)含量仅在4.14% ～8.52%之间;沙化草地在20 cm～40 cm层深度中平均砂粒含量在80.01%～92.55%之间，粘粒(＜0.02 mm)含量仅在4.23% ～9.54%之间。和北方相关沙区比较［7，8］，在0 ～20 cm 层，沙化草地砂粒含量(平均砂粒含量为82.11% ～92.13%)要普遍小于科尔沁沙地(平均砂粒含量为86.9% ～98.9%)和浑善达克沙地(根据研究王利兵的研究［8］，其半固定沙地表层平均砂粒含量达96.9%)。

随沙化程度的加剧，0～20 cm层和20 cm～40 cm层总体呈现出砂粒含量逐步增加，而粘粒和粉粒(0.002 mm～0.05 mm)含量逐步下降的趋势，见图1，图2，图3。表明在高寒草地的沙化进程中随着植被盖度降低，使得上层土壤受到风蚀作用影响逐步粗化从而使其机械组成的呈现层间差异。

图1

图2

图3

根据Bagnold研究［9］，风吹沙粒的粒径一般在0.15 mm～0.30 mm，土壤中粒径0.05 mm～0.5 mm的颗粒比重越高，土壤越容易发生风蚀且风蚀程度越大。从本次调查的样地来看，以粒径在0.05 mm～0.5 mm之间的砂粒所占比重最大，均在72%以上，表明理塘县高寒草地土壤本身容易发生风蚀。其中，天然草地在0～20 cm层和20 cm～40 cm层深度中粒径(0.05 mm～0.5 mm)平均含量(占总的机械组成)分别为74.24%、74.26%;沙化草地在0～20 cm层和20 cm～40 cm层深度中粒径(0.05 mm～0.5 mm)含量(占总的机械组成)分别达75.73% ～82.75%、72.89% ～86.79%。详见表2。

表2 理塘县高寒沙化草地机械组成

3.2 土壤容重的变化

土壤容重不仅是土壤机械组成和孔隙度的综合反映，也是判断土壤结构、土壤肥力水平和退化程度的重要指标［10］。

随着沙化程度的加剧，土壤上层和下层容重均呈逐步增加的趋势，见图4和表3。天然草地土壤0～20 cm层和20 cm～40 cm层平均容重分别为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之间，20 cm～40 cm层沙化草地容重在1.211 g·cm－3～1.404 g·cm－3之间。与天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流动沙地在0～20 cm层土壤容重增幅分别为 33.61%、50.59%、54.99%、60.69%;20 cm～40 cm层土壤容重增幅分别为17.92%、19.96%、32.52%、36.71%。表明20 cm～40 cm层土壤容重变化幅度不如0～20 cm层。随着沙化程度的加剧，土壤容重逐步增加的原因是牛羊践踏，加之植被盖度减少，使得土壤中植物残体减少，有机质含量降低，影响植物根系的生长，使土壤紧实板结，导致土壤容重的增加。

表3 理塘县高寒沙化草地土壤容重(g·cm－3)

图4

从层间差异来看，对照、露沙地、半固定沙地、流动沙地上层容重均小于下层容重，其中对照上、下层容重差异最显著，而固定沙地上层容重反而大于下层容重。

3.3 土壤孔隙度的变化

土壤孔隙大小是土壤物理性质的基本特征也是评价土壤结构特征的重要指标［10］。

理塘县高寒草地的土壤总孔隙度随沙化程度的加剧而减小。天然草地土壤0～20 cm层和20 cm～40 cm层平均土壤总孔隙度分别为57.6%、50.7%。沙化草地在0～20 cm平均土壤总孔隙度在37.6%～43.7%之间，沙化草地在20 cm～40 cm平均土壤总孔隙度在35.9%～39.8%之间。与天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流动沙地在0～20 cm层土壤总孔隙度增幅分别为24.13%、29.69%、32.99%、34.72%;20 cm～40 cm层土壤总孔隙度增幅分别为 21.5%、24.26%、25.64%、29.19%，表明20 cm～40 cm层土壤总孔隙度变化幅度不如0～20 cm层。详见表4和图5。

表4 理塘县高寒沙化草地土壤总孔隙度(%)

图5

理塘县高寒草地的土壤毛管孔隙度随沙化程度的加剧而减小。天然草地土壤0～20 cm层和20 cm～40 cm层平均土壤毛管孔隙度分别为45.2%、40.4%。沙化草地在0～20 cm层平均土壤毛管孔隙度在32.2% ～36.8%之间，沙化草地在20 cm～40 cm层平均土壤毛管孔隙度在31.6%～35.3%之间，与天然草地相比，露沙地、固定沙地、半固定沙地、流动沙地在0～20 cm层土壤毛管孔隙度增幅分别为 18.58%、20.8%、26.33%、28.76%;20 cm ～40 cm层土壤毛管孔隙度增幅分别为12.62%、16.34%、20.3%、21.78%，表明20 cm～40 cm层土壤毛管孔隙度变化幅度不如0～20 cm层。详见表5和图6。

表5 理塘县高寒沙化草地土壤毛管孔隙度(%)

图6

4 结论及讨论

4.1 川西北高寒草地具备潜在的沙化物质条件

从本次调查来看，理塘县高寒草地砂粒含量很高，平均在75%以上，从较长的地质历史发展角度分析，理塘县沙化草地的地质主体部分是第四纪构造沉降阶段形成的河湖相沉积物，出露岩层风化后含沙量高，因此高寒草地表层植被受破坏后，很容易导致沙化［11］。从整个川西北高寒草地来看，相当部分草地的地层出露岩层主要有T2、T3砂板岩、页岩和第四纪松散堆积沉积物，T2、T3砂板岩、页岩风化后含沙量高，第四纪松散堆积沉积物又主要是粉沙沉积和沼泽沉积，粉沙分布广泛［12］。因此，可以说川西北高寒草地区具备潜在的沙化物质条件。

4.2 川西北高寒草地沙化初始阶段(天然草地——露沙地)是沙化防治的关键阶段

在理塘县高寒草地沙化初始阶段(天然草地→露沙地)过程中，在0～20 cm层土壤容重增加幅度、土壤总孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分别为33.61%、24.13%、18.58%，其变化幅度均大于露沙地→流动沙地的沙化发展阶段(土壤容重增加幅度、土壤总孔隙度下降幅度、土壤毛管孔隙度下降幅度分别为20.27%、13.96%、12.5%)。在20 cm～40 cm层，沙化初始阶段的土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度的变化幅度也同样大于沙化发展阶段。因此，高寒草地沙化初始阶段(天然草地→露沙地)是土壤物理性质变化最大的阶段，其原因可能是天然草地向露沙地转化过程中，由于天然草地本身具有较强稳定性，其抗逆性强，对外界干扰有较大的“缓冲性”(土壤物理性质体现就是容重和孔隙度所表现出来的较大变化幅度)，一旦累积干扰超过缓冲的“阈值”，沙化进程就呈加快的趋势(土壤物理性质体现就是沙化发展阶段土壤容重和孔隙度变化幅度要小于沙化初始阶段)，因此，从沙化防治理的角度看，川西北高寒草地沙化初始阶段是沙化防治的关键阶段。

［1］四川省林业厅，四川省林业勘察设计研究院.四川省沙化土地监测报告［R］.2010.3.

［2］四川省林业厅.四川省第四次沙化监测技术操作细则［R］.2009.4

［3］王辉，任继周，袁宏波.黄河源区高寒草地沙化进程中土壤物理性质的变化(简报)—以玛曲为例［J］.草业学报，2007，16(1):30.

［4］中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海:上海科技出版社，1978.

［5］樊华，杨志国，丛志军，等.防护林带和封育对沙化草场土壤理化性质的影响［J］.中国水土保持科学，2007，5(6):43～46.

［6］王彦武，廖超英，徐恒.毛乌素沙地固沙林土壤物理性状研究［J］.西北林学院学报，2008，23(3):36～39.

［7］张继义，赵哈林.退化沙质草地恢复过程土壤颗粒组成变化对土壤－植被系统稳定性的影响［J］.生态环境学报，2009，18(4):1395～1401.

［8］王利兵，胡小龙，余伟莅，等.沙粒粒径组成的空间异质性及其与灌丛大小和土壤风蚀相关性分析［J］.干旱区地理，2006，29(5):688～692.

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

［10］红梅，韩国栋，赵萌莉.放牧强度对浑善达克沙地土壤物理性质的影响［J］.草业科学，2004，21(12):108 ～111.

［11］理塘县土壤普查办公室.理塘县土壤［R］.1986.12.

［12］四川省林业厅.川西北地区沙化科学考察报告［R］.2007.5.