黄河首曲高寒草甸的土壤特征及其对沙化的响应

安富博，李银科，纪永福，唐志红，金红喜，赵艳丽，肖 斌

(1.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地，甘肃 武威 733000；2.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 民勤 733300；3.甘肃临泽荒漠生态系统定位研究观测研究站，甘肃 临泽 734200；4.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070； 5.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020)

玛曲高寒草甸是青藏高原生态系统的重要组成部分，是黄河上游主要的产流区、水源涵养区和水源补给区。但近年来，在全球气候变暖趋势下，加上人为活动干扰，该区地表径流减少、地下水位下降、植被破坏、草场严重退化及水土流失等生态环境问题日趋严重，尤其是草地沙化问题已相当突出[1]，致使整个区域草场载畜量和草地植被涵养水源功能大为降低，严重制约着该区资源的可持续开发利用及畜牧业发展，直接影响当地人们的正常生活生产、社会安定、经济发展，影响西北边疆安全和民族团结，也危及黄河中下游及沿黄9省(区)的生态安全[2]。

高寒草地生态系统脆弱，抗干扰能力差，恢复能力有限[3]，地上植被一旦失去，紧接着土壤系统也会丧失生态平衡，遭受破坏，表现出退化趋势。而土壤退化是高寒草甸生态系统退化的核心问题[4]，严重影响着高寒草甸生态系统功能的正常发挥。草地沙化是指一定生境条件下的草地植被与该生境的顶级或亚顶级植被状态的背离，是整个草地生态系统的退化，与此相对应的，土壤理化特征也将发生变化[5]。我们拟通过对玛曲草原土壤剖面特征的研究，了解在沙化过程中土壤理化性质的变化特征及其与沙化的关系，以期为高寒草地沙化治理提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

甘肃省玛曲县(东经100°45′45″—102°29′00″，北纬33°06′30″—34°30′15″)位于青藏高原的东南缘，甘肃、青海和四川三省的结合部，土地总面积1.019万km2，海拔3 300—4 806 m，年平均气温1.1～2.7 ℃，年降水量501.6～615.5 mm，降水主要集中于5—9月，年蒸发量1 000～1 500 mm，年平均风速2.5 m/s，8级以上大风日数77.1 d，气候高寒阴湿，属半湿润过渡地带的草原区，拥有86万hm2亚洲最优质的天然草场，是“羌中畜牧甲天下”的富庶之地，也是一个藏族聚居的纯牧业县。境内星罗棋布的大小湖泊和沼泽草场，构成黄河上游完整的水源体系，黄河自东、南、北三面环绕玛曲县，形成“九曲黄河”第一湾。境内干流流程433.3 km，流域面积8 850 km2，是黄河径流主要产流区、汇集区，也是黄河上游的重要水源涵养区，具有特殊的生态保护功能。阿尼玛卿山、西倾山两大山系主脉形成的西北部高山区，中南部阿尼玛卿山东南端和西倾山前山地带丘陵区，以及东部黄河沿岸河流阶地构成该地地形地貌格局。

1.2 调查分析方法

2012年8月，以玛曲县东部黄河沿岸河流阶地、中南部丘陵区及西北部高山区3种地貌为单元进行土壤考察及取样。另外，在东部黄河沿岸河流阶地，选取严重潜在沙化、较严重潜在沙化和轻度潜在沙化3种不同潜在沙化程度沙地进行土壤采样，每间隔10 cm深取一个样，共取10层，取样过程中记录土壤剖面颜色变化、地上植被状况等。

考察共采集土壤剖面样品193个，每个土壤类型选一个典型剖面，测定土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、pH值、电导率。

土样在室内风干后一部分过1 mm筛，用于测定速效磷、速效钾、pH值、电导率，另一部分过0.25 mm筛，用于测定有机质、全氮。土壤有机质的测定用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮用半微量开氏法；速效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法；速效钾用醋酸铵浸提-原子吸收比色法；pH值用电极法，水土比为2.5 ∶1。

2 结果与分析

2.1 主要土壤类型剖面特征

参考以往划分的玛曲土壤类型[6]，另根据我们的考察目的，将玛曲土壤类型分为风沙土、草甸土、高山草甸土、亚高山草甸土、泥炭土和沼泽土，具体情况见表1。

风沙土(见表2)属于非地带性土壤，断续分布于黄河沿岸和新老阶地交界处沙丘或固定沙丘，在采日玛至曼日玛的也尔莫乔至乔科大沼泽东侧山丘间亦有分布。成土过程微弱，土层很薄，剖面通体为沙或沙丘，表层有0～30 cm的草皮层，土地颜色也为一致的浅黄色或表层为灰黑色。个别地方植被破坏，沙丘裸露，沙随风移动，草皮层一经破坏沙粒即出露。

表1 主要土壤类型总体情况

表2 风沙土剖面(18号剖面，山前丘陵，固定沙丘)

草甸土(见表3)主要分布于黄河沿岸冲积阶地及其支流的冲积洪积扇上，一般在海拔3 600 m以下、地势平坦、地下水位1～3 m的地方，属非地带性土壤。此类土为半水成土，形成主要受草甸化过程的作用。草甸化过程包括两个方面：一是在草甸植被下形成有机质的大量积累；二是下部土层受地下水的浸润有季节性氧化还原过程，形成锈斑层。发育在低洼地有季节积水的草甸土锈斑层下有潜育层出现。

表3 草甸土剖面(8号剖面，地表起伏明显，最高可达1 m，草场长势良好)

亚高山草甸土(见表4)主要分布于海拔3 600 m以上的山地，以欧拉、欧拉秀玛、木西合、阿万仓、尼玛分布最多。土壤的周期性冻融变化显著，但一般无常年冻土层。草根盘结形成较松软的毡状草皮层，其下的腐殖质层发育良好，厚10～30 cm，颜色多为暗灰棕和灰黑色，具粉粒状和粒状结构。土体层次向下过渡明显，从草皮层下的腐殖质层很快过渡到与母质相近的AB层或AC层。

表4 亚高山草甸土剖面(146号剖面，黄河边半山坡)

泥炭土(见表5)在曼日玛、采日玛和齐哈玛分布最多，河曲马场、畜牧试验站、尼玛乡与欧拉乡也有分布，属非地带性土壤。主要发育在黄河古道、冲积湖积滩和积石山低洼谷底上。由于湖相沉积物质黏重，土壤水分下渗困难，植物残体连年积累，在还原条件下形成泥炭，当泥炭层厚度超过50 cm以后，土体的主体层即被泥炭占领，深度可达4 m以上。由于夏秋多雨、冬春干旱，沼泽地表水的多寡变化导致泥炭层通气好坏差异，有机质还原离铁后，部分又被氧化而成黄色锈斑，以不规则的层状分布于泥炭层中。泥炭层下亦有潜育层存在，为蓝灰色黏泥。

表5 泥炭土剖面(32号剖面，干旱沼泽，冻胀土丘较大)

沼泽土(见表6)主要分布在齐哈玛、采日玛、曼日玛和阿万仓乡，河曲马场与尼玛乡亦有分布，属非地带性土壤。发育在低洼滞水的黄河古道河湖沉积物与积石山东麓丘陵间低洼谷底沉积物上。地下水位高，潜水丰富，河湖沉积物质地黏重、渗水性差，且地表水汇聚，排水不畅，积滞成沼。植物残体难以分解，形成泥炭，并发生有机质的还原离铁作用，使底土灰蓝色潜育层上部掺杂了灰黄色锈纹层次，总称为矿质潜育层。

表6 沼泽土剖面(33号剖面)

玛曲气温低，土壤有机质分解缓慢、积累多，表层颜色黑，一般形成一个紧实的草皮层。土壤有机质、全氮含量高，速效钾含量也较高，速效磷含量低。pH值一般在6.5～8.1之间，电导率较小。

2.2 土壤特征变化与沙化的关系

该区风沙土与草原沙化有直接的关系。风沙土大多发育在河流冲积物上，母质沙源丰富；土层薄的草甸土也存在潜在沙化的可能，草甸土沙化后即演变为风沙土。表7为不同潜在沙化程度风沙土理化性质。

严重潜在沙化风沙土土层薄，成土过程微弱，植被稀疏，一般为半固定-固定沙丘。有风蚀剖面，是一种退化(沙化)类型，表层有0～5 cm新覆沙，风蚀和风积同时进行着。土层厚度为0～40 cm，表层有机质含量在2～12 g/kg之间。表层大多松散，没有草皮层或草皮层很薄，极易被破坏，在风力作用下很容易起沙。有的地方母质层以下有一层10～30 cm厚的灰黑色砂壤土层，甚至几层，结构较紧实，为埋藏层，是早期的一个成土过程在风积作用下被埋藏，表明该区风沙活动在很早以前就一直进行着，近期超载等人为活动又促进了古沙丘的活化，即沙化。

表7 不同潜在沙化程度0—1 m风沙土理化性质

较严重潜在沙化风沙土一般为古沙丘，成土过程较明显，表层也有积沙过程，表层有机质含量在14～20 g/kg之间，土层厚度60 cm左右，以下为浅黄色的砂粒母质层。草皮层10 cm左右，沙物质含量高，较紧实，易被破坏。有少量风蚀断面，风力作用下容易起沙。

轻度潜在沙化风沙土土层较厚，为古沙丘，有明显成土过程，植被生长较好，有约20 cm厚的草皮层，表层有机质积累多(40～55 g/kg)，颜色较深，呈灰黑色，层状，紧实。向下有机质积累减少，颜色逐渐变浅，结构变松散。80 cm以下为浅黄色的砂粒母质层。

随着潜在沙化程度的增加，植被稀疏、土层厚度变薄、土体颜色变浅、草皮层变薄、紧实度降低，很容易被破坏，一旦破坏，生态恢复极其困难，且会导致更多的水分下渗[2]，下层沙暴露，在风力作用下起沙，颗粒组成变粗。如果大面积连片破坏，则会形成流动沙丘。

有研究表明，高寒草地沙化进程中，土壤机械组成不断变粗，土壤容重不同程度增加而孔隙度相应减小[7]，土壤碳、氮、磷含量明显降低，钾素变化不明显，钙含量和pH值显著升高[8]。从表7可以看出，随着潜在沙化程度的增加，0—1 m土壤有机质和全氮含量明显降低，速效磷含量增加，速效钾、pH值和电导率变化规律不明显。因为随着潜在沙化程度的增加，土层变薄，植物稀疏，有机物质积累减少；再者，地表裸露破碎，冬春季极易造成风蚀，使大量的有机物质随表层细颗粒的吹失而损失[9]，所以土壤有机质和全氮含量降低。而速效磷的增加可能与植被的吸收减少有关。随着潜在沙化程度加重，土壤养分和水分状况恶化，更不利于植物生长，生态状况存在严重威胁。

3 结 论

该区地带性土壤为高山草甸土和亚高山草甸土，非地带性土壤有草甸土、风沙土、泥炭土和沼泽土等。该区的土壤有机质分解缓慢、积累多，表层颜色黑，一般形成一个紧实的草皮层。土壤有机质、全氮含量高，速效钾也较高，速效磷含量贫乏，土壤呈中性或弱碱性，盐分含量较低。风沙土沙物质丰富，与草原沙化有着直接的关系；发育在黄河沿岸冲积阶地上的草甸土母质沙源丰富，土层薄的草甸土也存在潜在沙化的可能。该区风沙活动存在已久，沙丘处于固定和活化的动态平衡中。近年来，由于气候变化和人类活动的影响加大，沙丘活化趋势总体强于固定趋势。沙丘活化导致原来固定的沙丘土壤养分和水分状况恶化，植被退化，草原生态遭到破坏。应对已沙化和严重潜在沙化草地采取封育和人工干预促进植被恢复，对轻度潜在沙化草地采取合理配置载畜量等措施，促使活化沙丘逐步趋向固定，进而有效防止和治理草原沙化。

[参考文献]

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