科尔沁沙地不同类型沙丘表土有机质与粒度特征差异分析

张桂华，刘洪妍，介冬梅,3,4，刘颖，蒙萌，王江永，高桂在,3,4，李德晖，李楠楠，牛洪昊，冷程程

1. 东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；2. 安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000；3. 国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130024；4. 长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室，吉林 长春 130024

科尔沁沙地地处东北平原与内蒙古高原、半干旱与半湿润、农业与牧业三大过渡带的交汇处，属典型的生态过渡带。近一个世纪以来，伴随着区域气候暖干化、人口增长以及人类不合理的土地利用方式，沙地植被日益退化、生物多样性减少、土地沙漠化日趋严重（岳喜元等，2018）。近年来，随着一系列治沙防沙工程的启动，科尔沁沙地整体上呈现生态恢复的逆转趋势，但处于生态恢复初期，系统尚不稳定，极易出现反复（赵学勇等，2006）。科尔沁沙地沙尘治理中仍然面临着草地数量、质量有待提高的局面（赵学勇等，2009）。在退化植被恢复和重建的过程中，围栏封育已成为退化土地恢复的重要措施之一，被世界各地广泛采用（宝音陶格涛等，1997；杨晓晖等，2005）。目前，国内外已对封育方式（王明玖等，2001；侯瑞萍等，2004）、封育效果（Hiernaux，1998；何振磊等，2019；王常顺等，2019；戴捷等，2020；赵文等，2020）等方面进行了大量的研究。张建鹏等（2017）以过度放牧后的沙漠化草地为对象，调查了禁牧围封 13年后沙漠化草地土壤理化性质的变化特征，并分析了围封对土壤固碳潜力的影响，研究发现，禁牧围封可以有效促进土壤有机质、养分和微量元素的增加，影响土壤的机械组成及固碳潜力等的变化，但严重退化沙漠化草地的恢复需要一个长期的过程。王蕙等（2012）以不同封育管理的沙质草地为研究对象，研究了土壤理化性质和植被特征，并认为退化沙质草地在恢复过程中植被与土壤之间逐渐形成一个相互作用、相互影响的系统，天然封育配合人工抚育措施对沙质草地的影响和改善程度高于纯天然封育措施。左万庆等（2009）研究了围栏封育措施对退化羊草草原植物群落特征的影响，结果表明围栏封育对退化草原结构和功能的恢复存在不同步性，需要合理制定恢复时间。文海燕等（2005）在科尔沁沙地研究了开垦和封育年限对退化沙质草地土壤性状的影响，研究发现，不同退化程度的沙质草地、不同的封育管理方式，对沙质草地生态系统的恢复和土壤理化性质的改善等有不同的效果。但是，关于围封禁牧对沙地不同类型沙丘及同一沙丘不同部位土壤理化性质影响的研究还较少。

土壤有机质是土壤养分的主要来源和存在形式（Percival et al.，2000），其含量的多少是退化生态系统恢复程度的重要参考指标，表土粒度特征对于了解土壤风蚀、土壤肥力变化具有重要的参考价值（李占宏等，2009）。本文以科尔沁沙地不同固定程度的沙丘为研究对象，采用空间序列代替时间序列的方法，对比分析了不同类型沙丘表层的有机质含量和粒度的特征，研究了沙地土壤在地表植被恢复后土壤有机质含量和质地变化规律，旨在追踪科尔沁沙地植被修复对土壤的影响，以期为不同类型沙丘植被修复提供治理方案。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区（图 1）位于内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼后旗境内，地处科尔沁沙地东南缘与松辽平原西部的连接带。地理位置 121°30′—123°43′E，42°40′—43°41′N。该区属温带大陆性半干旱季风气候区，年均气温为6.4 ℃，全年≥10 ℃的有效积温在 3000 ℃以上，无霜期约 150 d，年平均降水量364.4 mm，主要集中在6—8月，年蒸发量1972.8 mm，年平均风速 3.5 m·s−1，大风日数 20—60 d。

该区地势西高东低，第四纪以来堆积了深厚的冲积、湖积细沙夹粘土层，属堆积平原地形，地貌主要由垄状沙丘、平缓沙地和带状平原组成。土壤类型有风沙土、草甸土、沼泽土和泥炭土等。其中，风沙土是科左后旗的主要土类，该土类结构松散，极易风蚀，养分含量低，保水保肥性能差（苏永中等，2003）。研究区原生植被为沙地疏林草原，由于植被受到破坏，原生植被退化为不同发育阶段的隐域型沙地植被，主要植被类型中优势灌木为差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、黄柳（Salix gordejevii）和小叶锦鸡（Caragana microphylla）；草本优势植物包括糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、野生豆科（Leguminosae）、叉分蓼（Polygonum divaricatum）、狗尾草（Setaria viridis）、冷蒿（Artemisia frigida）和雾冰藜（Bassia dasyphylla）等。

1.2 采样点设计

研究样地选择在内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼后旗的沙质草地区（图1）。在研究区内根据植被盖度差异随机选择4种不同固定程度的沙丘（详见表 1），并调查了每个沙丘围封前的植被覆盖状况。采样方法为：分别在每个选定沙丘的迎风坡和背风坡设置采样点，从坡顶到坡底，以1 m为间隔（个别沙丘为1.5 m或2 m），用铁锹在表层0—5 cm处取样500 g，同时记录采样部位的上覆植被盖度，优势植物种类等，共采集样品589个。随机选定11个沙丘，其中固定沙丘（以迎风坡和背风坡为不同样点而编号1—5）、半固定沙丘（编号6—10）、半流动沙丘（编号11—16）分别为3个，流动沙丘（编号17—20）为2个，力求做到基于过程变化的点位特异性集成分析，并保证每类型的沙丘重复采样 3个，以减少采样及实验过程中出现的误差。在实验室，待样品自然风干后，过2 mm筛去除杂质（植物根系和其他凋落物等），一部分样品用于有机质含量测定，另一部分用于粒度分析。

图1 研究区位置及样点分布图Fig. 1 The study area and samples locations

表1 采样点基本信息Table 1 General conditions of samples

1.3 实验方法

1.3.1 有机质测定

目前测定土壤有机质含量的方法很多，本文采用烧失量（Loss on ignition，简称为LOI）法即灼烧法，是通过高温煅烧使土壤或沉积物中的有机质氧化分解，根据煅烧后失去的质量来计算有机碳含量（钱宝等，2011；杨冰洁等，2015；胡彩莉等，2016）。朱广伟等（2004）研究发现，在550 ℃高温下灼烧测定的烧失量和有机质的含量比较接近，因此本文以烧失量代表土壤中的有机质含量，以烧失量的变化反映土壤中有机质的含量变化。

本文烧失量测试样品589个，测定样品中的有机质含量，具体步骤如下：（1）将容量为30 mL的素烧坩埚用盐酸（1∶4）煮1—2 h，洗净、烘干后称质量（m1）；（2）考虑到样品的有机质含量较低、煅烧质量变化较小，故增大样品量，同时保证煅烧充分。取适量样品（平均20 g左右）放入坩埚中；（3）将样品放入烘箱中，105 ℃烘干24 h，取出放入干燥器冷却后称质量（m2）；（4）将烘干后的样品放入温度为550℃的马弗炉中，6 h有机质完全分解后取出称质量（m3）。

后期计算公式为：

其中，m1为坩埚的质量（g）；m2为105 ℃烘干后样品和坩埚的质量（g）；m3为550 ℃灼烧后样品和坩埚的质量（g）。因此，该式的计算结果代表样品的烧失量，即有机质含量[ω(OM)]。

1.3.2 粒度分析测试

本文粒度分析样品共 589个，选择 Microtrac S3500激光粒度分析仪，激光粒度分析仪测量原理基于光的散射，样品颗粒的大小可通过散射角的大小体现出来，并与散射角的大小成反比，通过对颗粒角向散射光强度的测量，即可获得样品的粒度分布，并通过所获得的粒度参数和测试结果图分析沉积物的物质来源和沉积环境。

样品预处理及上机测试具体步骤为：（1）取1 g样品放入离心管中，将浓度为36.5%的HCl加水稀释，配成10%的稀盐酸溶液，放置在清洁的烧杯中，并用滴管取约 5 mL的 HCl滴入到每个样品中，以除去样品中的钙；（2）将装有样品的离心管放在烧杯中水浴加热，加热时间约1 h，当样品全部分散至盐酸当中，即可停止加热，并将样品取出放置在试管架上；（3）将样品加蒸馏水至10 mL，离心，并将上层清液倒入废液桶中，共离心3次；（4）取约5 mL双氧水加入离心管中，摇晃，使得双氧水与样品充分接触，并将样品放置在烧杯中水浴加热约2 h，以除有机质；（5）将离心管取出，加蒸馏水至10 mL，离心，并将上层清液倒入废液桶中，共离心3次；（6）向离心管中滴加 0.05 mol·L−1六偏磷酸钠溶液约5 mL，摇晃，使样品与溶液充分接触，偏磷酸钠可以起到分散剂的作用，使得样品充分混合、分散；（7）用超声波清洗仪震荡样品约10 min，使样品充分分散；（8）打开粒度分析仪并选择型号：S3500；加水，摇匀；摇晃离心管，使样品充分混合，并用滴管取少量样品放入离心机中测试；漂洗，摇匀，依次进行下一个样品的测量；当所有样品测量完毕后，漂洗并排干，关闭粒度分析仪即可。

1.4 数据处理

利用独立样本T检验对固定、半固定、半流动和流动沙丘4种生境下的烧失量和平均粒径进行差异显著性分析（P＜0.05）。用单因素方差分析（ANOVA）对不同类型沙丘进行差异显著性分析。用Tilla 1.6.7、CANOCO 4.5分别对有机质含量和粒度参数进行聚类分析、主成分分析。用Pearson相关分析计算地表植被、平均粒径和烧失量的相关性。以上数据分析和图表制作在Arcgis 10.3、SPSS 17.0和Origin 9.1软件下完成。

2 结果与分析

2.1 不同类型沙丘表土有机质含量变化

由方差分析（表2）可知，不同类型沙丘的有机质含量通过了显著性检验，即不同类型沙丘表土有机质差异明显。另外，由实验结果可知，固定沙丘的有机质含量最高，从半固定沙丘、半流动沙丘到流动沙丘的有机质含量依次降低。其次，对同一个沙丘而言，迎风坡的有机质含量比背风坡的有机质含量低，坡顶的有机质含量也明显低于坡中和坡底。

表2 不同类型沙丘表层有机质含量[ω(OM)]的差异性分析Table 2 Difference analysis of ω(OM) on surface layer of the different types of dune

2.2 不同类型沙丘表土的粒度特征变化

粒度是指沉积物颗粒的大小，为方便作图，颗粒直径d由mm转化为φ值，换算公式为φ= −log2d。粒度参数一般包括中值粒径（Mz）、分选系数（Si）、偏度（Si）和峰度（Kg）。由图2可以看出，科尔沁沙地中值粒径均以中砂和细砂为主。中值粒径并不因沙丘类型的不同而发生变化，从坡顶至坡底，中值粒径也表现较为均一，但是在同一个沙丘上，迎风坡的表土粒径则较背风坡的偏粗。

根据福克和沃德（1957）分选性等级表，我们发现，大部分沙丘表土的分选程度为较好，同一沙丘迎风坡较背风坡分选更好。从坡顶到坡底，分选系数的曲线略有上扬，坡顶比坡底分选好。从同一沙丘分选系数的均值，可以看出从固定沙丘到流动沙丘，分选越来越好。大部分沙丘的偏态呈近对称分布，或正偏。正偏是细偏，粒度集中于粗端部分。根据成都地质学院的《沉积岩粒度分析及其应用》可知，沙丘及风坪沙多为正偏，本文的结果与之一致，符合风成沉积物的粒度特征。对半流动沙丘和流动沙丘而言，同一沙丘迎风坡和背风坡的偏度差异明显，背风坡的粒度相比于迎风坡，细粒部分偏多。而固定沙丘和半固定沙丘，该现象则不明显。总体来看，同一沙丘从迎风坡到背风坡偏值变小，峰态变宽，迎风坡的粒度分布较为集中。

2.3 不同类型沙丘表土有机质含量与粒度参数的聚类分析

对11个沙丘的迎风坡和背风坡（共20个样点）表土有机质含量[ω(OM)]与粒度参数（Mz、Si、Ski、Kg）的均值进行聚类分析（图3），结果显示样点被划分为五类，1—5号样点为固定沙丘被划分为第一类，6号样点是半固定沙丘的背风坡，由于该样点没有迎风坡的采样点，被划分为第二类，7—13号样点为半固定和半流动沙丘被划分为第三类，14号样点被单归为第四类，该沙丘背风坡有机质含量偏高，沙粒偏细，15—16号半流动沙丘与17—20号样点（流动沙丘）划为第五类。该结果与依据植被盖度划分的结果相似，但对个别沙丘不符。

为了进一步定量刻画沙丘固定程度与地表盖度Cov（Coverage）、有机质含量和粒度参数之间的关系，本文利用植被盖度、有机质含量和粒度参数组合进行主成分分析（图4）。地表盖度（Cov）、有机质含量[ω(OM)]和粒度参数（Mz、Si、Ski、Kg）主成分分析生成4个主成分因子，共解释100%的变量信息，其中第二轴为最重要的排序轴（98%）。依植被盖度而分的沙丘类型与样点分布图来看（图4），固定沙丘、半固定沙丘以及部分沙丘的背风坡样点多分布在第二轴的负方向象限，半流动沙丘、流动沙丘以及部分沙丘的迎风坡样点（13、15、17、18、19、20号）多分布在第二轴的正方向象限。所以第二轴解释的应是沙丘的固定程度，从负轴往正轴方向沙丘固定程度越来越低。其中植被盖度、有机质含量、分选系数和中值粒径对其影响较大。

3 讨论

3.1 有机质与粒度的变化规律

图2 不同类型沙丘表层有机质含量[ω(OM)]和中值粒径值（Mz）的分布Fig. 2 Distribution of surface ω(OM) and the Mz of different types of dune

图3 表土有机质含量[ω(OM)]与粒度参数（Mz，Si，Ski，Kg）的聚类分析Fig. 3 Cluster analysis of the ω(OM) and particle size parameters(Mz，Si，Ski，Kg)

沙丘的有机质含量相对偏高，对应的采样点沙粒偏细，也就是说表土越细，越有利于有机质的积累。刘畅（2004）认为土壤机械组成与土壤全量养分是相关的，在土壤机械组成中，土壤粘粒含量高是有利于土壤有机质积累的主要因素之一。根据粒级界线（乌登-温特沃思分类表）将沉积物划分为砾、砂、粉砂和黏土4组，结合粒度测试结果，科尔沁沙地四类不同类型沙丘，砂所占的比例基本为100%。固定沙丘的土壤机械组成，以砂和粉砂为主，其中砂所占的比例远远大于粉砂所占的比例，平均在90%以上，粘粒含量几乎为零，有机质含量普遍较低，这与前人的研究结果相一致（朱孟娜，2017）。

布日敦嘎查北侧固定沙丘的背风坡，有机质含量的曲线大致可分为两个部分，采样点1—20号有机质含量均值约为 0.53%，21—39号均值约为1.36%，坡顶部分有机质含量少于坡底部分，可能与地形有关，曹樱子（2012）研究表明，风蚀沉积过程中，因为坡顶比中破和坡底更陡、更容易受到风蚀，而坡中和坡底是接受坡顶风蚀土壤沉积的主要部位，因而土壤养分较坡顶高。

3.2 有机质、粒度变化与植被盖度的关系

图4 不同类型沙丘地表盖度（Cov）、表土有机质含量[ω(OM)]和粒度参数（Mz，Si，Ski，Kg）的主成分分析图Fig. 4 Principal component analysis (PCA) for distinguishing the Cov，ω(OM) and grain size parameters (Mz，Si，Ski，Kg)

通过聚类分析（图 3）发现，依据地表盖度与依据表土有机质含量和粒度参数划分沙丘的固定程度的结果相似。由主成分析（图 4）可以看出，植被盖度、有机质含量两个因素与沙丘固定的程度关系密切，植被盖度对沙丘的固定程度影响最大。其中2号（固定沙丘的背风坡）、8号（半固定沙丘的背风坡）样点，15、16号（半流动沙丘）样点，有机质的含量比与之相近植被盖度的沙丘的有机质含量的值低，这可能也是15、16号样点依据植被盖度划分为半流动沙丘，而聚类分析（图 3）的结果是与流动沙丘划为第五类的原因。在沙地地区，地表植被是土壤有机质的重要来源（段利民，2011）。通过相关分析（表3）可知，有机质含量与地表植被覆盖度（r=0.43）呈显著线性相关，但相关系数的值并不高。结合前期的野外调查可知，科尔沁沙地近年来已实行禁牧围封政策，2018年实行全年全域禁牧围封政策，推测禁牧围封使地表植被得到了恢复，但仍然保留了沙地曾经历过活化或者植被覆盖度较低的事实，土壤有机质的积累滞后于植被的恢复。

植被盖度是影响沙丘固定程度的最重要因素，沙丘迎风坡比背风坡的颗粒粒径偏粗，位于盛行风向的背风坡，植被覆盖度较好，受到风的吹蚀作用小。弋双文（2013）等研究指出，植被增多又加大了地面的粗糙度，减弱了近地面风速，使得沙粒粉尘更容易沉降，进而保持水土。由此可知沙粒的大小与地表遭受风蚀的程度有关，即与地表植被盖度有关，而通过相关分析（表 3）可知，地表盖度与不同类型沙丘的粒径大小（r=0.163）关系极弱，不同类型沙丘对应的粒径大小并无规律可循，推测不同固定程度沙丘的植被盖度处于动态的变化过程中，流动沙丘可能是固定沙丘活化而来，固定沙丘也可能是流动沙丘植被恢复的结果。也可能是采样沙丘先前不在围封禁牧保护区内，由于放牧等人为因素，破坏了地表植被对沙丘土壤水土保持的作用。沙漠化治理的关键是植被的恢复，并且维持植被－土壤系统的良性循环，可知科尔沁沙地目前沙漠化治理道路还很漫长，须继续坚持围封禁牧，保护沙丘地表植被。

表3 地表盖度、表土粒度和有机质含量间的相关关系Table 3 Correlation between Coverage，Mz and ω(OM)

目前，我们的地球有向暖演变的趋势，如果未来气候变化趋向暖干，沙漠环境又有沙化的风险，而不合理的开垦、过度放牧等人为活动是当前局地沙漠化的主要成因（徐志伟，2013）。该区地处典型的生态过渡带，降水集中于夏季，年平均降水量360 mm，水分条件较好，围封禁牧可以使沙丘表层的植被自然恢复。沙丘上的各种灌（草）丛起着显著的防风固沙作用，然而在植被覆盖沙丘后的很长时间内，仍处于土壤形成的初期阶段，对沙丘生态系统稳定性的影响有限，须对生有植被的沙丘实施封育，采取人工措施为其提供便利条件（韩广等，2011）。各种原因引起的土壤风蚀是造成沙漠化发展中土壤过程的主要动力因素（刘树林，2008），本文的实验结果发现流动沙丘、半流动沙丘迎风坡颗粒明显较背风坡的偏粗，看出迎风坡的风蚀作用更强烈，坡顶比坡底更易受到风蚀，在恢复植被时可以流动、半流动沙丘迎风坡的坡顶部分为重点恢复区。

4 结论

（1）科尔沁沙地表土有机质含量较低，在 4种类型的沙丘上有机质含量呈显著差异，同一沙丘迎风坡的有机质含量低于背风坡，坡顶的有机质含量低于坡中和坡底。粒度分析结果可以看出，科尔沁沙地中值粒径组成以中砂和细砂为主，迎风坡的沙粒粒径较背风坡的粗，分选较好，同一沙丘迎风坡较背风坡分选好，坡顶比坡底分选好。偏态多为近对称分布或正偏态分布，从迎风坡到背风坡峰态变宽。

（2）表土有机质含量与地表植被盖度显著相关，固定沙丘的表土有机质含量最高，粒径越细，粘粒含量高，有利于有机质的积累。而土壤有机质的积累慢于植被的恢复。而沙粒粒度的大小与植被盖度关系极弱，推测沙地局地环境有可能在短时间内形成突变，也可能是沙地植被遭到破坏，降低了对表层的水土保持，沙漠化治理道路还很漫长，须继续坚持围封禁牧，保护地表植被，实现植被-土壤生态系统的良性循环。

（3）植被盖度是影响沙丘固定程度最大的因素，围封禁牧使地表的植被首先得以恢复，有机质的积累和土壤机械组成的改善，则依赖长时间的植被重建。流动沙丘、半流动沙丘迎风坡颗粒明显较背风坡的偏粗，看出迎风坡的土壤风蚀作用更强烈，坡顶比坡底更易受到风蚀，在恢复植被时适当的采取人工措施，可以流动、半流动沙丘迎风坡的坡顶部分为重点恢复区。