鄱阳湖区风沙化过程中土壤理化性质的变化特征

王 农，彭 浪,，汤崇军*，莫明浩，段 剑，刘士余

（1.江西省水利科学院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029；2. 江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045）

土壤沙漠化是全球所面临最严重的生态环境问题之一［1-2］，不仅在干旱及半干旱地区普遍存在，在湿润及半湿润地区也同样存在土壤沙漠化现象。据国家林业和草原局第四次全国荒漠化和沙化监测统计，中国南方的湿润沙化土地分布广泛，面积达到0.88万km2［3］，加上不合理的人类活动，严重威胁生态安全，影响人民的生产生活。当前，对于土壤沙漠化防治的研究多集中在干旱及半干旱地区［4-6］，对于湿润及半湿润地区的研究尚不足。湿润及半湿润地区的沙地物种组成及生境条件，与干旱及半干旱地区存在较大的差异。因此，研究湿润及半湿润地区风沙化过程中的土壤性质变化，对于风沙化土壤植被的恢复工作具有重要意义。

鄱阳湖区作为典型的湿润及半湿润地区，地处长江中游，在长江流域生态安全、社会稳定和经济发展中都发挥着巨大作用［7］。但近代以来，由于受人口、经济、资源和发展等多重压力的影响，鄱阳湖区的生态严重退化，水土严重流失［8］。除水蚀外，风蚀现象在鄱阳湖滨湖地区也广泛存在，不仅导致风蚀劣地的形成，还破坏植被、压埋农田、毁坏耕地，导致人地矛盾日益突出，严重影响了鄱阳湖区的生态安全、粮食安全和社会安全［9］。相关调查表明，江西省主要风沙区的沙地面积为282.47 km2，主要分布于鄱阳湖滨湖地区和“五河”尾闾区，其中以都昌多宝沙山最为典型［10］。当前，对于鄱阳湖区沙地的研究主要集中于沙山形成、泥沙来源和植物多样性等方面［11-13］，而对于土地风沙化过程中土壤理化性质变化的研究鲜见。鉴于此，本文以鄱阳湖区都昌县多宝乡风蚀区为研究区，采用空间代替时间的方法，以土地风沙化过程中固定沙丘、半流动沙丘、流动沙丘为研究对象，研究了土地风沙化过程中土壤理化性质的变化规律，以期为鄱阳湖滨湖地区的沙地植被恢复和土地风沙化防治提供科学参考依据。

1 研究区概况

江西省都昌县多宝沙山位于鄱阳湖入江洪道右岸（116°3′～116°7′42″E, 29°21′22″～29°21′18″N），南北长10 km，东西宽2 km，海拔46.4～ 242.9 m，属亚热带温暖湿润气候，自然土壤以红壤、黄棕壤为主，在风的作用下退化为风沙土，土壤结构松散，养分含量低，保水、保肥能力差。沙山气温较高，雨量充沛，年平均降雨量为1400～1900 mm，蒸发量为1774～1890 mm，平均气温17.4 ℃，最高气温42.0 ℃，最高地表温度69.5 ℃，全年无霜期241～304 d，年均风速2.9～3.8 m/s，全年发生5级以上大风21 d。该区整个植被景观为草本、灌木与乔木的镶嵌体，地貌类型以固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘为主要特征［7］。

2 材料与方法

2.1 样地选择与取样

采用空间代替时间的方法，对鄱阳湖区土地风沙化过程中土壤理化性质的变化规律进行研究。于2020年7月，在江西省都昌县多宝乡进行土壤采样，根据植被覆盖度的不同，按照土地风沙化过程划分为固定沙丘、半流动沙丘、流动沙丘3种沙丘类型：固定沙丘，植被覆盖度C＞30%；半流动沙丘，15%＜覆盖度C＜30%；流动沙丘，覆盖度C＜15%［14］。

在研究区内随机选取24个样地（表1），其中流动沙丘位于湖岸地带，半流动沙丘及固定沙丘位于远离湖岸的湖滨地带。在3种类型沙丘样地的坡顶、坡中、坡脚随机布设3个样方，样方方位均设置在沙丘迎风坡（避免坡向差异影响），样方面积均为1 m×1 m；记录各样方内的植物覆盖度。采用S型取样法进行多点取样，每个样方5点混合成1个样品，并分别在0～10、10～20 cm土层深处取样。

表1 不同类型沙丘样地概况

为避免由于时间的不同对土壤含水率的影响，分别在固定沙丘、半流动沙丘及流动沙丘中每天采集相同的样品数，采样时间持续3 d，每天进行含水率的测定，土壤含水率取3 d土壤含水率的平均值。将所取土壤带回室内进行物理性质及养分分析，采集样品的检测均采用常规分析方法，具体参照《土壤农业化学分析方法》［15］。

2.2 数据分析

多组试验数据的平均值比较采用One-way ANOVA方法；采用SPSS 10.0软件进行统计分析；采用Excel软件进行数据处理和制图。

3 结果与分析

3.1 风沙化过程中土壤物理性质的变化

3.1.1 土壤含水量 土壤水分在植物生长过程中扮演着重要的角色，其含量直接影响到植物的蒸腾作用和代谢［16］。在风沙化过程中，各类型沙丘样地0～10、10～20 cm土层的土壤含水率均不相同（图1），但其变化规律一致，含量大小依次为固定沙丘＞半流动沙丘＞流动沙丘，且不同样地10～20 cm土层的土壤含水率均比0～10 cm土层的土壤含水率高。此外，在风沙化过程中，各沙丘样地在0～10、10～20 cm土层的土壤含水率都较低，均不足10%，这在很大程度上限制了沙生植物的生长发育。

图1 不同类型沙丘的土壤含水率

3.1.2 土壤容重及孔隙度 由图2可知，各类沙丘样地在0～10、10～20 cm土层的土壤容重均高于1.4g/cm3，且顺序为：流动沙丘＞半流动沙丘＞固定沙丘；各样地的土壤孔隙度的大小顺序则相反。固定沙丘、半流动沙丘在0～10、10～20 cm土层的土壤容重均显著低于流动沙丘，但前两者之间的土壤容重不存在显著性差异。对0～10、10～20 cm土层的土壤孔隙度而言，半流动沙丘、流动沙丘显著低于固定沙丘，前两者之间在0～10 cm的土壤孔隙度不存在显著性差异，但在10～20 cm土层，流动沙丘显著低于半流动沙丘。此外，各沙丘样地0～10 cm土层的土壤容重均低于10～20 cm土层的土壤容重，而土壤孔隙度的表现则相反。

图2 不同类型沙丘的土壤容重和土壤孔隙度

3.1.3 土壤机械组成 土壤机械组成即土壤质地，是指土壤中各级土粒含量的相对比例及其所表现的土壤砂黏性质［17］。通过Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪[购自荷兰安米德(Ankersmid)有限公司]对风沙化过程中不同类型沙丘样地0～10、10～20 cm土层的土壤机械组成进行测定。由表2可知，不同类型沙丘样地在0～10、10～20 cm土层的土壤机械组成差异较大，土壤质地类型也不相同。在0～10 cm土层的土壤类别中，固定沙丘、半流动沙丘、流动沙丘分别为中砂土、中砂土、极重砂土；在10～20 cm土层的土壤分别为极重砂土、极重砂土、重砂土。因此，各类沙丘样地的上层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）的土壤质地均在中砂土以上，大部分质地表现为极重砂土，这表明湖滨带的土地沙化情况较为严重。此外，流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘3类样地的土壤质地没有本质区别，质地分类均为砂质土。

表2 不同类型沙丘的土壤质地

3.2 风沙化过程中土壤化学性质的变化

土壤有机质是土壤的重要组成成分，也是植物生长所需的各种营养元素的重要来源。由图3可知，各类沙丘样地0～10、10～20 cm土层的土壤有机质含量从大到小依次为固定沙丘、半流动沙丘、流动沙丘，上层土壤（0～10 cm）的有机质含量高于下层土壤（10～20 cm）。各沙丘样地的土壤有机质含量总体上较低，最高含量仅为1.2%左右，均属于有机质极低的土壤类型。

图3 风沙化过程中土壤有机质含量的变化

氮素是植物生长必需的营养元素之一，而土壤的全氮含量是衡量土壤供氮状况的重要指标［18］。由图4可知：各沙丘样地的土壤全氮含量由固定沙丘到流动沙丘样地依次降低；各沙丘样地的上层土壤（0～10 cm）的全氮含量高于下层土壤（10～20 cm）。此外，在各类型沙丘样地中，固定沙丘的土壤全氮含量为0.042%～0.047%，半流动沙丘土壤全氮含量为0.032%～0.038%，流动沙丘土壤全氮含量为0.025%～0.029%，这表明各沙丘样地的土壤全氮含量总体处于偏低水平。

图4 风沙化过程中土壤全氮含量的变化

磷是植物生长必需的营养元素，土壤全磷含量反映了土壤磷素潜在的供应能力。由图5可知，样地土壤的全磷含量最高，其次为半流动沙丘，流动沙丘最低，且土壤表层的全磷含量比深层的含量略高。在不同类型沙丘样地土壤中，固定沙丘土壤全磷含量为0.1388～0.1457 g/kg，半流动沙丘土壤全磷含量为0.1204～0.1322 g/kg，流动沙丘土壤全磷含量为0.0901～0.0975 g/kg。因此，不同类型沙丘样地土壤的全磷含量总体也处于偏低水平。

图5 风沙化过程中土壤全磷含量的变化

4 讨论

良好的土壤性能是健康生态系统的一个重要保障，土壤含水量、容重、孔隙度、机械组成均为土壤性能中的重要指标，其中土壤含水量是植物生长发育的重要影响因子［19］。本研究发现，从固定沙丘到流动沙丘，上层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）土壤的容重均呈上升趋势，而孔隙度、有机质和氮磷养分含量等指标均呈下降趋势（表3），这与段争虎等［20］的研究结果一致。由于鄱阳湖区在土地风沙化过程中，首先受风力的作用，较细土壤颗粒被吹失；其次，鄱阳湖区的年降雨量大，在降雨驱动下，土壤有机质和氮磷养分等也通过地表径流和土壤侵蚀等途径流失。在水力和风力的复合侵蚀下，沙地土壤退化严重，进而导致了植物覆盖度和多样性的下降。此外，在不同类型沙丘中，10～20 cm土层土壤的容重均高于0～10 cm土层的，而孔隙度、有机质和养分含量则均低于后者，这与杨梅焕等［21］的研究结果相似。这说明在风力和水力的复合侵蚀作用下，不同土壤层次间的理化性质也存在较大差异。在将来的研究中应加大采样深度，系统研究不同层次土壤对水力—风力复合侵蚀的响应规律。

表3 半流动沙丘和流动沙丘土壤理化指标的降幅

鄱阳湖区地处亚热带湿润区，多年平均降水量为1400～1900 mm，但由于沙地日照强、地表温度高（最高地表温度可达69.5 ℃）、地表蒸发强（年蒸发量1774～1890 mm），再加上沙地保水能力差，使得土壤含水率成为沙山植物生长的重要限制因子。植被不仅可通过对地表的覆盖降低土壤水分的蒸发流失，提高土壤含水率［22］，还可通过根系在土壤中穿插固结土壤，提升土壤的保水能力［23］。本文认为不同类型沙丘土壤含水量的差异，一方面是由于在风沙化严重的半流动沙丘和流动沙丘中，泥沙粒径较大，土壤水分下渗快，对降雨的截留效果较差；另一方面，在固定沙丘中，植被覆盖有效改良了土壤，提高了降雨截留效果和土壤蓄水能力。这说明在风沙化过程中，沙地植被恢复对提升土壤含水量有明显的作用。也有研究表明，植被本身的蒸腾作用也会损耗土壤水分，王力等［24］研究发现，与农地、荒草地相比，林地植被较高的蒸腾量会严重损耗土壤水分；庞敏等［25］研究也表明，植被由草被植物向乔木演替的过程中，土壤耗水量增加，土壤水分逐步降低。因此，在鄱阳湖区沙地植被恢复工作中，选择合理的先锋植物种类，并进行优化配置显得尤为重要。

土壤理化性质的改良，有利于植被群落结构稳定和正向演替。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，3种类型沙丘样地的土壤有机质含量仍处于缺乏甚至很缺乏的级别，而全氮和全磷的含量均处于极缺乏的级别（表4），这说明土壤有机质和养分仍然是该区域植被恢复的重要限制因素。由于沙地土壤本身不具备保水和保肥性，使得土壤养分容易因风力和水力的侵蚀而逐渐流失，导致植被难以存活。因此，对于鄱阳湖区的植被恢复和生态修复工作而言，对土壤水分、理化性质等立地条件的改良尤为重要。

表4 鄱阳湖滨沙土养分含量级别 %

5 结论

鄱阳湖区沙地在风沙化过程中，不同类型沙丘的土壤性质差异显著。固定沙丘的土壤含水率、孔隙度、有机质、全氮和全磷含量均为最高，其次为半流动沙丘，流动沙丘最低；而土壤容重则以流动沙丘最大、其次为半流动沙丘、固定沙丘。鄱阳湖区沙地风沙化过程中，不同类型沙丘上层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）土层土壤相比较，下层土壤的含水率、容重均高于上层土壤，而上层土壤的孔隙度、有机质、全氮、全磷含量均高于下层土壤。鄱阳湖区的沙地整体理化性质较差，不同类型沙丘样地的土壤含水率、孔隙度、有机质、全氮、全磷含量均处于较低水平，且容重较高，土壤颗粒较大。