乌兰布和沙漠沿黄段风沙土有机质和碳酸钙含量特征

阿拉萨，王 陇，高广磊,2†，张 英，曹红雨，杜宇佳，刘雪锋

(1.北京林业大学水土保持学院 林业生态工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，751500，宁夏盐池；3.内蒙古自治区林业科学研究院，010010，呼和浩特)

土壤风蚀是一个复杂的综合自然地理过程[1]，不仅受气候、地表粗糙度、植被、土壤结皮和人类活动等因素的影响，还与土壤内在属性密切相关[2]。土壤有机质和碳酸钙深刻地影响着土壤对风力侵蚀的抵抗能力[3]。其中，土壤有机质主要来源于枯落物细根分解产生的腐殖物质[4-5]，虽然其在土壤总量中仅占极小比例，但对土壤质量有着重要影响[6]。土壤有机质在土壤团聚体形成过程中起到黏合剂的作用，是影响其稳定性的关键因素[7-8]，其含量的改变可以显著影响土壤结构体间的抗离散能力和土壤颗粒之间的胶结力，从而改变土壤的抗风蚀能力。此外，土壤有机质还间接地影响着土壤孔隙度、水分入渗率、保水能力、土壤生物多样性等多种土壤特性，进而影响着土壤风蚀过程[9]。碳酸钙普遍存在于干旱区土壤，主要来源于机质降解、微生物矿化作用等多种过程[10-12]。碳酸钙含量的增加可通过改变土壤微团聚体结构从而导致土壤的成块性和机械稳定性大大降低[4-5]。但也有研究表明，碳酸钙含量的增加也可以通过黏结作用增强土壤的稳定性，对不同质地土壤的影响效果存在明显差异[13]。

乌兰布和沙漠降水稀少，土壤粗化，风沙天气频繁，严重影响国家基础交通设施安全，限制区域社会经济发展。同时，受土壤风蚀影响，乌兰布和沙漠风沙土大量进入黄河，也深刻地影响着黄河河床演变和泥沙含量[14]；鉴于此，笔者以乌兰布和沙漠沿黄段风沙土为研究对象，分析不同沙丘类型和沙丘部位土壤有机质和碳酸钙的含量特征及其相互关系，以期揭示沙丘固定过程中土壤有机质和碳酸钙的变化规律，深入理解乌兰布和沙漠沿黄段土壤风蚀过程。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区阿拉善左旗东北缘，乌兰布和沙漠黄河沿岸，地理坐标E 106°39′12″、N 39°36′49″，属温带大陆性气候，年均气温7.8 ℃，年均降水量102.9 mm，年蒸发量2 400～2 900 mm，无霜期168 d，年平均风速4.1 m/s，终年盛行西南风。乌兰布和沙漠分布着面积广大、植被覆盖度极低的流动沙丘，约占乌兰布和沙漠总面积的36.9%，半固定和固定沙丘则分别占总面积的33.3%和29.8%。区域分布着大量非地带性流动风沙土，土壤疏松发育较差。流动沙丘常见沙生植物为白沙蒿(Artemisiablepharolepis)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙竹(Phyllostachyspropinqua)等植物。固定、半固定沙丘常见植物包括油蒿(Artemisiaordosica)、白刺(Nitrariatangutorum)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)为主。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与处理

随机选取乌兰布和沙漠沿黄段流动、半固定和固定沙丘各3处，分别在其迎风坡、坡顶、背风坡以及丘间地随机设置3个1 m×1 m样方(表1)，除去表层枯枝落叶层后采取5点取样法，使用园艺铲采集表层0～5 cm土壤3 kg左右并充分混合后装入自封袋中，共计108袋。风沙土样品带回实验室自然风干后去除杂质并过0.25 mm筛孔。

表1 采样点基本信息Tab.1 Basic information of the sampling points

土壤样品有机碳(soil organic carbon, SOC)与有机质(soil organic matter, SOM)质量分数采用重铬酸钾容量法-稀释热发测定，其计算式为：

(1)

SOM%=SOC%×1.724。

土壤样品碳酸钙(calcium carbonate, CaCO3)质量分数采用Bante 931-Ca钙离子浓度计测定，其计算式为:

(3)

式中：c为FeSO4标准溶液浓度mol/L；V0为空白滴定FeSO4消耗量，L；V为样品滴定FeSO4消耗量，L；3.00为1/4碳原子摩尔质量，g/mol；1.33为氧化校正系数；m为加入烧杯中的土样质量，g；100为CaCO3的摩尔质量，g/mol；C1为滴定前测得钙离子浓度，mol/L；C2为滴定后测得钙离子浓度，mol/L。

2.2 数据分析

利用IBM SPSS 24软件进行方差分析。采用最小显著性差异法(least significant diffenence, LSD)对同一类型沙丘不同部位和同一部位不同类型沙丘风沙土的有机质和碳酸钙质量分数进行单因素方差分析(α=0.05)。

3 结果与分析

3.1 不同类型沙丘有机质和碳酸钙质量分数特征

乌兰布和沙漠沿黄段流动、半固定和固定沙丘风沙土有机质质量分数分别为1.71%、1.57%和2.21%(图1)。随着沙丘的固定，土壤有机质质量分数呈现出增加的趋势。固定沙丘风沙土有机质质量分数显著高于流动沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，流动沙丘和半固定沙丘有机质质量分数无显著差异(P>0.05)。

不同大写字母表示沙丘不同部位有机质质量分数差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示不同类型沙丘有机质质量分数差异显著(P<0.05)。下同。Different capital letters indicate significant difference in SOM contents in different positions of dunes, and different lowercase letters indicate significant differences in SOM contents in different types of dunes. The same below.图1 沙丘不同部位有机质质量分数Fig.1 SOM (soil organic matter) contents at different positions of dunes

乌兰布和沙漠沿黄段流动、半固定和固定沙丘风沙土碳酸钙质量分数分别为0.10%、0.11%和0.16%(图2)。随着沙丘的固定，土壤碳酸钙质量分数呈现出增加的趋势。固定沙丘风沙土碳酸钙质量分数显著高于流动沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，流动沙丘和半固定沙丘碳酸钙质量分数无显著差异(P>0.05)。

图2 沙丘不同部位碳酸钙质量分数Fig.2 CaCO3 contents at different positions of dunes

3.2 沙丘不同部位有机质和碳酸钙质量分数特征

流动沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤有机质质量分数分别为1.34%、1.61%、1.91%和1.96%。其中，丘间地和坡顶有机质质量分数显著高于迎风坡(P<0.05)，其他沙丘部位差异不显著(P>0.05)。半固定沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤有机质质量分数分别为2.33%、1.73%、0.73和1.09%。其中，迎风坡有机质质量分数显著高于其余沙丘部位(P<0.05)，坡顶有机质质量分数显著低于其余沙丘部位(P<0.05)，其他部位差异不显著(P>0.05)。固定沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤有机质质量分数分别为1.76%、2.24%、2.53%和2.41%，沙丘不同部位有机质质量分数差异不显著(P>0.05)。

流动沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤碳酸钙质量分数分别为0.07%、0.08%、0.13%和0.12%。其中，背风坡和丘间地碳酸钙质量分数显著高于迎风坡和坡顶(P<0.05)，其余部位差异不显著(P>0.05)。半固定沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤碳酸钙质量分数分别为0.18%、0.11%、0.03%和0.08%。其中，迎风坡碳酸钙质量分数显著高于其余沙丘部位(P<0.05)，背风坡碳酸钙质量分数显著低于其余沙丘部位(P<0.05)，其他部位差异不显著(P>0.05)。固定沙丘迎风坡、坡顶、背风坡和丘间地的土壤碳酸钙质量分数分别为0.14%、0.16%、0.17%和0.16%。其中，背风坡和丘间地碳酸钙质量分数显著高于迎风坡(P>0.05)，其他部位差异不显著(P>0.05)。

3.3 风沙土有机质和碳酸钙质量分数的相关性

乌兰布和沙漠沿黄段、流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘风沙土有机质和碳酸钙质量分数存在极显著幂函数正相关关系(R2分别为0.807、0.761、0.873和0.693，P<0.01)(图3)。此外，随着有机质质量分数增加，流动沙丘和半固定沙丘风沙土碳酸钙质量分数增加速率增大，固定沙丘则发生减缓。

图3 风沙土有机质和碳酸钙质量分数的相关性Fig.3 Correlation between organic matter and CaCO3 contents

4 讨论

1) 沙丘流动性对土壤有机质和碳酸质量分数的影响。乌兰布和沙漠沿黄段固定沙丘有机质质量分数显著高于流动沙丘和半固定沙丘(P<0.05)，这主要是受不同类型沙丘植被覆盖状况的影响。一方面，固定沙丘植被覆盖度高于流动、半固定沙丘(表1)，可以拦截风沙流中富含土壤养分的细粒物质[15]，而流动沙丘风沙土结构松散，流动性强，多处于风蚀状态。同时，在固定沙丘上，适度沙埋可以促进沙生植物生长，产生“灌丛肥岛效应”，进一步促进其拦截作用[16]。另一方面，固定沙丘植物根系的固结作用增加了土体的机械稳定性，使土壤保水保肥性增加，为土壤微生物分解植被枯落物形成有机质提供了良好的环境条件[17-18]。乌兰布和沙漠沿黄段流动沙丘和半固定沙丘有机质质量分数无显著差异(P>0.05)，这主要是因为沙漠植被的防风效果和植被盖度并非呈简单的线性关系。当干旱区植被盖度<36%时空气动力学粗糙度随植被盖度的增加比较缓慢，当植被盖度>36%时，空气动力学粗糙度随植被盖度的增加急剧增加。本研究中流动沙丘和固定沙丘植被盖度均小于该临界值(表1)，因此2种类型沙丘植被的防风固沙效果差异较小，土壤细粒物质剥蚀均较为强烈，土壤有机质质量分数差异不显著[19]。

乌兰布和沙漠沿黄段固定沙丘碳酸钙质量分数显著高于流动沙丘和固定沙丘(P<0.05)，流动沙丘和半固定沙丘碳酸钙质量分数无显著差异(P>0.05)。这主要是由于植被盖度的差异。荒漠土壤中的碳酸钙来自多种途径：一部分来源于土壤有机质的分解。在植物的自养和异养呼吸过程中，有机质的分解会释放出钙离子，在适宜的条件下会形成碳酸钙[8-9]；另一部分碳酸钙来源于微生物的矿化作用[10]，微生物吸附环境中的钙离子，通过生命活动使其与碳酸根离子结合在细胞表面形成大量碳酸钙晶体[20]。在乌兰布和沙漠沿黄段，固定沙丘植被覆盖度高于流动沙丘和半固定沙丘，为碳酸钙的形成提供了丰富的枯枝落叶物质基础和促进微生物矿化过程的良好条件。流动沙丘和半固定沙丘碳酸钙质量分数无显著差异(P>0.05)。这是因为当植被盖度<36%时植被空气动力学粗糙度增长较为平缓，流动和半固定沙丘植被的防风效果差异较小，土壤细粒物质剥离程度相似，因而碳酸钙质量分数无显著差异[19]。

2)沙丘部位对土壤有机质和碳酸钙含量的影响。乌兰布和沙漠沿黄段沙丘不同部位有机质和碳酸钙质量分数存在显著差异(P<0.05)。流动沙丘丘间地土壤有机质和碳酸钙质量分数显著高于迎风坡(P<0.05)。这主要受沙丘不同部位风蚀状况差异的影响。乌兰布和沙漠风速从沙丘迎风坡脚至背风坡坡脚呈现先增大后减小再增大的“S”型趋势，因此丘间地风速最小，受风沙流扰动相对最轻，土壤细粒物质损失较少[21]。固定沙丘迎风坡有机质和碳酸钙质量分数显著低于背风坡和丘间地(P<0.05)。这是因为迎风坡面与风向相垂直且相比其他沙丘部位处于上风向，风力作用下的土壤细粒剥离过程更为剧烈[11]。固定沙丘相同部位的有机质和碳酸钙质量分数均高于流动沙丘，这说明在植被的遮挡作用下，固定沙丘受风沙流扰动程度比流动沙丘低，这与科尔沁沙地相关研究结论相似[20]。

半固定沙丘土壤有机质和碳酸钙分布状况与流动沙丘和固定沙丘有较大区别，土壤有机质和碳酸钙质量分数均呈现出迎风坡高于背风坡的趋势(P<0.05)。这是因为半固定沙丘虽然有一定的植被覆盖，但是中间存在一定的间隙，当气流经过时由于“峡谷效应”风速产生加速效果[22]，加剧对土壤颗粒的吹蚀。因此，半固定沙丘的土壤有机质和碳酸钙质量分数分布规律可能比流动沙丘和固定沙丘较为复杂。

3) 不同类型沙丘土壤有机质和碳酸钙含量相关性。乌兰布和沙漠沿黄段风沙土有机质和碳酸钙质量分数呈极显著幂函数正相关关系(R2=0.807，P<0.01)，这与呼伦贝尔沙地相关研究结果[23]相似。在荒漠地区，植物枯落物和土壤微生物生命活动产物是土壤有机质和碳酸钙共同的主要来源[17]。一方面，在沙丘固定过程中，沙生植物通过根系作用改善了土壤保水保肥性，促进了微生物分解植物腐殖物质过程和矿化作用，因此土壤有机质和碳酸钙质量分数增加，变化过程呈现高度的“同步性”[24]。另一方面，沙生植物通过地上部分的“灌丛肥岛效应”和防风作用增加土壤内有机质和碳酸钙质量分数。固定沙丘碳酸钙质量分数增加速率低于流动沙丘和半固定沙丘，这是因为在微生物作用下植物枯落物被分解成有机质并非全部参与矿化作用而产生碳酸钙，还有相当一部分有机质被进一步分解成有机物分子被植物再次吸收利用或用于微生物呼吸过程[25-26]。

5 结论

1)乌兰布和沙漠沿黄段流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘有机质质量分数分别为1.71%、1.57%和2.21%，碳酸钙质量分数分别为0.10%、0.11%和0.16%。沙丘类型对风沙土有机质和碳酸钙分布存在显著影响(P<0.05)。随着沙丘固定，植被覆盖度增加，风沙土有机质质量分数增加。

2)乌兰布和沙漠沿黄段不同沙丘类型和沙丘部位土壤有机质和碳酸钙质量分数分布存在显著差异(P<0.05)。流动沙丘和固定沙丘不同部位土壤有机质和碳酸钙质量分数差异主要受土壤风蚀强度影响。由于“峡谷效应”，半固定沙丘不同部位土壤有机质和碳酸钙质量分数分布较为复杂。

3)乌兰布和沙漠沿黄段风沙土有机质和碳酸钙质量分数呈极显著幂函数正相关关系(R2=0.807,P<0.01)。土壤有机质在碳酸钙形成过程中起着重要的作用。在沙丘固定过程中，随着有机质量分数增加，碳酸钙质量分数增长速率减小。