陳宇軒，丁國棟?，高廣磊，張 英，趙 洋，王 隴

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，100083，北京)

土壤有機質(zhì)是土壤固相物質(zhì)組成之一，可有效促進團聚體的形成，提升土壤系統(tǒng)穩(wěn)定性，進而抵抗土壤風蝕的發(fā)生和發(fā)展[1]。土壤碳酸鈣普遍存在于干旱、半干旱區(qū)的土壤中，其含量越高，土壤成塊性和機械穩(wěn)定性會大幅降低；但也有相關(guān)研究表明，對于砂質(zhì)土壤而言，增加土壤碳酸鈣含量可有效增強土壤團聚體的穩(wěn)定性，增大顆粒起動風速，進而降低土壤風蝕可蝕性[2]。土壤風蝕可蝕性是指在風力的作用下，土壤顆粒受剝蝕和搬運的敏感程度[3]，其大小與土壤有機質(zhì)的含量同樣密切相關(guān)[4-5]；因此，研究揭示土壤有機質(zhì)和碳酸鈣的含量特征可有助于深入理解土壤風蝕過程。

長期以來，風力侵蝕作用下土壤有機質(zhì)的變化特征始終是干旱風沙區(qū)科學(xué)研究的熱點問題[6]，對于土地荒漠化過程中土壤有機質(zhì)的演變規(guī)律已有較好認識[7]，與之相比土壤碳酸鈣的相關(guān)研究則較為薄弱。張寧等[8]對騰格里沙漠的研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳酸鈣含量與有機質(zhì)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究表明，土壤碳酸鈣是巖石風化產(chǎn)物，但其含量更取決于有機質(zhì)參與的生物礦化過程[9]，同時，碳酸鈣也可通過干擾土壤細菌群落結(jié)構(gòu)的方式達到影響土壤有機碳的目的[10]。也有學(xué)者認為，兩者之間的相關(guān)性主要歸因于碳酸鈣對有機質(zhì)的吸附和固定作用[11]。

呼倫貝爾草原是世界著名的天然草場，也是我國北方荒漠化地區(qū)生態(tài)安全格局的重要組成部分。近年來，由于亂砍濫伐、過度放牧等不科學(xué)的人類經(jīng)營活動，區(qū)域土壤普遍風蝕粗化，甚至為流沙所占據(jù)[12]，沙地植被退化形勢十分嚴峻，土地荒漠化現(xiàn)象日趨嚴重[13-14]。鑒于此，筆者以呼倫貝爾沙地表層風沙土為對象，通過探究不同類型沙丘土壤有機質(zhì)與碳酸鈣的分布特征，解析沙丘固定過程中兩者相關(guān)性及空間異質(zhì)性的變化規(guī)律，以期進一步為沙區(qū)的生態(tài)修復(fù)治理工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾沙地(E 115°31′～126°04′、N 47°05′～53°20′)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾市，由3條沙帶組成，總面積達6 817 km2[15]。沙地地勢由東向西逐漸降低，南部高于北部，平均海拔為600～800 m。沙地地處溫帶北部，晝夜溫差大，日照豐富，年均氣溫為-5～2 ℃，年內(nèi)氣溫變率大，≥10 ℃年積溫2 200～2 400 ℃。年均降水量為359.4 mm，降水多集中在7—8月，年均蒸發(fā)量為1 148.5 mm，年均日照時間為2 558.6 h[16]。沙地盛行西北、西和西南風，年均風速為3.2～3.5 m/s，最大風速可達20 m/s，全年8級以上大風時間平均30 d以上。沙地地帶性土壤包括西部的淡栗鈣土和普通栗鈣土，中部的暗栗鈣土以及東部的黑鈣土，非地帶性土壤以風沙土為主。土壤整體含沙量較高，在部分固定沙丘中發(fā)育著有機質(zhì)含量較高的黑沙土[17]。沙地主要造林樹種包括樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、黃柳(Salixgordejevii)、云杉(Piceaasperata)等。因氣候比較干旱，地帶性植被以叢生禾草和旱生小灌木為主，常見種有大針茅(Stipagrandis)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylia)和冷蒿(Artemisiafrigida)等。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與測定

圖1 研究區(qū)樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

2017年7月，圍繞呼倫貝爾沙地采集地表風沙土樣品。為消除地形因素對土壤理化性質(zhì)的影響，所選采樣點皆分布于高度相近的沙丘頂部。使用GPS精確定位93個采樣點(圖1)，在每個采樣點附近，隨機布設(shè)3個1 m×1 m的樣方，除去表層枯枝落葉層后，采集樣方0～5 cm表層土壤，充分混合后取3份裝入自封袋中，每袋凈質(zhì)量3 kg，共計采集土壤樣品279例，采樣期前后無風狀況。記錄采樣點地表植被信息，按照不同的地表植被覆蓋度，將樣品劃分為3種類型，其中：流動沙丘(植被覆蓋度<15%)33例、半固定沙丘(15%<植被覆蓋度<40%)45例、固定沙丘(植被覆蓋度>40%)201例。研究區(qū)屬典型草原區(qū)和森林草原區(qū)，因此所取土壤樣品多屬固定沙丘類型。風沙土樣品帶回實驗室自然風干，過0.25 mm土壤篩后，采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定土壤有機質(zhì)；將土壤樣品經(jīng)鹽酸充分酸化后，通過鈣離子濃度計測定土壤碳酸鈣含量。

2.2 空間異質(zhì)性的計算

半變異函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)中研究空間變異性的重要工具，可用來表達在某個區(qū)域內(nèi)隨機變量的空間連續(xù)性或空間變異結(jié)構(gòu)。

一般表達式為

(1)

計算式為

(2)

式中：r(h)為間距為h的變異函數(shù)；h為樣點的空間間隔距離，km；N(h)為間隔距離為h的樣點數(shù)；Z(xi)為區(qū)域化變量在空間位置xi處的實測值。

根據(jù)計算結(jié)果，繪制r(h)～h的散點圖，選取標準誤差最接近零，決定系數(shù)最接近1的模型來分別分析土壤有機質(zhì)和碳酸鈣的空間異質(zhì)性。其中：塊金值(C0)是空間距離為零時變異函數(shù)的值，通常表示由試驗誤差和小于試驗取樣尺度引起的變異；基臺值(C+C0)是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性最大的變異，可以衡量不同變量的空間異質(zhì)性大小。塊金系數(shù)為塊金值與基臺值的比值C0/(C0+C)，根據(jù)區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度分級標準[18]可知：塊金系數(shù)<25%表明變量具有強烈的空間相關(guān)性；塊金系數(shù)介于25%～75%之間表明變量具有中等程度空間自相關(guān)性；塊金系數(shù)>75%表明變量的空間自相關(guān)性相對較弱，此時的變異主要由隨機變異組成，不可采用空間插值法進行空間預(yù)測。變程，是半方差達到基臺值時的樣本間距，可表示變量空間相關(guān)尺度，當觀測點間的距離小于該值時，觀測點間存在一定的相關(guān)關(guān)系[19]。

2.3 統(tǒng)計分析

利用SPSS16.0軟件分析呼倫貝爾沙地不同類型沙丘土壤有機質(zhì)與碳酸鈣含量的差異性和相關(guān)性。利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS10.2和GS+win10軟件進行地統(tǒng)計學(xué)分析，根據(jù)插值結(jié)果和半變異函數(shù)模型計算分析呼倫貝爾沙地土壤有機質(zhì)與碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)的空間異質(zhì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣的含量

呼倫貝爾沙地流動、半固定和固定沙丘表層風沙土有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分別為12.21、26.04和35.26 g/kg，平均土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為31.05 g/kg(表1)。隨著沙丘的固定，風沙土有機質(zhì)含量的不斷增加。其中，流動沙丘有機質(zhì)含量顯著低于半固定與固定沙丘(P<0.05)，半固定與固定沙丘的有機質(zhì)含量無顯著差異(P>0.05)。

呼倫貝爾沙地流動、半固定和固定沙丘表層風沙土碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)分別為0.82、1.99和3.21 g/kg，平均土壤碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)為2.73 g/kg(表1)。隨著沙丘的固定，風沙土碳酸鈣含量亦不斷增加。其中，流動沙丘碳酸鈣含量顯著低于固定沙丘(P<0.05)，其余碳酸鈣含量無顯著差異(P>0.05)。

表1 沙地土壤有機質(zhì)與碳酸鈣

注：同列不同字母表示不同類型沙丘土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量差異顯著(P<0.05)。Notes: Different letters in the same column refer to the difference significant (P<0.05).

圖2 土壤有機質(zhì)與碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)之間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between organic matter and CaCO3

3.2 風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的相關(guān)性

如圖2所示，呼倫貝爾沙地表層風沙土碳酸鈣含量與有機質(zhì)含量之間呈極顯著冪函數(shù)形式正相關(guān)(R2=0.539，P<0.01)，即隨碳酸鈣含量不斷增加，有機質(zhì)含量逐漸增加且其增長速率相對減緩。流動、半固定和固定沙丘風沙土碳酸鈣含量與有機質(zhì)含量之間均呈顯著冪函數(shù)形式正相關(guān)(R2分別為0.580、0.630、0.245，P<0.01)，其中，隨碳酸鈣含量不斷增加，固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的增長速率低于流動沙丘與半固定沙丘。所擬冪函數(shù)在固定沙丘中擬合優(yōu)度較低，可知固定沙丘中影響風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量之間相關(guān)性的因素更加復(fù)雜。

3.3 風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的空間異質(zhì)性

呼倫貝爾沙地不同類型沙丘風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的半變異函數(shù)模型參數(shù)如表2所示。由決定系數(shù)可知，所擬半變異函數(shù)可準確解釋呼倫貝爾沙地表層風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的空間變異情況。流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的塊金值分別為22.9、81.0和204.7，可見由小于實際取樣尺度引起的變異相對較大?；_值范圍在104.3～474.4之間，變程范圍在26.7～162.9 km之間，空間連續(xù)性表現(xiàn)為固定沙丘>流動沙丘>半固定沙丘。流動沙丘與半固定沙丘有機質(zhì)含量的塊金系數(shù)分別為22.1%和17.0%，屬于強烈的空間自相關(guān)，土壤的結(jié)構(gòu)性因素是影響其變異的主要原因。固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的塊金系數(shù)為44.3%，屬于中等程度的空間自相關(guān)，隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素對其空間變異的影響同樣重要。

如表2所示，流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘風沙土碳酸鈣含量的塊金值分別為0.99、1.67和3.62，可見由小于實際取樣尺度引起的變異相對較小?；_值的范圍在3.17～13.24之間，隨沙丘的固定，基臺值呈不斷增大趨勢。變程范圍在69.5～241.6 km之間，空間連續(xù)性變現(xiàn)為半固定沙丘>固定沙丘>流動沙丘。流動沙丘、關(guān)固定沙丘和固定沙丘碳酸鈣含量的塊金系數(shù)分別為0.31、0.26和0.27，均屬于中等程度的空間自相關(guān)，隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素是影響其變異的主要原因。

表2 土壤有機質(zhì)與碳酸鈣含量變異函數(shù)相關(guān)參數(shù)

4 討論

4.1 不同沙丘類型對有機質(zhì)與碳酸鈣含量的影響

呼倫貝爾沙地流動沙丘風沙土有機質(zhì)含量顯著低于半固定與固定沙丘(P<0.05)，半固定與固定沙丘有機質(zhì)含量無顯著差異(P>0.05)。這是因為流動沙丘地表植被覆蓋度普遍低于15%，而半固定與固定沙丘的植被覆蓋度相對較高。一方面，大量植被枯落物的分解增加了土壤中有機質(zhì)含量；另一方面，地表植被削減了風沙運動強度，進而有效阻止了土壤細顆粒、有機質(zhì)和碳酸鈣等物質(zhì)的吹蝕[20-21]。流動沙丘風沙土碳酸鈣含量顯著低于固定沙丘(P<0.05)，其余碳酸鈣含量不存在顯著差異(P>0.05)，這表明沙丘固定過程中碳酸鈣含量變化的滯后性[8]。隨沙丘的固定，地表風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量均呈不斷增加趨勢，這是因為土壤有機質(zhì)的來源途徑之一是地表植被的分解，增大地表植被覆蓋度可有效增加有機質(zhì)含量；同時，土壤碳酸鈣的來源亦與某些生物過程有關(guān)，其含量主要受到有機質(zhì)參與的生物礦化的影響[10]，與成土碳酸鈣形成有關(guān)的生物礦化作用的來源有3種：植物體地上部、土壤微生物、植物根系[8-9,22]；因此，隨地表生物量不斷增大，風沙土碳酸鈣含量亦逐漸增加。

4.2 不同沙丘類型對有機質(zhì)與碳酸鈣含量相關(guān)性的影響

呼倫貝爾沙地表層風沙土碳酸鈣含量與有機質(zhì)含量之間呈顯著冪函數(shù)形式正相關(guān) (R2=0.539，P<0.01)，這是因為碳酸鈣的來源之一是植物體的生物礦化，有機質(zhì)在碳酸鈣的形成過程中起到了至關(guān)重要的作用[9]。對于荒漠化地區(qū)的砂質(zhì)土壤而言，土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量不斷增加均可表征土壤的風蝕強度在逐漸減小，這與前人[2]的研究也是一致的。在沙丘的固定過程中，隨碳酸鈣含量不斷增加，固定沙丘風沙土有機質(zhì)質(zhì)量的增長速率低于流動沙丘與半固定沙丘。受陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，土壤有機質(zhì)中的碳元素可通過降解及土壤呼吸的方式與大氣中的碳元素進行交換。相關(guān)研究表明，根系生物量、土壤微生物數(shù)量以及微生物群落的組成與功能都會對土壤呼吸作用產(chǎn)生影響，進而改變土壤碳的輸出狀況[23-24]。流動沙丘與半固定沙丘地表植被覆蓋度較低，土壤水分缺乏，土壤中生物、微生物含量較低，因此其土壤的呼吸作用相對較微弱[25]；而固定沙丘地表植被覆蓋度較高，土壤水分充足，不僅生物的生長需消耗大量土壤有機質(zhì)，植被以及土壤微生物的呼吸、降解作用也可將大量有機質(zhì)以CO2的形式釋放到大氣環(huán)境當中[26]；因此，固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的增長速率會低于流動沙丘與半固定沙丘。除生物礦化作用以外，土壤碳酸鈣含量還受到鈣質(zhì)與非鈣質(zhì)母質(zhì)風化的控制[27]，風沙土碳酸鈣含量較高，表明該區(qū)域土壤可能受到了較強的外界擾動，此時影響風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣之間相關(guān)性的因素會比較復(fù)雜。

4.3 不同沙丘類型對有機質(zhì)與碳酸鈣含量空間異質(zhì)性的影響

隨沙丘的固定，呼倫貝爾沙地表層風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的空間異質(zhì)性不斷增強，生態(tài)過程趨于復(fù)雜。這是因為由流動沙丘到固定沙丘，土壤風蝕強度逐漸減小，土壤質(zhì)地經(jīng)歷不斷細化過程，而土壤質(zhì)地的變化可顯著影響有機質(zhì)含量的空間分布[28]。此外，作為有機質(zhì)與碳酸鈣輸入的重要來源，地表植被可通過影響地表凋落物和根系在土壤空間上的分布，進一步影響風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量在空間上的異質(zhì)性[29]。

根據(jù)呼倫貝爾沙地表層風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的空間連續(xù)性可知，在沙丘的固定過程中，有機質(zhì)與碳酸鈣含量的同質(zhì)范圍呈整體增大趨勢。這與張寧等[8]在騰格里沙漠所得到的研究結(jié)果是相似的。研究結(jié)果還顯示，有機質(zhì)含量在半固定沙丘中的空間連續(xù)性最低，而碳酸鈣含量在半固定沙丘中的空間連續(xù)性最高。相關(guān)研究表明，地表植被覆蓋狀況是影響干旱風沙區(qū)土壤風蝕和沉積過程的一個復(fù)雜問題[30]。半固定沙丘地表植被覆蓋度介于15%～40%之間，地表植被呈零散分布，植被之間的間隙可能會加劇地表裸露處的土壤風蝕作用，致使半固定沙丘風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量的空間異質(zhì)性也變得復(fù)雜。

流動沙丘與半固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的變異屬強烈的空間自相關(guān)，這與楊海峰等[31]在古爾班通古特沙漠南緣土壤中所得的有機質(zhì)含量空間異質(zhì)性結(jié)果是一致的。而固定沙丘有機質(zhì)含量的變異屬中等程度的空間自相關(guān)，表明沙丘固定過程可顯著影響風沙土有機質(zhì)含量的空間自相關(guān)性。這是因為，隨沙丘地表植被覆蓋度不斷增大，土壤風蝕強度不斷減小，土壤結(jié)構(gòu)逐漸被改良[32]，從而導(dǎo)致隨機性因素對土壤有機質(zhì)含量空間變異的影響愈加重要。呼倫貝爾沙地不同類型沙丘風沙土有機質(zhì)和碳酸鈣含量的塊金系數(shù)均低于50%，表明土壤的結(jié)構(gòu)性因素是引起該地區(qū)有機質(zhì)和碳酸鈣含量空間變異的主要原因[31]。

5 結(jié)論

1)呼倫貝爾沙地表層風沙土有機質(zhì)和碳酸鈣的平均質(zhì)量分數(shù)分別為31.05和2.73 g/kg，其中，流動沙丘與半固定、固定沙丘有機質(zhì)含量存在顯著差異(P<0.05)，與固定沙丘碳酸鈣含量存在顯著差異(P<0.05)。在沙丘的固定過程中，隨土壤風蝕強度不斷減小，風沙土有機質(zhì)和碳酸鈣的平均含量呈不斷增加趨勢。

2)呼倫貝爾沙地表層風沙土碳酸鈣含量與有機質(zhì)含量之間呈極顯著冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系(R2=0.539，P<0.01)，有機質(zhì)在碳酸鈣的形成過程中起重要作用。在沙丘的固定過程中，隨碳酸鈣含量不斷增加，固定沙丘風沙土有機質(zhì)含量的增長速率低于流動沙丘與半固定沙丘。

3)隨著沙丘的固定，呼倫貝爾沙地表層風沙土有機質(zhì)和碳酸鈣含量的空間異質(zhì)性不斷增強，同質(zhì)范圍呈整體增大趨勢。增大沙丘地表植被覆蓋度，減小土壤風蝕強度，有助于增強隨機性因素對有機質(zhì)含量空間變異的影響。土壤的結(jié)構(gòu)性因素是引起呼倫貝爾沙地風沙土有機質(zhì)與碳酸鈣含量空間變異的主要原因。