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荒漠化土壤养分变化的影响因素研究进展

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荒漠化土壤养分变化的影响因素研究进展

生态环境2003,124473477http//www.ecoenvironment.comEcologyandEnvironmentEmaileditorecoenvironment.com基金项目国家自然科学基金重大项目(39990490)作者简介吕贻忠(1965–),男,硕士,副教授,主要从事土壤化学及荒漠化防治研究。Emaillyzcau.edu.cn收稿日期20030710荒漠化土壤养分变化的影响因素研究进展吕贻忠1,马兴旺21.中国农业大学资源与环境学院,北京1000942.新疆农业科学院土壤肥料研究所,新疆乌鲁木齐830001摘要土壤养分的变化与荒漠化植被演替有密切的关系,当草地生态系统演变为以灌丛为主的生态系统时,土壤养分的空间变异性增强,形成以灌丛为核心的肥岛风蚀是造成荒漠化土壤养分迁移的重要动力,而降尘对荒漠化表层土壤养分具有富集作用如果降尘作用大于风蚀作用,土壤养分将增加,如亚马逊盆地通过降尘每年获得的磷为14kg/hm2。水蚀也是荒漠化地区土壤养分损失的主要途径,灌丛生境每年径流的损失量比草地生境的径流损失量大得多,而且草地生境发生荒漠化时其灌丛的入侵可能与土壤氮素的损失有关。在荒漠化地区,火烧可导致凋落物中43的全氮在燃烧中逸失,火烧后土壤的侵蚀模数增加,频繁的火烧会导致灌丛草原的肥岛消失。对荒漠化地区自然土壤的农业开垦一般导致土壤有机质质量分数的下降,风蚀作用加强而往往导致土壤退化但经过恢复植被和土壤改良,表层土壤养分可明显提高。目前专门针对荒漠化土壤养分循环的模型尚未报道但荒漠化地区主要集中于干旱、半干旱地区的草原、荒漠草原地区,针对草地生态系统中土壤C、N、P、S等养分循环已经有不少模型,如EIPC模型、SPUR模型、CENTRUY模型等它们也可以用来揭示荒漠化土壤的养分循环以及与荒漠化之间的关系把这些模型进一步与GIS相结合,研究区域尺度上土壤养分的变化与荒漠化的关系更有现实价值。文章从多方面概括了风蚀、水蚀、火烧、植被演替、农业措施对荒漠化土壤养分的影响,以及目前荒漠化土壤养分的空间变异和荒漠化土壤养分循环的定量化研究现状。关键词荒漠化土壤养分风蚀水蚀空间变异中图分类号S158文献标识码A文章编号16722175(2003)04047305在脆弱的生态环境中,土壤养分与植被之间存在着密切的相互联系。荒漠化一般发生在干旱、半干旱或亚湿润半干旱地区(湿润系数0.050.65),从生态学的角度看,这些地区均属于脆弱的生态环境。荒漠化的过程是土地退化的过程,其实质是土壤水分、养分与植物生长之间的自然平衡被打破,脆弱的生态系统失去了自我修复的能力,而向更低级的生态环境演化的过程。荒漠化土壤养分的变化是荒漠化过程中能流、物流中的重要一环,土壤养分的变化直接影响荒漠化的程度与发展。1国内外研究状况1.1土壤养分变化与荒漠植被演替的关系在荒漠化过程中,随着植被的退化演替,地表和地下生物量逐渐减少,土壤有机质和全氮的积累减弱同时由于沙化作用也导致土壤养分退化,从而加剧了植被的退化,促进荒漠化的发展。美国Whitford等1发现当多年生草地生态系统演替为以灌丛为主的生态系统时,原有的水分胁迫的生态系统变为水氮胁迫的生态系统,氮和水的有效性取决于风蚀、径流、动物活动和土壤有机质的迁移、再分布。Schlesinger等2通过系统调查分析表明,在荒漠生境中,土壤N、P、K的空间变异性分布与灌丛植被的出现高度相关,灌丛植被通过对这些元素的生物富集,在灌丛覆盖区形成一个个肥岛(Islandsoffertility)而在灌丛间区,生物活性明显较低,碱金属、碱土金属元素质量分数则相对较高。灌丛肥岛的形成涉及到物理和生物过程。在半干旱地区地表物质损失促进了灌丛的发育,并导致土壤氮等营养元素的空间变异增大土壤氮素等养分的变异又进一步促进灌丛的入侵和发展。而生境的变化又会引起荒漠化与地球气候之间的反馈作用。土壤与植被之间的交互作用在荒漠化发生过程中是不可忽视的。对锡林郭勒大针茅草原不同退化阶段植物和土壤化学性状的研究3表明,随着草地退化程度的加剧,植物群落特征、植物碳水化合物质量分数和土壤化学性状存在明显的差异土壤有机质、氮和磷的质量分数下降,土壤有机质质量分数与土壤全氮、全磷和速效氮的质量分数呈明显的正相关,与植物根系也呈较强的正相关。我国河北坝上的沙漠化土地,沿丘陵阴坡、平滩草地、丘陵顶部、丘陵阳坡、固定沙地、半固定沙地依次逐渐严重的土壤退化梯度,土壤中0.05mm的颗粒的质量分数以及有机质、全N、全P、全K质量分数474生态环境第12卷第4期(2003年11月)均呈减少的趋势,而褐沙蒿在群落中的数量增加4。荒漠化过程可导致土壤水和养分的再分布。风蚀荒漠化导致土壤中细粒物质减少,适口性好的植物被适口性差的植物取代,地表植被覆盖度降低而植被的变化又可导致气体对流及土壤向大气中产生大量的挥发性有机物质,这些变化导致氮素循环过程的改变,从而使氮素等养分的时空分布与非荒漠化生态系统不同5。1.2风蚀对荒漠化地区土壤养分的影响风蚀作用是荒漠化地区土壤养分变异的重要动力。风蚀造成土壤表层粗化,细物质减少,同时有机质和养分质量分数也减少。离地表越高,风流搬迁的土壤数量越少,但其搬迁物中的K、Na、Ca、Mg、CEC或有机质的质量分数却随着高度的增加而增加,而风暴强度与搬迁物的养分质量分数没有明显的规律6。河北坝上沙质荒漠化地区的风沙土往往是由其他类型的土壤经过长期的风蚀退化而形成的,这种退化主要是土壤有机质、氮、磷、钾、细粒物质质量分数的降低,而土壤其他矿质元素及微量元素的质量分数并无明显变化7。但由风蚀产生的降尘作用则相反8,风蚀作用产生的降尘对其中的养分具有富集作用。一般风积物的肥力比其地表的母质要高。降尘中的养分质量分数随策源地距离的增加而增加降尘中的可溶性成份直接影响雨水的化学性质。如果降尘作用大于风蚀作用,降尘导致养分的净增加,相反则导致养分的净损失,如沙哈拉地区的降尘可引起土壤钾的富集,并足以抵消土壤淋洗造成的养分损失,但不足以弥补由侵蚀或农作物吸收带走的养分9个别强烈的沙尘暴一次可把4.8105t的沙尘从非洲的沙哈拉吹到美洲的亚马逊盆地,年输送沉降量可高达1.3108t,相当于每公顷沉降190kg。通过降尘,亚马逊盆地每年获得的磷为14kg/hm2。亚马逊雨林的生产力明显地受到了降尘的影响10。1.3水土流失对荒漠化土壤养分的影响在荒漠化地区,径流对土壤养分的再分布有重要的影响。地面覆盖度低,裸露面积越大,径流量也越大,径流带走的养分也越多。Schlesinger等11在美国新墨西哥州南部半干旱区草地(grassland)和干旱区灌丛(shrubland)牧场上进行了降雨量模拟试验,研究了两种生境中径流造成的氮素损失情况。在荒漠化过程中这些生境中土壤氮素呈逐渐减少的趋势,灌丛生境每年径流的损失量比草地生境的径流损失量大得多,而且草地生境发生荒漠化时其灌丛的入侵可能与土壤氮素的损失有关。水蚀作用直接剥蚀地表,将富含养分的表层土壤带走,尤其是在农牧交错带,水土流失对土壤肥力的影响极大。河北坝上平均每年剥蚀土层达10mm12。在灌丛地上由径流带走的养分数量比草地多,如氮的损失分别为0.33kg/hm2a和0.15kg/hm2a13。我国每年由于水土流失所损失的N、P、K养分相当于4107t化肥黄河的泥沙主要来自中、上游干旱半干旱地区的水土流失。1.4火对荒漠化土壤养分循环的影响草场火烧影响土壤养分的损失和再分布以及植被的演替过程。Carreira等14研究了过火对西班牙南部荆花灌丛半干旱景观中养分的活化作用,结果表明,过火使63的凋落物质和凋落物中43的全氮在燃烧中逸失,而凋落物质和凋落物中的磷和阳离子变化不很显著,这些物质留给了土壤从而过火后表层土壤有效磷和交换性阳离子的质量分数迅速升高,而土壤全氮和矿化氮质量分数则没有明显的变化,但这种过火的施肥作用是短暂的。过火后土壤的侵蚀模数显著增加,随着降雨,土壤中硝态氮的质量分数显著升高,而由径流造成的养分损失的高峰是在过火后不久,留在灰烬中的氮和磷也随径流大量流失,而且直接过火比刹割后过火径流损失的养分更多。因此,不加指导的过火有可能导致或加剧荒漠化的进程。在灌丛地年复一年的过火作用,会使灌丛地原有的肥岛消失,使土壤养分的空间分布趋于均匀化,可导致灌丛生态系统向草地生态系统逆转15,16。频繁火烧或火灾是荒漠化发生发展的重要因素,尤其是在比较湿润的森林或森林草原区。1.5农垦对荒漠化地区土壤养分的影响在我国的农牧交错带,草原开垦为农田后,土壤有机呈明显的下降趋势由于风蚀沙化,土壤养分质量分数逐年减少4。土壤有机质库是土壤健康的指示器,它随土壤荒漠化的发展而减少。Albaladejo等17通过对比发现,一块被清除地表植被的土壤(15m5m)和一块同样大小不清除地表植被的土壤经过55个月后,前者的腐殖质下降了35,稳定的团聚体下降了35,体积质量增加了8,土壤发生严重的退化,表现出持续的荒漠化趋势。这说明人类活动或气候变化导致的植被减少不可避免地导致干旱区土壤荒漠化。在以色列干旱区,有机质质量分数、团聚体大小及稳定性随干燥度增加而降低,而且这些数据沿气候带的变化是非线性的。1.6荒漠化土壤改良过程中养分的变化荒漠化土壤在恢复改良过程中,改良前后土壤养分与土壤水分特征都有比较明显的变化。一般经吕贻忠等荒漠化土壤养分变化的影响因素475过植被恢复,表层土壤的养分质量分数有所增加,而土壤水分质量分数则降低。如毛乌素流动沙丘种植樟子松14a后,樟子松人工林下有机质质量分数有了较大的提高,养分质量分数高于对照区1倍以上18。对沙地荒漠化土壤进行综合治理和利用是提高土壤肥力的重要措施。在林带间种植大豆能明显改善土壤的养分状况,土壤有机质、全磷、速效氮质量分数比树木株间土壤分别提高21.28、23.08和49.9根际土壤养分比非根际增加的幅度大19。施用草炭也可有效地改良风沙土的肥力状况20。因此,选择合理的轮作制度和间作作物,进行科学地施肥,合理地耕作整地,不仅可以提高经济效益,更重要是有利于提高荒漠化土壤的肥力21。2荒漠化土壤养分的时空变异及定量研究2.1荒漠化土壤空间变异的研究在荒漠化植被的景观格局与养分空间变异的相关性研究中,土壤养分的空间变异尺度的选择至关重要。在不同的尺度上,由于景观格局不同,土壤养分的空间变异也明显不同。国内对荒漠化植被演替过程中的土壤养分的空间变异尚未见报道。Whitford等22对美国齐瓦瓦荒漠(ChihuahuanDesert)的研究表明,当以多年生牧草为主的荒漠生态系统演替为以灌丛为主的生态系统时,土壤水分、氮素的空间变异增大,在灌丛生态系统中,养分呈斑块状富集,预测荒漠化景观中的初级生产力的模型应包括氮素的机械模型和大空间尺度的有机质迁移和富集的模型。Schlesinger23在美国的三大荒漠(ChihuahuanDesert,MojaveDesert,GreatBasinDesert)和中部平原(CentralPlains)选择11个8m12m田块,每个田块随机取样109个,进行小尺度的土壤养分(N,Ca2,Mg2,Na,K,Li,Sr,Rb,NH4,F,Cl,Br,NO3,PO43,SO42)空间变异分析,结果表明,灌丛地和草地的养分空间变异具有明显的差异,灌丛地上具有明显的肥岛效应。这种养分的空间分布的变化可以成为世界干旱、半干旱地区荒漠化的指数之一。Northup等24对澳大利亚干旱区放牧林地土壤碳的空间分布进行了研究,认为改变小尺度上土壤碳的空间分布所需要的时间很短,过度放牧退化后再恢复这些小尺度上的生产力则需要较长的时间。徐尚平等25对内蒙地区土壤10种微量元素质量分数的空间结构进行了分析,结果表明,母质因子的空间变异尺度较小,而表生地球化学因子的空间变异尺度较大整体而言,母质的影响大于表生地球化学因子。主成份分析的因子荷载表明各元素之间的总体相关特征是,钴、镍、铬、铜、钒和锰为一组,汞、镉和铅分别为一组,而锌则介于上述各组元素之间粘土矿物的同晶代换是形成特定相关特征的重要原因。2.2荒漠化土壤养分循环的定量研究生物对土壤养分的富集和侵蚀对土壤养分的再分布对荒漠化土壤养分循环影响最大。在干旱、半干旱或亚湿润半干旱地区的草原上,土壤表层的腐殖化过程对土壤碳、氮积累和循环起决定作用。针对草场或荒漠化地区的碳、氮循环的模型国外已有较多的研究报道。Hanson等26利用SPUR模型(SimulationofProductionandUtilizationofRangelands)对草场植被地上活枝叶、活根、芽、地上枯枝叶、凋落物、死根中的碳、氮质量分数,土壤有机碳、无机氮质量分数,进行了模拟。Thornley27在GrasslandDynamics模型中也建立了植物生长的碳、氮子模型,土壤和凋落物中的碳、氮子模型,以及土壤水分的子模型。CENTURY模型是用于模拟植被土壤系统的C、N、P、S长期动态的一种生物地球化学模型,最初是从草原生态系统发展起来的,现已广泛应用于农田、森林等生态系统生物量、土壤碳素平衡及生产力动态的模拟28,29。EPIC模型(TheErosionProductivityImpactCalculator,侵蚀影响生产力计算模型)主要用来描述土壤侵蚀和生产力的关系的数学模型,它包括气候模块、水文模块、养分转化模块、植物生长模块以及生产力管理模块等。在养分模块中有关于有机质矿化的模型、无机磷的循环模型、硝酸盐的运移与淋洗模型、养分吸收模型、养分胁迫模型等30。上述这些模型都是从研究草地养分循环发展起来的,而荒漠化主要发生在干旱、半干旱地区的草原和荒漠草原地区,这些模型对研究处于荒漠化过程中的草原生态系统中养分的循环是适宜的,可以用于揭示土壤养分循环的变化与荒漠化之间的关系。当然这些模型也已经广泛地运用到其他研究领域。3讨论与展望综上所述,国外尤其是美国对荒漠化地区生物多样性、土壤养分变化、景观变化、人为干扰等多个方面进行了长期生态定位研究,在荒漠化机制及其定量研究中处于领先地位。我国在荒漠化防治实践方面走在了世界的前列,但在长期定位实验和基础理论研究方面,特别是在定量化和模型研究方面比国外先进国家的研究水平还有一些差距,尤其是对荒漠化防治过程中476生态环境第12卷第4期(2003年11月)的土壤、植被变化机理等基本理论问题研究较少。目前荒漠化土壤养分的研究主要集中在不同荒漠化土壤养分的差异,植物演替对土壤养分、土壤侵蚀作用的影响,以及人为措施对荒漠化土壤养分的影响,初步了解了荒漠化过程中土壤养分的变化规律。但也存在一些需要深入研究的问题(1)研究的尺度一般较小。多数研究结果来源于点上的数据,对大尺度上荒漠化土壤中养分变化与转化过程的研究较少,不利于宏观上对荒漠化土壤的管理利用。(2)对荒漠化机制和不同防治措施对荒漠生态系统的反馈机制的研究不足,对土壤养分循环在荒漠化防治中作用的研究也不多。在荒漠化地区,不仅存在水分对植物生长的胁迫,同样也存在养分对植物生长的胁迫,养分胁迫同样也是导致荒漠化过程的重要因素。(3)对荒漠化发生过程中的土壤养分等理化性质的变化指标缺乏研究,直接影响荒漠化土壤的分类、分级和诊断,进而也影响制定合理的荒漠化治理措施。应该加强对不同荒漠化类型和荒漠化程度的土壤养分等理化性质的调查,制定当量化的荒漠化土壤性质的诊断指标。(4)风蚀、水蚀是影响荒漠化养分变化的重要驱动力,但目前对荒漠化地区的土壤风蚀、侵蚀的研究很不完善,多数研究只是对侵蚀模数的计算和模拟,缺乏与养分转化的地球生物物理化学过程的相互联系对风沙运动的数值模拟也处于起步阶段,所建立的模型与实际情况差距较大31。(5)有关荒漠化土壤的养分转化的各种数值模型模拟,在充分考虑所在地区的气候、植被、水文条件及生产管理措施的基础上,建立了一些较复杂的综合模型,但这些模型存在着参数多、复杂难求的特点。把土壤水分养分植物生长模型相互结合起来,研究荒漠化发生机制与发生过程,对荒漠化的防治更具有实际意义。随着信息技术的发展,对区域资源实行精确化管理成为可能。上述模型也需要与GIS信息系统相结合,以实现在区域或流域水平上对荒漠化土壤养分资源的精确管理和监测。参考文献1WHITFORDWG,REYNOLDSJF.CunninghamGL.HowdesertificationaffectsnitrogenlimitationofprimaryproductiononChihuahuanDesertwatershedsA.InGeneralTechnicalReportofRockyMountainForestandRangeExperimentStationR.WashingtonForestService,1987143153.2SCHLESINGERWH,PILMANISAM,BREEMENNV.PlantsoilinteractionsindesertsJ.Biogeochemistry,1998,4212169187.3安渊,徐柱,阎志坚.不同退化梯度草地植物和土壤的差异J.中国草地,199943136,66.4敖特根岱,包根晓,侯志军.蒙古包大宁荒漠草场初级生产力动态研究J.内蒙古草业,1997231417.5肖洪浪,赵雪,赵文智.河北坝缘简育干润均腐土耕种过程中的退化研究J.土壤学报,1998,351129134.6WHITFORDWG.biogeochemicalconsequencesofdesertificationJ.SympSerAmChemSoc,1992,483352359.7ZOBECKTM,FRYREARDW.ChemicalandphysicalcharacteristicsofwindblownsedimentII.ChemicalcharacteristicsandtotalsoilandnutrientdischargeJ.TransactionsoftheASAE,AmericanSocietyofAgriculturalEngineers.1989,29410371041.8赵文智.河北坝上沙漠化地区土壤特性研究以丰宁试验区为例J.中国沙漠,1994,1445359.9HERRMANNL.DustdepositiononsoilsinWestAfrica.PropertiesandareasoforiginofthedustanditseffectonsoilsandsitecharacteristicsJHohenheimerBodenkundliche,1996,36239240.10SWAPR,GARSTANGM,GRECOS,etal.SaharandustintheAmazonBasinJ.Tellus,SeriesB,Chemicalandphysicalmeteorology,1992442133149.11SCHLESINGERWH,ABRAHAMSAD,PARSONSAJ,etal.NutrientlossesinrunofffromgrasslandandshrublandhabitatsinSouthernNewMexicoI.rainfallsimulationexperimentsJ.Biogeochemistry,1999,4512134.12杨泰运.农牧交错地带土地生产力退化的初步探讨J.干旱区资源与环境,1991,537583.13SCHLESINGERWH,WARDTJ,ANDERSONJ.NutrientslossesinrainofffromgrasslandandshrublandhabitatsinsouthernNewMexicoII.FieldplotsJ.Biogeochemistry,2000,4916986.14CARREIRAJA,NIELLFX.MobilizationofnutrientsbyfireinasemiaridgorsescrublandecosystemofsouthernSpainJ.AridSoilResearchandRehabilitation,1995,917389.15BILLINGSWD.AbioticcauseofecosystemimpoverishentintheGreatbasinA.InWOODWELLGM,ed.TheEarthinTransitionPatternsandProcessesofBoiticImpoverishmentM.CambridgeGambridgeUniversityPress,1990301322.16BOLTONH,SMITHJL,LINKSO.SoilmivrobialbiomassandactivityofadisturbedandundisturbedshrubsteppeecosystemJ.SoilBiologyandBiochemistry,1993,25545552.17ALBALADEJOJ,MARTINEZMM,ROLDANA,etal.SoildegradationanddesertificationinducedbyvegetationremovalinasemiaridenvironmentJ.SoilUseandManagement,1998,14115.18刘朝霞,吕荣,李维向,等.毛乌素流动沙丘樟子松人工林不同初植密度对土壤性状的影响J.内蒙古林业科技,199811216.19阎德仁.沙地综合治理能提高土壤肥力J.内蒙古林业,199882627.20邢兆凯,张学丽,杨树军.施用草炭对风沙土改良效果的初步研究J.辽宁农业科学,199923942.21陈立新,张岩.造林整地对栗钙土积层化学性质干扰的研究J.应用生态学报,1999,102159162.22WHITFORDWG,STEINBERGERY.ThelongtermeffectsofhabitatmodificationonadesertrodentcommunityJ.PatternsintheStructureofMammalianCommunities,1989,283343.吕贻忠等荒漠化土壤养分变化的影响因素47723SCHLESINGERWH.OnthespatialpatternofsoilnutrientsindesertecosytemsJ.Ecology,1996,772364374.24NORTHUPBK,BROWNJR.SpatialdistributionofsoilcarboningrazedwoodlandsofdrytropicalAustraliatussockandintertussockscalesR.Proceedings6thInternationalRangelandCongress,1999.25徐尚平,陶澍,徐福留,等.内蒙土壤微量元素含量的空间结构特征J.地理学报,2000,553337345.26HANSONJD,SKILESJW,PARTONWJ.AmultispeciesmodelforrangelandplantcommunitiesJ.EcologicaModelling,1988,441289123.27THORNLEYJHM.GrasslanddynamicsanecosysytemsimulationmodelM.CambridgeCambridgeUniversityPress,1998.28PARTONWJ,SCHURLOCKJMO,OJIMADS,etal.ObservationsandsoilorganicmatterdynamicsforthegrasslandbiomeworldwideJ,GlobalBiogeochemicalCycles,1993,74785809.29蒋延岭,周广胜.兴安落叶松林碳平衡和全球变化影响研究J.应用生态学报,2001,124481484.30WILLIAMSJR.Theerosionproductivityi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