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  中国水土保持科学   2019, Vol. 17 Issue (4): 104-111.  DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.013
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引用本文 

陈宇轩, 丁国栋, 高广磊, 张英, 赵洋, 王陇. 呼伦贝尔沙地风沙土有机质和碳酸钙含量特征[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(4): 104-111. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.013.
CHEN Yuxuan, DING Guodong, GAO Guanglei, ZHANG Ying, ZHAO Yang, WANG Long. Content characteristics of organic matter and calcium carbonate of Aeolian soils in Hulun Buir Sandy Land[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(4): 104-111. DOI: 10.16843/j.sswc.2019.04.013.

项目名称

国家重点研发计划"基于低覆盖度理论的防沙治新材料、新装备、新技术研发"（2018YFC0507102）；国家自然科学基金"风沙土可蚀性特征及其量化模型研究"（31600583）；中央高校基本科研业务费专项"半干旱沙区樟子松人工林外生菌根特征及其对林分质量的影响"（2017PT03）

第一作者简介

陈宇轩(1995-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:土壤风蚀。E-mail:chenyx_1995@bjfu.edu.cn

通信作者简介

丁国栋(1963-), 男, 博士, 教授。研究方向:荒漠化防治。E-mail:dch1999@263.net

文章历史

收稿日期：2019-01-31
修回日期：2019-04-25
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
呼伦贝尔沙地风沙土有机质和碳酸钙含量特征
陈宇轩 1,2, 丁国栋 1,2, 高广磊 1, 张英 1,2, 赵洋 1,2, 王陇 1,2     
1. 北京林业大学 水土保持国家林业和草原局重点实验室, 100083, 北京;
2. 北京林业大学水土保持学院 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站, 100083, 北京
收稿日期：2019-01-31; 修回日期：2019-04-25
项目名称：国家重点研发计划"基于低覆盖度理论的防沙治新材料、新装备、新技术研发"（2018YFC0507102）；国家自然科学基金"风沙土可蚀性特征及其量化模型研究"（31600583）；中央高校基本科研业务费专项"半干旱沙区樟子松人工林外生菌根特征及其对林分质量的影响"（2017PT03）
第一作者简介：陈宇轩(1995-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:土壤风蚀。E-mail:chenyx_1995@bjfu.edu.cn
通信作者简介：丁国栋(1963-), 男, 博士, 教授。研究方向:荒漠化防治。E-mail:dch1999@263.net
摘要：土壤有机质和碳酸钙是影响土壤风蚀可蚀性的重要因子，研究揭示其含量特征有助于深入理解土壤风蚀过程。以呼伦贝尔沙地流动、半固定、固定沙丘地表风沙土为研究对象，采用重铬酸钾稀释热法和钙离子浓度计分别测定土壤有机质和碳酸钙含量，计算分析不同类型沙丘土壤有机质和碳酸钙含量的相关性与空间异质性。研究结果显示：1）呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质与碳酸钙平均质量分数分别为31.05和2.73 g/kg，且均随沙丘的固定显著增加（P < 0.05）。2）碳酸钙与有机质含量呈极显著幂函数正相关关系（R2=0.539，P < 0.01）。随风沙土碳酸钙含量的不断增加，固定沙丘有机质含量的增加速率低于流动沙丘与半固定沙丘。3）随沙丘的固定，呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质和碳酸钙含量的空间异质性不断增强，同质范围呈整体增大趋势，随机性因素对有机质含量空间变异的影响愈加重要。土壤的结构性因素是引起呼伦贝尔沙地风沙土有机质和碳酸钙含量空间变异的主要原因。
关键词：土壤有机质    土壤碳酸钙    相关性    空间变异    呼伦贝尔沙地    
Content characteristics of organic matter and calcium carbonate of Aeolian soils in Hulun Buir Sandy Land
CHEN Yuxuan 1,2, DING Guodong 1,2, GAO Guanglei 1, ZHANG Ying 1,2, ZHAO Yang 1,2, WANG Long 1,2     
1. Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083 Beijing, China;
2. Yanchi Research Station, School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China
Abstract: [Background] Soil organic matter (SOM), playing an important role in increasing the stability of soil aggregates, effectively leads to a reduction of wind erosion. Soil calcium carbonate (CaCO3), existing massively in the arid and semi-arid soil, also significantly affects soil wind erodibility. Thus revealing the content characteristics of SOM and CaCO3 helps understand the process of wind erosion. Previous studies show that SOM has an effective role to play in the generation process of CaCO3, thus there is a positive correlation between the content of SOM and CaCO3. Due to the climate change and anthropogenic activities in Hulun Buir Sandy Land in the north China, desertification there tends to be inexorable and more severe than before. [Methods] The study was conducted in the Hulun Buir Sandy Land. Total 93 sampling sites relating to mobile, semi-fixed and fixed sand dunes were located by GPS. Three sample plots nearby each sampling site were set up randomly. Aeolian topsoil (0~5 cm) were selected. SOM was determined using potassium dichromate volumetric method, while CaCO3 was measured using a calcium ion concentration meter. Spatial variations of SOM and CaCO3 were calculated and analyzed based on the theory of semi-variogram. Significant differences and correlation of data in different type of sand dunes were identified by SPSS16.0 statistical software, while spatial variation of that was analyzed by ArcGIS10.2 and GS+win10 software. [Results] 1) The average content of SOM and CaCO3 in the topsoil of Hulun Buir Sandy Land were 31.05 and 2.73 g/kg, respectively. During sand dune fixation, the content of SOM and CaCO3 continuously increased. SOM content in mobile sand dunes was significantly lower than that in semi-fixed and fixed sand dunes, but CaCO3 content in mobile sand dunes was just significantly lower than that in fixed sand dunes. 2) The content of CaCO3 was positively correlative with the content of SOM by power function (R2=0.539, P < 0.01). While the content of CaCO3 in mobile, semi-fixed and fixed sand dunes were also positively correlative with the content of SOM, with R2 were 0.580, 0.630 and 0.245 respectively. With the increasing content of CaCO3, the growth rate of SOM in fixed sand dunes was lower than that in mobile and semi-fixed sand dunes. 3) During sand dune fixation, the spatial variation of SOM and CaCO3 were increasing, the distribution of SOM and CaCO3 tended to be homogeneous, and the influence of random factors on the spatial variability of organic matter was getting more important. Structural factors of soil were the main cause of the spatial variation of SOM and CaCO3 in Hulun Buir Sandy Land. [Conclusions] During sand dune fixation, the decreasing intensity of soil erosion may influence the content, correlation and spatial variation of SOM and CaCO3. The results of this study may provide theoretical reference for regional desertification combating and ecological restore.
Keywords: soil organic matter    soil calcium carbonate    correlation    spatial variation    Hulun Buir Sandy Land    

土壤有机质是土壤固相物质组成之一，可有效促进团聚体的形成，提升土壤系统稳定性，进而抵抗土壤风蚀的发生和发展[1]。土壤碳酸钙普遍存在于干旱、半干旱区的土壤中，其含量越高，土壤成块性和机械稳定性会大幅降低；但也有相关研究表明，对于砂质土壤而言，增加土壤碳酸钙含量可有效增强土壤团聚体的稳定性，增大颗粒起动风速，进而降低土壤风蚀可蚀性[2]。土壤风蚀可蚀性是指在风力的作用下，土壤颗粒受剥蚀和搬运的敏感程度[3]，其大小与土壤有机质的含量同样密切相关[4-5]；因此，研究揭示土壤有机质和碳酸钙的含量特征可有助于深入理解土壤风蚀过程。

长期以来，风力侵蚀作用下土壤有机质的变化特征始终是干旱风沙区科学研究的热点问题[6]，对于土地荒漠化过程中土壤有机质的演变规律已有较好认识[7]，与之相比土壤碳酸钙的相关研究则较为薄弱。张宁等[8]对腾格里沙漠的研究发现，土壤碳酸钙含量与有机质之间呈显著正相关关系。相关研究表明，土壤碳酸钙是岩石风化产物，但其含量更取决于有机质参与的生物矿化过程[9]，同时，碳酸钙也可通过干扰土壤细菌群落结构的方式达到影响土壤有机碳的目的[10]。也有学者认为，两者之间的相关性主要归因于碳酸钙对有机质的吸附和固定作用[11]。

呼伦贝尔草原是世界著名的天然草场，也是我国北方荒漠化地区生态安全格局的重要组成部分。近年来，由于乱砍滥伐、过度放牧等不科学的人类经营活动，区域土壤普遍风蚀粗化，甚至为流沙所占据[12]，沙地植被退化形势十分严峻，土地荒漠化现象日趋严重[13-14]。鉴于此，笔者以呼伦贝尔沙地表层风沙土为对象，通过探究不同类型沙丘土壤有机质与碳酸钙的分布特征，解析沙丘固定过程中两者相关性及空间异质性的变化规律，以期进一步为沙区的生态修复治理工作提供理论依据。

1 研究区概况

呼伦贝尔沙地(E 115°31′~126°04′、N 47°05′~53°20′)位于内蒙古自治区的呼伦贝尔市，由3条沙带组成，总面积达6817km2[15]。沙地地势由东向西逐渐降低，南部高于北部，平均海拔为600~800m。沙地地处温带北部，昼夜温差大，日照丰富，年均气温为-5~2℃，年内气温变率大，≥10℃年积温2200~2400℃。年均降水量为359.4mm，降水多集中在7—8月，年均蒸发量为1148.5mm，年均日照时间为2558.6h[16]。沙地盛行西北、西和西南风，年均风速为3.2~3.5m/s，最大风速可达20m/s，全年8级以上大风时间平均30d以上。沙地地带性土壤包括西部的淡栗钙土和普通栗钙土，中部的暗栗钙土以及东部的黑钙土，非地带性土壤以风沙土为主。土壤整体含沙量较高，在部分固定沙丘中发育着有机质含量较高的黑沙土[17]。沙地主要造林树种包括樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、黄柳(Salix gordejevii)、云杉(Picea asperata)等。因气候比较干旱，地带性植被以丛生禾草和旱生小灌木为主，常见种有大针茅(Stipa grandis)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylia)和冷蒿(Artemisia frigida)等。

2 材料与方法 2.1 土壤样品的采集与测定

2017年7月，围绕呼伦贝尔沙地采集地表风沙土样品。为消除地形因素对土壤理化性质的影响，所选采样点皆分布于高度相近的沙丘顶部。使用GPS精确定位93个采样点(图 1)，在每个采样点附近，随机布设3个1m×1m的样方，除去表层枯枝落叶层后，采集样方0~5cm表层土壤，充分混合后取3份装入自封袋中，每袋净质量3kg，共计采集土壤样品279例，采样期前后无风状况。记录采样点地表植被信息，按照不同的地表植被覆盖度，将样品划分为3种类型，其中：流动沙丘(植被覆盖度＜15%)33例、半固定沙丘(15%＜植被覆盖度＜40%)45例、固定沙丘(植被覆盖度＞40%)201例。研究区属典型草原区和森林草原区，因此所取土壤样品多属固定沙丘类型。风沙土样品带回实验室自然风干，过0.25mm土壤筛后，采用重铬酸钾稀释热法测定土壤有机质；将土壤样品经盐酸充分酸化后，通过钙离子浓度计测定土壤碳酸钙含量。

图 1 研究区样点分布图 Fig. 1 Distribution of sampling sites in the study area
2.2 空间异质性的计算

半变异函数是地统计学中研究空间变异性的重要工具，可用来表达在某个区域内随机变量的空间连续性或空间变异结构。

一般表达式为

$ r(h)=\frac{1}{2} \operatorname{var}(Z(x)-Z(x+h))^{2}。$ (1)

计算式为

$ r(h)=\frac{1}{2 N(h)} \sum\limits_{i=1}^{N(h)}\left(Z\left(x_{i}\right)-Z\left(x_{i}+h\right)\right)^{2}。$ (2)

式中：r(h)为间距为h的变异函数；h为样点的空间间隔距离，km；N(h)为间隔距离为h的样点数；Z(xi)为区域化变量在空间位置xi处的实测值。

根据计算结果，绘制r(h)~h的散点图，选取标准误差最接近零，决定系数最接近1的模型来分别分析土壤有机质和碳酸钙的空间异质性。其中：块金值(C0)是空间距离为零时变异函数的值，通常表示由试验误差和小于试验取样尺度引起的变异；基台值(C+C0)是系统或系统属性最大的变异，可以衡量不同变量的空间异质性大小。块金系数为块金值与基台值的比值C0 /(C0 +C)，根据区域化变量空间相关性程度分级标准[18]可知：块金系数 < 25%表明变量具有强烈的空间相关性；块金系数介于25%~75%之间表明变量具有中等程度空间自相关性；块金系数>75%表明变量的空间自相关性相对较弱，此时的变异主要由随机变异组成，不可采用空间插值法进行空间预测。变程，是半方差达到基台值时的样本间距，可表示变量空间相关尺度，当观测点间的距离小于该值时，观测点间存在一定的相关关系[19]。

2.3 统计分析

利用SPSS16.0软件分析呼伦贝尔沙地不同类型沙丘土壤有机质与碳酸钙含量的差异性和相关性。利用地理信息系统ArcGIS10.2和GS+win10软件进行地统计学分析，根据插值结果和半变异函数模型计算分析呼伦贝尔沙地土壤有机质与碳酸钙质量分数的空间异质。

3 结果与分析 3.1 风沙土有机质与碳酸钙的含量

呼伦贝尔沙地流动、半固定和固定沙丘表层风沙土有机质质量分数分别为12.21、26.04和35.26g/kg，平均土壤有机质质量分数为31.05g/kg(表 1)。随着沙丘的固定，风沙土有机质含量的不断增加。其中，流动沙丘有机质含量显著低于半固定与固定沙丘(P＜0.05)，半固定与固定沙丘的有机质含量无显著差异(P＞0.05)。

表 1 沙地土壤有机质与碳酸钙 Tab. 1 Organic matter and CaCO3 content of soil in the sampling plot

呼伦贝尔沙地流动、半固定和固定沙丘表层风沙土碳酸钙质量分数分别为0.82、1.99和3.21g/kg，平均土壤碳酸钙质量分数为2.73g/kg(表 1)。随着沙丘的固定，风沙土碳酸钙含量亦不断增加。其中，流动沙丘碳酸钙含量显著低于固定沙丘(P＜0.05)，其余碳酸钙含量无显著差异(P＞0.05)。

3.2 风沙土有机质与碳酸钙含量的相关性

如图 2所示，呼伦贝尔沙地表层风沙土碳酸钙含量与有机质含量之间呈极显著幂函数形式正相关(R2=0.539，P＜0.01)，即随碳酸钙含量不断增加，有机质含量逐渐增加且其增长速率相对减缓。流动、半固定和固定沙丘风沙土碳酸钙含量与有机质含量之间均呈显著幂函数形式正相关(R2分别为0.580、0.630、0.245，P＜0.01)，其中，随碳酸钙含量不断增加，固定沙丘风沙土有机质含量的增长速率低于流动沙丘与半固定沙丘。所拟幂函数在固定沙丘中拟合优度较低，可知固定沙丘中影响风沙土有机质与碳酸钙含量之间相关性的因素更加复杂。

图 2 土壤有机质与碳酸钙质量分数之间的相关性 Fig. 2 Correlation between organic matter and CaCO3
3.3 风沙土有机质与碳酸钙含量的空间异质性

呼伦贝尔沙地不同类型沙丘风沙土有机质与碳酸钙含量的半变异函数模型参数如表 2所示。由决定系数可知，所拟半变异函数可准确解释呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质与碳酸钙含量的空间变异情况。流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘风沙土有机质含量的块金值分别为22.9、81.0和204.7，可见由小于实际取样尺度引起的变异相对较大。基台值范围在104.3~474.4之间，变程范围在26.7~162.9km之间，空间连续性表现为固定沙丘＞流动沙丘＞半固定沙丘。流动沙丘与半固定沙丘有机质含量的块金系数分别为22.1%和17.0%，属于强烈的空间自相关，土壤的结构性因素是影响其变异的主要原因。固定沙丘风沙土有机质含量的块金系数为44.3%，属于中等程度的空间自相关，随机性因素和结构性因素对其空间变异的影响同样重要。

表 2 土壤有机质与碳酸钙含量变异函数相关参数 Tab. 2 Relative parameters of variogram for organic matter and CaCO3

如表 2所示，流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘风沙土碳酸钙含量的块金值分别为0.99、1.67和3.62，可见由小于实际取样尺度引起的变异相对较小。基台值的范围在3.17~13.24之间，随沙丘的固定，基台值呈不断增大趋势。变程范围在69.5~241.6km之间，空间连续性变现为半固定沙丘＞固定沙丘＞流动沙丘。流动沙丘、关固定沙丘和固定沙丘碳酸钙含量的块金系数分别为0.31、0.26和0.27，均属于中等程度的空间自相关，随机性因素和结构性因素是影响其变异的主要原因。

4 讨论 4.1 不同沙丘类型对有机质与碳酸钙含量的影响

呼伦贝尔沙地流动沙丘风沙土有机质含量显著低于半固定与固定沙丘(P＜0.05)，半固定与固定沙丘有机质含量无显著差异(P＞0.05)。这是因为流动沙丘地表植被覆盖度普遍低于15%，而半固定与固定沙丘的植被覆盖度相对较高。一方面，大量植被枯落物的分解增加了土壤中有机质含量；另一方面，地表植被削减了风沙运动强度，进而有效阻止了土壤细颗粒、有机质和碳酸钙等物质的吹蚀[20-21]。流动沙丘风沙土碳酸钙含量显著低于固定沙丘(P＜0.05)，其余碳酸钙含量不存在显著差异(P＞0.05)，这表明沙丘固定过程中碳酸钙含量变化的滞后性[8]。随沙丘的固定，地表风沙土有机质与碳酸钙含量均呈不断增加趋势，这是因为土壤有机质的来源途径之一是地表植被的分解，增大地表植被覆盖度可有效增加有机质含量；同时，土壤碳酸钙的来源亦与某些生物过程有关，其含量主要受到有机质参与的生物矿化的影响[10]，与成土碳酸钙形成有关的生物矿化作用的来源有3种：植物体地上部、土壤微生物、植物根系[8-9, 22]；因此，随地表生物量不断增大，风沙土碳酸钙含量亦逐渐增加。

4.2 不同沙丘类型对有机质与碳酸钙含量相关性的影响

呼伦贝尔沙地表层风沙土碳酸钙含量与有机质含量之间呈显著幂函数形式正相关(R2=0.539，P＜0.01)，这是因为碳酸钙的来源之一是植物体的生物矿化，有机质在碳酸钙的形成过程中起到了至关重要的作用[9]。对于荒漠化地区的砂质土壤而言，土壤有机质和碳酸钙含量不断增加均可表征土壤的风蚀强度在逐渐减小，这与前人[2]的研究也是一致的。在沙丘的固定过程中，随碳酸钙含量不断增加，固定沙丘风沙土有机质质量的增长速率低于流动沙丘与半固定沙丘。受陆地生态系统碳循环的影响，土壤有机质中的碳元素可通过降解及土壤呼吸的方式与大气中的碳元素进行交换。相关研究表明，根系生物量、土壤微生物数量以及微生物群落的组成与功能都会对土壤呼吸作用产生影响，进而改变土壤碳的输出状况[23-24]。流动沙丘与半固定沙丘地表植被覆盖度较低，土壤水分缺乏，土壤中生物、微生物含量较低，因此其土壤的呼吸作用相对较微弱[25]；而固定沙丘地表植被覆盖度较高，土壤水分充足，不仅生物的生长需消耗大量土壤有机质，植被以及土壤微生物的呼吸、降解作用也可将大量有机质以CO2的形式释放到大气环境当中[26]；因此，固定沙丘风沙土有机质含量的增长速率会低于流动沙丘与半固定沙丘。除生物矿化作用以外，土壤碳酸钙含量还受到钙质与非钙质母质风化的控制[27]，风沙土碳酸钙含量较高，表明该区域土壤可能受到了较强的外界扰动，此时影响风沙土有机质与碳酸钙之间相关性的因素会比较复杂。

4.3 不同沙丘类型对有机质与碳酸钙含量空间异质性的影响

随沙丘的固定，呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质与碳酸钙含量的空间异质性不断增强，生态过程趋于复杂。这是因为由流动沙丘到固定沙丘，土壤风蚀强度逐渐减小，土壤质地经历不断细化过程，而土壤质地的变化可显著影响有机质含量的空间分布[28]。此外，作为有机质与碳酸钙输入的重要来源，地表植被可通过影响地表凋落物和根系在土壤空间上的分布，进一步影响风沙土有机质与碳酸钙含量在空间上的异质性[29]。

根据呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质与碳酸钙含量的空间连续性可知，在沙丘的固定过程中，有机质与碳酸钙含量的同质范围呈整体增大趋势。这与张宁等[8]在腾格里沙漠所得到的研究结果是相似的。研究结果还显示，有机质含量在半固定沙丘中的空间连续性最低，而碳酸钙含量在半固定沙丘中的空间连续性最高。相关研究表明，地表植被覆盖状况是影响干旱风沙区土壤风蚀和沉积过程的一个复杂问题[30]。半固定沙丘地表植被覆盖度介于15%~40%之间，地表植被呈零散分布，植被之间的间隙可能会加剧地表裸露处的土壤风蚀作用，致使半固定沙丘风沙土有机质与碳酸钙含量的空间异质性也变得复杂。

流动沙丘与半固定沙丘风沙土有机质含量的变异属强烈的空间自相关，这与杨海峰等[31]在古尔班通古特沙漠南缘土壤中所得的有机质含量空间异质性结果是一致的。而固定沙丘有机质含量的变异属中等程度的空间自相关，表明沙丘固定过程可显著影响风沙土有机质含量的空间自相关性。这是因为，随沙丘地表植被覆盖度不断增大，土壤风蚀强度不断减小，土壤结构逐渐被改良[32]，从而导致随机性因素对土壤有机质含量空间变异的影响愈加重要。呼伦贝尔沙地不同类型沙丘风沙土有机质和碳酸钙含量的块金系数均低于50%，表明土壤的结构性因素是引起该地区有机质和碳酸钙含量空间变异的主要原因[31]。

5 结论

1) 呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质和碳酸钙的平均质量分数分别为31.05和2.73g/kg，其中，流动沙丘与半固定、固定沙丘有机质含量存在显著差异(P＜0.05)，与固定沙丘碳酸钙含量存在显著差异(P＜0.05)。在沙丘的固定过程中，随土壤风蚀强度不断减小，风沙土有机质和碳酸钙的平均含量呈不断增加趋势。

2) 呼伦贝尔沙地表层风沙土碳酸钙含量与有机质含量之间呈极显著幂函数正相关关系(R2=0.539，P＜0.01)，有机质在碳酸钙的形成过程中起重要作用。在沙丘的固定过程中，随碳酸钙含量不断增加，固定沙丘风沙土有机质含量的增长速率低于流动沙丘与半固定沙丘。

3) 随着沙丘的固定，呼伦贝尔沙地表层风沙土有机质和碳酸钙含量的空间异质性不断增强，同质范围呈整体增大趋势。增大沙丘地表植被覆盖度，减小土壤风蚀强度，有助于增强随机性因素对有机质含量空间变异的影响。土壤的结构性因素是引起呼伦贝尔沙地风沙土有机质与碳酸钙含量空间变异的主要原因。

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