内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特

收稿日期：2022年4月27日；录用日期：2022年5月26日；发布日期：2022年6月2日

摘要

沙漠化是目前全球面临最为严峻的生态环境–社会–经济问题之一，而土壤是土壤–植被–大气连续体系统的重要组成部分，其中土壤物理性质是反映土壤结构和评价土壤质量的重要指标。本文主要综述了沙漠化过程中土壤物理性质变化特征的研究，以期对沙地土壤恢复和沙漠化整治提供一定的科学依据。

关键词

土地沙漠化，土壤物理性质，分布特征

Research Progress on Distribution Characteristics of Soil Physical Properties in Desertification Process

Tselmeg

College of Geographical Sciences, Inner Mongolia Normal University, Hohhot Inner Mongolia

Received: Apr. 27^th, 2022; accepted: May 26^th, 2022; published: Jun. 2^nd, 2022

ABSTRACT

Desertification is one of the most serious eco-environmental-social-economic problems facing the world at present. Soil is an important part of the soil-vegetation-atmosphere continuum system, and soil physical properties are important indicators to reflect soil structure and evaluate soil quality. In this paper, the changes in soil physical properties during the process of desertification are reviewed, to provide some scientific basis for soil restoration and desertification control in sandy land.

Keywords:Land Desertification, Soil Physical Properties, Distribution Characteristics

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1. 引言

沙漠化是目前全球面临的最为严峻的生态环境–社会–经济问题之一。全球约有16.67%的人口受到沙漠化的影响，70%的农田和1/4的陆地受到沙漠化威胁，据估计，每年沙漠化造成的经济损失是人类治理所花费的五倍 [1] [2]。随着自然因素和人为活动的双重影响，全球干旱、半干旱地区的土地沙漠化面积逐渐扩大，其中我国是受沙漠化影响最严重的国家之一。根据国家林业和草原局政府网发布的《第五次全国荒漠化和沙化状况公报》统计出，172.12万km²面积的土地已被沙化，占国土总面积的17.93%，分布在30个除上海、台湾及香港和澳门特别行政区外的省，其中西藏、新疆、青海、内蒙古、甘肃5省(自治区)沙化明显严重。

土壤是土壤–植被–大气连续体系统的重要组成部分，也是人类赖以生存的基础，也是动植物以及微生物的基本环境。土壤的形成过程在多种因素的相互作用下复杂又缓慢，不同因素的影响下必然会形成多种特性。最初人类对土壤仅仅认识土壤的颜色，粗细等表面特征，而在18世纪初期，德国著名化学家李比希在前人申钠比尔(Senebier)、沙苏尔(Saussure)研究的基础上使用精确的化学方法，确定了植物对于一些元素的必须性 [3]。土壤是监测沙漠化的主要指标之一，由于土壤的形成过程复杂，必然会有物理性质、化学性质、生物性质等多种土壤性质，这些特性能够看出土壤现状及肥力情况。其中土壤物理性质不仅决定土壤中水、气、热和生物状况，而且影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力，是反映土壤结构和评价土壤质量的重要指标 [4]。因此研究沙漠化过程中的土壤物理性质对于沙地土壤恢复以及沙漠化综合整治提供理论依据。

2. 沙漠化的定义及形成

沙漠化是21世纪全球所面临最严峻的生态环境问题之一，也是土地荒漠化的主要表现形式。首次提出土地荒漠化问题是1937年在一篇赤道森林荒漠化景观的论文里 [5]，但最早提出实际意义上的土地沙漠化是在1959年法国学者提出，他将沙漠化为“人为作用下所导致的干旱、半干旱地区沙质草原沙化问题” [6]。20世纪70年代初期在非洲西部地区出现长期的极端干旱气候，导致耕地和草地的大面积退化。为此，1974年和1975年国际地理学会对荒漠化的概念、成因机制、过程、问题或看法进行了专题讨论会，没有得到统一的结果 [7] [8]。在此之后，在1977年联合国荒漠化大会(UNCOD)上首次系统的总结、分析了荒漠化问题，编制了第一张全球荒漠化分布图，因此推动了全球性的沙漠化研究 [9]。这次会议以后，沙漠化的概念由我国朱震达先生正式提出，他将其定义为“沙漠化是沙质荒漠化的简称，其含义可以概括为在干旱、半干旱地区(包括部分半湿润)的脆弱生态环境条件下，由于人为过渡的经济活动，破坏了生态平衡，使原非沙漠地区出现了风沙活动为主要特征的类似沙质荒漠环境的退化” [10] [11]。但在此之前，20世纪50年代至60年代中期，中国科学院治沙队进行了全国范围内的沙漠考察和治理的综合研究，在竺可桢先生指导时经常谈论沙漠的形成、危害及其防治等的相关问题；同时，众多学者的研究理论基础下，成立了陕西北部防护林，建立了铁路防沙实验和防护体系，以及沙区的首次进行飞播造林种草 [12]。

国内外研究者指出沙漠化是由人为活动和自然因素的双重影响下导致。1949年法国学者Aubreville A的研究表明由于滥伐和火烧非洲热带森林界线后退，由森林变成草原后又变成沙漠，将其过程称之为荒漠化 [13]。由于沙漠化的发生机制之间交互作用非常复杂，各国学者对沙漠化成因的研究也成为了热点，其中自然因素的影响是沙漠化的重要成因机制之一。研究指出非洲气候变化的主要原因为大气对全球海洋表面温度变化的响应 [14]，并有科学家认为气候异常对地–气之间的相互作用增强了土地沙漠化现象 [15]，指出气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈机制是全球土地沙漠化研究的热点，而大风是干旱半干旱地区草地沙化的动因之一。草地因风蚀而发生沙化，大风吹蚀土壤中的细粒物质，土壤容重加大，孔隙度减小，导致土壤透水性增加，持水量降低，加大水分蒸散与渗入，制约草地植被的发育，而草地植被的退化又为土壤风蚀提供了必要的条件 [16]。草地植物种类的变化也会造成沙化，研究表明草地灌丛化现象的出现破坏草地植被的均一性，并加速土壤侵蚀程度，导致草地盖度和生产力的降低 [17]。另外，沙漠化不仅与全球气候变化、环境、土壤、植物等自然因素有关，更与人类的活动密不可分，是自然和人类各种因素综合作用的结果 [18]。人类、土壤、植被、大气、动物等互相反馈使得生态保持稳定，并反馈的过程也存在互相遏制，但沙漠化引起的干扰使很多反馈变成正反馈，干扰被放大，往往使沙漠化开始加速，从而陷入一个恶性循环之中 [2]。Garduno MA认为 [19] 是由于人类滥用土地使得干旱、半干旱和一些半湿润生态环境日趋恶化，造成沙漠化。但Verstraete等 [20] 认为沙漠化的驱动力应该来源于自然条件和人为因素的综合影响，主要的人为因素包括人口压力、灌溉、放牧等。杨梅焕等研究指出沙漠化过程伴随着植被的退化和植被稳定性程度的降低，维持土壤—植被系统的良性循环是植被恢复的关键，也是沙漠化治理的关键 [21]。近几年，各国对沙漠化的研究越来越全面，利用自然、社会以及人文因素等的综合指标，更加完善了对沙漠化发生机制的研究 [22]。

3. 土壤的主要物理性质

土壤物理性质主要包括土壤质地、比重、容重、孔隙度、结构、水分、热量和空气状况，以及土壤的机械物理性质和电磁性质等方面 [23]。这些性质之间有着相互影响、相互制约的关系，其中以土壤质地、土壤结构和土壤水分居主导地位，它们的变化会导致土壤其他物理性质的变化 [24]。基于CNKI统计土壤物理性质的研究(图1)可知，文献量多于300的研究有土壤物理性质、容重、孔隙度、含水量、理化性质等，文献量在100~300的研究有土壤持水量、水分、团聚体、深度、导水率等，土壤紧实度、质量、颗粒组成等的研究文献量均小于100，说明国内土壤物理性质的研究围绕综合物理性质、单个物理指标、理化性质以及土壤质量等方面展开。由于自然条件以及人为活动的差异，土壤物理性质存在较强的空间变异性。王政权 [25] 等采用地统计学的方法，研究了阔叶红松林上层土壤物理因子的空间异质性。徐丽恒 [26] 等在腾格里沙漠南缘，选取流动沙丘、封育5a、封育15a和封育25a等样地，对沙漠化逆转过程中的土壤物理性质变化特征进行了分析。王辉 [27] 等以玛曲县高寒草地为研究对象，采用空间序列代替时间序列的研究方法，对该区不同沙化程度草地的土壤物理性质变化进行分析研究。曹鹤 [28] 等研究了华南地区8种林地的土壤物理性质，根据土壤特点将其分为4种类型。张鼎华 [29] 等研究了刺槐与杨树混交林后沙地土壤水分–物理性质变化的状况，发现刺槐与杨树混交后土壤最大持水量增加，毛管持水量、田间持水量、有效持水量、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度均得以提高，并由此改善了混交林土壤的渗透性能。土壤物理性质单个指标的研究多围绕土壤容重 [30]、孔隙度 [31]、水分 [32]、团聚体 [33] 等多方面。同时，土壤物理性质与土壤化学性质具有密切的关系，随着土壤物理性质的变化，土壤化学性质也会有相应的变化。土壤物理性质是表征土壤质量的重要因子，与土壤化学、生物性质共同决定着土壤质量状况。近几年，随着沙漠化问题日趋严重，土壤结构遭到破坏，导致土壤物理性质恶化，严重影响了土壤生产力。

图1. 基于CNKI土壤物理性质的研究统计量

4. 沙漠化过程对土壤物理性质的影响

沙漠化过程中沙地土壤物理性质的相互作用、变化规律以及影响因素均存在差异，由此本文选取土壤容重、水分、团聚体、颗粒组成等重要的土壤物理性质进行了论述。

4.1. 沙漠化过程中土壤容重变化

土壤容重是土壤的一个基本物理性质，对土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移特征以及土壤的抗侵蚀能力都有非常大的影响 [34]。沙地植被恢复时，土壤容重降低、孔隙度增加，土壤结构会得到改善，所以容重的降低能够作为沙地土壤物理性质改善的标志 [35] [36]。如果土壤容重较大，表明土体紧凑，通透性和结构性差，相反容重小，说明土壤松散，渗透性好 [37]。有研究对比呼伦贝尔沙地和松嫩沙地的土壤理化性质表明，随着沙漠化的发展两个沙地的土壤容重均呈增加趋势(表1)，其中非沙化0~20 cm的土壤容重松嫩沙地略低于呼伦贝尔沙地，并其原因为松嫩沙地的原始土壤物理特性要好于呼伦贝尔沙地 [38]。沙地土壤容重的异质性和区域性除了原始土壤特性，也与沙地的驱动机制有关。研究发现，沙地不同地貌部位的土壤容重随放牧强度的增加而变大 [39]，并研究表明围栏禁牧16年0~10 cm土壤容重显著小于持续放牧区 [40]。不同利用强度及方式会导致土壤容重的异质性，同时风蚀也会导致沙地土壤颗粒变粗，而造成土壤容重的升高 [41]。总之，沙地土壤恢复过程中容重的降低能够表征土壤的改善，并多种影响因素的相互作用会导致沙地土壤容重的差异性。

表1. 沙地不同沙化程度土壤容重的变化

4.2. 沙漠化过程中土壤含水量的变化

土壤水分的变化对于植被的种类以及生长具有重要意义，是制约土地沙漠化的主导因素，水分的空间变化和时间动态变化有助于水文与生态环境之间建立定量的联系 [42] [43]。沙质土壤的保肥保水能力差，并在海拔不同的情况下土壤水分将会重新分配，从而导致土壤养分的改变，影响不同微地形的植被分布 [44]。另外，土壤含水量也是重要的抗风蚀因子，研究发现当沙地含水量<2%时抗风蚀能力不稳定，且>2%时趋于稳定 [45]。不同利用方式及强度对土壤含水量也具有一定的影响，家畜过度啃食与践踏使地表土壤变得紧实，植被盖度降低，裸露地表面积增加，因此加快了地表水分蒸发，并在风蚀加重的情况下，粘粒含量减少，保水能力下降，使得沙地0~10 cm的土壤层含水量逐渐降低 [40]。不同沙化程度土壤含水量的变化如表2所示，研究表明随着沙漠化的发展土壤含水量有减少趋势 [46] [47]。在垂直方向上，未沙化草地0~30 cm土壤含水量明显高于沙化草地，其中沙化草地土壤含水量随土层深度的增加有所上升 [48]。有研究发现植被入侵流动沙丘丘间低地与迎风坡的过渡带裸沙的过程中，土壤水分是主要的制约因素，植被自然恢复更多地依赖于从沙丘附近植物群落传播来的种子 [49]。总之，土壤水分的水平和垂直分布影响着沙地土壤养分、植被变化以及沙漠化的发展程度。

表2. 不同沙化程度土壤含水量的变化

4.3. 沙漠化过程中土壤团聚体变化

土壤团聚体是矿物颗粒与有机、无机物结合而成的颗粒，是土壤结构的重要指标，其变化能够影响土壤孔隙状况，从而改变土壤通气、透水性 [50]。根据粒径大小可以将土壤团聚体分为大团聚体和微团聚体，大团聚体对周围环境变化、土地管理措施特别灵敏，稳定性相对较弱；而微团聚体稳定性相对较强，尤其是大团聚体中包含的微团聚体 [51]。同时，良好且稳定的土壤团粒结构，直接影响着土壤水量的储存和营养物质的富集，也深刻影响着土壤的抗蚀能力 [52]。而且土壤团聚体的稳定与有机碳有着紧密联系，研究表明表层土壤的团聚体内有约90%的有机碳，且随着团聚体粒径的变化，其保有的有机碳含量也在变化 [53]。江仁涛 [54] 等研究发现土壤团聚体稳定性和有机碳指标可作为川西北高寒沙地土壤生态修复适应性指标，红柳恢复对该区沙化土壤改良具有重要作用。不同沙化程度下土壤团聚体结构存在明显的差异性，且含量变化如表3所示，研究发现当高寒草地从中度沙化向重度沙化转变阶段，0.5~2 mm粒级团聚体的减少和≤0.25 mm粒级团聚体的增加均表现为显著 [55]。沙漠化导致土壤团聚体结构不稳定，研究表明利用方式对团聚体稳定性和抗侵蚀能力有不同的影响 [56]。总之，土壤团聚体是监测土壤质量的重要指标之一，并对于沙地土壤恢复具有一定的影响。

表3. 高寒草地不同沙化程度下土壤团聚体的变化

4.4. 沙漠化过程中土壤颗粒组成变化

土壤颗粒组成又称土壤质地，指土壤中矿物颗粒的大小及其组成比例，其中土壤细颗粒具有一定的抗风蚀能力，土壤颗粒是决定土壤抗风蚀能力的关键，也是土壤结构的重要因子之一 [57] [58]。土壤颗粒中不同粒径的含量决定着土壤性质，以砂粒为主的砂壤保肥能力弱、养分缺乏，有机质含量少、分解快、持水能力低、缓冲能力差、污染物易于渗漏，但通气透水性好、升温快；而以黏粒为主的土壤与此相反，粉粒为主的土壤介于这两者之间 [59]。随着沙漠化的发展以及风的分选和吹蚀作用下，地表裸露面积增加，加上风蚀等外力作用下，土壤细颗粒被吹走，粗粒累积，进而加速土地沙漠化 [60] [61]。沙漠化程度对草地土壤颗粒组成的影响如图2所示，发现沙漠化强度的增加导致了土壤颗粒的粗粒化 [48]。朱志梅 [62] 等研究发现沙漠化过程中，不同颗粒对保水保肥和土壤团粒结构形成的贡献不同，并细颗粒的减少抑制了土壤的可塑性及离子交换等物理性质。赵哈林 [63] 等对比科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地的土壤理化性质发现，土壤黏粉粒含量均大幅度下降，科尔沁沙地土壤机械组成的变化幅度要大于呼伦贝尔沙地，而且前者黏粉粒主要释放期早于后者。同时，不同利用方式会导致土壤颗粒组成的差异性，研究发现放牧压力的加大，使地表植被受损，植被盖度、高度下降，裸露地表面积增加，土壤蒸发加强，风蚀严重吹走粘粒，粘粒含量逐步减少，砂粒明显聚集 [40]。随土壤颗粒组成的变化，土壤的其他指标也有着相应的改变，且能够直接表征沙地土壤的保肥保水能力及结构特征。

图2. 不同沙化程度下草地土壤颗粒组成的变化 [48]

5. 小结

沙漠化过程中土壤容重、含水量、团聚体、颗粒组成等土壤重要的土壤物理性质具有差异性。随沙漠化的加剧，土壤容重增大、含水量降低、团聚体不稳定、颗粒组成变粗，造成土地生产力退化、土地资源锐减，进而加剧沙区人民贫困，因此沙地土壤恢复是我国面临的重要任务。而沙地土壤的改善对于植被生长、土壤生产力增加以及生态系统的稳定具有重要意义。然而目前对沙漠化过程中土壤物理性质的研究仍有不足之处，今后可以更加加强对沙漠化的制约、生态环境改善以及土壤特性与植被相互作用的研究，进而对沙地土壤和植被的恢复、及沙漠化整治提供决策参考。

基金项目

内蒙古师范大学研究生科研创新基金项目(CXJJS20122)。

文章引用

其乐木格. 沙漠化过程中土壤物理性质特征研究进展
Research Progress on Distribution Characteristics of Soil Physical Properties in Desertification Process[J]. 地理科学研究, 2022, 11(03): 263-271. https://doi.org/10.12677/GSER.2022.113027

参考文献