高寒草地是青藏高原东缘地区最重要的生态系统，对河流补给、气候调节和水循环具有重要的作用^［1］。生态环境退化是气候变化背景下青藏高原主要环境问题。受过度放牧、鼠害和虫害等影响，高寒草地出现严重退化，部分草地已完全沙化^［2］。草地沙化指一定生境条件下的草地植被与该生境的顶级或亚顶级植被状态的背离，是草地生态系统严重退化的表现形式^［3］。近年来，青藏高原高寒草地沙化日趋严重，高寒草地沙化问题已引起人们的关注和重视，学者对青藏高原沙漠化类型、面积、分布、成因、发展趋势及防治对策与措施等方面开展了大量研究^［4-10］。

甘肃省玛曲县位于黄河第一弯，是黄河径流的主要汇集区和黄河上游至源头的重要水源涵养区^［4］。自20世纪80年代以来，玛曲县天然草地沙化呈现迅速扩展态势，2000年后出现逆转^［11］。全球气候变化背景下，过度放牧等人类不合理的活动和鼠、虫害的泛滥是造成玛曲县土地沙漠化的主要原因^［6］。土壤退化是草地沙化的一个重要指征。土壤沙化影响着土地的生物生产力，进而影响着生态系统的生产力^［12］。在土壤沙化过程中，大量的细颗粒物质不断被吹蚀而流失，使得土壤粗化，孔隙度减小，土壤的持水性下降；与此同时，流失的细颗粒物质带走了大量的土壤养分，土壤贫瘠化^［13-14］。目前，相比于玛曲高寒沙化草地现状、成因及时空变化等方面的研究，高寒草地沙化过程中土壤理化性质的变化研究较少^［14］。

通过实地监测和取样分析等手段，对玛曲县黄河阶地天然草地、轻度、中度、重度和极重度沙化草地土壤颗粒物组成、土壤温湿度、土壤有机碳和养分等土壤理化性质参数进行了对比分析，系统总结了高寒草地退化过程中，土壤理化性质参数随沙化程度的变化规律。本研究可为高寒沙化草地治理和草地生态系统修复提供科学依据。

玛曲县位于甘肃省西南部，甘、青、川三省交界处，总面积10 109.67 km²，地理位置属青藏高原东端，境内海拔3 300—4 806 m。黄河从南、东、北三面绕县境而过，流程433 km，形成黄河第一弯，故称黄河首曲。

玛曲县属青藏高原大陆性季风气候类型，多年平均气温为1.8 ℃，年平均最高气温为9.2 ℃，年平均最低气温为-4 ℃；年均降水量为593.4 mm，年均蒸发量为1 257.9 mm。风多风大是玛曲县固有的气候特征，多年平均风速2.5 m·s^-1，最大风速36 m·s^-1，全年8级以上大风日数77.1 d^［14］。玛曲县冬、春季较为干燥，地面裸露以及黄河两岸流沙堆积，遇到大风天气，很容易形成沙尘暴，年沙尘暴发生的日数为4 d^［9］，集中在2月和3月。玛曲县土壤类型有高山草甸土、亚高山草甸土、草甸土、沼泽土、泥炭土、黑钙土、暗棕壤，以亚高山草甸土分布面积最大^［6］。玛曲县植被主要为亚高山草甸和沼泽草地，山地周围分布有灌木林和冷杉林^［9］。

本研究根据全国荒漠化和沙化监测技术规定，选取玛曲黄河阶地无沙化天然草地和轻度、中度、重度、极重度沙化草地分别建立观测样方（33°56′20.96″N、102°08′35.59″E），挖取土壤剖面对不同深度土壤进行采样，经室内分析，获取天然草地和轻度沙化、中度沙化、重度沙化、极重度沙化草地土壤理化性质数据。不同沙化程度草地土壤采集深度为0—5、5—10、10—20、 20—30 cm。将所采集土壤样品自然晾干，过2 mm和0.5 mm筛子过滤掉土壤中杂质如植物根系以及其他凋落物等，测试有机碳（TOC）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）、全钾（AP）、有效钾（AK）等含量。土壤TOC含量采用重铬酸钾-浓硫酸消煮法进行测定；土壤TN含量采用凯氏定氮法进行测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法进行测定；土壤TP和AP含量采用紫外光度计比色法进行测定；土壤AP含量采用碱熔-火焰光度计法进行测定；土壤AK含量采用火焰光度计法进行测定。土壤粒度组成利用马尔文激光粒度仪（Model 2000，Malvern Instruments，Malvern，英国）进行测试。

沙化草地土壤温湿度特征，利用HOBO-U30土壤水分和温度传感器监测，分析沙化高寒草地土壤温湿度变化特征，温湿度探头布设深度为 5、10、20、50 cm，仪器布设位置与取样所在区域一致。对轻度沙化草地和重度沙化草地土壤温湿度进行了同步监测，监测时间为2018年6月至2019年5月，数据采集间隔为10 min。

随着沙化程度的增加，细颗粒组分粉沙和黏土含量显著降低，而粗颗粒组分如细沙含量显著增加，而中沙在重度沙化和极重度沙化土壤中含量显著增大（图1）。以0—5 cm表层土壤为例，天然高寒草地粉沙和黏土百分含量分别为63.10%和8.02%，到极重度沙化草地，两者含量分别减少到6.01%和1.47%，分别减少了90.48%和81.67%；而天然高寒草地中沙和细沙百分含量分别为5.32%和10.96%，到极重度沙化草地，两者含量分别增加到16.85%和69.34%，分别增加了2.2倍和5.3倍。

这主要是由于土壤沙化后，表层细颗粒物很容易经风蚀或水蚀而流失^［15］，细颗粒物质不断流失后，粗颗粒物质被保留下来并不断堆积，导致土壤进一步沙化，随着沙化程度的增加，颗粒较粗的沙粒比例增加，在风的分选作用下，不断积累形成流动性沙丘。

在0—50 cm土壤深度范围内，轻度沙化和重度沙化草地土壤温度均随土壤深度的增加而降低，且土壤温度日变化总体上呈现波状曲线变化的特征，白天温度高、夜间温度低（图2），这与太阳辐射日变化一致。监测时段内重度沙化草地相比轻度沙化草地，0—10 cm土壤温度波峰值更大，而土壤温度波谷值更小；即沙化程度越严重，植被覆盖度降低导致白天土壤表层升温快，而夜间降温也快。在5 cm深度，重度沙化草地白天和夜间最大土壤温差为19.0 ℃，而轻度沙化最大温差为11.0 ℃；10 cm深度重度沙化草地白天和夜间最大土壤温差为13.4 ℃，而轻度沙化草地最大温差为7.6 ℃。在20 cm深度，重度沙化草地相比轻度沙化草地白天土壤升温快，峰值更大，但夜晚土壤温度波谷值相差不大。50 cm深度土壤相比0—20 cm深度受太阳辐射影响程度显著降低，温度日变化波幅显著减小，重度沙化土壤比轻度沙化土壤温度高，差值0.9—2.2 ℃（图2）。

草地沙化对月均土壤温度的影响主要表现在生长季，5—8月生长季重度沙化土壤相比轻度沙化土壤温度明显升高（图3）。5月，轻度沙化土壤5—50 cm月均温度7.9—9.8 ℃，重度沙化土壤月均温度10.9—11.7 ℃，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤温度分别增加2.3、1.9、2.7、3.0 ℃；6月，轻度沙化土壤5—50 cm月均温度11.0—12.7 ℃，重度沙化月均土壤温度12.9—14.2 ℃，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤温度分别增加1.5、1.7、1.7、1.9 ℃；7月，轻度沙化土壤5—50 cm月均温度14.9—17.3 ℃，重度沙化土壤月均温度16.9—18.9 ℃，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤温度分别增加1.6、1.8、1.9、1.9 ℃；8月，轻度沙化土壤5—50 cm月均温度16.1—17.2 ℃，重度沙化土壤月均温度17.7—18.1 ℃，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤温度分别增加1.0、0.9、1.4、1.6 ℃。因此，轻度沙化和重度沙化土壤月均温度最大差值出现在5月，月均温度最小差值出现在8月，6月和7月介于5月和8月，且两者相差不大。

而从土壤含水量月均值可以看出，沙化程度对其影响非常明显，轻度沙化相比重度沙化土壤含水量明显升高（图4）。轻度沙化土壤含水量随着土壤深度的增加而增大，而重度沙化土壤5—20 cm含水量较大。具体分析生长季，5月，轻度沙化土壤5—50 cm月均含水量14.1%—28.1%，重度沙化土壤月均含水量6.5%—9.7%，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤含水量分别减少4.9、12.0、16.8、21.7个百分点；而6月与5月土壤含水量相差不大；7月，轻度沙化土壤5—50 cm月均含水量12.9%—29.2%，重度沙化土壤月均含水量5.5%—9.4%，重度沙化相比轻度沙化5、10、20、50 cm土壤含水量分别减少5.4、13.4、19.8、23.8个百分点；8月与7月土壤含水量相差不大。因此，随着沙化程度的增加，土壤含水量显著降低，主要原因是土壤沙化后植被盖度降低，土壤容重增大，孔隙度减小^［16］，土壤结构逐渐恶化，透气性、透水性和保水性下降，土壤含水量和持水量明显降低。

土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的主要表征。草地沙化导致0—30 cm深度土壤SOC含量大幅减少（图5）。具体来说，天然草地0—5、5—10、10—20、20—30 cm 土壤SOC含量分别为174.55、135.11、81.91、53.91 g·kg^-1，而轻度沙化草地土壤SOC含量分别为22.52、18.71、24.44、26.75 g·kg^-1，分别减少87.10%、86.15%、70.16%、50.38%；中度沙化草地土壤SOC含量分别为7.07、7.59、4.49、4.66 g·kg^-1，相比天然草地分别减少95.95%、94.38%、94.52%、91.36%；重度沙化草地SOC含量分别为1.88、1.69、1.58、1.45 g·kg^-1，相比天然草地分别减少98.92%、98.75%、98.07%、97.31%；而极重度沙化草地土壤SOC含量分别为1.48、1.58、1.37、1.82 g·kg^-1，相比天然草地分别减少99.15%、98.83%、98.33%、96.62%。可见，轻度沙化相比天然草地，特别在0—10 cm，大部分土壤SOC已被侵蚀，而中度沙化、重度沙化和极重度沙化土壤有机碳基本侵蚀殆尽。天然草地和不同程度沙化草地在0—30 cm深度均存在显著差异（P<0.05）；轻度沙化草地和中度、重度和极重度沙化草地在0—10 cm深度不存在显著差异，而在10—30 cm深度存在显著差异（P<0.05）；而中度、重度和极重度沙化草地在0—30 cm土壤SOC均不存在显著性差异（P>0.05），表明中度以上沙化后高寒草地土壤SOC风蚀殆尽。以上结果表明，高寒草地出现轻度沙化时，0—30 cm土壤SOC含量相比天然草地显著降低，与天然高寒草地土壤SOC含量存在显著性差异，而中度、重度和极重度沙化草地0—30 cm土壤SOC风蚀殆尽，土壤SOC均不存在显著性差异。

沙化对高寒草地土壤有机碳含量有显著影响，随着沙化程度的增加，土壤有机碳含量显著降低，这与以往研究^{［13，17-18］} 结果一致。沙化导致植被盖度降低以及土壤质地的退化是土壤碳流失的主要原因。土壤表层的碳积累主要来源于植物地上生物量和根系生物量的碳输入^［19］，而沙化过程中，植被覆盖度和生物量降低，植物向土壤中输入的碳随之减少，最终导致土壤有机碳减少；另一方面，植物盖度降低后，土壤风蚀带走大量细颗粒，细颗粒的减少削弱了土壤中碳的保持能力，从而加速了土壤碳的损失。

除全钾外，草地沙化导致0—30 cm土层土壤养分显著减少，但具体减少程度呈现出差异性（表1）。天然草地0—30 cm 土壤全氮含量为8.17 g·kg^-1，而轻度沙化草地土壤全氮含量为1.99 g·kg^-1，减少75.64%，并与无沙化草地全氮含量存在显著差异（P<0.05），相应地中度沙化、重度沙化和极重度沙化草地土壤全氮含量分别为0.47、0.21、0.18 g·kg^-1，相比天然草地分别减少94.24%、97.42%、97.79%，轻度沙化与中度、重度和极重度沙化间土壤全氮也存在显著性差异（P<0.05）。可见，轻度沙化相比天然草地，土壤全氮已大部分侵蚀，而中度沙化及以上沙化草地土壤全氮基本侵蚀殆尽。0—30 cm 土壤碱解氮随沙化程度的变化规律与土壤全氮的变化规律相同。

0—30 cm无沙化天然草地土壤全磷含量为0.95 g·kg^-1，而轻度沙化草地土壤全磷含量为0.61 g·kg^-1，减少35.79%，与天然草地土壤全磷含量存在显著差异（P<0.05）；而中度、重度和极重度沙化草地土壤全磷含量分别为0.47、0.45 、0.42 g·kg^-1，相比天然草地减少50.53%、52.63%、55.79%，而中度、重度和极重度沙化草地土壤全磷含量不存在显著差异（P>0.05）。0—30 cm 土壤有效磷随沙化程度的变化规律与土壤全磷的变化规律相同。

与其他土壤养分参数相比，0—30 cm土壤全钾在天然草地和各阶段沙化草地差异不显著（P>0.05），天然草地土壤全钾含量为22.92 g·kg^-1，而轻度、中度、重度和极重度沙化草地土壤全钾含量为21.29、23.58、23.44、22.88 g·kg^-1。而0—30 cm有效钾在轻度沙化草地和天然草地差异不显著（P>0.05），而在中度、重度和极重度沙化草地土壤含量与天然草地存在显著差异（P<0.05）。

研究表明，高寒草地沙化进程中，土壤氮、磷含量明显降低，钾含量变化不明显^［20］，这与本文研究结果一致。沙化土壤养分含量的减小与细颗粒物质（黏粒和粉粒）的流失密切相关^{［15，21-22］}。黏土和粉沙相比沙粒具有更高的土壤持水性以及土壤养分携带能力^［23］。草地沙化过程中，草地植被覆盖度持续性减小，土壤养分不断流失，不利于植被的生长和生物量的积累。另外，随着草地地上生物量的减小，可供微生物分解的凋落物减少，导致进入土壤中的有机质含量降低，土壤养分含量也随之减少。

高寒草地沙化后土壤级配粗化，土壤含水量、有机碳和养分显著降低。土地沙漠化主要由气候变化和人类活动造成，干旱、多风、沙物质丰富等环境条件是一个地区出现沙漠化过程的基础^［24］。玛曲土地沙漠化是自然与人为因素共同作用的结果，以过度放牧为主导因素^［6，25］。随着全球气候变化，升温成为玛曲县高寒草地沙化的主要气候因素：温度升高导致地表蒸发、冻土退化，改变了地表水循环，造成草场退化^［25］。同时，长期过度放牧造成草地植被覆盖度降低，群落构成发生明显变化，杂毒草所占比例增加，优良牧草产量下降^［3］。植被逐渐退化导致地表裸露面积增大，为风蚀提供有利条件。草地沙化进程中，随着植被盖度不断降低，在风蚀作用下，表层细颗粒物，如黏土和粉沙逐渐风蚀夹带，土壤养分随着细颗粒物的风蚀而流失，而粗颗粒物质保留下来并不断堆积，土壤逐渐粗化，随着沙化程度的进一步发展最终形成流动性沙丘。

为有效治理沙化草地，建议采用围封、禁牧等措施对轻度沙化草地进行沙化防治，而对重度沙化草地可通过围封并补播草本植物进行沙化治理，必要时可采用草方格或植物纤维固沙障等固沙措施对裸露沙化地表进行固定，促进高寒沙化草地植被恢复，达到修复高寒草地生态系统的目的。

高寒草地沙化后，在土壤颗粒组成上表现为黏土和粉沙含量随着沙化的发展显著减少，而细沙和中沙含量随着沙化程度的增加而增大。

在5—8月生长季，重度沙化草地白天土壤温度相比轻度沙化草地明显升高，土壤含水量明显降低。

沙化对高寒草地土壤有机碳含量有显著影响，随着沙化程度的增加，土壤有机碳含量显著降低；相比天然高寒草地，0—30 cm土壤SOC轻度沙化时减少50%—87%，中度沙化减少91%—96%，重度和极重度沙化减少97%—99%。

土壤全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）等在轻度沙化草地含量中显著降低，而全钾（TK）变化不明显，速效钾（AK）仅在中度及以上沙化草地中含量降低。

草地沙化进程中，随着植被盖度不断降低，土壤养分随着细颗粒物的风蚀而流失，而粗颗粒物质保留下来并不断堆积，土壤逐渐粗化，蒸发增强，土壤含水量降低。