土地沙漠化是自然与人为因素相互作用的结果，实质是社会-生态系统内部相互不协调而导致的土地退化^［1］。沙漠化逆转作为沙漠化的反向转化过程，是沙漠化防治的预期也是必然结果。沙漠化逆转能使土壤的理化性质发生变化，促使流动风沙土向地带性土壤发展，并提高土地生产力和生物多样性，使原本沙漠化地区的生态平衡得到恢复^［2］。

土壤颗粒组成指土壤中不同粒级颗粒所占的百分比，决定着土壤的结构与功能^［3］，直接影响着土壤质地、水力特性、土壤肥力和土地生产力；微量元素在植物的生长发育中扮演着重要角色^［4］。其中，铜元素是多种蛋白质的辅助因子，包括质体蓝素、细胞色素氧化酶等，参与叶绿体和线粒体的电子传递和抗氧化胁迫反应等过程；铁元素是植物呼吸作用、叶绿素生物合成和光合作用不可缺少的元素，同时也是多种酶的辅助因子，参与其关键的代谢途径；锰元素对于植物的氮代谢、光合作用、酶活化、氧化还原等方面具有重要作用；锌元素则是许多酶的组成成分和活化剂，对植物体内蛋白质合成、碳水化合物代谢、生长素代谢、基因表达等过程也起着重要作用^［5］。而沙漠化逆转过程会导致土壤组分的变化^［6］，影响土壤微量元素的迁移富集状态^［7］，因此，研究沙漠化逆转对土壤组分及微量元素含量的影响具有重要意义。目前，针对沙漠化逆转过程中土壤组分的变化以及微量元素的演变特征已有许多定性的研究^［8-12］，沙漠化逆转过程中土壤质量演变的实质是表土细粒化并伴随着微量元素富集化的过程。

毛乌素沙地是中国北方重要的生态屏障，近年来，在国家退耕还林政策的指引下，该地植被覆盖率在近二三十年得以大幅提升，是沙漠化逆转的典型区。目前，已有学者对沙漠化逆转过程中毛乌素沙地土壤理化性质演变特征进行了研究，马建业等^［13］采用物理分组法揭示了毛乌素沙地陕北榆林治沙区沙漠化逆转过程中土壤砂粒、粉粒、黏粒结合碳含量的演变特征，结果表明，沙漠化逆转过程土壤颗粒均表现出显著的固碳效应；钱洲等^［14］采用时空转换的方法揭示了毛乌素沙地乌审旗植被恢复过程中土壤性质变化特征，结果表明，植被恢复过程会使土壤细粒化，元素含量增加。然而，前人的研究结果大多建立在点尺度上，样地之间距离较小，而从区域尺度揭示沙漠化逆转过程中土壤理化性质的变化特征及其影响机制有待进一步研究。基于此本文从时空转换的角度出发，以毛乌素沙地不同沙漠化程度地表土壤为研究对象，通过野外调查取样，选取不同沙漠化类型的土壤，分析沙漠化逆转过程对土壤组分及有效态Cu、Fe、Mn、Zn含量的影响，旨在为持续合理利用沙地土地资源、促进改善当地生态环境提供数据支撑。

毛乌素沙地是中国四大沙地之一，处于鄂尔多斯高原与黄土高原的过渡区，该地南至陕西榆林市长城一线，北达鄂尔多斯市沙圪堵镇，向西可延伸至宁夏盐池县（图1），总面积达4.8万km²。毛乌素沙地存在“梁”、“滩”平行排列的相间地貌，梁地主要从鄂尔多斯中西部高地向东南延伸出来受到切割形成了西北—东南方向的冲积平原，即滩地^［15］，梁地以沙漠化土地为主，滩地以盐碱化土地为主；土壤类型有草原风沙土和草甸风沙土，除此之外，还有小面积潮土、脱潮土和盐化潮土、钙土和积土等零星分布^［16］；荒漠植被有红砂（Reaumuria soongorica）、藏锦鸡儿（Caragana tibetica）、柠条（Caragana korshinskii）等；沙地植被有沙地先锋植被，以油蒿（Artemisia ordosica）为主的沙地半灌木蒿类植被，以油松（Pinus tabulaeformis）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）为主的人工林等^［17］。

采样前对毛乌素沙地2021年遥感影像进行沙漠化反演，采用时空转换的方法，于2021年6月对毛乌素沙地不同沙漠化程度下地形平坦、裸露的地表土壤用五点取样法进行取样，采集深度为0~2 cm，利用GPS精准定位每个采样点的经纬度，将每个样点的5个样品进行混匀，共获得370个样品，其中，非沙漠化地表样品47个，轻度沙漠化地表样品121个，中度沙漠化地表样品86个，重度沙漠化地表样品77个，极重度沙漠化地表样品39个。取土后使用密封袋将样品带回实验室进行室内测定，实验前需对样品进行处理，带回实验室后装入铝盒放入烘箱105 ℃下烘干8 h，剔除土壤中的杂物，大块土壤要将其捏碎，压碎。再将干净的土壤平放在干净的容器中，摊薄后于室内通风阴凉处风干。样品的粒度及有效态Cu、Fe、Mn、Zn测试均在内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室完成。

称取过2 mm筛的样品0.5 g，放入100 mL的烧杯中并加入浓度为10%的过氧化氢溶液10 mL。将其放于电热板上加热，用玻璃棒不断搅拌使其充分反应煮沸直至无气泡溢出，以完全除去样品的有机质和多余的过氧化氢溶液。从电热板上取下烧杯待其完全冷却后，再往里加入浓度为10%的HCl溶液10 mL，继续放在电热板上加热搅拌直至溶液颜色变为黄绿色并且溶液不再冒出气泡，停止加热，目的是去除次生的碳酸盐类物质。最后采用Mastersizer3000激光粒度仪进行测定。测定土壤颗粒组成时设置土壤颗粒节点分别为0.002、0.02、0.05、0.25、0.5、1、2 mm，分别计算粒径<0.002、0.002~0.5 mm和0.5~2 mm的体积含量（%），作为土壤样品中黏粒、粉粒和砂粒的百分含量^［18］。

采用DTPA浸提，原子吸收法测定^［4］。称取过2 mm筛的样品25 g，然后进行二乙烯三胺五乙酸（DTPA）的配置：称取二乙三胺五醋酸1.967 g，无水氯化钙1.19 g，三乙醇胺溶液13.3 mL倒入1 000 mL烧杯中，加入适量蒸馏水搅拌至粉末溶解后调节pH值至7.3，最后用蒸馏水定容至1 000 mL容量瓶中。向称好的样品里加入50 mL DTPA溶液，震荡2 h后过滤。将过滤出的待测液采用ZA3000原子吸收分光光度计进行测定，测定结果即为有效态Cu、Fe、Mn、Zn含量，单位为mg·kg^-1。

本文的基础数据包括1986、1991、1996、2001、2006、2011、2016、2021年共8期分辨率为30 m的Landsat影像，数据来源于美国地质勘探局（https：//earthexplorer.usgs.gov/，简称USGS）。基于软件ENVI5.3和ArcGIS10.7对毛乌素沙地1986—2021年8期遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、镶嵌、裁剪等步骤^［19］。以每一个栅格为基准，通过ROI工具对毛乌素沙地的影像均匀布设43 000个连接点，构建沙漠化差值指数。通过野外实地调查，对构成的模型进行纠正、核实，Kappa系数均>0.90，满足实验要求。

式中：NDVI为植被覆盖度；Band₄为近红外波段；Band₃为红光波段。

式中：N为归一化植被指数；NDVI_max、NDVI_min分别为NDVI的最大值和最小值

式中：Albedo表示地表反照率；Band₁为蓝光波段；Band₃为红光波段；Band₄为近红外波段；Band₅为中红外波段；Band₇为远红外波段。

式中：A为归一化地表反照率；Albedo_max、Albedo_min分别为Albedo的最大值和最小值。

对于土地沙漠化遥感监测，利用沙漠化指数DDI评价比采用多个评价指数要更简便^［20］，因此通过DDI可以有效区分不同的沙漠化程度土地类型，实现时空的定量监测。

在Albedo-NDVI特征空间，不同沙漠化土地对应的植被指数（NDVI）和地表反照率（Albedo）具有非常强的线性负相关性^［20］。

式中：DDI为沙漠化指数；a为Albedo与NDVI拟合特征方程的斜率。

基于统计学Jenk原理的自然断裂法^［21］将DDI值划分为5个等级（表1）——非沙漠化、轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、极重度沙漠化。

利用Excel2019进行基础数据汇总、整理，采用SPSS26.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用最小显著差异法（LSD）分析比较土壤组分在不同沙漠化类型下的差异（P<0.05）；建立毛乌素沙地2021年各取样点DDI与土壤组分及有效态Cu、Fe、Mn、Zn间的关系式，利用ENVI5.3软件中的“Bandmath”工具，将关系式分别带入到1986、1991、1996、2001、2006、2011、2016、2021年沙漠化解译影像中，从而得到土壤组分及有效态Cu、Fe、Mn、Zn在不同时期空间分布影像及其均值大小；利用“Bandmath”工具将2021、1986年归一化处理后的沙漠化解译影像及各指标空间分布影像相减，从而得到土壤组分及有效态Cu、Fe、Mn、Zn变化量空间分布图；运用Origin2022进行图形绘制。

1986—1996年，各乡镇苏木沙漠化土地类型以轻度和中度为主（图2）。2001年以中度和重度为主，极重度主要分布在吉拉苏木和乌审召苏木的小部分地区，非沙漠化主要分布在红庆河镇，中度沙漠化在毛乌素沙地均有分布。2001年以后，中度沙漠化逐渐被轻度沙漠化取代，重度、极重度沙漠化开始明显地减小，非沙漠化面积开始增加，到后期大面积集中在台格苏木、红庆河镇、伊金霍洛旗。2011—2021年各乡镇苏木沙漠化类型以轻度和中度为主，重度和极重度沙漠化只有零星分布，主要分布在吉拉苏木、乌审召苏木和河南乡。

1986—2021年毛乌素沙地不同类型沙漠化土地面积具体变化见表2。近35年间毛乌素沙地沙漠化整体呈逆转趋势，沙漠化土地面积由1986年的47 877.81 km²缩减至2021年的45 914.06 km²，以每年56.11 km²的速率逆转。1986—2001年为沙漠化发展期，非沙漠化、轻度沙漠化土地分别以每年6.95、421.71 km²的速率减少，中度、重度沙漠化土地面积分别以每年299.02、132.39 km²的速率增加，极重度沙漠化土地以极小的比例逆转，沙漠化程度逐渐加剧，到2001年，中度、重度、极重度沙漠化土地面积分别达到18 347.01、13 526.81、2 322.01 km²；2001—2021年沙漠化土地开始快速逆转，非沙漠化、轻度沙漠化土地分别以每年78.40、1 220.99 km²的速率增加，中度、重度、极重度沙漠化土地面积分别以每年592.60、624.98、106.81 km²的速率减少。

图3为毛乌素沙地不同沙漠化程度土壤质地三角图。非沙漠化土壤黏粒、粉粒及砂粒含量分别为4.53%~15.96%、23.93%~51.89%、34.32%~69.89%；轻度沙漠化土壤黏粒、粉粒及砂粒含量分别为1.96%~11.49%、3.35%~32.27%、56.46%~88.92%；中度沙漠化土壤黏粒含量1.67%~10.44%，粉粒含量3.52%~19.09%，砂粒含量77.77%~91.88%，重度沙漠化土壤黏粒含量1.99%~7.77%，粉粒含量1.57%~11.50%，砂粒含量83.71%~92.12%；极重度沙漠化土壤黏粒含量0.62%~4.36%，粉粒含量1.70%~10.77%，砂粒含量85.29%~97.45%。显然，非沙漠化地表土壤质地为粉砂质砂，少数为砂质粉砂，轻度沙漠化地表土壤质地均为粉砂质砂，中度沙漠化以上的地表土壤质地均为砂粒，且沙漠化程度越高，砂粒含量越大。

不同沙漠化类型下土壤组分变化特征如图4所示，土壤黏粒、粉粒、砂粒百分含量在非沙漠化类型下均显著高于其他沙漠化类型（P<0.05），在轻度沙漠化下均显著高于中度、重度、极重度沙漠化（P<0.05），土壤黏粒百分含量在中度、重度、极重度沙漠化类型下差异不显著；土壤粉粒百分含量在重度、极重度沙漠化类型下差异不显著，在其他沙漠化类型下差异显著（P<0.05）；土壤砂粒百分含量在非、轻度沙漠化类型下差异不显著，在其他沙漠化类型下差异显著（P<0.05）。

采用滑动平均拟合的方法对DDI与有效态Cu、Fe、Mn、Zn含量的关系（图5）进行分析，结果表明，DDI与有效态Cu、Fe、Mn、Zn含量变动趋势均符合幂函数分布规律（y=axb），有效态Cu、Mn、Zn含量与DDI呈显著负相关，相关系数分别为0.90、0.65和0.64，有效Fe含量与DDI呈显著正相关，相关系数为0.50。即随着沙漠化程度的减弱，有效态Cu、Mn、Zn含量呈增加趋势，有效Fe含量呈下降趋势。

毛乌素沙地不同时期各指标均值如表3所列。1986—2001年，土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量分别以每年0.03%、0.13%和0.004、0.03、0.01 mg·kg^-1的速率减少，土壤砂粒和有效态Fe含量分别以每年0.16%、0.02 mg·kg^-1的速率增加；2001—2021年，土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量分别以每年0.19%、0.78%和0.01、0.19、0.02 mg·kg^-1的速率增加，土壤砂粒和有效态Fe含量分别以每年0.98%、0.04 mg·kg^-1的速率减少。可以看出，在沙漠化发展时期，土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量呈降低趋势，土壤砂粒和有效态Fe含量呈增加趋势；沙漠化逆转时期，土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量呈增加趋势，土壤砂粒和有效态Fe含量呈降低趋势。

图6、表4为毛乌素沙地1986—2021年DDI和土壤组分及有效态Cu、Fe、Mn、Zn变化量空间分布，沙漠化逆转显著的鄂托克旗的召稍乡、乌审旗的嘎鲁图苏木、伊金霍洛旗的台格苏木DDI变化量分别为0.58、0.52和0.63，土壤砂粒、有效态Fe含量分别减少了19.33%和3.88 mg·kg^-1、20.26%和3.02 mg·kg^-1、18.83%和3.46 mg·kg^-1，土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量分别增加了10.45%、25.74%和0.29、5.68、0.73 mg·kg^-1，10.37%、27.83%和0.30、5.71、0.70 mg·kg^-1，11.25%、28.07%和0.29、5.55、0.78 mg·kg^-1。

为恢复和重建退化荒漠生态系统，防止沙漠扩张，控制沙尘暴发生^［22］，1978年以来毛乌素沙地先后启动“三北”防护林工程、天然林资源保护工程、退耕还林还草工程和京津风沙源防治工程等重大林业生态工程，大规模的生态工程有效地控制了土壤风蚀，改良了土壤结构和功能，可见科学合理的人类活动能够改良荒漠土壤质量^［23］。但受到自然、社会和经济等因素的制约，这些措施难以大面积推广应用，毛乌素沙地个别区域沙漠化仍呈发展趋势。如，1986—2000年，伊金霍洛旗沙地面积新增17 820 hm²；1996年，鄂托克前旗沙生植物后期因耗水引起地下水下降，造成林木生长停滞^［24］。在2001年中国颁布了《中华人民共和国防沙治沙法》后，内蒙古自治区先后实施“退耕还林”工程、地方“禁牧、休牧、轮牧”政策等一系列防沙治沙工程，毛乌素沙地沙漠化开始发生显著逆转^［25］。本研究发现，毛乌素沙地区域逆转程度会因工程实施不均匀而不尽相同。

沙漠化逆转过程中，土壤黏粒和粉沙含量增加，砂粒含量减少，已有学者对沙漠化逆转过程中土壤颗粒分布进行了研究^{［2，6，26］}，随沙漠化程度的减轻，土壤粒级组成越来越细；李尝君等^［7］对塔克拉玛干沙漠南缘植被恢复过程对沙土粒径的影响进行了研究，发现随着植被盖度的增加，沙土细粒成分增加，中砂成分减少，这与以往研究结果具有相似性，这是因为随着沙漠化过程的逆转，不仅植被盖度及多样性增加了，而且土壤微生物等生存条件也得到了改善^［27］。植被的增加，会有效减少土壤风蚀作用，降低土壤黏粉粒等细小颗粒在迁移过程中造成的损失^［28］，且随着地表枯枝落叶覆盖度的增加，不仅提升了对表层土壤的保护作用，还为土壤微生物群落能量来源提供了平台，从而使得微生物能够活化土壤结构，细化土壤颗粒组成^［29］。

随着沙漠化逆转，土壤有效态Cu、Mn、Zn含量呈上升趋势，李光仁等^［8］对腾格里沙漠南缘土地沙漠化逆转过程中土壤矿质元素的变化特征进行了研究，发现随着沙漠化程度的减弱，其含量呈上升趋势；Li等^［30］对荒漠沙质草地连续放牧8年后的土壤微量元素含量变化进行了研究，发现禁牧围封措施会使其含量增加。总体上，非沙漠化下的植被盖度较高，而高植被盖度下土壤的理化性质会促进土壤微量元素向有效态的转化^［31］，其较厚枯落物腐解过程与根系分泌物对土壤的酸化也是提高土壤微量元素含量的重要因素^［32］，且随着沙漠化逆转程度的增加，土壤受到的扰动减少，土壤的结构得到明显改良，地表植被种类和数量也会随之增加，这为土壤中微量元素的输入提供了良好环境^［33］。沙漠化逆转过程中，土壤细粒化的同时微量元素含量也在增加，说明细小颗粒对元素的富集更为有利，季方等^［34］研究表明，细土层元素的含量高于砂土层；李金婵等^［35］研究表明，沙漠沉积物中元素趋向于细粒级中富集。有效态Fe变化规律与其他3种微量元素恰恰相反，张建鹏等^［36］对科尔沁沙地禁牧围封13年后土壤理化性质的变化特征进行了研究，结果表明，除土壤有效态Fe外，有效态Cu、有效态Mn和有效态Zn含量均呈增加趋势。截至当前，对于沙漠化逆转过程对土壤有效态Cu、Fe、Mn、Zn含量影响的分析工作尚浅，具体变化原因有待进一步研究。

近35年间毛乌素沙地沙漠化整体呈逆转趋势，沙漠化土地面积由1986年的47 877.81 km²缩减至2021年的45 914.06 km²，以每年56.11 km²的速率逆转；实施一系列工程对毛乌素沙地生态系统重建成效明显。

沙漠化逆转过程中，土壤粒径组分逐渐偏小，土壤黏粒、粉粒及砂粒含量由极重度沙漠化下的0.62%~4.36%，1.70%~10.77%，85.29%~97.45%逆转为非沙漠化下的4.53%~15.96%，23.93%~51.89%，34.32%~69.89%，土壤质地按砂—粉砂质砂—砂质粉砂演变。有效态Cu、Mn、Zn含量呈幂函数增加趋势，有效态Fe呈幂函数减小趋势，说明沙漠化逆转的过程实质上是土壤细粒化及微量元素富集的过程。

由于实施工程不均匀性，造成毛乌素沙地区域逆转程度不尽相同，沙漠化逆转显著的代表区域有鄂托克旗的召稍乡、乌审旗的嘎鲁图苏木、伊金霍洛旗的台格苏木，其土壤黏粒、粉粒和有效态Cu、Mn、Zn含量显著增加，土壤砂粒、有效态Fe含量显著减小。显然，毛乌素沙地沙漠化逆转过程使土壤结构变细，土壤质量显著提高。