典型地区环境地质指标研究

中国地质科学院水文地质环境地质研究所~

中国地质科学院水文地质环境地质研究所（简称水环所）始建于1956年，是全国唯一专门从事水文地质、工程地质、环境地质研究的国家公益性科研机构，是全国水文地质环境地质调查和地下水资源评价的科技支撑单位和技术发展核心，是全国水文地质环境地质专业编图中心。

“973”项目启动会上为特聘专家颁发聘书

2009年承担地质调查工作项目11项、地质调查工作内容1项，在研国家自然基金项目4项、973项目1项所属课题2项、国家科技支撑项目课题4项、国土资源部公益性行业科研专项2项、国土资源部百人计划项目2项、国土资源大调查安排的科研项目1项、基本科研业务费项目16项、中国地质科学院重点开放实验室专项2项。获批2010年国家自然科学基金面上项目2项、青年基金1项。国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“华北平原地下水演变机制与调控”喜获科技部立项并启动，所长石建省研究员担任项目首席科学家，总经费4500万元。

所长兼党委副书记石建省（中）、副所长张发旺（右一）、副所长张永波（左一）

2009年，水环所获国土资源部科学技术奖一等奖1项、省部级二等奖2项，荣获首届全国地源热泵行业评选活动“2009年度系统地质勘察优秀企业”称号。全年科研人员发表SCI、EI检索论文3篇，各种科技期刊和学术会议上共发表论文98篇，其中核心期刊论文90篇，出版专著4部。
2009年科研成果
全国地下水资源及其环境问题综合评价及专题研究：地质调查项目，负责人为石建省研究员，主要成员包括张发旺、张翼龙、王贵玲、陈宗宇、张光辉、张永波、刘少玉等。项目阐明了我国北方平原（盆地）地下水系统的演化趋势；划分了该区地下水系统，对比了华北平原、东北平原、西北内陆盆地地下水系统间的差异性。提出了地下水功能评价方法，首次建立了北方地区地下水功能评价指标体系，并完成了北方八大平原（盆地）的功能评价与区划。系统总结了北方各平原（盆地）地下水数值模拟方法、应用状况以及模型建立条件；建成了基于大型数据库的地下水资源数据共享与动态评价平台，整合完成了北方八大平原（盆地）地下水资源与环境实体数据库，实现了动态评价服务。重新评价了我国北方各主要地下水盆地的地下水资源及其开发利用潜力，系统分析了地下水资源变化的影响因素和各主要平原（盆地）地下水开采程度的差异。

地下水动态评价平台


中国地下水系统划分

华北平原地下水污染调查与评价：该项目为地质调查计划项目，项目负责人为张兆吉，主要参加人员包括费宇红、钱永、李亚松、王昭、陈京生、张凤娥等。通过对地下水污染的调查、采样和测试技术的详尽研究，研制了采样设备，建立了有机污染分析测试体系，提出了新的评价方法。通过对华北平原区14万km2开展的1:25万和对重点地下水污染区开展的1:5万地下水污染调查发现：不用任何处理直接可以饮用的地下水（I—Ⅲ类）占36.49%，经适当处理可以饮用的地下水（Ⅳ类）占24.25%，有39.26%的地下水（V类）需经专门处理后才可利用。华北平原地下水污染的特点：①污染检出指标多、超标少；②多为点状污染，分布广，多集中在城市周边和重化工开发区及影响带范围内；③以浅层地下水污染为主。项目成果入选中国地质学会2009年度十大科技进展。

野外现场测试水样

全国主要城市环境地质调查评价项目：属于地质大调查项目，负责人为刘长礼研究员，参加人员有侯宏冰、张礼中、张云等。项目完成了浙江、云南、四川、甘肃等15省区196个地级以上城市环境地质调查评价，建立了188个城市地质环境数据库，为177个城市的规划、建设、管理及汶川灾区灾后重建提供了地质依据。项目组查明152个城市地质灾害特征与发展趋势，为78个城市地质灾害防治、49个城市地下水保护与污染治理、13个城市地下热水开发利用、17个城市建筑地基适宜性利用提出了合理的对策建议，为75个城市论证了后备地下水资源208处，为17个城市未来垃圾的填埋处置初选了26个场地，编制了中国主要城市环境地质图集、各类图件共2168张。

中国地质环境分区与城市主要环境地质问题图


项目成果

珠江三角洲地区地下水污染调查评价：地质调查项目，负责人孙继朝研究员，主要成员有荆继红、黄冠星、刘景涛、陈玺、张玉玺、王金翠、向小平等。项目探索了地下水污染调查评价工作流程、技术方法、编图内容，完成了地下水污染防治区划，编制了具有创新性的地下水污染防治系列图件。自主研发了定深取样设备并获得国家专利，创新性地提出了“层次阶梯”地下水污染评价方法，为该地区地下水污染防治和地下水资源保护提供了科学依据和应用平台，也为我国其他类似地区开展地下水污染调查提供了经验和示范。计划项目和专题研究成果均被评审为优秀，这是我国首次完成的区域性地下水污染调查评价成果。
全国地热资源现状评价与区划：地质调查项目，负责人为王贵玲研究员，成员包括蔺文静、陈德华、刘志明、陈浩、张薇、杨会峰等。项目收集汇总了全国31个省（市、自治区）的地热井、温泉开发利用资料，修编了“中国地热资源利用现状图”、“中国地热资源分布图”等图件，编制了《浅层地热能勘查开发技术规程》，完成了《全国地热资源现状评价及区划技术要求》及《全国地热资源现状评价与区划编图技术要求》的编制工作。开展了地热资源评价方法研究，提出了我国山区对流型和沉积盆地型地热可开采资源量计算方法，提出在全国进一步开展地热资源勘查评价的建议及工作部署。

中国地热资源利用现状图


中国地热资源分布图

河套平原地下水资源及其环境问题调查评价：地质调查项目，项目负责人为石建省研究员和张翼龙教授级高工，主要成员包括刘海坤、赵华、杨会峰、叶浩、陈宗宇、张永波等。2009年开展了河套平原1:10万第四纪地质和水文地质调查、水文地质物探和钻探、测试分析、遥感解译等工作，对调查区内的土地利用、盐渍化、沙漠化及与地质环境相关的地方病状况有了较详细的了解；建立了野外包气带水盐运移试验场；对河套平原已建立地下水模型中存在的问题进行了总结，并提出建模思路，初步建立起区域水资源优化配置模型。同时，还建立了河套平原区地下水同位素剖面和社会经济数据库系统，为开展地下水循环演化研究奠定了基础。

在内蒙古毕克齐镇利用RAS—24浅震仪探测水文地质结构

黄河流域基岩区侵蚀成因及预测预报：科技部科研院所社会公益项目，负责人为石建省研究员和叶浩研究员。主要完成人员包括程彦培、侯宏冰、石迎春、郭娇、吴利杰、王强恒等。主要研究内容是砒砂岩的侵蚀机理。项目经过3年研究表明，粉红色的砒砂岩抗侵蚀性相对最强，灰白—紫红色交错互层的砒砂岩抗侵蚀性相对最弱；利用“3S”技术，对砒砂岩沟边线的蚀退进行了预测。预测结果表明，砒砂岩的侵蚀不但与岩石的地层组合有关，而且与地表覆盖物的厚度和松散程度有关；提出在现有水土保持工程的基础上，应针对地表不同类型的覆盖沙进行重点治理，以减轻该地区岩土侵蚀的强度。

水岩作用模拟试验装置

污灌区水土污染自然衰减调查评价：该项目为地质调查项目，负责人为张翠云研究员，项目组主要成员包括何泽、张胜、殷密英、李正红、马琳娜等。经过多年的努力，成功建立了微生物分子生物学检测高新技术。该技术由微生物DNA提取纯化、扩增、DGGE分析和测序等多个环节组成。目前利用该技术完成了28m深包气带土样和地下水样DNA提取纯化、扩增、DGGE分析和测序，取得了国内首批厚层包气带和地下水样微生物DNA数据，为污染物在包气带和地下水中的自然衰减评价提供了依据。

污灌区地下水微生物 DNA提取纯化结果

典型地区1:5万水文地质调查示范：地质调查项目，负责人为王贵玲研究员，主要成员包括杨会峰、陈德华、陈浩、张薇、范琦、刘志明、蔺文静、梁继运等。开展了水文地质调查、水文地质物探、水文地质钻探、水文地质试验（抽水试验和渗水试验）、水化学样品采集、同位素样品采集，工程测量等工作。查明了水动力场、水化学场的空间分布特征，对水文地质参数进行了精细刻画。详细研究了1:5万水文地质调查技术方法体系，对各种图件的表达内容和编制方法进行进一步地总结和优化，制定了1:5万水文地质调查的编图技术要求。

项目组进行水位测量

鄂尔多斯能源基地能源开发与地质环境互馈效应调控研究：水环所与德国蒂宾根大学应用地质中心、美国马萨诸塞大学合作开展的项目，中方负责人是张发旺研究员，中方主要参加人员有陈立、张胜、赵红梅、侯新伟等。项目组历经3年多研究，开创性地提出了利用采煤塌陷区深厚包气带作为接纳储蓄大气降水的关键技术；首次提出黄土地区石油污染土壤原位微生物修复技术，为一定规模原位修复石油污染土壤起到了示范作用；利用德方提供的鲁尔矿区环境整治规划和产业结构调整的经验，优化了大柳塔矿区和铜川矿区的地质环境整治规划方案。

石油污染土壤原位修复试验

为研究和验证草地退化环境地质指标体系，选择典型的草地退化地区开展工作。锡林郭勒草原是我国北方退化比较严重的典型草原之一，因此选择该地区进行环境地质指标研究。

锡林郭勒盟（简称锡盟）草原属于欧亚太陆草原区，位于我国四大草原之一的内蒙古自治区中部，地处北纬41°31′～46°45′；东经111°51′～119°58′。锡林郭勒盟草原是闻名中外的草原之一，由森林草原、草甸草原、典型草原，荒漠草原和草原沙地五大部分组成。锡林郭勒盟草原是我国北方地区一道重要的绿色屏障，长期以来一直阻止着来自中亚草原和我国西部沙尘的东侵，对京、津周边及整个华北地区生态环境保护起着十分重要的作用。锡林郭勒盟草原整体环境特征是，草原自然景观目前基本保存完好，是世界上保存较大的天然草场之一。

一、研究区概况

（一）地貌

锡林郭勒盟地处内蒙古高原中部，是一个以高平原为主体，兼有多种地貌单元组成的地区。由于中新生代陆相沉积，尤其是新生代河湖相和风成砂、风成黄土的掩盖，致使其原始褶皱山区地形不显著，再加其经过长期的剥蚀、风化、准平原化作用，山的相对高差仅为数十米，最大不过数百米，缺乏高峻的山脉和明显的沟壑，形成老年期地貌。

锡林郭勒盟地域辽阔，地势坦荡，高差较小，海拔一般在900～1300m之间。高原上切割甚微，以风蚀作用为主。全境地势南高北低，自西南向东北缓缓倾斜，平均海拔1000m以上。最高山峰为与赤峰市交界的古如格苏乌拉，海拔1967m；最低处在东乌珠穆沁旗宝拉格苏木奈日木德勒嘎查以南，海拔为839.7m。

（二）气候

锡林郭勒盟地处中纬度内陆，终年为西风环流控制，以中纬度天气系统影响为主，而季风环流影响则视季节变化而定。冬季风影响时间长，夏季风不易到达，且影响时间短。盟内地貌类型比较齐全，并以高原为主体，南部有阴山山脉横亘，东部有大兴安岭呈北东东-南南西向延伸。由于地形和山脉的屏障作用，以及所处的地理位置，使锡盟区域内受极地大陆气团控制时间较长，冬季风影响较大，具有干旱、少雨、寒暑剧变的典型大陆性气候特征。

锡林郭勒盟草原属于中温带半干旱大陆气候，气候的基本特征是：冬季漫长而寒冷，夏季温热少雨，春秋季节多大风，昼夜温差大，降水量少，雨热同季。年均降水量在200～400mm，多集中在6～8月，占年降水量的70%左右。降水变率较大，表现在年际间降水分配不均衡，多雨年和少雨年相差悬殊，降水变化具有不稳定性、非均一性和不匀调性，造成草原出现春旱、夏旱和春夏连旱，影响牧草生长和产量；年平均温度在0～4℃之间，分布趋势自西南向东北递减，极端最高气温39.9℃，极端最低气温-42.4℃，是我国日温差较大的地区；年平均无霜期100～136d，大部分终霜期在6月中上旬，初霜期在9月上旬；年均蒸发量在1500～3000mm，大部分地区蒸发量为降水量的6～10倍，是造成土壤干旱的重要原因；日照时数2900～3200h，是我国太阳辐射较为丰富的地区之一；年平均风速4～5.5m/s，全年大风日数60～100d（6～8级），大部分地区属富风区。

（三）水文

1.地表水

锡林郭勒盟东部的大兴安岭和南部的阴山山地相连构成了分水岭，以北为高原内陆水系，以南为外流水系。全盟主要有滦河水系、乌拉盖水系和呼尔查干诺尔水系等，流域面积58 096km²。其中滦河为外流水系，其他为内陆水系。

锡林郭勒盟是内陆湖泊聚集的地区之一。据统计有大小湖泊多达1363个，总蓄水量3554亿m³。其中淡水湖泊672个，蓄水量20亿m³。由于锡盟气候干旱，风力较强，在湖泊的成因类型上，以风蚀湖为最多，其次是构造湖。湖水补给主要靠降雨，地下水补给较少，因此每年发生着有规律的变化，当雨季来临时，水位上升，湖面扩大，其他季节湖水下降，许多小湖干涸。

2.地下水

锡盟地下水资源比较丰富，经初步探明估算，年补给量54亿m³，可开发量1554亿m³。可分为山地丘陵、熔岩台地、山间盆地、沙地等4个水文地质单元。

中蒙边界、东乌珠穆沁旗北部、锡林浩特以东、二连浩特以东的低山及波状丘陵地区，水位埋深一般小于5m，水量较大，总溶解固体小于1g/l；阿巴嘎旗-锡林浩特东南一带的熔岩台地地区，水位埋深为30～70m，或大于70m，总溶解固体小于1g/l，为重碳酸盐-钠-镁型水。锡林浩特南部灰腾西里熔岩台地，潜水位埋深大于70m，富水性较小，为缺水地区；乌珠穆沁盆地、二连盆地等山间盆地地区，为境内第四系孔隙水、承压水较富水地区，水位埋深随地形变化，总溶解固体一般为1～2g/l；浑善达克沙地地区地下水受降水、凝结水和丘陵裂隙水补给，水量较小，水质较差，总溶解固体在盐碱湖周围可高达73g/l。

（四）土壤

1.土壤类型

在锡林郭勒草原中部草原植被下，广泛分布着栗钙土，它是锡盟最主要的土被组成部分。大体在东乌珠穆沁旗满都宝力格以西至苏尼特右旗朱日和一线以东，占据广大的低山丘陵、山间平地和高平原。除此之外，锡盟还分布有灰色森林土、灰褐土、黑钙土、草甸土、棕钙土、风砂土、沼泽土等土壤类型。

2.理化性及肥力

锡盟土壤质地可分为4类：沙土类、壤土类、粘壤土类和粘土类。沙土质地为砂砾占多数，土壤保水力小，保肥力低，土温易变化，主要分布在浑善达克和嘎亥额勒苏沙地及其周边地区；壤土质地较均匀，粉沙粒较高，通透性好，保水保肥力较低，易干旱、风蚀或沙化，主要分布于东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、镶黄旗，太仆寺旗、多伦县面积也较多；粘壤土多分布于乌拉盖盆地、额吉淖盆地和沿河低平地，质地均匀，保水肥性性能好，抗旱能力强；粘土类中粘粒占优势，质地粘重，结构致密，土壤保水肥能力较强，通透性差，多分布于大兴安岭山地和其他旗县丘间洼地、湖盆低地上。

锡盟绝大部分呈微碱性，从区域分布上看，其特点是从东到西pH值有增高的趋势。中部丘陵、台地及沙地pH 7～8.5为微碱性土壤，西部高原地区有些土壤pH>8.5偏碱性，此外，多数低洼地都为碱性。

锡盟土壤有机质含量变幅在8.57%～0.66%之间，其分布特点为：山地土壤有机质含量是从上至下递减，而地带性土壤有机质含量是从东向西呈递减趋势，即黑钙土→栗钙土→棕钙土。锡盟土壤全氮含量的分布特点是：土壤全氮与有机质含量成正相关，碱解氮与全氮含量亦成正相关。在分布上与有机质相似，即由东向西有递减趋势。锡盟土壤速效磷较缺，大部分土类含量均低于5×10^-6。速效钾含量较为丰富，大部分土类含量均高于150×10^-6。

（五）植被

锡盟属中文带半干旱、干旱大陆性气候，在这种气候条件下形成的地带性植被基本类型是典型草原，除典型草原外，全盟还分布有草甸草原、森林草原、荒漠草原和沙地草原等。

典型草原的代表群系在锡盟共有8个，大针茅草原（Form.Stipa grandis）、克氏针茅草原（Form.Stipa Krylovii）、羊草草原（Form.Leymus chinensis）、糙隐子草草原（Form.Cleistogenes squarrosa）、冰草草原（Form.Agropyron cristatum）、冷蒿草原（Form.Artemisia frigida）、百里香草原（Form.Thgmus serpyllum L.Var.asiaticus）。

二、锡林郭勒草原草地退化环境地质指标研究

锡林郭勒草原是我国著名的四大草原之一，曾以水草丰美而著称于世。锡盟草场退化、沙化和生态环境恶化问题日益严重。调查资料表明，目前全盟风蚀沙化面积达1216万km²，占全盟草原总面积的64%。其中：轻度风蚀沙化面积5127万km²，中度风蚀沙化面积413万km²，强度风蚀沙化面积1148万km²。植被覆盖率由1984 年的3515%下降到1997 年的2712%。水土流失呈加剧趋势，全盟轻度以上水土流失面积1712万km²，占总土地面积的8112%；中度以上水土流失面积12 107万km²，占5619%。浑善达克沙地从1949 年到1995 年沙漠化面积由2157万km²增加到3105万km²，平均每年以100 km² 多的速度增加，而流动沙丘由1960 年的172 km² 增加到目前的3000 km²。

综观锡林郭勒盟草原退化的各种相关因素，其退化主要成因为：干旱缺水，草水矛盾突出，草场的人口和牲畜负载加大，草畜矛盾增强。连年干旱使天然牧草生长高度、产量和牧草覆盖度下降趋势呈几何增长。在造成锡盟草场沙化退化的诸多因素中，连年持续干旱，水资源缺乏是主要矛盾。

草地退化的过程中不可避免的伴随着土壤性质的变化，包括土壤理化性质质变化、土壤养分流失、土壤肥力下降等。据研究表明，草原植被覆盖度下降，使土壤中进入的有机质减少，分解速度加快.向脱腐殖质化发展，引起水分含量减少，结构趋向单粒化，矿质化过程加强，可溶性盐逐渐积累，盐渍化趋势增加，同时水分蒸发加强，土壤变干，肥力下降，土壤向退化方向发展。

（一）气候降水

锡林郭勒盟是自治区主要牧区和饲草基地，降水量分布是自东南向西北减少，南部4个旗（县）及西乌珠穆沁旗一带平均降水量300～390mm，由此向西北递减，二连浩特市只有140多mm。因此，干旱频率也是自东南向西北增大。从近50年的降水量统计数据来看：

1953～2006年的53年中锡林浩特区域性轻旱（降水量距平百分率为0～-25%）共发生14年，中旱（降水量距平百分率为-25%～-75%）11年，大旱（降水量距平百分率为>-75%）2年，轻旱频率26.4%，中旱频率20.8%，大旱频率3.8%，干旱累积频率为51%。

1955～2006年的51年中西乌珠穆沁旗区域性轻旱共发生18年，中旱8年，轻旱频率35.3%，中旱频率15.7%，干旱累积频率为51%。

结果表明：锡林郭勒盟区域性轻旱发生的几率较大，中旱的几率次之，大旱的几率最小。按年际分析：锡林浩特区域在1982～1986年、1999～2002年间均为旱季年。西乌珠穆沁旗1962～1968年、1970～1973年、1975～1977年、1999～2006年间均为旱季年。因此，草地群落长期都处于水分严重亏缺状态，植物生长会被大大地抑制，种类趋于单一化。这是草地退化的重要因素之一。

（二）地表水文

降水是草地生长水分的主要来源，地表的河流和湖泊则是水分的蕴存之所。地表河流流域面积的变化以及湖泊面积的变化甚至消亡，从很大程度上指示着气候与降水的变化，从而也能够指示草地退化的过程。由于连年干旱锡林郭勒草原一些湖泊由于水源补给不足，水面缩小甚至枯竭，如查干淖尔（湖名）50年代水面1270 km² ，至今湖面缩小了20 km²。国家级自然保护区核心区达里诺尔湖面积为228.84 km² ，储水量约16亿m³ ，水环境以含盐量高、碱度大为主要化学特征。随着生态环境的破坏、湖水蒸发量的逐年增加，湖泊水质有明显恶化趋势。变化趋势是由淡水→半咸水→咸水→盐湖的方向发展。研究表明：达里诺尔湖水位呈稳定的波动性变化，而且水质pH值主要受降水的影响，在20年间，pH值一般在9.30～9.80之间，呈缓慢上升趋势。比较1975年与1996～1998年研究结果，水体含盐量，总碱度、级离子、钠离子、高锰酸盐指数等主要化学因子均呈上升趋势。

图4-2 锡林浩特和西乌珠穆沁旗多年降水量距平百分率

表4-12 达里诺尔湖水化学因子浓度变化结果

主湖区经过二十几年的变化，主要化学因子变化幅度在2.6%～198.1%之间，其中含盐量增加8.6%，总碱度增加11.1%，钠离子增加13.3%，钙离子、高锰酸盐指数比1975年增加1倍以上，镁、氯离子均有增加。

锡林河是内蒙古自治区锡林郭勒草原上较大的一条内陆河流。发源于苏克斜鲁山黄岗梁山前的翁湖附近的白音察干诺尔滩地，流向锡林浩特而在其西北注入白音诺尔。锡林河全长175km，在锡林浩特水库以上长135km。据1965年资料，其中锡林河在锡林浩特年平均流量为0.745s/m³，多年平均水量0.2349亿m³。而近年来，由于气候波动和人为活动造成的影响，锡林河下游近40km的河段已几近枯竭，水量急剧下降。

（三）地下水

作为草地生长的地下水分“仓库”，地下水对植物的生长发展有着更为直接的作用。研究表明，地下水位埋深很大程度上决定着地表植被的生长状况。

锡林浩特地区地下水动态类型为降水—渗入—蒸发型。地下水资源的补给来源主要是降水以及地表水渗入。影响因素以降水量为主，其次是蒸发和地下水开采强度。资料表明，锡林浩特地区雨季地下水普遍升高，但上升幅度与上升开始时间及持续并到达峰值的时间在不同地段并不一致。沿锡林河附近地下水埋深较浅，上升幅度也较大，但受河水的影响和上游水库的调控有滞后现象。而其他区地下水埋深浅的地方上升反映较快，而在蒸发作用强烈、农牧业灌溉的夏、秋季节，由于降雨的作用相对变小，促使地下水水位下降。说明地下水位受降水和蒸发等因素的约束。该地区近几年地下水位持续下降，其主要原因是降水量偏少，补给量不足，而蒸发量和各项用水量有增无减造成的。

（四）地形特征

前述地貌对植被分布具有一定控制作用，不同的地貌形态上的植被分布具有一定的规律性，从而抑制生态环境恶化的能力也不尽相同。而地表形态的变化诸如地表裸土面积、浮沙面积的变化，可从状态上指示草地及土地的退化过程。

波状起伏的地面形态使草地的分布在类型上和高度、盖度等都各有差异。据实地调查研究表明，在相对起伏的地形中，植被的覆盖度随着高程的增加而呈减少趋势，平均高度也趋于下降，位于丘状地形的顶部的植被普遍覆盖度最低，而在丘状地形间的沟壑，草地往往较为丰盛，因为地形的关系，这些地方往往是地表水和地下水水流汇集地，植物生长的水分条件较为充分，而地点若处于一个相对的阴面，蒸发强度将很大程度地下降，易于水分的保持。

受日照、蒸发量的影响，阴坡的植被覆盖度普遍高于阳坡，据研究表明，进入20世纪90年代以来，锡林浩特草原沙化趋势加剧，流动沙丘的面积每年增加14.3 km²。沙地中植被覆盖度由20世纪60年代的阳坡30%～40%、阴坡60%～70%减少到现在的阳坡10%、阴坡30%～40%。另外受风蚀作用，迎风面草地分布高度较低，背风面高于迎风面。

（五）土壤理化性质

土壤的理化性包括土壤的物理性质和化学性质。土壤的物理特性主要指土壤温度、水分含量及土壤质地和结构等，土壤化学特性主要是指土壤化学组成、有机质的合成和分解、矿质元素的转化和释放、土壤酸碱度等。

为了验证土壤理化性质质对草地退化的影响，在内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区进行了实地调查（详见本节附录“野外调查方法”），调查面积约240km²，定位调查点59个，对研究区内的地形地貌、土壤、水文和植被进行了详细调查。

表4-13 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区调查点一览表

续表

1.土壤物理性质

（1）质地与结构。

锡盟草原的土壤质地可分为沙土类、壤土类、粘壤土类和粘土类等，沙土土壤保水力小，保肥力低，土温易变化；壤土质地较均匀，粉沙粒较高，通透性好，保水保肥力较低，易干旱、风蚀或沙化；粘壤土质地均匀，保水肥性性能好，抗旱能力强；粘土类质地粘重，结构致密，土壤保水肥能力较强，通透性差。土壤结构有团粒状、粒状、屑粒状、柱状、块状和核状等，对植物出苗和扎根以团粒状土壤最好，粒状、屑粒状、柱状次之，核状和块状土壤不良。

据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果，该地区土壤以砂土、亚砂土为主，个别地点为轻亚粘土，颗粒相对较粗，沙粒含量较多，土壤团聚性较差，亦发生土壤沙化。

（2）颗粒组成。

覆盖草场表面的土壤是一种性质变化很大的多孔性物质，它的固相组成——土壤的颗粒大小构成土壤骨架，反映了土壤的质地。随着草地退化的加剧，土壤颗粒组成发生变化，黏粒含量趋于减少，砂粒增多。不同粒径对土壤团粒结构形成和保水保肥的贡献不同，黏粒的减少抑制了土壤的膨胀、可塑性及离子交换等物理性质。

据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果显示，多数地点土壤为砂土或亚砂土，土壤黏粒含量较低，砂粒占优势，土壤易沙化。

（3）含水量。

土壤水分是土壤中最重要的组成物质之一。通常说来，土壤水分的运动与土壤温度相应，要受到入渗、排水、蒸发和根系吸水等过程中大通量的液相干扰。草地退化过程中，土壤含水量下降，尤其是上层（0～20 cm）土壤含水量下降明显。

据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果，未显示表层土壤含水率与草地退化程度之间的直接关系，但据前人研究结果，低水分土壤（含水率5%～7%）与高水分土壤（含水率8%～10%）对牧草的生长发育状况和产草量有很大影响，结果显示：高水分土壤产草量约为低水分土壤的一倍。而白音希勒牧场调查地点土含水率大都在0.5～5.5之间，含水率相对较低，可视为草原趋于退化的一个相关因素。

（4）容重。

土壤容重体现了土壤的紧实度，与土壤的孔隙度、透气性和渗透率成反比。随着草地退化程度的加剧，土壤容重呈上升趋势。土壤容重的增加必然影响土壤中水分和空气的移动及植物根系的发育。而严重退化阶段0～5 cm土层容重最小。说明潜在沙漠化时下层土壤微生物、动物的扰动作用使土壤变得疏松，容重较小，而严重沙漠化时土壤表层风蚀严重，植被较少，颗粒物的吹失与回落，致使土壤变得松散干燥，容重最小。

据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果显示，在未退化草地，地面表层（0～5 cm）的土壤容重普遍在1.2～1.5g/cm³之间，最低达0.81g/cm³（PC30调查点，未退化草地）。而随着退化的程度增加，土壤容重呈上升趋势，最大值为2.07 g/cm³（PC36调查点，轻度沙化草地）。

2.土壤的化学性质

酸碱度。土壤的酸碱度是土壤盐基的综合反映，同时与土壤水分含量有关。据前人研究表明，农作物和牧草需要pH7.0～8.5的微碱性土壤，低于或高于此pH值时，植物生长受抑制。

据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区的实地调查结果显示，绝大多数土壤pH值在7.20～8.64范围内，只在个别地点土壤呈酸性或pH值高于9.0。说明该地区的土壤从pH的角度来说还是比较适宜植物的生长。

（六）土壤养分

土壤养分主要取决于土壤矿物质及有机质的数量和组成。通过对内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区采集的171个土壤样本的元素相关分析，结果显示，全氮、有效氮与总碳含量间呈极其显著的正相关，全氮与有效氮之间也呈显著正相关，说明土壤有机质中均含一定比例的氮素，并且其中一定的比例可以转化为植物可以利用的有效氮。通过对不同深度的土壤元素相关性分析，以51个土壤样本的N元素为例，呈一定的正相关，表明土壤的成土环境相似，成土过程相同，从而导致元素在土壤剖面上的迁移和转化的过程和程度相近。另外分析数据表明，表层土壤的全氮、全磷等元素含量都比较低，属养分条件很差的土壤，是土壤趋于退化的重要表现。通过变异系数分析，171个样本中全氮和全磷含量存在较大的变异性，变异系数分别为73.11%和43.11%，说明土壤有退化趋势，具有退化草场的特征。

表4-14 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区土壤部分营养元素相关矩阵（样本数=171）

表4-15 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区不同层次的土壤N元素相关性分析（样本数=57）

1.土壤有机质与营养元素

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，它直接影响着土壤的理化性质和生物活性，是反映土壤肥力状况和供肥特征的决定性因素。目前，反映土壤有机质状况的指标多种多样，包括有机质数量、活性和腐殖质品质指标等。

土壤中全N含量代表了能提供给植物所需N的最大潜力。随着沙漠化梯度的增加，土壤全N含量呈降低趋势。土壤中有机质的C/N比是一个重要的指标，若C/N比很大则在其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供N的效果，因为微生物的同化量会超过矿化作用所提供的有效N量，有可能使植物缺 现象更为严重。但若C/N比很小则在其矿化作用一开始就能供应植物所需的有效N量。因此C/N 比对植物的生长有着至关重要的作用。草原沙漠化过程中，土壤C/N比呈增加趋势，说明伴随着土壤C，N的显著下降，质地变粗，植物N素供应不足更为突出。

据蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区内的土壤元素相关性表明，Corg（有机碳）与全N之间存在显著的正相关，171个样本的C/N平均值为9.766，变异系数为60.12%，在空间上的表现并不一致。多数样本的C/N值在7～15范围内波动，个别样本达到40～50，说明在该地区某些地点草地已经开始趋于退化，甚至有土壤沙化的效应。

图4-3 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区土壤Corg-N相关性（样本数=171）

2.土壤微量元素

生物体是由60多种元素所组成，其中C、H、O、N、Ca、P、Mg、Na等含量较大的元素，称为宏量元素。而占生物体总重量0.01%以下的如Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Se、Mo、Co、F等，为微量元素。微量元素虽然在生物体内的含量不多，但与生物体的生存和健康息息相关。它们的摄入过量、不足或缺乏都会不同程度地引起生物体生理的异常或发生疾病。微量元素最突出的作用是与生命活力密切相关，能发挥巨大的生理作用。而这些微量元素必须直接或间接地由土壤供给。到目前为止，已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种，即Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Se、Co、I、Ni、F、Mo、V、Sn、Si、Sr、B、Ru、As等。

对内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区的57处地点的0～20cm表层土壤的B、Mo、Cu、Zn、Fe、Mn等6种微量元素的有效态分析，6种微量元素含量平均值大小顺序为Mn>Fe>Zn>Cu>B>Mo，且Mn和Fe的含量远高于其他4种元素，也远远高出全国均值。另外4种元素的均值均小于全国均值水平。

表4-16 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区表层土壤6种微量元素有效态含量 单位：μg/g

据锡盟盟志的记载，锡盟土壤的6种微量元素有效态变幅如表4-17所示。

表4-17 锡盟土壤的6种微量元素有效态变幅 单位：×10^-6

可以看出，该地区的B、Mo、Zn元素的有效态含量均低于元素缺乏的临界值；另外，该地区的有效Fe和有效Mn的含量，远远超出上述范围，其原因有待进一步探究。

从植物中微量元素的含量分析可以看出，B、Mo、Cu 3种元素含量的均值均在正常范围之内，Zn元素含量略低于正常范围；而Fe和Mn的含量均值远远高出正常含量的范围，这应与土壤中的Fe和Mn的含量过高有一定的关系；另外也不排除植物本身的因素，可能使不同植物间的元素含量有较大差别。

表4-18 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区植物体中6种微量元素有效态含量 单位：μg/g

植物体内元素含量的变化往往存在相关性，从表4-19中可以看出，Fe和Mn、Fe和Zn、Fe和Cu、Cu和Zn之间存在显著正相关，Fe和Mo、Cu和Mo之间表现为负相关，但不明显，其余元素之间均为正相关。

表4-19 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区植物体内6种微量元素相关性分析（样本数=57）

针对上述研究结果，该地区的Fe元素和Mn元素过于富集，是否影响该地区的植被演化和退化，有待于进一步调查与监测。

附：野外调查工作方法

一、工作区概况

试验在内蒙古锡林郭勒盟白音锡勒牧场典型草原区内进行。该区位于东经116°30′～116°45′，北纬43°33′～43°40′，海拔1215 m；属温带半干旱大陆性气候，春季干旱少雨，风大沙多，冬季寒冷而漫长；年均温0℃，气温日较差大，年均降水量300～450 mm，降水变率大，70%的降水集中在7、8、9三个月，年均日照时数2600 h，无霜期170 d左右，年均风速3.2 m/s，大风日数71 d，以4、5月份最为频繁。该区主要植被类型为“大针茅+羊草”典型草原。地带性土壤为栗钙土。锡林河由东向西穿越该区。

二、工作方法

（一）工作总则

校验区基本工作比例尺为1∶50000，基本采样密度为1点/4km²。沿锡林河间隔约20km布置数个横向剖面，每剖面设置3-4个样点。

（二）样点调查

1.植被调查：每样点设置1个（5m×5m）样方，分别测定各样方内的植被覆盖度，优势草种的比例，平均植物株高。并取优势草种样品。

2.土壤调查：每样点挖取1个深50cm的土壤剖面，用洛阳铲分0～10cm、20～30cm、40～50cm分别取样，另在0～10cm用铝盒取土壤原状样。

3.水文调查：收集提取样点附近存在的地表水和地下水样品。

三、数据采集

（一）植被调查与测试

1.植被覆盖度：目测法。

2.优势草种比例：目测法，选择占样方内所有植被70%以上的1～2种优势草种，分别估测其比例。

3.平均植物株高：随机抽取5～10株植物测量其自然高度，取平均值。

4.优势草种样品测试：包括元素全量分析14项：Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、B、Mo、Se、F。测定方法采用原子荧光光谱法（AFS）、等离子体光谱法（ICP-OES）、等离子体质谱法（ICP-MS）、离子选择性电极（ISE）等。

（二）土壤调查与测试

1.土壤剖面调查与描述：根据挖取的剖面绘制柱状图，并进行描述。

2.土壤颗粒组成测定：采用筛分法。

3.含水量测定：采用土工试验方法。

4.土壤元素测试

（1）全量分析24项：pH、TOC、N、P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg、Si、Al、Se、F。

（2）有效态分析13项：碱解氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效钼、有效铜、有效锌、有效铁、有效硅、有效锰、有效硫、交换性钙和交换性镁；

（3）离子交换态分析（含水溶态和离子交换态）1项：Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg、Se。

（4）测定方法采用原子荧光光谱（AFS）、发射光谱法（ES）、等离子体质谱法（ICP-MS）、压片法X-射线荧光光谱（XRF）、离子选择性电极法（ISE）、氧化热解气相色谱法、等离子体光谱法（ICP-OES）、氧化热解电位法等。

（三）水文调查与测试

地表水样与地下水样测试：包括As、Hg、Ni、Pb、Cr、Cd、Cu、F、Se、Zn、N、P、K、Na、Ca、Mg、Cl、等22项离子。测定方法采用等离子质谱（X-series）、原子荧光（AFS-230）、等离子光谱（IRIS）等。

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