风沙活动对陆地生态系统的影响主要涉及风尘物质的源区和沉降区。在风尘物质的源区, 其影响主要来自于近地层的风沙活动, 并普遍存在于荒漠生态系统、草原生态系统以及荒漠草原生态系统中^[18]。在风尘物质的源区, 风沙活动对植物群落的作用机制主要表现为：地表物质经风力侵蚀, 较细颗粒以跃移形式顺风向迁移和堆积, 更细颗粒以悬移形式进入高空大气环流(图2)。其中, 跃移物质由于传输路径短、垂向分布的高度低, 因而极易受植株的拦截而发生堆积。跃移颗粒群体数量大, 所携带的动能高, 可快速掩埋植被, 侵蚀植被暴露的根部和磨蚀叶片等, 进而抑制植物生长甚至导致植被凋亡^[19], 其输入和对表层土壤的覆盖将降低表层土壤养分, 进而抑制新生植物种的进入和萌发的几率^[21]。与此同时, 部分以悬移形式搬运的细颗粒也可能被植株株冠俘获并在降水等作用下富集于根部, 带来植被生长发育所需的养分, 改善土壤养分交换能力和持水能力, 促进生物结皮的发育, 并在各种因素的共同作用下, 形成“ 养分肥岛” ^[22]。最后, 通过跃移和部分悬移颗粒的沉降, 风沙运动可促使植被群落及生态系统结构发生变化, 如草原景观向灌丛草原(包括稀树干草原)景观的演化^[23]。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 风沙活动对陆地生态系统的影响及其与生态系统的潜在反馈机制(根据参考文献[17, 20]改编)Fig.2 Influence of aeolian processes to the terrestrial ecosystem and the feedback mechanisms of the ecosystem (modified after reference[17, 20])

目前, 相关领域同行的研究主要集中在风沙活动对“ 肥岛效应” 的贡献, 而针对风沙活动引起的物质和养分迁移及其对植物生理生态、生物群落和生态系统结构和功能影响的研究很少。Okin等^[6]近期的研究结果表明, 植被盖度、植株间距等所表征的景观格局与风沙活动之间有一定的关系, 植株间距或风程长度对水平输沙量及风尘物质的释放有显著影响。在其团队相关研究的基础上, Okin等^[6]提出了他们的荒漠化概念模型, 试图利用连接通道 (植株或植物群落间距) 将气候变化、风沙活动、土地利用与植被盖度等联系起来, 并通过野外观测试验指出连接通道长度与风尘物质的养分释放量之间存在正相关关系。目前, 国外少数同行已开始将研究转向风沙活动导致的物质和养分迁移方面, 并尝试利用数学模型等工具将研究深化。

以悬移形式释放的颗粒物质进入高空之后, 虽然在时空尺度上具有很强的变异性, 风尘物质及其携带的养分可在区域乃至全球范围内传输并沉降。目前有关风尘物质对陆地生态系统影响的研究尚处于初步阶段, 相关领域学者通常只关注风沙活动过程影响生态系统的某一方面, 如定性讨论风尘物质对土壤形成和发育的影响, 风尘物质对远源生态系统N, P, K等养分的输入等等, 并在相关方面取得了一系列的研究进展。

2.2.1 对土壤形成与发育的影响

在陆地生态系统中, 土壤为植物生长提供养分和水分, 为动物和微生物提供生存和活动的场所。风尘物质为土壤发育提供物质来源以及改变土壤理化性质, 以沉降形式形成的风成沉积与土壤发育过程密切相关。首先, 风成沉积为贫瘠母质表层提供丰富的成土物质。例如, 来源于风尘物质的黄土大面积分布于欧洲中部和西部、中亚、中国、北美和阿根廷大平原, 支撑了庞大的农业生态系统^[24]; 非洲风尘物质是西大西洋岛屿石灰岩表面土壤的重要母质来源^[25]; 在百慕大和巴哈马以及地中海等地区, 覆盖在碳酸盐层上的红色土壤也被认为是来自于北非的风尘物质^[26]; 亚洲风尘物质在太平洋岛屿土壤的成土过程中有重要作用^[27]。

随着风尘物质的输入, 土壤理化性质发生变化, 并通过植物和土壤微生物影响土壤养分的吸收和利用效率, 进而影响生态系统的群落结构与功能。一方面, 风尘物质可以改良土壤理化性质和促进土壤表层生物结皮形成, 改善土壤的蓄水保肥能力^[28]。例如, 风尘物质中富含的可溶性阳离子可提高土壤溶液中可交换的阳离子浓度, 改善土壤的缓冲性能^[29]。富含可溶性盐的风尘物质具有强碱性, 通过直接进入土壤溶液或改变降水的酸碱度, 有利于改善酸度过高的土壤环境^[30]。另一方面, 土壤中风尘物质过高会使盐分累积, 有可能导致土壤盐渍化和钙化^[31]。

2.2.2 风尘物质与生态系统养分输入的关系

风尘物质是下风向陆地沉降区生态系统养分输入的重要途径, 不仅影响生态系统的养分收支状况^[32], 某种植被特定需要的养分输入及其变化量甚至影响整个生态系统的生产力^[33]。在目前针对陆地生态系统养分循环的研究中, 主要集中在风尘物质对N, P, K等常量元素的供给, 而忽视了风尘物质输入对宏观生态系统的影响。一方面, 风尘物质所携带的营养元素可能与区域土壤基质有显著不同, 风尘物质的不断累积将对当地生态系统的养分循环产生重要影响。当风尘物质中某些营养元素的浓度高于当地土壤中的含量时, 风尘物质对这些养分有富集作用, 反之, 可能会导致土壤营养元素的稀释^[34]。另一方面, 通过改变土壤养分状况, 风尘物质影响生态系统整体的性质, 如群落结构和生态系统的初级生产力等^[35]。以P元素为例, 它是陆地生态系统中主要的限制性养分^[36], 在部分化学风化强烈、水土流失严重的热带地区, 其生态系统的稳定性主要依赖于风尘物质所携带养分的持续供给, 特别是P的输入促进了土壤P的周转和生产力的提高, 进而影响全球碳循环和气候变化^[37]。

目前, 风沙活动对陆地生态系统的生物地球化学循环影响的研究尚不深入, 主要是由于在时间和空间上的风沙活动以及生态系统对其响应有很大的变异性和不确定性。

首先, 源区的物质组成、传输距离以及区域环境影响风尘颗粒物的组成及输送强度, 并随时间和空间的推移发生变异。在黄土高原地区, 黄土粒径自西北部的沙漠边缘向东南部逐渐变细, 黄土沉积厚度变薄, 部分元素组成发生分异^[38]。在Mojave沙漠的沿海地区, 风尘物质的来源及沉积强度在不同季节有明显的差异, 使区域内物质组成及营养元素的空间变化十分复杂^[39]。在科罗拉多高原, 风尘物质的沉降量及营养元素随地貌部位发生变化^[31]。可见, 风尘物质及其所附着的营养元素与源区物质组成、传输过程等密切相关, 在一定的区域尺度上产生明显的时空变化。虽然同行们指出了这一现象, 但在其是如何影响陆地区域生态系统方面, 还没有明确的研究结果。

其次, 风尘物质在传输过程中受各种气象条件的影响, 其内部产生物理和化学反应, 使沉积物在形态、结构、组成等方面失去源区的部分特征。例如, Mojave沙漠中部的低地和高地虽然有不同的地质背景, 在不同的季节风尘物质的来源也有所不同, 但其地表物质的粒度和地球化学元素组成相对均一, 表明区内沉积物在沉降之前已经充分混合并改变了原有性质^[31]。起源于撒哈拉沙漠的风尘物质向西搬运, 途经西非到达地中海地区或欧洲后, 其颗粒大小随传输距离的增加未发生明显的变化, 也没有显著的分选过程发生^[40]。另外, 自北非向太平洋远距离传输的风尘物质中存在大量“ 巨型” 颗粒 (> 75 μ m)^[41]。这些研究表明, 在部分地区, 风尘物质传输过程中, 重力沉降和湍流等不是影响颗粒大小和营养元素组成的主要因子^[33], 但其机理仍不清楚。

此外, 风尘物质的释放强度和发生频率导致同一地区的沉降量及营养元素的输入有质和量的差异。例如, 2000— 2005年, 受源区土地利用强度及城市粉尘释放增加的影响, 欧亚大陆春季沙尘暴事件的频率和强度增加, 使Kutsuki山地森林生态系统中N、P及Si的输入速率明显增大^[42]。美国西部大规模开发导致沙尘暴事件的频率和强度增大, 在其下风向一定区域内, 近150年来接收的风尘物质及K, Mg, Ca, N和P等较晚全新世增加了5倍^[43]。在黄土高原地区, 粗颗粒所携带的营养元素明显增加了艾属草地的生产力^[44], 而细颗粒所携带的营养元素则有利于木本植被的发育^[20]。但至目前为止, 同行们只是对这些现象进行了初步的研究, 而没有深入分析其机理。

中国干旱半干旱区的流动沙漠、沙地、戈壁以及草原农垦地带是风尘物质的潜在释放区, 由沙尘暴事件引起表土层C、N年损失高达53~1 044和5~90 kg/hm^2[48]。然而, 在中国境内的风沙活动源区, 针对风蚀导致的营养元素损失及其对陆地生态系统影响的研究却十分零散, 研究区域不均衡。目前的研究仅见于科尔沁沙地和少数极端干旱区。Li等^[49]分析了起源于科尔沁沙地的沙尘中养分的季节变化; Zhou等^[50]分析了该地区风沙活动对沙质草地生态系统养分的影响; Li等^[51]讨论了该地区不同退化程度植物群落的养分释放量, 指出风蚀导致的养分释放是草地土壤养分储量减少的重要因素。在艾比湖地区, Liu等^[52]发现干湖盆沉积物表层含盐量最高可超过40%, 盐类矿物的释放对植物的生长和生理生态产生影响。但目前这些方面仅是个案的研究, 缺乏从大区域角度进行系统性评估。

在中国干旱半干旱区, 对风尘物质的研究集中于沙尘中元素对物源的指示意义和对大气环境的影响, 对其时空变异研究少。首先, 针对风尘物质空间传输过程中其组成是否变化存在争议。Wang等^[53]的研究结果表明, 在中国北方主要的沙尘沉降区, 沙尘中多数矿物元素含量存在明显的空间分异规律。Mori等^[54]的研究指出沙尘自蒙古高原释放后, 在经华北向西太平洋地区输送过程中, 总悬浮颗粒物(TSP)及Na, Mg等元素的浓度将显著下降; 在> 2.1 μ m的颗粒组分中, Na, Mg, Al等元素含量不随传输距离和粒径而变化, 而Zn和Pb含量则明显受非源区物源的影响。Wang等^[55]分析了起源于中亚的2次沙尘事件, 指出源区的地壳元素有效稀释了下风向城市区域二次化合物的浓度, 并通过与SO₂, NO_X等反应生成硫酸盐和硝酸盐, 从而改变了TSP的组分。然而, Cheng等^[56]的研究则指出, 沙尘源区和沉降区沙尘事件中的养分浓度分别是非沙尘事件的20~34倍和2~2.8倍, 但沙尘中营养元素的组成不随传输距离的变化而变化。此外, 风尘物质组成可能随季节变化。Chen等^[57]对起源于松嫩平原盐碱地的沙尘中的元素组成及其变化进行了研究, 在这一区域所释放的沙尘中, 在年际尺度上, Si和Ca是主要矿物元素, 而S, Na等元素主要富集于春季和秋季的沙尘中。可见, 上述研究仅针对局部地区的若干次沙尘事件进行分析, 研究结果存在争议。未来研究需明确风尘物质中营养元素的空间分布格局及其随时间的变化特征。

中国干旱半干旱区的草原、草原农垦带及旱作农业区是沙尘的主要沉降区^[58]。通过干湿沉降, 沙尘为沉降区带来丰富的常量和微量营养元素^[59]。不同的植被群落对矿物养分具有不同的生态响应特征。在阿拉善高原荒漠与荒漠草原过渡带, N, P素的增加会抑制荒漠群落的密度及总密度、地上部生物量及总地上部生物量^[60]。在阿拉善高原地区, N, P, K等养分的输入有利于提高退化荒漠草原产草量和载畜能力, 并提升退化草原生态系统的固碳能力^[61]。在呼伦贝尔草原, N, P, K及有机碳等决定群落小生境的变化以及群落类型分布的梯度变化^[62]。在浑善达克沙地, 可溶性Na是影响羊草或赖草群落为优势种群落的主要因素^[63]。在草原农垦区, 全钾(TK)和速效K等是影响群落格局的主要环境因子^[64]。除常量元素外, 微量元素的丰度也可能制约植物的生长和发育。在阿拉善荒漠草原带的7种微量元素中, 除Se外, 其他6种元素均低于中国相应土壤的平均含量, 严重抑制区域植被群落的生长和发育过程^[65]。

可见, 在中国北方不同区域, 不同的植被群落对营养元素有不同的响应, 这一方面已经有比较丰富的个案研究, 而目前的研究也已确定了风尘物质中富含植物生长所需的各种营养元素, 但在风尘物质的传输及沉降过程中, 其营养元素组成及含量是如何发生时空变化, 以及是如何对区域生态系统、植物群落的结构和功能、以及植物的生理生态等产生影响并没有相应的研究。

中国区域风沙活动对陆地生态系统的影响如图3所示。对中国境内主要沙尘源区的确定、沙尘移动路径以及主要沉降区域的研究已有比较明确的结果：内蒙古戈壁、阿拉善高原、塔里木盆地和河西走廊区域贡献了亚洲沙尘释放总量的70%^[66], 不同源区沙尘暴发生频率、强度和传输路径不同, 影响的区域范围和强度等也存在差异。其中, 阿拉善高原和相邻的蒙古戈壁是亚洲最强沙尘释放区, 虽发生频率仅占亚洲沙尘发生频率的15%, 但影响范围广、强度大; 塔里木盆地也是亚洲沙尘高发区, 发生频率高达47%, 虽然部分沙尘可进入西风带向东部地区输送^[67], 但其影响主要局限在盆地内^[58]。由于源区物质组成的差异性, 来自于不同源区的沙尘对其下风向区域陆地生态系统的影响也会有所不同。此外, 在中国干旱半干旱区, 沙尘释放有明显的年内变化：戈壁地区发生的沙尘事件主要集中在3~5月^[68], 而在塔里木盆地, 浮尘和扬尘事件在全年都频频发生^[69]。因此, 不同的沙尘源区, 不同的发生时间、强度和频率, 使自沙尘源区向下风向所搬运的风尘物质携带的营养元素的组成、含量等有明显的差异, 其对沉降区生态系统产生的影响有明显的不同, 而目前这些风尘物质的时空变化格局及其对生态系统的影响没有得到系统评估。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 中国干旱半干旱区风沙活动对陆地生态系统影响示意图(a) 空间分布; (b) 传输过程中粒度和营养元素含量随搬运距离的变化Fig.3 Schematic diagram showing the eco-environmental effects of aeolian processes in the arid and semiarid China(a) Spatial trend; (b) Variations in particle sizes and nutrient compositions with aeolian processes