拋物線沙丘形態(tài)特征與土壤含水量和緊實度的關系研究

杜會石，哈 斯

（1.吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000；2.北京師范大學資源學院，北京 100875）

沙丘（sand dunes）是風力作用下沙粒堆積而成的丘狀或壟狀地貌，與氣候變化、風信狀況和沙源供應等自然環(huán)境密切相關［1］。沙丘研究是地貌學重要的研究內容，已成為特殊自然地理區(qū)域綜合研究的重要方向之一［2］，而沙丘形態(tài)發(fā)育影響因素研究是目前學者關注的焦點問題［3～11］。沙丘土壤水分的空間分布具有非同質性［12］，其分布差異對沙丘形態(tài)演變將產(chǎn)生重要影響［13］，而沙丘土壤緊實度影響地表抗風蝕能力［7］。有關沙丘土壤水分含量、緊實度特征及其對沙丘發(fā)育的影響研究報道較少［7］。庫布齊沙漠是沙質荒漠化活躍地區(qū)之一，該區(qū)拋物線沙丘發(fā)育廣泛、形態(tài)特征明顯，是開展相關研究的理想場所。我們針對拋物線沙丘開展沙丘土壤水分與緊實度分布特征的綜合研究，以期揭示沙丘形態(tài)發(fā)育影響因素，對區(qū)域防沙治沙具有重要科學意義。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原北部、黃河以南地區(qū)（圖1），該區(qū)降水集中在7—8月份，年均降水量277.66～394.27 mm，蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年均氣溫6.0～7.5℃，年均風速3.5 m/s，全年大風日數(shù)25～35 d，盛行WNW、W、SSE風。庫布齊沙漠東部地帶性土壤為栗鈣土，西部為棕鈣土，西北部有部分灰漠土，非地帶性土壤為各類風沙土。研究對象拋物線沙丘位于庫布齊沙漠南緣（40°14′39″N，109°07′49″E）。

1.2 測定方法

1.2.1 沙丘水分測量 選用澳大利亞Decagon Devices公司生產(chǎn)的ECH2O Check水分探測讀數(shù)表，通過EC5探針測量土壤的電介質常數(shù)來計算土壤體積含水量。測量速度小于1 s，分辨率為0.1 VSW%，1 mV精密度為±3%。于2012年9月15日測量地面以下 0～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40 cm土層的沙丘水分含量。每個地貌部位（臂間平地、迎風坡、脊線油蒿植被處、背風坡、丘臂灌叢沙堆、栗鈣土出露處、丘臂內側、丘臂外側、本底）隨機選取相隔1 m的3個樣點進行測量，每個位置重復3次，然后取其平均值表示該點水分值（圖2 a、2 b）。

土壤含水量（%）=水分容積/土壤容積×100%

1.2.2 沙丘土壤緊實度測量 選用英國Hansatech公司生產(chǎn)的SC900土壤緊實度儀測量沙丘緊實度，儀器測定單位為kPa，測定范圍為0～7 000 kPa，空間分辨率為2.5 cm，壓力分辨率為35 kPa，精確度為±103 kPa。測量 0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0、37.5、40.0、42.5、45.0 cm土層的緊實度。測量時間與水分測量時間同步。每個地貌部位隨機選取相隔1 m的3個樣點測量，每個位置重復3次，取其平均值表示該點緊實度值（圖2 c）。將沙丘不同地貌部位測定的土壤含水量和緊實度數(shù)據(jù)按照5 cm間距統(tǒng)計與分析。

圖1 研究區(qū)位置示意

圖2 測量點位

圖3 沙丘特征地貌部位景觀

2 結果與分析

2.1 沙丘形態(tài)特征

野外調研結果表明，研究區(qū)拋物線沙丘主體形態(tài)呈U型，丘臂指向W。丘體長294.72 m、寬163.70 m，相對高度5.83 m，丘臂長189.96 m，丘臂內寬90.56 m，平面面積20 226.04 m2。按沙丘流動性可判定該沙丘處于發(fā)育晚期，沙丘主體高度較低。植被以油蒿為建群種，迎風坡發(fā)育有小型灌叢沙堆，沙丘脊線處有大尺度油蒿灌叢沙堆，背風坡為一年生油蒿與沙米帶狀鑲嵌分布（圖3）。

2.2 沙丘水分含量分布特征

2.2.1 空間分布特征 統(tǒng)計與分析結果（表1）表明，臂間平地因油蒿植被生長的影響，其水分含量與區(qū)域本底相似，而高于沙丘其它地貌部位。沙丘迎風坡水分含量大于背風坡，丘臂油蒿灌叢沙堆的水分含量大于沙丘主體脊線油蒿灌叢沙堆處，丘臂內側較外側水分含量略低，但相差不明顯。

2.2.2 層間分布特征 除栗鈣土出露處外，沙丘近地表存在干沙層（0～5 cm），干沙層以下存在水分垂向變化。臂間平地與本底特征相似，存在地表以下5～10、20～30 cm兩個活躍層；迎、背風坡水分含量隨深度增加而增大，且迎風坡增加幅度比背風坡大，主要因背風坡的沙粒松散而迎風坡較為緊實，保水與滲漏程度差異所致。丘臂油蒿灌叢沙堆處水分含量變化幅度大于沙丘主體脊線油蒿灌叢沙堆處，丘臂內外側水分垂向分布較為一致，栗鈣土出露處水分垂向分布優(yōu)于沙丘其它地貌部位。

2.3 沙丘近地表土壤緊實度特征

2.3.1 空間分布特征 從表2可知，臂間平地緊實度總體大于環(huán)境本底，迎風坡緊實度總體比背風坡小，脊線灌叢沙堆處高于迎風坡；丘臂內、外側相差不大；栗鈣土出露處緊實度高于本底，也高于沙丘其他地貌部位。

2.3.2 層間分布特征 沙丘表面以下0～5 cm的近表層范圍內，緊實度為0～651 kPa，5 cm以下沙丘緊實度總體隨著深度的增加而增大。10～30 cm各地貌部位緊實度值差異較大，為351～1 509 kPa。

表1 沙丘不同地貌部位土壤水分含量 %

表2 沙丘不同地貌部位的土壤緊實度①kPa

3 結論與討論

1）研究結果表明，沙丘水分空間分布在臂間平地與本底相似，而高于沙丘其它地貌部位。沙丘迎風坡水分含量大于背風坡，丘臂油蒿灌叢沙堆水分含量大于脊線油蒿灌叢沙堆處。丘臂內側較外側水分含量略低，差異不顯著。沙丘臂間平地緊實度大于環(huán)境本底值；迎風坡小于背風坡，脊線灌叢沙堆處高于迎風坡，栗鈣土出露處高于本底值，土壤緊實度特征對植被生長有重要影響。

2）水分是丘體沙物質間黏滯性和團聚力的重要影響因素，水分在沙丘中分配及入滲深度等空間異質性，使得沙丘不同地貌抗風蝕能力不同，進而表現(xiàn)出不同的地貌形態(tài)特征［18］。沙漠中的沙丘因其形態(tài)各異，故丘體水分分布狀況不同，各地貌部位水分含量差異最大［19］。李朝生認為，鄂爾多斯高原北部流動沙丘表層干沙層厚度為10 cm，主要是因為風沙土缺乏毛管孔隙，除重力水向深層移動外，土壤水移動性差，地表蒸發(fā)作用影響到10 cm以上的沙層［20］，這與本研究中有所不同，主要由采樣精度和所測沙丘類型不同所致。此外，沙丘水分狀況還影響其移動速度，含水量增加，沙子間黏滯性和團聚力增加，起動風速也提高［21］。3）沙丘近地表面緊實度是沙丘重要的物理性質之一，是沙丘影響形態(tài)變化的重要因素。探討沙丘不同地貌部位緊實度的空間變異特征，對于揭示沙丘形態(tài)變化規(guī)律具有重要科學價值。沙丘近地表緊實度越大，植物根系在沙丘中生長所受到機械壓力越大，植物生長也因此遭受影響。Taylor等認為根細胞膨壓一般約為700～1 200 kPa，當土壤緊實度值較高時，植物生長就會受到機械脅迫作用而遭受抑制［22］。雖然0～15 cm表層沙丘緊實度值較低，不會對植物根系生長產(chǎn)生機械脅迫，但由于該層土壤含水量偏低且表面不穩(wěn)定，植被也難以生長［23～25］。從本研究的結果看，沙丘水分含量較高的區(qū)域，沙丘土壤緊實度也較大，也是油蒿植被和灌叢沙堆優(yōu)先發(fā)育的區(qū)域，故其抗侵蝕能力也較大，對沙丘形態(tài)演變具有重要影響。

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