烏蘭布和沙漠不同土地利用類型粒度特征分析

楊志勇，陳新闖，郭建英，董 智，李錦榮，溫挨樹，田世民

(1．水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010;

2．山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/泰山森林生態(tài)站，山東 泰安271018;3．內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020;4．黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003)

(責(zé)任編輯 李楊楊)

烏蘭布和沙漠沿黃段穿行于中國北方干旱向半干旱地區(qū)的過渡地帶，南起烏海市烏達(dá)區(qū)六分廠一隊(duì)，北至磴口縣三盛公水利樞紐，全長128 km，目前有約40 km 的流動沙丘直接侵入黃河河道，在大風(fēng)和暴雨作用下大量風(fēng)沙直接向黃河傾瀉，是黃河粗沙的重要源地［1］，如何科學(xué)有效地防治當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙危害已成為研究的重點(diǎn)。研究表明，沉積物顆粒粒度特征是決定其本身力學(xué)性質(zhì)與抗風(fēng)蝕強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，粒度分布變化同時(shí)反映了作用于其表面的風(fēng)速的改變［2］，對于風(fēng)沙區(qū)的風(fēng)沙特征具有指示作用。近年來關(guān)于粒度分析的研究主要集中在古環(huán)境研究［3］、解譯氣候和環(huán)境的演化信息［4］、探究沙丘表面沙粒流動性［5］、對湖泊形成演變過程的示蹤意義［6］、對土壤風(fēng)蝕的影響［7］、確定沙塵暴的源區(qū)［8］等方面，而對于風(fēng)沙區(qū)土壤粒度特征的研究還不系統(tǒng)。粒度特征分析是用來描述風(fēng)蝕危害的重要方法，土壤粒度特征可表征作用其表面的風(fēng)蝕強(qiáng)度，尤其是在不同土地利用類型下，可以反映其抗風(fēng)蝕性的強(qiáng)弱?；谀壳皩Σ煌恋乩妙愋拖嘛L(fēng)沙土粒度特征分布存在爭議，且不同深度下土壤粒度特征分布仍不明確的現(xiàn)狀，本研究選擇烏蘭布和沙漠沿黃段的流動沙丘、沙丘前草地、沙丘前農(nóng)田為研究對象，采用野外觀測和室內(nèi)試驗(yàn)的方法，初步研究這三種土地利用方式對風(fēng)沙土粒徑分布的影響。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河烏蘭布和沙漠沿黃段劉拐沙頭，地理坐標(biāo)40°09'52．28″N、106°50'37．60″E。該區(qū)屬典型的中溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，大風(fēng)天氣頻繁，年均氣溫8 ℃，年降水量142．7 mm，年蒸發(fā)量2 372 mm，年平均風(fēng)速約3．7 m/s，多年平均大風(fēng)日數(shù)10 ～32 d，大風(fēng)和風(fēng)沙一年四季均有出現(xiàn)，以3 ～5月份最多，多為西風(fēng)、西南風(fēng)。區(qū)內(nèi)流動沙丘廣布，沙丘高度4 ～10 m，沙丘密度為0．8，丘間低地及平沙地上零星分布有白刺(Nitraria tangutorum)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙 拐 棗(Calligonum mongolicum)、沙 鞭(Psammochloa villosa)、沙 蓬(Agriophyllum squarrosum)、油蒿(Artemisia ordosica)、蓼子樸(Inula salsoloides)等。

1．2 試驗(yàn)方法

2014年4月下旬選擇沿河流動沙丘(5 條)、沙丘前100 m 處農(nóng)田(3 塊)、沙丘前100 m 處草地(3 塊)3種烏蘭布和沙漠沿黃段典型的土地利用類型設(shè)置土樣采集樣地:沙丘高度4 ～10 m，采樣時(shí)垂直于沙脊走向選取斷面，沿?cái)嗝姘从L(fēng)坡底、迎風(fēng)坡中、坡頂、背風(fēng)坡中、背風(fēng)坡底采集土樣，將采集的土樣充分混合均勻;農(nóng)田、草地樣地面積為1 hm2，用五點(diǎn)采樣法均勻采集土樣，采樣深度為0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～30 cm、30～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm。將同一土地利用類型下的土壤樣品混合均勻，進(jìn)行風(fēng)干處理。將風(fēng)干土過2 mm 篩，去除根系等雜質(zhì)，然后稱取土樣0．8 g，加30%過氧化氫，去除有機(jī)質(zhì)，加鹽酸去除碳酸鹽。加超純水反復(fù)稀釋靜置，除去上清液以除酸，直至pH 值為6．5 ～7．0。加入六偏磷酸鈉，超聲震蕩30 s后用Mastersizer 2000 激光粒度儀測量土壤粒徑的體積分?jǐn)?shù)。每樣品重復(fù)3 次取平均。通過測定獲得0．02 ～2 000 μm 的不同粒徑土壤的體積分?jǐn)?shù)，共分為100 個(gè)粒徑段，即每個(gè)土樣測量得到100 個(gè)粒徑段的體積分?jǐn)?shù)V1，V2，…，V100。依據(jù)美國制(USDA)標(biāo)準(zhǔn)劃分為砂粒(0．05 ～2．0 mm)、粉粒(0．002 ～0．05 mm)和黏粒(＜0．002 mm)3 級，對砂粒進(jìn)一步劃分為極粗砂(1．0～2．0 mm)、粗砂(0．5 ～1．0 mm)、中砂(0．25 ～0．5 mm)、細(xì)砂(0．1 ～0．25 mm)和極細(xì)砂(0．05 ～0．1 mm)5 個(gè)粒級，并分別統(tǒng)計(jì)各粒徑的體積分?jǐn)?shù)。運(yùn)用粒徑的對數(shù)值Φ 表示粒度參數(shù)［9］，分別計(jì)算分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰度(Kg)。各參數(shù)的計(jì)算公式為

式中:Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95分別是累積體積分?jǐn)?shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對應(yīng)的粒徑;d 為顆粒粒徑，mm。

沉積物的粒度參數(shù)依據(jù)Folk 和Ward 的圖解算法計(jì)算［9］。根據(jù)Folk 和Ward(1957年)提出的粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)［9］(表1)，探討其粒度參數(shù)特征。

表1 Folk 和Wald(1957年)粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2．1 不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線

研究區(qū)流動沙丘、草地、農(nóng)田的粒度分布存在明顯差異:流動沙丘以細(xì)砂物質(zhì)為主，占60．29%;沙丘前農(nóng)田表層土壤中值粒徑(d50)平均值為0．087 9 mm，以粉砂為主，占44．61%;沙丘前草地表層土壤中值粒徑(d50)平均值為0．227 4 mm，以細(xì)砂(55．49%)和中砂(38．45%)占大多數(shù)。圖1 為不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線。由圖1 知，流動沙丘地表顆粒粒度分布曲線為單峰，草地和農(nóng)田為雙峰;流動沙丘、草地、農(nóng)田主峰的位置依次偏右，分別為1．99、2．16、6．81，沙粒粒度逐漸變細(xì);第二峰值的位置由草地到農(nóng)田依次偏右，分別為5．31 和10．63，沙粒粒度逐漸變細(xì)。流動沙丘、草地、農(nóng)田的平均粒徑分別為1．80、2．14、6．11 mm。顯然不同的下墊面特性對近地表風(fēng)速降低作用不同，導(dǎo)致地表顆粒的粒度分布存在差異。流動沙丘地表完全暴露，風(fēng)蝕最為嚴(yán)重，細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕因而粒度最粗;草地地表由于有草被覆蓋，攔截了較多的細(xì)粒物質(zhì)，因而地表沉積的沙粒較流沙細(xì);農(nóng)田則由于作物及其殘茬對細(xì)粒的攔截作用，加之開墾農(nóng)田的地段多是丘間低地，顆粒粒徑一般較細(xì)，因而其顆粒粒度較草地更細(xì)，整個(gè)粒度分布曲線呈向右(粒徑細(xì))側(cè)偏移。

圖1 不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線

2．2 流動沙丘不同位置表層顆粒粒度特征

流動沙丘表層從迎風(fēng)坡底至落風(fēng)坡底平均粒徑(Mz)分布存在明顯差異(圖2)?？偟膩碚f，從迎風(fēng)坡底到坡頂Mz逐漸減小，從坡頂?shù)奖筹L(fēng)坡底Mz又逐漸增大，這主要是由風(fēng)的搬運(yùn)堆積作用而形成的。流動沙丘不同位置表層顆粒的δ、Sk、Kg值見圖3。沙丘分選系數(shù)δ=0．45 ～0．52，屬于分選較好到分選很好的范圍，各部位分選差異性不顯著，整體表現(xiàn)為坡頂及背風(fēng)坡底分選最好(δ=0．45)、迎風(fēng)坡底分選最差(δ=0．52);沙丘各部位的偏度Sk均呈近對稱分布，Sk=－0．02 ～0，說明沙丘各部位的沙粒粒徑集中于細(xì)砂，粉粒與粗砂含量相當(dāng);除迎沙坡中Kg值為0．77，屬于寬平外，其余各部位Kg值均接近1，呈現(xiàn)中等的峰度。

圖2 沙丘不同位置表層顆粒平均粒徑分布

圖3 沙丘不同位置表層顆粒δ、Sk、Kg 變化趨勢

2．3 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層粒度特征分析

各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層土壤的Mz、δ、Sk、Kg值見圖4、5。由圖4、5 可以看出，隨著土層深度增加農(nóng)田土壤Mz值大致呈減少趨勢，粒徑呈現(xiàn)增大的變化趨勢，尤其以20 ～30 cm 變化率最大;草地隨著土層深度的增加Mz呈增大的趨勢，粒徑呈現(xiàn)減少的變化趨勢，尤其以60 ～80 cm 變化率最大;流動沙丘隨著土層深度的增加Mz略微減少，沙丘粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，但變化幅度較小。

圖4 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層Mz 變化趨勢

圖5 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層δ、Sk、Kg 變化趨勢

δ 表示粒徑頻率曲線的擴(kuò)散程度，能反映固體顆粒大小的均勻程度和沉積分選的好壞。δ 愈小分選性愈好，δ 愈大分選性越差，δ =0 說明樣品是絕對均勻的。農(nóng)田δ=1．36 ～1．90，屬于分選較差，以表層土分選性最差，這主要是受風(fēng)力剝蝕和人為耕作的影響。草地δ=0．60 ～2．22，屬于分選較好到分選很差，其中0 ～40 cm 屬于分選較好、40 ～60 cm 分選中等、60 ～80 cm 分選較差、80 ～100 cm 分選很差。沙丘δ =0．41 ～0．46，分選很好，且差異不大。

Sk可量度顆粒粗細(xì)分布頻率的對稱程度［10］，并表明平均粒徑與中值粒徑的相對位置。負(fù)偏(Sk＜0)，沉積物的粒度在粗粒部分分散，粒度跨度大，而細(xì)粒部分相對集中，粒度跨度小;正偏(Sk＞0)，沉積物粒度在細(xì)粒部分分散，粒度跨度大，而粗粒部分相對集中，粒度跨度小。農(nóng)田Sk=－0．07 ～0．38，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)由近對稱到極正偏態(tài)分布的趨勢，以80 ～100 cm 土層Sk最大，呈極正偏態(tài)分布;0 ～10 cm 土層Sk＜0，粒度集中在細(xì)端部分;10 ～100 cm 土層Sk＞0，粒度集中于粗端部分。草地Sk=－0．08 ～0．51，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)由近對稱到正偏態(tài)分布再到極正偏態(tài)分布的趨勢，以60 ～80 cm 土層Sk最大，呈極正偏分布;0 ～80 cm 土層Sk＞0，粒度集中在粗端部分;80 ～100 cm 土層Sk＜0，粒度集中于細(xì)端部分。沙丘各深度Sk基本接近于0，屬于對稱分布。

Kg是度量粒度分布趨向形態(tài)的一種尺度，用來表示粒度分布的中部與兩尾端的展形之比，亦即度量曲線的峰凸程度。農(nóng)田Kg=1．08 ～1．49，集中于中等到尖窄;草地Kg=0．96 ～1．09，集中于中等，表明各粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯;沙丘Kg=0．90 ～0．97，集中于中等，分布較均勻。

2．4 沙丘前農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層粒徑分析

圖6 為農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層各粒徑體積分?jǐn)?shù)。隨著土層深度的增加沙丘前農(nóng)田各粒徑呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。農(nóng)田粉粒體積分?jǐn)?shù)在0 ～60 cm土層不斷降低，其中在30 ～40 cm 下降幅度最大，達(dá)到42．66%，在60 ～100 cm 土層呈波動變化。極細(xì)砂體積分?jǐn)?shù)在0 ～40 cm 土層不斷增加，在10 ～20 cm 增幅最大，達(dá)到138．68%，在40 ～100 cm 土層平穩(wěn)下降。細(xì)砂體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)土層深度除60 ～80 cm 外總體呈增加的趨勢，其中以30 ～40 cm 增幅最大，達(dá)158．85%。沙丘前草地各粒徑在0 ～30 cm 土層均無明顯變化。細(xì)砂體積分?jǐn)?shù)在0 ～30 cm 土層維持在55%左右，在30 ～40 cm 土層達(dá)到最高點(diǎn)(62．69%)，然后顯著降低，在80 ～100 cm 土層中僅占17．05%，與表層土具有顯著差異。中砂在0 ～30 cm 土層維持在38%左右，在30 ～100 cm 呈下降趨勢。粉粒體積分?jǐn)?shù)在0 ～40 cm 土層無明顯變化，在40 ～60 cm 顯現(xiàn)出小幅增加，在60 ～100 cm 出現(xiàn)顯著增加，在80 ～100 cm達(dá)到53．67%。農(nóng)田和草地的黏粒與粗砂體積分?jǐn)?shù)均較少，且在整個(gè)采樣深度內(nèi)沒有明顯變化。

圖6 農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層各粒徑體積分?jǐn)?shù)

通過農(nóng)田和草地的對比可以明顯看出，沙丘前草地的土壤粒徑表層以細(xì)砂和中砂為主，但是隨著土層深度增加逐漸趨向以粉粒為主。沙丘前農(nóng)田表層土粉粒體積分?jǐn)?shù)很高，約占76．62%，但隨著土層深度的增加，粉粒體積分?jǐn)?shù)顯著降低，在30 ～40 cm 土層已經(jīng)不占主體地位，變?yōu)橐詷O細(xì)砂或細(xì)砂為主。沙丘前農(nóng)田粒徑體積分?jǐn)?shù)顯示出隨著土層深度的增加土壤粒徑不斷變粗。

3 結(jié) 論

(1)流動沙丘、沙丘前草地、沙丘前農(nóng)田的粒度分布存在顯著差異。流動沙丘以細(xì)砂為主，隨深度增加粒徑變化不明顯。沙丘前農(nóng)田表層以粉粒為主，隨著土層深度增加粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，粉粒體積分?jǐn)?shù)顯著降低，尤其以30 ～40 cm 土層變化率最大，在30 ～40 cm 土層以極細(xì)砂為主，粉粒和細(xì)砂次之且相差不大。沙丘前草地地表以細(xì)砂和中砂為主，隨著土層深度的增加，粒徑呈現(xiàn)減少趨勢，尤其細(xì)砂體積分?jǐn)?shù)在60 ～80 cm 土層變化率最大，逐漸趨向以粉粒為主。流動沙丘的土壤顆粒粒度分布為單峰，而草地和農(nóng)田為雙峰。

(2)流動沙丘在迎風(fēng)坡底至坡頂Mz逐漸減少，在坡頂至背風(fēng)坡底Mz逐漸增大。δ 分選很好到較好，各部位分選差異性不顯著;Sk呈近對稱分布;Kg除迎風(fēng)坡中，其余各部位均近似為1，呈現(xiàn)出中等的峰態(tài)。

(3)農(nóng)田土壤分選較差，以表層土分選性最差，峰態(tài)呈中等到尖窄。草地土壤隨著土層深度增加分選性變差，從分選較好到分選很差，粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯。沙丘土壤分選很好且差異性小，分布均勻。隨著土層深度的增加，農(nóng)田偏度由近對稱到極正偏，草地由近對稱到正偏再到極正偏，沙丘為近對稱分布。

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