烏魯木齊城市土壤粒度特征分析

張 超, 陳學(xué)剛, 權(quán)曉燕, 董 煜, 魏 疆

(1.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,烏魯木齊 830054; 3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

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烏魯木齊城市土壤粒度特征分析

張 超1,2, 陳學(xué)剛1,2, 權(quán)曉燕1,2, 董 煜1,2, 魏 疆3

(1.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,烏魯木齊 830054; 3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

土壤粒度組成是土壤重要的物理特性之一，對(duì)提高綠洲城市土壤抗風(fēng)蝕能力、持水能力和土壤養(yǎng)分等有重要意義。研究選用烏魯木齊城市不同區(qū)域的45個(gè)表土樣品，利用激光衍射粒度儀和掃描電鏡分析土壤粒度特征。結(jié)果表明： 1) 研究區(qū)表層土壤顆粒中砂粒含量偏低，粉粒含量最大，不同采樣區(qū)同粒級(jí)間含量差異性不大。2) 研究區(qū)土壤顆?？傮w較細(xì)，分選性差，偏度為正偏態(tài)近對(duì)稱(chēng)型，峰度為中等窄峰態(tài)。粒度參數(shù)的空間分布規(guī)律為城南平均粒徑高于城北，分選系數(shù)與平均粒徑變化趨勢(shì)類(lèi)似，樣品多為正偏，建設(shè)用地土樣的偏度值從北部到南部呈下降趨勢(shì)，多數(shù)樣地峰態(tài)值偏高。3) 研究區(qū)土壤粒度頻率分布曲線由近似正態(tài)分布的單峰和非正態(tài)分布的多峰構(gòu)成，其中農(nóng)用地樣品為單峰曲線，表明沉積物存在單成因組分，而建設(shè)用地和未利用地為多峰，說(shuō)明存在多成因組分。同時(shí)發(fā)現(xiàn)典型樣點(diǎn)的電鏡圖與粒級(jí)含量分布結(jié)果具有相似性和一致性。

土壤粒度; 城市土壤; 烏魯木齊市

土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中處于各環(huán)境要素緊密交接的地帶，是連接各環(huán)境要素的樞紐[1]。人為活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境有著重要的影響，不斷改變著土壤的理化性質(zhì)。近年有關(guān)農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)活動(dòng)、不同土壤利用方向和方式對(duì)土壤理化特性的改變已成為學(xué)者和管理部門(mén)關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。胡克林等對(duì)土壤PH值和重金屬進(jìn)行深入研究[3-5]；王奇瑞等研究了不同土地利用方式下土壤水分和土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征[6-7]；于婧等則對(duì)土壤全氮、全磷進(jìn)行了探索[8-9]。許文強(qiáng)等探討了干旱區(qū)綠洲不同土地利用方式和強(qiáng)度對(duì)土壤粒度分布的影響[10]；吳美榕等研究了河谷新墾荒地的粒度特征[11]。桂東偉等基于分形特征對(duì)新疆綠洲農(nóng)田耕作對(duì)土壤粒徑分形特征的影響進(jìn)行了研究[12]。上述研究對(duì)進(jìn)一步厘清不同人為活動(dòng)對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的問(wèn)題十分必要，但現(xiàn)有成果多以農(nóng)田、山地、干旱區(qū)綠洲為研究對(duì)象展開(kāi)研究，對(duì)城市土壤理化特征的研究還比較缺乏。

土壤中各固體組分的大小、數(shù)量、形狀及其結(jié)合方式?jīng)Q定著土壤的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的物理性質(zhì)。要確定土壤質(zhì)地的類(lèi)型，首先就要測(cè)定出土壤中各粒級(jí)的百分含量(粒度組成)。粒度組成是土壤重要物理屬性之一，土壤顆粒的粗細(xì)與土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)土壤抗風(fēng)蝕能力、持水能力、土壤養(yǎng)分等有顯著影響[13]。城市土壤是分布在城區(qū)和城郊、受人為活動(dòng)強(qiáng)烈影響、原有繼承特性為之改變的土壤總稱(chēng)[14]。它是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市綠色植物的生長(zhǎng)介質(zhì)和養(yǎng)分的供應(yīng)者，是土壤微生物的棲息地和能量的來(lái)源，是城市污染物的匯集地和凈化器，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。因此，本文通過(guò)激光粒度儀獲得土壤粒徑分布數(shù)據(jù)，分析烏魯木齊市市區(qū)、郊區(qū)表層不同用地類(lèi)型土壤樣品的粒度組成，研究土壤粒度參數(shù)變化特征及典型土樣的粒徑分布規(guī)律和顆粒形狀結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)干旱區(qū)綠洲城市水土資源、提高城市土壤肥力、改善城市綠化景觀，創(chuàng)建良好城市生態(tài)環(huán)境提供定量參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，是新疆維吾爾自治區(qū)的首府，地處東經(jīng)86°37′33″—88°58′24″，北緯42°45′32″—44°08′00″，市轄七區(qū)一縣，全市面積按新區(qū)劃調(diào)整后面積為14 216 km2，其中建成區(qū)面積365.88 km2，屬于典型的沖洪積扇綠洲城市。全市三面環(huán)山，北部平原開(kāi)闊，城區(qū)北部郊區(qū)有大量耕地，南部郊區(qū)分布廣泛的未利用裸地。城市化程度較高[15]。烏魯木齊屬于中溫帶大陸干旱氣候，春秋兩季較短，冬夏兩季較長(zhǎng)。烏魯木齊市是典型的西北干旱區(qū)城市。土壤的形成類(lèi)型與分布受區(qū)域氣候條件、植被發(fā)育程度和地貌與水文條件的影響，隨海拔高度變化，山地土壤類(lèi)型由低到高呈現(xiàn)灰鈣土→黑鈣土→灰褐土→高山草甸土→寒漠土的分布帶譜[7]。

1.2 樣品采集

為了更好的觀測(cè)城市不同區(qū)域土壤粒度的差異性，本次調(diào)查選取烏魯木齊市建成區(qū)建設(shè)用地和臨近郊區(qū)農(nóng)用地和未利用地的表土作為采樣區(qū)域，樣點(diǎn)的選取主要考慮空間分布的均勻性與實(shí)際土壤分布情況。建成區(qū)建設(shè)用地(U采樣區(qū))24個(gè)采樣點(diǎn)主要分布在工業(yè)、商業(yè)、居住、公園和交通運(yùn)輸區(qū)內(nèi)的表土壤；郊區(qū)農(nóng)用地(A采樣區(qū))8個(gè)采樣點(diǎn)主要位于城市北邊的耕地；郊區(qū)未利用地(B采樣區(qū))13個(gè)采樣點(diǎn)主要來(lái)自城東、西南和南部區(qū)域的裸地。在2012年11月7—14日采集研究區(qū)表層0—10 cm樣品，每個(gè)樣品均由5個(gè)按對(duì)角線法采取的小樣混合而成1 kg左右的樣品，將其裝入聚乙烯采樣袋中編號(hào)。采樣過(guò)程中對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行GPS定位，最終獲取表層土壤樣品共45件供試驗(yàn)分析。

1.3 樣品測(cè)試與試驗(yàn)方法

將采回樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，去除殘留物后過(guò)2 mm篩，每種樣品取土樣5 g，加水浸泡，加入100 mg/g雙氧水5～10 ml消毒，去除有機(jī)質(zhì)；再加5～10 ml的100 mg/g的鹽酸消毒，去除鈣質(zhì)，至無(wú)氣泡產(chǎn)生；然后再往燒杯中注滿蒸餾水，靜置不少于24 h，緩慢抽出上面的液體(抽取時(shí)避免底部的樣品被擾動(dòng))；再加入5 ml濃度0.05 mol/L六偏磷酸鈉(Na2PO3)6作為分散劑；最后采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 2000)測(cè)定樣品粒度，其粒度范圍為0.2～2 000 μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于2%[16]。掃描電子顯微鏡(SEM)用于分析氣溶膠粒子的大小、幾何形狀、顏色和光學(xué)性質(zhì)，通過(guò)單個(gè)粒子的這些形態(tài)學(xué)參數(shù)可以定性地鑒別氣溶膠的來(lái)源，甚至可以分辨出來(lái)源[17-18]。本文利用HITACHI-S570掃描電鏡對(duì)典型土壤分析，其結(jié)果與激光粒度得到的粒級(jí)分布結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒度組成特征

研究區(qū)表土樣品的粒徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，土壤粒級(jí)按張衛(wèi)國(guó)等人研究中的標(biāo)準(zhǔn)劃分土粒分級(jí)[19]。土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為3級(jí)：黏粒(<4 μm)，粉粒(4～63 μm)和砂粒(>63 μm)。3個(gè)采樣區(qū)不同粒級(jí)百分含量統(tǒng)計(jì)如表1所示，從中可看出粉粒(4～63 μm)含量最高(均值為68.7%，變幅是58.2%～82.9%)，黏粒(<4 μm)次之(均值為25.1%，變幅是15.5%～40.2%)，砂粒(>63 μm)最少(均值為6.2%，變幅是0.3%～20.6%)。城市不同采樣區(qū)土壤粒度變化為：A區(qū)黏粒的平均含量是29.4%，粉粒為66.2%，砂粒是4.5%，U區(qū)黏粒、粉粒、砂粒平均含量分別是

23.8%，69.4%，6.8%，B區(qū)則是24.1%，67.0%，8.9%?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)土壤主要由粉粒，其次是黏粒，含量最少的砂粒組成，不同采樣區(qū)同粒級(jí)間含量差異性不顯著。

表1 城市土壤粒徑分布的描述性統(tǒng)計(jì) %

2.2 土壤粒度參數(shù)

粒度參數(shù)是綜合反映土壤特征和環(huán)境的量化指標(biāo)，本文分析采用Fork和Ward提出的平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(So)、偏度(SK)、峰態(tài)(KG)4項(xiàng)粒度參數(shù)[20-21]。土壤粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2，平均粒徑變化范圍為6.20～17.55 μm，均值為10.76 μm，說(shuō)明土壤中粉粒多，反映出沉積物來(lái)源及沉積環(huán)境屬于低能環(huán)境的變化[22]。分選系數(shù)變化范圍為2.57～5.39，均值為3.43，分選性差，土壤的分選程度與沉積環(huán)境有密切關(guān)系，研究區(qū)為沖積扇沉積環(huán)境，這與烏魯木齊綠洲城市環(huán)境地質(zhì)基礎(chǔ)相一致。偏度為-0.21～0.27，均值為0.03，表明粒徑分布曲線總體呈正偏態(tài)近對(duì)稱(chēng)型，說(shuō)明沉積物粒徑大小相對(duì)較細(xì)。峰度變化范圍為0.86～1.49，平均值為1.02，屬于中等峰態(tài)，說(shuō)明樣品頻率曲線從寬平到極窄尖均有分布。

表2 城市土壤粒度參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)(n=45)

各個(gè)樣品粒度參數(shù)的空間變化見(jiàn)圖1。樣品的Mz值均大于4 μm，在A區(qū)Mz最大值位于A17點(diǎn)，其次是A3和A5，最小的A2。B區(qū)Mz粒徑最大值位于點(diǎn)B29，最小值位于城南的B43。U區(qū)粒徑最大值位于點(diǎn)U7，結(jié)合采樣點(diǎn)位置發(fā)現(xiàn)平均粒徑的高值主要位于城南，A區(qū)粒度平均值最小。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)So值均大于2，與Mz變化趨勢(shì)相類(lèi)似，存在一定相關(guān)性。其中A區(qū)的變幅是2.59～3.46，屬于很差，B區(qū)的So范圍是2.86～4.38，U區(qū)So的范圍是2.57～5.39，B，U區(qū)均屬于很差和極差的范圍，建設(shè)用地大于其他用地。研究區(qū)內(nèi)樣地多為正偏，A區(qū)、B區(qū)的少數(shù)土樣負(fù)偏，同時(shí)從U區(qū)北部到南部SK值呈下降趨勢(shì)。研究區(qū)多數(shù)樣地峰態(tài)值偏高,屬窄峰態(tài),KG變化范圍為0.86～1.49。

采用Pearson相關(guān)分析計(jì)算相關(guān)系數(shù)(表3)?？梢钥闯觯骄脚c分選系數(shù)存在顯著正相關(guān)性，與峰度和偏度呈不顯著低負(fù)相關(guān)性。分選系數(shù)與偏度、峰度的相關(guān)性有相似性，不同之處是與偏度的正相關(guān)性大于峰度。偏度與峰度間呈顯著正相關(guān)性。上述結(jié)果說(shuō)明，平均粒徑越小，分選性越好，偏度值愈大，峰態(tài)愈趨向窄峰態(tài)。分選越好，偏度值越大，峰態(tài)愈趨向窄峰態(tài)。

表3 粒度參數(shù)的相關(guān)性

注：**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3 粒度頻率分布曲線

粒度頻率分布曲線在很大程度上反映了沉積作用形式及其沉積物的來(lái)源[23-24]。圖2給出了三個(gè)采樣區(qū)典型土樣的粒度頻率分布曲線。A類(lèi)區(qū)選擇3個(gè)土樣，從圖2a可知土壤粒度峰值在3～6 μm之間，峰值偏向均值，呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的正態(tài)單峰形態(tài)，曲線形狀十分相似。U類(lèi)區(qū)選擇6個(gè)典型樣點(diǎn)，土壤粒度頻率分布曲線形態(tài)相對(duì)復(fù)雜，表現(xiàn)為近對(duì)稱(chēng)的正態(tài)多峰曲線(圖2b)，樣品主峰值在3～10 μm之間，以粉粒為主，次峰由粒徑>200 μm的少量砂粒組成。B類(lèi)區(qū)選擇5個(gè)典型樣點(diǎn)，頻率頻率分布曲線表現(xiàn)出多峰形態(tài)(圖2c)，兩個(gè)主峰的峰值主要集中在3～6 μm和11～14 μm之間，1個(gè)次峰由在300 μm處，土壤主要以粉粒為主，砂粒含量低。從上述結(jié)果看，農(nóng)用地粒度頻率分布的單峰曲線表明沉積物存在單成因組分，建設(shè)用地和未利用地為多峰的分布特征，說(shuō)明存在多成因組分，推測(cè)土壤粒度可能是遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的細(xì)顆粒混合了近距離搬運(yùn)的粗顆粒，以及人為源和自然源混合作用的結(jié)果。

圖1 烏魯木齊市不同土地利用類(lèi)型粒度參數(shù)

圖2 不同采樣區(qū)典型土樣粒度分布頻率曲線

2.4 電鏡分析

在各功能區(qū)選擇典型樣點(diǎn)，其編號(hào)分別為A1，U24，B44，采用HITACHI-S570掃描電鏡分析均勻散布的樣品。如圖3所示，A1土樣在比例尺10 μm的電鏡圖中表現(xiàn)為顆粒物小、形態(tài)各異、大小懸殊，多數(shù)直徑在2～20 μm之間。而從A1的粒級(jí)含量分布圖也可看出黏粒(<8 μm)含量多，印證了農(nóng)田多屬黏粒和粉粒的特點(diǎn)。U24土樣在比例尺10 μm的電鏡圖中的顆粒物呈多邊多角形，較平滑，顆粒多聚合粘著緊密，直徑較大。顆粒粒徑在8～63 μm之間，大于60 μm的粒級(jí)占到百分之十幾，顆粒較大。B44土樣在比例尺10 μm的電鏡圖中分離狀態(tài)的顆粒物大小不一，黏粒含量相對(duì)很少。在對(duì)應(yīng)的粒級(jí)含量分布圖中，粉粒(4～63 μm)和砂粒(>63 μm)含量較多，但低于U24。

由此可知，城市不同功能區(qū)土壤的電鏡掃描結(jié)果與對(duì)應(yīng)的粒級(jí)含量結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了前文結(jié)論。由于不同功能區(qū)的存在形式和人類(lèi)對(duì)土地開(kāi)發(fā)利用的程度不同，使得土壤粒級(jí)分布存在空間差異。

圖3 不同采樣區(qū)典型土樣的電鏡圖及粒級(jí)含量

3 結(jié) 論

1) 烏魯木齊城市土壤粒度組成特征是粒度較細(xì)，以粉粒為主，黏粒次之，最低的是砂粒。農(nóng)用地黏粒含量高于未利用地和建設(shè)用地，粉粒含量最高的是建設(shè)用地，未利用地的砂粒含量高于建設(shè)用地和農(nóng)用地，總體而言，不同采樣區(qū)同粒級(jí)間含量差異性不大。

2) 對(duì)研究區(qū)樣品的粒度參數(shù)計(jì)算可知，土壤中粉粒多，沉積物來(lái)源及沉積環(huán)境屬于低能環(huán)境變化，分選性差說(shuō)明研究區(qū)為沖積扇沉積環(huán)境，偏度多為正偏態(tài)近對(duì)稱(chēng)型，峰度為中等峰態(tài)。粒度參數(shù)的空間分布規(guī)律為城南平均粒徑高于城北，分選系數(shù)與中值粒徑變化趨勢(shì)相類(lèi)似，存在一定相關(guān)性。研究區(qū)內(nèi)樣地多為正偏，同時(shí)從建成區(qū)北部到南部偏度值呈下降趨勢(shì)。研究區(qū)多數(shù)樣地峰態(tài)值偏高。

3) 研究區(qū)典型土壤粒度頻率分布曲線主要呈單峰和多峰分布形態(tài)，農(nóng)用地粒度頻率分布曲線為單峰正態(tài)分布曲線，表明沉積物存在單成因組分，建設(shè)用地和未利用地為多峰的分布特征，說(shuō)明存在多成因組分，推測(cè)土壤粒度可能是遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的細(xì)顆?；旌狭私嚯x搬運(yùn)的粗顆粒，以及人為源和自然源混合作用的結(jié)果。典型樣點(diǎn)的電鏡圖與粒度頻率分布曲線的結(jié)果具有相似性和一致性。

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Characteristics of Soil Particle Size in the Urumqi City

ZHANG Chao1,2, CHEN Xuegang1,2, QUAN Xiaoyan1,2, DONG Yu1,2, WEI Jiang3

(1.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentalResourcesinAridZone,Urumqi,Xinjiang830054,China; 2.SchoolofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054,China;3.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China)

The particle size distribution is one of the important physical properties of the soil. It is of great significance to improve soil anti-wind erosion, water retention and nutrients, etc., for oasis city. In this paper, forty-five soil samples were collected from different regions of Urumqi and analyzed by laser diffraction particle size analyzer and scanning electron microscope to exhibit their soil particle size features. The results are as follows. 1) The particles of topsoil in the study area are composed of a lower sand content and higher silt content. There is no significant difference of contents among the same content levels of different sampling regions. 2) The particles of the soil are fine and low sorting. The distribution is a type of nearly symmetric positive skewness and moderate narrow kurosis. Moreover, the mean particle size of the south of the city is higher than that of the north of the city. Sorting coefficient and the mean particle size present the similar trend and the samples are a type of positive skewness. The skewness shows a decreasing trend from the construction land in the north to the south and the majority of the sampling soil has a higher kurtosis values. 3) The curves of soil particle size frequency distribution present the normal unimodal and multimodal non-normal distributions. The curves of particle frequency distribution in agricultural lands show a single peak, indicating that the sediment is mainly caused by a component. However, the curves of construction land and unused land show the multiple peaks, indicating the existence of multiple components from different sources. In addition, the result of typical samples analyzed by the scanning electron microscope is similar and consistent with the distribution of content levels.

particle size; urban soil; Urumqi City

2014-03-30

2014-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(41161029,41161074；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”基金(XJDX0909-2010-03)

張超(1989—),女,四川西充人,碩士研究生,主要從事城市地理與規(guī)劃方向研究。E-mail:xjnuczh@126.com

陳學(xué)剛(1977—),男,四川內(nèi)江人,副教授,博士,主要從事城市地理與環(huán)境研究。E-mail:caschxg@126.com

S152.3

1005-3409(2015)02-0213-06