烏蘭布和沙漠東北緣5種土地利用類型土壤粒度特征

羅鳳敏, 高君亮,2, 郝玉光, 張 格, 王麗娜, 辛智鳴, 呂永軍, 劉 芳

(1.國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站/中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗水土保持局, 內(nèi)蒙古 薛家灣 017100)

烏蘭布和沙漠東北緣5種土地利用類型土壤粒度特征

羅鳳敏1, 高君亮1,2, 郝玉光1, 張 格1, 王麗娜3, 辛智鳴1, 呂永軍1, 劉 芳1

(1.國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站/中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗水土保持局, 內(nèi)蒙古 薛家灣 017100)

研究荒漠化發(fā)生區(qū)域的土壤粒度特征，可為區(qū)域荒漠化防治及生態(tài)建設(shè)提供一定理論依據(jù)。通過野外調(diào)查、采樣及室內(nèi)分析，對烏蘭布和沙漠東北緣5種不同土地利用類型(流動沙丘、草方格沙障固沙區(qū)、人工梭梭林、白刺群落和油蒿群落)的土壤粒度特征及分形維數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1) 5個樣地土壤顆粒組成均以細(xì)沙為主，含量為66.49%～81.54%；粉沙含量最少，僅為0.58%～1.72%；不同粒級土壤顆粒百分含量由高到低為：細(xì)沙>中沙>極細(xì)沙>粗沙>粉沙。(2) 5個樣地土壤顆粒分形維數(shù)的差異極顯著(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障>(1.37)；土壤顆粒分形維數(shù)與粉沙、極細(xì)沙百分含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與細(xì)沙百分含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與中沙和粗沙百分含量關(guān)系不顯著(p>0.05)。(3) 天然植被生長區(qū)域，植被蓋度較好，風(fēng)沙土顆粒較細(xì)。因此，應(yīng)加大對區(qū)域內(nèi)天然植被的保護(hù)，防止土壤風(fēng)蝕的發(fā)生與發(fā)展。

土壤粒度; 分形維數(shù); 風(fēng)蝕; 荒漠化; 烏蘭布和沙漠

土壤粒度特征是指不同粒級土壤顆粒質(zhì)量占土樣總質(zhì)量的比例[1]，是反映土壤發(fā)育程度的標(biāo)志之一，其直接影響土壤松緊度、通透性和肥力[2]，因此被眾多研究者列為沙漠化監(jiān)測與評價指標(biāo)中的一項重要指標(biāo)[3-4]；土壤粒度特征還決定土壤顆粒力學(xué)特性及強(qiáng)度，是土壤風(fēng)蝕發(fā)生的主要決定性因子之一[5]，是研究風(fēng)蝕所必需的基本資料之一。隨著分形學(xué)的發(fā)展，分形理論的應(yīng)用已成為定量描述土壤粒度特征的新方法[5-10]，土壤顆粒分形維數(shù)可用來評價土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，同時還可定量表征土地沙化程度及土壤粗粒化的演變特征[6-8]。因此可認(rèn)為，定量描述沙化地區(qū)不同土地利用類型土壤粒度特征對區(qū)域沙化發(fā)生程度的劃分，沙化土地治理效果的評價，以及土壤風(fēng)蝕監(jiān)測與預(yù)防[11]均具有重要作用與指導(dǎo)意義。

烏蘭布和沙漠地處我國荒漠化草原向草原化荒漠過渡的地帶，是沙漠化發(fā)展嚴(yán)重地區(qū)，風(fēng)沙活動是該區(qū)域沙漠化發(fā)生和發(fā)展的直接原因。沙漠東北緣的荒漠—綠洲過渡帶更是阻擋風(fēng)沙進(jìn)入河套平原的一道綠色屏障，對維持河套地區(qū)的生態(tài)安全具有重要意義。為了抑制風(fēng)沙活動頻發(fā)，減輕區(qū)域沙漠化發(fā)展與擴(kuò)大，使沙漠化逆向發(fā)展，保護(hù)和擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的天然沙生植物和人工種植防風(fēng)固沙林是關(guān)鍵手段?；诖耍疚囊允芑哪绊懙臑跆m布和沙漠東北緣荒漠—綠洲過渡帶為研究區(qū)，選擇防風(fēng)固沙體系中5種不同利用類型的土地為樣地，分別為流動沙丘、草方格沙障固沙區(qū)、人工梭梭林(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bge.)、白刺群落(NitrariatangutorumBobr.)和油蒿群落(ArtemisiaordosicaKrasch.)，對從各個樣地采集(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm)的土壤樣品進(jìn)行篩分，計算、分析土壤顆粒特征及其分形維數(shù)。旨在探討荒漠化過程中土壤粒度特征的變化，闡明荒漠化對土壤粒度特征的影響，進(jìn)而為該區(qū)域土地資源合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)，為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)重建和穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣，屬溫帶大陸性氣候，據(jù)沙漠邊緣的磴口縣氣象站52 a統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[12]，區(qū)域年均氣溫7.8℃，年均降水量140.3 mm，年均蒸發(fā)量2 380.6 mm，年均風(fēng)速3～3.7 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)12.5 d。地貌為固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘與丘間低地相間分布。天然植被以旱生、超旱生的荒漠植被為主，如：油蒿、白刺、籽蒿(A.sphaerocephalaKrasch.)、沙冬青(AmmopiptanthusmongolicusCheng f.)、霸王(Zygophyllumxanthoxylom(Bge.)maxim.)、梭梭等，人工植被主要以新疆楊(PopulusalbaL.var.pyramidalisBge.)、小葉楊(P.simoniiCarr.)、二白楊(P.gansuensisC.Wang et H.L.Yang)等楊樹為主。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集及處理 5個采樣地位于沙漠和人工綠洲中間(40°20′47″—40°21′00″N，106°49′45″—106°53′21″E)。從沙漠邊緣到綠洲邊緣依次為：流動沙丘→草方格沙障固沙區(qū)→人工梭梭固沙林→白刺+油蒿群落。每個樣地從南到北布設(shè)一條300 m長的樣線，樣線上布設(shè)15個采樣點，每兩個采樣點的距離為20 m。在每個采樣點用直徑5 cm的土鉆取土壤樣品，深度為30 cm，分為6層(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm)。

將土樣帶回實驗室自然風(fēng)干后，去除雜質(zhì)(昆蟲尸體、動物糞便、植物葉、根莖等)，然后將每個土樣一分為二，對其中一份進(jìn)行稱重，取100±0.005 g置入土壤篩中篩分，并計算每個粒級土壤顆粒的百分含量。土壤篩的選擇依據(jù)中國沙物質(zhì)粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)[13]，即：礫石(>2 mm)、極粗沙(2～1 mm)、粗沙(1～0.5 mm)、中沙(0.5～0.25 mm)、細(xì)沙(0.25～0.1 mm)、極細(xì)沙(0.1～0.05 mm)、粉沙(<0.05 mm)。

1.2.2 土壤顆粒分形維數(shù)計算 土壤顆粒分形維數(shù)參考楊培嶺等提出的模型進(jìn)行計算[14]，計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤粒度特征

在不同土地利用類型的地表，由于地表障礙物的覆蓋度不同、高度不同，因此對過境風(fēng)速的降低程度不同，所以不同樣地地表土壤顆粒的分布特征會存在差異。通過比較5個樣地不同粒級土壤顆粒百分含量可知(圖1)，5個樣地0—30cm深度的土樣均以細(xì)沙含量最高，為66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%。各粒級土壤顆粒百分含量單因素方差分析結(jié)果表明，5個樣地的粉沙、極細(xì)沙、細(xì)沙、中沙和粗沙的百分含量均存在極顯著差異(p<0.01)。粉沙含量從高到低為油蒿群落(1.72%)>白刺群落(1.08%)>人工梭梭林(0.66%)>流動沙丘(0.61%)>草方格沙障(0.58%)；極細(xì)沙含量從高到低為油蒿群落(8.58%)>人工梭梭林(6.35%)>白刺群落(5.05%)>流動沙丘(4.62%)>草方格沙障(3.74%)；細(xì)沙含量從高到低為白刺群落(81.54%)>人工梭梭林(79.53%)>油蒿群落(78.04%)>流動沙丘(70.79%)>草方格沙障(66.49%)；中沙含量從高到低為草方格沙障(19.59%)>流動沙丘(16.05%)>人工梭梭林(11.09%)>白刺群落(10.01%)>油蒿群落(9.04%)；粗沙含量從高到低為草方格沙障(9.54%)>流動沙丘(7.98%)>油蒿群落(2.56%)>人工梭梭林(2.38%)>白刺群落(2.35%)。地表植被可以降低風(fēng)速，使得風(fēng)沙流中攜帶的細(xì)顆粒物質(zhì)堆積，因此有植被覆蓋地表的粉沙和極細(xì)沙含量較高。流動沙丘沒有任何植被覆蓋，風(fēng)蝕最嚴(yán)重，因此粗粒含量則相對較高。草方格沙障固沙區(qū)由于鋪設(shè)沙障時對地表擾動較大，破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)，故沙障障格內(nèi)的粗粒含量也較高。

土地利用類型不同，地表覆蓋狀況也不同，進(jìn)而使土壤顆粒各粒級的百分含量存在差異，這種差異主要表現(xiàn)在粉沙和極細(xì)沙的百分含量上。從總體上看，油蒿群落的粉沙、極細(xì)沙的百分含量均較大，其次為白刺群落、人工梭梭林，而流動沙丘和草方格沙障障格內(nèi)相對較低。表明地表有植物生長的樣地，因植物具有很明顯的防風(fēng)固沙作用，進(jìn)而使地表風(fēng)蝕減輕，風(fēng)蝕量減少；而且，由于植物的生長增大了地表粗糙度，降低了過境風(fēng)速，將過境風(fēng)沙流中的細(xì)粒物質(zhì)攔截，增加了地表細(xì)粒物質(zhì)的百分含量。其中，沙蒿樣地由于其蓋度較高，且油蒿枝條比較致密，因此其防護(hù)效益由于白刺群落和人工梭梭林，所以地表細(xì)顆粒物質(zhì)含量最高。

注：A為人工梭梭林；B為沙蒿群落；C為草方格沙障；D為白刺群落；E為流動沙丘。同一幅圖中不同字母表示差異顯著，α=0.05，下同。

圖1不同土地利用類型土壤粒度特征

2.2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)

研究表明，土壤顆粒的分布具有統(tǒng)計分形特征，分形維數(shù)可以反映粒徑大小和分布的均勻程度，可用來表征不同土地利用類型的土壤粒度特征和沙漠化程度等[6-9]。圖2顯示5類樣地的土壤顆粒分形維數(shù)存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障(1.37)。一般而言，沙物質(zhì)分選性越好，其顆粒分形維數(shù)越大，反之越小，因此分形維數(shù)能很好地反映地表風(fēng)蝕程度。由此可知，有植被覆蓋的地表，分形維數(shù)較大，風(fēng)蝕程度較小，因此植物措施具有很明顯的防風(fēng)固沙作用。

土壤顆粒分形維數(shù)可以定量評價脆弱生態(tài)環(huán)境條件下土壤演變規(guī)律，并對不同利用類型土地的風(fēng)蝕程度進(jìn)行評價，并且與風(fēng)蝕程度成負(fù)相關(guān)關(guān)系[8-9,15]。由各樣地土壤顆粒分形維數(shù)隨采樣深度的變化特征看出(圖3)，隨著采樣深度增加，人工梭梭林的土壤顆粒分形維數(shù)呈逐漸減小趨勢，但波動較小。油蒿群落的土壤顆粒分形維數(shù)呈波動變化趨勢，并且表層(0—5cm)的分形維數(shù)較大(1.94)；草方格沙障障格內(nèi)的土壤顆粒分形維數(shù)呈先降低后增加趨勢，表層(0—5cm)的最大(1.41)；白刺群落的土壤顆粒分形維數(shù)呈先降低后增加趨勢，25—30cm最大(1.61)；流動沙丘土壤顆粒分形維數(shù)呈逐漸降低趨勢，25—30cm土壤顆粒分形維數(shù)最大(1.44)。綜合分析可知，每個采樣層次各土地利用類型的分形維數(shù)整體由大到小依次為：油蒿群落>白刺群落>人工梭梭林>流動沙丘>草方格沙障。

2.3 分形維數(shù)與不同粒級土壤顆粒的關(guān)系

土壤顆粒分形維數(shù)能定量表達(dá)土壤結(jié)構(gòu)特征，指示土壤退化程度等一系列土壤特征[16-18]。由圖4可知，土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級顆粒百分含量的關(guān)系差異較大，分形維數(shù)與粉沙、極細(xì)沙百分含量極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與細(xì)沙百分含量顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，但是與中沙和粗沙百分含量關(guān)系不顯著(p>0.05)。土壤顆粒分形維數(shù)越大，土壤所含的細(xì)粒物質(zhì)(粉沙和極細(xì)沙)越多，反之則小。分形維數(shù)能很好地反映土壤顆粒物質(zhì)的損失狀況，從而可用來反映各類土地的風(fēng)蝕程度。

以土壤顆粒分形維數(shù)為因變量(Y)，不同粒級顆

粒的百分含量為自變量(X)，采用逐步回歸分析法(SPSS17.0軟件)，以5%的可靠性作為變量入選和剔除臨界值，建立土壤顆粒分形維數(shù)與不同粒級顆粒百分含量的多元線性模型，即：

Y=0.236X1+0.014X2-0.006 X5+1.224(p<0.01)

式中：Y表示土壤顆粒分形維數(shù)；X1表示粉沙含量(%)；X2表示極細(xì)沙含量(%)；X5表示細(xì)沙含量(%)。

通過方程可認(rèn)為，決定土壤顆粒分形維數(shù)大小的主要是粉沙、極細(xì)沙的百分含量，其次為細(xì)沙的百分含量，其余2個粒級土壤顆粒的百分含量對分形維數(shù)影響程度相對較小。

圖2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)隨采樣深度的變化

3 討 論

風(fēng)蝕使土壤中細(xì)粒物質(zhì)損失，這一過程對土壤理化性狀具有重要影響，而土壤粒度特征就是土壤在長期風(fēng)蝕及風(fēng)選作用下形成的產(chǎn)物[16]。研究表明，我國主要沙漠(沙地)的沙物質(zhì)大多為細(xì)沙(0.25～0.1mm)，占總量的66.78%～99.38%，而粗沙及粉沙含量很低[19]。本研究結(jié)果表明，5樣地的土壤均以細(xì)沙含量最大，為66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%，研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相似。

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與各粒級顆粒百分含量關(guān)系

圖4 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數(shù)

自然狀態(tài)下，土壤粒度特征不僅對土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性產(chǎn)生影響，且與植物生長所需的環(huán)境條件有密切關(guān)系。植物是影響沙堆形態(tài)和沉積物特點的關(guān)鍵因子，不但能夠降低風(fēng)速，使風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)沉積，還可使其下面的沙物質(zhì)不被吹蝕。當(dāng)外界條件一致時，植被不僅影響風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，它的殘留物和根系還會改變風(fēng)成沙理化性質(zhì)，增強(qiáng)沙粒粘結(jié)性，使土壤有更好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抗蝕性增強(qiáng)[20-22]。研究表明，植被主要通過覆蓋地表、分解風(fēng)力及阻擋輸沙來改變近地面流場，不同植被類型會導(dǎo)致沉積物組成產(chǎn)生差異[23]。本研究表明，有植被生長的樣地上，油蒿群落防風(fēng)固沙效果最好、其次為白刺群落。主要可能是因為油蒿群落覆蓋度較高，枝條較致密，且呈叢生狀，增大了地表粗糙度，當(dāng)風(fēng)沙流過境時，風(fēng)速減弱，風(fēng)沙流挾帶物質(zhì)沉降下來而增加了地表細(xì)粒物質(zhì)含量；而白刺灌叢之間空隙較大，此外白刺灌叢植株密集程度較弱；人工梭梭林由于植株為行帶式種植，帶間及株間空地較大，此外植株下部的枝條較少，盡管其降低了風(fēng)速，但是地表仍有一定風(fēng)蝕。

土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤顆粒之間形成的微小孔隙越多，土壤結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，分形維數(shù)越高[24]。分形維數(shù)可表征土壤質(zhì)地的均勻程度；在沙化過程中，土壤顆粒分形維數(shù)可反映土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的損失情況，即分維數(shù)隨著沙化程度增加而降低[6,25]。本研究中，5個樣地的土壤顆粒分形維數(shù)存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落>白刺群落>人工梭梭林>流動沙丘>草方格沙障。因此，認(rèn)為生長植被的地表土壤風(fēng)蝕相對較輕，而流動沙丘與沙障治理流沙區(qū)的風(fēng)蝕相對較重。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土壤顆粒以細(xì)沙為主，約占66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%。

(2) 5個樣地的土壤顆粒分形維數(shù)存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障(1.37)。粉沙與極細(xì)沙的百分含量和分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而細(xì)沙的百分含量和分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；其余粒級土壤顆粒的影響程度相對較小，未達(dá)到顯著水平(p>0.05)。

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SoilGrainSizeCharacteristicsofFiveLandUseTypesintheNortheasternMarginofUlanBuhDesert

LUO Fengmin1, GAO Junliang1,2, HAO Yuguang1,ZHANG Ge1, WANG Lina3, XIN Zhiming1, Lü Yongjun1, LIU Fang1

(1.InnerMongoliaDengkouDesertEcosystemResearchStation,StateForestryAdministration/ExperimentalCenterofDesertForestry,CAF,Dengkou,InnerMongolia015200,China; 2.InstituteofDesertificationStudies,CAF,Beijing100091,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofJungarBanner,Xuejiawan,InnerMongolia010425,China)

Study of soil particle size characteristics in desertification area can provide certain theory basis for the regional desertification control and ecological construction. Study on soil grain size characteristics in five different land use types (mobile sand dunes, grass square barrier,Haloxylonammodendron,Nitrariatangutorumcommunity,Artemisiaordosicacommunity) and fractal dimension in the northeastern margin of Ulan Buh Desert through the field sampling and laboratory experiments was carried out. The results showed that: (1) the content of fine sand was greater than else size fraction sand in the pilot site which was fluctuated between 66.49%～81.54%, and the content of fine sand was the lowest in the five sample plots(0.58%～1.72%). The contents of different size particles decreased in the order: fine sand>middle sand>mighty fine sand>coarse sand>silt sand; (2) the fractal dimensions of five sampling plots were significantly different (p<0.01), and the fractal dimensions decreased in the order:Artemisiaordosicacommunity sample area(1.72)>Nitrariatangutorumcommunity sample area(1.56)>Haloxylonammodendronsample area(1.44)>mobile sand dunes(1.40)>grass square barrier(1.37); the fractal dimension was positively correlated with the percentages of silt sand and mighty fine sand (p<0.01), was negatively correlated with percentage of fine sand (p<0.05), was not significantly correlated with percentage of middle sand and coarse sand (p>0.05); (3) The areas growing natural vegetation are characterized as the good vegetation coverage and soil granule is finer, as a result, we should increase the protection of natural vegetation in order to prevent the occurrence and development of the soil wind erosion in this area.

soil grain size； fractal dimension； wind erosion； desertification； Ulan Buh desert

2016-07-25

：2016-09-12

科技部“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2012BAD16B0103);“內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站”運(yùn)行補(bǔ)助(2015-LYPT-DW-024);國家林業(yè)局防沙治沙專題“烏蘭布和沙漠東北部荒漠化定位監(jiān)測”

羅鳳敏(1988—),女,內(nèi)蒙古敖漢旗人,碩士,工程師,從事荒漠化防治研究。E-mail:lfm359541965@126.com

郝玉光(1963—),男,內(nèi)蒙古五原縣人,博士,研究員,從事荒漠化防治研究。E-mail:hyuguang@163.com

S152.3

：A

：1005-3409(2017)05-0172-06