不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力

高 永，丁延龍，汪 季,3，蒙仲舉，孫曉瑞，張 超，魏亞娟

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不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力

高 永1,2，丁延龍1，汪 季1,3※，蒙仲舉1,2，孫曉瑞1，張 超1，魏亞娟1

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 中央與地方共建風(fēng)沙物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018； 3. 內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，鄂爾多斯 017400）

研究沙區(qū)不同類型植物灌叢沙丘地表沉積物環(huán)境敏感粒度組分體積百分含量變化及其影響因素有助于精確描述地表風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程，為快速比較不同植物種固沙能力和沙區(qū)植被恢復(fù)提供參考。采用激光衍射法對(duì)烏蘭布和沙漠內(nèi)部5種荒漠植物灌叢沙丘地表沉積物粒度差異進(jìn)行測(cè)定，以粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法對(duì)風(fēng)沙環(huán)境敏感組分進(jìn)行提取，根據(jù)敏感組分體積百分含量變化對(duì)植物固沙能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以多元線性回歸方法擬合了敏感組分體積百分含量對(duì)植株形態(tài)指標(biāo)變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沙物質(zhì)分布同裸沙丘均為單峰型，白刺和油蒿為雙峰型。植被分布區(qū)沙丘表層沉積物中沙、細(xì)沙減少，極細(xì)沙和粉粒增加，沉積物顆粒分選性變差，頻率曲線趨于正偏，峰度值降低。整體而言，顆粒組成由細(xì)到粗依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。烏蘭布和沙漠地表沉積物存在1.45～76和76～456m 2個(gè)環(huán)境敏感粒度組分，中值分別為57.3和193.6m，分別命名為細(xì)組分和粗組分，細(xì)組分對(duì)應(yīng)風(fēng)沙流中的懸移質(zhì)，粗組分為躍移質(zhì)。環(huán)境敏感組分在各植物覆蓋下差異顯著，細(xì)組分體積百分含量變化為：白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭>裸沙丘，粗組分體積百分含量變化相反，植株對(duì)風(fēng)動(dòng)力的阻滯能力相應(yīng)降低。多元線性回歸顯示，細(xì)組分體積百分含量與株高、冠幅、分枝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表層沉積物中細(xì)組分體積百分含量越高的植物灌叢，影響其體積百分含量多少的因素越復(fù)雜。

土壤；沉積；粒度；灌叢沙丘；固沙能力；粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法；敏感粒度組分；烏蘭布和沙漠

0 引 言

在干旱風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)沙沉積物的粒徑分布既是影響地表風(fēng)蝕、搬運(yùn)、堆積過程的重要因素，也是近地表風(fēng)力通過地表蝕積作用分選的結(jié)果[1]。風(fēng)沙活動(dòng)造成地表細(xì)顆粒流失，引起地表顆粒粗化，造成土地養(yǎng)分流失，生產(chǎn)力下降[2]，同時(shí)不同大小顆粒的配比影響著顆粒之間的穩(wěn)定性，亦對(duì)地表風(fēng)蝕強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響[3-4]。研究風(fēng)沙沉積粒徑分布及分選特征，對(duì)于理解近地表輸沙動(dòng)力、分析風(fēng)沙沉積環(huán)境以及反演風(fēng)沙環(huán)境變化等均具有重要意義。

風(fēng)沙沉積物的粒徑分布變異受地表植被分布影響很大。大量研究表明，植被地上部分通過增加地表粗糙度，一方面降低地表風(fēng)速，減弱風(fēng)力攜沙能力；另一方面攔截風(fēng)沙流，促進(jìn)沙粒的沉降，從而起到防風(fēng)阻沙的作用[1]。目前有關(guān)植被防治地表風(fēng)蝕的研究多通過數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)或外業(yè)瞬時(shí)測(cè)定探討植株對(duì)地表風(fēng)蝕總量、近地面沙塵通量及氣流場(chǎng)的影響，但上述研究方法耗時(shí)耗力、測(cè)試條件苛刻[5-7]。有學(xué)者曾嘗試將樣品的粒度分布曲線分解成不同粒級(jí)的組分[8-11]，再將不同粒徑區(qū)間（或分布）與粉塵搬運(yùn)過程聯(lián)系起來，重建季風(fēng)系統(tǒng)大氣環(huán)流要素的變化，但上述研究主要集中在長(zhǎng)時(shí)間序列上的古大氣環(huán)流要素重建，如何通過粒度變化在空間上的分布來提取地表風(fēng)沙活動(dòng)信息亟需深入研究。閆玉春等[11]通過對(duì)退化草原不同土地利用類型的表層沉積物頻率分布曲線差異進(jìn)行分析，得出風(fēng)蝕環(huán)境下不同樣地沉積物體積百分含量差異明顯的粒級(jí)范圍。汪言在[12]對(duì)塔克拉瑪干沙漠公路防護(hù)林表層沉積物環(huán)境敏感粒級(jí)組分進(jìn)行了提取，驗(yàn)證了采用表層沉積物敏感組分體積百分含量變化進(jìn)行林帶防沙效益評(píng)價(jià)的可能性。

烏蘭布和沙漠總面積約0.99萬(wàn)km2，屬中溫帶干旱氣候。自漢代以來，歷經(jīng)兩千余年的開發(fā)耕作與戰(zhàn)爭(zhēng)破壞，原生植被與土壤損毀嚴(yán)重，下伏沙層出露，在強(qiáng)勁風(fēng)力吹動(dòng)下逐漸沙化，是中國(guó)荒漠化發(fā)展速度最快的地區(qū)之一[13-14]。本文選取烏蘭布和沙漠為研究區(qū)域，通過測(cè)定沙漠內(nèi)部不同植物灌叢沙丘地表沉積物顆粒分布狀況，研究荒漠植被對(duì)地表沉積物顆粒分布狀況的關(guān)系，定量分析土壤粒度特征、確定研究區(qū)域內(nèi)對(duì)地表風(fēng)沙環(huán)境反應(yīng)敏感的粒級(jí)組分，反演不同類型植物灌叢對(duì)地表風(fēng)沙活動(dòng)的抑制作用，為荒漠化快速發(fā)展地區(qū)生態(tài)建設(shè)植物種篩選及固沙效益快速評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣（圖1），該區(qū)氣候干燥，雨量稀少，屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候。年平均氣溫7.5～8.1 ℃；年平均降水量142.7 mm，潛在蒸發(fā)量2 258.8mm；年平均風(fēng)速3.7 m/s，大風(fēng)日數(shù)10～32 d，以3－5月份最多，多為西北風(fēng)及西南風(fēng)。

圖1 研究區(qū)在烏蘭布和沙漠中的位置

該區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，流動(dòng)沙丘連片分布，經(jīng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real-time kinematic，RTK）技術(shù)實(shí)地測(cè)量，沙丘高度可達(dá)6～15 m，沙丘密度大于0.8。沙丘上部沙物質(zhì)干燥疏松，丘間低地多紅色黏質(zhì)硬地，上伏厚度10～50 cm不等的沙物質(zhì)，沙丘坡面上有少量沙鞭（）、沙蓬（）分布，坡面下部及丘間低地生有成群的油蒿（）、蘆葦（）。白刺（）灌叢分布區(qū)沙丘基本固定，沙包高度多在0.5～5 m，表面沙物質(zhì)較細(xì)，質(zhì)地松軟。景觀上呈現(xiàn)為流動(dòng)、半固定、固定沙丘、平緩沙地及丘間低地相互交錯(cuò)分布的地貌類型[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 沉積物樣品采集

研究區(qū)位于磴口縣城西南方向20 km處（40.191°N，106.839°E）的沙地內(nèi)部，選擇該地建群種植物白刺、油蒿、沙蓬、蘆葦及沙鞭作為研究對(duì)象。在白刺、油蒿、沙蓬、蘆葦及沙鞭調(diào)查樣方內(nèi)，每個(gè)樣方選擇4株長(zhǎng)勢(shì)健康、均勻的植株定為標(biāo)準(zhǔn)株，每種植物選取20株標(biāo)準(zhǔn)株，5種植物分布范圍約2 km2。以單株植物為中心，分別以植株基部，植株平均冠幅的0.5倍及1.0倍為半徑畫同心圓，分東南西北4個(gè)方向在同心圓上采集表層2 cm沉積物，白刺灌叢堆以灌叢中心為基準(zhǔn)，以灌叢邊界為界，按上述方法采集樣品，在室內(nèi)將單株植物下的沉積物樣品進(jìn)行混合均勻，每種植物最終采集20個(gè)混合樣品（能否增加每種植物的照片和取樣位置示意圖），同時(shí)測(cè)量植株的株高、冠幅、疏透度[15]等形態(tài)指標(biāo)（表1）。在流動(dòng)沙丘區(qū)選取10個(gè)典型沙丘，垂直于沙脊線，分別在沙丘頂部、迎風(fēng)坡及背風(fēng)坡中部、下部采集對(duì)照樣品，將單個(gè)沙丘樣品混合，共計(jì)10個(gè)對(duì)照混合樣品。采樣時(shí)間為2016年3月21－28日，此時(shí)風(fēng)力為一年中最強(qiáng)盛的時(shí)期，研究此時(shí)植被形態(tài)對(duì)地表風(fēng)蝕的抑制作用極具現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 研究區(qū)各建群種植物照片及取樣位置示意圖（以沙蓬為例）

表1 研究區(qū)植被分布狀況

注：植被樣方規(guī)格為5 m×5 m，每種植物調(diào)查5個(gè)樣方。

Note: The vegetation sample size is 5 m×5 m, each kind of plant survey 5 samples.

1.2.2 沉積物粒度測(cè)定

沙樣粒度預(yù)處理和測(cè)量在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙地生物資源保護(hù)與培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室完成。經(jīng)風(fēng)干、篩除雜質(zhì)、去除有機(jī)質(zhì)、脫鹽處理后，使用Mastersizer 3000型激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次，取其算術(shù)平均值。

1.2.3 沉積物粒度參數(shù)計(jì)算與敏感組分提取測(cè)定

采用Folk-Ward圖解法計(jì)算粒度參數(shù)[16]。在提取沉積物環(huán)境敏感粒級(jí)組分時(shí)，目前應(yīng)用較多的方法為粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差算法，其原理是通過研究激光粒度分析儀給出的每一粒級(jí)所對(duì)應(yīng)體積百分含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化而獲得粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍，粒級(jí)—標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線主要反映了不同樣品的粒度體積百分含量在各粒徑范圍內(nèi)的差異性，高的標(biāo)準(zhǔn)偏差值反映了不同樣品的粒度體積百分含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較大，低的標(biāo)準(zhǔn)偏差則反映了粒度體積百分含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較小，據(jù)此可以反映出一系列樣品中粒度變化存在顯著差異的粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍[17-18]。

1.2.4 植物形態(tài)參數(shù)與敏感組分體積百分含量多元回歸模型的建立

采用Excel 2007、Origin 9.1、Adobe Photoshop CS6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表繪制。采用多元線性回歸分析方法建立植物形態(tài)與沉積物平均粒徑之間的關(guān)系，為消除不同植被形態(tài)參數(shù)間共線性的影響，采用向后回歸方法，剔除部分影響不顯著的形態(tài)指標(biāo)，得出不同植物種覆蓋下地表沉積物平均粒徑與形態(tài)指標(biāo)間的多元線性回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒度分布

由顆粒分布曲線（圖3）可知，沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沉積物分布同裸沙丘一致，均為單峰型。白刺和油蒿為雙峰型，白刺有一明顯的尾峰，油蒿尾峰較低。白刺樣地沉積物顆粒分布范圍最寬，頻率曲線主峰最矮，其次為油蒿，顆粒分布范圍從寬到窄依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。主峰由高到低為：裸沙丘>蘆葦>沙鞭>沙蓬>油蒿>白刺。裸沙丘表層沉積物中的細(xì)沙（100～250m）、中沙（250～500m）占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其體積百分含量分別為62.00%和35.43%（圖4）。植被覆蓋后，細(xì)沙、中沙體積百分含量減少，黏粒（<2m）、粉粒（2～50m）、極細(xì)沙（50～100m）體積百分含量增加。黏粒、粉粒及極細(xì)沙變化趨勢(shì)基本一致，體積百分含量由少到多表現(xiàn)為裸沙丘<沙鞭<沙蓬<蘆葦<油蒿<白刺。細(xì)沙、中沙體積百分含量變化趨勢(shì)基本一致，其在不同植物覆蓋下變化趨勢(shì)與黏粒等細(xì)顆粒相反。沙鞭、沙蓬和蘆葦下沙粒仍以細(xì)沙和中沙為主，油蒿樣地沙物質(zhì)主要由細(xì)沙、極細(xì)沙構(gòu)成，白刺樣地沙物質(zhì)中粉粒、細(xì)沙和極細(xì)沙體積百分含量較高。中值粒徑的變化與細(xì)沙體積百分含量變化趨勢(shì)較相似，整體而言，顆粒組成由粗到細(xì)依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺。

圖3 沉積物顆粒頻率分布曲線

2.2 風(fēng)沙沉積環(huán)境敏感粒度組分提取與分析

風(fēng)沙環(huán)境對(duì)沉積物顆粒的分選作用與植物群落的空間分布特征影響地表沉積物粒度的變化，較高的粗顆粒組分體積百分含量和平均粒徑值代表了較強(qiáng)的風(fēng)力搬運(yùn)條件，較低的平均粒徑值和細(xì)顆粒組分體積百分含量代表了相對(duì)較弱的風(fēng)動(dòng)力條件[18]，反映了植被群落防風(fēng)固沙能力的差異。

圖5為根據(jù)粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差算法獲得的每個(gè)粒級(jí)組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨粒級(jí)組分的變化，圖中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值所對(duì)應(yīng)的粒級(jí)即對(duì)風(fēng)成沉積環(huán)境敏感的粒度眾數(shù)。在研究區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)環(huán)境下，風(fēng)沙沉積物粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線在1.45～456m間出現(xiàn)，且2個(gè)明顯的標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值，分別為40.1和211m。在76m處則出現(xiàn)低值，該值即為粒級(jí)組分間的邊界，因此將粒度組成劃分為1.45～76m的細(xì)組分和76～456m的粗組分2個(gè)環(huán)境敏感組分，對(duì)環(huán)境敏感組分各粒級(jí)體積百分含量加權(quán)至100%后，計(jì)算得出2種組分中值粒徑分別為57.3和193.6m。圖6為研究區(qū)細(xì)組分和粗組分體積百分含量在不同植被覆蓋下的變化情況。細(xì)組分百分體積百分含量在不同植物覆蓋條件下的變化范圍分別為0.02%～40.84%和59.16%～99.98%，不同植物種覆蓋對(duì)地表風(fēng)沙活動(dòng)的干擾程度差異很大，經(jīng)方差分析可知，各植物種覆蓋下沙表面細(xì)組分體積百分含量均差異顯著（蘆葦和沙蓬之間除外）。不同植物種下細(xì)組分百分體積百分含量表現(xiàn)為白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭。相應(yīng)地，粗組分體積百分含量表現(xiàn)為裸沙丘>沙鞭>蘆葦>沙蓬>油蒿>白刺。

圖4 不同粒徑組沉積物體積百分含量

圖5 粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線

圖6 不同植物種下敏感組分比例

2.3 環(huán)境敏感粒級(jí)組分體積百分含量變化對(duì)植被形態(tài)的響應(yīng)

對(duì)環(huán)境敏感組分與植被形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析（表2），可知各植物種下顆粒細(xì)組分體積百分含量均與株高、冠幅、分枝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

表2 環(huán)境敏感組分體積百分含量與植物形態(tài)的相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。**表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note:* Indicates significant correlation at 0.05 level (bilateral) (<0.05). ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral) (<0.01).

分別以粗細(xì)組分體積百分含量為因變量，以株高（）、冠幅（）、分枝數(shù)（）、疏透度（）為解釋變量進(jìn)行多元線性回歸，分析多個(gè)植物形態(tài)指標(biāo)對(duì)地表沉積物顆粒分布的共同作用。假定多元線性回歸模型為

結(jié)果如表3，可知不同植物種覆蓋下地表沉積物平均粒徑與形態(tài)指標(biāo)間的多元線性回歸模型判定系數(shù)均在0.8以上，擬合優(yōu)度較高，不被解釋的變量較少?；貧w方程顯著性檢驗(yàn)的概率均小于0.01的顯著性水平，則認(rèn)為系數(shù)不同時(shí)為0，被解釋變量與解釋變量全體的線性關(guān)系是顯著的，可建立線性方程。由回歸方程可知，表層沉積物中細(xì)組分體積百分含量越高的植物種，如白刺、油蒿，影響其體積百分含量多少的形態(tài)指標(biāo)越多，說明其覆蓋下地表沉積物成因較復(fù)雜。

表3 環(huán)境敏感組分體積百分含量與植物形態(tài)的多元線性回歸方程

3 討 論

3.1 地表風(fēng)蝕活動(dòng)對(duì)沉積物環(huán)境敏感組分的作用

烏蘭布和沙漠屬中溫帶典型的大陸性氣候，風(fēng)力是該區(qū)最主要的搬運(yùn)動(dòng)力，本研究提取的環(huán)境敏感組分在1.45～456m之間，這與董治寶等[4]、Pye K[19]研究認(rèn)為粒徑<400m的沙粒較易被風(fēng)蝕基本一致。研究區(qū)沉積物中值粒徑變化趨勢(shì)與粗組分體積百分含量變化相同，與細(xì)組分變化相反，環(huán)境敏感組分體積百分含量變化是引起沉積物粒度差異的主因。Pye K[19]認(rèn)為風(fēng)沙流中躍移顆粒占據(jù)很大比例，其分布區(qū)間介于70～500m，粒徑<70m的部分主要以懸移的形式被輸送[19]，由此可認(rèn)為本研究的細(xì)組分為風(fēng)沙活動(dòng)中的懸移質(zhì)，粗組分則對(duì)應(yīng)為躍移質(zhì)。躍移顆粒作為風(fēng)沙流中的主體顆粒，其體積百分含量變化在不同下墊面亦差別較大[7,20]，圖4中粗組分標(biāo)準(zhǔn)偏差波峰較高亦可證明之。

3.2 植物對(duì)下伏沙面顆粒分布的影響

風(fēng)蝕堆積過程中，以風(fēng)為動(dòng)力，以沙粒為物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速后，地表沙粒被風(fēng)揚(yáng)起，隨風(fēng)前進(jìn)形成風(fēng)沙流，當(dāng)氣流中沙粒質(zhì)量小于其攜沙能力時(shí)，地表沙粒被裹挾向前，當(dāng)沙粒質(zhì)量超過氣流攜沙能力時(shí)，沙粒開始沉降，風(fēng)沙流趨于不飽和，再次具備風(fēng)蝕能力[21]。植被的出現(xiàn)增大了地表的粗糙程度，對(duì)地表流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，風(fēng)沙流運(yùn)移過程中遇到植被時(shí)，其風(fēng)速降低，攜沙能力下降，部分顆粒發(fā)生沉降，使地表沉積物粒度分布發(fā)生改變[22-23]。隨著沙物質(zhì)在植株附近逐漸沉積，風(fēng)影沙丘開始形成，在沙源充足的條件下，隨植被的不斷發(fā)育與演替，植被群落的阻沙能力將顯著增強(qiáng)，沉積物顆粒將大量沉降，風(fēng)影沙丘逐步演化為灌叢沙丘，沙丘最終趨于固定[24]。沉積物的頻率曲線特征是判斷沉積作用形式的重要手段之一，頻率曲線峰態(tài)變化反映了沉積作用形式的變化，由于外來的或粗或細(xì)的新組分的加入，致使沉積物分選變差，頻率曲線變?yōu)椴粚?duì)稱，使偏度呈現(xiàn)出負(fù)偏或正偏的變化[25]。風(fēng)沙流中黏粒、粉粒與極細(xì)沙被植物阻擋沉降，對(duì)不同植物種覆蓋下沉積物粒度參數(shù)（表4）分析可知，植被覆蓋后沉積物分選系數(shù)變大，分選性變差，且曲線形態(tài)由近于對(duì)稱向正偏方向發(fā)展，頻率曲線峰值整體趨于降低，沉積物顆粒組成變細(xì)。

表4 不同植物種下沉積物粒度參數(shù)

地上植被可對(duì)近地表風(fēng)速產(chǎn)生阻擋、分解、疏散作用，從而使近地表風(fēng)速造成不同程度削弱[26]。植被枝葉的遮蔽作用，降低了風(fēng)沙流與沙表面的接觸面積，陳新闖等[20]對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣荒漠-綠洲過渡帶的研究表明，不同植被分布的下墊面風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度與植被蓋度有關(guān)，隨著植被蓋度增加，地表風(fēng)蝕活動(dòng)強(qiáng)度呈指數(shù)降低[27]。當(dāng)?shù)乇碇脖簧w度達(dá)到40～50%以上時(shí)，可有效降低風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度[28]。有學(xué)者[29-30]對(duì)不同植被蓋度下土壤粒度分布進(jìn)行分析，均認(rèn)為土壤平均粒徑隨著植被蓋度逐漸降低而變粗，本文通過對(duì)地表沉積物粒度特征進(jìn)行分析，得出顆粒組成由粗到細(xì)依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺，地表沉積物細(xì)組分體積百分含量均與株高、冠幅及分枝數(shù)呈正相關(guān)，與郁閉度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說明植物群落高大、枝葉密集、郁閉程度較高的植物種，如白刺、油蒿，其覆蓋下沉積物顆粒均較細(xì)，固沙阻沙能力較強(qiáng)；反之，植物分布稀疏、枝葉較少的植物種，如沙鞭、沙蓬，其群落則不具備較強(qiáng)的固沙能力。

4 結(jié) 論

本文對(duì)烏蘭布和沙漠5種荒漠植物覆蓋下地表沉積物粒度分布進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)環(huán)境敏感組分體積百分含量變化對(duì)植物固沙能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)環(huán)境敏感組分體積百分含量與植株形態(tài)指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行擬合。結(jié)果表明：

1）沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沙物質(zhì)分布同裸沙丘均為單峰型，白刺和油蒿為雙峰型。顆粒分布范圍從寬到窄依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘植被覆蓋條件后，沙丘表層沙樣細(xì)沙、中沙體積百分含量減少，極細(xì)沙和粉粒增加。沉積物顆粒分選性變差，曲線趨于正偏，除油蒿外峰度值均降低。整體而言，顆粒組成由粗到細(xì)依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺。

2）對(duì)烏蘭布和沙漠環(huán)境敏感粒度組分的提取，得出1.45～76和76～456m 2個(gè)環(huán)境敏感粒度組分，分別命名為細(xì)組分和粗組分，其中細(xì)組分對(duì)應(yīng)風(fēng)沙流中的懸移質(zhì)，粗組分為躍移質(zhì)。環(huán)境敏感組分在各植物覆蓋下差異顯著，其中細(xì)組分體積百分含量變化為：白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭>裸沙丘，粗組分體積百分含量變化相反，植株對(duì)風(fēng)動(dòng)力的阻滯能力相應(yīng)降低。

3）多元線性回歸顯示，細(xì)組分體積百分含量與株高、冠幅、分枝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表層沉積物中細(xì)組分體積百分含量越高的植物種，影響其體積百分含量多少的因素越復(fù)雜。

[1] Bagnold R A. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes[M]. London: Methuen, 1941.

[2] Gao Yong, Dang Xiaohong, Yu Yi, et al. Effects of tillage methods on soil carbon and wind erosion[J]. Land Degradation & Development, 2016, 27(3): 583－591.

[3] Chepil W S. Factors that influence clod structure and erodibility of soil by wind II.Water-stable structure[J]. Soil Science, 1953, 76(5): 389－400.

[4] 董治寶，李振山. 風(fēng)成沙粒度特征對(duì)其風(fēng)蝕可蝕性的影響[J]. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4(4)：2－6，13.

Dong Zhibao, Li Zhenshan. Wind erodibility of aeolian sand as influenced by grain-size parameters[J]. Journal of Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(4): 2－6, 13. (in Chinese with English abstract)

[5] 蒙仲舉，高永，王淮亮，等. 基于土壤粒度和大風(fēng)日數(shù)的風(fēng)蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(6)：186－192.

Meng Zhongju, Gao Yong, Wang Huailiang, et al. Wind erosion prediction based on soil particle size characteristics and strong wind days[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 186－192. (in Chinese with English abstract)

[6] Li Zhiqiang, Wang Yuan, Zhang Yang. A numerical study of particle motion and two-phase interaction in aeolian sand transport using a coupled large eddy simulation-discrete element method[J]. Sedimentology, 2014, 61(2): 319－332.

[7] 劉芳，郝玉光，辛智鳴，等. 烏蘭布和沙區(qū)不同下墊面的土壤風(fēng)蝕特征[J]. 林業(yè)科學(xué)，2017，53(3)：128－137.

Liu Fang, Hao Yuguang, Xin Zhiming, et al. Characteristics of soil wind erosion under different underlying surface conditions in Ulan Buh Desert[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(3): 128－137. (in Chinese with English abstract)

[8] Li Guoqiang, Rao Zhiguo, Duan Yanwu, et al. Paleoenvironmental changes recorded in a luminescence dated loess/paleosol sequence from the Tianshan Mountains, arid central Asia，since the Penultimate Glaciation[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2016, 448(8): 1－12.

[9] 董欣欣，楊石嶺，唐自華，等. 基于黃土粒度估算粉塵源區(qū)-沉積區(qū)距離的新方法[J]. 中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2016，46(10)：1406－1412.

Dong Xinxin, Yang Shiling, Tang Zihua, et al. A grain-size-based model for dust source-to-sink distance reconstruction: A case study from Chinese loess[J]. Scientia Sinica Terrae, 2016, 46(10): 1406－1412. (in Chinese with English abstract)

[10] Vandenberghe J. Grain size of fine-grained windblown sediment: A powerful proxy for process identification[J]. Earth-Science Reviews, 2013, 121(6): 18－30.

[11] 閆玉春，唐海萍，張新時(shí)，等. 基于土壤粒度分析的草原風(fēng)蝕特征探討[J]. 中國(guó)沙漠，2010，30(6)：1263－1268.

Yan Yuchun, Tang Haiping, Zhang Xinshi, et al. A probe into grassland wind erosion based on the analysis of soil particle size[J]. Journal of Desert Research, 2010, 30(6): 1263－1268. (in Chinese with English abstract)

[12] 汪言在. 干旱區(qū)防沙林帶風(fēng)沙沉積粒徑變化及其動(dòng)力學(xué)意義[J]. 第四紀(jì)研究，2013，33(2)：376－387.

Wang Yanzai. The particle size changes and its dynamic implication within the shrub barriers of desert highway in arid area[J]. Quaternary Sciences, 2013, 33(2): 376－387. (in Chinese with English abstract)

[13] 杜鶴強(qiáng)，薛嫻，王濤，等. 1986－2013年黃河寧蒙河段風(fēng)蝕模數(shù)與風(fēng)沙入河量估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(10)：142－151.

Du Heqiang, Xue Xian, Wang Tao, et al. Wind erosion modulus and quantity evaluation of aeolian sediment feed into river in watershed of Ningxia-Inner Mongolia Reach of Yellow River from 1986 to 2013[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 142－151. (in Chinese with English abstract)

[14] 何京麗，郭建英，邢恩德，等. 黃河烏蘭布和沙漠段沿岸風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與沙丘移動(dòng)規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(17)：71－77.

He Jingli, Guo Jianying, Xing Ende, et al. Structure of wind-sand flow and law of dune movement along bank of Yellow River in Ulan Buh desert[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(17): 71－77. (in Chinese with English abstract)

[15] 徐滿厚，劉彤，孫欽明. 綠洲-荒漠過渡帶防風(fēng)固沙林疏透度的數(shù)字化測(cè)定及應(yīng)用[J]. 石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29(2)：230－235.

Xu Manhou, Liu Tong, Sun Qinming. Digitized measurement of and application to shelterbelt porosity of windbreaks and sand-fixation forests at an oasis-desert ecotone[J]. Journal of Shihezi University: Natural Science, 2011, 29(2): 230－235. (in Chinese with English abstract)

[16] Folk R L, Ward W C. Brazos river bar: A study in the significance of grain size parameters[J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1957, 27(1): 3－26.

[17] Boulay S, Colin C, Trentesaux A, et al. Mineralogy and sedimentology of pleistocene sediment in the South China Sea (ODP Site 1144)[J]. Proceedings of the Ocean Drilling Program Scientific Results, 2003, 184: 1－21.

[18] Guan Qingyu, Zhang Jundi, Wang Lijuan, et al. Discussion of the relationship between dustfall grain size and the desert border, taking the southern border of the Tengger Desert and the southern dust deposit area as an example[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2013, 386(17): 1－7.

[19] Pye K. Aeolian Dust and Dust Depositions. London Academic Press, 1987: 49.

[20] 陳新闖，董智，李錦榮，等. 烏蘭布和沙漠不同下墊面冬季沙塵通量[J]. 中國(guó)沙漠，2016，36(6)：1527－1532.

Chen Xinchuang, Dong Zhi, Li Jinrong, et al. Winter sand-dust flux over different underlying surfaces in the Ulan Buh Desert[J]. Journal of Desert Research, 2016, 36(6): 1527－1532. (in Chinese with English abstract)

[21] 馬世威，高永. 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)三定律[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技，1987，14(3)：26－27，25.

[22] 汪季. 烏蘭布和沙漠東北緣植被抑制沙塵機(jī)理的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2004.

Wang Ji. Research on Sand-dust Control Mechanism of Vegetation at the Northeast Eage of Ulan Buh Desert[D]. Beijing: Beijing Forestry University. 2004. (in Chinese with English abstract)

[23] 葛擁曉，吉力力·阿不都外力，馬龍，等. 新疆艾比湖干涸湖底沉積物粒徑分布及其對(duì)風(fēng)蝕的響應(yīng)[J]. 干旱區(qū)研究，2014，31(4)：636－642.

Ge Yongxiao, JILILI Abuduwaili, Ma Long, et al. Response of granularity distribution to wind erosion in the playa of the Ebinur Lake, Xinjiang[J]. Northwest China. Arid Zone Research, 2014, 31(4): 636－642. (in Chinese with English abstract)

[24] 郎麗麗，王訓(xùn)明，哈斯，等. 灌叢沙丘形成演化及環(huán)境指示意義研究的主要進(jìn)展[J]. 地理學(xué)報(bào)，2012，67(11)：1526－1536.

Lang Lili, Wang Xunming, Hasi, et al. Coppice dune formation and its significance to environmental change reconstructions in arid and semiarid areas[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(11): 1526－1536. (in Chinese with English abstract)

[25] Lu Ruijie, Jia Feifei, Gao Shangyu, et al. Holocene aeolian activity and climatic change in Qinghai Lake basin, northeastern Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2015, 430(10): 1－10.

[26] 孫悅超，麻碩士，陳智. 保護(hù)性耕作農(nóng)田和檸條帶狀配置草地防風(fēng)蝕效果的風(fēng)洞測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：140－146.

Sun Yuechao, Ma Shuoshi, Chen Zhi. Wind tunnels test on anti-wind erosion effect of conservation tillage farmland and caragana collocated with grassland in strip[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 140－146. (in Chinese with English abstract)

[27] Lancaster N, Baas A. Influence of vegetation cover on sand transport by wind: Field studies at Owens Lake, California[J]. Earth Surface Processes & Landforms, 2015, 23(1): 69－82.

[28] 劉芳，郝玉光，辛智鳴，等. 烏蘭布和沙漠東北緣地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征[J]. 中國(guó)沙漠，2014，34(5)：1200－1207.

Liu Fang, Hao Yuguang, Xin Zhiming, et al. The surface acolian-sand flow structure in the northeastern margin of the Ulan Buh Desert[J]. Journal of Desert Research, 2014, 34(5): 1200－1207. (in Chinese with English abstract)

[29] 王琴，蒙仲舉，汪季，等. 希拉穆仁草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下植被-土壤響應(yīng)特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37(4)：1159－1167.

Wang Qin, Meng Zhongju, Wang Ji, et al. Response of the vegetation soil under almost-natural restoration in the Xilamuren grassland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(4): 1159－1167. (in Chinese with English abstract)

[30] 吳汪洋，張登山，田麗慧，等. 青海湖克土沙地沙棘林的防風(fēng)固沙機(jī)制與效益[J]. 干旱區(qū)地理，2014，37(4)：777－785.

Wu Wangyang, Zhang Dengshan, Tian Lihui, et al. Mechanism and benefit of wind-prevention and sand fixation of Hippophae rhamnoides forestation in Ketu Sandy Land around Qinghai Lake[J]. Arid Land Geography, 2014,37(4): 777－785. (in Chinese with English abstract)

高 永，丁延龍，汪 季，蒙仲舉，孫曉瑞，張 超，魏亞娟.不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：135－142. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.017 http://www.tcsae.org

Gao Yong, Ding Yanlong, Wang Ji, Meng Zhongju, Sun Xiaorui, Zhang Chao, Wei Yajuan. Sediments particle size changes and its sand fixation ability for different shrub dunes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 135－142. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.017 http://www.tcsae.org

Sediments particle size changes and its sand fixation ability for different shrub dunes

Gao Yong1,2, Ding Yanlong1, Wang Ji1,3※, Meng Zhongju1,2, Sun Xiaorui1, Zhang Chao1, Wei Yajuan1

(1.,010018,; 2.,010018,; 3.,,017400,)

Land desertification is a major global ecological problem that affects sustainable development of human society. Flow sand dunes are the main source of aeolian sand-dust transport in the surface layer, which causes enormous losses in many arid and semi-arid regions of the world.Aeolian dust transport processes are closely related to the variation of the surface vegetation cover. Therefore, it is necessary to screen plants with strong sand fixability to control the expansion of desert. The Ulan Buh Desert is one of the fastest developing areas of desertification in China. In this study, we aimed to investigate the changes of environmental sensitive particle components and factors affecting vegetation coverage, which would help to describe the process of surface sand movement accurately, and to compare abilities of different plant species to stabilize sand and provide reference for vegetation restoration in the area. The surface (0-2 cm) sediment particle size of five kinds of desert shrub dunes in desert-oasis ecotone at the northeast rim of the Ulan Buh Desert was measured by the laser diffraction method. The eolian environment sensitive grain size components were extracted by grain size class-standard deviation method. Then the sand stability capacity of plants was evaluated according to the changes of sensitive components. And the response of sensitive components to the changes of plant morphological indexes was fitted by multiple linear regression method. The results indicated that the frequency distribution curves of surface sediment under,,coverage and flow sand dune were single peak type, while underandcoverage, they were double-peak type. When the surface was covered by vegetation, the content of fine sand and middle sand reduced, while very fine sand and silt increased, the sorting became worse, the skewness deviated from normal distribution and turned to partially positive, and the kurtosis were decreased. The vegetation under which particle composition ranged from fine to coarse was as follows:>>>>> flow sand dune. There were two sensitive grain size components of 1.45-76 and 76-456m in Ulan Buh Desert, named as fine sensitive components and coarse sensitive components, while the median diameter of two kinds of environment-sensitive particle size components were 57.3 and 193.6m, respectively. The fine sensitive components correspond to the suspended load in the sand drift activity, while the coarse sensitive components correspond to the saltation load. The contents of sensitive components were significantly (<0.05) different under the coverage of each desert shrub. The content of fine components of different shrub dunes were as follows:>>>>> flow sand dune. At the same time, the content of coarse grain size components showed the opposite law, which meant the ability of five kinds of desert plants to weaken wind erosion was correspondingly reduced. Multiple linear regression analysis showed that the content of fine components was positively correlated with plant height, crown width and branch number, and negatively correlated with porosity of what?(sand dune or plant cover?). With the increasing of the content of fine components in surface sediments, the cause also became complicated.

soils; sedimentation; particle size; shurb dunes; sand fixation capacity; grain size class-standard deviation method; sensitive grain size components; Ulan Buh desert

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.017

S714.7

A

1002-6819(2017)-22-0135-08

2017-07-24

2017-09-12

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金重大專項(xiàng)“高大密集流動(dòng)沙丘上營(yíng)建植被與沙丘活動(dòng)的互控機(jī)制”(2014ZD03)

高 永，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治研究。 Email：13948815709@139.com

汪 季，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事荒漠化防治研究。 Email：wangji1957@126.com