希拉穆仁荒漠草原風(fēng)蝕地表顆粒粒度特征①

丁延龍，高 永，蒙仲舉*，娜仁格日勒，黃 昕，孫曉瑞，吳 昊，黨曉宏，王 猛（ 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 0008； 內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟鑲黃旗國(guó)營(yíng)苗圃，內(nèi)蒙古錫林郭勒 0350）

希拉穆仁荒漠草原風(fēng)蝕地表顆粒粒度特征①

丁延龍1，高 永1，蒙仲舉1*，娜仁格日勒2，黃 昕1，孫曉瑞1，吳 昊1，黨曉宏1，王 猛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 內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟鑲黃旗國(guó)營(yíng)苗圃，內(nèi)蒙古錫林郭勒 013250）

以荒漠草原常見的耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)及旅游區(qū) 4種土地利用類型表層土壤為研究對(duì)象，利用激光衍射技術(shù)分析了0 ～ 2 cm表層土壤粒度組成，計(jì)算并分析平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰態(tài)及分形維數(shù)等粒度參數(shù)，探討風(fēng)蝕顆粒范圍。結(jié)果表明：①希拉穆仁荒漠草原耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)及旅游區(qū)4種土地利用類型土壤粒度組成均表現(xiàn)為以砂粒和粉粒為主，黏粒含量較低，樣地平均粒徑數(shù)值依次變小，分選性逐漸變好，峰態(tài)平緩，分形維數(shù)數(shù)值逐漸減小，土壤顆粒組成依次粗化；偏度分別為負(fù)偏、近于對(duì)稱、正偏和偏正偏，彼此差異明顯，偏度可作為有效的粒度參數(shù)指標(biāo)。②通過分析粒度分布頻率曲線和土壤粒度累積頻率間平均距離，顯示研究區(qū)粒徑為134 μm和454 μm附近顆粒為近自然狀態(tài)下的易風(fēng)蝕顆粒。各粒度參數(shù)及分維值均顯示放牧和旅游加劇希拉穆仁草原表層土壤風(fēng)蝕，土壤粒度分布范圍變寬，整體向粗?；较虬l(fā)展。

粒度特征；風(fēng)蝕；荒漠草原

荒漠草原廣布于內(nèi)蒙古集二線以西的內(nèi)蒙古高原及鄂爾多斯高原西部地區(qū)，是草原向荒漠過渡的生態(tài)交錯(cuò)帶，區(qū)內(nèi)全年干旱少雨，冬春季節(jié)風(fēng)力強(qiáng)勁，生態(tài)環(huán)境異常嚴(yán)酷。境內(nèi)植被種類簡(jiǎn)單，草層稀疏低矮，穩(wěn)定性差，對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感［1-2］。作為傳統(tǒng)的牧區(qū)，家畜放牧是該地區(qū)最常見且直接的經(jīng)濟(jì)方式［3］。該地區(qū)在開墾草地耕種亦有悠久歷史，最早在北魏太安年間即有文字記錄的墾殖活動(dòng)，距今已有1 500余年［4］。長(zhǎng)期的放牧與墾殖等生產(chǎn)活動(dòng)，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降［5］，加之風(fēng)大沙多，土壤侵蝕劇烈，土壤粗粒化十分普遍，是京津沙塵天氣的風(fēng)沙源地之一［6-7］。近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，草原旅游業(yè)方興未艾，然而大量的旅游設(shè)施建設(shè)和日益增長(zhǎng)的旅游活動(dòng)極大地影響了草原環(huán)境，造成草原景觀格局的破碎化等問題［8］。

土壤粗化被認(rèn)為是我國(guó)北方草場(chǎng)退化、沙化的主要表現(xiàn)形式之一［9］。土壤不同徑級(jí)顆粒的配比在地表風(fēng)蝕過程的下墊面因子中扮演著關(guān)鍵角色，是影響土壤風(fēng)蝕發(fā)生及發(fā)展的關(guān)鍵因素［10-11］，對(duì)荒漠化的發(fā)生及發(fā)展具有重要的指示意義。土壤粒度特征作為土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，表征了土壤中不同徑級(jí)礦物顆粒的配比及分布情況，其參數(shù)變化受搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式、沉積環(huán)境和氣候等因素控制，可解釋顆粒的運(yùn)移情況，進(jìn)而判斷沉積環(huán)境的演變過程，在土地荒漠化研究中的應(yīng)用愈來愈廣泛［12-14］。粒度參數(shù)常用指標(biāo)包括平均粒徑（d0）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、偏度（SK）與峰態(tài)（Kg）等［15］，粒度參數(shù)散點(diǎn)圖、概率累積分布圖、物源判別函數(shù)等也常在區(qū)分沉積環(huán)境中有所使用［16-17］。隨著研究方法的日益更新，分形理論作為定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征的新方法，在土地沙化的研究中廣泛涉及［18］。目前草原土地退化的研究多涉及土壤的物理和化學(xué)性狀［19-20］，多從土壤質(zhì)量方面對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)于荒漠草原不同土地利用方式下表層土壤粒度特征的研究涉及較少，針對(duì)近自然狀態(tài)下荒漠草原風(fēng)蝕地表土壤易風(fēng)蝕顆粒的識(shí)別研究更是鮮見報(bào)道［21-23］。不同土地利用類型對(duì)地表土壤干擾程度不同，將對(duì)土壤粒度組成及各粒度參數(shù)產(chǎn)生影響［3-5，8］。土壤粒度組成是決定風(fēng)蝕強(qiáng)度的重要因素，反映著土壤退化狀況［10-11，23］。因此，探明荒漠草原不同土地利用類型下土壤粒度特征，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷荒漠草原土壤退化程度，對(duì)合理利用與保護(hù)草地資源至關(guān)重要。

本文以內(nèi)蒙古中部希拉穆仁荒漠草原圍封11年草地、持續(xù)放牧草地、耕作區(qū)和旅游景區(qū)的風(fēng)蝕地表土壤為研究對(duì)象，通過分析不同土地利用類型的表層（0 ～ 2 cm）土壤粒度組成，比較土壤粒度參數(shù)及分形維數(shù)等指標(biāo)，旨在揭示不同類型地表土壤粒度組成的差異及變化情況，并對(duì)荒漠草原地表土壤易風(fēng)蝕顆粒進(jìn)行判別分析，以期為希拉穆仁荒漠草原地表土壤粗化程度的精確評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并為相關(guān)部門土地利用決策提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于希拉穆仁荒漠草原（41°12′ ～ 41°31′N，111°00′ ～ 111°20′E），行政上隸屬內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕與茂明安聯(lián)合旗。地處大青山北麓、內(nèi)蒙古高原中部地帶的南緣，系陰山山地向內(nèi)蒙古高原的過渡帶，地形為低山丘陵類型，地勢(shì)起伏不大，平均海拔1 600 m，較為平坦開闊。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，為中國(guó)季風(fēng)區(qū)域的尾閭地帶，季風(fēng)氣候特點(diǎn)不明顯。屬半干旱荒漠草原，年平均降水量為284 mm，潛在蒸發(fā)量高達(dá)2 305 mm，降雨主要集中在7、8、9月；年均氣溫2.5℃；年均風(fēng)速4.9 m/s，全年主風(fēng)向以北風(fēng)和西北風(fēng)為主，其次為西風(fēng)，＞6 m/s的起沙風(fēng)多年平均為56.8 次/a，以西北風(fēng)、西風(fēng)最多（圖1）；春秋季干旱多風(fēng)，夏季雨量較充沛，冬季寒冷干燥。土壤分布規(guī)律基本屬于水平地帶性分布，局部由于地形、母質(zhì)及水分條件的差異，發(fā)育成隱域性土壤。研究區(qū)內(nèi)主要分布有栗鈣土和草甸土類，有190多種植物，草場(chǎng)主要群落結(jié)構(gòu)為“克氏針茅（Stipa krylovii）+羊草（Leymus chinensis）+冷蒿（Artemisia frigida）”［24］。

圖1 希拉穆仁荒漠草原風(fēng)向玫瑰圖（次/a）Fig. 1 Wind direction rose map in Xilamuren desert steppe

2 研究?jī)?nèi)容與方法

圖2 研究區(qū)地理位置Fig. 2 Location of the study area

2.1 樣品采集與分析

選擇希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持試驗(yàn)中心圍封區(qū)、圍欄外東北方向放牧區(qū)、圍欄南部耕作區(qū)以及旅游區(qū)作為樣品采集區(qū)域，各采樣區(qū)域大致分布在東西寬1.0 km，南北長(zhǎng)1.5 km區(qū)域內(nèi)，采樣區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平坦，坡度在2.2° ～ 3.0°。耕作區(qū)所處位置海拔最低，主要種植玉米（Zea mays L.），每年5月進(jìn)行翻耕，翻耕深度40 cm左右，秋季收獲后直接將秸稈平鋪覆蓋，至第二年5月翻耕時(shí)除去；圍封區(qū)自2003年開始圍欄封育，區(qū)內(nèi)植被蓋度在70% ～ 95%，優(yōu)勢(shì)種為羊草和冰草（Agropyron cristatum），植物平均高度約45 cm；放牧區(qū)每年均進(jìn)行放牧，放牧強(qiáng)度為2.25 羊/hm2，遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)夭輬?chǎng)理論載畜量0.5羊/hm2［25］，除此之外，在旅游季節(jié)還有部分游客活動(dòng)，植被蓋度在30% ～ 40%，優(yōu)勢(shì)種為克氏針茅和冷蒿，伴有狼毒（Stellera chamaejasme）、百里香（Thymus mongolicus Ronn.），平均高度約15 cm；旅游區(qū)游客集中在7—9月，據(jù)《包頭市達(dá)茂旗2015年政府工作報(bào)告》，全旗2014年共接待游客153.3萬(wàn)人（次），希拉穆仁草原為主要的旅游目的地。旅游區(qū)樣地內(nèi)植被稀疏低矮，旅游點(diǎn)內(nèi)部地表基本裸露，周邊植被沿道路、居住區(qū)呈條帶狀和斑塊狀鑲嵌分布，平均蓋度約20%，高度不足10 cm。

采樣于2014年7月下旬進(jìn)行，取樣前一周內(nèi)無大風(fēng)和降水，在各樣地內(nèi)隨機(jī)取樣。采樣時(shí)選取平整地面，首先用剪刀將地面的植物剪去露出地表，使用分層取土器［26］平行于地表采集深度0 ～ 2 cm的表層土樣，當(dāng)場(chǎng)裝入塑料封口袋密封以備用。耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)和旅游區(qū)4種樣地分別有20個(gè)采樣點(diǎn)，樣點(diǎn)為1 m ×1 m正方形，分別在正方形對(duì)角線兩端及中間采集3個(gè)重復(fù)樣，在水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所室內(nèi)風(fēng)干，將重復(fù)樣混合后以四分法取對(duì)角線土約150 g裝入塑封袋備測(cè)，共計(jì)80個(gè)土樣。

土壤粒度預(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。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)樣品進(jìn)行處理，自然風(fēng)干后首先使用最接近測(cè)量上限（3 500 μm）的6目土壤篩去除直徑大于3 350 μm的粗顆粒，后分別稱取10 g土樣加入50 ml玻璃燒杯中，再加入45 ml III級(jí)超純水充分浸沒樣品。隨后加入1 ～ 2滴30% H2O2溶液，靜置24 h以于去除土樣中的有機(jī)質(zhì)。待到燒杯內(nèi)無氣泡產(chǎn)生時(shí)，用電熱板加熱干燥樣品，完全揮發(fā)反應(yīng)剩余的H2O2。待樣品冷卻后，再加入水，并加1 ～ 2 ml 10% HCl溶液以溶解樣品中的碳酸鹽類物質(zhì)，隨后再靜置24 h，用滴管析出清液。使用MIK-PH173型pH計(jì)測(cè)試樣品的pH值，加入純凈水稀釋3 ～ 4遍，直至pH呈中性后開始進(jìn)行測(cè)量。土壤粒度測(cè)量使用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀，配合適用于樣品粒度相對(duì)較大或粒度分布極廣的測(cè)量的Hydro LV型大容量樣品池，儀器測(cè)量范圍0.01 ～ 3 500 μm，精確度優(yōu)于0.6%，精確度/可重復(fù)性優(yōu)于0.5% 變量，重現(xiàn)性優(yōu)于1% 變量。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次。測(cè)量過程中使用超聲震蕩10 s以分散團(tuán)聚體。

2.2 土壤粒度參數(shù)模型

測(cè)定完成后采用儀器自帶軟件的用戶分級(jí)功能劃分土壤機(jī)械組成，以美國(guó)制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輸出［15］：黏粒（＜2 μm）、粉粒（2 ～ 50 μm）、極細(xì)砂（50 ～ 100 μm）、細(xì)砂（100 ～ 250 μm）、中砂（250 ～ 500 μm）、粗砂（500 ～ 1 000 μm）、極粗砂（1 000 ～ 2 000 μm）和礫石（＞2 000 μm）。并輸出土壤顆粒累積體積分?jǐn)?shù)為5%、 10%、16%、25%、50%、75%、84%、90%、95% 所對(duì)應(yīng)的顆粒直徑以備粒度參數(shù)的計(jì)算。

采用Udden-Wenworth粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Kumdein的算法進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，分別將先前輸出的各土壤顆粒累積體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的顆粒直徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)槔谟?jì)算的Φ值［27-28］，轉(zhuǎn)換公式為：

式中：D為土壤顆粒直徑（mm）。

采用Folk-Ward的圖解法［29］計(jì)算粒度參數(shù)：平均粒徑（d0）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、偏度（SK）與峰態(tài)（Kg）。參數(shù)計(jì)算公式如下：

平均粒徑 d0表征土壤粒度的平均分布情況，常用在研究顆粒沉積規(guī)律和追蹤顆粒移動(dòng)過程中［15］。標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ0表示土壤顆粒分布的離散程度，其值越小表示土壤顆粒分布越集中，顆粒分選性越好［15］。按照標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0取值大小一般劃分為7個(gè)分選級(jí)別：σ0＜0.35，分選性極好；0.35＜σ0≤0.50，分選性好；0.50＜σ0≤0.71，分選較性好；0.71＜σ0≤1.00，分選性中等；1.00＜σ0≤2.00，分選性較差；2.00＜σ0≤4.00，分選性差；σ0＞4.00，分選性極差。偏度SK反映土壤顆粒粒度頻率曲線的對(duì)稱性，表示土壤顆粒的粗細(xì)分布特征［15］?？蓪⑵鋭澐譃?個(gè)等級(jí)：-1.0≤SK＜-0.3，極負(fù)偏；-0.3≤SK＜-0.1，負(fù)偏；-0.1≤SK＜0.1，近于對(duì)稱；0.1≤SK＜0.3，正偏；0.3≤SK＜1.0極正偏。峰態(tài)Kg是土壤顆粒粒度分布在平均粒度兩側(cè)集中程度的參數(shù)，代表頻率曲線尾部展開度與中部展開度的比率，或表示土壤顆粒頻率曲線兩側(cè)與中間部分分選性之間的比值，可對(duì)土壤顆粒頻率分布曲線峰形的寬窄陡緩程度進(jìn)行定量的衡量［15］。一般而言，Kg取值越大，峰態(tài)尖窄程度越強(qiáng)，表明樣品粒度分布越集中，也說明至少有一部分顆粒物是未經(jīng)環(huán)境改造而直接進(jìn)入環(huán)境的，可按其取值范圍劃分為6個(gè)峰態(tài)等級(jí)：Kg≤0.67，很寬平；0.67＜Kg≤0.9，寬平；0.9＜Kg≤1.11，中等；1.11＜Kg≤1.56，尖窄；1.56＜Kg≤3.00，很尖窄；Kg＞ 3.00，極尖窄。

2.3 土壤粒度累積頻率間平均距離的計(jì)算

土壤粒度累積頻率分布間平均距離 d可反映樣地間土壤質(zhì)量差異狀況，與土壤粒度累積頻率曲線相互印證，可為土壤粗化判斷提供佐證［30］。其計(jì)算公式為：

式中：d為土壤粒度累積頻率分布間平均距離；P為某種樣地土壤粒度累積頻率；P為4種樣地土壤粒度累積頻率平均值；K-1為自由度，K=4。

2.4 分形維數(shù)的計(jì)算

分形維數(shù) D在表征土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)時(shí)應(yīng)用廣泛，其值與土壤的不同大小粒徑顆粒數(shù)量有關(guān)，因此其不僅可以定量地表明土壤的結(jié)構(gòu)特征，還可反映土壤含水率、土壤肥力等指標(biāo)，在土地退化方面的研究應(yīng)用很廣［31-32］。本文以Mastersizer 3000型激光粒度儀測(cè)定的土壤不同徑級(jí)顆粒的體積含量來計(jì)算體積分形維數(shù)，計(jì)算方法為：

式中：D為土壤分形維數(shù)；r為土壤顆粒直徑（mm）；Ri為某一徑級(jí)土壤顆粒直徑（mm）；V（r＜Ri）為小于 Ri徑級(jí)顆粒的土壤顆粒體積百分含量（%）；Vt為各徑級(jí)顆?？傮w積百分含量（%）；Rmax為最大顆粒直徑（mm）。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007、Origin 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計(jì)算分析、圖表繪制，由SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）、LSD多重檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤粒度組成特征

由表1土壤粒度組成可知，本研究耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)及旅游區(qū)4種土地利用類型土壤粒度組成均表現(xiàn)為以砂粒和粉粒為主，砂粒平均體積百分含量分別為 45.32%、64.61%、71.25% 和85.13%，對(duì)砂粒進(jìn)一步分析，耕作區(qū)極細(xì)砂平均含量極顯著高于其他3種樣地（P＜0.05），圍封后地表極細(xì)砂含量較放牧區(qū)升高（P＜0.05），旅游區(qū)極細(xì)砂平均含量最低，同放牧區(qū)差異不明顯（P＞0.05）。粉粒平均百分含量除旅游區(qū)顯著較低外（P＜0.05），其余3種樣地粉粒平均百分含量均在20% 以上，耕作區(qū)中粉粒平均百分含量最高，為54.20%，顯著高于其他3種樣地（P＜0.05），圍封后粉粒含量較放牧區(qū)升高（P＜0.05）。耕作區(qū)表層礫石含量為0，其余3種樣地表層土壤礫石平均含量均顯著升高（P＜0.05），但彼此間差異不顯著（P＞0.05）。各樣地黏粒含量均未超過 1%，彼此間差異顯著（P＜0.05）。

表1 希拉穆仁荒漠草原土壤粒度組成（%）Table1 The composition of soil particles in Xilamuren desert steppe （%）

3.2 不同土地利用類型土壤粒度參數(shù)

由表2可知本研究耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)和旅游區(qū) 4種樣地平均粒徑數(shù)值依次變大，按照 Folk-Ward圖解法劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別屬于粉粒、細(xì)砂、細(xì)砂和中砂，彼此間差異顯著（P＜0.05）。土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為圍封區(qū)＞放牧區(qū)＞旅游區(qū)＞耕作區(qū)，其分選級(jí)別分別為分選性極差、分選性極差、分選性差、分選性差。偏度等級(jí)分別為負(fù)偏、近于對(duì)稱、正偏和極正偏。除圍封區(qū)外，其余3種樣地表土頻率曲線形態(tài)不對(duì)稱，耕作區(qū)樣地波峰偏向細(xì)粒度一側(cè)，結(jié)合表1的土壤粒度組成情況，耕作區(qū)表層土壤以較細(xì)的粉粒和極細(xì)砂含量為主，較粗的中砂、粗砂含量很少，且無極粗砂和礫石存在，顆粒分布不對(duì)稱，說明土壤顆粒以細(xì)組分為主。放牧區(qū)和旅游區(qū)波峰均偏向粗粒度一側(cè)，細(xì)粒一側(cè)有一低的尾部，顆粒以粗組分為主，其中旅游區(qū)土壤顆粒組成較放牧草地更粗，顆粒組成以砂粒為主，僅含有少量黏粒、粉粒和極細(xì)砂，土壤顆粒分布極不對(duì)稱，總體偏向于粗顆粒的一側(cè)，人為擾動(dòng)對(duì)土壤粗化作用明顯。圍封區(qū)經(jīng)過多年的自然恢復(fù)，表層土壤中細(xì)粒物質(zhì)如黏粒、粉粒和極細(xì)砂含量均較放牧區(qū)有所增加，粗顆粒含量下降，顆粒組成復(fù)雜且向均勻化的方向發(fā)展，土壤粒度粗細(xì)分配近于對(duì)稱。

表2 希拉穆仁荒漠草原表層土壤粒度參數(shù)Table2 Surface soil particle parameters of Xilamuren desert steppe

4 種樣地峰態(tài)分屬中等、寬平、寬平和中等，耕作區(qū)和旅游區(qū)兩種樣地土壤顆粒分布較圍封區(qū)和放牧區(qū)集中，由表1可知，耕作區(qū)樣地中粉粒為優(yōu)勢(shì)顆粒，這與其偏度為負(fù)偏一致，表明顆粒組成向細(xì)粒物質(zhì)集中，而旅游區(qū)表現(xiàn)為向粗顆粒集中，砂粒含量占優(yōu)勢(shì)，其偏度也表現(xiàn)為極正偏。放牧區(qū)和圍封區(qū)兩種條件下的草地表層土壤峰態(tài)均表現(xiàn)為寬平，兩種土壤均無占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的顆粒，分布相對(duì)耕作區(qū)和旅游用地較復(fù)雜，與兩種土壤偏度的絕對(duì)值相對(duì)較小相呼應(yīng)。圍封11年后，草地表層土壤峰態(tài)值仍有所降低，顆粒組成較分散并有所細(xì)化。耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)和旅游區(qū)表層土壤分形維數(shù)依次減小。土壤分形維數(shù)數(shù)值大小與黏粒、粉粒等細(xì)顆粒含量呈正相關(guān)，與礫石、極粗沙等粗顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這也與表1中4種樣地顆粒組成粗細(xì)情況一致。

分別以 4種樣地每個(gè)采樣點(diǎn)的粒度參數(shù)制作粒度參數(shù)散點(diǎn)圖，可直觀地觀察4種樣地表土粒度參數(shù)的分布情況。由圖3可看出耕作區(qū)和旅游區(qū)同圍封區(qū)、放牧區(qū)兩種草地的粒度參數(shù)存在明顯界限，各粒度參數(shù)散點(diǎn)圖均能對(duì)其進(jìn)行明顯的區(qū)分，圍封區(qū)和放牧區(qū)兩種草地間差異不大，在平均粒徑-偏度、標(biāo)準(zhǔn)偏差-偏度、偏度-分形維數(shù)和峰態(tài)-偏度散點(diǎn)圖可進(jìn)行明顯識(shí)別，其他散點(diǎn)圖均無法嚴(yán)格區(qū)分。從粒度參數(shù)散點(diǎn)圖中可以看出旅游區(qū)各粒度參數(shù)分布范圍最大，放牧區(qū)次之，其次為圍封區(qū)，耕作區(qū)分布最集中。

3.3 不同土地利用類型土壤顆粒頻率分布曲線

土壤顆粒頻率分布曲線常用于分析顆粒大小分布情況，不僅可定性地獲取偏度、峰度等信息，還可以從曲線的波峰屬性判斷顆粒的沉積動(dòng)力及物源情況。分別以耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)和旅游區(qū)4種樣地的表層土壤粒徑平均值制作顆粒頻率分布曲線（圖4A），可以看出4種樣地粒徑分布存在差異，其中耕作區(qū)和旅游區(qū)間差異最明顯，并基本呈單峰分布。圍封區(qū)和放牧區(qū)兩種草地差異相對(duì)較小，且均表現(xiàn)為雙峰型。耕作區(qū)的波峰在50 ～ 60 μm附近，兩種草地的第一個(gè)波峰略有滯后，約在60 ～70 μm。旅游區(qū)在1 000 μm附近出現(xiàn)波峰，兩種草地的第二個(gè)波峰也在該處出現(xiàn)，旅游區(qū)在70 μm附近還存在有一不甚明顯的起伏。放牧區(qū)的波谷出現(xiàn)在200 μm附近，而圍封區(qū)的波谷出現(xiàn)稍晚，在250 μm附近。4種樣地在50 ～70 μm附近均出現(xiàn)波峰，但波峰高度隨地表裸露程度增大而依次降低，細(xì)顆粒損失依次增多。放牧區(qū)波谷所在處對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑小于圍封區(qū)，旅游區(qū)波谷出現(xiàn)更早，對(duì)應(yīng)顆粒粒徑更小，細(xì)粒物質(zhì)含量較低。

累積頻率分布曲線可以反映土壤顆粒的分布情況，一般曲線越陡峻，顆粒分布越均勻。分析4種樣地表層土壤的累積頻率分布曲線（圖4B）可知，4種樣地表土分布均勻程度表現(xiàn)為耕作區(qū)最好，且顆粒組成較細(xì)。圍封區(qū)與放牧區(qū)草地介于耕作區(qū)和旅游區(qū)之間。旅游區(qū)表土累積分布曲線開始時(shí)變化較緩慢，但約在300 μm后開始變陡，并迅速升高，說明顆粒多集中在大于300 μm范圍內(nèi)，結(jié)合表2中旅游區(qū)土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，可知顆粒分選性相對(duì)于草地較好，顆粒均較粗且分選性較好，這也印證了旅游區(qū)表土缺乏植被覆蓋，風(fēng)蝕較嚴(yán)重。

3.4 不同土地利用類型地表風(fēng)蝕顆粒判別

4 種樣地分布在1.0 km×1.5 km范圍內(nèi)，樣地間距離很近，各樣地表層土壤顆粒頻率分布曲線（圖4A）雖呈現(xiàn)出不同類型，但波峰和波谷的出現(xiàn)表現(xiàn)出一定的一致性，土壤母質(zhì)差異不大。土壤粒度累積頻率間平均距離反映了樣地間顆粒差異情況，可定性描述易風(fēng)蝕顆粒范圍，本研究中4種樣地土壤粒度累積頻率間平均距離（圖4B）在粒徑為100 ～ 250 μm區(qū)間內(nèi)較大，可認(rèn)為研究區(qū)易風(fēng)蝕顆粒范圍在100 ～ 250 μm。一般研究認(rèn)為風(fēng)蝕顆粒運(yùn)動(dòng)以躍移為主，100 ～ 150 μm大小顆粒是最易發(fā)生躍移的粒徑范圍［33-34］，本研究得出的風(fēng)蝕顆粒范圍偏向較粗的顆粒，研究區(qū)多年平均＞6 m/s的起沙風(fēng)可達(dá)到56.8 次/a，且整體土壤粒徑較粗，相比吳正等人［33］研究的粒度組成較細(xì)的風(fēng)沙土，風(fēng)蝕顆?？赡芤嘞鄬?duì)偏大。

4 討論

圖3 粒度參數(shù)散點(diǎn)圖Fig. 3 Scatter diagram of particle size distribution

研究區(qū)內(nèi)耕作樣地海拔相對(duì)低于其他3種樣地，長(zhǎng)期的侵蝕過程使得高處的細(xì)粒物質(zhì)被搬運(yùn)至此，形成較厚且細(xì)的土壤層，外業(yè)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)土層厚度可達(dá)50 ～ 100 cm。耕地土壤各粒度參數(shù)分布均較集中，說明其土壤顆粒均一性較好。分形維數(shù)作為衡量土地退化程度的指標(biāo)之一，可反映土壤質(zhì)量的變化情況。耕作區(qū)土壤分形維數(shù)最大，土壤粒度組成最細(xì)，多為粉粒和極細(xì)砂，耕作開墾雖極易導(dǎo)致表土細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕［35］，但耕作區(qū)在秋季收獲后即采取留茬覆蓋措施，每年5月上旬進(jìn)行翻耕，此時(shí)研究區(qū)風(fēng)季已過，土壤中細(xì)顆粒得以較多地保留。同時(shí)耕作區(qū)土壤層較厚，翻耕后可將下層土壤帶至表層，對(duì)細(xì)顆粒形成補(bǔ)給，使得樣地內(nèi)顆粒組成始終保持在較細(xì)的水平。非耕作期采取留茬覆蓋的保護(hù)措施，不僅可防止土壤細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕，還兼具保水功能，這對(duì)作物生長(zhǎng)十分有利。同時(shí)作物生長(zhǎng)也在改良土壤，形成寶貴的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，促進(jìn)保水保肥，提高土體的抗風(fēng)蝕能力［36］，這對(duì)于土壤本身較干旱貧瘠的陰山北麓地區(qū)尤為重要［4］。

圖4 土壤顆粒頻率分布曲線Fig. 4 The particle size distribution curves

近年來，希拉穆仁草原大力發(fā)展旅游業(yè)，夏季正值植被生長(zhǎng)旺季，而此時(shí)游客的大量涌入，對(duì)地表踐踏作用強(qiáng)烈，嚴(yán)重干擾植被生長(zhǎng)，形成眾多圍繞著旅游點(diǎn)的呈斑塊狀的裸斑地，地表細(xì)粒物質(zhì)極易被吹蝕，同時(shí)缺乏植被的保護(hù)的土層蒸發(fā)加劇，土體變干逐漸疏松，一旦再次踐踏形成破口，風(fēng)蝕將向表土以下發(fā)展并逐漸擴(kuò)張，使得旅游區(qū)土壤粗化愈加嚴(yán)重［37］。研究區(qū)中旅游區(qū)土壤分形維數(shù)最小，土壤粗化最明顯，中砂、粗砂、極粗砂含量較高，但顆粒組成分散，無絕對(duì)優(yōu)勢(shì)顆粒，其各粒度參數(shù)也分布較離散。因此當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門應(yīng)在發(fā)展旅游業(yè)的同時(shí)考慮劃定專門的旅游用地，在保護(hù)地表土壤的同時(shí)提高土地利用效率。

希拉穆仁草原為典型的荒漠草原，氣候干旱少雨，土壤物理性砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在50% ～ 80%，常年的放牧活動(dòng)對(duì)土壤的踩踏使得表土結(jié)構(gòu)松散，冬春季節(jié)土壤含水率一般在3% ～ 4%，此時(shí)風(fēng)力強(qiáng)勁又缺乏地表覆蓋，干燥疏松的土壤極易發(fā)生風(fēng)蝕［38-40］，導(dǎo)致土壤逐漸粗化。經(jīng)過十余年的休養(yǎng)生息，圍封區(qū)內(nèi)植被高度和蓋度相對(duì)于放牧區(qū)均迅速增加，增大了地表粗糙度，降低上方氣流的吹蝕能力，有助于截留氣流中的細(xì)粒物質(zhì)，對(duì)表層土壤中的細(xì)顆?？善鸬揭欢ǖ谋４孀饔茫?7］。圍封區(qū)與放牧區(qū)草地相比分形維數(shù)有所增大，土壤顆粒組成有所細(xì)化，但圍封改善土壤結(jié)構(gòu)過程緩慢［41-42］，對(duì)土壤的細(xì)化仍未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。由圖3粒度參數(shù)散點(diǎn)圖也可知其各粒度參數(shù)差異較小，僅平均粒徑-偏度、標(biāo)準(zhǔn)偏差-偏度、偏度-分形維數(shù)和峰態(tài)-偏度散點(diǎn)圖可將兩種草地表土進(jìn)行明顯區(qū)分。

研究區(qū)耕作樣地和旅游區(qū)土壤顆粒分布較為特殊，耕作區(qū)由于地勢(shì)較低，利于細(xì)顆粒的大量堆積，加之人為采取留茬覆蓋保護(hù)措施，顆粒組成最細(xì)，而旅游區(qū)人類活動(dòng)頻繁，對(duì)土壤顆粒粗化作用甚大。圍封區(qū)和放牧區(qū)2種樣地地貌類型一致，受人為干擾相對(duì)于耕地和旅游區(qū)較小，同時(shí)植被高度、蓋度差異較大，孫悅超等［43］認(rèn)為陰山北麓草地有效防風(fēng)蝕的植被蓋度為50%，圍欄封育區(qū)植被蓋度遠(yuǎn)超此臨界值，而放牧區(qū)未達(dá)到最低蓋度，為重度退化水平［24］。因此本文以此2種樣地土壤表層顆粒為對(duì)象，進(jìn)一步探究在近自然狀態(tài)下風(fēng)蝕對(duì)地表土壤粗?；挠绊?。

由表1可知圍封區(qū)表層土壤黏粒、粉粒、極細(xì)砂平均含量均顯著高于放牧區(qū)（P＜0.05）。細(xì)砂含量雖有所降低，但差異不顯著（P＞0.05）。隨著顆粒徑級(jí)變大，除中砂含量顯著偏低（P＜0.05）外，顆粒更粗的粗砂、極粗砂等含量均無顯著變化，細(xì)砂表現(xiàn)較為特殊，進(jìn)一步對(duì)圍封區(qū)和放牧區(qū)土壤顆粒頻率曲線（圖5A）分析可知，二者在134 μm處發(fā)生交叉，細(xì)砂（100 ～ 250 μm）在此處被分為兩部分（100 ～ 134 μm、134 ～ 250 μm），圍封區(qū)中較細(xì)部分顆粒（100 ～ 134 μm）含量多于放牧區(qū)，而較粗部分顆粒（134 ～ 250 μm）表現(xiàn)相反，使得兩種草地表土細(xì)砂含量總體差異減小。方差分析結(jié)果顯示兩種草地較細(xì)部分顆粒含量差異不顯著（P＞0.05），而較粗部分仍差異顯著（P＜0.05）。兩種草地累積體積含量的距離（圖5B）在134 μm達(dá)到最大，岳高偉等［44］分析了顆粒在流場(chǎng)中的釋放過程，認(rèn)為隨顆粒粒徑的增大，起動(dòng)風(fēng)速先減小后增加，120 ～ 140 μm粒徑范圍內(nèi)顆粒最易起動(dòng)，這與本研究結(jié)果基本吻合。同時(shí)圍封區(qū)和放牧區(qū)土壤顆粒頻率曲線顯示中砂（250 ～ 500 μm）差距較大，方差分析結(jié)果也顯示二者差異顯著（P＜0.05），從頻率分布曲線差值可看出兩種草地在454 μm附近最大，可認(rèn)為454 μm附近顆粒也易被風(fēng)蝕。李曉麗等人［45］的研究認(rèn)為陰山北麓耕地發(fā)生躍移顆粒粒徑主要在75 ～ 200 μm和250 ～ 425 μm，與本研究結(jié)果基本一致，僅較粗部分躍移顆粒偏大，這可能是草地顆粒級(jí)配相比耕地較粗所致。綜上所述，可認(rèn)為研究區(qū)表層土壤中134 μm和454 μm附近顆粒為易風(fēng)蝕顆粒。

圖5 兩種類型草地土壤顆粒頻率分布曲線Fig. 5 The particle size distribution curves of grassland

綜合而言，研究區(qū)不同類型土地表土粗化的原因，不僅有氣候、土壤母質(zhì)的影響，人類活動(dòng)也是重要因素。當(dāng)?shù)貨Q策部門應(yīng)繼續(xù)在農(nóng)業(yè)耕作區(qū)域推廣留茬覆蓋等保護(hù)措施，減少土地翻耕，從而有效防止土壤風(fēng)蝕的發(fā)生。圍封區(qū)相比放牧區(qū)表層土壤有所細(xì)化，但變化相對(duì)緩慢，需要長(zhǎng)期堅(jiān)持。同時(shí)應(yīng)適度控制旅游人數(shù)，開辟專門的旅游區(qū)域，以防止土壤粗化繼續(xù)擴(kuò)展。

5 結(jié)論

通過對(duì)希拉穆仁荒漠草原常見的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)及旅游區(qū)地表（0 ～ 2 cm）土壤的粒度組成進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1） 希拉穆仁荒漠草原表層土壤粒度組成以砂粒和粉粒為主，其中砂粒含量在45.32% ～ 85.13%，土壤粒度組成從細(xì)到粗依次為耕作區(qū)、圍封區(qū)、放牧區(qū)和旅游區(qū)，顆粒分形維數(shù)分別為2.39、2.26、2.20、1.88，土壤逐漸粗化。土壤分選性均較差。偏度分別為負(fù)偏、近于對(duì)稱、正偏和偏正偏，差異明顯，偏度可作為有效的粒度參數(shù)指標(biāo)。峰態(tài)分屬中等、寬平、寬平和中等，均較為平緩。

2） 土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示研究區(qū)粒徑為134 μm和454 μm附近顆粒為易風(fēng)蝕顆粒。各粒度參數(shù)及分維值均顯示放牧和旅游引起希拉穆仁草原表層土壤粗化，土壤粒度分布范圍變寬，整體向粗?；较虬l(fā)展。當(dāng)?shù)貞?yīng)堅(jiān)持圍封禁牧，開辟專門的旅游區(qū)域，繼續(xù)推廣耕地留茬覆蓋等保護(hù)措施，防止土壤粗化范圍擴(kuò)展。

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Particle Size Characteristics of Wind Erosion Surface Soil in the Desert Steppe

DING Yanlong1， GAO Yong1， MENG Zhongju1*， Narengerile2， HUANG Xin1，SUN Xiaorui1， WU Hao1， DANG Xiaohong1， WANG Meng1
（1 Desert Science and Engineering College， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China；2 Xianghuang Qi Nursery Garden， Xilinguole League， Inner Mongolia 013250， China）

The topsoil samples of 0- 2 cm were collected from farming land， fenced grassland， grazing grassland and tourist area in Xilamuren desert steppe and used to investigate soil particle size characteristics. First，the soil particle size distributions were identified by laser diffraction technique. Second， the particle size parameters of average particle size， standard deviation， skewness， kurtosis， and fractal dimension were subsequently calculated. And then， the erosion particle range was discussed. The results indicated that： 1） the topsoil particles in desert steppe were mainly composed of sand and silt， while the clay content was extremely low. Soil particle size followed the order： farming land ＜ fenced grassland ＜ grazing grassland ＜tourist area. Soil particle size distributions were all in poor sorting. The kurtosis was medium， wide flat， wide flat and medium for farming land， fenced grassland， grazing grassland and tourist area， respectively. The fractal dimensions were 2.39， 2.26， 2.20 and 1.88 for these land using types. Correspondingly， the skewness of these land using types was negative， nearly symmetrical，positive skewness and partial positive， respectively. The skewness can be used as an effective particle size parameter. 2） Based on the analyses of frequency curves of soil particle size and the average distance， it was found that when soil particles were about 134 μm and 454 μm， which are the easiest to be erode by wind under near nature conditions. The particle size parameters and fractal dimension showed that the grazing and tourism accelerated wind erosion of topsoil in this region. Soil particle distribution was becoming wide， and soil coarse particles increased gradually.

Particle size characteristics； Wind erosion； Desert steppe

S152.3

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.026

中科院西部之光項(xiàng)目和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2014XYQ-8）資助。

（mengzhongju@126.com）

丁延龍（1990—），男，安徽亳州人，博士研究生，主要從事荒漠化防治研究。E-mail： dingyanlong1990@126.com