晉西北沙化土地粒度特征及其可蝕性研究

劉 蓉, 蘇志珠, 馬義娟, 梁愛民, 王國玲, 楊雄兵

(1.太原師范學院 地理科學學院, 山西 晉中 030619; 2.山西大學 歷史文化學院, 山西 太原 030006;3.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000; 4.山西大學 環(huán)境與資源學院, 山西 太原 030006)

土壤風蝕是在風力作用下，土壤顆粒發(fā)生位移的過程，是土地沙化的一個基本過程和重要原因[1]。它不僅導致表土大量富含養(yǎng)分的細粒物質被吹蝕，引起土壤粗化、土地生產(chǎn)力下降，而且也是形成沙塵天氣的根源，制約著區(qū)域經(jīng)濟、社會和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。晉西北地區(qū)地處我國北方農(nóng)牧交錯帶，土壤風蝕嚴重，沙化土地廣布，是我國遭受沙化危害較為嚴重的地區(qū)之一。同時，它還是全國荒漠化監(jiān)測與防治的12個重點省(市、區(qū))之一，也是京津冀地區(qū)綠色生態(tài)屏障建設的重點地區(qū)之一。近年來，經(jīng)過大規(guī)模、高強度的生態(tài)治理，沙化土地面積呈縮減趨勢，但因其脆弱的生態(tài)環(huán)境，區(qū)域土地風蝕沙化形勢仍不容忽視。

土壤粒度特征在地表風蝕過程的下墊面因子中扮演著關鍵角色，是土壤風蝕發(fā)生、發(fā)展的主要因素之一[2]。一般而言，土地利用方式通過改變地表覆被狀況和擾動土壤層影響土壤的抗蝕能力。不同學者對不同土地利用方式的表層土壤粒度進行分析，旨在揭示風蝕過程對地表粒度特征的影響[3-4]，或是研究土壤粒度與養(yǎng)分、植被覆蓋度等其他因子的土壤風蝕特征[5-6]，從不同地類的粒度特征對土壤可蝕性的探討較少。土壤可蝕性顆粒含量越高，可風蝕性越強。Boulay[7]提出的粒級—標準偏差法常用來提取對環(huán)境變化敏感的粒度組分，以恢復沉積物沉積時的古氣候、古環(huán)境信息，如反映干旱區(qū)氣候變化及沙塵活動[8-10]、東亞季風演化[11-12]、濁流沉積環(huán)境[13]等。陳橋等[14]的對比分析研究后，認為該方法不僅適用于探討古氣候方面的信息，也能成功地提取河流改道、排污、養(yǎng)殖等其它環(huán)境要素在現(xiàn)代柱狀沉積物粒度中的敏感粒級組分。該方法有助于反演主控因子環(huán)境信息，能夠將其作為所在區(qū)域沉積動力強弱和沉積環(huán)境變化的敏感替代指標[15]。本研究將“粒級—標準偏差法”引入土壤風蝕研究中，以空間代時間提取環(huán)境敏感粒徑，分析晉西北地區(qū)不同地類對風沙活動強度反應敏感的粒級組分——易蝕粒徑，探討沙化土地的可蝕性差異，藉以為該區(qū)合理利用土地和有效防控風蝕沙化提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

晉西北地區(qū)是中國黃土高原的重要組成部分，地理位置位于38°43′—40°17′N，111°06′—112°58′E(圖1)，包括大同市左云縣、朔州市右玉縣、平魯區(qū)、朔城區(qū)、山陰縣西北部、忻州市偏關縣、神池縣、河曲縣、五寨縣、保德縣以及岢嵐縣局部。地貌上以起伏和緩的覆沙黃土丘陵為主，平均海拔1 300～1 500 m。氣候上屬溫帶大陸性季風氣候，年均溫3.6～7.5 ℃，年均降水量380～450 mm，相對濕度50%～60%，為半濕潤半干旱區(qū)。沉積物類型上主要為黃土高原黃土粒度分異的第Ⅰ帶——砂黃土帶[16]，相對于黃土和黏黃土更容易發(fā)生風蝕。土壤類型以栗鈣土、栗褐土、草原風沙土為主。植被從森林草原向典型草原過渡，以沙棘(Hippophaerhamnoides)、錦雞兒(Caraganasinica)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、檸條(Caraganakorshinskii)、黃刺玫(Rosaxanthina)等次生灌木及白羊草(Bothriochloaischaemum)、冷蒿(Artemisiafrigida)、百里香(Thymusmongolicus)等草本為代表[17]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，風蝕沙化現(xiàn)象較為突出。

圖1 晉西北區(qū)域位置及地形示意圖

2 研究方法

2.1 樣品采集

本研究樣品于2016年6月進行采集，選取撂荒地、玉米地、人工林地、裸地四種典型地類為研究對象，樣地概況詳見表1。在每個采樣區(qū)(10 m×10 m)采用土鉆法，按照“品”字形采集深度為0—20 cm的土樣，樣品充分混合后裝入密封袋作為該采樣點代表樣，單個樣品重量約1.0 kg。每種地類隨機設置4個樣地，共采集表層土壤樣品16個，采樣點分布如圖1所示。

表1 樣地基本概況

2.2 試驗方法

樣品采用Mastersizer 2000激光粒度儀進行粒度分析測試。具體方法為：將采集的樣品在室內(nèi)自然風干，剔除植物殘體等非土壤成分，在精度為0.001 g的電子天平稱取1～3 g土樣置于100 ml的燒杯之中；加入10 ml濃度為10%的H2O2溶液，并在加熱板上燒至變清且沒有細小泡沫后取下以除去有機質；待試樣冷卻后加入10 ml濃度為10%的HCl溶液，并在加熱板上燒至反應不再劇烈后取下以除去碳酸鈣物質；冷卻后加入10 ml濃度為0.05 mol/L的(NaPO3)6溶液作為分散劑；使用超聲波振蕩使樣品充分分散后上機測試。該儀器單量程檢測范圍0.02～2 000 μm，重復測量誤差小于2%。每個樣品自動檢測3次，取平均值，用體積百分數(shù)表示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Udden-Wentworth的粒級劃分標準對不同地類的粒度組成進行分類。粒度分級為：粗砂(1～0.5 mm)、中砂(0.5～0.25 mm)、細砂(0.25～0.125 mm)、極細砂(0.125～0.063 mm)、粉砂(0.063～0.002 mm)和黏土(<0.002 mm)。采用Folk-Ward圖解法對粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰度)進行計算。平均粒徑(Mz)反映粒度分布的集中趨勢，在一定程度上取決于物源物質的粒度分布和搬運介質的平均動能；分選系數(shù)(σI)用來刻畫粒徑大小的均勻程度，可用標準差來反映，分選系數(shù)越小，粒徑分布越集中，分選性越好；偏度(SK1)反映粒度粗細組分分布的對稱性程度；峰度(KG)是相對于正態(tài)分布曲線，用來表征粒度分布曲線陡緩程度的參數(shù)[18]。采用粒級—標準偏差表征對環(huán)境變化敏感的粒級組分，其公式如下：

3 結果與分析

3.1 粒度特征

3.1.1 粒級級配特征 土壤顆粒粒級級配不僅與土壤母質密切相關，還受到土地利用方式的影響，可直觀反映土壤機械組成的含量和分布特征。晉西北沙化土地區(qū)土壤的粒級級配結果如圖2所示。從圖2可以看出，該區(qū)4種地類主要以極細砂和粉砂為主，其中極細砂含量變化范圍為25.68%～59.02%，平均為37.35%，粉砂含量變化范圍為14.62%～62.57%，平均為44.49%；其次為細砂和黏土，細砂含量變化范圍為5.31%～28.19%，平均為12.77%，黏土含量變化范圍為1.82%～10.17%，平均為4.97%；粗砂和中砂含量極少，均不足1.00%。從各粒級總體上看，該區(qū)土壤粒級級配表現(xiàn)為:粉砂>極細砂>細砂>黏土>粗砂+中砂，這與該區(qū)分布廣泛的砂黃土母質有關。

就不同地類的粒度級配而言，撂荒地以粉砂為主，含量占到50.00%以上，高于其他地類，其次為極細砂和細砂；玉米地的優(yōu)勢粒級為粉砂，含量略低于50.00%，極細砂含量與撂荒地的極細砂含量相差不大，黏土含量相對其他3種地類較高；人工林地以粉砂和極細砂為主，其中粉砂含量為43.52%，極細砂含量為39.15%；裸地土壤顆粒組成含量最高的粒級為極細砂，其次為粉砂，細砂含量居第3，但細砂含量在4種地類中最高。這說明，受不同土地利用方式的影響，各地類土壤粒度級配存在差異。撂荒地、玉米地和人工林地的優(yōu)勢粒級均為粉砂，裸地的優(yōu)勢粒級為極細砂，特別是幾乎沒有植被覆蓋的裸地中土壤顆粒粗化更明顯。

對于撂荒地而言，不同棄耕年限的土壤粒度略有不同。由粉砂含量可知，撂荒35 a(62.57%)>撂荒32 a(55.39%)>撂荒30 a(49.53%)>撂荒25 a(43.95%)，而極細砂含量則表現(xiàn)出相反趨勢，撂荒25 a(42.02%)>撂荒30 a(33.82%)>撂荒32 a(27.30%)>撂荒35 a(25.68%)。隨著撂荒年限的延長，粉砂含量逐漸增加，極細砂含量下降，土壤質地細?；?。而不同優(yōu)勢種的人工林地，其粒級級配也有所差別。相同種植年限的檸條地和新疆楊地相比，粉砂含量較高，極細砂含量差別不大，而細砂含量較低，這可能與不同植被類型防控風蝕的性能有關。油松林地由于種植年限較小，優(yōu)勢粒級為極細砂，土壤顆粒較裸地而言未發(fā)生明顯變化。

圖2 晉西北不同地類土壤粒級級配

3.1.2 粒度參數(shù)特征 晉西北沙化土地區(qū)不同地類的粒度參數(shù)特征如圖3所示。撂荒地、玉米地、人工林地和裸地的平均粒徑所在粒級均為粉砂，但裸地最粗(4.22Φ)，其次為人工林地(4.76Φ)，玉米地和撂荒地較接近且最細，分別為4.91Φ和5.00Φ。分選系數(shù)上，裸地的分選系數(shù)最小(1.46Φ)，其次為人工林地和撂荒地，分別為1.78Φ和1.87Φ，玉米地的分選系數(shù)相對最大(2.03Φ)，可以看出4種地類土壤顆粒的分選性依次為：裸地>人工林地>撂荒地>玉米地，說明裸地在某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒集中程度大于其他地類。各地類的偏度雖然存在差異，但均屬于“極正偏”，說明土壤顆粒分布均向細組分聚集。各地類的峰度，除玉米地為“中等”峰態(tài)外，其余地類的峰度分布無明顯規(guī)律，但從各地類樣點平均值來看，撂荒地和人工林地屬“窄”峰態(tài)，裸地屬“很窄”峰態(tài)，而玉米地屬“中等”峰態(tài)，說明玉米地相對于其他地類而言，其粒度分布曲線峰凸程度較低，粒級分布相對廣泛。值得注意的是，玉米地各樣品的粒度參數(shù)相對于其他地類變率最小，說明研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田玉米地土壤粒度水平基本一致。

不同撂荒年限土地的粒度參數(shù)特征存在差異。撂荒25 a的平均粒徑最粗(4.69Φ)，其次為撂荒30 a(4.88Φ)和撂荒35 a(5.13Φ)，撂荒32 a的顆粒最細(5.28Φ)；分選性除撂荒32 a為差外，其他撂荒年限土壤均為較差；偏度全部屬于“極正偏”；撂荒32 a的峰態(tài)為“寬”，25 a的為“窄”，其余為“中等”峰態(tài)。而對于人工林地而言，種植年齡為40 a的檸條地(5.03Φ)較相同樹齡的新疆楊地(4.86Φ)細，油松林地的平均粒徑最粗，為3.78Φ；35 a樹齡的檸條地分選性差，其余樣地均為較差；偏度為“極正偏”；峰態(tài)分布則無明顯規(guī)律。

圖3 晉西北不同地類土壤粒度參數(shù)

3.2 可蝕性評價

風蝕的發(fā)生是土壤自身和風力因子共同作用的結果。其中，可蝕性顆粒的含量是影響風蝕的主要因素之一，對土壤可蝕性的強弱有較大的影響。而敏感粒度組分是指對環(huán)境變化較為靈敏的粒級，能夠很好的揭示本區(qū)風沙活動的強度。據(jù)此，基于土壤粒度數(shù)據(jù)對晉西北不同地類的可蝕性顆粒進行提取，以期對晉西北地區(qū)不同地類可蝕性進行評價。

3.2.1 可蝕性顆粒提取 粒級—標準偏差法可以反映不同樣品的粒度含量在各個粒徑范圍內(nèi)的差異性。標準偏差值的大小，代表不同樣品的粒度含量在某一粒徑范圍內(nèi)的變異程度，標準偏差值越大，則變異程度越大，據(jù)此可以認為該粒徑范圍的含量變化是影響粒度級配的主要粒級，對環(huán)境有著較為敏感的響應。對晉西北地區(qū)而言，對風沙活動強度反應靈敏的組分，即為較容易受到風蝕的土壤顆粒組成，因此可將其作為本區(qū)易蝕顆粒的粒徑范圍。對研究區(qū)沙化土地不同地類土壤樣品粒度含量的標準偏差進行計算，結果如圖4所示，可以看出存在一個明顯的峰值，其值為0.1 mm，對應的谷值為0.056和0.25 mm。由此得到，在0.25～0.056 mm粒級上，粒度組成的變率最大，對環(huán)境變化的反映最為靈敏，可作為指示晉西北沙化土地區(qū)易蝕顆粒的粒徑范圍。研究表明[1]，粒徑<0.1 mm的顆粒在大風中可能接近懸移狀態(tài)，而只有粒徑<0.05 mm的顆粒，在空氣中能夠被風搬運很長距離，故把<0.05 mm的顆粒確定為釋塵顆粒，將其累計含量的多少作為判斷各地類對沙塵暴貢獻程度的標準。對0.25～0.056 mm粒徑范圍內(nèi)的易蝕顆粒和<0.05 mm的釋塵顆粒進行統(tǒng)計，結果詳見表2。

圖4 標準偏差隨粒級變化曲線

4種地類的易蝕顆粒總量均占到1/3以上，決定了該區(qū)沙化土地從本質上便具備有利于土壤風蝕沙化的條件，其中分別表現(xiàn)為:裸地>人工林地>玉米地>撂荒地。裸地易蝕顆粒含量為68.80%，幾乎占該地類總粒級的2/3，說明裸地在4種地類中對風沙活動反映最為敏感，容易遭受風蝕。人工林地易蝕顆粒平均含量占50.00%以上，其中油松林地易蝕顆粒含量最高，其次為新疆楊地，種植年限為35 a的檸條地含量最低。撂荒地和玉米地含量相差不大，撂荒年限越長的土壤易蝕顆粒含量越低。釋塵顆粒物屬于Udden-Wentworth粒級劃分標準中的粉砂、黏土部分，故在以粉砂為主的撂荒地、玉米地中釋塵顆粒含量較多，是沙塵物質最主要的提供者，人工林地次之，而裸地以極細砂為主，是4種地類中對沙塵暴貢獻最小的地類。而對于同一土地利用方式不同植被參數(shù)的樣地來說，釋塵顆粒含量的分布也有不同。撂荒年限越長的草地，其釋塵顆粒含量越多。種植年齡分別為40和35 a的檸條地釋塵顆粒含量差別不大，但40 a檸條地較新疆楊地含量多。需要指出的是，土壤釋塵量會受到風況、地表特征等多種因素的影響，土壤粒度僅是影響釋塵量的因素之一。

3.2.2 可蝕性評價 土壤風蝕可蝕性是指風蝕過程中土壤對于風力引起的剝離和搬運的敏感程度[19]，與土壤顆粒、有機質含量、土壤團聚體等土壤性質有關[20]。由于黃土的有機質含量普遍很低，結構特征也變化不大，可認為顆粒組成的變化是影響黃土可蝕性大小差異的主要因素[21]。Chepil[22]也曾對影響風蝕的土壤性質進行了一系列試驗，結果表明土壤風蝕可蝕性明顯地受土壤中可蝕性顆粒的含量影響。因此，將易蝕顆粒含量的多少作為判斷土壤可風蝕性程度的一個指標，參照扎切爾[1]和王禮先[23]的土壤風蝕程度分級標準，將易蝕顆粒含量低于25%定為可風蝕性弱，含量介于25%～50%定為可風蝕性中等，含量介于50%～75%定為可風蝕性強，含量大于75%定為可風蝕性最強。據(jù)此，本研究區(qū)內(nèi)不同土地利用方式土壤可蝕性大小依次為:裸地>人工林地>玉米地>撂荒地。其中，撂荒地和玉米地這兩種地類可風蝕性中等，人工林地和裸地的可風蝕性強。對于沒有植被覆蓋的裸地可風蝕強度大于其他地類，人工林地次之，其中，油松林地可蝕性最強，新疆楊地可蝕性強于40 a檸條地，撂荒地的可蝕性最小，撂荒30 a時可蝕性由強變?yōu)橹械?。說明只有全面了解不同土地利用狀況下的土壤性質，才能合理地利用土地資源，并通過對土壤可蝕性的評價來調(diào)整土地利用結構，有效控制土壤風蝕沙化。

表2 晉西北不同地類可蝕性顆粒提取 %

4 討 論

土壤風蝕的產(chǎn)生是由于一定速度的氣流作用于土壤表面時，使土壤顆粒發(fā)生位移，造成土壤結構破壞的作用。因此，地表土壤顆粒特征對于土壤風蝕的研究具有重要意義。本文采用粒級—標準偏差法對易蝕顆粒進行了提取，認為0.25～0.056 mm是本區(qū)對風蝕活動反應較為敏感的粒徑段。參照中國學者對易蝕粒徑范圍劃分的研究成果，如董治寶等[24]對塔克拉瑪干沙漠北部的典型風成沙進行風洞模擬試驗后表明，0.4～0.075 mm為風成沙的易蝕粒徑；李曉麗[25]采用集沙儀測定，認為1～0.25 mm是陰山北麓不同地類土壤的易蝕顆粒；丁延龍等[26]通過分析土壤粒度累計頻率間平均距離，得到希拉穆仁草原風蝕地表的易蝕顆粒范圍在0.25～0.1 mm。比較而言，本研究區(qū)的易蝕顆粒范圍較窄，可能與砂黃土母質有關或是因本區(qū)較上述其他研究區(qū)的風力較小、土壤風蝕較弱有關。風沙活動的環(huán)境變化往往具有較強的區(qū)域性特征，對某一地區(qū)沉積物環(huán)境易蝕顆粒的提取并不具有普適性，需要對當?shù)鼐唧w的粒度數(shù)據(jù)進行分析來提取其環(huán)境敏感粒度組分，以便較準確的、敏感的反映本區(qū)環(huán)境變化信息。

土壤風蝕是一種貼近地表的風沙活動，對其影響的自然因素中最敏感的是植被覆蓋度的高低[27]。不同土地利用方式會影響地表植被的分布狀況和土壤性質，進而影響到土壤顆粒的粒級級配特征，使土壤性質發(fā)生變化，并影響到土壤可風蝕程度的不同。晉西北沙化土地區(qū)4種地類土壤可風蝕性變化表現(xiàn)為:裸地>人工林地>玉米地>撂荒地。裸地地表無植被覆蓋保護，造成風蝕土壤顆粒呈粗?；?極細砂含量居多)現(xiàn)象，易蝕顆粒含量高達68.80%，在4種地類中可蝕性最強。但裸地的釋塵顆粒含量最少，對沙塵暴的貢獻最小，這是因為其釋塵顆粒在裸地形成的初期就已經(jīng)被風蝕。撂荒地在植被恢復過程中，隨著撂荒年限的延長，植被蓋度和地上生物量表現(xiàn)為增大趨勢[28]，土壤質地細?；?以粉砂粒級為主)，有利于加速土體中有機物的積累和礦化分解過程，使得表層土壤的固持作用較好，故在4種地類中可風蝕性最小，且撂荒年限越長其可蝕性越弱，這與賈曉紅等[29]對干旱沙區(qū)植被恢復過程對土壤顆粒的研究結果相一致。玉米地不同樣品的各粒度參數(shù)變化較小，說明其土壤顆粒的均一性較好。其土壤可蝕性較小，這是因為冬春季節(jié)并未采取留茬、秸稈覆蓋等措施，缺少地表覆蓋物保護而完全暴露在大氣環(huán)境下，易蝕性顆粒吹蝕殆盡。

人工林地的可蝕性與撂荒地存在差異，易蝕顆粒含量排序為：5 a油松林地(80.54%)>35 a新疆楊地(52.07%)>40 a檸條地(45.90%)>35 a檸條地(44.79%)>35 a撂荒地(36.86%)，這可能是種植年限或不同的植被類型對沙地植被恢復和土壤風蝕的影響存在差異造成的[30]。趙彩霞等[31]認為在干旱、半干旱地區(qū)，灌木的防風蝕作用最大，其次分別為多年生牧草、林木、作物及1年生牧草。野外考察發(fā)現(xiàn)晉西北地區(qū)防護林帶，多為疏林帶，林下或林間內(nèi)缺乏草本層或腐殖質層，地表仍處于裸露狀態(tài)，風蝕防控作用較弱，而檸條林地與撂荒地植被長勢較好，蓋度較大。這是因為喬木較強的蒸騰作用消耗大量水分，使林下水分嚴重不足，從而形成了蓋度、生物量較低的草本層[32]，而檸條和草地耗水較少，植被發(fā)育良好，繼而有效地抑制了地面蒸發(fā)，形成良性循環(huán)[33]。說明植被的發(fā)育狀況是自然環(huán)境條件和物種適應性相互作用的結果，可能灌木林地和草地對于本區(qū)防控風蝕來說效果更好。因而，在沙地人工植被建設過程中，應充分考慮環(huán)境條件與物種特性來選擇植物種及其最佳配置，注意植被覆蓋地面的狀況與風蝕發(fā)生季節(jié)在時間上的匹配，因地因時實施還林還草，方可快捷高效地控制土壤風蝕。

5 結 論

(1) 晉西北沙化土地土壤顆粒主要以極細砂(0.125～0.063 mm)和粉砂(0.063～0.002 mm)為優(yōu)勢粒級，粗砂(1～0.5 mm)和中砂(0.5～0.25 mm)含量極少，土壤砂性較大黏性組分含量較少。就不同地類而言，各種地類土壤粒度級配存在明顯差異，撂荒地、玉米地、人工林地均以粉砂粒級為主；裸地以極細砂為優(yōu)勢粒級，土壤顆粒粗化明顯。

(2) 晉西北沙化土地區(qū)整體的土壤可風蝕性中等。4種地類易蝕顆粒含量依次為撂荒地(47.18%)<玉米地(49.67%)<人工林地(55.83%)<裸地(68.80%)；裸地和人工林地易蝕顆粒含量較多，可風蝕性強；撂荒地和玉米地可蝕性中等，且隨著撂荒年限的延長，土壤質地細?；晌g性越弱；裸地最容易遭受土壤風蝕，沙塵天氣的塵源物質可能主要來自撂荒地。

(3) 在晉西北沙化土地區(qū)的4種地類中，增加風蝕季節(jié)植被覆蓋度，是防治風蝕的主要手段之一。裸地的可風蝕性最強，是本區(qū)今后開展土壤風蝕控制的主要地類；人工林地要重視植物種的配置；而作物留茬和秸稈覆蓋是控制農(nóng)田土壤風蝕簡單而有效的技術措施，應予以推廣；撂荒地要避免風蝕起塵，需保持植被自然恢復條件下加強人工植被建設。