吉蘭泰鹽湖中心鹽爪爪灌叢沙堆形態(tài)及其沉積特征

魏亞娟, 黨曉宏,2, 蒙仲舉， 汪 季,2, 翟正江, 祁 帥

(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)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

20世紀(jì)70年代，由于吉蘭泰鹽湖開采規(guī)模擴(kuò)大，人口激增、導(dǎo)致“百萬畝天然梭梭林地”蕩然無存。植被資源掠奪性開發(fā)，使原本十分脆弱的綠洲生態(tài)環(huán)境遭到空前破壞。加之地下水資源過度開采，導(dǎo)致吉蘭泰地下水位嚴(yán)重下降。隨之地表流沙四起，威逼鹽湖，直至大面積流沙覆蓋干鹽灘。與此同時，干旱多風(fēng)的氣候環(huán)境促進(jìn)吉蘭泰鹽湖由沙漠中心鹽湖向沙下鹽湖轉(zhuǎn)化[1]。20世紀(jì)80年代，通過封沙育林育草措施、人工造林措施和工程防護(hù)措施等綜合治理，形成有效的防護(hù)林體系，對流沙侵害鹽湖起到了明顯的防護(hù)作用。尤其是荒漠—綠洲過渡帶鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)灌叢沙堆，通過固定綠洲外圍大量的流沙，阻止流沙對鹽湖的侵襲，在防風(fēng)固沙、保持綠洲過渡帶生態(tài)多樣性和抑制綠洲荒漠化以及對維護(hù)綠洲安全起著極其重要的作用[2]，是保護(hù)鹽湖的最后一道生態(tài)防線。

隨著風(fēng)蝕地貌學(xué)和沙漠化過程研究的不斷深入，灌叢沙堆得到廣泛關(guān)注。Tengberg和Chen[3]通過對基納法索和突尼斯的灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，闡明了灌叢沙堆形態(tài)特征和發(fā)育模式。哈斯等[4]通過對小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)灌叢沙堆野外調(diào)查，表明灌叢沙堆水平尺度與高度之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。常兆豐等[5]對民勤地區(qū)沙漠邊緣幾種常見固沙植物進(jìn)行比較，得出植物阻固流沙的能力與灌叢沙堆高度有關(guān)，沙堆高度越高，阻固流沙能力越強(qiáng)。張萍等[6]對不同生境白刺(Nitrariatangutorum)灌叢沙堆表層沉積物的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物屬短距離風(fēng)力搬運(yùn)、分選產(chǎn)物。劉海霞等[7]對毛烏素沙地灌叢沙堆進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明灌叢沙丘粗顆粒物主要來自于丘間地中砂和細(xì)砂。王樂等[8]通過野外采樣和室內(nèi)分析，研究了半干旱地區(qū)農(nóng)田灌叢沙堆形態(tài)及其沉積特征。但是，迄今為止關(guān)于在鹽湖綠洲區(qū)非圍封和圍封條件下對灌叢沙堆形態(tài)和沉積物的影響卻鮮有報道。

經(jīng)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，鹽爪爪不僅是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種，也是吉蘭泰鹽湖地帶性植被(顯域植被)。由于鹽爪爪灌叢與風(fēng)成沉積物的綜合作用形成了鹽爪爪灌叢沙堆，成為吉蘭泰鹽湖區(qū)典型風(fēng)積地貌景觀。基于此，本研究以鹽爪爪灌叢沙堆為研究對象，通過野外測定和室內(nèi)分析對吉蘭泰鹽湖中心非圍封和圍封條件下鹽爪爪灌叢沙堆形態(tài)特征和沉積特征進(jìn)行對比分析，以期了解吉蘭泰鹽湖中心鹽爪爪灌叢沙堆的形態(tài)特征和沉積特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉蘭泰荒漠—綠洲過渡帶邊緣的鹽湖中心，地理位置105°43′42″—105°45′16″E；30°47′10″—39°47′2″N。北部烏蘭布和沙漠和西部雅瑪雷克沙漠為其提供了充足的沙源[9-10]。該區(qū)域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為：降雨稀少、夏熱冬寒、風(fēng)大沙多、蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候條件十分惡劣。多年平均降雨量在100～150 mm；年降雨變率較大，降雨主要集中在7—9月，占全年降雨量的75%左右；年平均氣溫8.6℃，最熱月平均氣溫25.4℃(7月)，最冷月平均氣溫-10.5℃(1月)；起沙風(fēng)(6 m/s)年均出現(xiàn)272.5次，風(fēng)向主要以西北風(fēng)為主。該區(qū)域主要以沙生灌木和耐鹽堿半灌木、小灌木為主，湖盆洼地、干河床及河灘地是植物賴以生存的生境。研究區(qū)1為非圍封區(qū)，人為擾動相對較小，植物結(jié)構(gòu)單一。主要植物為鹽爪爪，植被蓋度不足8%。土壤類型主要為風(fēng)沙土和鹽堿土。地表結(jié)有1.75 mm左右的鹽結(jié)皮。研究區(qū)2為圍封區(qū)(1983年采用圍欄封育)，其主要植物為鹽爪爪，分布少量低矮的紅砂(Reaumuriasongarica)、白刺、芨芨草(Achnatherumsplendens)。植被蓋度在20%左右，土壤主要為風(fēng)沙土。

1.2 研究方法

于2018年10月初，根據(jù)圍封方式和鹽爪爪灌叢沙堆發(fā)育狀況，分別在非圍封區(qū)與圍封區(qū)選擇有代表性的位置設(shè)立2個面積為30 m×30 m樣地，2個樣區(qū)共測定223個灌叢沙堆。利用卷尺、游標(biāo)卡尺對每一樣地鹽爪爪灌叢沙堆個數(shù)、沙堆走向和形態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和測量。沙堆參數(shù)包括：長軸(L)(與主風(fēng)向一致)、短軸(W)(垂直于主風(fēng)向)、沙堆高(Hd)。鹽爪爪參數(shù)包括：高度(Hz)、植被蓋度(C)。因?yàn)辂}爪爪灌叢沙堆均呈丘頂渾圓，底面積呈圓形或橢圓形，側(cè)影面積近似拋物線。故根據(jù)張萍[11]等人對白刺灌叢沙堆的研究，計算其水平尺度(D)、底面積(Ad)、體積(V)、側(cè)影面積(Ac)。

根據(jù)沙堆形態(tài)大小，在2個樣區(qū)共選取10個中等大小的典型灌叢沙堆作為沉積物采樣對象。分別采集灌叢沙堆各部位(迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡坡中、沙堆頂部、背風(fēng)坡坡中、背風(fēng)坡坡腳)表層沉積物，帶回實(shí)驗(yàn)室用3000MU型激光粒度儀進(jìn)行測定，共測定50個樣品。鹽爪爪灌叢沙堆土壤機(jī)械組成以美國制[12]作為土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)。采用Folk-Ward的圖解法[13]計算粒度參數(shù)：平均粒徑(d0)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)、偏度(SK)與峰態(tài)(Kg)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2010對灌叢沙堆數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0軟件對灌叢沙堆數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、運(yùn)用Origin 2017繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍封對鹽爪爪灌叢沙堆形態(tài)特征的影響

由表1可知，2個樣區(qū)灌叢沙堆個數(shù)相差97個，非圍封區(qū)是圍封區(qū)的1.54倍?？梢姺菄鈪^(qū)灌叢沙堆密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圍封區(qū)。圍封區(qū)Hz，C較非圍封區(qū)分別增加96.89%，28.04%(p<0.05)，有利于灌叢截阻更多的流沙。另外，根據(jù)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對灌叢沙堆相關(guān)指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)Hd，V，Ad，L/W組內(nèi)和組間Sig值>0.05，說明非圍封區(qū)和圍封區(qū)這些指標(biāo)無顯著差異；其余指標(biāo)組內(nèi)和組間Sig值<0.05，說明非圍封區(qū)和圍封區(qū)其余指標(biāo)存在顯著差異。

表1 不同圍封方式灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計分析

注：小寫字母相同表示差異不顯著，p>0.05；小寫字母不同，表示差異顯著，p<0.05。

2.2 鹽爪爪灌叢沙堆各形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系

在2個樣區(qū)中，L與W的相關(guān)系數(shù)分別為0.869，0.854，說明在2個樣區(qū)中，灌叢沙堆L與W在0.01水平上呈顯著相關(guān)。根據(jù)回歸方程可知，L與W在非圍封區(qū)和圍封區(qū)均為一次函數(shù)，R2分別為0.729 5，0.755 2。說明灌叢沙堆寬度隨長度的增大而增大，但圍封區(qū)增大速率較非圍封區(qū)快(圖1A，B)。

在2個樣區(qū)中，H與D在0.01水平上呈顯著相關(guān)，H與D的相關(guān)系數(shù)分別為0.635，0.759，回歸方程均為二次函數(shù)，R2分別為0.625 5，0.410 3，其中，二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)，表明沙堆形成初期，灌叢高度隨水平尺度增加而增高，然后到達(dá)一定高度后，隨水平尺度增加，灌叢高度逐漸降低。截距為負(fù)，說明該樣區(qū)在灌叢沙堆形成之前，便有一定高度(圖1C，D)。

2樣區(qū)內(nèi)，Ac與V在0.01水平上均呈顯著相關(guān)，Ac與V的相關(guān)系數(shù)分別為0.843，0.817。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)2樣區(qū)最佳擬合方程為冪函數(shù)，R2系數(shù)分別為0.929 7，0.778 3。由公式知，其冪函數(shù)指數(shù)均大于1，擬合曲線上陡下緩，即起初灌叢沙堆側(cè)影面積增加速率大于體積增大速率，當(dāng)達(dá)到某一值后，沙堆體積增大速率小于側(cè)影面積的速率(圖1G，H)。

2樣區(qū)中，Hd與Ad在0.01水平上均呈顯著相關(guān)，Hd與Ad的相關(guān)系數(shù)分別為0.762，0.885?；貧w方程均表現(xiàn)為一次函數(shù)，R2分別為0.996 8，0.464 0。在非圍封區(qū)Ad與Hd為一次函數(shù)，表明沙堆高隨底面積增大而增高；在圍封區(qū)為二次函數(shù)，其二次系數(shù)為負(fù)，沙堆高度隨底面積增大而增高，表明起初沙堆高度隨底面積增大而增高，當(dāng)沙堆高達(dá)到51 cm左右，經(jīng)過短暫的穩(wěn)定期后，沙堆高隨底面積增大而減小。這說明2種圍封方式下灌叢沙堆均處于初始發(fā)育階段(圖1E，F(xiàn))。

2.3 鹽爪爪灌叢沙堆表層沉積物粒度特征

2.3.1 鹽爪爪灌叢沙堆表層沉積物粒度特征 由表2知，非圍封區(qū)與圍封區(qū)鹽爪爪灌叢沙堆土壤顆粒組成主要以細(xì)砂(48.89%，47.74%)和極細(xì)砂(24.83%，24.36%)為主，其次是中砂(12.75%，15.49%)和粉粒(10.47%，9.59%)，其他粒徑含量相對較少。圍封區(qū)灌叢沙堆表層沙粒分布較非圍封區(qū)集中。從不同坡向看，迎風(fēng)坡黏粒、粉粒和極細(xì)砂含量小于背風(fēng)坡，其他砂粒含量與之相反。也就是說，由迎風(fēng)坡向背風(fēng)坡沙粒趨向于細(xì)化。從不同坡位看，黏粒、粉粒含量表現(xiàn)為：坡頂>背風(fēng)坡坡底>背風(fēng)坡坡中>迎風(fēng)坡坡中>迎風(fēng)坡坡底；極細(xì)砂：背風(fēng)坡坡底>背風(fēng)坡坡中>坡頂>迎風(fēng)坡坡中>迎風(fēng)坡坡底；細(xì)砂：迎風(fēng)坡坡中>背風(fēng)坡坡中>背風(fēng)坡坡底>坡頂>迎風(fēng)坡坡底；其他粒徑含量大體表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂。從中可以發(fā)現(xiàn)，從坡底到坡頂沙粒趨于細(xì)化。

2.3.2 鹽爪爪灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)特征 平均粒度(d0)反映了沙堆表層沉積物平均粒度分布狀況。標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)反映了表層沉積物分布的離散狀況；其值越小表示沉積物分布集中，分選性越好，反之分選性越差。偏度(SK)反映沉積物粒度頻率曲線的對稱性，表示沉積物粗細(xì)分布特征。峰度(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)。由表3可知，2個樣地灌叢沙堆表層沉積物由坡底到坡頂平均粒度逐漸減小，且背風(fēng)坡小于迎風(fēng)坡，說明平均粒徑逐漸細(xì)化；灌叢沙堆表層沉積物δ在0.96～1.43，說明2個樣地灌叢沙堆不同坡向和坡位分選性表現(xiàn)為中等和較差；SK在-0.95～-0.05，坡底和坡中呈極負(fù)偏，坡頂近于對稱，說明表層沉積物以細(xì)組分為主。而Kg分別呈中等、尖窄和很尖窄，說明沉積物顆粒頻率分布曲線峰形逐漸變窄，沉積物顆粒分布較為集中。

圖1 不同圍封方式鹽爪爪灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)之間關(guān)系

3 討 論

吉蘭泰鹽湖荒漠綠洲過渡帶屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)是該區(qū)域沙粒運(yùn)移的主要動力來源。前人研究表明，植被蓋度是影響土壤風(fēng)蝕狀況的關(guān)鍵因素，植被通過覆蓋地表，阻擋氣流分解風(fēng)力，改變灌叢沙堆風(fēng)場結(jié)構(gòu)和灌叢積沙體表面蝕積分布。本研究發(fā)現(xiàn)，非圍封區(qū)沙堆單體規(guī)模、沙堆密度較圍封區(qū)大，說明圍封對鹽湖周邊生態(tài)環(huán)境有一定改善作用。多年圍欄封育，植被生長條件得到改善，植被蓋度為20%，而非圍封區(qū)僅為8%，植被蓋度增加不僅增大地表沙粒起動風(fēng)速，減少或抑制表層顆粒物質(zhì)的吹蝕，而且有利于細(xì)顆粒物質(zhì)降塵堆積。此外，鹽爪爪蒸騰速率一般小于其他沙生灌木，有利于保持土壤水分，防治土壤進(jìn)一步風(fēng)蝕。植物阻沙能力是由地上部分和地下部分共同作用的結(jié)果[14]。圍封區(qū)鹽爪爪高度大于非圍封區(qū)，可能是因?yàn)閲鈪^(qū)灌叢沙堆水分、養(yǎng)分條件優(yōu)于非圍封區(qū)，該結(jié)果有待于進(jìn)一步論證。非圍封區(qū)灌叢沙堆植被蓋度在18%～78%，圍封區(qū)在35%～81%，說明2種圍封方式下絕大部分灌叢沙堆處于連續(xù)堆積的狀態(tài)[15]。

表2 不同圍封方式灌叢沙堆表層土壤顆粒組成

表3 不同圍封方式灌叢沙堆表層粒徑配級

本研究中，非圍封區(qū)與圍封區(qū)灌叢沙堆H與L，W比值分別為0.13，0.17，0.28，0.38，表明灌叢沙堆水平增長速度大于垂直增長速度，這是鹽爪爪生長發(fā)育過程中的一種自我保護(hù)策略[16]。非圍封區(qū)和圍封區(qū)灌叢沙堆L與W最佳擬合關(guān)系為一次函數(shù)，該試驗(yàn)結(jié)果與張金虎等[17]等對荒漠綠洲過渡帶的影響結(jié)果不同。這說明2種圍封方式下鹽爪爪灌叢沙堆均處于初始發(fā)育階段[3,11]。通過函數(shù)斜率可知，圍封區(qū)灌叢沙堆增長速率大于非圍封區(qū)，表明圍封區(qū)灌叢沙堆攔截沙的能力能力大于非圍封區(qū)。灌叢沙堆D與H最佳擬合方程為二次函數(shù)，根據(jù)二次方程求出，灌叢沙堆高度分別為128 cm，83 cm，對應(yīng)的水平尺度分別為232 cm，72 cm?？梢娚扯炎畲蟾叨冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測值，說明灌叢沙堆現(xiàn)在仍然處于初始發(fā)育階段，且非圍封區(qū)增長空間較圍封區(qū)大。而2種圍封方式下灌叢沙堆Ad與Hd最佳擬合曲線分別為一次函數(shù)和二次函數(shù)，該試驗(yàn)結(jié)果與彭飛等[18]對白刺灌叢沙堆的研究結(jié)果相同。灌叢沙堆Ac與V最佳擬合函數(shù)為冪函數(shù)，這是鹽爪爪與風(fēng)沙流之間互饋效應(yīng)的結(jié)果。鹽爪爪植株生長，使其捕沙能力增強(qiáng)，促進(jìn)沙堆體積快速增長，而沙物質(zhì)增多又增加了鹽爪爪的增長。

灌叢沙堆是遠(yuǎn)源和近源沙物質(zhì)遇到灌叢阻攔，并在周圍沉積、重新分選形成的[19-20]。本研究中，2種圍封方式下灌叢沙堆表層沉積物差異不大，總體特征為以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，其次是粗砂，粉粒和黏粒含量相對較少。平均粒徑(>122.53 μm)偏粗，分選性差，沉積物主要以粗組分為主，顆粒分布相對分散。該結(jié)果與尚河英等[21]對不同立地鹽爪爪灌叢沙堆的研究結(jié)果一致，再一次證明了2種圍封方式下鹽爪爪灌叢沙堆處于初始發(fā)育階段。但非圍封區(qū)灌叢沙堆粉粒、黏粒含量較圍封區(qū)多，有利于灌叢沙堆碳氮物質(zhì)的積累[22]。非圍封區(qū)地表植被覆蓋度較低，為土壤風(fēng)蝕提供了條件，促進(jìn)了地表細(xì)顆粒物質(zhì)的流失。其次，非圍封區(qū)的灌叢沙堆密度大于圍封區(qū)，使進(jìn)入樣區(qū)的紊流加強(qiáng)，氣流對丘間低地的侵蝕作用加強(qiáng)，導(dǎo)致灌叢沙堆表層沉積物質(zhì)粉粒、黏粒含量大于圍封區(qū)。另外，表層沉積物由迎風(fēng)坡向背風(fēng)坡沙粒趨向于細(xì)化，從坡腳到坡頂沙粒趨于細(xì)化。這是順風(fēng)向粒度變細(xì)的結(jié)果。風(fēng)沙流在運(yùn)移過程中受到灌叢沙堆阻擋，在迎風(fēng)坡前形成反射流，與前進(jìn)的氣流相撞，消耗了一部分能量，風(fēng)速在迎風(fēng)坡前降低，加之粗顆粒自身重力的影響，使粗顆粒在此沉積。與此同時，風(fēng)沙流在向上爬升過程中消耗的能量最多，加之鹽爪爪植株干擾，使到達(dá)頂端的風(fēng)沙流風(fēng)速最低，細(xì)顆粒物質(zhì)在此沉積。而剩余細(xì)顆粒物質(zhì)被運(yùn)移至背風(fēng)坡，氣流在背風(fēng)坡形成回旋流，風(fēng)速再次減弱，輸沙率降低，細(xì)顆粒物質(zhì)在背風(fēng)坡沉降[23]。另外氣流由灌叢沙堆兩側(cè)向背風(fēng)坡移動過程中，由于受到灌叢和積沙體共同作用，氣流向外擴(kuò)散，使到達(dá)背風(fēng)坡風(fēng)速減小，細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行沉降[24]。

4 結(jié) 論

(1) 非圍封區(qū)鹽爪爪灌叢沙堆密度是圍封區(qū)的1.54倍。吉蘭泰鹽湖區(qū)灌叢沙堆形態(tài)相關(guān)性(r>0.762)較好，且灌叢沙堆均處于初級發(fā)育階段。

(2) 灌叢沙堆表層顆粒主要以細(xì)砂(>45%)和極細(xì)砂(>20%)為主，但圍封區(qū)粒度集中度大于非圍封區(qū)，同時灌叢沙堆迎風(fēng)坡向背風(fēng)坡沙粒趨向于細(xì)化，從坡腳到坡頂沙粒趨于細(xì)化。灌叢沙堆表層沉積物粒度由坡底到坡頂、迎風(fēng)坡到背風(fēng)坡平均粒度逐漸減??；灌叢沙堆分選性(δ>0.96)較差，沉積物粒度主要以粗組分為主，沉積物顆粒分布較為分散。