古爾班通古特沙漠南緣梭梭固沙林土壤粒度的分異規(guī)律

王永兵, 李亞萍

(1.甘肅亞盛農業(yè)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011； 3.沈陽農業(yè)大學 農學院， 遼寧 沈陽 110000)

古爾班通古特沙漠位于中國北方沙漠及沙漠化地帶最西北部的準噶爾盆地腹地，介于44°11′—46°20′N和84°31′ —90°00′ E，面積達4.88×104km2，是中國惟一受西風氣流控制的沙漠，也是中國最大的固定與半固定沙漠。莫索灣地區(qū)位于古爾班通古特沙漠南緣，主要地貌類型為半固定沙丘及沙地，地表顆粒松散，穩(wěn)定性低，對當?shù)鼐G洲農田和人民生活威脅較大[1]。為此，從1982年開始進行大量營造人工梭梭林以恢復植被和生態(tài)環(huán)境，主要類型包括積雪固沙林、集水固沙林和秋灌固沙林。有研究表明，人工植被恢復工程可以使土壤沙漠化過程發(fā)生逆轉[2]。自1956年“以固為主、固阻結合”的植被固沙防護體系建立以來[3-6]，塔克拉瑪干沙漠南緣、毛烏素沙漠西南緣及騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)，都相繼通過植被恢復來固定流沙進而防御沙漠化發(fā)展[7-9]。不同防護體系的建立對于沙漠化的阻滯作用是不同的，人工造林是防治沙漠化的有效途徑之一。

現(xiàn)階段已有莫索灣地區(qū)人工梭梭林植被調查，生境地形與土壤理化性質關系方面的報道[10-13]。由于土壤轉變的過程和演變的機理因地區(qū)環(huán)境和土地利用過程而異，該地區(qū)積雪固沙林離沙包最近，防護林處于沙源處，但人工植被恢復下土壤的演變尚不明確。為此，本文分析了該地區(qū)不同梭梭固沙林土壤粒度分異規(guī)律與沙源距離的關系，旨在了解不同植被覆蓋下各林地經過長期的生長演替后對沙塵物質的攔截作用，深入理解梭梭林在當?shù)胤里L固沙、維護綠洲—荒漠生態(tài)平衡中的重要作用，為沙化土地治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)的地理坐標為東經86°06′—86°50′，北緯44°40′—45°，海拔高度346.8 m。沙丘多為壟狀沙丘，高度5～20 m。該區(qū)域年平均氣溫4～6 ℃，年降水量114.89 mm，潛在蒸發(fā)量1 942.1 mm，干燥度為16.9，≥10 ℃的活動積溫3 000～3 500 ℃，年均日照時數(shù)為3 100～3 200 h；春夏兩季為風季，最大風速達20 m/s。該區(qū)冬季積雪厚度約為13 cm左右，最厚可達27 cm[1]。主風向東南風向。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 2017年8月在石河子150團莫索灣人工防護林體系按照從東北到西南依次距離固定沙丘不同的距離選擇4個樣地作為研究對象，樣地詳情見表1。

表1 古爾班通古特沙漠南緣梭梭固沙林樣地基本特征

表1中所列4種樣地類型中，樣地A(寬度875 m，長度1 510 m，高程335 m)位于沙源處，植被蓋度為23.5%的人工梭梭，屬于積雪固沙林，造林時間為1983年；樣地B(距離沙丘335 m，寬度351.9 m，長度1 200 m)，為覆蓋度為8.3%的梭梭、檉柳、沙拐棗和琵琶柴群落，屬于自然植被帶；樣地C(距離沙丘536.7 m，寬度319.5 m，長度831 cm)，植被蓋度為14.7%的梭梭和檉柳群落，屬于集水造林，造林時間為1982年；樣地D(距離沙丘1 044.8 m，寬度423.8 m，長度688 m)，植被蓋度為32%的梭梭、檉柳群落，屬于秋灌造林，造林時間為1983年(各人工林營造后不再進行任何灌溉)。采用系統(tǒng)隨機取樣的方法進行樣地的選擇和布設，每個樣方(20 m×20 m)通過踏勘和調查，每個樣地內設置3個采樣點，距離分別為10 m，每個采樣點土壤剖面按10 cm間距取樣，即每一層深度10 cm，總共為150 cm。采樣時選用土鉆，取樣后將土樣裝入自封袋，每個采樣點土樣為3次混合而成。所有沙樣帶回實驗室后進行測試和分析。土樣前處理具體方法：稱取過2 mm篩風干土樣5.0 g，加入濃度15%的H2O2，低溫加熱直到不再產生泡沫為止，有效地除去樣品中的有機質；加入10 mL 0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液攪拌均勻后浸泡過夜。測量時，充分攪勻土壤溶液，迅速吸取溶液加入到儀器的樣品池中，超聲波處理5 min使土樣充分分散，每個樣品3次重復[14]。

1.2.2 指標測定 土壤粒徑采用BT-2001型激光粒度分布儀(濕法)完成樣品的粒度分析，結果以體積百分含量表示，根據(jù)溫德華粒級標準劃分方法[15]，統(tǒng)計各輸沙樣品的顆粒級配，并根據(jù)Folk-Ward圖解法[16]進行粒度分級，并計算粒度參數(shù)(平均粒徑φ，分選系數(shù)σI，峰度KG，偏度SkI)。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 不同土層理化性質的變化與環(huán)境因素及其影響程度有關。本文根據(jù)研究區(qū)強風沙塵較多，風蝕、降塵影響50 cm以上土層，將土層分為0—50， 50—100， 100—150 cm共3個層次考慮。差異顯著性分析采用IBM Statistics SPSS 19.0軟件對各項指標進行描述性統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)正態(tài)檢驗，對不同距離處梭梭林的土壤粒徑以及同一梭梭固沙林不同深度的土壤粒徑進行ANOVA Turkey HSD方法分析，數(shù)據(jù)整理和圖表制作采用Excel 2010和Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒組成特征

從表2可知，距離沙源處的積雪固沙林各土層均以粗粉砂為主，含量達到66.18%，無黏粒和極細砂，且土壤各粒徑含量均與自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林差異顯著。從整體上看，隨著與沙源距離的增加，積雪固沙林、自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林粗粉砂、極細砂含量依次減小，黏粒和極細粉砂含量依次增大；對于單個梭梭林，自然植被帶表層黏粒含量為13.08%，下層又降低至10.82%，降幅達到20.80%；集水固沙林和秋灌溉固沙林表層黏粒含量分別為13.73%和20.05%，到下層分別升高至21.45%和21.80%，增幅分別達到56.00%和9.10%。集水固沙林變化幅度最大，自然植被帶次之，秋灌溉最小。

表2 古爾班通古特沙漠南緣梭梭固沙林植被恢復后各林地土壤顆粒組成分層特征

2.2 土壤粒度參數(shù)

由表3可知，隨著與沙源距離的增加，土壤表層平均粒徑依次增大。自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林表層、中層和下層土壤平均粒徑φ值分別為6.32，6.85，6.29和6.38，6.60，7.15及6.67，7.09，7.18，由此可知，無論是梭梭林的表層還是下層，越靠近積雪固沙林(即沙源處)，土壤平均粒徑越小，3種梭梭林地表層的土壤平均粒徑均大于下層，但3種造林方式下，土壤的平均粒徑均大于積雪客沙林(4.25，4.30，4.27)，平均粒徑代表粒度分布的集中趨勢，表示沉積介質的能量值[16]，因而距離沙源越近，各梭梭林沉積時的運動能量(風速)越大，積雪客沙林>自然植被帶>集水固沙林>秋灌溉固沙林。

表3 古爾班通古特沙漠南緣梭梭固沙林土壤粒度參數(shù)的變化特征

自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林土壤粒度的分選系數(shù)分布較為集中，分別為1.33，1.18，1.25和1.25，1.23，1.19和1.39，1.20，1.27，按照Folk分選等級標準，其分選狀況均表現(xiàn)為較差，說明研究區(qū)土壤粒度分布較為集中。其中，秋灌溉固沙林距離沙源最遠，其表層土壤粒度分布最為集中，分選狀況最差，其次為自然植被帶，但是各梭梭林下層土壤粒度分選狀況要優(yōu)于表層。積雪固沙林位于沙源處，土壤粒度分選狀況要優(yōu)于其他3種梭梭林地，表現(xiàn)為分選較好?？梢?，距離沙源越遠，梭梭林內沙物質受風力的作用依次減弱。

自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林3種梭梭林地土壤粒度偏度和峰度分布都較為集中，其值為0.18～0.19，1.03～1.04，按照土壤粒度分布等級劃分標準，偏度狀況均為正偏，且為中等峰態(tài)，這表明沙物質粒度粗細分配的對稱性較差，主要是與沙源距離的不同，加上地表植被覆蓋減弱林帶內風沙活動的強度，使得在風吹蝕的作用下沙源土壤的細粒物質被搬運而離開原位的數(shù)量不同，各梭梭林內堆積物的狀態(tài)亦不相同。參照表2可知，3塊樣地研究區(qū)土壤粒度組成以粉沙為主，此外，雖然這3塊梭梭林地土壤粒度偏度等級均為正偏，但其偏度大于積雪固沙林0.09～0.1；這說明土壤粒度分布較均勻，集中程度比較好，存在明顯的優(yōu)勢粒徑級別粉砂。除了積雪固沙林，各梭梭林地土壤粒度分布趨于寬平。

2.3 土壤粒徑分布累積特征

如圖1所示，積雪固沙林土壤粒徑的分布范圍為3.09～6.33 φ，眾數(shù)粒徑值為4.01 φ，對應含量為14.8%；自然植被帶土壤粒徑分布范圍為2.94～11.6 φ，眾數(shù)粒徑值為5.5 φ，對應含量為4.8%；集水造林粒徑分布范圍為3.72～12.06 φ，眾數(shù)粒徑值為6.1 φ，對應含量為4.5%；秋灌溉固沙林土壤粒徑分布范圍3.72～12.37 φ，眾數(shù)粒徑值為6.3 φ，對應含量為4.3%。總體上看，距沙源不同距離處，各梭梭林粒徑分布范圍相似，但秋灌溉固沙林黏粒含量最高，自然植被帶較集水造林區(qū)和秋灌溉地區(qū)粒徑分布變粗，積雪固沙林地較其他幾種造林方式下的粒徑分布更粗且范圍變小。主要原因是粒徑小于50 μm的粉砂和黏粒顆粒能夠被風懸移很長距離，通常粒徑在100～150 μm的沙粒最容易以躍移的形式運動[17]。

圖1 古爾班通古特沙漠南緣梭梭固沙林不同樣地土壤概率分布特征

由圖2知，不同的造林方式下土壤粒徑的概率累積曲線均為3段式，積雪固沙林、自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林蠕—躍移組分截點的平均粒徑分別為3.98,4.32,4.86,5.2 φ，其躍—懸移截點分別在平均粒徑5.46,10.82,10.85,10.87 φ處，自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林的截點粒徑偏細，表明沙粒整體處于低能環(huán)境中，顆粒的運動性下降，其中秋灌溉固沙林下降最低。積雪固沙林、自然植被帶、集水固沙林、秋灌溉固沙林蠕移、躍移段曲線斜率大小依次減小，表明在莫索灣氣候條件下，距離沙源越遠，各梭梭林形成微環(huán)境風力的作用依次減小，人工梭梭林起到了防風固沙的效果。

3 討 論

積雪固沙林離沙包最近，防護林處于沙原處，本研究中，4種不同植被類型的典型樣地具有不同的風沙活動強度和地表蝕積規(guī)律，防風固沙的效果也不相同。流動沙丘上營造梭梭林使得地表植被覆蓋度增加，局部區(qū)域風沙活動減弱。劉進輝等[18]研究表明，在植被蓋度<5%的沙丘上，普遍發(fā)生強烈的風蝕，并伴隨著地表物質組成的普遍粗化。在沙丘上營造人工林有利于增加荒漠林的密度，現(xiàn)階段積雪固沙林植被蓋度達到23.5%，平均株高為2.15 m，良好的植被生長有效的改善了局部的土壤環(huán)境，其林內土壤粒徑分布相對集中，表層細顆粒(黏粒和粉粒)含量較下層增加，但變化不顯著。這與席軍強等[19]對民勤人工梭梭林土壤粒度的研究中發(fā)現(xiàn)流動沙丘上營造梭梭林以及人工植被的發(fā)育和沙丘固定年限的延長，其表層土壤粘粒、粉粒含量遠遠高于其他土層的研究結果有差異。原因是積雪固沙林沙粒主要來自古爾班通古特沙漠，該地區(qū)沙粒具有獨特的均一性，此時植被覆蓋度對風力產生影響，地表植被覆蓋減弱林帶內風沙活動的強度，使得在風吹蝕的作用下沙地表層土壤的細粒物質被搬運而離開原位的數(shù)量減小。

研究區(qū)沙粒較細，都屬于風力有效搬運的范疇，樣地B，C，D距離沙丘的位置依次增大，各造林地受植被蓋度以及沙丘位置的影響，輸沙量的大小依次減小。土壤顆粒沉積過程中粒度參數(shù)與沙源距離之間存在很好的相關性，關于沙粒的運動形式，輸沙率隨沙源距離的增加而減小，風速越大，差異越明顯[17]。有研究表明，最小粒徑小于100 μm的砂粒運動在大風中可能接近懸移狀態(tài)，但只有粒徑小于50 μm的粉砂顆粒和黏粒能夠被風懸移很長距離；躍移運動是風沙運動的主要形式，約占全部搬運沙量的3/4左右，通常粒徑在100～150 μm的沙粒最容易以躍移的形式運動；而粒徑在500～2 000 μm的沙粒都屬于表層蠕移的范疇[20]。植被覆蓋對近地表氣流中的輸沙量有決定性作用，不規(guī)則的植株排列方式在降低風速、發(fā)揮阻沙效果的作用更明顯[21]。在模擬風洞試驗的條件下，高度越高，積沙累積百分含量較高[22]。有研究表明[23]，當植被蓋度達到30%左右時，沙物質處于連續(xù)堆積狀態(tài)，達到14%時堆積大于侵蝕。本研究中，在距離沙丘最近的樣地作為沙丘與人工林的過渡帶，植株的排列方式與主風向呈無規(guī)則的零散分布和隨機分布，植株的蓋度為8%，受風蝕的作用較顯著，表層細顆粒被吹蝕，土壤粒徑變大。距離沙丘較遠的2塊林地，在經過35 a生長演替后，現(xiàn)階段植被密度均有所提高，林分已形成異齡復層混交林[9]，植株高度和蓋度分別為197 cm，14.7%和231 cm，32.3%，由于植株單體高大，密集的枝條及柔軟的同化枝有利于截獲部分懸浮運動的細粒物質。該區(qū)域土壤有一個眾數(shù)粒徑的存在，其值大約在8 μm左右，完全處于懸浮運動的范圍，可能是沙塵天氣將一部分懸移質遠程輸送到研究區(qū)域所致。

人工梭梭林表層土壤粒徑較自然植被帶細化，除了與林內風沙活動和植被的蓋度有關之外，與林地下墊面亦有關。對于同一地區(qū)不同觀測點來說，下墊面的情況是影響風吹蝕的主要因素，主要是因為不同的下墊面對風沙的啟動風速、躍移高度、能量衰減影響不同[24]。本研究中，由概率累積曲線可知，樣地B，C，D林內風沙活動依次減弱，因此對風動能的消耗作用亦減小，沉積時的運動能量逐漸減弱。樣地B土壤類型屬于龜裂堿土，降水的淋溶作用對其影響不顯著，枯落物進入土壤的含量較少，對土壤的改良作用較小。而樣地C和樣地D為人工梭梭植被，下墊面較粗糙，生物結皮大量拓殖[25]，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)明顯的表聚效應，可以蓄積一定量的雨水。樣地C生物結皮蓋度達到30%，樣地D達到70%以上，厚度達到1.5 cm，生物結皮可以遮蔽保護土壤表層，使得表層土壤中的細粒物質得以保存和恢復。

4 結 論

隨著固沙林距離沙源距離的增大，形成微環(huán)境風力的作用依次減小，土壤顆粒的運動性依次下降。無論是表層還是下層，各梭梭林土壤平均粒徑隨著與沙源距離的增大而依次減小。在沙源處，粒徑主要受植被的影響。表層土壤粒度特征存在差異反映了各梭梭林在不同的植被覆蓋下風沙活動強度對其的影響。自然植被帶與人工梭梭林能夠有效攔截和固定大量的風蝕物質，形成一個自然—人工流沙防治系統(tǒng)，但由于自然植被生長狀況不如人工林，在植被大量衰退和強風蝕作用下對風沙的攔截作用較弱，因而，在自然植被帶外圍人工造林對當?shù)仫L沙的阻擋作用起到至關重要的作用。今后該地區(qū)工作重點應放在加強對各梭梭林地的管理，保證其群落的穩(wěn)定性，防止種群退化，實現(xiàn)治理后的沙化土地可持續(xù)性。