甘肅河西走廊典型戈壁土壤粒度特征分析

張德魁，安富博，趙艷麗，柴成武，趙錦梅，紀(jì)永福,4，唐進(jìn)年，丁 峰，李昌龍

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 武威 733000；3.甘肅省荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300；5.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

隨著對區(qū)域土地利用與覆被變化研究的深入，人類活動所引起的土壤質(zhì)量變化問題已成為國內(nèi)外學(xué)者和政府管理部門十分關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。有研究表明，土地利用作為人類開發(fā)土地資源進(jìn)行特定生態(tài)經(jīng)濟(jì)活動的綜合反映，是影響土壤理化性狀變化最普遍、最直接的因素之一，在很大程度上影響著區(qū)域土壤質(zhì)量變化的程度和方向[2]，不同土地利用方式及其植被覆蓋類型對土壤的理化性質(zhì)會產(chǎn)生顯著的影響。土壤粒度分布受多種因素的影響，包括氣候、生物、地形、母質(zhì)、植被類型、人類活動等[3]。土壤粒度組成不僅決定著土壤的理化性質(zhì)，它的變化還可以引起土壤養(yǎng)分等的變化[4]。以往對甘肅河西地區(qū)土壤性狀的研究主要集中在綠洲區(qū)內(nèi)及沙地土壤肥力狀況等方面[5-7]，而對河西戈壁區(qū)的土壤粒度變化方面的研究較少。本研究選取甘肅河西戈壁區(qū)東部的景泰戈壁到西部的敦煌戈壁的典型土壤剖面作為研究對象，分析典型戈壁不同樣地不同土層深度土壤的粒度組成及其分形特征，以期為研究河西戈壁土壤資源的分布和保護(hù)利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

1 區(qū)域概況

甘肅河西走廊東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于南山(祁連山和阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)之間，長約1 000 km，寬僅數(shù)公里至百余公里，面積11.1萬km2，為西北—東南走向的狹長平地，形如走廊，因在黃河以西而得名。走廊戈壁區(qū)年平均降水量從西端的60 mm增加至東端的610 mm，空間分布很不均勻，時(shí)間主要集中在6—8月；潛在蒸發(fā)量為1 400～3 010 mm；年平均氣溫5.8～9.3 ℃，絕對最高氣溫42.8 ℃，絕對最低氣溫-29.3 ℃，二者較差72.1 ℃，晝夜溫差平均15 ℃左右；年平均風(fēng)速為3.1 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)為31.6 d，大風(fēng)天氣主要集中在3—5月，期間大風(fēng)日數(shù)占全年大風(fēng)日數(shù)的51.3%；年平均沙塵暴日數(shù)為36 d。河西的戈壁類型多樣，分布范圍廣，礫質(zhì)戈壁、沙礫質(zhì)戈壁、土質(zhì)戈壁等在東西方向上交錯分布、差異性強(qiáng)，在南北方向上條帶狀分布明顯。在走廊不同地段戈壁土質(zhì)不同，西部為棕荒漠土，中部為灰棕荒漠土,東部為灰漠土、淡棕鈣土和灰鈣土。地帶性植被主要由超旱生灌木和半灌木組成，主要植物有紅砂(Reaumuriasoongorica)、白刺(Nitrariatangutorum)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、合頭草(Sympegmaregelii)、針茅(Stipacapillata)、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)等。分布的動物主要有野馬、野驢、野駱駝、灘黃羊、鵝喉羚等。

2 研究方法

2.1 樣地選取和樣品采集

樣地選?。焊鶕?jù)科考工作和研究任務(wù)的需要，樣地選取包括了河西走廊戈壁區(qū)主要的石質(zhì)、礫質(zhì)、沙礫質(zhì)、鹽化、土質(zhì)、雅丹等戈壁地質(zhì)類型，從65個(gè)樣地中篩選出16個(gè)典型樣地，其位置及地貌植被情況見表1。

表1 樣地位置及地貌植被信息

樣品采集：在各典型戈壁樣地上挖60 cm深的土壤剖面，按0～2、2～20、20～40、40～60 cm分四層取樣。由于戈壁區(qū)礫石分布較廣，因此現(xiàn)場將所取土樣分為七級(>80、50～80、25～50、10～25、5～10、2.5～5和<2.5 mm)并分別過篩稱量記錄，然后將粒徑小于2.5 mm的土樣稱量后裝入自封袋，帶回試驗(yàn)室做測試分析。

2.2 土樣測定

將帶回實(shí)驗(yàn)室的土樣(粒徑<2.5 mm)先研磨、稱樣，再依次完成以下操作：①煮樣。將30%的H2O2與純凈水(1∶2)溶液10 mL加入稱好樣品的100 mL燒杯，用CB-VA電熱爐高溫(220～260 ℃)煮樣，煮樣過程中要不斷加入純凈水以防燒干，直至樣品液不冒氣泡為止(用時(shí)2～3 h)。②定容。在煮好的樣品液中加入10 mL的HCl溶液再煮沸后加入純凈水至100 mL處，定容10～12 h。③分散。用導(dǎo)管將燒杯中定容后的樣品液的上清液及雜質(zhì)抽取后，加入約10 mL的(NaPO3)6溶液，再用KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器對樣品顆粒物進(jìn)行超聲波分散清洗(水溫25～35 ℃，時(shí)間6～9 min)。上述3個(gè)步驟是對樣品采用H2O2-HCl-(NaPO3)6法預(yù)處理[8]。④測定。利用馬爾文MS 2000激光粒度分析儀測定粒度組成與粒徑分布。為保證測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有樣品均重復(fù)測定3次，取其平均值。根據(jù)馬爾文質(zhì)量審核標(biāo)準(zhǔn)，測量精度Dv50具有±1%的精度，測定范圍為0.02～2 000 μm，重復(fù)測量誤差應(yīng)小于2%。測試工作由甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)粒度分析室負(fù)責(zé)完成。

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)：運(yùn)用粒度儀自帶軟件計(jì)算樣品統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)，包括最大粒徑、中值粒徑、平均粒徑、單位體積比表面積、峰度、偏度等；運(yùn)用SPSS13.0分析顆粒組成特征與統(tǒng)計(jì)學(xué)特征之間的相關(guān)性。

(2)分形維數(shù)：分形理論最早是由Mandebort提出來的[9]，目前已經(jīng)成為描述自然界復(fù)雜和不規(guī)則幾何形體的一種有效工具[10]。本研究主要借鑒程先富、張保華等[10-11]所采用的土壤顆粒分形維數(shù)計(jì)算方法來計(jì)算各樣品土壤顆粒的分形維數(shù)，公式為

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 典型戈壁土壤粒度組成與粒徑分布特征

土壤顆粒是構(gòu)成土壤固相骨架的基本顆粒，它們數(shù)目眾多，大小和形狀迥異，礦物組成和理化性質(zhì)變化甚大。土壤粒徑分布是土壤中的各級土粒含量的相對比例，根據(jù)不同顆粒組成所產(chǎn)生的特性，可對土壤質(zhì)地進(jìn)行劃分。為了量化反映河西走廊典型戈壁的土壤粒度組成及粒徑分布特征，以典型戈壁內(nèi)設(shè)樣地為單位，對不同樣地四個(gè)土層深度(0～2、2～20、20～40和40～60 cm)的土壤顆粒分別進(jìn)行分析，并繪制了土壤粒徑分布圖(見圖1—4)。

由圖1可知，在河西走廊戈壁區(qū)地表0～2 cm土層深度，典型戈壁不同樣地的土壤粒度組成與粒徑分布均不同。其中：粒徑為0.02～0.2 mm的細(xì)砂粒最多，其質(zhì)量百分比平均為33.37%，在5.82%～63.52%之間變動，變異明顯；其次是粒徑為0.002～0.02 mm的粉粒，其質(zhì)量百分比平均為17.66%，變動于4.01%～74.03%之間，其變異性更大；之后是粒徑為0.2～2.5 mm的粗砂粒，其質(zhì)量百分比平均為15.70%，變動于0～39.68%之間。除伏土型礫石質(zhì)戈壁(如s11)外，其余樣地<2.5 mm的各粒級質(zhì)量百分比在對應(yīng)粒級的平均值上下浮動，不同樣地呈現(xiàn)出不同的浮動范圍。在>2.5 mm的各粒級中，山前沖積型沙礫質(zhì)戈壁(如s07)的地表有>80 mm的礫石，質(zhì)量百分比占18.45%，50～80 mm的礫石質(zhì)量百分比占30.14%，粒徑在2.5 mm以上的顆粒質(zhì)量百分比高達(dá)88.53%，可見其表層土壤粒度整體上以礫石為主。

圖1 河西典型戈壁地表0～2 cm深度土壤粒徑分布

由圖2可知，在河西戈壁區(qū)2～20 cm土層深度中，典型戈壁不同樣地的土壤粒徑變化很大，0.02～0.2 mm細(xì)砂粒質(zhì)量百分比平均為30.23%，在6.15%～55.49%之間變動，0.002～0.02 mm的粉粒質(zhì)量百分比平均為16.88%，在2.57%～63.39%之間變動，總體上大多樣地是粒徑在0.002～0.2 mm的顆粒比例較大，其在雅丹地貌(如s15)中占到土壤總質(zhì)量的85.44%，在鹽化戈壁(如s13)中占90.87%，在土質(zhì)戈壁(如s16)中占90.43%，在湖積-堆積型沙礫質(zhì)戈壁(如s12)中占52.35%，而在沖積-洪積型沙礫質(zhì)戈壁(如s09)中含量最低，占8.72%。粒徑>5 mm的顆粒含量，在洪積侵蝕型礫石質(zhì)戈壁(如s10)中占比最大，達(dá)74.50%，這與其形成的土壤基質(zhì)有密切關(guān)系；其次是沖積-堆積型礫石質(zhì)戈壁(如s08)，占68.18%；而在鹽化戈壁(如s13)、雅丹地貌(如s15)和土質(zhì)戈壁(如s16)的土壤中均不包含該粒徑的顆粒物。

圖2 河西典型戈壁2～20 cm深度土壤粒徑分布

分析圖3得知，在河西典型戈壁20～40 cm土層深度中，土壤顆粒各粒徑含量相比上一層(2～20 cm)趨于均勻，總體上顆粒物要比上一層的粗化，其粒徑變粗。該土壤深度中0.2～2.5 mm的顆粒物含量明顯增多，在湖積-堆積型沙礫質(zhì)戈壁(如s12)中占69.33%，在殘積侵蝕型沙礫質(zhì)戈壁(如s03)中約占44.22%，但在雅丹地貌(如s15)中只占4.78%，鹽化戈壁(如s13)中更少，僅占0.05%，且在雅丹地貌和鹽化戈壁中均不含>2.5 mm的顆粒物。

圖3 河西典型戈壁20～40 cm深度土壤粒徑分布

由圖4可知，在河西典型戈壁40～60 cm土層深度的土壤粒度組成中，各粒徑顆粒物含量更加趨于均勻。根據(jù)粒徑的大小和含量的不同可明顯地劃分出戈壁的不同類型，最典型的為沙礫質(zhì)戈壁(s03、s04、s09、s12)，在0.2～25 mm粒徑范圍內(nèi)各粒徑顆粒物分別占有一定的比例，且土壤顆粒物的占比較大。在沖積-洪積型沙礫質(zhì)戈壁(如s09)占83.06%，殘積侵蝕型沙礫質(zhì)戈壁(如s03)占74.61%，湖積-堆積型沙礫質(zhì)戈壁(如s12)占83.97%，沙質(zhì)戈壁(如s05)占62.87%，沖積-堆積型礫石質(zhì)戈壁(如s08)占62.87%。

圖4 河西典型戈壁40～60 cm深度土壤粒徑分布

總之，對于低山殘丘(如s04)而言，其地表沉積物主要是基巖受物理風(fēng)化作用而形成的碎屑?xì)埛e物，細(xì)顆粒物較少。同時(shí)，受到化學(xué)風(fēng)化作用與少量生物風(fēng)化作用的影響，加之風(fēng)沙活動頻繁，易在此處發(fā)生受阻堆積和沉降堆積，使得細(xì)砂含量相對較多。因此，低山殘丘的殘積堆積物主要是基巖物理風(fēng)化形成的碎屑物的侵蝕堆積及少量化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化及山體或植被對區(qū)域沙塵、風(fēng)沙流的阻滯堆積與沉降堆積的反映。而沖積-洪積扇上部河道(如s09)則為上游高山殘丘形成的間歇性河流或洪水出山后形成的河道，河槽較深，殘丘坡度較大，發(fā)洪水時(shí)在地面形成急流，河道中的細(xì)小顆粒被洪水沖走，河道內(nèi)剩下大量的大石塊，在河道橫剖面的邊岸上大石塊的分布也較多；其下部河漫灘(如s10)沉積物屬于漫洪沉積，其典型特征是上層細(xì)、下層粗的河流沖積物二元沉積相結(jié)構(gòu)，地表的細(xì)粒物質(zhì)主要是河道洪水泛濫或漫流時(shí)，懸移質(zhì)沉積物向河道兩側(cè)溢出，從而在河漫灘上層形成了以細(xì)顆粒物質(zhì)為主體的沉積物，而在下層則沉積了粗砂、礫石，因而在其垂直剖面上構(gòu)成了典型的二元相沉積層。

3.2 典型戈壁土壤顆粒統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

河西典型戈壁不同土壤剖面各層次顆粒物粒徑差異很大，山前洪積沖積扇區(qū)域?qū)儆诤榉e型堆積戈壁，受洪積沖積影響地表分布有大的石塊，如沖積-堆積型礫石質(zhì)戈壁(如s07)和洪積侵蝕型礫石質(zhì)戈壁(如s10)的地表石塊最大粒徑均超過80 cm。前者是由于水搬運(yùn)的物質(zhì)在水流量流速變小的情況下，水動能減小、搬運(yùn)能力下降使搬運(yùn)物質(zhì)沉積而形成的，土壤成層性較好，粗大的顆粒先沉積，細(xì)小的顆粒后沉積，且具有較好的磨圓度，在土壤的垂直剖面下部為河床沉積(粗石礫)，上部為河漫灘沉積(泥質(zhì)和粉砂)；后者是由洪水堆積的物質(zhì)構(gòu)成，洪積戈壁常被稱作洪積扇，在扇溝口堆積物多，堆積厚度大，顆粒粗大，越向外堆積越少越薄，石礫磨圓度差，分選性較差。前者地表由于水的搬運(yùn)力較強(qiáng)，0～2 cm地表層的沖積堆積物較粗，粒徑>10 mm的顆粒占到總質(zhì)量的75.31%；而后者恰恰相反，地表粒徑>10 mm的顆粒占總質(zhì)量的2.06%，0.02～2.5 mm的顆粒卻占到總質(zhì)量的64.35%。兩者地表層土壤粒徑差異大，土壤在整個(gè)剖面上表現(xiàn)出明顯的二元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

在河西走廊典型戈壁中，沙礫質(zhì)戈壁(如s03、s06和s12)面積占比最大，其0～60 cm深度土層土壤的顆粒物粒徑較小，其中0.02～2.5 mm的顆粒物平均占到總質(zhì)量的28.88%，最高可占到74.15%。鹽化戈壁(如s13)和雅丹地貌(如s15)占有一定的面積比例，前者土壤中粒徑0.002～0.2 mm的顆粒物占總質(zhì)量的89.85%，且其土壤全鹽含量0～2 cm土層為16.04%，2～20 cm土層高達(dá)32.87%，20 cm以下土層全鹽含量迅速下降，含量小于3.20%；后者土壤中粒徑0.002～0.2 mm的顆粒物占總質(zhì)量的87.81%，細(xì)顆粒物占絕對優(yōu)勢。雅丹地貌主要分布在疏勒河中下游，瓜州縣城東面的布隆基鄉(xiāng)，公路兩側(cè)到處是造型各異、犬牙交錯的風(fēng)蝕灘地，為典型的雅丹地貌，地表平坦的砂巖層形成風(fēng)蝕壁翕、風(fēng)蝕蘑菇、風(fēng)蝕柱、風(fēng)蝕壟槽和風(fēng)蝕洼地、殘丘、城堡等各種地貌形態(tài)。

典型戈壁地表0～2 cm土層深度土壤顆粒物粒徑大小表現(xiàn)為礫石質(zhì)戈壁>沙礫質(zhì)戈壁>鹽化戈壁>雅丹地貌，礫石質(zhì)戈壁土壤顆粒物主要是>5 mm的石礫，沙礫質(zhì)戈壁主要是0.2～5 mm的沙礫，鹽化戈壁和雅丹地貌主要是0.002～0.2 mm的細(xì)顆粒物。不同類型戈壁土壤剖面差異很大，除鹽化戈壁、雅丹地貌和少部分沙礫質(zhì)戈壁外，其他大部分戈壁土壤剖面均有明顯的分層，且分層的深度變化差異很大，各分層的顆粒粒徑、土層堅(jiān)實(shí)度、土壤顏色等也有很大的差異。

3.3 典型戈壁土壤顆粒分形維數(shù)特征

采用公式(1)計(jì)算出16個(gè)樣地0～2、2～20、20～40和40～60 cm四個(gè)層次土樣的分形維數(shù)值，見表2。由表2可知，河西典型戈壁區(qū)土壤分形維數(shù)值分布范圍在1.677 5～2.999 9之間，平均為2.827 4。土壤分形維數(shù)最小值分布在s11樣地，該樣地為典型的伏土型礫石質(zhì)戈壁，也叫假戈壁，其不同土層深度土壤的粒徑變化較大，其中0～2 cm土層土壤顆粒的分形維數(shù)值最小，為1.677 5，2～20 cm土層分形維數(shù)值增大到2.342 1，20～40 cm土層持續(xù)增大到2.841 2，40～60 cm又減小到2.655 0，其分形維數(shù)最大值與最小值相差1.163 7。該類型戈壁地表0～2 cm覆蓋較大石礫，最大粒徑為80 mm，其中粒徑>25 mm的石礫質(zhì)量占到總質(zhì)量的60.01%。植被主要有合頭草、紅砂、沙拐棗、鹽生草和鹽爪爪等。

表2 典型戈壁不同土層深度土壤顆粒分形維數(shù)(D)值

在河西走廊有一種典型戈壁常被稱為黑戈壁，該類型戈壁(如s01、s14)是由黑色礫石或“戈壁漆”覆蓋的最為干旱的戈壁類型，植被常以紅砂、膜果麻黃、合頭草、旋覆花、錦雞兒等為主。在該類戈壁0～60 cm深度的四個(gè)土層中，土壤顆粒分形維數(shù)(D)值平均為2.861 6，介于2.667 6～2.950 9之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.092 1。另一類普遍分布的戈壁類型為沙質(zhì)(礫質(zhì)、沙礫質(zhì))戈壁(如s02、s04、s05和s06)，在河西分布范圍廣、面積大，人們習(xí)慣稱其為沙漠戈壁，其土壤顆粒分形維數(shù)值平均為2.882 8，介于2.222 1～2.999 9之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.204 2；其分布區(qū)灌木植被主要有沙拐棗、泡泡刺、麻黃、紅砂、梭梭等，草本植被以沙米、蟲實(shí)、鹽生草等為主。

一般情況下土壤中的粗粒含量越高，土壤顆粒的分形維數(shù)值越小。分形維數(shù)值的變化能夠較好地反映出不同戈壁類型不同土層深度的顆粒物粗細(xì)的變化，見圖5。由圖5可看出，s02、s07和s11等三個(gè)樣地變化最為明顯：s02為礫質(zhì)戈壁，隨著土壤深度的增加，土壤顆粒呈增大趨勢；而s07(山前沖積型沙礫質(zhì)戈壁)和s11(伏土型沙礫質(zhì)戈壁)則呈現(xiàn)出地表粗礫石較多，向下土壤顆粒趨向細(xì)化。s03、s06、s12和s16等四個(gè)樣地在0～60 cm深度的4個(gè)土層中土壤顆粒的粗細(xì)程度變化不明顯，即各層中土壤的粒徑分布基本一致，其中s16樣地為土質(zhì)戈壁，細(xì)粒黏粒含量較大，分形維數(shù)值也高，而其他三個(gè)樣地分別是殘積型侵蝕沙礫質(zhì)戈壁、沙礫質(zhì)戈壁和湖積型堆積沙礫質(zhì)戈壁，其分形維數(shù)值在各層中的變化很小。這與我們實(shí)際調(diào)查和取樣時(shí)所觀察到的這幾個(gè)土壤剖面中土壤細(xì)小顆粒物含量較多相一致。

圖5 河西典型戈壁不同土層深度土壤粒徑分形維數(shù)(D)值

4 結(jié) 論

(1)河西典型戈壁土壤粒度組成因其形成環(huán)境與搬運(yùn)、堆積方式的差異而不同。戈壁面以礫石質(zhì)和沙礫質(zhì)為主要的地表侵蝕和堆積體的堆積層，形成了侵蝕型和堆積型兩大類型。表層受侵蝕和堆積兩個(gè)過程的影響，下層則受沉積過程的影響，土壤粒度組成總體上以0.02～2.5 mm的砂粒為主，其次是0.002～0.02 mm的粉粒和<0.002 mm的黏粒，>50 mm的石礫質(zhì)量含量最低。

(2)河西典型戈壁土壤顆粒物粒徑特征是風(fēng)化、侵蝕、堆積等地表過程與干旱多風(fēng)的氣候環(huán)境共同作用的結(jié)果。在0～2和2～20 cm兩個(gè)土層，土壤顆粒粒徑變異很大，0～2 cm土層中0.02～0.2 mm的細(xì)砂粒含量在5.82%～63.52%之間，0.002～0.02 mm的粉粒含量在4.01%～74.03%之間，2～20 cm土層中0.02～0.2 mm的細(xì)砂粒含量在6.15%～55.49%之間，0.002～0.02 mm的粉粒含量在2.57%～63.39%之間。各粒徑在土壤中的含量差異較大，平均粒徑在表層大多較粗，下層相對表層趨向細(xì)化，從低山殘丘至洪積扇下部，總體上也是由粗變細(xì)的趨勢；在20～40和40～60 cm兩個(gè)土層，隨著深度的增加，不同粒徑土壤顆粒的百分比逐漸趨于均勻。

(3)河西典型戈壁土壤顆粒分形維數(shù)值差別較大，其值在1.677 5～2.999 9之間變化，平均為2.827 4，其變化能夠較好地反映出典型戈壁在0～60 cm深度土壤顆粒物的粗細(xì)變化。