寧夏黃河以東固定沙丘土壤粒度特征及小尺度空間分異1)

展秀麗 王紅 張呈春 王曉旭 韓磊

(寧夏大學(xué)，銀川,750021)(蘭州大學(xué))(寧夏大學(xué))((防沙治沙教育部工程研究中心)北京師范大學(xué))(寧夏大學(xué))

沙丘表層沉積物的理化特征是風(fēng)沙地貌研究的重要內(nèi)容[1]，其中沙丘的粒度特征既可以反映風(fēng)沙動(dòng)力的過(guò)程，也對(duì)判定區(qū)域沉積環(huán)境具有重要意義[2-4]。風(fēng)沙土的粒徑分布可反映出地表風(fēng)蝕、搬運(yùn)、堆積過(guò)程，還可以反映大量的環(huán)境信息和流場(chǎng)信息[5-7]，是沙丘形成演化過(guò)程中風(fēng)沙活動(dòng)的重要記錄[8-10]，因此，對(duì)風(fēng)沙土粒徑分布特征研究一直是荒漠生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)、熱點(diǎn)內(nèi)容之一[8]。

近年來(lái)有關(guān)土壤粒度組成特征的相關(guān)研究較多，取得了顯著成果。其主要研究區(qū)有騰格里沙漠[6，11]、烏蘭布和沙漠[12]、庫(kù)木塔格沙漠[13-14]、巴丹吉林沙漠[10，15-16]、毛烏素沙地[8，17-18]等，已有的相關(guān)研究重點(diǎn)針對(duì)的是沙漠中土壤粒徑分布特征及影響因素分析，但對(duì)固定沙丘表層沉積物的粒度組成及小尺度空間異質(zhì)性研究較少。寧夏河?xùn)|沙區(qū)近年來(lái)沙漠化治理已取得了顯著成效，但是對(duì)該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中的沙丘表層沉積的粒度組成研究較少，而研究該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中的土壤性質(zhì)對(duì)探究沙漠化治理過(guò)程中的土壤結(jié)構(gòu)及土壤養(yǎng)分變化有重要的參考價(jià)值。為此，本試驗(yàn)對(duì)寧夏河?xùn)|沙區(qū)典型固定沙丘的風(fēng)沙土粒度組成特征進(jìn)行分析、研究，以期為該區(qū)域荒漠生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黃沙古渡(38°32′58″～38°34′21″N，106°31′42″～106°33′22″E)，其位于寧夏銀川市東北部，毛烏素沙地與黃河的交接地區(qū)。包括了沙漠、黃河、濕地及塞上江南景觀。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，晝夜溫差大，日溫差12～15 ℃，年平均太陽(yáng)總輻射量為4 950～6 100 MJ·m-2，年平均日照時(shí)間2 725 h，日照百分率為50%～69%，是日照資源最豐富的地區(qū)之一，雨雪稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年平均降水量173 mm，蒸發(fā)量高達(dá)1 876 mm，氣候干燥，風(fēng)大沙多，年平均風(fēng)速2.7 m·s-1，多大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)塵天氣，年均沙暴時(shí)間20.6 d[19]。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 研究方法

2018年10月，在研究區(qū)內(nèi)選取1個(gè)較大的典型固定沙丘，該沙丘兩翼角與相鄰沙丘相連。從沙丘頂部到丘間地的距離為53 m，背風(fēng)坡坡度30°；沙丘頂部到迎風(fēng)坡前緣距離為46 m，迎風(fēng)坡坡度5°。迎風(fēng)坡上部植被覆蓋度為40%，中下部植被蓋度達(dá)到80%，生物土壤結(jié)皮發(fā)育較好。丘間地植被覆蓋達(dá)95%，硬度較大。本研究選擇沿著與沙丘脊線頂點(diǎn)垂直的方向(南北)設(shè)置100 m×60 m的范圍作為采樣地，在樣地內(nèi)部每間隔5 m設(shè)置1條樣帶，共6條樣帶，并在每條樣帶上間隔5 m設(shè)置1個(gè)樣點(diǎn)，遍布沙丘迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、沙丘脊線、丘間地，共126個(gè)樣點(diǎn)。在每個(gè)樣點(diǎn)處利用土鉆進(jìn)行3次重復(fù)采樣，分層采樣深度(h)為0

對(duì)樣品進(jìn)行風(fēng)干及預(yù)處理后進(jìn)行粒度測(cè)定，本研究采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定土壤粒度的組成，分析結(jié)果以美國(guó)制土壤粒徑(d)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輸出粉沙(粒徑2 μm

粒度參數(shù)能夠很好地表征沉積物來(lái)源、搬運(yùn)介質(zhì)、沉積環(huán)境[18，20]。其中平均粒徑(Mz)表征的是顆粒粒度分布的平均情況；標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)反映顆粒粗細(xì)的離散程度，值越大離散程度越大；偏度(Sk)反映顆粒粗細(xì)的分布狀況；峰度(KG)是顆粒粒徑在平均粒徑兩側(cè)集中程度的參數(shù)。土壤粒度參數(shù)計(jì)算采用Folk和Ward的計(jì)算公式[21]。首先，采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換法將粒徑真值轉(zhuǎn)換為Φ值，其次，根據(jù)采用Folk和Ward的計(jì)算公式計(jì)算出平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度等所需指標(biāo)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:φ5、φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分別為累積體積分?jǐn)?shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同深度沙粒級(jí)配特征

由表1～表4可知，在0

表1 0

表2 5 cm

表3 10 cm

表4 15 cm

3.2 不同地貌部位土壤粒度組成及空間分布特征

由表5可知，丘間低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡風(fēng)沙土顆粒組成均以細(xì)沙、中沙為主。其中，丘間低地粉沙、極細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)明顯高于背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡。細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)由大到小依次為迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、丘間低地。中沙體積分?jǐn)?shù)由大到小依次為背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡、丘間低地。對(duì)于粗沙體積分?jǐn)?shù)，丘間低地為6.12%，背風(fēng)坡6.57%，迎風(fēng)坡6.50%，3者體積分?jǐn)?shù)較接近。由此發(fā)現(xiàn)，丘間低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡的粉沙、極細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)依次減小，細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)依次增加，背風(fēng)坡中沙、粗沙的體積分?jǐn)?shù)較高。

表5 不同地貌部位土壤粒度體積分?jǐn)?shù)變化

由圖2可以看出，不同土壤深度的粉沙空間分布特征相似，均表現(xiàn)為丘間低地粉沙體積分?jǐn)?shù)最高，土壤深度為5 cm

3.3 粒度參數(shù)特征

從表6中可以看出，本研究區(qū)內(nèi)的風(fēng)沙土粒度平均粒徑在(2.04～2.10)Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為0.7Φ，表明該研究區(qū)土壤分選性較好(0.5<σ<0.71)，研究區(qū)土壤顆粒的偏度為0.05Φ，屬于近對(duì)稱(chēng)分布(-0.10

3.4 不同地貌部位粒度參數(shù)關(guān)系

由圖4、表7可知，研究區(qū)平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、偏度之間存在一定的相關(guān)性，且不同地貌部位相關(guān)性有差異，從圖4可以發(fā)現(xiàn)中沙、細(xì)沙為研究區(qū)的主要組分。在丘間地，平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差二者之間散點(diǎn)比較集中(圖4)，呈現(xiàn)正相關(guān)，R2=0.951 7。研究發(fā)現(xiàn)，在丘間地的顆粒組成中，顆粒越細(xì)，分選越差，標(biāo)準(zhǔn)偏差大部分在(0.5～1.0)Φ，分選為中等和較好級(jí)別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對(duì)分散，相關(guān)性較小，大部分表現(xiàn)為近對(duì)稱(chēng)及正偏。平均粒徑與峰度的散點(diǎn)不太集中，呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明顆粒越細(xì)，峰態(tài)越平緩。在背風(fēng)坡，平均粒徑主要集中在2Φ左右，顆粒較粗，散點(diǎn)較集中，呈現(xiàn)正相關(guān)；背風(fēng)坡土壤粒度的標(biāo)準(zhǔn)偏差大部分在(0.5～0.7)Φ，分選為中等或較好級(jí)別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對(duì)分散，相關(guān)性很小，大部分表現(xiàn)為近對(duì)稱(chēng)。平均粒徑與峰度的散點(diǎn)圖也很分散，呈現(xiàn)不顯著相關(guān)，峰度均表現(xiàn)為中等，說(shuō)明顆粒越細(xì)，峰態(tài)越平緩。在迎風(fēng)坡，平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差二者之間非常集中，標(biāo)準(zhǔn)偏差大部分在(0.6～0.8)Φ，分選呈中等和較好級(jí)別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對(duì)分散，呈負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明粒徑越小，偏度越趨向于負(fù)偏，偏度主要集中在(0.1～1.0)Φ，均呈近對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。平均粒徑與峰度呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，表明粒徑越小，峰態(tài)越平緩越寬，峰度主要集中在(0.93～0.96)Φ，均為中等峰態(tài)曲線。

圖4 土壤粒度參數(shù)之間的關(guān)系

表7 不同部位分選系數(shù)與平均粒徑之間的關(guān)系

4 討論

表層土壤的粒度組成對(duì)于研究土壤風(fēng)蝕及土壤養(yǎng)分變化具有重要的參考價(jià)值[22]。受氣候、植被和地形地貌等因素的影響，不同沉積環(huán)境的沙丘風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)特征存在顯著差異-[8，23-24]。本研究選取了寧夏黃沙古渡典型固定沙丘作為研究對(duì)象，通過(guò)采樣、試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析等研究手段對(duì)沙丘粒度機(jī)械組成、粒徑分布規(guī)律、粒度參數(shù)關(guān)系進(jìn)行了探究。研究區(qū)顆粒組成以中沙、細(xì)沙為主，與距離較近的騰格里沙漠相似，騰格里沙漠中細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)較其他粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)最多，中沙體積分?jǐn)?shù)次之，體積分?jǐn)?shù)最少的是粗沙、極細(xì)沙[6]。本研究分析了粒度參數(shù)的基本特征，低地、背風(fēng)坡的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較大，大部分?jǐn)?shù)值在(1.0～2.0)Φ，說(shuō)明分選較差；迎風(fēng)坡的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，數(shù)值為(0.5～0.71)Φ，說(shuō)明分選較好。低地、迎風(fēng)坡的偏度大部分在(-0.1～0.1)Φ，為近對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)，說(shuō)明顆粒粒度分配的對(duì)稱(chēng)性很好，顆粒分選較好；背風(fēng)坡到坡頂偏度多呈正偏(0.1～0.3)Φ，說(shuō)明其以粗粒成分為主。研究區(qū)的峰度數(shù)值幾乎均在(0.91～0.99)Φ，為中等峰態(tài)的曲線，且變化較小。總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)的土壤顆粒分選較好，分配程度較均勻，說(shuō)明研究區(qū)多年來(lái)的生態(tài)防治對(duì)沙丘固定及土壤改良起到了較明顯的作用，土壤粒度組成也發(fā)生了變化。毛烏素沙地地表土粒度主要為集中在50 μm

本研究?jī)H對(duì)寧夏河?xùn)|沙地典型固定沙丘不同部位的土壤粒度特征及空間分布進(jìn)行了初步分析，對(duì)于全面評(píng)價(jià)該區(qū)域風(fēng)蝕沉積環(huán)境及其分選作用還需進(jìn)一步深入探討。未來(lái)研究中需補(bǔ)充大量樣點(diǎn)，且急需對(duì)不同恢復(fù)年限的土壤粒度組成進(jìn)行深入分析，深入探究隨著植被恢復(fù)與沙丘固定，土壤粒度組成的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

研究區(qū)顆粒組成以中沙和細(xì)沙為主。不同層的土壤粒度變化不明顯，但仍存在一定規(guī)律，隨著深度的增加，粗沙、中沙、粉沙體積分?jǐn)?shù)在增加，細(xì)沙、極細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)在減少。土層越深，粉沙體積分?jǐn)?shù)越高。不同地貌部位的顆粒組成不同，無(wú)論是在低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡，細(xì)沙、中沙的體積分?jǐn)?shù)都占大部分，明顯多于其他粒級(jí)。各地貌部位的粉沙、極細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)由大到小為低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡；細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)由大到小依次為迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、低地。

研究區(qū)低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡的粒徑分布曲線形態(tài)接近，在主峰處差距最大，說(shuō)明研究區(qū)土壤粒度組成特征相似。低地、背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡的粒徑累積分布曲線較接近。

研究區(qū)的平均粒徑為(2.04～2.10)Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為0.7Φ，分選性為中等及較好。土壤顆粒的偏態(tài)屬于近對(duì)稱(chēng)分布，峰度曲線分布為中等狀態(tài)。偏度的變異系數(shù)為中等變異性，其余都是弱變異性。平均粒徑與其余3個(gè)參數(shù)間存在一定的相關(guān)性，且不同地貌部位相關(guān)性存在差異。丘間地的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度呈正相關(guān)，與峰度呈負(fù)相關(guān)，背風(fēng)坡的平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度都呈正相關(guān)但相關(guān)系數(shù)均較小，迎風(fēng)坡的參數(shù)相關(guān)性最不顯著。