高寒沙區(qū)幾種機(jī)械沙障措施對(duì)土壤粒度特征的影響

張 政，向前勝，張登山，3，王 麗

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016；2.韶關(guān)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；3.青海省人民政府-北京師范大學(xué)，高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810016)

“荒漠化”又名“地球癌癥”，主要集中分布于干旱、半干旱區(qū)，約占全球陸地總面積的40%，嚴(yán)重威脅著人類的生存與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1，2]。沙障作為荒漠化治理和恢復(fù)過(guò)程中一種行之有效的先期措施，在固定流沙、土壤修復(fù)、植被恢復(fù)等方面已得到普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用[3-5]。土壤作為植被生長(zhǎng)和發(fā)育的基質(zhì)，其質(zhì)地變化直接影響土壤的水肥氣熱和植被恢復(fù)，特別是在干旱、半干旱區(qū)[6,7]。土壤粒度組成和分形維數(shù)作為反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，在布設(shè)沙障后其特征的變化與土壤水分、養(yǎng)分和抗風(fēng)蝕性等諸多性質(zhì)密切相關(guān)[5,7]，同時(shí)作為荒漠化評(píng)價(jià)中一個(gè)重要的參考指標(biāo)，已被用于沙障防風(fēng)固沙效益評(píng)價(jià)[8]、土地退化評(píng)價(jià)[9]和景觀演替評(píng)價(jià)[10]等方面。目前，針對(duì)沙障對(duì)土壤顆粒組成和分形維數(shù)的相關(guān)研究表明，沙障的布設(shè)有利于治理區(qū)土壤質(zhì)量提升和微生態(tài)環(huán)境改善[11]，可選取土壤顆粒組成和分形維數(shù)作為治理區(qū)科學(xué)準(zhǔn)確定量綜合評(píng)價(jià)土壤特性的參考依據(jù)之一，用于篩選治理區(qū)的優(yōu)勢(shì)沙障類型[12,13]。

高寒沙區(qū)在我國(guó)生態(tài)安全中具有重要的戰(zhàn)略地位，一直是研究熱點(diǎn)地區(qū)[6,14]，經(jīng)由本課題組長(zhǎng)期試驗(yàn)篩選的“機(jī)械沙障+植物”的治理模式效果顯著[15]。目前，關(guān)于該地區(qū)的相關(guān)研究主要集中在經(jīng)沙障設(shè)置后，不同治理年限人工固沙植被的土壤微生物[14]、土壤質(zhì)量改良效果[6]和植物物種多樣性[16]等方面。但關(guān)于沙障布設(shè)初期土壤粒度組成及分形維數(shù)的研究，尚少見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究以青海高原共和盆地沙珠玉高寒荒漠治沙示范區(qū)設(shè)置第3年沙障土壤為研究對(duì)象，對(duì)比分析其粒度特征，探究其土壤粒度組成與分形維數(shù)關(guān)系，旨在為青海高寒沙區(qū)優(yōu)勢(shì)沙障類型的篩選及綜合評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部青海省沙珠玉治沙試驗(yàn)站內(nèi)(36°03′-36°40′N，99°45′-100°30′E，海拔高度約2880m)。該地屬于高寒干旱半干旱氣候，年平均氣溫2.4℃，年均降雨量246.3mm，年蒸發(fā)量約為1841.1mm，年平均風(fēng)速為2.7m/s，最大風(fēng)速40m/s，具有風(fēng)頻高，風(fēng)力大等特點(diǎn)。

地貌類型以沙堆、新月形沙丘(鏈)及沙壟為主，沙丘高度約為3-20m，風(fēng)沙土為主要土壤類型。高寒沙區(qū)人工種植植被主要有：青楊(Populuscathayana)、怪柳(Tamarixchinansis)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、菊芋(Helianthustuberosus)、沙蒿(Artemeisiadesertorum)，花棒(Hedysarumscoparium)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

以研究區(qū)內(nèi)在流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡已設(shè)置3年的高立式網(wǎng)籠沙障、麥草方格沙障+花棒、麥草方格沙障+檸條、麥草方格沙障+沙蒿、麥草方格沙障+菊芋種植為研究對(duì)象，未經(jīng)治理的流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡作為對(duì)照，共計(jì)6塊樣地(見(jiàn)表1)。以下分別簡(jiǎn)稱高立式沙障(GLS)、花棒沙障(HB)、檸條沙障(NT)、沙蒿沙障(SH)、菊芋沙障(JY)和流動(dòng)沙丘(LDSQ)。于2021年8月在相同坡度且風(fēng)積狀況相對(duì)一致的各典型樣地內(nèi)，采用剖面法，分別對(duì)0-10cm、10-20cm、20-40cm和40-60cm土層深度進(jìn)行采樣，每組3次重復(fù)。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，經(jīng)預(yù)處理[17]后，利用Mastersizer 3000型激光粒度儀對(duì)各層土樣測(cè)定，每個(gè)樣品3次重復(fù)，按美制粒度分級(jí)[18]：黏粒<0.002mm，粉粒0.002-0.063mm，極細(xì)砂0.063-0.125mm，細(xì)砂0.125-0.25mm，中砂0.25-0.50mm，粗砂0.50-1.00mm，極粗砂1.00-2.00mm。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò)Krumbein提出的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化法[19]，利用Krumbein和Folk圖解法[20]計(jì)算平均粒徑(φ)、分選系數(shù)(σ0)、偏度(S0)和峰態(tài)值(K0)，根據(jù)已掌握數(shù)據(jù)進(jìn)行分形維數(shù)(D)[13]的計(jì)算。運(yùn)用SPSS23.0和SigmaPolt12.5進(jìn)行計(jì)算、分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙障內(nèi)土壤粒度特征

經(jīng)對(duì)LDSQ及5種機(jī)械沙障類型內(nèi)土壤粒度含量分析得出其土壤粒度組成特征(表2)，在研究區(qū)0-60cm土壤深度，LDSQ、GLS、NT和SH土壤粒度均以極細(xì)砂和細(xì)砂為主，二者含量之和達(dá)到了61.13%以上；細(xì)砂含量占39.85%-49.51%、極細(xì)砂含量占20.15%-30.06%；粉粒、中砂和黏粒含量次之，分別占8.99-22.43%、5.85-19.47%和0.82-1.82%；粗砂和極粗砂含量最少，幾乎為零。HB和JY土壤粒度均以細(xì)砂和中砂為主，二者含量之和達(dá)到了74.04%以上；細(xì)砂含量分別為48.30%和51.18%、中砂含量分別占25.74%和29.64%；極細(xì)砂和粉粒含量次之，分別為16.9%和11.83%，6.65%和6.26%；黏粒、粗砂和極粗砂含量最少，分別為0.71%和0.70%、1.29%和0.40%，0.31%和0.00%。LDSQ及各沙障類型均以細(xì)砂為主約在39.85-51.18%之間，而極粗砂含量最少幾乎為零，其中 NT和SH黏粒和粉粒含量均高于LDSQ分別為1.82%、22.43%和1.71%、20.05%。

表2 土壤粒度組成特征

續(xù)表

具體而言，在0-10cm土層中，GLS、HB和JY黏粒含量和粉粒含量與LDSQ相比差異顯著，JY極細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，NT和SH細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，GLS、NT和HB中砂含量與LDSQ相比顯著高于LDSQ；10-20cm土層，GLS、HB和JY黏粒含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，HB和JY粉粒含量與LDSQ相比低于LDSQ，JY極細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，GLS、HB和JY中砂含量與LDSQ相比存在顯著性差異；20-40cm土層，JY極細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，SH細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ；40-60cm土層，SH和JY極細(xì)砂含量與LDSQ相比顯著低于LDSQ，SH粗砂含量與LDSQ相比高于LDSQ。

由以上可知，不同機(jī)械沙障類型對(duì)相同土層的土壤粒度組成存在一定影響。從不同深度土層來(lái)看，20-40cm土層黏粒含量、粉粒含量和極細(xì)砂含量均高于其它土層，而中砂含量低于0-10cm和10-20cm土層中砂含量，即在垂直方向GLS對(duì)20-40cm土壤粒度組成影響較大。

2.2 沙障內(nèi)土壤粒度參數(shù)特征

圖2為L(zhǎng)DSQ及各沙障土壤粒度參數(shù)特征，平均粒徑表征粒度分布的集中趨勢(shì)[19]。在研究區(qū)LDSQ及各沙障0-60cm深度， LDSQ、GLS、NT、HB、SH和JY平均粒徑分別為1.98-2.11φ、1.45-2.03φ、2.13-2.33φ、1.29-1.75φ、1.29-1.75φ和1.28-1.46φ，其中NT平均粒徑高于LDSQ。從深度來(lái)看，僅JY平均粒徑隨深度增加而增加，其余沙障類型則無(wú)明顯規(guī)律變化。

分選系數(shù)(σ0)反映土壤顆粒分選好壞，分選系數(shù)越小，土壤顆粒的分選性越好[19]。在0-60cm土層，LDSQ、NT和SH分選系數(shù)分別為0.98-1.02、0.95-1.00和0.89-1.12，其分選性分別在20-60cm、10-60cm和0-40cm深度土層表現(xiàn)為較差，而在其余土層表現(xiàn)為中等。GLS、HB和JY分選系數(shù)分別為0.91-0.97、0.89-0.96和0.88-0.89，各深度土層土壤分選性均為中等。

偏度(S0)用于判別土壤粒度分布的對(duì)稱性，偏度系數(shù)值越小，其粗偏程度越大[19]。在0-60cm土層，LDSQ偏度為0.09-0.21，0-40cm土層深度偏度為正偏度，40-60cm偏度為近對(duì)稱；HB偏度為0.08-0.16，20-40cm土層深度為近對(duì)稱，其余土層均為正偏度；SH偏度為0.02-0.16，10-20cm土層深度為正偏度，其余深度土層均為近對(duì)稱。GLS、NT和JY偏度分別為0.10-0.19、0.11-0.19和0.10-0.12，各深度土層土壤偏度均為正偏度。

峰態(tài)值(K0)表征粒度分布的陡緩程度，峰態(tài)值越大，峰態(tài)越尖窄，粒度分布越集中[19]。在0-60cm土層，LDSQ峰態(tài)值0.87-1.01，在10-20cm土層深度呈寬平分布，其余土層峰態(tài)值為中等；GLS峰態(tài)值0.96-1.29，20-40cm土層為中等，其余土層峰態(tài)值呈尖窄分布；NT峰態(tài)值0.82-0.89，在各深度土層均為寬平；HB和JY峰態(tài)值分比為1.14-1.21和1.18-1.30，在各深度土層均表現(xiàn)為尖窄；SH峰態(tài)值為0.79-1.11介于寬平和中等之間，20-40cm為寬平，其余各深度土層均為中等類型。

2.3 沙障內(nèi)土壤分形維數(shù)特征

由表3可知，通過(guò)對(duì)LDSQ及各沙障土壤分形維數(shù)與土壤粒度組成進(jìn)行相關(guān)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，LDSQ各土壤粒度組成與分形維數(shù)均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。黏粒含量與GLS、NT、HB、SH和JY分形維數(shù)均具有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。粉粒含量與GLS、NT、HB和SH分形維數(shù)具有顯著正相關(guān)關(guān)系；極細(xì)砂含量與GLS和HB分形維數(shù)呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系；中砂含量與GLS分形維數(shù)具有顯著正相關(guān)關(guān)系；細(xì)砂、粗砂和極粗砂含量與各沙障土壤分形維數(shù)均無(wú)顯著關(guān)系。

如圖2所示，0-60cm土壤深度分形維數(shù)差距較大，變化范圍在2.17-2.42，處于較低水平。在0-10cm土層深度，NT土壤分形維數(shù)大于LDSQ，SH土壤分形維數(shù)與LDSQ一致，其余沙障土壤分形維數(shù)均低于LDSQ；10-20cm土層，各沙障土壤分形維數(shù)均低于LDSQ；20-40cm土層，NT和SH土壤分形維數(shù)均大于LDSQ，GLS土壤分形維數(shù)與LDSQ一致，其余沙障土壤分形維數(shù)均小于LDSQ；40-60cm土層，僅NT土壤分形維數(shù)略高于LDSQ。因此，僅NT0-10cm、 20-60cm和SH20-40cm深度土壤分形維數(shù)大于流動(dòng)沙丘，其余各沙障土層均小于LDSQ。而垂直梯度上，LDSQ土壤分形維數(shù)隨土壤深度增加表現(xiàn)出似“N”形；GLS土壤分形維數(shù)隨土壤深度增加呈現(xiàn)為先增加后減小。

圖2 土壤分形維數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文探究了青海高寒沙區(qū)流動(dòng)沙丘及5種機(jī)械沙障類型土壤粒度組成、粒度參數(shù)和分形維數(shù)，主要結(jié)論如下：

機(jī)械沙障類型對(duì)0-60cm土壤顆粒組成及分布影響明顯，其中NT和SH土壤以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，且黏粒和粉粒含量均高于LDSQ； NT平均粒徑高于LDSQ；NT、GLS、HB和JY分選性優(yōu)于LDSQ。因此，綜合來(lái)看，NT相較于其余4種沙障能更好改善流動(dòng)沙丘土壤結(jié)構(gòu)及粒度分布。

土壤分形維數(shù)與5種沙障類型的黏粒含量呈顯著正相關(guān)，但不同沙障類型的土壤分形維數(shù)與粒級(jí)含量的關(guān)系存在差異，其中土壤分形維數(shù)與GLS各土壤粒級(jí)含量相關(guān)性最高，即土壤分形維數(shù)可更好表征GLS土壤粒徑分布特征。

3.2 討論

沙障具有固定流沙、降低風(fēng)速和沉積風(fēng)沙物質(zhì)等防風(fēng)固沙效益，土壤粒度特征作為土壤基本屬性之一，可反映沙障布設(shè)后土壤發(fā)育與生態(tài)修復(fù)程度[5,7]。通過(guò)對(duì)青海高寒沙區(qū)LDSQ及5種沙障類型0-60cm土層土壤粒度分布特征發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤以砂粒組成為主，這與田麗慧[21]等人的研究結(jié)果一致，其中LDSQ、NT和SH土壤粒度組成以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，GLS、HB和JY土壤粒度組成以細(xì)砂和中砂為主，引起上述差異的主要原因在于沙障材料、固沙植物類型及人類活動(dòng)等自然和非自然因素影響[22]。

在相同土層深度，從垂直方向看，僅GLS黏粒、粉粒和極細(xì)砂含量在0-40cm土壤深度表現(xiàn)出隨土層深度增加而增加的規(guī)律性變化。產(chǎn)生上述差異原因可能是由于治理年限較短，機(jī)械沙障發(fā)揮優(yōu)先發(fā)揮其自身效益，而固沙植物作為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)者因其根系分布、分泌物和殘留物分布不同及生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，使得其改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定等作用短期內(nèi)尚未完全發(fā)揮[16,23]，同時(shí)受風(fēng)蝕作用，使表層土壤細(xì)顆粒易流失[24]。0-10cm土層深度，NT、HB、SH和JY沙障類型下土層黏粒和粉粒含量高于10-20cm，主因在于固沙植物增大了治理區(qū)蓋度和地表粗糙度變大，相較于單一機(jī)械沙障，可更好發(fā)揮其固沙效益，進(jìn)而增加地表0-10cm土壤細(xì)粒物質(zhì)含量，該結(jié)果與羅雅曦[25]在騰格里沙漠的研究結(jié)果相吻合。

由本文土壤粒度參數(shù)可知，該區(qū)域流動(dòng)沙丘分選系數(shù)介于中等和較差之間，顆粒粗細(xì)分配呈近對(duì)稱或正偏度，反映出土壤顆粒呈中等分布。不同沙障類型0-60cm土層深度土壤平均粒徑由大至小排序?yàn)椋篘T>LDSQ> SH>GLS>HB>JY，即僅NT平均粒徑大于LDSQ，從土壤分選系數(shù)、偏度和峰態(tài)值等方面來(lái)看，JY分選性相對(duì)其它沙障類型較好，這可能與沙障類型、固沙植物類型及生物多樣性對(duì)土壤粒度組成的擾動(dòng)有關(guān)[7,22,25]。5種沙障類型中，黏粒含量與各沙障類型均具有顯著正相關(guān)關(guān)系，其余各土壤粒度組成與土壤分形維數(shù)相關(guān)性均有不同；從擬合效果來(lái)看，GLS土壤的各粒級(jí)含量與土壤分形維數(shù)擬合效果優(yōu)于其它沙障類型，而不同沙障類型土壤分形維數(shù)與土壤粒度組成擬合存在差異，這與前人研究結(jié)果一致[26]。因此，高寒沙區(qū)不同機(jī)械沙障布設(shè)后對(duì)黏粒含量較少沙障土壤粒徑分布特征，采用分形維數(shù)進(jìn)行定量描述時(shí)的適用性不同，產(chǎn)生該結(jié)果的原因，可能由于沙障類型和固沙植物種類不同[25]。