抛物线沙丘形态特征与土壤含水量和紧实度的关系研究

杜会石，哈 斯

（1.吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000；2.北京师范大学资源学院，北京 100875）

沙丘（sand dunes）是风力作用下沙粒堆积而成的丘状或垄状地貌，与气候变化、风信状况和沙源供应等自然环境密切相关［1］。沙丘研究是地貌学重要的研究内容，已成为特殊自然地理区域综合研究的重要方向之一［2］，而沙丘形态发育影响因素研究是目前学者关注的焦点问题［3～11］。沙丘土壤水分的空间分布具有非同质性［12］，其分布差异对沙丘形态演变将产生重要影响［13］，而沙丘土壤紧实度影响地表抗风蚀能力［7］。有关沙丘土壤水分含量、紧实度特征及其对沙丘发育的影响研究报道较少［7］。库布齐沙漠是沙质荒漠化活跃地区之一，该区抛物线沙丘发育广泛、形态特征明显，是开展相关研究的理想场所。我们针对抛物线沙丘开展沙丘土壤水分与紧实度分布特征的综合研究，以期揭示沙丘形态发育影响因素，对区域防沙治沙具有重要科学意义。

1 区域概况与研究方法

1.1 研究区概况

库布齐沙漠位于鄂尔多斯高原北部、黄河以南地区（图1），该区降水集中在7—8月份，年均降水量277.66～394.27 mm，蒸发量2 100～2 700 mm，年均气温6.0～7.5℃，年均风速3.5 m/s，全年大风日数25～35 d，盛行WNW、W、SSE风。库布齐沙漠东部地带性土壤为栗钙土，西部为棕钙土，西北部有部分灰漠土，非地带性土壤为各类风沙土。研究对象抛物线沙丘位于库布齐沙漠南缘（40°14′39″N，109°07′49″E）。

1.2 测定方法

1.2.1 沙丘水分测量 选用澳大利亚Decagon Devices公司生产的ECH2O Check水分探测读数表，通过EC5探针测量土壤的电介质常数来计算土壤体积含水量。测量速度小于1 s，分辨率为0.1 VSW%，1 mV精密度为±3%。于2012年9月15日测量地面以下 0～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40 cm土层的沙丘水分含量。每个地貌部位（臂间平地、迎风坡、脊线油蒿植被处、背风坡、丘臂灌丛沙堆、栗钙土出露处、丘臂内侧、丘臂外侧、本底）随机选取相隔1 m的3个样点进行测量，每个位置重复3次，然后取其平均值表示该点水分值（图2 a、2 b）。

土壤含水量（%）=水分容积/土壤容积×100%

1.2.2 沙丘土壤紧实度测量 选用英国Hansatech公司生产的SC900土壤紧实度仪测量沙丘紧实度，仪器测定单位为kPa，测定范围为0～7 000 kPa，空间分辨率为2.5 cm，压力分辨率为35 kPa，精确度为±103 kPa。测量 0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0、37.5、40.0、42.5、45.0 cm土层的紧实度。测量时间与水分测量时间同步。每个地貌部位随机选取相隔1 m的3个样点测量，每个位置重复3次，取其平均值表示该点紧实度值（图2 c）。将沙丘不同地貌部位测定的土壤含水量和紧实度数据按照5 cm间距统计与分析。

图1 研究区位置示意

图2 测量点位

图3 沙丘特征地貌部位景观

2 结果与分析

2.1 沙丘形态特征

野外调研结果表明，研究区抛物线沙丘主体形态呈U型，丘臂指向W。丘体长294.72 m、宽163.70 m，相对高度5.83 m，丘臂长189.96 m，丘臂内宽90.56 m，平面面积20 226.04 m2。按沙丘流动性可判定该沙丘处于发育晚期，沙丘主体高度较低。植被以油蒿为建群种，迎风坡发育有小型灌丛沙堆，沙丘脊线处有大尺度油蒿灌丛沙堆，背风坡为一年生油蒿与沙米带状镶嵌分布（图3）。

2.2 沙丘水分含量分布特征

2.2.1 空间分布特征 统计与分析结果（表1）表明，臂间平地因油蒿植被生长的影响，其水分含量与区域本底相似，而高于沙丘其它地貌部位。沙丘迎风坡水分含量大于背风坡，丘臂油蒿灌丛沙堆的水分含量大于沙丘主体脊线油蒿灌丛沙堆处，丘臂内侧较外侧水分含量略低，但相差不明显。

2.2.2 层间分布特征 除栗钙土出露处外，沙丘近地表存在干沙层（0～5 cm），干沙层以下存在水分垂向变化。臂间平地与本底特征相似，存在地表以下5～10、20～30 cm两个活跃层；迎、背风坡水分含量随深度增加而增大，且迎风坡增加幅度比背风坡大，主要因背风坡的沙粒松散而迎风坡较为紧实，保水与渗漏程度差异所致。丘臂油蒿灌丛沙堆处水分含量变化幅度大于沙丘主体脊线油蒿灌丛沙堆处，丘臂内外侧水分垂向分布较为一致，栗钙土出露处水分垂向分布优于沙丘其它地貌部位。

2.3 沙丘近地表土壤紧实度特征

2.3.1 空间分布特征 从表2可知，臂间平地紧实度总体大于环境本底，迎风坡紧实度总体比背风坡小，脊线灌丛沙堆处高于迎风坡；丘臂内、外侧相差不大；栗钙土出露处紧实度高于本底，也高于沙丘其他地貌部位。

2.3.2 层间分布特征 沙丘表面以下0～5 cm的近表层范围内，紧实度为0～651 kPa，5 cm以下沙丘紧实度总体随着深度的增加而增大。10～30 cm各地貌部位紧实度值差异较大，为351～1 509 kPa。

表1 沙丘不同地貌部位土壤水分含量 %

表2 沙丘不同地貌部位的土壤紧实度①kPa

3 结论与讨论

1）研究结果表明，沙丘水分空间分布在臂间平地与本底相似，而高于沙丘其它地貌部位。沙丘迎风坡水分含量大于背风坡，丘臂油蒿灌丛沙堆水分含量大于脊线油蒿灌丛沙堆处。丘臂内侧较外侧水分含量略低，差异不显著。沙丘臂间平地紧实度大于环境本底值；迎风坡小于背风坡，脊线灌丛沙堆处高于迎风坡，栗钙土出露处高于本底值，土壤紧实度特征对植被生长有重要影响。

2）水分是丘体沙物质间黏滞性和团聚力的重要影响因素，水分在沙丘中分配及入渗深度等空间异质性，使得沙丘不同地貌抗风蚀能力不同，进而表现出不同的地貌形态特征［18］。沙漠中的沙丘因其形态各异，故丘体水分分布状况不同，各地貌部位水分含量差异最大［19］。李朝生认为，鄂尔多斯高原北部流动沙丘表层干沙层厚度为10 cm，主要是因为风沙土缺乏毛管孔隙，除重力水向深层移动外，土壤水移动性差，地表蒸发作用影响到10 cm以上的沙层［20］，这与本研究中有所不同，主要由采样精度和所测沙丘类型不同所致。此外，沙丘水分状况还影响其移动速度，含水量增加，沙子间黏滞性和团聚力增加，起动风速也提高［21］。3）沙丘近地表面紧实度是沙丘重要的物理性质之一，是沙丘影响形态变化的重要因素。探讨沙丘不同地貌部位紧实度的空间变异特征，对于揭示沙丘形态变化规律具有重要科学价值。沙丘近地表紧实度越大，植物根系在沙丘中生长所受到机械压力越大，植物生长也因此遭受影响。Taylor等认为根细胞膨压一般约为700～1 200 kPa，当土壤紧实度值较高时，植物生长就会受到机械胁迫作用而遭受抑制［22］。虽然0～15 cm表层沙丘紧实度值较低，不会对植物根系生长产生机械胁迫，但由于该层土壤含水量偏低且表面不稳定，植被也难以生长［23～25］。从本研究的结果看，沙丘水分含量较高的区域，沙丘土壤紧实度也较大，也是油蒿植被和灌丛沙堆优先发育的区域，故其抗侵蚀能力也较大，对沙丘形态演变具有重要影响。

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