乌兰布和沙漠不同土地利用类型粒度特征分析

杨志勇，陈新闯，郭建英，董 智，李锦荣，温挨树，田世民

(1．水利部 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特010010;

2．山东农业大学 林学院/山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室/泰山森林生态站，山东 泰安271018;3．内蒙古自治区地质环境监测院，内蒙古 呼和浩特010020;4．黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州450003)

(责任编辑 李杨杨)

乌兰布和沙漠沿黄段穿行于中国北方干旱向半干旱地区的过渡地带，南起乌海市乌达区六分厂一队，北至磴口县三盛公水利枢纽，全长128 km，目前有约40 km 的流动沙丘直接侵入黄河河道，在大风和暴雨作用下大量风沙直接向黄河倾泻，是黄河粗沙的重要源地［1］，如何科学有效地防治当地风沙危害已成为研究的重点。研究表明，沉积物颗粒粒度特征是决定其本身力学性质与抗风蚀强度的关键因素，粒度分布变化同时反映了作用于其表面的风速的改变［2］，对于风沙区的风沙特征具有指示作用。近年来关于粒度分析的研究主要集中在古环境研究［3］、解译气候和环境的演化信息［4］、探究沙丘表面沙粒流动性［5］、对湖泊形成演变过程的示踪意义［6］、对土壤风蚀的影响［7］、确定沙尘暴的源区［8］等方面，而对于风沙区土壤粒度特征的研究还不系统。粒度特征分析是用来描述风蚀危害的重要方法，土壤粒度特征可表征作用其表面的风蚀强度，尤其是在不同土地利用类型下，可以反映其抗风蚀性的强弱。基于目前对不同土地利用类型下风沙土粒度特征分布存在争议，且不同深度下土壤粒度特征分布仍不明确的现状，本研究选择乌兰布和沙漠沿黄段的流动沙丘、沙丘前草地、沙丘前农田为研究对象，采用野外观测和室内试验的方法，初步研究这三种土地利用方式对风沙土粒径分布的影响。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

研究区位于黄河乌兰布和沙漠沿黄段刘拐沙头，地理坐标40°09'52．28″N、106°50'37．60″E。该区属典型的中温带大陆性干旱季风气候区，降水稀少，蒸发强烈，大风天气频繁，年均气温8 ℃，年降水量142．7 mm，年蒸发量2 372 mm，年平均风速约3．7 m/s，多年平均大风日数10 ～32 d，大风和风沙一年四季均有出现，以3 ～5月份最多，多为西风、西南风。区内流动沙丘广布，沙丘高度4 ～10 m，沙丘密度为0．8，丘间低地及平沙地上零星分布有白刺(Nitraria tangutorum)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙 拐 枣(Calligonum mongolicum)、沙 鞭(Psammochloa villosa)、沙 蓬(Agriophyllum squarrosum)、油蒿(Artemisia ordosica)、蓼子朴(Inula salsoloides)等。

1．2 试验方法

2014年4月下旬选择沿河流动沙丘(5 条)、沙丘前100 m 处农田(3 块)、沙丘前100 m 处草地(3 块)3种乌兰布和沙漠沿黄段典型的土地利用类型设置土样采集样地:沙丘高度4 ～10 m，采样时垂直于沙脊走向选取断面，沿断面按迎风坡底、迎风坡中、坡顶、背风坡中、背风坡底采集土样，将采集的土样充分混合均匀;农田、草地样地面积为1 hm2，用五点采样法均匀采集土样，采样深度为0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～30 cm、30～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm。将同一土地利用类型下的土壤样品混合均匀，进行风干处理。将风干土过2 mm 筛，去除根系等杂质，然后称取土样0．8 g，加30%过氧化氢，去除有机质，加盐酸去除碳酸盐。加超纯水反复稀释静置，除去上清液以除酸，直至pH 值为6．5 ～7．0。加入六偏磷酸钠，超声震荡30 s后用Mastersizer 2000 激光粒度仪测量土壤粒径的体积分数。每样品重复3 次取平均。通过测定获得0．02 ～2 000 μm 的不同粒径土壤的体积分数，共分为100 个粒径段，即每个土样测量得到100 个粒径段的体积分数V1，V2，…，V100。依据美国制(USDA)标准划分为砂粒(0．05 ～2．0 mm)、粉粒(0．002 ～0．05 mm)和黏粒(＜0．002 mm)3 级，对砂粒进一步划分为极粗砂(1．0～2．0 mm)、粗砂(0．5 ～1．0 mm)、中砂(0．25 ～0．5 mm)、细砂(0．1 ～0．25 mm)和极细砂(0．05 ～0．1 mm)5 个粒级，并分别统计各粒径的体积分数。运用粒径的对数值Φ 表示粒度参数［9］，分别计算分选系数(δ)、偏度(Sk)和峰度(Kg)。各参数的计算公式为

式中:Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95分别是累积体积分数为5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所对应的粒径;d 为颗粒粒径，mm。

沉积物的粒度参数依据Folk 和Ward 的图解算法计算［9］。根据Folk 和Ward(1957年)提出的粒度参数分级标准［9］(表1)，探讨其粒度参数特征。

表1 Folk 和Wald(1957年)粒度参数分级标准

2 结果与分析

2．1 不同土地利用类型地表颗粒粒度分布曲线

研究区流动沙丘、草地、农田的粒度分布存在明显差异:流动沙丘以细砂物质为主，占60．29%;沙丘前农田表层土壤中值粒径(d50)平均值为0．087 9 mm，以粉砂为主，占44．61%;沙丘前草地表层土壤中值粒径(d50)平均值为0．227 4 mm，以细砂(55．49%)和中砂(38．45%)占大多数。图1 为不同土地利用类型地表颗粒粒度分布曲线。由图1 知，流动沙丘地表颗粒粒度分布曲线为单峰，草地和农田为双峰;流动沙丘、草地、农田主峰的位置依次偏右，分别为1．99、2．16、6．81，沙粒粒度逐渐变细;第二峰值的位置由草地到农田依次偏右，分别为5．31 和10．63，沙粒粒度逐渐变细。流动沙丘、草地、农田的平均粒径分别为1．80、2．14、6．11 mm。显然不同的下垫面特性对近地表风速降低作用不同，导致地表颗粒的粒度分布存在差异。流动沙丘地表完全暴露，风蚀最为严重，细粒物质被吹蚀因而粒度最粗;草地地表由于有草被覆盖，拦截了较多的细粒物质，因而地表沉积的沙粒较流沙细;农田则由于作物及其残茬对细粒的拦截作用，加之开垦农田的地段多是丘间低地，颗粒粒径一般较细，因而其颗粒粒度较草地更细，整个粒度分布曲线呈向右(粒径细)侧偏移。

图1 不同土地利用类型地表颗粒粒度分布曲线

2．2 流动沙丘不同位置表层颗粒粒度特征

流动沙丘表层从迎风坡底至落风坡底平均粒径(Mz)分布存在明显差异(图2)。总的来说，从迎风坡底到坡顶Mz逐渐减小，从坡顶到背风坡底Mz又逐渐增大，这主要是由风的搬运堆积作用而形成的。流动沙丘不同位置表层颗粒的δ、Sk、Kg值见图3。沙丘分选系数δ=0．45 ～0．52，属于分选较好到分选很好的范围，各部位分选差异性不显著，整体表现为坡顶及背风坡底分选最好(δ=0．45)、迎风坡底分选最差(δ=0．52);沙丘各部位的偏度Sk均呈近对称分布，Sk=－0．02 ～0，说明沙丘各部位的沙粒粒径集中于细砂，粉粒与粗砂含量相当;除迎沙坡中Kg值为0．77，属于宽平外，其余各部位Kg值均接近1，呈现中等的峰度。

图2 沙丘不同位置表层颗粒平均粒径分布

图3 沙丘不同位置表层颗粒δ、Sk、Kg 变化趋势

2．3 各土地利用类型不同深度(0 ～1 m)土层粒度特征分析

各土地利用类型不同深度(0 ～1 m)土层土壤的Mz、δ、Sk、Kg值见图4、5。由图4、5 可以看出，随着土层深度增加农田土壤Mz值大致呈减少趋势，粒径呈现增大的变化趋势，尤其以20 ～30 cm 变化率最大;草地随着土层深度的增加Mz呈增大的趋势，粒径呈现减少的变化趋势，尤其以60 ～80 cm 变化率最大;流动沙丘随着土层深度的增加Mz略微减少，沙丘粒径呈现增大趋势，但变化幅度较小。

图4 各土地利用类型不同深度(0 ～1 m)土层Mz 变化趋势

图5 各土地利用类型不同深度(0 ～1 m)土层δ、Sk、Kg 变化趋势

δ 表示粒径频率曲线的扩散程度，能反映固体颗粒大小的均匀程度和沉积分选的好坏。δ 愈小分选性愈好，δ 愈大分选性越差，δ =0 说明样品是绝对均匀的。农田δ=1．36 ～1．90，属于分选较差，以表层土分选性最差，这主要是受风力剥蚀和人为耕作的影响。草地δ=0．60 ～2．22，属于分选较好到分选很差，其中0 ～40 cm 属于分选较好、40 ～60 cm 分选中等、60 ～80 cm 分选较差、80 ～100 cm 分选很差。沙丘δ =0．41 ～0．46，分选很好，且差异不大。

Sk可量度颗粒粗细分布频率的对称程度［10］，并表明平均粒径与中值粒径的相对位置。负偏(Sk＜0)，沉积物的粒度在粗粒部分分散，粒度跨度大，而细粒部分相对集中，粒度跨度小;正偏(Sk＞0)，沉积物粒度在细粒部分分散，粒度跨度大，而粗粒部分相对集中，粒度跨度小。农田Sk=－0．07 ～0．38，随着土层深度的增加呈现由近对称到极正偏态分布的趋势，以80 ～100 cm 土层Sk最大，呈极正偏态分布;0 ～10 cm 土层Sk＜0，粒度集中在细端部分;10 ～100 cm 土层Sk＞0，粒度集中于粗端部分。草地Sk=－0．08 ～0．51，随着土层深度的增加呈现由近对称到正偏态分布再到极正偏态分布的趋势，以60 ～80 cm 土层Sk最大，呈极正偏分布;0 ～80 cm 土层Sk＞0，粒度集中在粗端部分;80 ～100 cm 土层Sk＜0，粒度集中于细端部分。沙丘各深度Sk基本接近于0，属于对称分布。

Kg是度量粒度分布趋向形态的一种尺度，用来表示粒度分布的中部与两尾端的展形之比，亦即度量曲线的峰凸程度。农田Kg=1．08 ～1．49，集中于中等到尖窄;草地Kg=0．96 ～1．09，集中于中等，表明各粒度在各级别的优势不明显;沙丘Kg=0．90 ～0．97，集中于中等，分布较均匀。

2．4 沙丘前农田与草地不同深度(0 ～1 m)土层粒径分析

图6 为农田与草地不同深度(0 ～1 m)土层各粒径体积分数。随着土层深度的增加沙丘前农田各粒径呈现出不同的变化规律。农田粉粒体积分数在0 ～60 cm土层不断降低，其中在30 ～40 cm 下降幅度最大，达到42．66%，在60 ～100 cm 土层呈波动变化。极细砂体积分数在0 ～40 cm 土层不断增加，在10 ～20 cm 增幅最大，达到138．68%，在40 ～100 cm 土层平稳下降。细砂体积分数在整个土层深度除60 ～80 cm 外总体呈增加的趋势，其中以30 ～40 cm 增幅最大，达158．85%。沙丘前草地各粒径在0 ～30 cm 土层均无明显变化。细砂体积分数在0 ～30 cm 土层维持在55%左右，在30 ～40 cm 土层达到最高点(62．69%)，然后显著降低，在80 ～100 cm 土层中仅占17．05%，与表层土具有显著差异。中砂在0 ～30 cm 土层维持在38%左右，在30 ～100 cm 呈下降趋势。粉粒体积分数在0 ～40 cm 土层无明显变化，在40 ～60 cm 显现出小幅增加，在60 ～100 cm 出现显著增加，在80 ～100 cm达到53．67%。农田和草地的黏粒与粗砂体积分数均较少，且在整个采样深度内没有明显变化。

图6 农田与草地不同深度(0 ～1 m)土层各粒径体积分数

通过农田和草地的对比可以明显看出，沙丘前草地的土壤粒径表层以细砂和中砂为主，但是随着土层深度增加逐渐趋向以粉粒为主。沙丘前农田表层土粉粒体积分数很高，约占76．62%，但随着土层深度的增加，粉粒体积分数显著降低，在30 ～40 cm 土层已经不占主体地位，变为以极细砂或细砂为主。沙丘前农田粒径体积分数显示出随着土层深度的增加土壤粒径不断变粗。

3 结 论

(1)流动沙丘、沙丘前草地、沙丘前农田的粒度分布存在显著差异。流动沙丘以细砂为主，随深度增加粒径变化不明显。沙丘前农田表层以粉粒为主，随着土层深度增加粒径呈现增大趋势，粉粒体积分数显著降低，尤其以30 ～40 cm 土层变化率最大，在30 ～40 cm 土层以极细砂为主，粉粒和细砂次之且相差不大。沙丘前草地地表以细砂和中砂为主，随着土层深度的增加，粒径呈现减少趋势，尤其细砂体积分数在60 ～80 cm 土层变化率最大，逐渐趋向以粉粒为主。流动沙丘的土壤颗粒粒度分布为单峰，而草地和农田为双峰。

(2)流动沙丘在迎风坡底至坡顶Mz逐渐减少，在坡顶至背风坡底Mz逐渐增大。δ 分选很好到较好，各部位分选差异性不显著;Sk呈近对称分布;Kg除迎风坡中，其余各部位均近似为1，呈现出中等的峰态。

(3)农田土壤分选较差，以表层土分选性最差，峰态呈中等到尖窄。草地土壤随着土层深度增加分选性变差，从分选较好到分选很差，粒度在各级别的优势不明显。沙丘土壤分选很好且差异性小，分布均匀。随着土层深度的增加，农田偏度由近对称到极正偏，草地由近对称到正偏再到极正偏，沙丘为近对称分布。

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