古尔班通古特沙漠南缘梭梭固沙林土壤粒度的分异规律

王永兵, 李亚萍

(1.甘肃亚盛农业研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011； 3.沈阳农业大学 农学院， 辽宁 沈阳 110000)

古尔班通古特沙漠位于中国北方沙漠及沙漠化地带最西北部的准噶尔盆地腹地，介于44°11′—46°20′N和84°31′ —90°00′ E，面积达4.88×104km2，是中国惟一受西风气流控制的沙漠，也是中国最大的固定与半固定沙漠。莫索湾地区位于古尔班通古特沙漠南缘，主要地貌类型为半固定沙丘及沙地，地表颗粒松散，稳定性低，对当地绿洲农田和人民生活威胁较大[1]。为此，从1982年开始进行大量营造人工梭梭林以恢复植被和生态环境，主要类型包括积雪固沙林、集水固沙林和秋灌固沙林。有研究表明，人工植被恢复工程可以使土壤沙漠化过程发生逆转[2]。自1956年“以固为主、固阻结合”的植被固沙防护体系建立以来[3-6]，塔克拉玛干沙漠南缘、毛乌素沙漠西南缘及腾格里沙漠沙坡头地区，都相继通过植被恢复来固定流沙进而防御沙漠化发展[7-9]。不同防护体系的建立对于沙漠化的阻滞作用是不同的，人工造林是防治沙漠化的有效途径之一。

现阶段已有莫索湾地区人工梭梭林植被调查，生境地形与土壤理化性质关系方面的报道[10-13]。由于土壤转变的过程和演变的机理因地区环境和土地利用过程而异，该地区积雪固沙林离沙包最近，防护林处于沙源处，但人工植被恢复下土壤的演变尚不明确。为此，本文分析了该地区不同梭梭固沙林土壤粒度分异规律与沙源距离的关系，旨在了解不同植被覆盖下各林地经过长期的生长演替后对沙尘物质的拦截作用，深入理解梭梭林在当地防风固沙、维护绿洲—荒漠生态平衡中的重要作用，为沙化土地治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区的地理坐标为东经86°06′—86°50′，北纬44°40′—45°，海拔高度346.8 m。沙丘多为垄状沙丘，高度5～20 m。该区域年平均气温4～6 ℃，年降水量114.89 mm，潜在蒸发量1 942.1 mm，干燥度为16.9，≥10 ℃的活动积温3 000～3 500 ℃，年均日照时数为3 100～3 200 h；春夏两季为风季，最大风速达20 m/s。该区冬季积雪厚度约为13 cm左右，最厚可达27 cm[1]。主风向东南风向。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 2017年8月在石河子150团莫索湾人工防护林体系按照从东北到西南依次距离固定沙丘不同的距离选择4个样地作为研究对象，样地详情见表1。

表1 古尔班通古特沙漠南缘梭梭固沙林样地基本特征

表1中所列4种样地类型中，样地A(宽度875 m，长度1 510 m，高程335 m)位于沙源处，植被盖度为23.5%的人工梭梭，属于积雪固沙林，造林时间为1983年；样地B(距离沙丘335 m，宽度351.9 m，长度1 200 m)，为覆盖度为8.3%的梭梭、柽柳、沙拐枣和琵琶柴群落，属于自然植被带；样地C(距离沙丘536.7 m，宽度319.5 m，长度831 cm)，植被盖度为14.7%的梭梭和柽柳群落，属于集水造林，造林时间为1982年；样地D(距离沙丘1 044.8 m，宽度423.8 m，长度688 m)，植被盖度为32%的梭梭、柽柳群落，属于秋灌造林，造林时间为1983年(各人工林营造后不再进行任何灌溉)。采用系统随机取样的方法进行样地的选择和布设，每个样方(20 m×20 m)通过踏勘和调查，每个样地内设置3个采样点，距离分别为10 m，每个采样点土壤剖面按10 cm间距取样，即每一层深度10 cm，总共为150 cm。采样时选用土钻，取样后将土样装入自封袋，每个采样点土样为3次混合而成。所有沙样带回实验室后进行测试和分析。土样前处理具体方法：称取过2 mm筛风干土样5.0 g，加入浓度15%的H2O2，低温加热直到不再产生泡沫为止，有效地除去样品中的有机质；加入10 mL 0.5 mol/L的六偏磷酸钠溶液搅拌均匀后浸泡过夜。测量时，充分搅匀土壤溶液，迅速吸取溶液加入到仪器的样品池中，超声波处理5 min使土样充分分散，每个样品3次重复[14]。

1.2.2 指标测定 土壤粒径采用BT-2001型激光粒度分布仪(湿法)完成样品的粒度分析，结果以体积百分含量表示，根据温德华粒级标准划分方法[15]，统计各输沙样品的颗粒级配，并根据Folk-Ward图解法[16]进行粒度分级，并计算粒度参数(平均粒径φ，分选系数σI，峰度KG，偏度SkI)。

1.2.3 数据分析 不同土层理化性质的变化与环境因素及其影响程度有关。本文根据研究区强风沙尘较多，风蚀、降尘影响50 cm以上土层，将土层分为0—50， 50—100， 100—150 cm共3个层次考虑。差异显著性分析采用IBM Statistics SPSS 19.0软件对各项指标进行描述性统计分析和数据正态检验，对不同距离处梭梭林的土壤粒径以及同一梭梭固沙林不同深度的土壤粒径进行ANOVA Turkey HSD方法分析，数据整理和图表制作采用Excel 2010和Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒组成特征

从表2可知，距离沙源处的积雪固沙林各土层均以粗粉砂为主，含量达到66.18%，无黏粒和极细砂，且土壤各粒径含量均与自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林差异显著。从整体上看，随着与沙源距离的增加，积雪固沙林、自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林粗粉砂、极细砂含量依次减小，黏粒和极细粉砂含量依次增大；对于单个梭梭林，自然植被带表层黏粒含量为13.08%，下层又降低至10.82%，降幅达到20.80%；集水固沙林和秋灌溉固沙林表层黏粒含量分别为13.73%和20.05%，到下层分别升高至21.45%和21.80%，增幅分别达到56.00%和9.10%。集水固沙林变化幅度最大，自然植被带次之，秋灌溉最小。

表2 古尔班通古特沙漠南缘梭梭固沙林植被恢复后各林地土壤颗粒组成分层特征

2.2 土壤粒度参数

由表3可知，随着与沙源距离的增加，土壤表层平均粒径依次增大。自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林表层、中层和下层土壤平均粒径φ值分别为6.32，6.85，6.29和6.38，6.60，7.15及6.67，7.09，7.18，由此可知，无论是梭梭林的表层还是下层，越靠近积雪固沙林(即沙源处)，土壤平均粒径越小，3种梭梭林地表层的土壤平均粒径均大于下层，但3种造林方式下，土壤的平均粒径均大于积雪客沙林(4.25，4.30，4.27)，平均粒径代表粒度分布的集中趋势，表示沉积介质的能量值[16]，因而距离沙源越近，各梭梭林沉积时的运动能量(风速)越大，积雪客沙林>自然植被带>集水固沙林>秋灌溉固沙林。

表3 古尔班通古特沙漠南缘梭梭固沙林土壤粒度参数的变化特征

自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林土壤粒度的分选系数分布较为集中，分别为1.33，1.18，1.25和1.25，1.23，1.19和1.39，1.20，1.27，按照Folk分选等级标准，其分选状况均表现为较差，说明研究区土壤粒度分布较为集中。其中，秋灌溉固沙林距离沙源最远，其表层土壤粒度分布最为集中，分选状况最差，其次为自然植被带，但是各梭梭林下层土壤粒度分选状况要优于表层。积雪固沙林位于沙源处，土壤粒度分选状况要优于其他3种梭梭林地，表现为分选较好。可见，距离沙源越远，梭梭林内沙物质受风力的作用依次减弱。

自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林3种梭梭林地土壤粒度偏度和峰度分布都较为集中，其值为0.18～0.19，1.03～1.04，按照土壤粒度分布等级划分标准，偏度状况均为正偏，且为中等峰态，这表明沙物质粒度粗细分配的对称性较差，主要是与沙源距离的不同，加上地表植被覆盖减弱林带内风沙活动的强度，使得在风吹蚀的作用下沙源土壤的细粒物质被搬运而离开原位的数量不同，各梭梭林内堆积物的状态亦不相同。参照表2可知，3块样地研究区土壤粒度组成以粉沙为主，此外，虽然这3块梭梭林地土壤粒度偏度等级均为正偏，但其偏度大于积雪固沙林0.09～0.1；这说明土壤粒度分布较均匀，集中程度比较好，存在明显的优势粒径级别粉砂。除了积雪固沙林，各梭梭林地土壤粒度分布趋于宽平。

2.3 土壤粒径分布累积特征

如图1所示，积雪固沙林土壤粒径的分布范围为3.09～6.33 φ，众数粒径值为4.01 φ，对应含量为14.8%；自然植被带土壤粒径分布范围为2.94～11.6 φ，众数粒径值为5.5 φ，对应含量为4.8%；集水造林粒径分布范围为3.72～12.06 φ，众数粒径值为6.1 φ，对应含量为4.5%；秋灌溉固沙林土壤粒径分布范围3.72～12.37 φ，众数粒径值为6.3 φ，对应含量为4.3%。总体上看，距沙源不同距离处，各梭梭林粒径分布范围相似，但秋灌溉固沙林黏粒含量最高，自然植被带较集水造林区和秋灌溉地区粒径分布变粗，积雪固沙林地较其他几种造林方式下的粒径分布更粗且范围变小。主要原因是粒径小于50 μm的粉砂和黏粒颗粒能够被风悬移很长距离，通常粒径在100～150 μm的沙粒最容易以跃移的形式运动[17]。

图1 古尔班通古特沙漠南缘梭梭固沙林不同样地土壤概率分布特征

由图2知，不同的造林方式下土壤粒径的概率累积曲线均为3段式，积雪固沙林、自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林蠕—跃移组分截点的平均粒径分别为3.98,4.32,4.86,5.2 φ，其跃—悬移截点分别在平均粒径5.46,10.82,10.85,10.87 φ处，自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林的截点粒径偏细，表明沙粒整体处于低能环境中，颗粒的运动性下降，其中秋灌溉固沙林下降最低。积雪固沙林、自然植被带、集水固沙林、秋灌溉固沙林蠕移、跃移段曲线斜率大小依次减小，表明在莫索湾气候条件下，距离沙源越远，各梭梭林形成微环境风力的作用依次减小，人工梭梭林起到了防风固沙的效果。

3 讨 论

积雪固沙林离沙包最近，防护林处于沙原处，本研究中，4种不同植被类型的典型样地具有不同的风沙活动强度和地表蚀积规律，防风固沙的效果也不相同。流动沙丘上营造梭梭林使得地表植被覆盖度增加，局部区域风沙活动减弱。刘进辉等[18]研究表明，在植被盖度<5%的沙丘上，普遍发生强烈的风蚀，并伴随着地表物质组成的普遍粗化。在沙丘上营造人工林有利于增加荒漠林的密度，现阶段积雪固沙林植被盖度达到23.5%，平均株高为2.15 m，良好的植被生长有效的改善了局部的土壤环境，其林内土壤粒径分布相对集中，表层细颗粒(黏粒和粉粒)含量较下层增加，但变化不显著。这与席军强等[19]对民勤人工梭梭林土壤粒度的研究中发现流动沙丘上营造梭梭林以及人工植被的发育和沙丘固定年限的延长，其表层土壤粘粒、粉粒含量远远高于其他土层的研究结果有差异。原因是积雪固沙林沙粒主要来自古尔班通古特沙漠，该地区沙粒具有独特的均一性，此时植被覆盖度对风力产生影响，地表植被覆盖减弱林带内风沙活动的强度，使得在风吹蚀的作用下沙地表层土壤的细粒物质被搬运而离开原位的数量减小。

研究区沙粒较细，都属于风力有效搬运的范畴，样地B，C，D距离沙丘的位置依次增大，各造林地受植被盖度以及沙丘位置的影响，输沙量的大小依次减小。土壤颗粒沉积过程中粒度参数与沙源距离之间存在很好的相关性，关于沙粒的运动形式，输沙率随沙源距离的增加而减小，风速越大，差异越明显[17]。有研究表明，最小粒径小于100 μm的砂粒运动在大风中可能接近悬移状态，但只有粒径小于50 μm的粉砂颗粒和黏粒能够被风悬移很长距离；跃移运动是风沙运动的主要形式，约占全部搬运沙量的3/4左右，通常粒径在100～150 μm的沙粒最容易以跃移的形式运动；而粒径在500～2 000 μm的沙粒都属于表层蠕移的范畴[20]。植被覆盖对近地表气流中的输沙量有决定性作用，不规则的植株排列方式在降低风速、发挥阻沙效果的作用更明显[21]。在模拟风洞试验的条件下，高度越高，积沙累积百分含量较高[22]。有研究表明[23]，当植被盖度达到30%左右时，沙物质处于连续堆积状态，达到14%时堆积大于侵蚀。本研究中，在距离沙丘最近的样地作为沙丘与人工林的过渡带，植株的排列方式与主风向呈无规则的零散分布和随机分布，植株的盖度为8%，受风蚀的作用较显著，表层细颗粒被吹蚀，土壤粒径变大。距离沙丘较远的2块林地，在经过35 a生长演替后，现阶段植被密度均有所提高，林分已形成异龄复层混交林[9]，植株高度和盖度分别为197 cm，14.7%和231 cm，32.3%，由于植株单体高大，密集的枝条及柔软的同化枝有利于截获部分悬浮运动的细粒物质。该区域土壤有一个众数粒径的存在，其值大约在8 μm左右，完全处于悬浮运动的范围，可能是沙尘天气将一部分悬移质远程输送到研究区域所致。

人工梭梭林表层土壤粒径较自然植被带细化，除了与林内风沙活动和植被的盖度有关之外，与林地下垫面亦有关。对于同一地区不同观测点来说，下垫面的情况是影响风吹蚀的主要因素，主要是因为不同的下垫面对风沙的启动风速、跃移高度、能量衰减影响不同[24]。本研究中，由概率累积曲线可知，样地B，C，D林内风沙活动依次减弱，因此对风动能的消耗作用亦减小，沉积时的运动能量逐渐减弱。样地B土壤类型属于龟裂碱土，降水的淋溶作用对其影响不显著，枯落物进入土壤的含量较少，对土壤的改良作用较小。而样地C和样地D为人工梭梭植被，下垫面较粗糙，生物结皮大量拓殖[25]，土壤养分呈现明显的表聚效应，可以蓄积一定量的雨水。样地C生物结皮盖度达到30%，样地D达到70%以上，厚度达到1.5 cm，生物结皮可以遮蔽保护土壤表层，使得表层土壤中的细粒物质得以保存和恢复。

4 结 论

随着固沙林距离沙源距离的增大，形成微环境风力的作用依次减小，土壤颗粒的运动性依次下降。无论是表层还是下层，各梭梭林土壤平均粒径随着与沙源距离的增大而依次减小。在沙源处，粒径主要受植被的影响。表层土壤粒度特征存在差异反映了各梭梭林在不同的植被覆盖下风沙活动强度对其的影响。自然植被带与人工梭梭林能够有效拦截和固定大量的风蚀物质，形成一个自然—人工流沙防治系统，但由于自然植被生长状况不如人工林，在植被大量衰退和强风蚀作用下对风沙的拦截作用较弱，因而，在自然植被带外围人工造林对当地风沙的阻挡作用起到至关重要的作用。今后该地区工作重点应放在加强对各梭梭林地的管理，保证其群落的稳定性，防止种群退化，实现治理后的沙化土地可持续性。