楊志勇，陳新闖，郭建英，董 智，李錦榮，溫挨樹，田世民

(1．水利部 牧區(qū)水利科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010;

2．山東農(nóng)業(yè)大學 林學院/山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室/泰山森林生態(tài)站，山東 泰安271018;3．內(nèi)蒙古自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020;4．黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州450003)

(責任編輯 李楊楊)

烏蘭布和沙漠沿黃段穿行于中國北方干旱向半干旱地區(qū)的過渡地帶，南起烏海市烏達區(qū)六分廠一隊，北至磴口縣三盛公水利樞紐，全長128 km，目前有約40 km 的流動沙丘直接侵入黃河河道，在大風和暴雨作用下大量風沙直接向黃河傾瀉，是黃河粗沙的重要源地［1］，如何科學有效地防治當?shù)仫L沙危害已成為研究的重點。研究表明，沉積物顆粒粒度特征是決定其本身力學性質與抗風蝕強度的關鍵因素，粒度分布變化同時反映了作用于其表面的風速的改變［2］，對于風沙區(qū)的風沙特征具有指示作用。近年來關于粒度分析的研究主要集中在古環(huán)境研究［3］、解譯氣候和環(huán)境的演化信息［4］、探究沙丘表面沙粒流動性［5］、對湖泊形成演變過程的示蹤意義［6］、對土壤風蝕的影響［7］、確定沙塵暴的源區(qū)［8］等方面，而對于風沙區(qū)土壤粒度特征的研究還不系統(tǒng)。粒度特征分析是用來描述風蝕危害的重要方法，土壤粒度特征可表征作用其表面的風蝕強度，尤其是在不同土地利用類型下，可以反映其抗風蝕性的強弱?；谀壳皩Σ煌恋乩妙愋拖嘛L沙土粒度特征分布存在爭議，且不同深度下土壤粒度特征分布仍不明確的現(xiàn)狀，本研究選擇烏蘭布和沙漠沿黃段的流動沙丘、沙丘前草地、沙丘前農(nóng)田為研究對象，采用野外觀測和室內(nèi)試驗的方法，初步研究這三種土地利用方式對風沙土粒徑分布的影響。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河烏蘭布和沙漠沿黃段劉拐沙頭，地理坐標40°09'52．28″N、106°50'37．60″E。該區(qū)屬典型的中溫帶大陸性干旱季風氣候區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，大風天氣頻繁，年均氣溫8 ℃，年降水量142．7 mm，年蒸發(fā)量2 372 mm，年平均風速約3．7 m/s，多年平均大風日數(shù)10 ～32 d，大風和風沙一年四季均有出現(xiàn)，以3 ～5月份最多，多為西風、西南風。區(qū)內(nèi)流動沙丘廣布，沙丘高度4 ～10 m，沙丘密度為0．8，丘間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 棗(Calligonum mongolicum)、沙 鞭(Psammochloa villosa)、沙 蓬(Agriophyllum squarrosum)、油蒿(Artemisia ordosica)、蓼子樸(Inula salsoloides)等。

1．2 試驗方法

2014年4月下旬選擇沿河流動沙丘(5 條)、沙丘前100 m 處農(nóng)田(3 塊)、沙丘前100 m 處草地(3 塊)3種烏蘭布和沙漠沿黃段典型的土地利用類型設置土樣采集樣地:沙丘高度4 ～10 m，采樣時垂直于沙脊走向選取斷面，沿斷面按迎風坡底、迎風坡中、坡頂、背風坡中、背風坡底采集土樣，將采集的土樣充分混合均勻;農(nóng)田、草地樣地面積為1 hm2，用五點采樣法均勻采集土樣，采樣深度為0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～30 cm、30～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm。將同一土地利用類型下的土壤樣品混合均勻，進行風干處理。將風干土過2 mm 篩，去除根系等雜質，然后稱取土樣0．8 g，加30%過氧化氫，去除有機質，加鹽酸去除碳酸鹽。加超純水反復稀釋靜置，除去上清液以除酸，直至pH 值為6．5 ～7．0。加入六偏磷酸鈉，超聲震蕩30 s后用Mastersizer 2000 激光粒度儀測量土壤粒徑的體積分數(shù)。每樣品重復3 次取平均。通過測定獲得0．02 ～2 000 μm 的不同粒徑土壤的體積分數(shù)，共分為100 個粒徑段，即每個土樣測量得到100 個粒徑段的體積分數(shù)V1，V2，…，V100。依據(jù)美國制(USDA)標準劃分為砂粒(0．05 ～2．0 mm)、粉粒(0．002 ～0．05 mm)和黏粒(＜0．002 mm)3 級，對砂粒進一步劃分為極粗砂(1．0～2．0 mm)、粗砂(0．5 ～1．0 mm)、中砂(0．25 ～0．5 mm)、細砂(0．1 ～0．25 mm)和極細砂(0．05 ～0．1 mm)5 個粒級，并分別統(tǒng)計各粒徑的體積分數(shù)。運用粒徑的對數(shù)值Φ 表示粒度參數(shù)［9］，分別計算分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰度(Kg)。各參數(shù)的計算公式為

式中:Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95分別是累積體積分數(shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對應的粒徑;d 為顆粒粒徑，mm。

沉積物的粒度參數(shù)依據(jù)Folk 和Ward 的圖解算法計算［9］。根據(jù)Folk 和Ward(1957年)提出的粒度參數(shù)分級標準［9］(表1)，探討其粒度參數(shù)特征。

表1 Folk 和Wald(1957年)粒度參數(shù)分級標準

2 結果與分析

2．1 不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線

研究區(qū)流動沙丘、草地、農(nóng)田的粒度分布存在明顯差異:流動沙丘以細砂物質為主，占60．29%;沙丘前農(nóng)田表層土壤中值粒徑(d50)平均值為0．087 9 mm，以粉砂為主，占44．61%;沙丘前草地表層土壤中值粒徑(d50)平均值為0．227 4 mm，以細砂(55．49%)和中砂(38．45%)占大多數(shù)。圖1 為不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線。由圖1 知，流動沙丘地表顆粒粒度分布曲線為單峰，草地和農(nóng)田為雙峰;流動沙丘、草地、農(nóng)田主峰的位置依次偏右，分別為1．99、2．16、6．81，沙粒粒度逐漸變細;第二峰值的位置由草地到農(nóng)田依次偏右，分別為5．31 和10．63，沙粒粒度逐漸變細。流動沙丘、草地、農(nóng)田的平均粒徑分別為1．80、2．14、6．11 mm。顯然不同的下墊面特性對近地表風速降低作用不同，導致地表顆粒的粒度分布存在差異。流動沙丘地表完全暴露，風蝕最為嚴重，細粒物質被吹蝕因而粒度最粗;草地地表由于有草被覆蓋，攔截了較多的細粒物質，因而地表沉積的沙粒較流沙細;農(nóng)田則由于作物及其殘茬對細粒的攔截作用，加之開墾農(nóng)田的地段多是丘間低地，顆粒粒徑一般較細，因而其顆粒粒度較草地更細，整個粒度分布曲線呈向右(粒徑細)側偏移。

圖1 不同土地利用類型地表顆粒粒度分布曲線

2．2 流動沙丘不同位置表層顆粒粒度特征

流動沙丘表層從迎風坡底至落風坡底平均粒徑(Mz)分布存在明顯差異(圖2)?？偟膩碚f，從迎風坡底到坡頂Mz逐漸減小，從坡頂?shù)奖筹L坡底Mz又逐漸增大，這主要是由風的搬運堆積作用而形成的。流動沙丘不同位置表層顆粒的δ、Sk、Kg值見圖3。沙丘分選系數(shù)δ=0．45 ～0．52，屬于分選較好到分選很好的范圍，各部位分選差異性不顯著，整體表現(xiàn)為坡頂及背風坡底分選最好(δ=0．45)、迎風坡底分選最差(δ=0．52);沙丘各部位的偏度Sk均呈近對稱分布，Sk=－0．02 ～0，說明沙丘各部位的沙粒粒徑集中于細砂，粉粒與粗砂含量相當;除迎沙坡中Kg值為0．77，屬于寬平外，其余各部位Kg值均接近1，呈現(xiàn)中等的峰度。

圖2 沙丘不同位置表層顆粒平均粒徑分布

圖3 沙丘不同位置表層顆粒δ、Sk、Kg 變化趨勢

2．3 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層粒度特征分析

各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層土壤的Mz、δ、Sk、Kg值見圖4、5。由圖4、5 可以看出，隨著土層深度增加農(nóng)田土壤Mz值大致呈減少趨勢，粒徑呈現(xiàn)增大的變化趨勢，尤其以20 ～30 cm 變化率最大;草地隨著土層深度的增加Mz呈增大的趨勢，粒徑呈現(xiàn)減少的變化趨勢，尤其以60 ～80 cm 變化率最大;流動沙丘隨著土層深度的增加Mz略微減少，沙丘粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，但變化幅度較小。

圖4 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層Mz 變化趨勢

圖5 各土地利用類型不同深度(0 ～1 m)土層δ、Sk、Kg 變化趨勢

δ 表示粒徑頻率曲線的擴散程度，能反映固體顆粒大小的均勻程度和沉積分選的好壞。δ 愈小分選性愈好，δ 愈大分選性越差，δ =0 說明樣品是絕對均勻的。農(nóng)田δ=1．36 ～1．90，屬于分選較差，以表層土分選性最差，這主要是受風力剝蝕和人為耕作的影響。草地δ=0．60 ～2．22，屬于分選較好到分選很差，其中0 ～40 cm 屬于分選較好、40 ～60 cm 分選中等、60 ～80 cm 分選較差、80 ～100 cm 分選很差。沙丘δ =0．41 ～0．46，分選很好，且差異不大。

Sk可量度顆粒粗細分布頻率的對稱程度［10］，并表明平均粒徑與中值粒徑的相對位置。負偏(Sk＜0)，沉積物的粒度在粗粒部分分散，粒度跨度大，而細粒部分相對集中，粒度跨度小;正偏(Sk＞0)，沉積物粒度在細粒部分分散，粒度跨度大，而粗粒部分相對集中，粒度跨度小。農(nóng)田Sk=－0．07 ～0．38，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)由近對稱到極正偏態(tài)分布的趨勢，以80 ～100 cm 土層Sk最大，呈極正偏態(tài)分布;0 ～10 cm 土層Sk＜0，粒度集中在細端部分;10 ～100 cm 土層Sk＞0，粒度集中于粗端部分。草地Sk=－0．08 ～0．51，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)由近對稱到正偏態(tài)分布再到極正偏態(tài)分布的趨勢，以60 ～80 cm 土層Sk最大，呈極正偏分布;0 ～80 cm 土層Sk＞0，粒度集中在粗端部分;80 ～100 cm 土層Sk＜0，粒度集中于細端部分。沙丘各深度Sk基本接近于0，屬于對稱分布。

Kg是度量粒度分布趨向形態(tài)的一種尺度，用來表示粒度分布的中部與兩尾端的展形之比，亦即度量曲線的峰凸程度。農(nóng)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，表明各粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯;沙丘Kg=0．90 ～0．97，集中于中等，分布較均勻。

2．4 沙丘前農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層粒徑分析

圖6 為農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層各粒徑體積分數(shù)。隨著土層深度的增加沙丘前農(nóng)田各粒徑呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。農(nóng)田粉粒體積分數(shù)在0 ～60 cm土層不斷降低，其中在30 ～40 cm 下降幅度最大，達到42．66%，在60 ～100 cm 土層呈波動變化。極細砂體積分數(shù)在0 ～40 cm 土層不斷增加，在10 ～20 cm 增幅最大，達到138．68%，在40 ～100 cm 土層平穩(wěn)下降。細砂體積分數(shù)在整個土層深度除60 ～80 cm 外總體呈增加的趨勢，其中以30 ～40 cm 增幅最大，達158．85%。沙丘前草地各粒徑在0 ～30 cm 土層均無明顯變化。細砂體積分數(shù)在0 ～30 cm 土層維持在55%左右，在30 ～40 cm 土層達到最高點(62．69%)，然后顯著降低，在80 ～100 cm 土層中僅占17．05%，與表層土具有顯著差異。中砂在0 ～30 cm 土層維持在38%左右，在30 ～100 cm 呈下降趨勢。粉粒體積分數(shù)在0 ～40 cm 土層無明顯變化，在40 ～60 cm 顯現(xiàn)出小幅增加，在60 ～100 cm 出現(xiàn)顯著增加，在80 ～100 cm達到53．67%。農(nóng)田和草地的黏粒與粗砂體積分數(shù)均較少，且在整個采樣深度內(nèi)沒有明顯變化。

圖6 農(nóng)田與草地不同深度(0 ～1 m)土層各粒徑體積分數(shù)

通過農(nóng)田和草地的對比可以明顯看出，沙丘前草地的土壤粒徑表層以細砂和中砂為主，但是隨著土層深度增加逐漸趨向以粉粒為主。沙丘前農(nóng)田表層土粉粒體積分數(shù)很高，約占76．62%，但隨著土層深度的增加，粉粒體積分數(shù)顯著降低，在30 ～40 cm 土層已經(jīng)不占主體地位，變?yōu)橐詷O細砂或細砂為主。沙丘前農(nóng)田粒徑體積分數(shù)顯示出隨著土層深度的增加土壤粒徑不斷變粗。

3 結 論

(1)流動沙丘、沙丘前草地、沙丘前農(nóng)田的粒度分布存在顯著差異。流動沙丘以細砂為主，隨深度增加粒徑變化不明顯。沙丘前農(nóng)田表層以粉粒為主，隨著土層深度增加粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，粉粒體積分數(shù)顯著降低，尤其以30 ～40 cm 土層變化率最大，在30 ～40 cm 土層以極細砂為主，粉粒和細砂次之且相差不大。沙丘前草地地表以細砂和中砂為主，隨著土層深度的增加，粒徑呈現(xiàn)減少趨勢，尤其細砂體積分數(shù)在60 ～80 cm 土層變化率最大，逐漸趨向以粉粒為主。流動沙丘的土壤顆粒粒度分布為單峰，而草地和農(nóng)田為雙峰。

(2)流動沙丘在迎風坡底至坡頂Mz逐漸減少，在坡頂至背風坡底Mz逐漸增大。δ 分選很好到較好，各部位分選差異性不顯著;Sk呈近對稱分布;Kg除迎風坡中，其余各部位均近似為1，呈現(xiàn)出中等的峰態(tài)。

(3)農(nóng)田土壤分選較差，以表層土分選性最差，峰態(tài)呈中等到尖窄。草地土壤隨著土層深度增加分選性變差，從分選較好到分選很差，粒度在各級別的優(yōu)勢不明顯。沙丘土壤分選很好且差異性小，分布均勻。隨著土層深度的增加，農(nóng)田偏度由近對稱到極正偏，草地由近對稱到正偏再到極正偏，沙丘為近對稱分布。

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