展秀麗 王紅 張呈春 王曉旭 韓磊

(寧夏大學，銀川,750021)(蘭州大學)(寧夏大學)((防沙治沙教育部工程研究中心)北京師范大學)(寧夏大學)

沙丘表層沉積物的理化特征是風沙地貌研究的重要內(nèi)容[1]，其中沙丘的粒度特征既可以反映風沙動力的過程，也對判定區(qū)域沉積環(huán)境具有重要意義[2-4]。風沙土的粒徑分布可反映出地表風蝕、搬運、堆積過程，還可以反映大量的環(huán)境信息和流場信息[5-7]，是沙丘形成演化過程中風沙活動的重要記錄[8-10]，因此，對風沙土粒徑分布特征研究一直是荒漠生態(tài)學領(lǐng)域的重點、熱點內(nèi)容之一[8]。

近年來有關(guān)土壤粒度組成特征的相關(guān)研究較多，取得了顯著成果。其主要研究區(qū)有騰格里沙漠[6，11]、烏蘭布和沙漠[12]、庫木塔格沙漠[13-14]、巴丹吉林沙漠[10，15-16]、毛烏素沙地[8，17-18]等，已有的相關(guān)研究重點針對的是沙漠中土壤粒徑分布特征及影響因素分析，但對固定沙丘表層沉積物的粒度組成及小尺度空間異質(zhì)性研究較少。寧夏河東沙區(qū)近年來沙漠化治理已取得了顯著成效，但是對該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中的沙丘表層沉積的粒度組成研究較少，而研究該區(qū)域沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中的土壤性質(zhì)對探究沙漠化治理過程中的土壤結(jié)構(gòu)及土壤養(yǎng)分變化有重要的參考價值。為此，本試驗對寧夏河東沙區(qū)典型固定沙丘的風沙土粒度組成特征進行分析、研究，以期為該區(qū)域荒漠生態(tài)系統(tǒng)進一步恢復提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黃沙古渡(38°32′58″～38°34′21″N，106°31′42″～106°33′22″E)，其位于寧夏銀川市東北部，毛烏素沙地與黃河的交接地區(qū)。包括了沙漠、黃河、濕地及塞上江南景觀。研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，晝夜溫差大，日溫差12～15 ℃，年平均太陽總輻射量為4 950～6 100 MJ·m-2，年平均日照時間2 725 h，日照百分率為50%～69%，是日照資源最豐富的地區(qū)之一，雨雪稀少，蒸發(fā)強烈，年平均降水量173 mm，蒸發(fā)量高達1 876 mm，氣候干燥，風大沙多，年平均風速2.7 m·s-1，多大風、沙塵暴、揚塵天氣，年均沙暴時間20.6 d[19]。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 研究方法

2018年10月，在研究區(qū)內(nèi)選取1個較大的典型固定沙丘，該沙丘兩翼角與相鄰沙丘相連。從沙丘頂部到丘間地的距離為53 m，背風坡坡度30°；沙丘頂部到迎風坡前緣距離為46 m，迎風坡坡度5°。迎風坡上部植被覆蓋度為40%，中下部植被蓋度達到80%，生物土壤結(jié)皮發(fā)育較好。丘間地植被覆蓋達95%，硬度較大。本研究選擇沿著與沙丘脊線頂點垂直的方向(南北)設(shè)置100 m×60 m的范圍作為采樣地，在樣地內(nèi)部每間隔5 m設(shè)置1條樣帶，共6條樣帶，并在每條樣帶上間隔5 m設(shè)置1個樣點，遍布沙丘迎風坡、背風坡、沙丘脊線、丘間地，共126個樣點。在每個樣點處利用土鉆進行3次重復采樣，分層采樣深度(h)為0

對樣品進行風干及預(yù)處理后進行粒度測定，本研究采用馬爾文激光粒度儀測定土壤粒度的組成，分析結(jié)果以美國制土壤粒徑(d)分級標準輸出粉沙(粒徑2 μm

粒度參數(shù)能夠很好地表征沉積物來源、搬運介質(zhì)、沉積環(huán)境[18，20]。其中平均粒徑(Mz)表征的是顆粒粒度分布的平均情況；標準偏差(σ)反映顆粒粗細的離散程度，值越大離散程度越大；偏度(Sk)反映顆粒粗細的分布狀況；峰度(KG)是顆粒粒徑在平均粒徑兩側(cè)集中程度的參數(shù)。土壤粒度參數(shù)計算采用Folk和Ward的計算公式[21]。首先，采用對數(shù)轉(zhuǎn)換法將粒徑真值轉(zhuǎn)換為Φ值，其次，根據(jù)采用Folk和Ward的計算公式計算出平均粒徑、標準偏差、偏度、峰度等所需指標。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:φ5、φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分別為累積體積分數(shù)為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對應(yīng)的顆粒粒徑。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同深度沙粒級配特征

由表1～表4可知，在0

表1 0

表2 5 cm

表3 10 cm

表4 15 cm

3.2 不同地貌部位土壤粒度組成及空間分布特征

由表5可知，丘間低地、背風坡、迎風坡風沙土顆粒組成均以細沙、中沙為主。其中，丘間低地粉沙、極細沙體積分數(shù)明顯高于背風坡、迎風坡。細沙體積分數(shù)由大到小依次為迎風坡、背風坡、丘間低地。中沙體積分數(shù)由大到小依次為背風坡、迎風坡、丘間低地。對于粗沙體積分數(shù)，丘間低地為6.12%，背風坡6.57%，迎風坡6.50%，3者體積分數(shù)較接近。由此發(fā)現(xiàn)，丘間低地、背風坡、迎風坡的粉沙、極細沙體積分數(shù)依次減小，細沙體積分數(shù)依次增加，背風坡中沙、粗沙的體積分數(shù)較高。

表5 不同地貌部位土壤粒度體積分數(shù)變化

由圖2可以看出，不同土壤深度的粉沙空間分布特征相似，均表現(xiàn)為丘間低地粉沙體積分數(shù)最高，土壤深度為5 cm

3.3 粒度參數(shù)特征

從表6中可以看出，本研究區(qū)內(nèi)的風沙土粒度平均粒徑在(2.04～2.10)Φ，標準偏差平均值為0.7Φ，表明該研究區(qū)土壤分選性較好(0.5<σ<0.71)，研究區(qū)土壤顆粒的偏度為0.05Φ，屬于近對稱分布(-0.10

3.4 不同地貌部位粒度參數(shù)關(guān)系

由圖4、表7可知，研究區(qū)平均粒徑與標準偏差、峰度、偏度之間存在一定的相關(guān)性，且不同地貌部位相關(guān)性有差異，從圖4可以發(fā)現(xiàn)中沙、細沙為研究區(qū)的主要組分。在丘間地，平均粒徑與標準偏差二者之間散點比較集中(圖4)，呈現(xiàn)正相關(guān)，R2=0.951 7。研究發(fā)現(xiàn)，在丘間地的顆粒組成中，顆粒越細，分選越差，標準偏差大部分在(0.5～1.0)Φ，分選為中等和較好級別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對分散，相關(guān)性較小，大部分表現(xiàn)為近對稱及正偏。平均粒徑與峰度的散點不太集中，呈現(xiàn)不顯著負相關(guān)，說明顆粒越細，峰態(tài)越平緩。在背風坡，平均粒徑主要集中在2Φ左右，顆粒較粗，散點較集中，呈現(xiàn)正相關(guān)；背風坡土壤粒度的標準偏差大部分在(0.5～0.7)Φ，分選為中等或較好級別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對分散，相關(guān)性很小，大部分表現(xiàn)為近對稱。平均粒徑與峰度的散點圖也很分散，呈現(xiàn)不顯著相關(guān)，峰度均表現(xiàn)為中等，說明顆粒越細，峰態(tài)越平緩。在迎風坡，平均粒徑與標準偏差二者之間非常集中，標準偏差大部分在(0.6～0.8)Φ，分選呈中等和較好級別。平均粒徑與偏度關(guān)系相對分散，呈負相關(guān)性，說明粒徑越小，偏度越趨向于負偏，偏度主要集中在(0.1～1.0)Φ，均呈近對稱狀態(tài)。平均粒徑與峰度呈現(xiàn)不顯著負相關(guān)，表明粒徑越小，峰態(tài)越平緩越寬，峰度主要集中在(0.93～0.96)Φ，均為中等峰態(tài)曲線。

圖4 土壤粒度參數(shù)之間的關(guān)系

表7 不同部位分選系數(shù)與平均粒徑之間的關(guān)系

4 討論

表層土壤的粒度組成對于研究土壤風蝕及土壤養(yǎng)分變化具有重要的參考價值[22]。受氣候、植被和地形地貌等因素的影響，不同沉積環(huán)境的沙丘風沙運動特征存在顯著差異-[8，23-24]。本研究選取了寧夏黃沙古渡典型固定沙丘作為研究對象，通過采樣、試驗、統(tǒng)計分析等研究手段對沙丘粒度機械組成、粒徑分布規(guī)律、粒度參數(shù)關(guān)系進行了探究。研究區(qū)顆粒組成以中沙、細沙為主，與距離較近的騰格里沙漠相似，騰格里沙漠中細沙體積分數(shù)較其他粒級體積分數(shù)最多，中沙體積分數(shù)次之，體積分數(shù)最少的是粗沙、極細沙[6]。本研究分析了粒度參數(shù)的基本特征，低地、背風坡的標準偏差相對較大，大部分數(shù)值在(1.0～2.0)Φ，說明分選較差；迎風坡的標準偏差較小，數(shù)值為(0.5～0.71)Φ，說明分選較好。低地、迎風坡的偏度大部分在(-0.1～0.1)Φ，為近對稱的狀態(tài)，說明顆粒粒度分配的對稱性很好，顆粒分選較好；背風坡到坡頂偏度多呈正偏(0.1～0.3)Φ，說明其以粗粒成分為主。研究區(qū)的峰度數(shù)值幾乎均在(0.91～0.99)Φ，為中等峰態(tài)的曲線，且變化較小?？傮w來說，研究區(qū)的土壤顆粒分選較好，分配程度較均勻，說明研究區(qū)多年來的生態(tài)防治對沙丘固定及土壤改良起到了較明顯的作用，土壤粒度組成也發(fā)生了變化。毛烏素沙地地表土粒度主要為集中在50 μm

本研究僅對寧夏河東沙地典型固定沙丘不同部位的土壤粒度特征及空間分布進行了初步分析，對于全面評價該區(qū)域風蝕沉積環(huán)境及其分選作用還需進一步深入探討。未來研究中需補充大量樣點，且急需對不同恢復年限的土壤粒度組成進行深入分析，深入探究隨著植被恢復與沙丘固定，土壤粒度組成的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

研究區(qū)顆粒組成以中沙和細沙為主。不同層的土壤粒度變化不明顯，但仍存在一定規(guī)律，隨著深度的增加，粗沙、中沙、粉沙體積分數(shù)在增加，細沙、極細沙體積分數(shù)在減少。土層越深，粉沙體積分數(shù)越高。不同地貌部位的顆粒組成不同，無論是在低地、背風坡、迎風坡，細沙、中沙的體積分數(shù)都占大部分，明顯多于其他粒級。各地貌部位的粉沙、極細沙體積分數(shù)由大到小為低地、背風坡、迎風坡；細沙體積分數(shù)由大到小依次為迎風坡、背風坡、低地。

研究區(qū)低地、背風坡、迎風坡的粒徑分布曲線形態(tài)接近，在主峰處差距最大，說明研究區(qū)土壤粒度組成特征相似。低地、背風坡、迎風坡的粒徑累積分布曲線較接近。

研究區(qū)的平均粒徑為(2.04～2.10)Φ，標準偏差平均值為0.7Φ，分選性為中等及較好。土壤顆粒的偏態(tài)屬于近對稱分布，峰度曲線分布為中等狀態(tài)。偏度的變異系數(shù)為中等變異性，其余都是弱變異性。平均粒徑與其余3個參數(shù)間存在一定的相關(guān)性，且不同地貌部位相關(guān)性存在差異。丘間地的平均粒徑與標準偏差、偏度呈正相關(guān)，與峰度呈負相關(guān)，背風坡的平均粒徑與標準偏差、偏度、峰度都呈正相關(guān)但相關(guān)系數(shù)均較小，迎風坡的參數(shù)相關(guān)性最不顯著。