希拉穆仁荒漠草原風蝕地表顆粒粒度特征①

丁延龍，高 永，蒙仲舉*，娜仁格日勒，黃 昕，孫曉瑞，吳 昊，黨曉宏，王 猛（ 內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 0008； 內蒙古自治區錫林郭勒盟鑲黃旗國營苗圃，內蒙古錫林郭勒 0350）

希拉穆仁荒漠草原風蝕地表顆粒粒度特征①

丁延龍1，高 永1，蒙仲舉1*，娜仁格日勒2，黃 昕1，孫曉瑞1，吳 昊1，黨曉宏1，王 猛1
（1 內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2 內蒙古自治區錫林郭勒盟鑲黃旗國營苗圃，內蒙古錫林郭勒 013250）

以荒漠草原常見的耕作區、圍封區、放牧區及旅游區 4種土地利用類型表層土壤為研究對象，利用激光衍射技術分析了0 ～ 2 cm表層土壤粒度組成，計算并分析平均粒徑、標準偏差、偏度、峰態及分形維數等粒度參數，探討風蝕顆粒范圍。結果表明：①希拉穆仁荒漠草原耕作區、圍封區、放牧區及旅游區4種土地利用類型土壤粒度組成均表現為以砂粒和粉粒為主，黏粒含量較低，樣地平均粒徑數值依次變小，分選性逐漸變好，峰態平緩，分形維數數值逐漸減小，土壤顆粒組成依次粗化；偏度分別為負偏、近于對稱、正偏和偏正偏，彼此差異明顯，偏度可作為有效的粒度參數指標。②通過分析粒度分布頻率曲線和土壤粒度累積頻率間平均距離，顯示研究區粒徑為134 μm和454 μm附近顆粒為近自然狀態下的易風蝕顆粒。各粒度參數及分維值均顯示放牧和旅游加劇希拉穆仁草原表層土壤風蝕，土壤粒度分布范圍變寬，整體向粗?；较虬l展。

粒度特征；風蝕；荒漠草原

荒漠草原廣布于內蒙古集二線以西的內蒙古高原及鄂爾多斯高原西部地區，是草原向荒漠過渡的生態交錯帶，區內全年干旱少雨，冬春季節風力強勁，生態環境異常嚴酷。境內植被種類簡單，草層稀疏低矮，穩定性差，對環境變化反應敏感［1-2］。作為傳統的牧區，家畜放牧是該地區最常見且直接的經濟方式［3］。該地區在開墾草地耕種亦有悠久歷史，最早在北魏太安年間即有文字記錄的墾殖活動，距今已有1 500余年［4］。長期的放牧與墾殖等生產活動，導致土壤質量下降［5］，加之風大沙多，土壤侵蝕劇烈，土壤粗?；制毡椋蔷┙蛏硥m天氣的風沙源地之一［6-7］。近年來，社會經濟水平不斷提高，草原旅游業方興未艾，然而大量的旅游設施建設和日益增長的旅游活動極大地影響了草原環境，造成草原景觀格局的破碎化等問題［8］。

土壤粗化被認為是我國北方草場退化、沙化的主要表現形式之一［9］。土壤不同徑級顆粒的配比在地表風蝕過程的下墊面因子中扮演著關鍵角色，是影響土壤風蝕發生及發展的關鍵因素［10-11］，對荒漠化的發生及發展具有重要的指示意義。土壤粒度特征作為土壤物理性質的重要指標，表征了土壤中不同徑級礦物顆粒的配比及分布情況，其參數變化受搬運介質、搬運方式、沉積環境和氣候等因素控制，可解釋顆粒的運移情況，進而判斷沉積環境的演變過程，在土地荒漠化研究中的應用愈來愈廣泛［12-14］。粒度參數常用指標包括平均粒徑（d0）、標準偏差（δ）、偏度（SK）與峰態（Kg）等［15］，粒度參數散點圖、概率累積分布圖、物源判別函數等也常在區分沉積環境中有所使用［16-17］。隨著研究方法的日益更新，分形理論作為定量描述土壤結構特征的新方法，在土地沙化的研究中廣泛涉及［18］。目前草原土地退化的研究多涉及土壤的物理和化學性狀［19-20］，多從土壤質量方面對其進行評價，關于荒漠草原不同土地利用方式下表層土壤粒度特征的研究涉及較少，針對近自然狀態下荒漠草原風蝕地表土壤易風蝕顆粒的識別研究更是鮮見報道［21-23］。不同土地利用類型對地表土壤干擾程度不同，將對土壤粒度組成及各粒度參數產生影響［3-5，8］。土壤粒度組成是決定風蝕強度的重要因素，反映著土壤退化狀況［10-11，23］。因此，探明荒漠草原不同土地利用類型下土壤粒度特征，進而準確判斷荒漠草原土壤退化程度，對合理利用與保護草地資源至關重要。

本文以內蒙古中部希拉穆仁荒漠草原圍封11年草地、持續放牧草地、耕作區和旅游景區的風蝕地表土壤為研究對象，通過分析不同土地利用類型的表層（0 ～ 2 cm）土壤粒度組成，比較土壤粒度參數及分形維數等指標，旨在揭示不同類型地表土壤粒度組成的差異及變化情況，并對荒漠草原地表土壤易風蝕顆粒進行判別分析，以期為希拉穆仁荒漠草原地表土壤粗化程度的精確評估提供可靠的數據支持，并為相關部門土地利用決策提供理論參考。

1 研究區概況

研究區位于希拉穆仁荒漠草原（41°12′ ～ 41°31′N，111°00′ ～ 111°20′E），行政上隸屬內蒙古包頭市達爾罕與茂明安聯合旗。地處大青山北麓、內蒙古高原中部地帶的南緣，系陰山山地向內蒙古高原的過渡帶，地形為低山丘陵類型，地勢起伏不大，平均海拔1 600 m，較為平坦開闊。氣候屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候，為中國季風區域的尾閭地帶，季風氣候特點不明顯。屬半干旱荒漠草原，年平均降水量為284 mm，潛在蒸發量高達2 305 mm，降雨主要集中在7、8、9月；年均氣溫2.5℃；年均風速4.9 m/s，全年主風向以北風和西北風為主，其次為西風，＞6 m/s的起沙風多年平均為56.8 次/a，以西北風、西風最多（圖1）；春秋季干旱多風，夏季雨量較充沛，冬季寒冷干燥。土壤分布規律基本屬于水平地帶性分布，局部由于地形、母質及水分條件的差異，發育成隱域性土壤。研究區內主要分布有栗鈣土和草甸土類，有190多種植物，草場主要群落結構為“克氏針茅（Stipa krylovii）+羊草（Leymus chinensis）+冷蒿（Artemisia frigida）”［24］。

圖1 希拉穆仁荒漠草原風向玫瑰圖（次/a）Fig. 1 Wind direction rose map in Xilamuren desert steppe

2 研究內容與方法

圖2 研究區地理位置Fig. 2 Location of the study area

2.1 樣品采集與分析

選擇希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持試驗中心圍封區、圍欄外東北方向放牧區、圍欄南部耕作區以及旅游區作為樣品采集區域，各采樣區域大致分布在東西寬1.0 km，南北長1.5 km區域內，采樣區內地勢較平坦，坡度在2.2° ～ 3.0°。耕作區所處位置海拔最低，主要種植玉米（Zea mays L.），每年5月進行翻耕，翻耕深度40 cm左右，秋季收獲后直接將秸稈平鋪覆蓋，至第二年5月翻耕時除去；圍封區自2003年開始圍欄封育，區內植被蓋度在70% ～ 95%，優勢種為羊草和冰草（Agropyron cristatum），植物平均高度約45 cm；放牧區每年均進行放牧，放牧強度為2.25 羊/hm2，遠超當地草場理論載畜量0.5羊/hm2［25］，除此之外，在旅游季節還有部分游客活動，植被蓋度在30% ～ 40%，優勢種為克氏針茅和冷蒿，伴有狼毒（Stellera chamaejasme）、百里香（Thymus mongolicus Ronn.），平均高度約15 cm；旅游區游客集中在7—9月，據《包頭市達茂旗2015年政府工作報告》，全旗2014年共接待游客153.3萬人（次），希拉穆仁草原為主要的旅游目的地。旅游區樣地內植被稀疏低矮，旅游點內部地表基本裸露，周邊植被沿道路、居住區呈條帶狀和斑塊狀鑲嵌分布，平均蓋度約20%，高度不足10 cm。

采樣于2014年7月下旬進行，取樣前一周內無大風和降水，在各樣地內隨機取樣。采樣時選取平整地面，首先用剪刀將地面的植物剪去露出地表，使用分層取土器［26］平行于地表采集深度0 ～ 2 cm的表層土樣，當場裝入塑料封口袋密封以備用。耕作區、圍封區、放牧區和旅游區4種樣地分別有20個采樣點，樣點為1 m ×1 m正方形，分別在正方形對角線兩端及中間采集3個重復樣，在水利部牧區水利科學研究所室內風干，將重復樣混合后以四分法取對角線土約150 g裝入塑封袋備測，共計80個土樣。

土壤粒度預處理和測量在內蒙古農業大學沙地生物資源保護與培育國家林業局重點開放性實驗室完成。實驗前需對樣品進行處理，自然風干后首先使用最接近測量上限（3 500 μm）的6目土壤篩去除直徑大于3 350 μm的粗顆粒，后分別稱取10 g土樣加入50 ml玻璃燒杯中，再加入45 ml III級超純水充分浸沒樣品。隨后加入1 ～ 2滴30% H2O2溶液，靜置24 h以于去除土樣中的有機質。待到燒杯內無氣泡產生時，用電熱板加熱干燥樣品，完全揮發反應剩余的H2O2。待樣品冷卻后，再加入水，并加1 ～ 2 ml 10% HCl溶液以溶解樣品中的碳酸鹽類物質，隨后再靜置24 h，用滴管析出清液。使用MIK-PH173型pH計測試樣品的pH值，加入純凈水稀釋3 ～ 4遍，直至pH呈中性后開始進行測量。土壤粒度測量使用英國Malvern公司生產的Mastersizer 3000型激光粒度分析儀，配合適用于樣品粒度相對較大或粒度分布極廣的測量的Hydro LV型大容量樣品池，儀器測量范圍0.01 ～ 3 500 μm，精確度優于0.6%，精確度/可重復性優于0.5% 變量，重現性優于1% 變量。每個樣品重復測量3次。測量過程中使用超聲震蕩10 s以分散團聚體。

2.2 土壤粒度參數模型

測定完成后采用儀器自帶軟件的用戶分級功能劃分土壤機械組成，以美國制土壤粒徑分級標準輸出［15］：黏粒（＜2 μm）、粉粒（2 ～ 50 μm）、極細砂（50 ～ 100 μm）、細砂（100 ～ 250 μm）、中砂（250 ～ 500 μm）、粗砂（500 ～ 1 000 μm）、極粗砂（1 000 ～ 2 000 μm）和礫石（＞2 000 μm）。并輸出土壤顆粒累積體積分數為5%、 10%、16%、25%、50%、75%、84%、90%、95% 所對應的顆粒直徑以備粒度參數的計算。

采用Udden-Wenworth粒級標準，根據Kumdein的算法進行對數轉化，分別將先前輸出的各土壤顆粒累積體積分數對應的顆粒直徑進行轉換，變為利于計算的Φ值［27-28］，轉換公式為：

式中：D為土壤顆粒直徑（mm）。

采用Folk-Ward的圖解法［29］計算粒度參數：平均粒徑（d0）、標準偏差（δ）、偏度（SK）與峰態（Kg）。參數計算公式如下：

平均粒徑 d0表征土壤粒度的平均分布情況，常用在研究顆粒沉積規律和追蹤顆粒移動過程中［15］。標準偏差 σ0表示土壤顆粒分布的離散程度，其值越小表示土壤顆粒分布越集中，顆粒分選性越好［15］。按照標準偏差σ0取值大小一般劃分為7個分選級別：σ0＜0.35，分選性極好；0.35＜σ0≤0.50，分選性好；0.50＜σ0≤0.71，分選較性好；0.71＜σ0≤1.00，分選性中等；1.00＜σ0≤2.00，分選性較差；2.00＜σ0≤4.00，分選性差；σ0＞4.00，分選性極差。偏度SK反映土壤顆粒粒度頻率曲線的對稱性，表示土壤顆粒的粗細分布特征［15］?？蓪⑵鋭澐譃?個等級：-1.0≤SK＜-0.3，極負偏；-0.3≤SK＜-0.1，負偏；-0.1≤SK＜0.1，近于對稱；0.1≤SK＜0.3，正偏；0.3≤SK＜1.0極正偏。峰態Kg是土壤顆粒粒度分布在平均粒度兩側集中程度的參數，代表頻率曲線尾部展開度與中部展開度的比率，或表示土壤顆粒頻率曲線兩側與中間部分分選性之間的比值，可對土壤顆粒頻率分布曲線峰形的寬窄陡緩程度進行定量的衡量［15］。一般而言，Kg取值越大，峰態尖窄程度越強，表明樣品粒度分布越集中，也說明至少有一部分顆粒物是未經環境改造而直接進入環境的，可按其取值范圍劃分為6個峰態等級：Kg≤0.67，很寬平；0.67＜Kg≤0.9，寬平；0.9＜Kg≤1.11，中等；1.11＜Kg≤1.56，尖窄；1.56＜Kg≤3.00，很尖窄；Kg＞ 3.00，極尖窄。

2.3 土壤粒度累積頻率間平均距離的計算

土壤粒度累積頻率分布間平均距離 d可反映樣地間土壤質量差異狀況，與土壤粒度累積頻率曲線相互印證，可為土壤粗化判斷提供佐證［30］。其計算公式為：

式中：d為土壤粒度累積頻率分布間平均距離；P為某種樣地土壤粒度累積頻率；P為4種樣地土壤粒度累積頻率平均值；K-1為自由度，K=4。

2.4 分形維數的計算

分形維數 D在表征土壤結構性質時應用廣泛，其值與土壤的不同大小粒徑顆粒數量有關，因此其不僅可以定量地表明土壤的結構特征，還可反映土壤含水率、土壤肥力等指標，在土地退化方面的研究應用很廣［31-32］。本文以Mastersizer 3000型激光粒度儀測定的土壤不同徑級顆粒的體積含量來計算體積分形維數，計算方法為：

式中：D為土壤分形維數；r為土壤顆粒直徑（mm）；Ri為某一徑級土壤顆粒直徑（mm）；V（r＜Ri）為小于 Ri徑級顆粒的土壤顆粒體積百分含量（%）；Vt為各徑級顆?？傮w積百分含量（%）；Rmax為最大顆粒直徑（mm）。

2.5 統計分析

采用Excel 2007、Origin 9.1軟件進行數據整理、計算分析、圖表繪制，由SPSS 19.0軟件對數據進行單因素方差分析（One-Way ANOVA）、LSD多重檢驗。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用類型土壤粒度組成特征

由表1土壤粒度組成可知，本研究耕作區、圍封區、放牧區及旅游區4種土地利用類型土壤粒度組成均表現為以砂粒和粉粒為主，砂粒平均體積百分含量分別為 45.32%、64.61%、71.25% 和85.13%，對砂粒進一步分析，耕作區極細砂平均含量極顯著高于其他3種樣地（P＜0.05），圍封后地表極細砂含量較放牧區升高（P＜0.05），旅游區極細砂平均含量最低，同放牧區差異不明顯（P＞0.05）。粉粒平均百分含量除旅游區顯著較低外（P＜0.05），其余3種樣地粉粒平均百分含量均在20% 以上，耕作區中粉粒平均百分含量最高，為54.20%，顯著高于其他3種樣地（P＜0.05），圍封后粉粒含量較放牧區升高（P＜0.05）。耕作區表層礫石含量為0，其余3種樣地表層土壤礫石平均含量均顯著升高（P＜0.05），但彼此間差異不顯著（P＞0.05）。各樣地黏粒含量均未超過 1%，彼此間差異顯著（P＜0.05）。

表1 希拉穆仁荒漠草原土壤粒度組成（%）Table1 The composition of soil particles in Xilamuren desert steppe （%）

3.2 不同土地利用類型土壤粒度參數

由表2可知本研究耕作區、圍封區、放牧區和旅游區 4種樣地平均粒徑數值依次變大，按照 Folk-Ward圖解法劃分標準，分別屬于粉粒、細砂、細砂和中砂，彼此間差異顯著（P＜0.05）。土壤標準偏差依次為圍封區＞放牧區＞旅游區＞耕作區，其分選級別分別為分選性極差、分選性極差、分選性差、分選性差。偏度等級分別為負偏、近于對稱、正偏和極正偏。除圍封區外，其余3種樣地表土頻率曲線形態不對稱，耕作區樣地波峰偏向細粒度一側，結合表1的土壤粒度組成情況，耕作區表層土壤以較細的粉粒和極細砂含量為主，較粗的中砂、粗砂含量很少，且無極粗砂和礫石存在，顆粒分布不對稱，說明土壤顆粒以細組分為主。放牧區和旅游區波峰均偏向粗粒度一側，細粒一側有一低的尾部，顆粒以粗組分為主，其中旅游區土壤顆粒組成較放牧草地更粗，顆粒組成以砂粒為主，僅含有少量黏粒、粉粒和極細砂，土壤顆粒分布極不對稱，總體偏向于粗顆粒的一側，人為擾動對土壤粗化作用明顯。圍封區經過多年的自然恢復，表層土壤中細粒物質如黏粒、粉粒和極細砂含量均較放牧區有所增加，粗顆粒含量下降，顆粒組成復雜且向均勻化的方向發展，土壤粒度粗細分配近于對稱。

表2 希拉穆仁荒漠草原表層土壤粒度參數Table2 Surface soil particle parameters of Xilamuren desert steppe

4 種樣地峰態分屬中等、寬平、寬平和中等，耕作區和旅游區兩種樣地土壤顆粒分布較圍封區和放牧區集中，由表1可知，耕作區樣地中粉粒為優勢顆粒，這與其偏度為負偏一致，表明顆粒組成向細粒物質集中，而旅游區表現為向粗顆粒集中，砂粒含量占優勢，其偏度也表現為極正偏。放牧區和圍封區兩種條件下的草地表層土壤峰態均表現為寬平，兩種土壤均無占據絕對優勢的顆粒，分布相對耕作區和旅游用地較復雜，與兩種土壤偏度的絕對值相對較小相呼應。圍封11年后，草地表層土壤峰態值仍有所降低，顆粒組成較分散并有所細化。耕作區、圍封區、放牧區和旅游區表層土壤分形維數依次減小。土壤分形維數數值大小與黏粒、粉粒等細顆粒含量呈正相關，與礫石、極粗沙等粗顆粒含量呈負相關關系，這也與表1中4種樣地顆粒組成粗細情況一致。

分別以 4種樣地每個采樣點的粒度參數制作粒度參數散點圖，可直觀地觀察4種樣地表土粒度參數的分布情況。由圖3可看出耕作區和旅游區同圍封區、放牧區兩種草地的粒度參數存在明顯界限，各粒度參數散點圖均能對其進行明顯的區分，圍封區和放牧區兩種草地間差異不大，在平均粒徑-偏度、標準偏差-偏度、偏度-分形維數和峰態-偏度散點圖可進行明顯識別，其他散點圖均無法嚴格區分。從粒度參數散點圖中可以看出旅游區各粒度參數分布范圍最大，放牧區次之，其次為圍封區，耕作區分布最集中。

3.3 不同土地利用類型土壤顆粒頻率分布曲線

土壤顆粒頻率分布曲線常用于分析顆粒大小分布情況，不僅可定性地獲取偏度、峰度等信息，還可以從曲線的波峰屬性判斷顆粒的沉積動力及物源情況。分別以耕作區、圍封區、放牧區和旅游區4種樣地的表層土壤粒徑平均值制作顆粒頻率分布曲線（圖4A），可以看出4種樣地粒徑分布存在差異，其中耕作區和旅游區間差異最明顯，并基本呈單峰分布。圍封區和放牧區兩種草地差異相對較小，且均表現為雙峰型。耕作區的波峰在50 ～ 60 μm附近，兩種草地的第一個波峰略有滯后，約在60 ～70 μm。旅游區在1 000 μm附近出現波峰，兩種草地的第二個波峰也在該處出現，旅游區在70 μm附近還存在有一不甚明顯的起伏。放牧區的波谷出現在200 μm附近，而圍封區的波谷出現稍晚，在250 μm附近。4種樣地在50 ～70 μm附近均出現波峰，但波峰高度隨地表裸露程度增大而依次降低，細顆粒損失依次增多。放牧區波谷所在處對應的顆粒粒徑小于圍封區，旅游區波谷出現更早，對應顆粒粒徑更小，細粒物質含量較低。

累積頻率分布曲線可以反映土壤顆粒的分布情況，一般曲線越陡峻，顆粒分布越均勻。分析4種樣地表層土壤的累積頻率分布曲線（圖4B）可知，4種樣地表土分布均勻程度表現為耕作區最好，且顆粒組成較細。圍封區與放牧區草地介于耕作區和旅游區之間。旅游區表土累積分布曲線開始時變化較緩慢，但約在300 μm后開始變陡，并迅速升高，說明顆粒多集中在大于300 μm范圍內，結合表2中旅游區土壤標準偏差較大，可知顆粒分選性相對于草地較好，顆粒均較粗且分選性較好，這也印證了旅游區表土缺乏植被覆蓋，風蝕較嚴重。

3.4 不同土地利用類型地表風蝕顆粒判別

4 種樣地分布在1.0 km×1.5 km范圍內，樣地間距離很近，各樣地表層土壤顆粒頻率分布曲線（圖4A）雖呈現出不同類型，但波峰和波谷的出現表現出一定的一致性，土壤母質差異不大。土壤粒度累積頻率間平均距離反映了樣地間顆粒差異情況，可定性描述易風蝕顆粒范圍，本研究中4種樣地土壤粒度累積頻率間平均距離（圖4B）在粒徑為100 ～ 250 μm區間內較大，可認為研究區易風蝕顆粒范圍在100 ～ 250 μm。一般研究認為風蝕顆粒運動以躍移為主，100 ～ 150 μm大小顆粒是最易發生躍移的粒徑范圍［33-34］，本研究得出的風蝕顆粒范圍偏向較粗的顆粒，研究區多年平均＞6 m/s的起沙風可達到56.8 次/a，且整體土壤粒徑較粗，相比吳正等人［33］研究的粒度組成較細的風沙土，風蝕顆粒可能亦相對偏大。

4 討論

圖3 粒度參數散點圖Fig. 3 Scatter diagram of particle size distribution

研究區內耕作樣地海拔相對低于其他3種樣地，長期的侵蝕過程使得高處的細粒物質被搬運至此，形成較厚且細的土壤層，外業調查中發現土層厚度可達50 ～ 100 cm。耕地土壤各粒度參數分布均較集中，說明其土壤顆粒均一性較好。分形維數作為衡量土地退化程度的指標之一，可反映土壤質量的變化情況。耕作區土壤分形維數最大，土壤粒度組成最細，多為粉粒和極細砂，耕作開墾雖極易導致表土細粒物質被吹蝕［35］，但耕作區在秋季收獲后即采取留茬覆蓋措施，每年5月上旬進行翻耕，此時研究區風季已過，土壤中細顆粒得以較多地保留。同時耕作區土壤層較厚，翻耕后可將下層土壤帶至表層，對細顆粒形成補給，使得樣地內顆粒組成始終保持在較細的水平。非耕作期采取留茬覆蓋的保護措施，不僅可防止土壤細粒物質被吹蝕，還兼具保水功能，這對作物生長十分有利。同時作物生長也在改良土壤，形成寶貴的團粒結構，促進保水保肥，提高土體的抗風蝕能力［36］，這對于土壤本身較干旱貧瘠的陰山北麓地區尤為重要［4］。

圖4 土壤顆粒頻率分布曲線Fig. 4 The particle size distribution curves

近年來，希拉穆仁草原大力發展旅游業，夏季正值植被生長旺季，而此時游客的大量涌入，對地表踐踏作用強烈，嚴重干擾植被生長，形成眾多圍繞著旅游點的呈斑塊狀的裸斑地，地表細粒物質極易被吹蝕，同時缺乏植被的保護的土層蒸發加劇，土體變干逐漸疏松，一旦再次踐踏形成破口，風蝕將向表土以下發展并逐漸擴張，使得旅游區土壤粗化愈加嚴重［37］。研究區中旅游區土壤分形維數最小，土壤粗化最明顯，中砂、粗砂、極粗砂含量較高，但顆粒組成分散，無絕對優勢顆粒，其各粒度參數也分布較離散。因此當地相關部門應在發展旅游業的同時考慮劃定專門的旅游用地，在保護地表土壤的同時提高土地利用效率。

希拉穆仁草原為典型的荒漠草原，氣候干旱少雨，土壤物理性砂粒質量分數基本在50% ～ 80%，常年的放牧活動對土壤的踩踏使得表土結構松散，冬春季節土壤含水率一般在3% ～ 4%，此時風力強勁又缺乏地表覆蓋，干燥疏松的土壤極易發生風蝕［38-40］，導致土壤逐漸粗化。經過十余年的休養生息，圍封區內植被高度和蓋度相對于放牧區均迅速增加，增大了地表粗糙度，降低上方氣流的吹蝕能力，有助于截留氣流中的細粒物質，對表層土壤中的細顆?？善鸬揭欢ǖ谋４孀饔茫?7］。圍封區與放牧區草地相比分形維數有所增大，土壤顆粒組成有所細化，但圍封改善土壤結構過程緩慢［41-42］，對土壤的細化仍未達到顯著水平（P＞0.05）。由圖3粒度參數散點圖也可知其各粒度參數差異較小，僅平均粒徑-偏度、標準偏差-偏度、偏度-分形維數和峰態-偏度散點圖可將兩種草地表土進行明顯區分。

研究區耕作樣地和旅游區土壤顆粒分布較為特殊，耕作區由于地勢較低，利于細顆粒的大量堆積，加之人為采取留茬覆蓋保護措施，顆粒組成最細，而旅游區人類活動頻繁，對土壤顆粒粗化作用甚大。圍封區和放牧區2種樣地地貌類型一致，受人為干擾相對于耕地和旅游區較小，同時植被高度、蓋度差異較大，孫悅超等［43］認為陰山北麓草地有效防風蝕的植被蓋度為50%，圍欄封育區植被蓋度遠超此臨界值，而放牧區未達到最低蓋度，為重度退化水平［24］。因此本文以此2種樣地土壤表層顆粒為對象，進一步探究在近自然狀態下風蝕對地表土壤粗?；挠绊?。

由表1可知圍封區表層土壤黏粒、粉粒、極細砂平均含量均顯著高于放牧區（P＜0.05）。細砂含量雖有所降低，但差異不顯著（P＞0.05）。隨著顆粒徑級變大，除中砂含量顯著偏低（P＜0.05）外，顆粒更粗的粗砂、極粗砂等含量均無顯著變化，細砂表現較為特殊，進一步對圍封區和放牧區土壤顆粒頻率曲線（圖5A）分析可知，二者在134 μm處發生交叉，細砂（100 ～ 250 μm）在此處被分為兩部分（100 ～ 134 μm、134 ～ 250 μm），圍封區中較細部分顆粒（100 ～ 134 μm）含量多于放牧區，而較粗部分顆粒（134 ～ 250 μm）表現相反，使得兩種草地表土細砂含量總體差異減小。方差分析結果顯示兩種草地較細部分顆粒含量差異不顯著（P＞0.05），而較粗部分仍差異顯著（P＜0.05）。兩種草地累積體積含量的距離（圖5B）在134 μm達到最大，岳高偉等［44］分析了顆粒在流場中的釋放過程，認為隨顆粒粒徑的增大，起動風速先減小后增加，120 ～ 140 μm粒徑范圍內顆粒最易起動，這與本研究結果基本吻合。同時圍封區和放牧區土壤顆粒頻率曲線顯示中砂（250 ～ 500 μm）差距較大，方差分析結果也顯示二者差異顯著（P＜0.05），從頻率分布曲線差值可看出兩種草地在454 μm附近最大，可認為454 μm附近顆粒也易被風蝕。李曉麗等人［45］的研究認為陰山北麓耕地發生躍移顆粒粒徑主要在75 ～ 200 μm和250 ～ 425 μm，與本研究結果基本一致，僅較粗部分躍移顆粒偏大，這可能是草地顆粒級配相比耕地較粗所致。綜上所述，可認為研究區表層土壤中134 μm和454 μm附近顆粒為易風蝕顆粒。

圖5 兩種類型草地土壤顆粒頻率分布曲線Fig. 5 The particle size distribution curves of grassland

綜合而言，研究區不同類型土地表土粗化的原因，不僅有氣候、土壤母質的影響，人類活動也是重要因素。當地決策部門應繼續在農業耕作區域推廣留茬覆蓋等保護措施，減少土地翻耕，從而有效防止土壤風蝕的發生。圍封區相比放牧區表層土壤有所細化，但變化相對緩慢，需要長期堅持。同時應適度控制旅游人數，開辟專門的旅游區域，以防止土壤粗化繼續擴展。

5 結論

通過對希拉穆仁荒漠草原常見的農業耕作區、圍封區、放牧區及旅游區地表（0 ～ 2 cm）土壤的粒度組成進行分析，得到以下結論：

1） 希拉穆仁荒漠草原表層土壤粒度組成以砂粒和粉粒為主，其中砂粒含量在45.32% ～ 85.13%，土壤粒度組成從細到粗依次為耕作區、圍封區、放牧區和旅游區，顆粒分形維數分別為2.39、2.26、2.20、1.88，土壤逐漸粗化。土壤分選性均較差。偏度分別為負偏、近于對稱、正偏和偏正偏，差異明顯，偏度可作為有效的粒度參數指標。峰態分屬中等、寬平、寬平和中等，均較為平緩。

2） 土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示研究區粒徑為134 μm和454 μm附近顆粒為易風蝕顆粒。各粒度參數及分維值均顯示放牧和旅游引起希拉穆仁草原表層土壤粗化，土壤粒度分布范圍變寬，整體向粗?；较虬l展。當地應堅持圍封禁牧，開辟專門的旅游區域，繼續推廣耕地留茬覆蓋等保護措施，防止土壤粗化范圍擴展。

［1］ 吳波， 蘇志珠， 陳仲新. 中國荒漠化潛在發生范圍的修訂［J］. 中國沙漠， 2007， 27（6）： 911-917， 1 093-1 094

［2］ 韓芳， 劉朋濤， 牛建明， 等. 50a來內蒙古荒漠草原氣候干燥度的空間分布及其演變特征［J］. 干旱區研究， 2013，30（3）： 449-456

［3］ 安慧， 徐坤. 放牧干擾對荒漠草原土壤性狀的影響［J］.草業學報， 2013， 22（4）： 35-42

［4］ 龔晨， 安萍莉， 琪赫， 等. 陰山北麓地區農作制度演變歷程及演變規律研究［J］. 干旱區資源與環境， 2007， 21（2）：66-70

［5］ 龔子同， 張之一， 張甘霖. 草原土壤：分布、分類與演化［J］. 土壤， 2009， 41（4）： 505-511

［6］ 趙羽. 內蒙古土壤侵蝕研究［M］. 北京： 科學出版社，1989

［7］ 高雪峰， 韓國棟. 放牧對羊草草原土壤氮素循環的影響［J］. 土壤， 2011， 43（2）： 161-166

［8］ 李文杰， 烏鐵紅， 李曉佳， 等. 內蒙古希拉穆仁草原旅游地景觀格局動態變化［J］. 地理科學， 2013， 33（3）：307-313

［9］ 陳小紅， 段爭虎， 譚明亮， 等. 沙漠化逆轉過程中土壤顆粒分形維數的變化特征——以寧夏鹽池縣為例［J］. 干旱區研究， 2010， 27（2）： 297-302

［10］ Chepil W S. Factors that influence clod structure and erodibility of soil by Wind： II. Water-Stable Structure［J］. Soil Science， 1953， 76（5）： 389-400

［11］ 蒙仲舉， 高永， 王淮亮， 等. 基于土壤粒度和大風日數的風蝕風險預報［J］. 農業工程學報， 2015， 31（6）： 186-192

［12］ 李學林， 李福春， 陳國巖， 等. 用沉降法和激光法測定土壤粒度的對比研究［J］. 土壤， 2011， 43（1）： 130-134

［13］ 黃文敏， 伍永秋， 潘美慧， 等. 西藏安多剖面沉積物粒度特征及環境意義［J］. 中國沙漠， 2014， 34（2）： 349-357

［14］ Elisabeth D， Gregori L， Kai H， et al. Early to mid-Holocene lake high-stand sediments at Lake Donggi Cona，northeastern Tibetan Plateau， China［J］. Quaternary Research，2013， 79（3）： 325-336

［15］ 高廣磊， 丁國棟， 趙媛媛， 等. 生物結皮發育對毛烏素沙地土壤粒度特征的影響［J］. 農業機械學報， 2014， 45（1）：115-120

［16］ 唐麗， 董玉祥. 華南海岸現代風成沙與海灘沙的粒度特征差異［J］. 中國沙漠， 2015，35（1）： 14-23

［17］ 楊立輝， 葉瑋， 鄭祥民， 等. 河漫灘相沉積與風成沉積粒度判別函數的建立及在紅土中應用［J］. 地理研究，2014， 33（10）： 1 848-1 856

［18］ 賈曉紅， 李新榮， 李元壽. 干旱沙區植被恢復過程中土壤顆粒分形特征［J］. 地理研究， 2007， 26（3）： 518-525

［19］ 李宗超， 胡霞. 小葉錦雞兒灌叢化對退化沙質草地土壤孔隙特征的影響［J］. 土壤學報， 2015， 52（1）： 242-248

［20］ 蔡曉布， 彭岳林， 魏素珍， 等. 高寒草原土壤有機碳與腐殖質碳變化及其微生物效應［J］. 土壤學報， 2014， 51（4）：834-844

［21］ 紅梅， 敖登高娃， 李金霞， 等. 荒漠草原土壤健康評價［J］. 干旱區資源與環境， 2009， 23（5）： 116-120

［22］ 呂桂芬， 吳永勝， 李浩， 等. 荒漠草原不同退化階段土壤微生物、土壤養分及酶活性的研究［J］. 中國沙漠， 2010，30（1）： 104-109

［23］ 曹祥會， 龍懷玉， 雷秋良， 等. 河北省表層土壤可侵蝕性K值評估與分析. 土壤， 2015， 47（6）： 1 192-1 198

［24］ 李蘭花. 希拉穆仁草原的退化機理及現狀評價研究［D］.呼和浩特： 內蒙古農業大學， 2005

［25］ 羅志國. 希拉穆仁草原旅游發展利益相關者分析［D］. 長沙： 中南林業科技大學， 2008

［26］ 高永， 虞毅， 汪季， 等. 一種可以分層采取土壤樣品的取土器［P］. 內蒙古：CN201926567U， 2011-08-10

［27］ 丁國棟. 風沙物理學［M］. 北京： 中國林業出版社，2010

［28］ 成都地質學院陜北隊. 沉積巖（物）粒度分析及其應用［M］.北京： 地質出版社， 1978： 44-45

［29］ Folk R L，Ward W C. Brazos river bar： a study in the significance of grain size parameters［J］. Journal of Sedimentary Petrology， 1957， 27（1）： 3-26

［30］ 閆玉春， 唐海萍， 張新時， 等. 基于土壤粒度分析的草原風蝕特征探討［J］. 中國沙漠， 2010， 30（6）：1 263-1 268

［31］ 楊培嶺， 羅遠培， 石元春. 用粒徑的重量分布表征的土壤分形特征［J］. 科學通報，1993， 38（20）： 1 896-1 899

［32］ 高廣磊， 丁國棟， 趙媛媛， 等. 四種粒徑分級制度對土壤體積分形維數測定的影響［J］. 應用基礎與工程科學學報， 2014， 22（6）： 1 060-1 068

［33］ 吳正. 風沙地貌學［M］. 北京： 科學出版社， 1987

［34］ 劉大有， 董飛， 賀大良. 風沙二相流運動特點的分析［J］.地理學報， 1996， 51（5）： 434-444

［35］ 王仁德， 肖登攀， 常春平， 等. 改進粒度對比法估算單次農田風蝕量［J］. 農業工程學報， 2014， 30（21）： 278-285 ［36］ 南嶺， 杜靈通， 展秀麗. 土壤風蝕可蝕性研究進展［J］.土壤， 2014， 46（2）： 204-211

［37］ 殷玲， 張德平， 成永會， 等. 車輛碾壓對沙質草原表土物理力學性質的影響［J］. 中國沙漠， 2015， 35（5）： 1 177-1 182

［38］ 海春興， 趙明， 郝潤梅， 等. 陰山北麓不同用地方式下春季土壤表層水分變化分析［J］. 干旱區資源與環境，2005， 19（5）： 150-154

［39］ 李曉佳， 海春興， 劉廣通. 陰山北麓不同用地方式下春季土壤可蝕性研究［J］. 干旱區地理， 2007， 30（6）： 926-932

［40］ 董治寶， 陳廣庭. 內蒙古后山地區土壤風蝕問題初論［J］.土壤侵蝕與水土保持學報， 1997， 3（2）： 84-90

［41］ 單貴蓮， 徐柱， 寧發， 等. 圍封年限對典型草原植被與土壤特征的影響［J］. 草業學報， 2009， 18（2）： 3-10

［42］ Su Y Z， Li Y L， Cui J Y， et al. Influences of continuous grazing and livestock exclusion on soil properties in a degraded sandy grassland， Inner Mongolia， northern China［J］. Catena， 2005， 59（3）： 267-278

［43］ 孫悅超， 陳智， 趙永來， 等. 陰山北麓農牧交錯區草地土壤風蝕測試［J］. 農業機械學報， 2013， 44（6）： 143-147

［44］ 岳高偉， 賈慧娜， 藺海曉. 土壤風蝕過程顆粒釋放機理研究［J］. 干旱區地理，2012，35（2）：248-253

［45］ 李曉麗， 申向東. 裸露耕地土壤風蝕躍移顆粒分布特征的試驗研究［J］. 農業工程學報， 2006， 22（5）： 74-77

Particle Size Characteristics of Wind Erosion Surface Soil in the Desert Steppe

DING Yanlong1， GAO Yong1， MENG Zhongju1*， Narengerile2， HUANG Xin1，SUN Xiaorui1， WU Hao1， DANG Xiaohong1， WANG Meng1
（1 Desert Science and Engineering College， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China；2 Xianghuang Qi Nursery Garden， Xilinguole League， Inner Mongolia 013250， China）

The topsoil samples of 0- 2 cm were collected from farming land， fenced grassland， grazing grassland and tourist area in Xilamuren desert steppe and used to investigate soil particle size characteristics. First，the soil particle size distributions were identified by laser diffraction technique. Second， the particle size parameters of average particle size， standard deviation， skewness， kurtosis， and fractal dimension were subsequently calculated. And then， the erosion particle range was discussed. The results indicated that： 1） the topsoil particles in desert steppe were mainly composed of sand and silt， while the clay content was extremely low. Soil particle size followed the order： farming land ＜ fenced grassland ＜ grazing grassland ＜tourist area. Soil particle size distributions were all in poor sorting. The kurtosis was medium， wide flat， wide flat and medium for farming land， fenced grassland， grazing grassland and tourist area， respectively. The fractal dimensions were 2.39， 2.26， 2.20 and 1.88 for these land using types. Correspondingly， the skewness of these land using types was negative， nearly symmetrical，positive skewness and partial positive， respectively. The skewness can be used as an effective particle size parameter. 2） Based on the analyses of frequency curves of soil particle size and the average distance， it was found that when soil particles were about 134 μm and 454 μm， which are the easiest to be erode by wind under near nature conditions. The particle size parameters and fractal dimension showed that the grazing and tourism accelerated wind erosion of topsoil in this region. Soil particle distribution was becoming wide， and soil coarse particles increased gradually.

Particle size characteristics； Wind erosion； Desert steppe

S152.3

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.026

中科院西部之光項目和內蒙古農業大學優秀青年科學基金項目（2014XYQ-8）資助。

（mengzhongju@126.com）

丁延龍（1990—），男，安徽亳州人，博士研究生，主要從事荒漠化防治研究。E-mail： dingyanlong1990@126.com