伊犁河谷不同土地利用方式下土壤粒度特征

張雪琪, 崔 東, 夏振華, 趙 玉, 劉 影, 劉海軍

(1.伊犁師范學院 生物與地理科學學院, 新疆 伊寧 835000; 2.新疆大學資源與環境科學學院/綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046; 3.中國科學院 新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 4.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054)

伊犁河谷不同土地利用方式下土壤粒度特征

張雪琪1,4, 崔 東1,2,3, 夏振華1,4, 趙 玉1, 劉 影1, 劉海軍1

(1.伊犁師范學院 生物與地理科學學院, 新疆 伊寧 835000; 2.新疆大學資源與環境科學學院/綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046; 3.中國科學院 新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011; 4.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054)

為更有效地指導伊犁河谷水土環境的可持續發展，對河谷地區不同土地利用方式下的土壤進行采樣，共獲得14個剖面98個土壤樣品。利用EASY SIZER20測定樣品粒度，依據福克—沃德公式計算中值、平均粒徑、標準偏差、峰度、偏度，采用Excel，SPSS 19.0等統計軟件進行作圖和統計分析。結果表明：(1) 不同土地利用方式下土壤粒級百分含量雖有不同，但都是以粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2 000 μm)為主。其中耕地的粉粒、砂粒百分含量均高于荒地，林地、草地的黏粒(<2 μm)百分含量相當。(2) 不同土地利用方式下土壤粒級的變異系數表現出顯著性差異。耕地中粉粒、砂粒含量的變異系數普遍大于荒地，黏粒含量的變異系數則相反。(3) 不同土地利用方式下土壤粒度特征不同，耕地的平均粒徑明顯大于草地、荒地、林地，荒地的分選性明顯優于耕地、園地。

土地利用方式; 粒度特征; 伊犁河谷

隨著社會人口不斷發展，土地利用方式發生了顯著變化。不同的土地利用方式及其植被覆蓋類型不僅制約著土壤環境演變的方向與速度，而且改變著土壤的理化性質。土壤粒度作為土壤的一個基本自然屬性，影響著土壤的質地、持水量、水熱傳輸的速度等。馬鵬[1]、吳美榕[2]等分別對伊犁河谷新墾區進行了土壤粒度的研究。劉芝芹[3]、王英芹[4]等分別以金沙江干熱河谷、重慶巖溶區為試驗區，研究了不同土地利用類型下土壤粒度特征。張曉萌等[5]運用地統計學方法、3S技術，分析了不同植物群落下土壤粒度空間變化特征。上述研究主要從地表不同利用類型、不同植被覆蓋著手，對土壤粒度及其空間變異進行了分析，為研究區土壤的合理開發與利用提供了有力依據。

伊犁河谷依附獨特的地形發育了本區特有的大陸性中溫帶濕潤氣候，被譽為“塞外江南”。近10 a來，由于城鎮化速度不斷加快，土地利用方式發生了明顯變化[6-10]，然而尚未有學者開展有關不同土地利用方式下土壤粒度特征的相關研究。本文中，筆者通過對伊犁河谷不同土地利用方式下土壤剖面的粒度組成及粒度參數研究，對比不同土地利用方式下不同深度土壤粒度的特征值變化規律，分析各特征值之間的相關性，以期對伊犁河谷乃至西北干旱區的水土環境發展及其資源合理利用提供有效的理論指導。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

參照2000年國家環保總局“中國西部地區生態環境遙感調查”課題規定，將伊犁河谷(80°09′—84°56′E，42°14′—44°50′N)的土地利用類型化分為以下6類：耕地、林地、草地、城鄉工礦居民用地、水域和未利用土地[6]。近40 a來(1970—2007年)，伊犁河下游地區耕地經歷了先增加而后減少然后再增加的過程；未利用地和水域經歷了先增加再減少，總面積趨于增加；高覆蓋度林草地呈現持續減少；城鄉工礦用地持續增加。伊犁河谷土地利用類型的變化是一個動態平衡的變化過程，據《新疆土地統計年鑒(2002—2008年)》顯示：伊犁河谷地區農用地總面積從4 655 747.89 hm2增加到4 659 968.54 hm2，建設用地總面積從83 947.82 hm2增加到86 571.6 hm2，未利用地總面積從787 468.1 hm2減少到780 623.7 hm2。

1.2 材料與方法

1.2.1 土壤樣品采集方法 2015年8—10月對伊犁河谷不同土地利用方式下的土壤進行采樣。采集前均用GPS測定經緯度并記錄隸屬的土地利用類型；采集時每個土壤剖面的深度均為60 cm(從下至上每20 cm等間距取樣)，并記錄各分層土壤的質地、顏色等；最后每層土樣取200～300 g，裝入土壤樣袋中帶回實驗室。共獲得14個剖面98個土壤樣品，采樣點信息見表1。

1.2.2 土壤前期處理 土樣經風干后，去除殘留的樹枝、石塊等過18目篩(1 mm)。(1) 每種土樣取0.5 g置于100 ml錐形瓶中并加入10 ml濃度為10%H2O2消煮,去除有機質。加熱過程中需用蒸餾水不斷沖洗杯壁，以防泡沫溢出；(2) 再加入10 ml濃度為10%的HCl，去除碳酸鹽，當液體沸騰至趨于靜止時，表明碳酸鹽已完全消除；(3) 在待測樣品液中加入蒸餾水，攪拌，靜置24 h待完全沉淀后，運用虹吸法抽去上層清液，再次加入蒸餾水，反復多次，直至用PH試紙顯示樣品液酸堿度接近中性為止；(4) 在錐形瓶中加入1 mol/L的六偏磷酸鈉溶液10 ml，將其振蕩10 min，即可供儀器測量。本文采用EASY SIZER20測定樣品粒度，其粒度范圍為0.5～500 μm。采用美國粒徑分法：小于2 μm為黏粒，2～50 μm為粉粒，50～2 000 μm為砂粒[1]。

表1 采樣點信息

1.2.3 土壤試驗數據分析處理 土壤樣品粒度參數特征值(中值、平均粒徑、標準偏差、峰度、偏度等)依據福克—沃德的公式計算，采用Excel，SPSS 19.0等統計軟件進行作圖和統計分析。

中值Md是指累積曲線上顆粒含量為50%處對應的粒徑[11]，即Md=φ50

偏度是表示頻率曲線對稱性的參數，實質上反映粒度分布的不對稱程度，按其形態分為正態、正偏態、負偏態[14-17]。

表2 標準偏差分選級別

表3 峰度等級界限

表4 偏度分級

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤粒度總體特征

(1) 河谷地區耕地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明：伊犁河谷地區耕地下土壤中粉粒約69.21%、砂粒約29.56%、黏粒約1.23%，平均粒徑約100.969 μm，標準偏差約25.564，峰度約0.996，偏度約0.049。結合表5發現：粉粒含量為48.48%～95.53%；砂粒含量2.01%～51.03%；黏粒含量0.50%～2.46%；中值(Md)介于16.240～187.412 μm；平均粒徑(Mz)介于15.578～185.232 μm；標準偏差(δ)介于10.934～41.340，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.961～1.028，表明粒度頻率曲線分布呈中等(正態)；偏度(Sk)介于0.025～0.070，表明頻率曲線呈近對稱(表5)。

表5 不同土地利用方式下土壤粒度特征值

(2) 河谷地區林地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區林地下土壤中粉粒約89.17%、砂粒約9.14%、黏粒約1.69%，平均粒徑約23.246 μm，標準偏差約17.321，峰度約1.114，偏度約0.244。結合表5發現粉粒含量79.78%～99.03%；砂粒含量0.10%～18.60%；黏粒含量0.88%～2.57%；中值(Md)介于17.338～26.727 μm；平均粒徑(Mz)介于20.213～28.729 μm；標準偏差(δ)介于15.319～19.453，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.949～1.369，表明粒度頻率曲線分布呈中等(正態)、尖銳；偏度(Sk)介于0.157～0.338，表明頻率曲線呈正偏、極正偏。

(3) 河谷地區草地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區草地下土壤中粉粒約85.14%、砂粒約12.64%、黏粒約2.22%，平均粒徑約43.853 μm，標準偏差約27.138，峰度約0.815，偏度約-0.257。結合表5發現粉粒含量78.00%～95.78%；砂粒含量1.04%～20.74%；黏粒含量1.26%～3.18%；中值(Md)介于51.583～63.160 μm；平均粒徑(Mz)介于32.189～55.862 μm；標準偏差(δ)介于15.621～36.412，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.750～0.871，表明粒度頻率曲線分布呈平坦狀態；偏度(Sk)介于-0.612～-0.073，表明頻率曲線處于很負偏到近對稱之間。

(4) 河谷地區園地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區園地下土壤中粉粒約53.55%、砂粒約45.52%、黏粒約0.94%，平均粒徑約174.984 μm，標準偏差約42.409，峰度約1.306，偏度約0.104。結合表5發現，粉粒含量20.94%～92.10%；砂粒含量5.93%～78.73%；黏粒含量0.34%～1.98%；中值(Md)介于17.860～293.008 μm；平均粒徑(Mz)介于18.257～289.655 μm；標準偏差(δ)介于14.165～70.380，屬于分選極差；峰度(KG)介于1.145～1.622，表明粒度頻率曲線分布呈尖銳、很尖銳；偏度(Sk)介于-0.038～0.203，表明頻率曲線處于近對稱到正偏之間。

(5) 河谷地區荒地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區荒地下土壤中粉粒約83.93%、砂粒約14.63%、黏粒約1.61%，平均粒徑約16.474 μm，標準偏差約10.932，峰度約0.874，偏度約0.074。結合表5發現粉粒含量57.75%～98.30%；砂粒含量0.17%～41.92%；黏粒含量0.83%～2.46%；中值(Md)介于14.730～18.393 μm；平均粒徑(Mz)介于14.468～17.729 μm；標準偏差(δ)介于9.462～11.737，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.777～0.950，表明粒度頻率曲線分布呈平坦、中等(正態)狀態；偏度(Sk)介于0.038～0.101，表明頻率曲線呈近對稱、正偏。

從表6可知，伊犁河谷地區不同土地利用方式下不同粒級土壤的變異系數相差很大。耕地、草地、園地表層黏粒的變異系數小于底層，變化范圍分別為6.10%～28.70%，10.70%～13.60%，37.20%～100%，林地、荒地則相反，底層黏粒變異系數小于表層，變化范圍分別為2.30%～37.90%，5.90%～20.00%；草地、園地底層粉粒變異系數均大于表層，林地相反，耕地、荒地在20—40 cm處，粉粒變異系數達到最大值，分別是26.30%，25.50%；耕地、林地、草地、荒地的砂粒變異系數均是底層大于表層，園地在20—40 cm處達到峰值(92.70%)。以上說明，不同粒級的土壤顆粒可能受到外界不同條件的控制，如利用方式、成土母質、人為活動、地形以及水熱條件等[21-25]。

表6 不同土地利用方式下土壤的變異系數

注：變異系數[18-20]=標準差/平均數×100%。

2.2 各土地利用方式同一深度土壤粒度特征

根據試驗結果并結合表5可以發現：(1) 0—20 cm內，各土地利用方式下黏粒、粉粒百分含量均呈現草地>園地>林地>荒地>耕地，砂粒則是耕地>荒地>林地>園地>草地；耕地的中值粒徑最大，園地的最小；耕地的標準偏差遠大于荒地，表明耕地的分選狀況不及荒地；耕地的峰度最大，草地最小，表明草地的頻率曲線更尖銳；草地的偏度最小，耕地次之，園地最大，表明草地的頻率曲線對稱性不及耕地呈現負偏，園地的頻率曲線對稱性不及耕地呈現正偏。(2) 20—40 cm內，各土地利用方式下黏粒百分含量呈現林地>荒地>草地>園地>耕地，粉粒呈現荒地>林地>草地>耕地>園地，砂粒呈現園地>耕地>草地>林地>荒地；園地的中值粒徑最大，荒地的最小；園地的標準偏差遠大于荒地，表明園地的分選狀況不及荒地；園地的峰度最大，草地最小，表明草地的頻率曲線更尖銳；草地的偏度最小，園地次之，林地最大，表明草地的頻率曲線對稱性不及園地呈現負偏、很負偏，林地則呈現正偏。(3) 40—60 cm內，各土地利用方式下黏粒百分含量呈現耕地>荒地>草地>林地>園地，粉粒呈現林地>荒地>耕地>草地>園地，砂粒呈現園地>草地>耕地>荒地>林地；各土地利用方式下的中值粒徑均有減小，但是園地的中值粒徑仍是最大，荒地仍是最小；標準偏差、峰度呈現相同規律；草地的偏度最小，荒地次之，林地最大，表明草地的頻率曲線對稱性不及荒地呈現負偏、很負偏，林地則呈現正偏。

2.3 各土地利用方式不同深度土壤粒度特征

根據EASY SIZER20測定的樣品粒度顯示：耕地中黏粒、粉粒百分含量均隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1A)；林地中黏粒的百分含量從表層到20—40 cm時隨著深度的增加而遞增，而后隨著深度的增加而遞減，粉粒百分含量隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1B)；草地中黏粒、粉粒百分含量均隨著深度的增加而遞減，砂粒則相反(圖1C)；園地中黏粒、粉粒百分含量也隨著深度的增加而遞減，砂粒則相反(圖1D)；荒地中黏粒的百分含量隨著深度的增加而遞增，在20—40 cm處達到峰值，粉粒百分含量隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1E)。結合表5，可以發現：(1) 耕地表層中值粒徑、標準偏差、峰度均大于底層，說明底層土壤顆粒較表層更均勻、頻率曲線較表層更平坦，偏度在表層和底層相當。(2) 林地表層中值粒徑、標準偏差均大于底層，說明底層土壤顆粒較表層更均勻，表層峰度、偏度小于底層，說明表層較底層頻率曲線更平坦、對稱性更好。(3) 草地表層中值粒徑、標準偏差、峰度均小于底層，說明底層土壤顆粒不及表層均勻、頻率曲線不及表層平坦，偏度都呈現負偏且表層負偏更嚴重。(4) 園地表層中值粒徑、標準偏差、峰度均小于底層，說明底層土壤顆粒不及表層均勻、頻率曲線不及表層平坦，偏度表層大于底層呈正偏但是在20—40 cm處出現負偏。(5) 荒地表層中值粒徑、標準偏差、峰度均大于底層，說明表層土壤顆粒不及底層均勻、頻率曲線不及底層平坦，偏度均呈近對稱。

圖1 不同土地利用方式下土壤粒級百分量

3 結 論

(1) 不同土地利用方式下土壤粒級百分含量雖有不同，但都是以粉粒、砂粒為主；同一種土地利用方式下不同深度的土壤粒級變異系數也表現出明顯的差異，耕地、草地、園地表層黏粒的變異系數小于底層，且耕地、園地的黏粒含量變異系數隨著深度的增加而增大，林地、荒地則表現出底層黏粒的變異系數小于表層。

(2) 不同土地利用方式下土壤粒度特征不同。伊犁河谷中值粒徑在16.80～176.46 μm之間變化，其中荒地下的中值粒徑最小；標準偏差浮動于10.93～42.41，其中荒地的分選性明顯優于耕地、草地、園地；峰度在0.82～1.31之間變化，總體呈正態分布；偏度浮動于-0.26～0.24，草地呈負偏，耕地、林地、園地、荒地均呈近對稱至正偏之間。

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CharacteristicsofSoilGrainSizeinDifferentLandUsePatternsintheYiliRiverValley

ZHANG Xueqi1,4, CUI Dong1,2,3, XIA Zhenhua1,4, ZHAO Yu1, LIU Ying1, LIU Haijun1

(1.CollegeofBiologyandGeography,YiliNormalUniversity,Yining,Xinjiang835000,China;2.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity/KeyLaboratoryofOasisEcologyofMinistryofEducation,Urumqi830046,China; 3.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;4.CollegeofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

Ninety-eight soil samples were obtained from 14 soil profiles in different land use patterns in Xinjiang Yili River Valley area in order to guide the sustainable development of water and soil environment. Grain sizes of sample were determined by the EASY SIZER20. Fokker ward formula was used to calculate the median, the average particle size, standard deviation, kurtosis and skewness. The data were analyzed and mapped by using Excel and SPSS 19.0 statistical software. The results show that: (1) soil particle grade percentages of different land use patterns are different, but silt (2～50 μm) and sand (50～2 000 μm) are the dominant particles. Contents of silt and sand in cultivated land are higher than those in wasteland， contnet of clay (<2 μm) in the woodland is generally larger than that in the grassland; (2) coefficients of variation of soil particle sizes of different land use patterns are significantly different, the coefficients of variation of silt and sand contents in cultivated land are greater than those in wasteland, the coefficient of variation of clay content is opposite; (3) soil grain size characteristics of different land use patterns are different, the average particle size of cultivated land is significantly larger than that of grassland, wasteland and woodland. The sorting of wasteland is obviously better than that of the cultivated land and garden land.

land use pattern; characteristics of soil grain size; Yili River Valley

2016-08-04

：2016-09-17

伊犁師范學院植物生態學重點學科科研資助項目“伊犁河谷典型生態系統凋落物分解及土壤碳氮特征研究”(YLUPE201601T)

張雪琪(1994—),女,四川省仁壽縣人,碩士研究生,主要從事自然地理研究。E-mail:ZXQforever940105@163.com

崔東(1984—),男,新疆烏魯木齊人,講師,博士研究生,主要從事干旱區土壤地理與環境變化研究。E-mail:cuidongw@126.com

S152.3

：A

：1005-3409(2017)05-0162-06