烏蘭布和沙漠東北緣5種土地利用類型土壤粒度特征

羅鳳敏, 高君亮,2, 郝玉光, 張 格, 王麗娜, 辛智鳴, 呂永軍, 劉 芳

(1.國家林業局內蒙古磴口荒漠生態系統定位研究站/中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心, 內蒙古 磴口 015200;2.中國林業科學研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 3.內蒙古自治區準格爾旗水土保持局, 內蒙古 薛家灣 017100)

烏蘭布和沙漠東北緣5種土地利用類型土壤粒度特征

羅鳳敏1, 高君亮1,2, 郝玉光1, 張 格1, 王麗娜3, 辛智鳴1, 呂永軍1, 劉 芳1

(1.國家林業局內蒙古磴口荒漠生態系統定位研究站/中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心, 內蒙古 磴口 015200;2.中國林業科學研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 3.內蒙古自治區準格爾旗水土保持局, 內蒙古 薛家灣 017100)

研究荒漠化發生區域的土壤粒度特征，可為區域荒漠化防治及生態建設提供一定理論依據。通過野外調查、采樣及室內分析，對烏蘭布和沙漠東北緣5種不同土地利用類型(流動沙丘、草方格沙障固沙區、人工梭梭林、白刺群落和油蒿群落)的土壤粒度特征及分形維數進行了研究。結果表明：(1) 5個樣地土壤顆粒組成均以細沙為主，含量為66.49%～81.54%；粉沙含量最少，僅為0.58%～1.72%；不同粒級土壤顆粒百分含量由高到低為：細沙>中沙>極細沙>粗沙>粉沙。(2) 5個樣地土壤顆粒分形維數的差異極顯著(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障>(1.37)；土壤顆粒分形維數與粉沙、極細沙百分含量呈極顯著正相關(p<0.01)，與細沙百分含量呈顯著負相關(p<0.05)，與中沙和粗沙百分含量關系不顯著(p>0.05)。(3) 天然植被生長區域，植被蓋度較好，風沙土顆粒較細。因此，應加大對區域內天然植被的保護，防止土壤風蝕的發生與發展。

土壤粒度; 分形維數; 風蝕; 荒漠化; 烏蘭布和沙漠

土壤粒度特征是指不同粒級土壤顆粒質量占土樣總質量的比例[1]，是反映土壤發育程度的標志之一，其直接影響土壤松緊度、通透性和肥力[2]，因此被眾多研究者列為沙漠化監測與評價指標中的一項重要指標[3-4]；土壤粒度特征還決定土壤顆粒力學特性及強度，是土壤風蝕發生的主要決定性因子之一[5]，是研究風蝕所必需的基本資料之一。隨著分形學的發展，分形理論的應用已成為定量描述土壤粒度特征的新方法[5-10]，土壤顆粒分形維數可用來評價土壤結構和質地，同時還可定量表征土地沙化程度及土壤粗粒化的演變特征[6-8]。因此可認為，定量描述沙化地區不同土地利用類型土壤粒度特征對區域沙化發生程度的劃分，沙化土地治理效果的評價，以及土壤風蝕監測與預防[11]均具有重要作用與指導意義。

烏蘭布和沙漠地處我國荒漠化草原向草原化荒漠過渡的地帶，是沙漠化發展嚴重地區，風沙活動是該區域沙漠化發生和發展的直接原因。沙漠東北緣的荒漠—綠洲過渡帶更是阻擋風沙進入河套平原的一道綠色屏障，對維持河套地區的生態安全具有重要意義。為了抑制風沙活動頻發，減輕區域沙漠化發展與擴大，使沙漠化逆向發展，保護和擴展區域內的天然沙生植物和人工種植防風固沙林是關鍵手段。基于此，本文以受荒漠化影響的烏蘭布和沙漠東北緣荒漠—綠洲過渡帶為研究區，選擇防風固沙體系中5種不同利用類型的土地為樣地，分別為流動沙丘、草方格沙障固沙區、人工梭梭林(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bge.)、白刺群落(NitrariatangutorumBobr.)和油蒿群落(ArtemisiaordosicaKrasch.)，對從各個樣地采集(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm)的土壤樣品進行篩分，計算、分析土壤顆粒特征及其分形維數。旨在探討荒漠化過程中土壤粒度特征的變化，闡明荒漠化對土壤粒度特征的影響，進而為該區域土地資源合理開發利用提供基礎依據，為該區域生態恢復重建和穩定的可持續發展提供科學數據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北緣，屬溫帶大陸性氣候，據沙漠邊緣的磴口縣氣象站52 a統計數據顯示[12]，區域年均氣溫7.8℃，年均降水量140.3 mm，年均蒸發量2 380.6 mm，年均風速3～3.7 m/s，年均大風日數12.5 d。地貌為固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘與丘間低地相間分布。天然植被以旱生、超旱生的荒漠植被為主，如：油蒿、白刺、籽蒿(A.sphaerocephalaKrasch.)、沙冬青(AmmopiptanthusmongolicusCheng f.)、霸王(Zygophyllumxanthoxylom(Bge.)maxim.)、梭梭等，人工植被主要以新疆楊(PopulusalbaL.var.pyramidalisBge.)、小葉楊(P.simoniiCarr.)、二白楊(P.gansuensisC.Wang et H.L.Yang)等楊樹為主。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集及處理 5個采樣地位于沙漠和人工綠洲中間(40°20′47″—40°21′00″N，106°49′45″—106°53′21″E)。從沙漠邊緣到綠洲邊緣依次為：流動沙丘→草方格沙障固沙區→人工梭梭固沙林→白刺+油蒿群落。每個樣地從南到北布設一條300 m長的樣線，樣線上布設15個采樣點，每兩個采樣點的距離為20 m。在每個采樣點用直徑5 cm的土鉆取土壤樣品，深度為30 cm，分為6層(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm，20—25 cm，25—30 cm)。

將土樣帶回實驗室自然風干后，去除雜質(昆蟲尸體、動物糞便、植物葉、根莖等)，然后將每個土樣一分為二，對其中一份進行稱重，取100±0.005 g置入土壤篩中篩分，并計算每個粒級土壤顆粒的百分含量。土壤篩的選擇依據中國沙物質粒徑劃分標準[13]，即：礫石(>2 mm)、極粗沙(2～1 mm)、粗沙(1～0.5 mm)、中沙(0.5～0.25 mm)、細沙(0.25～0.1 mm)、極細沙(0.1～0.05 mm)、粉沙(<0.05 mm)。

1.2.2 土壤顆粒分形維數計算 土壤顆粒分形維數參考楊培嶺等提出的模型進行計算[14]，計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤粒度特征

在不同土地利用類型的地表，由于地表障礙物的覆蓋度不同、高度不同，因此對過境風速的降低程度不同，所以不同樣地地表土壤顆粒的分布特征會存在差異。通過比較5個樣地不同粒級土壤顆粒百分含量可知(圖1)，5個樣地0—30cm深度的土樣均以細沙含量最高，為66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%。各粒級土壤顆粒百分含量單因素方差分析結果表明，5個樣地的粉沙、極細沙、細沙、中沙和粗沙的百分含量均存在極顯著差異(p<0.01)。粉沙含量從高到低為油蒿群落(1.72%)>白刺群落(1.08%)>人工梭梭林(0.66%)>流動沙丘(0.61%)>草方格沙障(0.58%)；極細沙含量從高到低為油蒿群落(8.58%)>人工梭梭林(6.35%)>白刺群落(5.05%)>流動沙丘(4.62%)>草方格沙障(3.74%)；細沙含量從高到低為白刺群落(81.54%)>人工梭梭林(79.53%)>油蒿群落(78.04%)>流動沙丘(70.79%)>草方格沙障(66.49%)；中沙含量從高到低為草方格沙障(19.59%)>流動沙丘(16.05%)>人工梭梭林(11.09%)>白刺群落(10.01%)>油蒿群落(9.04%)；粗沙含量從高到低為草方格沙障(9.54%)>流動沙丘(7.98%)>油蒿群落(2.56%)>人工梭梭林(2.38%)>白刺群落(2.35%)。地表植被可以降低風速，使得風沙流中攜帶的細顆粒物質堆積，因此有植被覆蓋地表的粉沙和極細沙含量較高。流動沙丘沒有任何植被覆蓋，風蝕最嚴重，因此粗粒含量則相對較高。草方格沙障固沙區由于鋪設沙障時對地表擾動較大，破壞原有的土壤結構，故沙障障格內的粗粒含量也較高。

土地利用類型不同，地表覆蓋狀況也不同，進而使土壤顆粒各粒級的百分含量存在差異，這種差異主要表現在粉沙和極細沙的百分含量上。從總體上看，油蒿群落的粉沙、極細沙的百分含量均較大，其次為白刺群落、人工梭梭林，而流動沙丘和草方格沙障障格內相對較低。表明地表有植物生長的樣地，因植物具有很明顯的防風固沙作用，進而使地表風蝕減輕，風蝕量減少；而且，由于植物的生長增大了地表粗糙度，降低了過境風速，將過境風沙流中的細粒物質攔截，增加了地表細粒物質的百分含量。其中，沙蒿樣地由于其蓋度較高，且油蒿枝條比較致密，因此其防護效益由于白刺群落和人工梭梭林，所以地表細顆粒物質含量最高。

注：A為人工梭梭林；B為沙蒿群落；C為草方格沙障；D為白刺群落；E為流動沙丘。同一幅圖中不同字母表示差異顯著，α=0.05，下同。

圖1不同土地利用類型土壤粒度特征

2.2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數

研究表明，土壤顆粒的分布具有統計分形特征，分形維數可以反映粒徑大小和分布的均勻程度，可用來表征不同土地利用類型的土壤粒度特征和沙漠化程度等[6-9]。圖2顯示5類樣地的土壤顆粒分形維數存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障(1.37)。一般而言，沙物質分選性越好，其顆粒分形維數越大，反之越小，因此分形維數能很好地反映地表風蝕程度。由此可知，有植被覆蓋的地表，分形維數較大，風蝕程度較小，因此植物措施具有很明顯的防風固沙作用。

土壤顆粒分形維數可以定量評價脆弱生態環境條件下土壤演變規律，并對不同利用類型土地的風蝕程度進行評價，并且與風蝕程度成負相關關系[8-9,15]。由各樣地土壤顆粒分形維數隨采樣深度的變化特征看出(圖3)，隨著采樣深度增加，人工梭梭林的土壤顆粒分形維數呈逐漸減小趨勢，但波動較小。油蒿群落的土壤顆粒分形維數呈波動變化趨勢，并且表層(0—5cm)的分形維數較大(1.94)；草方格沙障障格內的土壤顆粒分形維數呈先降低后增加趨勢，表層(0—5cm)的最大(1.41)；白刺群落的土壤顆粒分形維數呈先降低后增加趨勢，25—30cm最大(1.61)；流動沙丘土壤顆粒分形維數呈逐漸降低趨勢，25—30cm土壤顆粒分形維數最大(1.44)。綜合分析可知，每個采樣層次各土地利用類型的分形維數整體由大到小依次為：油蒿群落>白刺群落>人工梭梭林>流動沙丘>草方格沙障。

2.3 分形維數與不同粒級土壤顆粒的關系

土壤顆粒分形維數能定量表達土壤結構特征，指示土壤退化程度等一系列土壤特征[16-18]。由圖4可知，土壤顆粒分形維數與各粒級顆粒百分含量的關系差異較大，分形維數與粉沙、極細沙百分含量極顯著正相關(p<0.01)，與細沙百分含量顯著負相關(p<0.05)，但是與中沙和粗沙百分含量關系不顯著(p>0.05)。土壤顆粒分形維數越大，土壤所含的細粒物質(粉沙和極細沙)越多，反之則小。分形維數能很好地反映土壤顆粒物質的損失狀況，從而可用來反映各類土地的風蝕程度。

以土壤顆粒分形維數為因變量(Y)，不同粒級顆

粒的百分含量為自變量(X)，采用逐步回歸分析法(SPSS17.0軟件)，以5%的可靠性作為變量入選和剔除臨界值，建立土壤顆粒分形維數與不同粒級顆粒百分含量的多元線性模型，即：

Y=0.236X1+0.014X2-0.006 X5+1.224(p<0.01)

式中：Y表示土壤顆粒分形維數；X1表示粉沙含量(%)；X2表示極細沙含量(%)；X5表示細沙含量(%)。

通過方程可認為，決定土壤顆粒分形維數大小的主要是粉沙、極細沙的百分含量，其次為細沙的百分含量，其余2個粒級土壤顆粒的百分含量對分形維數影響程度相對較小。

圖2 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數隨采樣深度的變化

3 討 論

風蝕使土壤中細粒物質損失，這一過程對土壤理化性狀具有重要影響，而土壤粒度特征就是土壤在長期風蝕及風選作用下形成的產物[16]。研究表明，我國主要沙漠(沙地)的沙物質大多為細沙(0.25～0.1mm)，占總量的66.78%～99.38%，而粗沙及粉沙含量很低[19]。本研究結果表明，5樣地的土壤均以細沙含量最大，為66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%，研究結果與前人研究結果相似。

圖3 土壤顆粒分形維數與各粒級顆粒百分含量關系

圖4 不同土地利用類型土壤顆粒分形維數

自然狀態下，土壤粒度特征不僅對土壤理化性質和生物學特性產生影響，且與植物生長所需的環境條件有密切關系。植物是影響沙堆形態和沉積物特點的關鍵因子，不但能夠降低風速，使風沙流中的沙物質沉積，還可使其下面的沙物質不被吹蝕。當外界條件一致時，植被不僅影響風沙流結構，它的殘留物和根系還會改變風成沙理化性質，增強沙粒粘結性，使土壤有更好的穩定結構，抗蝕性增強[20-22]。研究表明，植被主要通過覆蓋地表、分解風力及阻擋輸沙來改變近地面流場，不同植被類型會導致沉積物組成產生差異[23]。本研究表明，有植被生長的樣地上，油蒿群落防風固沙效果最好、其次為白刺群落。主要可能是因為油蒿群落覆蓋度較高，枝條較致密，且呈叢生狀，增大了地表粗糙度，當風沙流過境時，風速減弱，風沙流挾帶物質沉降下來而增加了地表細粒物質含量；而白刺灌叢之間空隙較大，此外白刺灌叢植株密集程度較弱；人工梭梭林由于植株為行帶式種植，帶間及株間空地較大，此外植株下部的枝條較少，盡管其降低了風速，但是地表仍有一定風蝕。

土壤質地越細，土壤顆粒之間形成的微小孔隙越多，土壤結構就越復雜，分形維數越高[24]。分形維數可表征土壤質地的均勻程度；在沙化過程中，土壤顆粒分形維數可反映土壤細顆粒物質的損失情況，即分維數隨著沙化程度增加而降低[6,25]。本研究中，5個樣地的土壤顆粒分形維數存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落>白刺群落>人工梭梭林>流動沙丘>草方格沙障。因此，認為生長植被的地表土壤風蝕相對較輕，而流動沙丘與沙障治理流沙區的風蝕相對較重。

4 結 論

(1) 研究區土壤顆粒以細沙為主，約占66.49%～81.54%，粉沙含量最低，為0.58%～1.72%。

(2) 5個樣地的土壤顆粒分形維數存在極顯著差異(p<0.01)，油蒿群落(1.72)>白刺群落(1.56)>人工梭梭林(1.44)>流動沙丘(1.40)>草方格沙障(1.37)。粉沙與極細沙的百分含量和分形維數呈極顯著正相關關系(p<0.01)，而細沙的百分含量和分形維數呈顯著負相關關系(p<0.05)；其余粒級土壤顆粒的影響程度相對較小，未達到顯著水平(p>0.05)。

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SoilGrainSizeCharacteristicsofFiveLandUseTypesintheNortheasternMarginofUlanBuhDesert

LUO Fengmin1, GAO Junliang1,2, HAO Yuguang1,ZHANG Ge1, WANG Lina3, XIN Zhiming1, Lü Yongjun1, LIU Fang1

(1.InnerMongoliaDengkouDesertEcosystemResearchStation,StateForestryAdministration/ExperimentalCenterofDesertForestry,CAF,Dengkou,InnerMongolia015200,China; 2.InstituteofDesertificationStudies,CAF,Beijing100091,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofJungarBanner,Xuejiawan,InnerMongolia010425,China)

Study of soil particle size characteristics in desertification area can provide certain theory basis for the regional desertification control and ecological construction. Study on soil grain size characteristics in five different land use types (mobile sand dunes, grass square barrier,Haloxylonammodendron,Nitrariatangutorumcommunity,Artemisiaordosicacommunity) and fractal dimension in the northeastern margin of Ulan Buh Desert through the field sampling and laboratory experiments was carried out. The results showed that: (1) the content of fine sand was greater than else size fraction sand in the pilot site which was fluctuated between 66.49%～81.54%, and the content of fine sand was the lowest in the five sample plots(0.58%～1.72%). The contents of different size particles decreased in the order: fine sand>middle sand>mighty fine sand>coarse sand>silt sand; (2) the fractal dimensions of five sampling plots were significantly different (p<0.01), and the fractal dimensions decreased in the order:Artemisiaordosicacommunity sample area(1.72)>Nitrariatangutorumcommunity sample area(1.56)>Haloxylonammodendronsample area(1.44)>mobile sand dunes(1.40)>grass square barrier(1.37); the fractal dimension was positively correlated with the percentages of silt sand and mighty fine sand (p<0.01), was negatively correlated with percentage of fine sand (p<0.05), was not significantly correlated with percentage of middle sand and coarse sand (p>0.05); (3) The areas growing natural vegetation are characterized as the good vegetation coverage and soil granule is finer, as a result, we should increase the protection of natural vegetation in order to prevent the occurrence and development of the soil wind erosion in this area.

soil grain size； fractal dimension； wind erosion； desertification； Ulan Buh desert

2016-07-25

：2016-09-12

科技部“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2012BAD16B0103);“內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站”運行補助(2015-LYPT-DW-024);國家林業局防沙治沙專題“烏蘭布和沙漠東北部荒漠化定位監測”

羅鳳敏(1988—),女,內蒙古敖漢旗人,碩士,工程師,從事荒漠化防治研究。E-mail:lfm359541965@126.com

郝玉光(1963—),男,內蒙古五原縣人,博士,研究員,從事荒漠化防治研究。E-mail:hyuguang@163.com

S152.3

：A

：1005-3409(2017)05-0172-06