寧夏黃河以東固定沙丘土壤粒度特征及小尺度空間分異1)

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，也對判定區域沉積環境具有重要意義[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學領域的重點、熱點內容之一[8]。

近年來有關土壤粒度組成特征的相關研究較多，取得了顯著成果。其主要研究區有騰格里沙漠[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性研究較少。寧夏河東沙區近年來沙漠化治理已取得了顯著成效，但是對該區域沙漠化逆轉過程中的沙丘表層沉積的粒度組成研究較少，而研究該區域沙漠化逆轉過程中的土壤性質對探究沙漠化治理過程中的土壤結構及土壤養分變化有重要的參考價值。為此，本試驗對寧夏河東沙區典型固定沙丘的風沙土粒度組成特征進行分析、研究，以期為該區域荒漠生態系統進一步恢復提供參考。

1 研究區概況

研究區為黃沙古渡(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。包括了沙漠、黃河、濕地及塞上江南景觀。研究區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之一，雨雪稀少，蒸發強烈，年平均降水量173 mm，蒸發量高達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 研究區位置圖

2 研究方法

2018年10月，在研究區內選取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%，生物土壤結皮發育較好。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)設置100 m×60 m的范圍作為采樣地，在樣地內部每間隔5 m設置1條樣帶，共6條樣帶，并在每條樣帶上間隔5 m設置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

粒度參數能夠很好地表征沉積物來源、搬運介質、沉積環境[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集中程度的參數。土壤粒度參數計算采用Folk和Ward的計算公式[21]。首先，采用對數轉換法將粒徑真值轉換為Φ值，其次，根據采用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為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所對應的顆粒粒徑。

3 結果與分析

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、極細沙體積分數明顯高于背風坡、迎風坡。細沙體積分數由大到小依次為迎風坡、背風坡、丘間低地。中沙體積分數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，丘間低地為6.12%，背風坡6.57%，迎風坡6.50%，3者體積分數較接近。由此發現，丘間低地、背風坡、迎風坡的粉沙、極細沙體積分數依次減小，細沙體積分數依次增加，背風坡中沙、粗沙的體積分數較高。

表5 不同地貌部位土壤粒度體積分數變化

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

3.3 粒度參數特征

從表6中可以看出，本研究區內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，表明該研究區土壤分選性較好(0.5<σ<0.71)，研究區土壤顆粒的偏度為0.05Φ，屬于近對稱分布(-0.10

3.4 不同地貌部位粒度參數關系

由圖4、表7可知，研究區平均粒徑與標準偏差、峰度、偏度之間存在一定的相關性，且不同地貌部位相關性有差異，從圖4可以發現中沙、細沙為研究區的主要組分。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)，呈現正相關，R2=0.951 7。研究發現，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。平均粒徑與偏度關系相對分散，相關性較小，大部分表現為近對稱及正偏。平均粒徑與峰度的散點不太集中，呈現不顯著負相關，說明顆粒越細，峰態越平緩。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，呈現正相關；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。平均粒徑與偏度關系相對分散，相關性很小，大部分表現為近對稱。平均粒徑與峰度的散點圖也很分散，呈現不顯著相關，峰度均表現為中等，說明顆粒越細，峰態越平緩。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。平均粒徑與偏度關系相對分散，呈負相關性，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。平均粒徑與峰度呈現不顯著負相關，表明粒徑越小，峰態越平緩越寬，峰度主要集中在(0.93～0.96)Φ，均為中等峰態曲線。

圖4 土壤粒度參數之間的關系

表7 不同部位分選系數與平均粒徑之間的關系

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、統計分析等研究手段對沙丘粒度機械組成、粒徑分布規律、粒度參數關系進行了探究。研究區顆粒組成以中沙、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較其他粒級體積分數最多，中沙體積分數次之，體積分數最少的是粗沙、極細沙[6]。本研究分析了粒度參數的基本特征，低地、背風坡的標準偏差相對較大，大部分數值在(1.0～2.0)Φ，說明分選較差；迎風坡的標準偏差較小，數值為(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，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。研究區的峰度數值幾乎均在(0.91～0.99)Φ，為中等峰態的曲線，且變化較小。總體來說，研究區的土壤顆粒分選較好，分配程度較均勻，說明研究區多年來的生態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，對于全面評價該區域風蝕沉積環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律。

5 結論

研究區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，但仍存在一定規律，隨著深度的增加，粗沙、中沙、粉沙體積分數在增加，細沙、極細沙體積分數在減少。土層越深，粉沙體積分數越高。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、極細沙體積分數由大到小為低地、背風坡、迎風坡；細沙體積分數由大到小依次為迎風坡、背風坡、低地。

研究區低地、背風坡、迎風坡的粒徑分布曲線形態接近，在主峰處差距最大，說明研究區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。土壤顆粒的偏態屬于近對稱分布，峰度曲線分布為中等狀態。偏度的變異系數為中等變異性，其余都是弱變異性。平均粒徑與其余3個參數間存在一定的相關性，且不同地貌部位相關性存在差異。丘間地的平均粒徑與標準偏差、偏度呈正相關，與峰度呈負相關，背風坡的平均粒徑與標準偏差、偏度、峰度都呈正相關但相關系數均較小，迎風坡的參數相關性最不顯著。