希拉穆仁荒漠草原风蚀地表颗粒粒度特征①

丁延龙，高 永，蒙仲举*，娜仁格日勒，黄 昕，孙晓瑞，吴 昊，党晓宏，王 猛（ 内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 0008； 内蒙古自治区锡林郭勒盟镶黄旗国营苗圃，内蒙古锡林郭勒 0350）

希拉穆仁荒漠草原风蚀地表颗粒粒度特征①

丁延龙1，高 永1，蒙仲举1*，娜仁格日勒2，黄 昕1，孙晓瑞1，吴 昊1，党晓宏1，王 猛1
（1 内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018；2 内蒙古自治区锡林郭勒盟镶黄旗国营苗圃，内蒙古锡林郭勒 013250）

以荒漠草原常见的耕作区、围封区、放牧区及旅游区 4种土地利用类型表层土壤为研究对象，利用激光衍射技术分析了0 ～ 2 cm表层土壤粒度组成，计算并分析平均粒径、标准偏差、偏度、峰态及分形维数等粒度参数，探讨风蚀颗粒范围。结果表明：①希拉穆仁荒漠草原耕作区、围封区、放牧区及旅游区4种土地利用类型土壤粒度组成均表现为以砂粒和粉粒为主，黏粒含量较低，样地平均粒径数值依次变小，分选性逐渐变好，峰态平缓，分形维数数值逐渐减小，土壤颗粒组成依次粗化；偏度分别为负偏、近于对称、正偏和偏正偏，彼此差异明显，偏度可作为有效的粒度参数指标。②通过分析粒度分布频率曲线和土壤粒度累积频率间平均距离，显示研究区粒径为134 μm和454 μm附近颗粒为近自然状态下的易风蚀颗粒。各粒度参数及分维值均显示放牧和旅游加剧希拉穆仁草原表层土壤风蚀，土壤粒度分布范围变宽，整体向粗粒化方向发展。

粒度特征；风蚀；荒漠草原

荒漠草原广布于内蒙古集二线以西的内蒙古高原及鄂尔多斯高原西部地区，是草原向荒漠过渡的生态交错带，区内全年干旱少雨，冬春季节风力强劲，生态环境异常严酷。境内植被种类简单，草层稀疏低矮，稳定性差，对环境变化反应敏感［1-2］。作为传统的牧区，家畜放牧是该地区最常见且直接的经济方式［3］。该地区在开垦草地耕种亦有悠久历史，最早在北魏太安年间即有文字记录的垦殖活动，距今已有1 500余年［4］。长期的放牧与垦殖等生产活动，导致土壤质量下降［5］，加之风大沙多，土壤侵蚀剧烈，土壤粗粒化十分普遍，是京津沙尘天气的风沙源地之一［6-7］。近年来，社会经济水平不断提高，草原旅游业方兴未艾，然而大量的旅游设施建设和日益增长的旅游活动极大地影响了草原环境，造成草原景观格局的破碎化等问题［8］。

土壤粗化被认为是我国北方草场退化、沙化的主要表现形式之一［9］。土壤不同径级颗粒的配比在地表风蚀过程的下垫面因子中扮演着关键角色，是影响土壤风蚀发生及发展的关键因素［10-11］，对荒漠化的发生及发展具有重要的指示意义。土壤粒度特征作为土壤物理性质的重要指标，表征了土壤中不同径级矿物颗粒的配比及分布情况，其参数变化受搬运介质、搬运方式、沉积环境和气候等因素控制，可解释颗粒的运移情况，进而判断沉积环境的演变过程，在土地荒漠化研究中的应用愈来愈广泛［12-14］。粒度参数常用指标包括平均粒径（d0）、标准偏差（δ）、偏度（SK）与峰态（Kg）等［15］，粒度参数散点图、概率累积分布图、物源判别函数等也常在区分沉积环境中有所使用［16-17］。随着研究方法的日益更新，分形理论作为定量描述土壤结构特征的新方法，在土地沙化的研究中广泛涉及［18］。目前草原土地退化的研究多涉及土壤的物理和化学性状［19-20］，多从土壤质量方面对其进行评价，关于荒漠草原不同土地利用方式下表层土壤粒度特征的研究涉及较少，针对近自然状态下荒漠草原风蚀地表土壤易风蚀颗粒的识别研究更是鲜见报道［21-23］。不同土地利用类型对地表土壤干扰程度不同，将对土壤粒度组成及各粒度参数产生影响［3-5，8］。土壤粒度组成是决定风蚀强度的重要因素，反映着土壤退化状况［10-11，23］。因此，探明荒漠草原不同土地利用类型下土壤粒度特征，进而准确判断荒漠草原土壤退化程度，对合理利用与保护草地资源至关重要。

本文以内蒙古中部希拉穆仁荒漠草原围封11年草地、持续放牧草地、耕作区和旅游景区的风蚀地表土壤为研究对象，通过分析不同土地利用类型的表层（0 ～ 2 cm）土壤粒度组成，比较土壤粒度参数及分形维数等指标，旨在揭示不同类型地表土壤粒度组成的差异及变化情况，并对荒漠草原地表土壤易风蚀颗粒进行判别分析，以期为希拉穆仁荒漠草原地表土壤粗化程度的精确评估提供可靠的数据支持，并为相关部门土地利用决策提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于希拉穆仁荒漠草原（41°12′ ～ 41°31′N，111°00′ ～ 111°20′E），行政上隶属内蒙古包头市达尔罕与茂明安联合旗。地处大青山北麓、内蒙古高原中部地带的南缘，系阴山山地向内蒙古高原的过渡带，地形为低山丘陵类型，地势起伏不大，平均海拔1 600 m，较为平坦开阔。气候属于中温带大陆性半干旱季风气候，为中国季风区域的尾闾地带，季风气候特点不明显。属半干旱荒漠草原，年平均降水量为284 mm，潜在蒸发量高达2 305 mm，降雨主要集中在7、8、9月；年均气温2.5℃；年均风速4.9 m/s，全年主风向以北风和西北风为主，其次为西风，＞6 m/s的起沙风多年平均为56.8 次/a，以西北风、西风最多（图1）；春秋季干旱多风，夏季雨量较充沛，冬季寒冷干燥。土壤分布规律基本属于水平地带性分布，局部由于地形、母质及水分条件的差异，发育成隐域性土壤。研究区内主要分布有栗钙土和草甸土类，有190多种植物，草场主要群落结构为“克氏针茅（Stipa krylovii）+羊草（Leymus chinensis）+冷蒿（Artemisia frigida）”［24］。

图1 希拉穆仁荒漠草原风向玫瑰图（次/a）Fig. 1 Wind direction rose map in Xilamuren desert steppe

2 研究内容与方法

图2 研究区地理位置Fig. 2 Location of the study area

2.1 样品采集与分析

选择希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持试验中心围封区、围栏外东北方向放牧区、围栏南部耕作区以及旅游区作为样品采集区域，各采样区域大致分布在东西宽1.0 km，南北长1.5 km区域内，采样区内地势较平坦，坡度在2.2° ～ 3.0°。耕作区所处位置海拔最低，主要种植玉米（Zea mays L.），每年5月进行翻耕，翻耕深度40 cm左右，秋季收获后直接将秸秆平铺覆盖，至第二年5月翻耕时除去；围封区自2003年开始围栏封育，区内植被盖度在70% ～ 95%，优势种为羊草和冰草（Agropyron cristatum），植物平均高度约45 cm；放牧区每年均进行放牧，放牧强度为2.25 羊/hm2，远超当地草场理论载畜量0.5羊/hm2［25］，除此之外，在旅游季节还有部分游客活动，植被盖度在30% ～ 40%，优势种为克氏针茅和冷蒿，伴有狼毒（Stellera chamaejasme）、百里香（Thymus mongolicus Ronn.），平均高度约15 cm；旅游区游客集中在7—9月，据《包头市达茂旗2015年政府工作报告》，全旗2014年共接待游客153.3万人（次），希拉穆仁草原为主要的旅游目的地。旅游区样地内植被稀疏低矮，旅游点内部地表基本裸露，周边植被沿道路、居住区呈条带状和斑块状镶嵌分布，平均盖度约20%，高度不足10 cm。

采样于2014年7月下旬进行，取样前一周内无大风和降水，在各样地内随机取样。采样时选取平整地面，首先用剪刀将地面的植物剪去露出地表，使用分层取土器［26］平行于地表采集深度0 ～ 2 cm的表层土样，当场装入塑料封口袋密封以备用。耕作区、围封区、放牧区和旅游区4种样地分别有20个采样点，样点为1 m ×1 m正方形，分别在正方形对角线两端及中间采集3个重复样，在水利部牧区水利科学研究所室内风干，将重复样混合后以四分法取对角线土约150 g装入塑封袋备测，共计80个土样。

土壤粒度预处理和测量在内蒙古农业大学沙地生物资源保护与培育国家林业局重点开放性实验室完成。实验前需对样品进行处理，自然风干后首先使用最接近测量上限（3 500 µm）的6目土壤筛去除直径大于3 350 µm的粗颗粒，后分别称取10 g土样加入50 ml玻璃烧杯中，再加入45 ml III级超纯水充分浸没样品。随后加入1 ～ 2滴30% H2O2溶液，静置24 h以于去除土样中的有机质。待到烧杯内无气泡产生时，用电热板加热干燥样品，完全挥发反应剩余的H2O2。待样品冷却后，再加入水，并加1 ～ 2 ml 10% HCl溶液以溶解样品中的碳酸盐类物质，随后再静置24 h，用滴管析出清液。使用MIK-PH173型pH计测试样品的pH值，加入纯净水稀释3 ～ 4遍，直至pH呈中性后开始进行测量。土壤粒度测量使用英国Malvern公司生产的Mastersizer 3000型激光粒度分析仪，配合适用于样品粒度相对较大或粒度分布极广的测量的Hydro LV型大容量样品池，仪器测量范围0.01 ～ 3 500 µm，精确度优于0.6%，精确度/可重复性优于0.5% 变量，重现性优于1% 变量。每个样品重复测量3次。测量过程中使用超声震荡10 s以分散团聚体。

2.2 土壤粒度参数模型

测定完成后采用仪器自带软件的用户分级功能划分土壤机械组成，以美国制土壤粒径分级标准输出［15］：黏粒（＜2 μm）、粉粒（2 ～ 50 μm）、极细砂（50 ～ 100 μm）、细砂（100 ～ 250 μm）、中砂（250 ～ 500 μm）、粗砂（500 ～ 1 000 μm）、极粗砂（1 000 ～ 2 000 μm）和砾石（＞2 000 μm）。并输出土壤颗粒累积体积分数为5%、 10%、16%、25%、50%、75%、84%、90%、95% 所对应的颗粒直径以备粒度参数的计算。

采用Udden-Wenworth粒级标准，根据Kumdein的算法进行对数转化，分别将先前输出的各土壤颗粒累积体积分数对应的颗粒直径进行转换，变为利于计算的Φ值［27-28］，转换公式为：

式中：D为土壤颗粒直径（mm）。

采用Folk-Ward的图解法［29］计算粒度参数：平均粒径（d0）、标准偏差（δ）、偏度（SK）与峰态（Kg）。参数计算公式如下：

平均粒径 d0表征土壤粒度的平均分布情况，常用在研究颗粒沉积规律和追踪颗粒移动过程中［15］。标准偏差 σ0表示土壤颗粒分布的离散程度，其值越小表示土壤颗粒分布越集中，颗粒分选性越好［15］。按照标准偏差σ0取值大小一般划分为7个分选级别：σ0＜0.35，分选性极好；0.35＜σ0≤0.50，分选性好；0.50＜σ0≤0.71，分选较性好；0.71＜σ0≤1.00，分选性中等；1.00＜σ0≤2.00，分选性较差；2.00＜σ0≤4.00，分选性差；σ0＞4.00，分选性极差。偏度SK反映土壤颗粒粒度频率曲线的对称性，表示土壤颗粒的粗细分布特征［15］。可将其划分为5个等级：-1.0≤SK＜-0.3，极负偏；-0.3≤SK＜-0.1，负偏；-0.1≤SK＜0.1，近于对称；0.1≤SK＜0.3，正偏；0.3≤SK＜1.0极正偏。峰态Kg是土壤颗粒粒度分布在平均粒度两侧集中程度的参数，代表频率曲线尾部展开度与中部展开度的比率，或表示土壤颗粒频率曲线两侧与中间部分分选性之间的比值，可对土壤颗粒频率分布曲线峰形的宽窄陡缓程度进行定量的衡量［15］。一般而言，Kg取值越大，峰态尖窄程度越强，表明样品粒度分布越集中，也说明至少有一部分颗粒物是未经环境改造而直接进入环境的，可按其取值范围划分为6个峰态等级：Kg≤0.67，很宽平；0.67＜Kg≤0.9，宽平；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，极尖窄。

2.3 土壤粒度累积频率间平均距离的计算

土壤粒度累积频率分布间平均距离 d可反映样地间土壤质量差异状况，与土壤粒度累积频率曲线相互印证，可为土壤粗化判断提供佐证［30］。其计算公式为：

式中：d为土壤粒度累积频率分布间平均距离；P为某种样地土壤粒度累积频率；P为4种样地土壤粒度累积频率平均值；K-1为自由度，K=4。

2.4 分形维数的计算

分形维数 D在表征土壤结构性质时应用广泛，其值与土壤的不同大小粒径颗粒数量有关，因此其不仅可以定量地表明土壤的结构特征，还可反映土壤含水率、土壤肥力等指标，在土地退化方面的研究应用很广［31-32］。本文以Mastersizer 3000型激光粒度仪测定的土壤不同径级颗粒的体积含量来计算体积分形维数，计算方法为：

式中：D为土壤分形维数；r为土壤颗粒直径（mm）；Ri为某一径级土壤颗粒直径（mm）；V（r＜Ri）为小于 Ri径级颗粒的土壤颗粒体积百分含量（%）；Vt为各径级颗粒总体积百分含量（%）；Rmax为最大颗粒直径（mm）。

2.5 统计分析

采用Excel 2007、Origin 9.1软件进行数据整理、计算分析、图表绘制，由SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）、LSD多重检验。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用类型土壤粒度组成特征

由表1土壤粒度组成可知，本研究耕作区、围封区、放牧区及旅游区4种土地利用类型土壤粒度组成均表现为以砂粒和粉粒为主，砂粒平均体积百分含量分别为 45.32%、64.61%、71.25% 和85.13%，对砂粒进一步分析，耕作区极细砂平均含量极显著高于其他3种样地（P＜0.05），围封后地表极细砂含量较放牧区升高（P＜0.05），旅游区极细砂平均含量最低，同放牧区差异不明显（P＞0.05）。粉粒平均百分含量除旅游区显著较低外（P＜0.05），其余3种样地粉粒平均百分含量均在20% 以上，耕作区中粉粒平均百分含量最高，为54.20%，显著高于其他3种样地（P＜0.05），围封后粉粒含量较放牧区升高（P＜0.05）。耕作区表层砾石含量为0，其余3种样地表层土壤砾石平均含量均显著升高（P＜0.05），但彼此间差异不显著（P＞0.05）。各样地黏粒含量均未超过 1%，彼此间差异显著（P＜0.05）。

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

3.2 不同土地利用类型土壤粒度参数

由表2可知本研究耕作区、围封区、放牧区和旅游区 4种样地平均粒径数值依次变大，按照 Folk-Ward图解法划分标准，分别属于粉粒、细砂、细砂和中砂，彼此间差异显著（P＜0.05）。土壤标准偏差依次为围封区＞放牧区＞旅游区＞耕作区，其分选级别分别为分选性极差、分选性极差、分选性差、分选性差。偏度等级分别为负偏、近于对称、正偏和极正偏。除围封区外，其余3种样地表土频率曲线形态不对称，耕作区样地波峰偏向细粒度一侧，结合表1的土壤粒度组成情况，耕作区表层土壤以较细的粉粒和极细砂含量为主，较粗的中砂、粗砂含量很少，且无极粗砂和砾石存在，颗粒分布不对称，说明土壤颗粒以细组分为主。放牧区和旅游区波峰均偏向粗粒度一侧，细粒一侧有一低的尾部，颗粒以粗组分为主，其中旅游区土壤颗粒组成较放牧草地更粗，颗粒组成以砂粒为主，仅含有少量黏粒、粉粒和极细砂，土壤颗粒分布极不对称，总体偏向于粗颗粒的一侧，人为扰动对土壤粗化作用明显。围封区经过多年的自然恢复，表层土壤中细粒物质如黏粒、粉粒和极细砂含量均较放牧区有所增加，粗颗粒含量下降，颗粒组成复杂且向均匀化的方向发展，土壤粒度粗细分配近于对称。

表2 希拉穆仁荒漠草原表层土壤粒度参数Table2 Surface soil particle parameters of Xilamuren desert steppe

4 种样地峰态分属中等、宽平、宽平和中等，耕作区和旅游区两种样地土壤颗粒分布较围封区和放牧区集中，由表1可知，耕作区样地中粉粒为优势颗粒，这与其偏度为负偏一致，表明颗粒组成向细粒物质集中，而旅游区表现为向粗颗粒集中，砂粒含量占优势，其偏度也表现为极正偏。放牧区和围封区两种条件下的草地表层土壤峰态均表现为宽平，两种土壤均无占据绝对优势的颗粒，分布相对耕作区和旅游用地较复杂，与两种土壤偏度的绝对值相对较小相呼应。围封11年后，草地表层土壤峰态值仍有所降低，颗粒组成较分散并有所细化。耕作区、围封区、放牧区和旅游区表层土壤分形维数依次减小。土壤分形维数数值大小与黏粒、粉粒等细颗粒含量呈正相关，与砾石、极粗沙等粗颗粒含量呈负相关关系，这也与表1中4种样地颗粒组成粗细情况一致。

分别以 4种样地每个采样点的粒度参数制作粒度参数散点图，可直观地观察4种样地表土粒度参数的分布情况。由图3可看出耕作区和旅游区同围封区、放牧区两种草地的粒度参数存在明显界限，各粒度参数散点图均能对其进行明显的区分，围封区和放牧区两种草地间差异不大，在平均粒径-偏度、标准偏差-偏度、偏度-分形维数和峰态-偏度散点图可进行明显识别，其他散点图均无法严格区分。从粒度参数散点图中可以看出旅游区各粒度参数分布范围最大，放牧区次之，其次为围封区，耕作区分布最集中。

3.3 不同土地利用类型土壤颗粒频率分布曲线

土壤颗粒频率分布曲线常用于分析颗粒大小分布情况，不仅可定性地获取偏度、峰度等信息，还可以从曲线的波峰属性判断颗粒的沉积动力及物源情况。分别以耕作区、围封区、放牧区和旅游区4种样地的表层土壤粒径平均值制作颗粒频率分布曲线（图4A），可以看出4种样地粒径分布存在差异，其中耕作区和旅游区间差异最明显，并基本呈单峰分布。围封区和放牧区两种草地差异相对较小，且均表现为双峰型。耕作区的波峰在50 ～ 60 μm附近，两种草地的第一个波峰略有滞后，约在60 ～70 μm。旅游区在1 000 μm附近出现波峰，两种草地的第二个波峰也在该处出现，旅游区在70 μm附近还存在有一不甚明显的起伏。放牧区的波谷出现在200 μm附近，而围封区的波谷出现稍晚，在250 μm附近。4种样地在50 ～70 μm附近均出现波峰，但波峰高度随地表裸露程度增大而依次降低，细颗粒损失依次增多。放牧区波谷所在处对应的颗粒粒径小于围封区，旅游区波谷出现更早，对应颗粒粒径更小，细粒物质含量较低。

累积频率分布曲线可以反映土壤颗粒的分布情况，一般曲线越陡峻，颗粒分布越均匀。分析4种样地表层土壤的累积频率分布曲线（图4B）可知，4种样地表土分布均匀程度表现为耕作区最好，且颗粒组成较细。围封区与放牧区草地介于耕作区和旅游区之间。旅游区表土累积分布曲线开始时变化较缓慢，但约在300 μm后开始变陡，并迅速升高，说明颗粒多集中在大于300 μm范围内，结合表2中旅游区土壤标准偏差较大，可知颗粒分选性相对于草地较好，颗粒均较粗且分选性较好，这也印证了旅游区表土缺乏植被覆盖，风蚀较严重。

3.4 不同土地利用类型地表风蚀颗粒判别

4 种样地分布在1.0 km×1.5 km范围内，样地间距离很近，各样地表层土壤颗粒频率分布曲线（图4A）虽呈现出不同类型，但波峰和波谷的出现表现出一定的一致性，土壤母质差异不大。土壤粒度累积频率间平均距离反映了样地间颗粒差异情况，可定性描述易风蚀颗粒范围，本研究中4种样地土壤粒度累积频率间平均距离（图4B）在粒径为100 ～ 250 μm区间内较大，可认为研究区易风蚀颗粒范围在100 ～ 250 μm。一般研究认为风蚀颗粒运动以跃移为主，100 ～ 150 μm大小颗粒是最易发生跃移的粒径范围［33-34］，本研究得出的风蚀颗粒范围偏向较粗的颗粒，研究区多年平均＞6 m/s的起沙风可达到56.8 次/a，且整体土壤粒径较粗，相比吴正等人［33］研究的粒度组成较细的风沙土，风蚀颗粒可能亦相对偏大。

4 讨论

图3 粒度参数散点图Fig. 3 Scatter diagram of particle size distribution

研究区内耕作样地海拔相对低于其他3种样地，长期的侵蚀过程使得高处的细粒物质被搬运至此，形成较厚且细的土壤层，外业调查中发现土层厚度可达50 ～ 100 cm。耕地土壤各粒度参数分布均较集中，说明其土壤颗粒均一性较好。分形维数作为衡量土地退化程度的指标之一，可反映土壤质量的变化情况。耕作区土壤分形维数最大，土壤粒度组成最细，多为粉粒和极细砂，耕作开垦虽极易导致表土细粒物质被吹蚀［35］，但耕作区在秋季收获后即采取留茬覆盖措施，每年5月上旬进行翻耕，此时研究区风季已过，土壤中细颗粒得以较多地保留。同时耕作区土壤层较厚，翻耕后可将下层土壤带至表层，对细颗粒形成补给，使得样地内颗粒组成始终保持在较细的水平。非耕作期采取留茬覆盖的保护措施，不仅可防止土壤细粒物质被吹蚀，还兼具保水功能，这对作物生长十分有利。同时作物生长也在改良土壤，形成宝贵的团粒结构，促进保水保肥，提高土体的抗风蚀能力［36］，这对于土壤本身较干旱贫瘠的阴山北麓地区尤为重要［4］。

图4 土壤颗粒频率分布曲线Fig. 4 The particle size distribution curves

近年来，希拉穆仁草原大力发展旅游业，夏季正值植被生长旺季，而此时游客的大量涌入，对地表践踏作用强烈，严重干扰植被生长，形成众多围绕着旅游点的呈斑块状的裸斑地，地表细粒物质极易被吹蚀，同时缺乏植被的保护的土层蒸发加剧，土体变干逐渐疏松，一旦再次践踏形成破口，风蚀将向表土以下发展并逐渐扩张，使得旅游区土壤粗化愈加严重［37］。研究区中旅游区土壤分形维数最小，土壤粗化最明显，中砂、粗砂、极粗砂含量较高，但颗粒组成分散，无绝对优势颗粒，其各粒度参数也分布较离散。因此当地相关部门应在发展旅游业的同时考虑划定专门的旅游用地，在保护地表土壤的同时提高土地利用效率。

希拉穆仁草原为典型的荒漠草原，气候干旱少雨，土壤物理性砂粒质量分数基本在50% ～ 80%，常年的放牧活动对土壤的踩踏使得表土结构松散，冬春季节土壤含水率一般在3% ～ 4%，此时风力强劲又缺乏地表覆盖，干燥疏松的土壤极易发生风蚀［38-40］，导致土壤逐渐粗化。经过十余年的休养生息，围封区内植被高度和盖度相对于放牧区均迅速增加，增大了地表粗糙度，降低上方气流的吹蚀能力，有助于截留气流中的细粒物质，对表层土壤中的细颗粒可起到一定的保存作用［17］。围封区与放牧区草地相比分形维数有所增大，土壤颗粒组成有所细化，但围封改善土壤结构过程缓慢［41-42］，对土壤的细化仍未达到显著水平（P＞0.05）。由图3粒度参数散点图也可知其各粒度参数差异较小，仅平均粒径-偏度、标准偏差-偏度、偏度-分形维数和峰态-偏度散点图可将两种草地表土进行明显区分。

研究区耕作样地和旅游区土壤颗粒分布较为特殊，耕作区由于地势较低，利于细颗粒的大量堆积，加之人为采取留茬覆盖保护措施，颗粒组成最细，而旅游区人类活动频繁，对土壤颗粒粗化作用甚大。围封区和放牧区2种样地地貌类型一致，受人为干扰相对于耕地和旅游区较小，同时植被高度、盖度差异较大，孙悦超等［43］认为阴山北麓草地有效防风蚀的植被盖度为50%，围栏封育区植被盖度远超此临界值，而放牧区未达到最低盖度，为重度退化水平［24］。因此本文以此2种样地土壤表层颗粒为对象，进一步探究在近自然状态下风蚀对地表土壤粗粒化的影响。

由表1可知围封区表层土壤黏粒、粉粒、极细砂平均含量均显著高于放牧区（P＜0.05）。细砂含量虽有所降低，但差异不显著（P＞0.05）。随着颗粒径级变大，除中砂含量显著偏低（P＜0.05）外，颗粒更粗的粗砂、极粗砂等含量均无显著变化，细砂表现较为特殊，进一步对围封区和放牧区土壤颗粒频率曲线（图5A）分析可知，二者在134 μm处发生交叉，细砂（100 ～ 250 μm）在此处被分为两部分（100 ～ 134 μm、134 ～ 250 μm），围封区中较细部分颗粒（100 ～ 134 μm）含量多于放牧区，而较粗部分颗粒（134 ～ 250 μm）表现相反，使得两种草地表土细砂含量总体差异减小。方差分析结果显示两种草地较细部分颗粒含量差异不显著（P＞0.05），而较粗部分仍差异显著（P＜0.05）。两种草地累积体积含量的距离（图5B）在134 μm达到最大，岳高伟等［44］分析了颗粒在流场中的释放过程，认为随颗粒粒径的增大，起动风速先减小后增加，120 ～ 140 μm粒径范围内颗粒最易起动，这与本研究结果基本吻合。同时围封区和放牧区土壤颗粒频率曲线显示中砂（250 ～ 500 μm）差距较大，方差分析结果也显示二者差异显著（P＜0.05），从频率分布曲线差值可看出两种草地在454 μm附近最大，可认为454 μm附近颗粒也易被风蚀。李晓丽等人［45］的研究认为阴山北麓耕地发生跃移颗粒粒径主要在75 ～ 200 μm和250 ～ 425 μm，与本研究结果基本一致，仅较粗部分跃移颗粒偏大，这可能是草地颗粒级配相比耕地较粗所致。综上所述，可认为研究区表层土壤中134 μm和454 μm附近颗粒为易风蚀颗粒。

图5 两种类型草地土壤颗粒频率分布曲线Fig. 5 The particle size distribution curves of grassland

综合而言，研究区不同类型土地表土粗化的原因，不仅有气候、土壤母质的影响，人类活动也是重要因素。当地决策部门应继续在农业耕作区域推广留茬覆盖等保护措施，减少土地翻耕，从而有效防止土壤风蚀的发生。围封区相比放牧区表层土壤有所细化，但变化相对缓慢，需要长期坚持。同时应适度控制旅游人数，开辟专门的旅游区域，以防止土壤粗化继续扩展。

5 结论

通过对希拉穆仁荒漠草原常见的农业耕作区、围封区、放牧区及旅游区地表（0 ～ 2 cm）土壤的粒度组成进行分析，得到以下结论：

1） 希拉穆仁荒漠草原表层土壤粒度组成以砂粒和粉粒为主，其中砂粒含量在45.32% ～ 85.13%，土壤粒度组成从细到粗依次为耕作区、围封区、放牧区和旅游区，颗粒分形维数分别为2.39、2.26、2.20、1.88，土壤逐渐粗化。土壤分选性均较差。偏度分别为负偏、近于对称、正偏和偏正偏，差异明显，偏度可作为有效的粒度参数指标。峰态分属中等、宽平、宽平和中等，均较为平缓。

2） 土壤粒度分布频率曲线和粒度累积频率间平均距离显示研究区粒径为134 μm和454 μm附近颗粒为易风蚀颗粒。各粒度参数及分维值均显示放牧和旅游引起希拉穆仁草原表层土壤粗化，土壤粒度分布范围变宽，整体向粗粒化方向发展。当地应坚持围封禁牧，开辟专门的旅游区域，继续推广耕地留茬覆盖等保护措施，防止土壤粗化范围扩展。

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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

中科院西部之光项目和内蒙古农业大学优秀青年科学基金项目（2014XYQ-8）资助。

（mengzhongju@126.com）

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