不同植物灌丛沙丘表面沉积物粒度变化及其固沙能力

高 永，丁延龙，汪 季,3，蒙仲举，孙晓瑞，张 超，魏亚娟



不同植物灌丛沙丘表面沉积物粒度变化及其固沙能力

高 永1,2，丁延龙1，汪 季1,3※，蒙仲举1,2，孙晓瑞1，张 超1，魏亚娟1

（1. 内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018；2. 中央与地方共建风沙物理重点实验室，呼和浩特 010018； 3. 内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，鄂尔多斯 017400）

研究沙区不同类型植物灌丛沙丘地表沉积物环境敏感粒度组分体积百分含量变化及其影响因素有助于精确描述地表风沙运动过程，为快速比较不同植物种固沙能力和沙区植被恢复提供参考。采用激光衍射法对乌兰布和沙漠内部5种荒漠植物灌丛沙丘地表沉积物粒度差异进行测定，以粒级-标准偏差法对风沙环境敏感组分进行提取，根据敏感组分体积百分含量变化对植物固沙能力进行评价，并以多元线性回归方法拟合了敏感组分体积百分含量对植株形态指标变化的响应。结果表明：沙鞭、沙蓬、芦苇样地表层沙物质分布同裸沙丘均为单峰型，白刺和油蒿为双峰型。植被分布区沙丘表层沉积物中沙、细沙减少，极细沙和粉粒增加，沉积物颗粒分选性变差，频率曲线趋于正偏，峰度值降低。整体而言，颗粒组成由细到粗依次为：白刺>油蒿>芦苇>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。乌兰布和沙漠地表沉积物存在1.45～76和76～456m 2个环境敏感粒度组分，中值分别为57.3和193.6m，分别命名为细组分和粗组分，细组分对应风沙流中的悬移质，粗组分为跃移质。环境敏感组分在各植物覆盖下差异显著，细组分体积百分含量变化为：白刺>油蒿>沙蓬>芦苇>沙鞭>裸沙丘，粗组分体积百分含量变化相反，植株对风动力的阻滞能力相应降低。多元线性回归显示，细组分体积百分含量与株高、冠幅、分枝数呈正相关关系，与疏透度呈负相关关系，表层沉积物中细组分体积百分含量越高的植物灌丛，影响其体积百分含量多少的因素越复杂。

土壤；沉积；粒度；灌丛沙丘；固沙能力；粒级-标准偏差法；敏感粒度组分；乌兰布和沙漠

0 引 言

在干旱风沙区，风沙沉积物的粒径分布既是影响地表风蚀、搬运、堆积过程的重要因素，也是近地表风力通过地表蚀积作用分选的结果[1]。风沙活动造成地表细颗粒流失，引起地表颗粒粗化，造成土地养分流失，生产力下降[2]，同时不同大小颗粒的配比影响着颗粒之间的稳定性，亦对地表风蚀强度产生重要影响[3-4]。研究风沙沉积粒径分布及分选特征，对于理解近地表输沙动力、分析风沙沉积环境以及反演风沙环境变化等均具有重要意义。

风沙沉积物的粒径分布变异受地表植被分布影响很大。大量研究表明，植被地上部分通过增加地表粗糙度，一方面降低地表风速，减弱风力携沙能力；另一方面拦截风沙流，促进沙粒的沉降，从而起到防风阻沙的作用[1]。目前有关植被防治地表风蚀的研究多通过数值模拟、风洞试验或外业瞬时测定探讨植株对地表风蚀总量、近地面沙尘通量及气流场的影响，但上述研究方法耗时耗力、测试条件苛刻[5-7]。有学者曾尝试将样品的粒度分布曲线分解成不同粒级的组分[8-11]，再将不同粒径区间（或分布）与粉尘搬运过程联系起来，重建季风系统大气环流要素的变化，但上述研究主要集中在长时间序列上的古大气环流要素重建，如何通过粒度变化在空间上的分布来提取地表风沙活动信息亟需深入研究。闫玉春等[11]通过对退化草原不同土地利用类型的表层沉积物频率分布曲线差异进行分析，得出风蚀环境下不同样地沉积物体积百分含量差异明显的粒级范围。汪言在[12]对塔克拉玛干沙漠公路防护林表层沉积物环境敏感粒级组分进行了提取，验证了采用表层沉积物敏感组分体积百分含量变化进行林带防沙效益评价的可能性。

乌兰布和沙漠总面积约0.99万km2，属中温带干旱气候。自汉代以来，历经两千余年的开发耕作与战争破坏，原生植被与土壤损毁严重，下伏沙层出露，在强劲风力吹动下逐渐沙化，是中国荒漠化发展速度最快的地区之一[13-14]。本文选取乌兰布和沙漠为研究区域，通过测定沙漠内部不同植物灌丛沙丘地表沉积物颗粒分布状况，研究荒漠植被对地表沉积物颗粒分布状况的关系，定量分析土壤粒度特征、确定研究区域内对地表风沙环境反应敏感的粒级组分，反演不同类型植物灌丛对地表风沙活动的抑制作用，为荒漠化快速发展地区生态建设植物种筛选及固沙效益快速评价提供数据支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠东北缘（图1），该区气候干燥，雨量稀少，属于典型的中温带大陆性干旱季风气候。年平均气温7.5～8.1 ℃；年平均降水量142.7 mm，潜在蒸发量2 258.8mm；年平均风速3.7 m/s，大风日数10～32 d，以3－5月份最多，多为西北风及西南风。

图1 研究区在乌兰布和沙漠中的位置

该区风沙活动强烈，流动沙丘连片分布，经实时动态（Real-time kinematic，RTK）技术实地测量，沙丘高度可达6～15 m，沙丘密度大于0.8。沙丘上部沙物质干燥疏松，丘间低地多红色黏质硬地，上伏厚度10～50 cm不等的沙物质，沙丘坡面上有少量沙鞭（）、沙蓬（）分布，坡面下部及丘间低地生有成群的油蒿（）、芦苇（）。白刺（）灌丛分布区沙丘基本固定，沙包高度多在0.5～5 m，表面沙物质较细，质地松软。景观上呈现为流动、半固定、固定沙丘、平缓沙地及丘间低地相互交错分布的地貌类型[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 沉积物样品采集

研究区位于磴口县城西南方向20 km处（40.191°N，106.839°E）的沙地内部，选择该地建群种植物白刺、油蒿、沙蓬、芦苇及沙鞭作为研究对象。在白刺、油蒿、沙蓬、芦苇及沙鞭调查样方内，每个样方选择4株长势健康、均匀的植株定为标准株，每种植物选取20株标准株，5种植物分布范围约2 km2。以单株植物为中心，分别以植株基部，植株平均冠幅的0.5倍及1.0倍为半径画同心圆，分东南西北4个方向在同心圆上采集表层2 cm沉积物，白刺灌丛堆以灌丛中心为基准，以灌丛边界为界，按上述方法采集样品，在室内将单株植物下的沉积物样品进行混合均匀，每种植物最终采集20个混合样品（能否增加每种植物的照片和取样位置示意图），同时测量植株的株高、冠幅、疏透度[15]等形态指标（表1）。在流动沙丘区选取10个典型沙丘，垂直于沙脊线，分别在沙丘顶部、迎风坡及背风坡中部、下部采集对照样品，将单个沙丘样品混合，共计10个对照混合样品。采样时间为2016年3月21－28日，此时风力为一年中最强盛的时期，研究此时植被形态对地表风蚀的抑制作用极具现实意义。

图2 研究区各建群种植物照片及取样位置示意图（以沙蓬为例）

表1 研究区植被分布状况

注：植被样方规格为5 m×5 m，每种植物调查5个样方。

Note: The vegetation sample size is 5 m×5 m, each kind of plant survey 5 samples.

1.2.2 沉积物粒度测定

沙样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。经风干、筛除杂质、去除有机质、脱盐处理后，使用Mastersizer 3000型激光粒度仪进行粒度测定，每个样品重复测量3次，取其算术平均值。

1.2.3 沉积物粒度参数计算与敏感组分提取测定

采用Folk-Ward图解法计算粒度参数[16]。在提取沉积物环境敏感粒级组分时，目前应用较多的方法为粒级标准偏差算法，其原理是通过研究激光粒度分析仪给出的每一粒级所对应体积百分含量的标准偏差变化而获得粒度组分的个数和分布范围，粒级—标准偏差变化曲线主要反映了不同样品的粒度体积百分含量在各粒径范围内的差异性，高的标准偏差值反映了不同样品的粒度体积百分含量在某一粒径范围内差异较大，低的标准偏差则反映了粒度体积百分含量在某一粒径范围内差异较小，据此可以反映出一系列样品中粒度变化存在显著差异的粒度组分的个数和分布范围[17-18]。

1.2.4 植物形态参数与敏感组分体积百分含量多元回归模型的建立

采用Excel 2007、Origin 9.1、Adobe Photoshop CS6软件进行数据整理及图表绘制。采用多元线性回归分析方法建立植物形态与沉积物平均粒径之间的关系，为消除不同植被形态参数间共线性的影响，采用向后回归方法，剔除部分影响不显著的形态指标，得出不同植物种覆盖下地表沉积物平均粒径与形态指标间的多元线性回归模型。

2 结果与分析

2.1 沉积物粒度分布

由颗粒分布曲线（图3）可知，沙鞭、沙蓬、芦苇样地表层沉积物分布同裸沙丘一致，均为单峰型。白刺和油蒿为双峰型，白刺有一明显的尾峰，油蒿尾峰较低。白刺样地沉积物颗粒分布范围最宽，频率曲线主峰最矮，其次为油蒿，颗粒分布范围从宽到窄依次为：白刺>油蒿>芦苇>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。主峰由高到低为：裸沙丘>芦苇>沙鞭>沙蓬>油蒿>白刺。裸沙丘表层沉积物中的细沙（100～250m）、中沙（250～500m）占据绝对优势，其体积百分含量分别为62.00%和35.43%（图4）。植被覆盖后，细沙、中沙体积百分含量减少，黏粒（<2m）、粉粒（2～50m）、极细沙（50～100m）体积百分含量增加。黏粒、粉粒及极细沙变化趋势基本一致，体积百分含量由少到多表现为裸沙丘<沙鞭<沙蓬<芦苇<油蒿<白刺。细沙、中沙体积百分含量变化趋势基本一致，其在不同植物覆盖下变化趋势与黏粒等细颗粒相反。沙鞭、沙蓬和芦苇下沙粒仍以细沙和中沙为主，油蒿样地沙物质主要由细沙、极细沙构成，白刺样地沙物质中粉粒、细沙和极细沙体积百分含量较高。中值粒径的变化与细沙体积百分含量变化趋势较相似，整体而言，颗粒组成由粗到细依次为：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>芦苇>油蒿>白刺。

图3 沉积物颗粒频率分布曲线

2.2 风沙沉积环境敏感粒度组分提取与分析

风沙环境对沉积物颗粒的分选作用与植物群落的空间分布特征影响地表沉积物粒度的变化，较高的粗颗粒组分体积百分含量和平均粒径值代表了较强的风力搬运条件，较低的平均粒径值和细颗粒组分体积百分含量代表了相对较弱的风动力条件[18]，反映了植被群落防风固沙能力的差异。

图5为根据粒级-标准偏差算法获得的每个粒级组分的标准偏差随粒级组分的变化，图中较高标准偏差值所对应的粒级即对风成沉积环境敏感的粒度众数。在研究区风沙活动环境下，风沙沉积物粒级-标准偏差曲线在1.45～456m间出现，且2个明显的标准偏差峰值，分别为40.1和211m。在76m处则出现低值，该值即为粒级组分间的边界，因此将粒度组成划分为1.45～76m的细组分和76～456m的粗组分2个环境敏感组分，对环境敏感组分各粒级体积百分含量加权至100%后，计算得出2种组分中值粒径分别为57.3和193.6m。图6为研究区细组分和粗组分体积百分含量在不同植被覆盖下的变化情况。细组分百分体积百分含量在不同植物覆盖条件下的变化范围分别为0.02%～40.84%和59.16%～99.98%，不同植物种覆盖对地表风沙活动的干扰程度差异很大，经方差分析可知，各植物种覆盖下沙表面细组分体积百分含量均差异显著（芦苇和沙蓬之间除外）。不同植物种下细组分百分体积百分含量表现为白刺>油蒿>沙蓬>芦苇>沙鞭。相应地，粗组分体积百分含量表现为裸沙丘>沙鞭>芦苇>沙蓬>油蒿>白刺。

图4 不同粒径组沉积物体积百分含量

图5 粒级-标准偏差曲线

图6 不同植物种下敏感组分比例

2.3 环境敏感粒级组分体积百分含量变化对植被形态的响应

对环境敏感组分与植被形态指标进行相关分析（表2），可知各植物种下颗粒细组分体积百分含量均与株高、冠幅、分枝数呈正相关关系，与疏透度呈负相关关系，相关系数均在0.7以上，表现出较好的相关性。

表2 环境敏感组分体积百分含量与植物形态的相关分析

注：*表示在0.05水平（双侧）上显著相关。**表示在0.01水平（双侧）上显著相关。

Note:* Indicates significant correlation at 0.05 level (bilateral) (<0.05). ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral) (<0.01).

分别以粗细组分体积百分含量为因变量，以株高（）、冠幅（）、分枝数（）、疏透度（）为解释变量进行多元线性回归，分析多个植物形态指标对地表沉积物颗粒分布的共同作用。假定多元线性回归模型为

结果如表3，可知不同植物种覆盖下地表沉积物平均粒径与形态指标间的多元线性回归模型判定系数均在0.8以上，拟合优度较高，不被解释的变量较少。回归方程显著性检验的概率均小于0.01的显著性水平，则认为系数不同时为0，被解释变量与解释变量全体的线性关系是显著的，可建立线性方程。由回归方程可知，表层沉积物中细组分体积百分含量越高的植物种，如白刺、油蒿，影响其体积百分含量多少的形态指标越多，说明其覆盖下地表沉积物成因较复杂。

表3 环境敏感组分体积百分含量与植物形态的多元线性回归方程

3 讨 论

3.1 地表风蚀活动对沉积物环境敏感组分的作用

乌兰布和沙漠属中温带典型的大陆性气候，风力是该区最主要的搬运动力，本研究提取的环境敏感组分在1.45～456m之间，这与董治宝等[4]、Pye K[19]研究认为粒径<400m的沙粒较易被风蚀基本一致。研究区沉积物中值粒径变化趋势与粗组分体积百分含量变化相同，与细组分变化相反，环境敏感组分体积百分含量变化是引起沉积物粒度差异的主因。Pye K[19]认为风沙流中跃移颗粒占据很大比例，其分布区间介于70～500m，粒径<70m的部分主要以悬移的形式被输送[19]，由此可认为本研究的细组分为风沙活动中的悬移质，粗组分则对应为跃移质。跃移颗粒作为风沙流中的主体颗粒，其体积百分含量变化在不同下垫面亦差别较大[7,20]，图4中粗组分标准偏差波峰较高亦可证明之。

3.2 植物对下伏沙面颗粒分布的影响

风蚀堆积过程中，以风为动力，以沙粒为物质基础，当风力达到起动风速后，地表沙粒被风扬起，随风前进形成风沙流，当气流中沙粒质量小于其携沙能力时，地表沙粒被裹挟向前，当沙粒质量超过气流携沙能力时，沙粒开始沉降，风沙流趋于不饱和，再次具备风蚀能力[21]。植被的出现增大了地表的粗糙程度，对地表流场产生扰动，风沙流运移过程中遇到植被时，其风速降低，携沙能力下降，部分颗粒发生沉降，使地表沉积物粒度分布发生改变[22-23]。随着沙物质在植株附近逐渐沉积，风影沙丘开始形成，在沙源充足的条件下，随植被的不断发育与演替，植被群落的阻沙能力将显著增强，沉积物颗粒将大量沉降，风影沙丘逐步演化为灌丛沙丘，沙丘最终趋于固定[24]。沉积物的频率曲线特征是判断沉积作用形式的重要手段之一，频率曲线峰态变化反映了沉积作用形式的变化，由于外来的或粗或细的新组分的加入，致使沉积物分选变差，频率曲线变为不对称，使偏度呈现出负偏或正偏的变化[25]。风沙流中黏粒、粉粒与极细沙被植物阻挡沉降，对不同植物种覆盖下沉积物粒度参数（表4）分析可知，植被覆盖后沉积物分选系数变大，分选性变差，且曲线形态由近于对称向正偏方向发展，频率曲线峰值整体趋于降低，沉积物颗粒组成变细。

表4 不同植物种下沉积物粒度参数

地上植被可对近地表风速产生阻挡、分解、疏散作用，从而使近地表风速造成不同程度削弱[26]。植被枝叶的遮蔽作用，降低了风沙流与沙表面的接触面积，陈新闯等[20]对乌兰布和沙漠东北缘荒漠-绿洲过渡带的研究表明，不同植被分布的下垫面风沙活动强度与植被盖度有关，随着植被盖度增加，地表风蚀活动强度呈指数降低[27]。当地表植被盖度达到40～50%以上时，可有效降低风沙活动强度[28]。有学者[29-30]对不同植被盖度下土壤粒度分布进行分析，均认为土壤平均粒径随着植被盖度逐渐降低而变粗，本文通过对地表沉积物粒度特征进行分析，得出颗粒组成由粗到细依次为：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>芦苇>油蒿>白刺，地表沉积物细组分体积百分含量均与株高、冠幅及分枝数呈正相关，与郁闭度呈负相关关系，这说明植物群落高大、枝叶密集、郁闭程度较高的植物种，如白刺、油蒿，其覆盖下沉积物颗粒均较细，固沙阻沙能力较强；反之，植物分布稀疏、枝叶较少的植物种，如沙鞭、沙蓬，其群落则不具备较强的固沙能力。

4 结 论

本文对乌兰布和沙漠5种荒漠植物覆盖下地表沉积物粒度分布进行测定，根据环境敏感组分体积百分含量变化对植物固沙能力进行评价，并对环境敏感组分体积百分含量与植株形态指标的关系进行拟合。结果表明：

1）沙鞭、沙蓬、芦苇样地表层沙物质分布同裸沙丘均为单峰型，白刺和油蒿为双峰型。颗粒分布范围从宽到窄依次为：白刺>油蒿>芦苇>沙蓬>沙鞭>裸沙丘植被覆盖条件后，沙丘表层沙样细沙、中沙体积百分含量减少，极细沙和粉粒增加。沉积物颗粒分选性变差，曲线趋于正偏，除油蒿外峰度值均降低。整体而言，颗粒组成由粗到细依次为：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>芦苇>油蒿>白刺。

2）对乌兰布和沙漠环境敏感粒度组分的提取，得出1.45～76和76～456m 2个环境敏感粒度组分，分别命名为细组分和粗组分，其中细组分对应风沙流中的悬移质，粗组分为跃移质。环境敏感组分在各植物覆盖下差异显著，其中细组分体积百分含量变化为：白刺>油蒿>沙蓬>芦苇>沙鞭>裸沙丘，粗组分体积百分含量变化相反，植株对风动力的阻滞能力相应降低。

3）多元线性回归显示，细组分体积百分含量与株高、冠幅、分枝数呈正相关关系，与疏透度呈负相关关系，表层沉积物中细组分体积百分含量越高的植物种，影响其体积百分含量多少的因素越复杂。

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Sediments particle size changes and its sand fixation ability for different shrub dunes

Gao Yong1,2, Ding Yanlong1, Wang Ji1,3※, Meng Zhongju1,2, Sun Xiaorui1, Zhang Chao1, Wei Yajuan1

(1.,010018,; 2.,010018,; 3.,,017400,)

Land desertification is a major global ecological problem that affects sustainable development of human society. Flow sand dunes are the main source of aeolian sand-dust transport in the surface layer, which causes enormous losses in many arid and semi-arid regions of the world.Aeolian dust transport processes are closely related to the variation of the surface vegetation cover. Therefore, it is necessary to screen plants with strong sand fixability to control the expansion of desert. The Ulan Buh Desert is one of the fastest developing areas of desertification in China. In this study, we aimed to investigate the changes of environmental sensitive particle components and factors affecting vegetation coverage, which would help to describe the process of surface sand movement accurately, and to compare abilities of different plant species to stabilize sand and provide reference for vegetation restoration in the area. The surface (0-2 cm) sediment particle size of five kinds of desert shrub dunes in desert-oasis ecotone at the northeast rim of the Ulan Buh Desert was measured by the laser diffraction method. The eolian environment sensitive grain size components were extracted by grain size class-standard deviation method. Then the sand stability capacity of plants was evaluated according to the changes of sensitive components. And the response of sensitive components to the changes of plant morphological indexes was fitted by multiple linear regression method. The results indicated that the frequency distribution curves of surface sediment under,,coverage and flow sand dune were single peak type, while underandcoverage, they were double-peak type. When the surface was covered by vegetation, the content of fine sand and middle sand reduced, while very fine sand and silt increased, the sorting became worse, the skewness deviated from normal distribution and turned to partially positive, and the kurtosis were decreased. The vegetation under which particle composition ranged from fine to coarse was as follows:>>>>> flow sand dune. There were two sensitive grain size components of 1.45-76 and 76-456m in Ulan Buh Desert, named as fine sensitive components and coarse sensitive components, while the median diameter of two kinds of environment-sensitive particle size components were 57.3 and 193.6m, respectively. The fine sensitive components correspond to the suspended load in the sand drift activity, while the coarse sensitive components correspond to the saltation load. The contents of sensitive components were significantly (<0.05) different under the coverage of each desert shrub. The content of fine components of different shrub dunes were as follows:>>>>> flow sand dune. At the same time, the content of coarse grain size components showed the opposite law, which meant the ability of five kinds of desert plants to weaken wind erosion was correspondingly reduced. Multiple linear regression analysis showed that the content of fine components was positively correlated with plant height, crown width and branch number, and negatively correlated with porosity of what?(sand dune or plant cover?). With the increasing of the content of fine components in surface sediments, the cause also became complicated.

soils; sedimentation; particle size; shurb dunes; sand fixation capacity; grain size class-standard deviation method; sensitive grain size components; Ulan Buh desert

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.017

S714.7

A

1002-6819(2017)-22-0135-08

2017-07-24

2017-09-12

内蒙古自然科学基金重大专项“高大密集流动沙丘上营建植被与沙丘活动的互控机制”(2014ZD03)

高 永，博士，博士生导师，主要从事荒漠化防治研究。 Email：13948815709@139.com

汪 季，博士，博士生导师，主要从事荒漠化防治研究。 Email：wangji1957@126.com