宁夏中部干旱带不同自然地貌风蚀沙粒粒径特征研究

张安东，左 忠 ，王红梅，潘占兵，李浩霞

风蚀是一个全球性的问题，全世界有5.05×106km2的土地因风蚀而发生退化、沙化，每年因此造成的直接经济损失达 4.23×1010美元［1-2］。中国是受风蚀荒漠化危害最为严重的国家之一，风蚀荒漠化面积达 1.61×106km2［3］。风蚀在给人类社会造成巨大经济损失的同时，导致的生态环境不断恶化已成为影响人类社会可持续发展的重要因素之一［4］。土壤风蚀的发生是一个非常复杂的过程，是包括地理、气候和表层土壤性状等多因子综合作用的结果［5］。风蚀直接影响土壤的沙粒组成，造成沙粒粒径组成在空间上差异很大［6-7］，而沙粒粒径组成是土壤稳定的自然属性，在很大程度上决定着土壤的组成成分和用途，同时风蚀沙粒的粒径组成与风蚀强度存在相关性，是研究土壤风蚀时必需的基本资料之一［8-9］

国内对沙粒粒径研究较晚，早期的研究主要集中在对大气单颗粒物的分析上。例如:程旭［10］等对沙漠的沙粒物理特性进行分析，得出沙丘不同部位的沙粒粒径的分布特点及造成这种分布的原因。邓祖琴［11］等对中国北方沙漠戈壁区沙尘气溶胶与太阳辐射的关系进行分析表明:沙漠地区太阳辐射和沙尘气溶胶指数有非常高的相关性，且变化趋势一致。高庆先［12］等研究表明沙粒大小是地表风蚀间接反应，是决定地表风蚀量多少的主要因素之一。但现有的大多数研究主要是以单一地区或者单一风蚀环境进行，在多种地貌、不同林地类型间对沙粒粒径与风蚀相关性情况的研究较少。

历史上盐池县的土壤沙化较为严重，流动沙丘和半固定沙地较多，在多年的固沙治理中，土壤风蚀得到了明显减缓。本试验在盐池县周庄子、鸦儿沟、沙泉湾、王乐井和石山子地区的沙地、草地、灌木林地的风蚀沙粒进行收集并分析粒径组成，以此判断这些地区风蚀影响程度。

1 研究区概况

试验区选择风蚀严重的盐池县，盐池县地处宁夏中东部干旱风沙区，属鄂尔多斯台地中南部、毛乌素沙地西南缘，为宁夏中部干旱带的主要组成部分，属干旱半干旱气候带［13］。年降水量230～300 mm，降水年变率大，潜在蒸发量2 100 mm，干燥度3.1;年均气温 7.6℃，年温差 31.2℃，≥10℃ 积温2 944.9℃，无霜期 138 d;年均风速 2.8 m·s－1;土壤以淡灰钙土和沙壤土为主，主要自然灾害为春夏旱和沙尘暴［14-16］。这些自然灾害导致该地区风蚀现象严重，影响植物生长使干旱区生物量较少，而生物量会直接反映出该地区的自然环境状况［17-18］。因此近年来，盐池县各地区开展防风治沙工程、退耕还林，现今盐池县的固定沙地植被主要以赖草(Leymus secalinus)和白草(Pennisetum centrasiaticum)为主，灌木林地以柠条(Caragana korshinskii)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、沙蒿(Artemisia desertorum)等为主，风蚀情况得到明显改善，仅有少部分地区的土壤风蚀情况较为严重。

2 研究方法

2.1 试验原理

利用诱捕法，在各观测地内同时埋入集沙容器(直径7 cm、高8.5 cm)，埋入时要保证容器口与地表持平，在草地或者沙地每隔5 m放置1个容器并保证所有容器均在一条直线上，灌木地的容器放在灌木植株的行距中间，确保收集的沙粒具有代表性。对过境沙粒进行收集［19-21］(图1)。

图1 诱捕测定法主要试验原理［16］Fig.1 Principles of trapping assay

试验于2016年3月末开始，在盐池县地区风蚀现象较为严重的4月和5月(平均风速5 m·s－1)各收集1次，每处理重复6次，取其平均数。将未被人或动物破坏的样品收集回称重，收集后将容器按上述方法埋回原来的位置继续收集。将收集到的沙粒带回室内分析。

2.2 沙粒分级标准

根据我国土粒分级标准将宁夏中部干旱带不同风蚀环境下的风蚀沙粒进行分级，以此判断不同地区的土壤沙化情况［22］(表 1)。

2.3 全国沙漠化土地类型划分标准

根据我国沙漠化土地类型划分标准，将宁夏中部干旱带不同风蚀环境下的土地类型进行分类( 表 2)［23］。

表1 土壤粒径分级标准［22］Table 1 Standards for soil particle size classification

2.4 风蚀过程与沙粒粒径相关性分析依据

土壤风蚀是宁夏主要自然灾害之一，研究、治理和抵御风蚀危害是各级政府与群众长期面临的共同使命［24］。研究沙粒粒径组成对科学判断不同土地利用类型、植被恢复和风蚀防治效果意义重大。沙粒根据粒径不同在风力作用下移动方式不同:100～500 μm粒径的为跃移、＞500 μm粒径的为撞移或挤移，风蚀沙源多以就地起沙为主。而20～100 μm的沙粒在风力作用下会漂浮于空中以悬移的方式进行移动、＜20 μm的沙粒以远距离漂浮为主，因此＜100 μm的沙粒在风力作用下移动范围较广、移动区域较大［25］，危害严重，是风蚀防治的重点对象，对其有效拦截和防控是治沙成果的主要体现(图2)。

表2 沙漠化土地类型划分标准［23］Table 2 Standards for the classification of desertification land types

图2 风蚀形成过程与沙粒粒径相关性示意［26］Fig.2 Schematic diagram of correlation between wind erosion formation process and sand particle size

2.5 沙粒粒径分析方法

将各样地风蚀样采回后，采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪对所采沙粒混合样品在室内进行了统一检测分析［27-30］。

2.6 分形维数评价方法

分形维数是没有特征尺度的自相似结构。分形维数的大小用于说明自相关变量空间分布格局的复杂程度;分形维数越高，空间分布格局越简单，空间结构性越好;分形维数低，意味着空间分布格局相对复杂，随机因素引起的异质性占有较大的比重［31-32］。

体积分形维数计算公式如下［33］:

式中，V为粒径＜R的全部土壤颗粒的总体积(%);VT为土壤颗粒总体积(%);R为两筛分粒级Ri与Ri－1间粒径平均值(mm);λV为数值上等于最大粒径数(mm);D为分形维数。

2.7 TOPSIS 综合评价法

采用TOPSIS法进行分析［34-35］，首先将指标同趋势化，消除不同指标不同纲量及其数量级的差异对评价结果的影响，然后在此基础上对数据进行归一化处理。去除不利或者低优的指标，保留最优的指标进行数据统计，找出有限方案中最优方案和最劣方案，分别计算各评价方案与最优、最劣方案的距离，获得各评价方案与最优方案的相对距离，以此作为评价各方案优劣的依据。

3 结果与分析

3.1 不同流动沙地沙粒粒径分析

粒径分析表明(表3、表4)，在流动沙丘和半流动沙地植被稀少、盖度较低、生物量较少，不能有效防风固沙，该地区风蚀严重，其中风蚀沙粒以细沙粒(50～250 μm)为主，占比90%左右，分形维数较小。鸦儿沟半流动沙丘含有6.63%粉粒、王乐井的流动沙丘风蚀粉粒占比1.98%，其余自然地貌沙丘无粉粒出现。结合不用地区的土壤类型分析可知，以风沙土为主的周庄子和沙泉湾的粗砂粒占比15.74%，在短期治理后虽然土壤粗粒化明显，但土壤表层明显固化，趋于稳定，但仍有部分流动沙丘风蚀较为严重。鸦儿沟半流动沙丘属于放牧沙化区域，沙粒含有少量粉粒，植被覆盖度低，就地起沙现象严重，是风蚀重点治理和防控区域。

表3 不同类型沙地沙粒粒径组成Table 3 Sand particle size composition in different types of sands %

表4 流动沙丘植被生长情况Table 4 Growth of mobile dune plants

3.2 不同类型草地沙粒粒径分析

以不同地区的封育和放牧草地为研究对象，数据显示(表5、表6):所有监测草地植被覆盖率较低，植物多以甘草、猪毛蒿、赖草及黑沙蒿为主，所有监测草地均有粉粒，沙泉湾和石山子村的封育草地粉粒占比97.47%和96.37%，周庄子村的封育草地占87.96%，由于植被稳定，抗风蚀能力较强，在风蚀过程中均以外来尘降粉粒为主。而放牧草地的粉粒含量明显较少，分形维数也明显较小，其中鸦儿沟地区的放牧草原分形维数仅有2.090 3，而细沙粒以及粗砂粒含量均是所有草地中含量最高的，表现为显著的退化状态。以黄绵土类型的王乐井地区封育和放牧草地粉粒含量均较少，地表抗风蚀能力强，风蚀不明显。

表5 不同类型草地风蚀沙粒粒径组成Table 5 Sand particle size composition of different types of grassland %

3.3 不同灌木林地风蚀沙粒粒径特征

宁夏中部干旱带主要以柠条、花棒(Hedysarum scoparium)、杨柴(Hedysarum fruticosum)、沙柳(Salix psammophila)以及沙蒿等常见灌木作为造林树种。本研究以中部干旱地区的花棒、沙柳、沙蒿、杨柴、柠条等林地风蚀沙粒粒径进行研究，通过对比分析不同灌木树种风蚀过程产生的沙粒粒径组成，判断林地蚀积状况，为客观衡量不同灌木树种防风蚀能力提供判定依据。

由表7、表8可见，灌木林区物种丰富、盖度较高且生物量较大，生态恢复效果较高，能有效减少风蚀现象。花棒、沙柳以及沙蒿林地的土壤沙化情况一致，花棒林和沙蒿林粉粒占比分别为8.18%和8.19%;柠条地风蚀沙粒主要以粉粒为主，占比90.88%，分形维数较大。其中沙泉湾风蚀沙粒主要以细沙和粗砂为主，说明通过植树造林该区域的土壤沙化情况得到明显改善，以退耕柠条地效果最为明显，粉粒占比90.88%，属于典型的细微悬浮沙粒沉降区域。鸦儿沟沙蒿天然林地虽然为放牧草原，但粉沙占比达8.19%、粗砂粒仅占0.5%，说明沙蒿的存在明显减少了放牧草原风蚀过程中的就地起沙，降低了风速，形成了有利于粉粒沉降的小环境，在放牧草原的抗风蚀中作用突出。由此可知，灌木林地在干旱风沙区减少地表风蚀、防风固沙中起着决定因素。

表6 不同类型草地植被分布情况Table 6 Distribution of vegetation in different types of grassland

3.4 不同类型耕作农田土壤风蚀沙粒分布情况

通过对人为因素影响较大的不同类型耕作农田进行沙粒粒径分析(表9)。王乐井地区撂荒耕地、旱作农田、废弃村庄、冬小麦地的沙粒组成相似，分形维数较大，风蚀沙粒以粉粒为主，粉粒占比分别为93.92%、94.40%、94.00%和 81.54%，土壤抗风蚀能力较强，粉粒沙源主要为外来沙粒沉降形成;而鸦儿沟地区为沙化草原的风沙土区域，撂荒耕地、旱作农田风蚀沙粒以细沙粒为主，粉粒仅为 26.42%～29.50%，分形维数明显小于王乐井黄绵土区域的撂荒耕地和旱作农田，风蚀现象严重。说明通过弃耕、退耕还林还草等措施，可以从很大程度上减少沙化农田风蚀现象的发生。

表7 固定沙地中不同灌木林地土壤沙粒粒径组成Table 7 Sand particle size composition of different shrubbery lands in fixed sands %

表8 不同灌木林地植被分布情况Table 8 Distribution of vegetation in different shrubbery lands

表9 不同类型耕作农田土壤风蚀沙粒粒径组成Table 9 Sand particle size composition of different types of farmland soil erosion%

3.5 不同立地类型土壤沙粒情况综合分析评价

一般而言，风蚀沙粒若以细沙粒和粗沙粒居多，说明该地区风蚀现象较为严重，沙粒通过跃移的方式运动。若植被固沙效果明显，细沙粒跃移不明显，则风蚀主要以粉粒的悬浮为主。因此应用TOPSIS法分析18种不同立地类型的土壤风蚀情况［33］。数据分析可知(表10)，封育草地的土壤风蚀情况得到明显改善，粉粒居多。所有的样地中，沙粒成分由好到差分别为:封育草地、旱作农田(黄绵土)、废弃村庄、撂荒耕地、翻耕农田(黄绵土)、柠条林地、冬小麦地，从放牧草地开始CI值＜0.000 0，综合效益比较不明显。

表10 不同自然地貌土壤沙粒粒径组成TOPSIS法排序指标值Table 10 Values of TOPSIS ranking index of soil particle size in different natural landforms

4 结论与讨论

干旱风沙区地表沙粒粒径可作为地表风蚀状况断定的重要指标之一。在相同原始地貌的土壤条件下，地表沙粒粒径越大，风蚀情况越严重。反之如果风蚀量少，沙粒粒径小，则风蚀减缓，沙粒沉积，土壤状况改善。如果风蚀量大，沙粒粒径小，则该区域极易发生风蚀，还未形成风蚀地貌的稳定状态，如沙化农田、过度放牧退化草场等均为当地重要沙尘物质源地，应引起足够的重视。

通过对不同地貌的沙粒粒径进行分析总结可知，风沙土区域的半流动沙地主要以细沙粒为主，并含有大量粗砂粒，风蚀情况较严重;花棒、沙蒿以及农田防护林粉粒成分占20%左右，细沙粒在80%左右，属于风蚀与沉降并存区域;黄绵土区域的封育草地、撂荒耕地、废弃村庄以及柠条林地的土壤粉粒含量达90%以上，其中农田样地中粉粒比例一般高于风沙土，沙粒成分较好，区域内的土壤风蚀不明显，风蚀沙源主要以外来沉积为主。

应用TOPSIS法分析，封育草地的沙粒成分最好，粉粒居多，风蚀过程中属于尘降区域，旱作农田粉粒次之，易发生就地起沙;半流动沙地风蚀样品含有大量的细沙粒、土壤粗粒化严重;沙化放牧草地、沙化农田除含一定量的细沙粒外，还含有大量的粉沙，为风蚀沙尘提供了源源不断的沙源，为风蚀防控的重点对象。