沙漠矿物组成与生态修复的互馈关系研究

田世民，袁榆梁，李锦荣，王远见，江恩慧

（1. 黄河水利科学研究院 水利部泥沙重点实验室，河南 郑州 450003；

2. 河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；3. 水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020）

1 研究背景

土地沙漠化是当今世界面临的环境-社会-经济问题之一，全球沙漠面积已占陆地总面积的10%左右，还有43%的土地正面临着沙漠化的威胁。我国沙漠化土地的面积已达173万km2，占国土总面积的18.03%［1］。沙漠生态修复一直是我国持续推进的一项重要工作，经过持续的治理，1992～2015年，中国沙漠面积减少了86704 km2［2］，但仍有3 万多km2的土地有沙漠化的趋势［1］。通过长期的研究，我国研究者在沙漠化过程［3］、沙漠化成因［4］以及沙漠化防治［5］等方面取得了较大的进展。除了宏观层面的研究，许多研究者围绕沙漠植被蒸散发［6］、沙丘降雨入渗［7］以及风蚀模拟［8］等方面开展了细致深入的研究，深化了沙漠生态修复的理论研究。

在沙漠生态修复中，地表结皮的形成是最关键的一步［9］，地表结皮是荒漠生态系统的重要构建者［10］，其形成和发育与土壤类型密切相关，土壤中黏性颗粒对地表结皮的形成具有重要的促进作用［11］。沙漠的主要组成物质是风动沙，中值粒径为0.05 ～0.25 mm，矿物成分以石英为主，黏性颗粒含量较低。在无人工干预下，沙漠土壤中非黏性矿物在风化作用下转化为黏性矿物是沙漠黏性颗粒的主要来源［12］。沙漠土壤矿物组成包括黏性矿物和非黏性矿物，黏性矿物包括伊利石、高岭石、绿泥石、伊蒙混层、绿蒙混层等，是黏性颗粒的重要组成部分。非黏性矿物包括石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、角闪石、云母等。风化作用包括物理风化、化学风化和生物风化，其中化学风化和生物风化可生成黏性矿物。非黏性矿物通过风化作用可转化为黏性矿物，如长石风化后，因土壤环境的不同，可形成绢云母、伊利石、蒙脱石、高岭石等黏性矿物；云母风化后形成膨胀性矿物和非膨胀性矿物，前者如蛭石和蒙脱石，后者有绿泥石和高岭石等；角闪石风化后演变成高岭石、碳酸盐和蛋白石等［13］。

黏性颗粒是沙漠植被恢复的重要基础，为沙漠地表结皮形成和植被发育奠定基础。同时，植被发育进一步促进风化作用并减少黏性颗粒的风蚀，植被发育、沙漠矿物风化和黏性颗粒含量之间存在着密切的关系，识别其内在作用机制，对我国沙漠生态修复具有重要意义。本文以乌兰布和沙漠和库布齐沙漠为例，研究植被发育、沙漠矿物风化和黏性颗粒含量之间的相互作用关系，揭示矿物风化对沙漠黏性颗粒含量以及植被修复对沙漠矿物风化的影响，阐明在沙漠生态修复过程中矿物风化、黏性矿物含量、植被修复三者之间的互馈关系，可进一步深化我国沙漠生态修复的理论研究，并为乌兰布和沙漠以及我国其它地区沙漠生态修复提供技术支撑。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区域 乌兰布和沙漠位于内蒙古自治区西部，乌海市乌达区与巴彦淖尔市磴口县之间，地处我国西北荒漠化和半荒漠化的前沿地带，面积约1.3万km2［14］。年降水量为90 ～142.7 mm，年蒸发量2240 mm［15］，属于中温带大陆性干旱季风气候。研究认为，乌兰布和沙漠形成于西汉时期［16］，人类活动、气候变化［15］以及区域地质构造运动［17］等是乌兰布和沙漠形成的主要原因。沙丘以圆锥形和新月形沙丘为主［18］，其中流动沙丘占36.9%，半固定沙丘占33.3%，固定沙丘占29.8%。灌木植被群落是乌兰布和沙漠生态系统中最重要的组成部分［19］，如白刺、油蒿、梭梭等［20］，其中梭梭是沙漠典型的沙地植被类型［21］。风沙季节在11月至翌年5月之间，主风为西风和西北风［22］。库布齐沙漠是我国第七大沙漠，位于内蒙古鄂尔多斯高原北缘，西、北、东三面以黄河为界限，沙漠总长约400 km，总面积1.33万km2［23］。沙漠沙丘形态以网状沙丘和沙丘链为主，土壤类型以风沙土为主，沙漠腹地多为蜂窝状沙丘，地势南高北低。库布齐沙漠属于中温带大陆性干旱气候，夏秋温暖少雨，冬季风大干燥，年均降水量约186 mm，年均气温6.3 ℃，年均风速3.2 m/s，最大瞬时风速30 m/s，风向多为南风和东南风［24］。近年来，在政府及社会各方的共同治理下，通过一系列生态修复措施，沙漠化得到有效控制，目前库布齐沙漠植被覆盖度已达53%。乌兰布和沙漠流动沙丘和半固定沙丘所占面积较大，对该区域进行采样，主要研究沙漠粒径、矿物、风化程度等之间的相互作用关系。库布齐沙漠植被覆盖度较高，采样分析主要研究不同植被修复措施和修复时间对沙漠土壤组成的影响。

2.2 研究方法 在乌兰布和沙漠沿黄带的流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘区域进行采样，在南北约80 km 的长度范围内共布设采样点33 个，其中在23 个采样点分别采集了表层（0 ～20 cm）、中层（20 ～40 cm）和底层（40 ～60 cm）的样本，在10个采样点采集了表层0 ～5 cm的沙样，共得到样本79个，以研究沙漠不同深度粒径特征、矿物组成、风化程度以及三者之间的相互作用关系。流动沙丘的采样点沿南北向沙漠沿黄带等间距分布，半固定沙丘和固定沙丘的采样点包含不同植被盖度和不同植被类型，采样位置以植被发育程度为控制因素。在研究生态修复与沙漠矿物风化程度的关系时，选择生态修复和治理工作开展较早的库布齐沙漠，通过在不同植被覆盖度、不同修复时间的区域进行表层采样，研究黏性矿物含量、风化程度与生态修复的响应关系。采样涵盖的植被类型包括杨树、沙枣、花棒、芦苇、沙柳、沙蒿、樟子松等，涵盖的修复措施包括芦苇沙障、玉米杆沙障、葵花杆沙障、沙柳沙障等，不同修复措施的时间跨度为2002—2016年。共采集沙样24个，植被覆盖度范围4%～60%。所有野外采集的沙样用密封袋密封后带回实验室，采用激光粒度仪对采集到的沙样进行颗分测验，并委托河南省岩石矿物测试中心，通过X射线衍射分析进行矿物鉴定，得到沙样中各种矿物的含量。本次研究的主要研究区域以及乌兰布和沙漠和库布齐沙漠采样点分布见图1，图中绿色三角标记为不同植被盖度采样点，红色点标记为沙丘采样点。

图1 沙漠采样点分布

3 沙漠粒径组成

表层、中层和底层沙样的粒径分布曲线见图2—图4，从图中可看出，表层沙的级配分布曲线较底层沙样平缓，表层沙样中小于0.1 mm 和0.01 mm 的颗粒含量明显高于底层沙样。表层、中层和底层沙样各粒径组的含量见表1。中层和底层沙样各粒径组含量相近，表层沙样大于1 mm和0.5 ～1 mm之间的颗粒含量显著低于中层和底层沙，小于0.05 mm和小于0.01 mm的颗粒含量显著高于中层和底层沙。

图2 表层样本颗粒级配曲线

流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘的中值粒径及分布见表2。流动沙丘和半固定沙丘沙样的中值粒径相差不大，固定沙丘各深度沙样的中值粒径显著小于流动沙丘和半固定沙丘。

图3 中层样本颗粒级配曲线

图4 底层样本颗粒级配曲线

表1 不同深度沙样各粒径组含量 （单位：%）

表2 各类型沙丘不同深度的中值粒径

4 沙漠矿物组成与风化程度

4.1 沙漠矿物组成 通过样本鉴定得到乌兰布和沙漠的矿物组成有石英、斜长石、钾长石、角闪石、方解石、白云石、云母、高岭石、绿泥石等。总体来看，黏性矿物含量垂向分布特征表现为表层＞中层＞底层，表层沙黏性矿物含量约为4.52%，中层为4.24%，底层为3.82%。表层沙长期暴露在外，受降雨、温度变化等外部环境影响较大，风化作用相对较强烈，促使非黏性矿物向黏性矿物转化。

流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘黏性矿物含量的垂向分布见图5。各类型沙丘区表层黏性矿物含量均高于中层和底层。流动沙丘表层同时受到风化作用和风蚀作用的影响，虽然在风蚀作用下损失一部分黏性颗粒，但总体上黏性颗粒含量仍高于中层和底层。固定沙丘各深度的黏性矿物含量均高于流动沙丘和半固定沙丘。不考虑分层的情况下，流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘的黏性矿物含量分别为3.12%、3.95%和6.18%，固定沙丘黏性矿物含量约为流动沙丘的2倍。

图5 各类型沙丘黏性矿物含量分布图

4.2 风化程度 风化作用是大多数黏性矿物形成的主要地质营力［12］，石英和长石是土壤中最常见的矿物，在风化过程中，石英和长石的含量均有不同程度的减少，但前者慢而后者快。因此，常用石英/长石的比率来表征矿物的风化程度［13］。各类型沙丘矿物风化程度的垂向分布见表3。流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘表层的风化程度较为接近，为1.63 ～1.64，但如前分析，固定沙丘黏性矿物含量却接近流动沙丘的2倍。沙漠表层沙除受到风化作用外，还受到风蚀作用，具有一定的分选性，较细颗粒被带走，留下较粗的颗粒［25］，但受植被盖度的影响，流动沙丘和固定沙丘表层细颗粒的损失量不同。固定沙丘植被通过根系的生物化学作用在一定程度上促进了非黏性矿物的风化，同时，形成的黏性细颗粒在固定沙丘区域能够被较好地保存下来而不被风蚀掉。

表3 各类型沙丘不同深度的风化程度

4.3 矿物组成与粒径及风化程度的关系

（1）矿物组成与粒径的关系。黏土矿物的粒径范围从2 ～30 μm不等［26］，一般情况下，粒径越小的颗粒中黏性矿物含量越高，因此，黏性矿物含量和中值粒径之间存在着一定的响应关系。在分析中发现，总体上随着黏性矿物含量的增加，沙样中值粒径呈减小趋势，绘制黏性矿物含量与中值粒径的关系图，见图6。二者具有较好的相关关系，其表达式如下（判定系数R2为0.9041）：

式中，S为黏性矿物含量，%；d50为中值粒径，mm。

图6 黏性矿物含量与中值粒径的关系

（2）矿物成分与风化程度的响应关系。乌兰布和沙漠黏性矿物含量和风化程度的关系见图7，二者的拟合公式如下：

式中，S为黏性矿物含量，%；I为风化程度。

图7 黏性矿物含量与风化程度的关系

5 矿物风化与植被修复

5.1 植被修复对风化程度的影响 通过对乌兰布和沙漠和库布齐沙漠固定沙丘和半固定沙丘不同植被盖度沙样风化程度和矿物成分的鉴定和分析，得到植被修复对沙样风化程度和矿物组成的影响。

（1）风化程度与植被盖度。风化程度与植被盖度之间的关系见图8。风化程度与植被盖度的曲线上存在转折点，植被盖度小于18%～22%时，风化程度增加速率较大，当植被盖度大于18%～22%时，风化程度平缓增加，风化程度与植被盖度之间的关系式为：

式中，I为风化程度；V为植被盖度，%。

植被盖度与风化程度的关系表明，总体上，随着植被盖度的增加，植被一系列生物化学作用促进了覆盖区域沙土的风化。同时，风化程度的增加速率存在拐点，在植被盖度达到一定阈值后，风化程度的增加率变缓。本次研究得到的拐点对应的植被盖度的阈值为18%～22%，这一阈值应该与沙漠沙样特性、区域环境、降水、温度等各种影响因素相关，对于其他地区风化程度增速转折点对应的植被盖度，还有待于进一步深入研究。

图8 风化程度与植被盖度之间的关系

（2）植被修复对矿物组成的影响。黏性矿物含量与植被盖度之间的关系见图9。随着植被盖度的增加，黏性矿物含量也逐渐增加，其中植被盖度自4%增加至18%～22%时，黏性矿物含量增加速率较快，之后增加速率减小，与植被盖度和矿物风化程度的关系曲线一致。黏性矿物含量与植被盖度之间的关系式为：

式中，S为黏性矿物含量，%；V为植被盖度，%。

图10 给出了不同黏性矿物含量与植被盖度之间的关系，受植被影响较大的黏性矿物为伊利石，其次是绿泥石，高岭石与植被盖度之间的关系最弱，表明植被修复引起矿物成分的变化以伊利石含量的变化最为显著。根据文献研究成果，非黏性矿物在风化过程中，因土壤环境的不同，所形成的黏性矿物类型也不同［13］，本次研究得到伊利石含量变化对沙漠植被修复的响应较为密切，初步分析和库布齐沙漠的土壤环境有较大关系。此外，本次研究得到的黏性矿物含量和风化程度变化转折点对应的植被盖度阈值18%～20%，与一些研究者提出的低覆盖度治沙中的植被盖度（15%～25%）［27］以及沙漠中植被分布面积或覆盖度应存在一个最适的比例［28］等研究成果具有一定的一致性。

图10 不同类型黏性矿物含量与植被盖度之间的关系

（3）风化程度与植被修复时间。植被在生长发育过程中会不断促进矿物的风化作用，植被发育时间越长，相应地，其风化程度也越高。库布齐沙漠的生态修复工作起步较早，修复措施也相对较完善，在不同类型和不同年份修复措施区进行采样，分析其粒径和矿物组成特性。

沙漠生态修复时间与矿物风化程度之间的关系见图11。生态修复时间越长，修复区域的矿物风化程度越高，表明植被修复对促进矿物风化有着显著的作用。通过分析修复时间与矿物成分的关系发现，黏性矿物中伊利石的含量与植被发育时间的关系较好，表明植被作用下能够促进黏性矿物中伊利石的形成。

图11 风化程度与植被发育时间之间的关系

图12 伊利石与植被发育时间之间的关系

表4 不同类型修复措施修复时间与矿物风化程度

图13 不同类型植被发育时间与矿物风化程度

同一种修复措施的修复时间与矿物风化程度之间的关系见表4 和图13。生长年限为5 年的樟子松，其所在区域矿物风化程度为1.51，生长年限为10 年的樟子松，所在区域矿物风化程度为1.93。沙柳沙障、沙柳、杨树等均表现出该特性。在平均高度为2 m的芦苇修复区域，风化程度略高于平均高度为1.4 m的芦苇区域。总体而言，生态修复时间越长，修复区域矿物风化程度也越高。

5.2 矿物风化与植被修复的互馈关系 风蚀是荒漠化地区土壤养分变异的重要驱动力［29］，也是导致干旱半干旱地区土地沙漠化过程的首要因素［30］。植被是影响风蚀的最活跃的因素之一［31］，具有降低风速、阻止流沙前移、改善局部小气候等功能［32］，植被密度和盖度影响空气动力学粗糙度［33］，对风蚀具有明显的抑制作用［34］，风蚀量与风力之间呈指数或幂函数增加［35］，但随植被盖度的增加而呈指数函数减少［36-37］。野外观测表明，当风速为7.9 ～12.3 m/s时，植被盖度为20%、30%和40%的区域，其输沙率仅为流动沙丘的36.6%、11.3%和6.6%［38］。乌兰布和沙漠流动沙丘的起沙风速为5.1 ～5.3 m/s［38-39］，半固定沙丘和固定沙丘的起沙风速为6.5 m/s 和7.3 m/s［40-41］。在沙漠采样期间发现，沙漠植被覆盖区域和植株之间的裸露区域的地表对比，植株之间的通道区域以及距植株较远的区域，其表层覆盖的颗粒明显较粗，而植株所在区域的颗粒明显较细，充分体现了植被抵抗风蚀、维持细颗粒含量的作用。

如前所述，沙漠的植被修复与沙漠颗粒的风化之间存在互馈关系，沙漠颗粒在经过风化作用后，黏性颗粒和黏性矿物含量增加，同时，受风蚀影响一部分黏性颗粒损失。但在一定植被覆盖的保护下，产生的黏性颗粒能够被有效地保护起来，为先锋物种发育提供条件。另一方面，植被发育过程中产生的一系列生物化学作用，能够促进植株所在区域土壤颗粒的风化程度，进一步促生黏土矿物和黏性颗粒，形成“风化～黏性颗粒（黏性矿物）增加～植被发育～促进风化”的良性循环。反之，如果风化程度较低，黏性颗粒含量较低，且没有植被覆盖，在风力作用下，大部分黏性颗粒将遭受损失，不利于先锋物种的发育和进一步的植被修复。植被修复和发育与矿物风化程度之间的互馈关系可用下图来表示，见图14。

图14 植被发育与风化程度间的互馈关系

6 结论

（1）乌兰布和沙漠自表层至底层，粒径呈增加趋势。表层沙样大于1 mm和0.5 ～1 mm之间的颗粒含量低于中层和底层沙，小于0.05 mm 和小于0.01 mm 的颗粒含量高于中层和底层沙。自表层至底层，黏性矿物含量分别为4.52%、4.24%和3.82%，固定沙丘黏性矿物含量约为流动沙丘的2倍。各类型沙丘表层风化程度高于中层和底层，固定沙丘表层的风化程度于流动和半固定沙丘。

（2）沙漠粒径组成、风化程度、黏性矿物含量之间存在密切的相关关系。风化程度越高，黏性矿物含量越高，中值粒径越小。黏性矿物含量与中值粒径相关关系的判定系数达到0.9以上。

（3）植被修复对风化程度和黏性矿物含量具有显著的影响，植被盖度越高且修复时间越长，风化程度和黏性矿物含量也越高。植被盖度由4%增加至18%～22%时，黏性矿物含量和风化程度增加速率较快，之后增加速率趋缓。黏性矿物中伊利石的含量与植被盖度和植被修复时间的关系最为密切。

（4）除降雨、风力等气候条件外，土壤状况（黏性矿物含量）是影响沙漠生态修复的重要因素。自然状况下沙漠矿物风化、黏性矿物含量和植被发育的演变存在多种可能性，但通过人工固沙措施，可形成“风化-黏性颗粒（黏性矿物）增加-植被发育-促使风化”的良性循环过程。沙漠生态修复的关键在于通过一定的人工措施增加并稳定沙漠中黏性颗粒含量。