甘肃河西走廊典型戈壁土壤粒度特征分析

张德魁，安富博，赵艳丽，柴成武，赵锦梅，纪永福,4，唐进年，丁 峰，李昌龙

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州730070；2.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地，甘肃 武威 733000；3.甘肃省荒漠化防治重点实验室，甘肃 兰州 730070； 4.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 民勤 733300；5.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070)

随着对区域土地利用与覆被变化研究的深入，人类活动所引起的土壤质量变化问题已成为国内外学者和政府管理部门十分关注的热点[1]。有研究表明，土地利用作为人类开发土地资源进行特定生态经济活动的综合反映，是影响土壤理化性状变化最普遍、最直接的因素之一，在很大程度上影响着区域土壤质量变化的程度和方向[2]，不同土地利用方式及其植被覆盖类型对土壤的理化性质会产生显著的影响。土壤粒度分布受多种因素的影响，包括气候、生物、地形、母质、植被类型、人类活动等[3]。土壤粒度组成不仅决定着土壤的理化性质，它的变化还可以引起土壤养分等的变化[4]。以往对甘肃河西地区土壤性状的研究主要集中在绿洲区内及沙地土壤肥力状况等方面[5-7]，而对河西戈壁区的土壤粒度变化方面的研究较少。本研究选取甘肃河西戈壁区东部的景泰戈壁到西部的敦煌戈壁的典型土壤剖面作为研究对象，分析典型戈壁不同样地不同土层深度土壤的粒度组成及其分形特征，以期为研究河西戈壁土壤资源的分布和保护利用提供可靠的数据支持和依据。

1 区域概况

甘肃河西走廊东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南山(祁连山和阿尔金山)和北山(马鬃山、合黎山和龙首山)之间，长约1 000 km，宽仅数公里至百余公里，面积11.1万km2，为西北—东南走向的狭长平地，形如走廊，因在黄河以西而得名。走廊戈壁区年平均降水量从西端的60 mm增加至东端的610 mm，空间分布很不均匀，时间主要集中在6—8月；潜在蒸发量为1 400～3 010 mm；年平均气温5.8～9.3 ℃，绝对最高气温42.8 ℃，绝对最低气温-29.3 ℃，二者较差72.1 ℃，昼夜温差平均15 ℃左右；年平均风速为3.1 m/s，年平均大风日数为31.6 d，大风天气主要集中在3—5月，期间大风日数占全年大风日数的51.3%；年平均沙尘暴日数为36 d。河西的戈壁类型多样，分布范围广，砾质戈壁、沙砾质戈壁、土质戈壁等在东西方向上交错分布、差异性强，在南北方向上条带状分布明显。在走廊不同地段戈壁土质不同，西部为棕荒漠土，中部为灰棕荒漠土,东部为灰漠土、淡棕钙土和灰钙土。地带性植被主要由超旱生灌木和半灌木组成，主要植物有红砂(Reaumuriasoongorica)、白刺(Nitrariatangutorum)、珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、合头草(Sympegmaregelii)、针茅(Stipacapillata)、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)等。分布的动物主要有野马、野驴、野骆驼、滩黄羊、鹅喉羚等。

2 研究方法

2.1 样地选取和样品采集

样地选取：根据科考工作和研究任务的需要，样地选取包括了河西走廊戈壁区主要的石质、砾质、沙砾质、盐化、土质、雅丹等戈壁地质类型，从65个样地中筛选出16个典型样地，其位置及地貌植被情况见表1。

表1 样地位置及地貌植被信息

样品采集：在各典型戈壁样地上挖60 cm深的土壤剖面，按0～2、2～20、20～40、40～60 cm分四层取样。由于戈壁区砾石分布较广，因此现场将所取土样分为七级(>80、50～80、25～50、10～25、5～10、2.5～5和<2.5 mm)并分别过筛称量记录，然后将粒径小于2.5 mm的土样称量后装入自封袋，带回试验室做测试分析。

2.2 土样测定

将带回实验室的土样(粒径<2.5 mm)先研磨、称样，再依次完成以下操作：①煮样。将30%的H2O2与纯净水(1∶2)溶液10 mL加入称好样品的100 mL烧杯，用CB-VA电热炉高温(220～260 ℃)煮样，煮样过程中要不断加入纯净水以防烧干，直至样品液不冒气泡为止(用时2～3 h)。②定容。在煮好的样品液中加入10 mL的HCl溶液再煮沸后加入纯净水至100 mL处，定容10～12 h。③分散。用导管将烧杯中定容后的样品液的上清液及杂质抽取后，加入约10 mL的(NaPO3)6溶液，再用KQ-500DE型数控超声波清洗器对样品颗粒物进行超声波分散清洗(水温25～35 ℃，时间6～9 min)。上述3个步骤是对样品采用H2O2-HCl-(NaPO3)6法预处理[8]。④测定。利用马尔文MS 2000激光粒度分析仪测定粒度组成与粒径分布。为保证测定数据的准确性，所有样品均重复测定3次，取其平均值。根据马尔文质量审核标准，测量精度Dv50具有±1%的精度，测定范围为0.02～2 000 μm，重复测量误差应小于2%。测试工作由甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)粒度分析室负责完成。

2.3 数据处理

(1)统计学指标：运用粒度仪自带软件计算样品统计学指标，包括最大粒径、中值粒径、平均粒径、单位体积比表面积、峰度、偏度等；运用SPSS13.0分析颗粒组成特征与统计学特征之间的相关性。

(2)分形维数：分形理论最早是由Mandebort提出来的[9]，目前已经成为描述自然界复杂和不规则几何形体的一种有效工具[10]。本研究主要借鉴程先富、张保华等[10-11]所采用的土壤颗粒分形维数计算方法来计算各样品土壤颗粒的分形维数，公式为

(1)

3 结果与分析

3.1 典型戈壁土壤粒度组成与粒径分布特征

土壤颗粒是构成土壤固相骨架的基本颗粒，它们数目众多，大小和形状迥异，矿物组成和理化性质变化甚大。土壤粒径分布是土壤中的各级土粒含量的相对比例，根据不同颗粒组成所产生的特性，可对土壤质地进行划分。为了量化反映河西走廊典型戈壁的土壤粒度组成及粒径分布特征，以典型戈壁内设样地为单位，对不同样地四个土层深度(0～2、2～20、20～40和40～60 cm)的土壤颗粒分别进行分析，并绘制了土壤粒径分布图(见图1—4)。

由图1可知，在河西走廊戈壁区地表0～2 cm土层深度，典型戈壁不同样地的土壤粒度组成与粒径分布均不同。其中：粒径为0.02～0.2 mm的细砂粒最多，其质量百分比平均为33.37%，在5.82%～63.52%之间变动，变异明显；其次是粒径为0.002～0.02 mm的粉粒，其质量百分比平均为17.66%，变动于4.01%～74.03%之间，其变异性更大；之后是粒径为0.2～2.5 mm的粗砂粒，其质量百分比平均为15.70%，变动于0～39.68%之间。除伏土型砾石质戈壁(如s11)外，其余样地<2.5 mm的各粒级质量百分比在对应粒级的平均值上下浮动，不同样地呈现出不同的浮动范围。在>2.5 mm的各粒级中，山前冲积型沙砾质戈壁(如s07)的地表有>80 mm的砾石，质量百分比占18.45%，50～80 mm的砾石质量百分比占30.14%，粒径在2.5 mm以上的颗粒质量百分比高达88.53%，可见其表层土壤粒度整体上以砾石为主。

图1 河西典型戈壁地表0～2 cm深度土壤粒径分布

由图2可知，在河西戈壁区2～20 cm土层深度中，典型戈壁不同样地的土壤粒径变化很大，0.02～0.2 mm细砂粒质量百分比平均为30.23%，在6.15%～55.49%之间变动，0.002～0.02 mm的粉粒质量百分比平均为16.88%，在2.57%～63.39%之间变动，总体上大多样地是粒径在0.002～0.2 mm的颗粒比例较大，其在雅丹地貌(如s15)中占到土壤总质量的85.44%，在盐化戈壁(如s13)中占90.87%，在土质戈壁(如s16)中占90.43%，在湖积-堆积型沙砾质戈壁(如s12)中占52.35%，而在冲积-洪积型沙砾质戈壁(如s09)中含量最低，占8.72%。粒径>5 mm的颗粒含量，在洪积侵蚀型砾石质戈壁(如s10)中占比最大，达74.50%，这与其形成的土壤基质有密切关系；其次是冲积-堆积型砾石质戈壁(如s08)，占68.18%；而在盐化戈壁(如s13)、雅丹地貌(如s15)和土质戈壁(如s16)的土壤中均不包含该粒径的颗粒物。

图2 河西典型戈壁2～20 cm深度土壤粒径分布

分析图3得知，在河西典型戈壁20～40 cm土层深度中，土壤颗粒各粒径含量相比上一层(2～20 cm)趋于均匀，总体上颗粒物要比上一层的粗化，其粒径变粗。该土壤深度中0.2～2.5 mm的颗粒物含量明显增多，在湖积-堆积型沙砾质戈壁(如s12)中占69.33%，在残积侵蚀型沙砾质戈壁(如s03)中约占44.22%，但在雅丹地貌(如s15)中只占4.78%，盐化戈壁(如s13)中更少，仅占0.05%，且在雅丹地貌和盐化戈壁中均不含>2.5 mm的颗粒物。

图3 河西典型戈壁20～40 cm深度土壤粒径分布

由图4可知，在河西典型戈壁40～60 cm土层深度的土壤粒度组成中，各粒径颗粒物含量更加趋于均匀。根据粒径的大小和含量的不同可明显地划分出戈壁的不同类型，最典型的为沙砾质戈壁(s03、s04、s09、s12)，在0.2～25 mm粒径范围内各粒径颗粒物分别占有一定的比例，且土壤颗粒物的占比较大。在冲积-洪积型沙砾质戈壁(如s09)占83.06%，残积侵蚀型沙砾质戈壁(如s03)占74.61%，湖积-堆积型沙砾质戈壁(如s12)占83.97%，沙质戈壁(如s05)占62.87%，冲积-堆积型砾石质戈壁(如s08)占62.87%。

图4 河西典型戈壁40～60 cm深度土壤粒径分布

总之，对于低山残丘(如s04)而言，其地表沉积物主要是基岩受物理风化作用而形成的碎屑残积物，细颗粒物较少。同时，受到化学风化作用与少量生物风化作用的影响，加之风沙活动频繁，易在此处发生受阻堆积和沉降堆积，使得细砂含量相对较多。因此，低山残丘的残积堆积物主要是基岩物理风化形成的碎屑物的侵蚀堆积及少量化学风化、生物风化及山体或植被对区域沙尘、风沙流的阻滞堆积与沉降堆积的反映。而冲积-洪积扇上部河道(如s09)则为上游高山残丘形成的间歇性河流或洪水出山后形成的河道，河槽较深，残丘坡度较大，发洪水时在地面形成急流，河道中的细小颗粒被洪水冲走，河道内剩下大量的大石块，在河道横剖面的边岸上大石块的分布也较多；其下部河漫滩(如s10)沉积物属于漫洪沉积，其典型特征是上层细、下层粗的河流冲积物二元沉积相结构，地表的细粒物质主要是河道洪水泛滥或漫流时，悬移质沉积物向河道两侧溢出，从而在河漫滩上层形成了以细颗粒物质为主体的沉积物，而在下层则沉积了粗砂、砾石，因而在其垂直剖面上构成了典型的二元相沉积层。

3.2 典型戈壁土壤颗粒统计学特征

河西典型戈壁不同土壤剖面各层次颗粒物粒径差异很大，山前洪积冲积扇区域属于洪积型堆积戈壁，受洪积冲积影响地表分布有大的石块，如冲积-堆积型砾石质戈壁(如s07)和洪积侵蚀型砾石质戈壁(如s10)的地表石块最大粒径均超过80 cm。前者是由于水搬运的物质在水流量流速变小的情况下，水动能减小、搬运能力下降使搬运物质沉积而形成的，土壤成层性较好，粗大的颗粒先沉积，细小的颗粒后沉积，且具有较好的磨圆度，在土壤的垂直剖面下部为河床沉积(粗石砾)，上部为河漫滩沉积(泥质和粉砂)；后者是由洪水堆积的物质构成，洪积戈壁常被称作洪积扇，在扇沟口堆积物多，堆积厚度大，颗粒粗大，越向外堆积越少越薄，石砾磨圆度差，分选性较差。前者地表由于水的搬运力较强，0～2 cm地表层的冲积堆积物较粗，粒径>10 mm的颗粒占到总质量的75.31%；而后者恰恰相反，地表粒径>10 mm的颗粒占总质量的2.06%，0.02～2.5 mm的颗粒却占到总质量的64.35%。两者地表层土壤粒径差异大，土壤在整个剖面上表现出明显的二元结构特点。

在河西走廊典型戈壁中，沙砾质戈壁(如s03、s06和s12)面积占比最大，其0～60 cm深度土层土壤的颗粒物粒径较小，其中0.02～2.5 mm的颗粒物平均占到总质量的28.88%，最高可占到74.15%。盐化戈壁(如s13)和雅丹地貌(如s15)占有一定的面积比例，前者土壤中粒径0.002～0.2 mm的颗粒物占总质量的89.85%，且其土壤全盐含量0～2 cm土层为16.04%，2～20 cm土层高达32.87%，20 cm以下土层全盐含量迅速下降，含量小于3.20%；后者土壤中粒径0.002～0.2 mm的颗粒物占总质量的87.81%，细颗粒物占绝对优势。雅丹地貌主要分布在疏勒河中下游，瓜州县城东面的布隆基乡，公路两侧到处是造型各异、犬牙交错的风蚀滩地，为典型的雅丹地貌，地表平坦的砂岩层形成风蚀壁翕、风蚀蘑菇、风蚀柱、风蚀垄槽和风蚀洼地、残丘、城堡等各种地貌形态。

典型戈壁地表0～2 cm土层深度土壤颗粒物粒径大小表现为砾石质戈壁>沙砾质戈壁>盐化戈壁>雅丹地貌，砾石质戈壁土壤颗粒物主要是>5 mm的石砾，沙砾质戈壁主要是0.2～5 mm的沙砾，盐化戈壁和雅丹地貌主要是0.002～0.2 mm的细颗粒物。不同类型戈壁土壤剖面差异很大，除盐化戈壁、雅丹地貌和少部分沙砾质戈壁外，其他大部分戈壁土壤剖面均有明显的分层，且分层的深度变化差异很大，各分层的颗粒粒径、土层坚实度、土壤颜色等也有很大的差异。

3.3 典型戈壁土壤颗粒分形维数特征

采用公式(1)计算出16个样地0～2、2～20、20～40和40～60 cm四个层次土样的分形维数值，见表2。由表2可知，河西典型戈壁区土壤分形维数值分布范围在1.677 5～2.999 9之间，平均为2.827 4。土壤分形维数最小值分布在s11样地，该样地为典型的伏土型砾石质戈壁，也叫假戈壁，其不同土层深度土壤的粒径变化较大，其中0～2 cm土层土壤颗粒的分形维数值最小，为1.677 5，2～20 cm土层分形维数值增大到2.342 1，20～40 cm土层持续增大到2.841 2，40～60 cm又减小到2.655 0，其分形维数最大值与最小值相差1.163 7。该类型戈壁地表0～2 cm覆盖较大石砾，最大粒径为80 mm，其中粒径>25 mm的石砾质量占到总质量的60.01%。植被主要有合头草、红砂、沙拐枣、盐生草和盐爪爪等。

表2 典型戈壁不同土层深度土壤颗粒分形维数(D)值

在河西走廊有一种典型戈壁常被称为黑戈壁，该类型戈壁(如s01、s14)是由黑色砾石或“戈壁漆”覆盖的最为干旱的戈壁类型，植被常以红砂、膜果麻黄、合头草、旋覆花、锦鸡儿等为主。在该类戈壁0～60 cm深度的四个土层中，土壤颗粒分形维数(D)值平均为2.861 6，介于2.667 6～2.950 9之间，标准偏差值为0.092 1。另一类普遍分布的戈壁类型为沙质(砾质、沙砾质)戈壁(如s02、s04、s05和s06)，在河西分布范围广、面积大，人们习惯称其为沙漠戈壁，其土壤颗粒分形维数值平均为2.882 8，介于2.222 1～2.999 9之间，标准偏差值为0.204 2；其分布区灌木植被主要有沙拐枣、泡泡刺、麻黄、红砂、梭梭等，草本植被以沙米、虫实、盐生草等为主。

一般情况下土壤中的粗粒含量越高，土壤颗粒的分形维数值越小。分形维数值的变化能够较好地反映出不同戈壁类型不同土层深度的颗粒物粗细的变化，见图5。由图5可看出，s02、s07和s11等三个样地变化最为明显：s02为砾质戈壁，随着土壤深度的增加，土壤颗粒呈增大趋势；而s07(山前冲积型沙砾质戈壁)和s11(伏土型沙砾质戈壁)则呈现出地表粗砾石较多，向下土壤颗粒趋向细化。s03、s06、s12和s16等四个样地在0～60 cm深度的4个土层中土壤颗粒的粗细程度变化不明显，即各层中土壤的粒径分布基本一致，其中s16样地为土质戈壁，细粒黏粒含量较大，分形维数值也高，而其他三个样地分别是残积型侵蚀沙砾质戈壁、沙砾质戈壁和湖积型堆积沙砾质戈壁，其分形维数值在各层中的变化很小。这与我们实际调查和取样时所观察到的这几个土壤剖面中土壤细小颗粒物含量较多相一致。

图5 河西典型戈壁不同土层深度土壤粒径分形维数(D)值

4 结 论

(1)河西典型戈壁土壤粒度组成因其形成环境与搬运、堆积方式的差异而不同。戈壁面以砾石质和沙砾质为主要的地表侵蚀和堆积体的堆积层，形成了侵蚀型和堆积型两大类型。表层受侵蚀和堆积两个过程的影响，下层则受沉积过程的影响，土壤粒度组成总体上以0.02～2.5 mm的砂粒为主，其次是0.002～0.02 mm的粉粒和<0.002 mm的黏粒，>50 mm的石砾质量含量最低。

(2)河西典型戈壁土壤颗粒物粒径特征是风化、侵蚀、堆积等地表过程与干旱多风的气候环境共同作用的结果。在0～2和2～20 cm两个土层，土壤颗粒粒径变异很大，0～2 cm土层中0.02～0.2 mm的细砂粒含量在5.82%～63.52%之间，0.002～0.02 mm的粉粒含量在4.01%～74.03%之间，2～20 cm土层中0.02～0.2 mm的细砂粒含量在6.15%～55.49%之间，0.002～0.02 mm的粉粒含量在2.57%～63.39%之间。各粒径在土壤中的含量差异较大，平均粒径在表层大多较粗，下层相对表层趋向细化，从低山残丘至洪积扇下部，总体上也是由粗变细的趋势；在20～40和40～60 cm两个土层，随着深度的增加，不同粒径土壤颗粒的百分比逐渐趋于均匀。

(3)河西典型戈壁土壤颗粒分形维数值差别较大，其值在1.677 5～2.999 9之间变化，平均为2.827 4，其变化能够较好地反映出典型戈壁在0～60 cm深度土壤颗粒物的粗细变化。