宁夏黄河以东固定沙丘土壤粒度特征及小尺度空间分异1)

展秀丽 王红 张呈春 王晓旭 韩磊

(宁夏大学，银川,750021)(兰州大学)(宁夏大学)((防沙治沙教育部工程研究中心)北京师范大学)(宁夏大学)

沙丘表层沉积物的理化特征是风沙地貌研究的重要内容[1]，其中沙丘的粒度特征既可以反映风沙动力的过程，也对判定区域沉积环境具有重要意义[2-4]。风沙土的粒径分布可反映出地表风蚀、搬运、堆积过程，还可以反映大量的环境信息和流场信息[5-7]，是沙丘形成演化过程中风沙活动的重要记录[8-10]，因此，对风沙土粒径分布特征研究一直是荒漠生态学领域的重点、热点内容之一[8]。

近年来有关土壤粒度组成特征的相关研究较多，取得了显著成果。其主要研究区有腾格里沙漠[6，11]、乌兰布和沙漠[12]、库木塔格沙漠[13-14]、巴丹吉林沙漠[10，15-16]、毛乌素沙地[8，17-18]等，已有的相关研究重点针对的是沙漠中土壤粒径分布特征及影响因素分析，但对固定沙丘表层沉积物的粒度组成及小尺度空间异质性研究较少。宁夏河东沙区近年来沙漠化治理已取得了显著成效，但是对该区域沙漠化逆转过程中的沙丘表层沉积的粒度组成研究较少，而研究该区域沙漠化逆转过程中的土壤性质对探究沙漠化治理过程中的土壤结构及土壤养分变化有重要的参考价值。为此，本试验对宁夏河东沙区典型固定沙丘的风沙土粒度组成特征进行分析、研究，以期为该区域荒漠生态系统进一步恢复提供参考。

1 研究区概况

研究区为黄沙古渡(38°32′58″～38°34′21″N，106°31′42″～106°33′22″E)，其位于宁夏银川市东北部，毛乌素沙地与黄河的交接地区。包括了沙漠、黄河、湿地及塞上江南景观。研究区属于温带大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，昼夜温差大，日温差12～15 ℃，年平均太阳总辐射量为4 950～6 100 MJ·m-2，年平均日照时间2 725 h，日照百分率为50%～69%，是日照资源最丰富的地区之一，雨雪稀少，蒸发强烈，年平均降水量173 mm，蒸发量高达1 876 mm，气候干燥，风大沙多，年平均风速2.7 m·s-1，多大风、沙尘暴、扬尘天气，年均沙暴时间20.6 d[19]。

图1 研究区位置图

2 研究方法

2018年10月，在研究区内选取1个较大的典型固定沙丘，该沙丘两翼角与相邻沙丘相连。从沙丘顶部到丘间地的距离为53 m，背风坡坡度30°；沙丘顶部到迎风坡前缘距离为46 m，迎风坡坡度5°。迎风坡上部植被覆盖度为40%，中下部植被盖度达到80%，生物土壤结皮发育较好。丘间地植被覆盖达95%，硬度较大。本研究选择沿着与沙丘脊线顶点垂直的方向(南北)设置100 m×60 m的范围作为采样地，在样地内部每间隔5 m设置1条样带，共6条样带，并在每条样带上间隔5 m设置1个样点，遍布沙丘迎风坡、背风坡、沙丘脊线、丘间地，共126个样点。在每个样点处利用土钻进行3次重复采样，分层采样深度(h)为0

对样品进行风干及预处理后进行粒度测定，本研究采用马尔文激光粒度仪测定土壤粒度的组成，分析结果以美国制土壤粒径(d)分级标准输出粉沙(粒径2 μm

粒度参数能够很好地表征沉积物来源、搬运介质、沉积环境[18，20]。其中平均粒径(Mz)表征的是颗粒粒度分布的平均情况；标准偏差(σ)反映颗粒粗细的离散程度，值越大离散程度越大；偏度(Sk)反映颗粒粗细的分布状况；峰度(KG)是颗粒粒径在平均粒径两侧集中程度的参数。土壤粒度参数计算采用Folk和Ward的计算公式[21]。首先，采用对数转换法将粒径真值转换为Φ值，其次，根据采用Folk和Ward的计算公式计算出平均粒径、标准偏差、偏度、峰度等所需指标。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:φ5、φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分别为累积体积分数为5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%所对应的颗粒粒径。

3 结果与分析

3.1 不同深度沙粒级配特征

由表1～表4可知，在0

表1 0

表2 5 cm

表3 10 cm

表4 15 cm

3.2 不同地貌部位土壤粒度组成及空间分布特征

由表5可知，丘间低地、背风坡、迎风坡风沙土颗粒组成均以细沙、中沙为主。其中，丘间低地粉沙、极细沙体积分数明显高于背风坡、迎风坡。细沙体积分数由大到小依次为迎风坡、背风坡、丘间低地。中沙体积分数由大到小依次为背风坡、迎风坡、丘间低地。对于粗沙体积分数，丘间低地为6.12%，背风坡6.57%，迎风坡6.50%，3者体积分数较接近。由此发现，丘间低地、背风坡、迎风坡的粉沙、极细沙体积分数依次减小，细沙体积分数依次增加，背风坡中沙、粗沙的体积分数较高。

表5 不同地貌部位土壤粒度体积分数变化

由图2可以看出，不同土壤深度的粉沙空间分布特征相似，均表现为丘间低地粉沙体积分数最高，土壤深度为5 cm

3.3 粒度参数特征

从表6中可以看出，本研究区内的风沙土粒度平均粒径在(2.04～2.10)Φ，标准偏差平均值为0.7Φ，表明该研究区土壤分选性较好(0.5<σ<0.71)，研究区土壤颗粒的偏度为0.05Φ，属于近对称分布(-0.10

3.4 不同地貌部位粒度参数关系

由图4、表7可知，研究区平均粒径与标准偏差、峰度、偏度之间存在一定的相关性，且不同地貌部位相关性有差异，从图4可以发现中沙、细沙为研究区的主要组分。在丘间地，平均粒径与标准偏差二者之间散点比较集中(图4)，呈现正相关，R2=0.951 7。研究发现，在丘间地的颗粒组成中，颗粒越细，分选越差，标准偏差大部分在(0.5～1.0)Φ，分选为中等和较好级别。平均粒径与偏度关系相对分散，相关性较小，大部分表现为近对称及正偏。平均粒径与峰度的散点不太集中，呈现不显著负相关，说明颗粒越细，峰态越平缓。在背风坡，平均粒径主要集中在2Φ左右，颗粒较粗，散点较集中，呈现正相关；背风坡土壤粒度的标准偏差大部分在(0.5～0.7)Φ，分选为中等或较好级别。平均粒径与偏度关系相对分散，相关性很小，大部分表现为近对称。平均粒径与峰度的散点图也很分散，呈现不显著相关，峰度均表现为中等，说明颗粒越细，峰态越平缓。在迎风坡，平均粒径与标准偏差二者之间非常集中，标准偏差大部分在(0.6～0.8)Φ，分选呈中等和较好级别。平均粒径与偏度关系相对分散，呈负相关性，说明粒径越小，偏度越趋向于负偏，偏度主要集中在(0.1～1.0)Φ，均呈近对称状态。平均粒径与峰度呈现不显著负相关，表明粒径越小，峰态越平缓越宽，峰度主要集中在(0.93～0.96)Φ，均为中等峰态曲线。

图4 土壤粒度参数之间的关系

表7 不同部位分选系数与平均粒径之间的关系

4 讨论

表层土壤的粒度组成对于研究土壤风蚀及土壤养分变化具有重要的参考价值[22]。受气候、植被和地形地貌等因素的影响，不同沉积环境的沙丘风沙运动特征存在显著差异-[8，23-24]。本研究选取了宁夏黄沙古渡典型固定沙丘作为研究对象，通过采样、试验、统计分析等研究手段对沙丘粒度机械组成、粒径分布规律、粒度参数关系进行了探究。研究区颗粒组成以中沙、细沙为主，与距离较近的腾格里沙漠相似，腾格里沙漠中细沙体积分数较其他粒级体积分数最多，中沙体积分数次之，体积分数最少的是粗沙、极细沙[6]。本研究分析了粒度参数的基本特征，低地、背风坡的标准偏差相对较大，大部分数值在(1.0～2.0)Φ，说明分选较差；迎风坡的标准偏差较小，数值为(0.5～0.71)Φ，说明分选较好。低地、迎风坡的偏度大部分在(-0.1～0.1)Φ，为近对称的状态，说明颗粒粒度分配的对称性很好，颗粒分选较好；背风坡到坡顶偏度多呈正偏(0.1～0.3)Φ，说明其以粗粒成分为主。研究区的峰度数值几乎均在(0.91～0.99)Φ，为中等峰态的曲线，且变化较小。总体来说，研究区的土壤颗粒分选较好，分配程度较均匀，说明研究区多年来的生态防治对沙丘固定及土壤改良起到了较明显的作用，土壤粒度组成也发生了变化。毛乌素沙地地表土粒度主要为集中在50 μm

本研究仅对宁夏河东沙地典型固定沙丘不同部位的土壤粒度特征及空间分布进行了初步分析，对于全面评价该区域风蚀沉积环境及其分选作用还需进一步深入探讨。未来研究中需补充大量样点，且急需对不同恢复年限的土壤粒度组成进行深入分析，深入探究随着植被恢复与沙丘固定，土壤粒度组成的变化规律。

5 结论

研究区颗粒组成以中沙和细沙为主。不同层的土壤粒度变化不明显，但仍存在一定规律，随着深度的增加，粗沙、中沙、粉沙体积分数在增加，细沙、极细沙体积分数在减少。土层越深，粉沙体积分数越高。不同地貌部位的颗粒组成不同，无论是在低地、背风坡、迎风坡，细沙、中沙的体积分数都占大部分，明显多于其他粒级。各地貌部位的粉沙、极细沙体积分数由大到小为低地、背风坡、迎风坡；细沙体积分数由大到小依次为迎风坡、背风坡、低地。

研究区低地、背风坡、迎风坡的粒径分布曲线形态接近，在主峰处差距最大，说明研究区土壤粒度组成特征相似。低地、背风坡、迎风坡的粒径累积分布曲线较接近。

研究区的平均粒径为(2.04～2.10)Φ，标准偏差平均值为0.7Φ，分选性为中等及较好。土壤颗粒的偏态属于近对称分布，峰度曲线分布为中等状态。偏度的变异系数为中等变异性，其余都是弱变异性。平均粒径与其余3个参数间存在一定的相关性，且不同地貌部位相关性存在差异。丘间地的平均粒径与标准偏差、偏度呈正相关，与峰度呈负相关，背风坡的平均粒径与标准偏差、偏度、峰度都呈正相关但相关系数均较小，迎风坡的参数相关性最不显著。