高寒沙区几种机械沙障措施对土壤粒度特征的影响

张 政，向前胜，张登山，3，王 丽

(1.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016；2.韶关学院，广东 韶关 512005；3.青海省人民政府-北京师范大学，高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁 810016)

“荒漠化”又名“地球癌症”，主要集中分布于干旱、半干旱区，约占全球陆地总面积的40%，严重威胁着人类的生存与社会的可持续发展[1，2]。沙障作为荒漠化治理和恢复过程中一种行之有效的先期措施，在固定流沙、土壤修复、植被恢复等方面已得到普遍认可和广泛应用[3-5]。土壤作为植被生长和发育的基质，其质地变化直接影响土壤的水肥气热和植被恢复，特别是在干旱、半干旱区[6,7]。土壤粒度组成和分形维数作为反映土壤物理性质的重要参数之一，在布设沙障后其特征的变化与土壤水分、养分和抗风蚀性等诸多性质密切相关[5,7]，同时作为荒漠化评价中一个重要的参考指标，已被用于沙障防风固沙效益评价[8]、土地退化评价[9]和景观演替评价[10]等方面。目前，针对沙障对土壤颗粒组成和分形维数的相关研究表明，沙障的布设有利于治理区土壤质量提升和微生态环境改善[11]，可选取土壤颗粒组成和分形维数作为治理区科学准确定量综合评价土壤特性的参考依据之一，用于筛选治理区的优势沙障类型[12,13]。

高寒沙区在我国生态安全中具有重要的战略地位，一直是研究热点地区[6,14]，经由本课题组长期试验筛选的“机械沙障+植物”的治理模式效果显著[15]。目前，关于该地区的相关研究主要集中在经沙障设置后，不同治理年限人工固沙植被的土壤微生物[14]、土壤质量改良效果[6]和植物物种多样性[16]等方面。但关于沙障布设初期土壤粒度组成及分形维数的研究，尚少见报道。鉴于此，本研究以青海高原共和盆地沙珠玉高寒荒漠治沙示范区设置第3年沙障土壤为研究对象，对比分析其粒度特征，探究其土壤粒度组成与分形维数关系，旨在为青海高寒沙区优势沙障类型的筛选及综合评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原东北部青海省沙珠玉治沙试验站内(36°03′-36°40′N，99°45′-100°30′E，海拔高度约2880m)。该地属于高寒干旱半干旱气候，年平均气温2.4℃，年均降雨量246.3mm，年蒸发量约为1841.1mm，年平均风速为2.7m/s，最大风速40m/s，具有风频高，风力大等特点。

地貌类型以沙堆、新月形沙丘(链)及沙垄为主，沙丘高度约为3-20m，风沙土为主要土壤类型。高寒沙区人工种植植被主要有：青杨(Populuscathayana)、怪柳(Tamarixchinansis)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、菊芋(Helianthustuberosus)、沙蒿(Artemeisiadesertorum)，花棒(Hedysarumscoparium)等。

1.2 试验设计与方法

以研究区内在流动沙丘迎风坡已设置3年的高立式网笼沙障、麦草方格沙障+花棒、麦草方格沙障+柠条、麦草方格沙障+沙蒿、麦草方格沙障+菊芋种植为研究对象，未经治理的流动沙丘迎风坡作为对照，共计6块样地(见表1)。以下分别简称高立式沙障(GLS)、花棒沙障(HB)、柠条沙障(NT)、沙蒿沙障(SH)、菊芋沙障(JY)和流动沙丘(LDSQ)。于2021年8月在相同坡度且风积状况相对一致的各典型样地内，采用剖面法，分别对0-10cm、10-20cm、20-40cm和40-60cm土层深度进行采样，每组3次重复。将样品带回实验室风干，经预处理[17]后，利用Mastersizer 3000型激光粒度仪对各层土样测定，每个样品3次重复，按美制粒度分级[18]：黏粒<0.002mm，粉粒0.002-0.063mm，极细砂0.063-0.125mm，细砂0.125-0.25mm，中砂0.25-0.50mm，粗砂0.50-1.00mm，极粗砂1.00-2.00mm。

表1 样地基本情况

1.3 数据处理

采用Excel2016对数据进行整理，通过Krumbein提出的对数转化法[19]，利用Krumbein和Folk图解法[20]计算平均粒径(φ)、分选系数(σ0)、偏度(S0)和峰态值(K0)，根据已掌握数据进行分形维数(D)[13]的计算。运用SPSS23.0和SigmaPolt12.5进行计算、分析和制图。

2 结果与分析

2.1 沙障内土壤粒度特征

经对LDSQ及5种机械沙障类型内土壤粒度含量分析得出其土壤粒度组成特征(表2)，在研究区0-60cm土壤深度，LDSQ、GLS、NT和SH土壤粒度均以极细砂和细砂为主，二者含量之和达到了61.13%以上；细砂含量占39.85%-49.51%、极细砂含量占20.15%-30.06%；粉粒、中砂和黏粒含量次之，分别占8.99-22.43%、5.85-19.47%和0.82-1.82%；粗砂和极粗砂含量最少，几乎为零。HB和JY土壤粒度均以细砂和中砂为主，二者含量之和达到了74.04%以上；细砂含量分别为48.30%和51.18%、中砂含量分别占25.74%和29.64%；极细砂和粉粒含量次之，分别为16.9%和11.83%，6.65%和6.26%；黏粒、粗砂和极粗砂含量最少，分别为0.71%和0.70%、1.29%和0.40%，0.31%和0.00%。LDSQ及各沙障类型均以细砂为主约在39.85-51.18%之间，而极粗砂含量最少几乎为零，其中 NT和SH黏粒和粉粒含量均高于LDSQ分别为1.82%、22.43%和1.71%、20.05%。

表2 土壤粒度组成特征

续表

具体而言，在0-10cm土层中，GLS、HB和JY黏粒含量和粉粒含量与LDSQ相比差异显著，JY极细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，NT和SH细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，GLS、NT和HB中砂含量与LDSQ相比显著高于LDSQ；10-20cm土层，GLS、HB和JY黏粒含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，HB和JY粉粒含量与LDSQ相比低于LDSQ，JY极细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，GLS、HB和JY中砂含量与LDSQ相比存在显著性差异；20-40cm土层，JY极细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，SH细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ；40-60cm土层，SH和JY极细砂含量与LDSQ相比显著低于LDSQ，SH粗砂含量与LDSQ相比高于LDSQ。

由以上可知，不同机械沙障类型对相同土层的土壤粒度组成存在一定影响。从不同深度土层来看，20-40cm土层黏粒含量、粉粒含量和极细砂含量均高于其它土层，而中砂含量低于0-10cm和10-20cm土层中砂含量，即在垂直方向GLS对20-40cm土壤粒度组成影响较大。

2.2 沙障内土壤粒度参数特征

图2为LDSQ及各沙障土壤粒度参数特征，平均粒径表征粒度分布的集中趋势[19]。在研究区LDSQ及各沙障0-60cm深度， LDSQ、GLS、NT、HB、SH和JY平均粒径分别为1.98-2.11φ、1.45-2.03φ、2.13-2.33φ、1.29-1.75φ、1.29-1.75φ和1.28-1.46φ，其中NT平均粒径高于LDSQ。从深度来看，仅JY平均粒径随深度增加而增加，其余沙障类型则无明显规律变化。

分选系数(σ0)反映土壤颗粒分选好坏，分选系数越小，土壤颗粒的分选性越好[19]。在0-60cm土层，LDSQ、NT和SH分选系数分别为0.98-1.02、0.95-1.00和0.89-1.12，其分选性分别在20-60cm、10-60cm和0-40cm深度土层表现为较差，而在其余土层表现为中等。GLS、HB和JY分选系数分别为0.91-0.97、0.89-0.96和0.88-0.89，各深度土层土壤分选性均为中等。

偏度(S0)用于判别土壤粒度分布的对称性，偏度系数值越小，其粗偏程度越大[19]。在0-60cm土层，LDSQ偏度为0.09-0.21，0-40cm土层深度偏度为正偏度，40-60cm偏度为近对称；HB偏度为0.08-0.16，20-40cm土层深度为近对称，其余土层均为正偏度；SH偏度为0.02-0.16，10-20cm土层深度为正偏度，其余深度土层均为近对称。GLS、NT和JY偏度分别为0.10-0.19、0.11-0.19和0.10-0.12，各深度土层土壤偏度均为正偏度。

峰态值(K0)表征粒度分布的陡缓程度，峰态值越大，峰态越尖窄，粒度分布越集中[19]。在0-60cm土层，LDSQ峰态值0.87-1.01，在10-20cm土层深度呈宽平分布，其余土层峰态值为中等；GLS峰态值0.96-1.29，20-40cm土层为中等，其余土层峰态值呈尖窄分布；NT峰态值0.82-0.89，在各深度土层均为宽平；HB和JY峰态值分比为1.14-1.21和1.18-1.30，在各深度土层均表现为尖窄；SH峰态值为0.79-1.11介于宽平和中等之间，20-40cm为宽平，其余各深度土层均为中等类型。

2.3 沙障内土壤分形维数特征

由表3可知，通过对LDSQ及各沙障土壤分形维数与土壤粒度组成进行相关关系研究发现，LDSQ各土壤粒度组成与分形维数均无显著相关性(P>0.05)。黏粒含量与GLS、NT、HB、SH和JY分形维数均具有显著正相关关系(P<0.05)。粉粒含量与GLS、NT、HB和SH分形维数具有显著正相关关系；极细砂含量与GLS和HB分形维数呈现出显著正相关关系；中砂含量与GLS分形维数具有显著正相关关系；细砂、粗砂和极粗砂含量与各沙障土壤分形维数均无显著关系。

如图2所示，0-60cm土壤深度分形维数差距较大，变化范围在2.17-2.42，处于较低水平。在0-10cm土层深度，NT土壤分形维数大于LDSQ，SH土壤分形维数与LDSQ一致，其余沙障土壤分形维数均低于LDSQ；10-20cm土层，各沙障土壤分形维数均低于LDSQ；20-40cm土层，NT和SH土壤分形维数均大于LDSQ，GLS土壤分形维数与LDSQ一致，其余沙障土壤分形维数均小于LDSQ；40-60cm土层，仅NT土壤分形维数略高于LDSQ。因此，仅NT0-10cm、 20-60cm和SH20-40cm深度土壤分形维数大于流动沙丘，其余各沙障土层均小于LDSQ。而垂直梯度上，LDSQ土壤分形维数随土壤深度增加表现出似“N”形；GLS土壤分形维数随土壤深度增加呈现为先增加后减小。

图2 土壤分形维数

3 结论与讨论

3.1 结论

本文探究了青海高寒沙区流动沙丘及5种机械沙障类型土壤粒度组成、粒度参数和分形维数，主要结论如下：

机械沙障类型对0-60cm土壤颗粒组成及分布影响明显，其中NT和SH土壤以细砂和极细砂为主，且黏粒和粉粒含量均高于LDSQ； NT平均粒径高于LDSQ；NT、GLS、HB和JY分选性优于LDSQ。因此，综合来看，NT相较于其余4种沙障能更好改善流动沙丘土壤结构及粒度分布。

土壤分形维数与5种沙障类型的黏粒含量呈显著正相关，但不同沙障类型的土壤分形维数与粒级含量的关系存在差异，其中土壤分形维数与GLS各土壤粒级含量相关性最高，即土壤分形维数可更好表征GLS土壤粒径分布特征。

3.2 讨论

沙障具有固定流沙、降低风速和沉积风沙物质等防风固沙效益，土壤粒度特征作为土壤基本属性之一，可反映沙障布设后土壤发育与生态修复程度[5,7]。通过对青海高寒沙区LDSQ及5种沙障类型0-60cm土层土壤粒度分布特征发现，研究区土壤以砂粒组成为主，这与田丽慧[21]等人的研究结果一致，其中LDSQ、NT和SH土壤粒度组成以细砂和极细砂为主，GLS、HB和JY土壤粒度组成以细砂和中砂为主，引起上述差异的主要原因在于沙障材料、固沙植物类型及人类活动等自然和非自然因素影响[22]。

在相同土层深度，从垂直方向看，仅GLS黏粒、粉粒和极细砂含量在0-40cm土壤深度表现出随土层深度增加而增加的规律性变化。产生上述差异原因可能是由于治理年限较短，机械沙障发挥优先发挥其自身效益，而固沙植物作为生态系统生产者因其根系分布、分泌物和残留物分布不同及生长周期长等特点，使得其改善土壤团粒结构、促进土壤结构趋于稳定等作用短期内尚未完全发挥[16,23]，同时受风蚀作用，使表层土壤细颗粒易流失[24]。0-10cm土层深度，NT、HB、SH和JY沙障类型下土层黏粒和粉粒含量高于10-20cm，主因在于固沙植物增大了治理区盖度和地表粗糙度变大，相较于单一机械沙障，可更好发挥其固沙效益，进而增加地表0-10cm土壤细粒物质含量，该结果与罗雅曦[25]在腾格里沙漠的研究结果相吻合。

由本文土壤粒度参数可知，该区域流动沙丘分选系数介于中等和较差之间，颗粒粗细分配呈近对称或正偏度，反映出土壤颗粒呈中等分布。不同沙障类型0-60cm土层深度土壤平均粒径由大至小排序为：NT>LDSQ> SH>GLS>HB>JY，即仅NT平均粒径大于LDSQ，从土壤分选系数、偏度和峰态值等方面来看，JY分选性相对其它沙障类型较好，这可能与沙障类型、固沙植物类型及生物多样性对土壤粒度组成的扰动有关[7,22,25]。5种沙障类型中，黏粒含量与各沙障类型均具有显著正相关关系，其余各土壤粒度组成与土壤分形维数相关性均有不同；从拟合效果来看，GLS土壤的各粒级含量与土壤分形维数拟合效果优于其它沙障类型，而不同沙障类型土壤分形维数与土壤粒度组成拟合存在差异，这与前人研究结果一致[26]。因此，高寒沙区不同机械沙障布设后对黏粒含量较少沙障土壤粒径分布特征，采用分形维数进行定量描述时的适用性不同，产生该结果的原因，可能由于沙障类型和固沙植物种类不同[25]。