張雪琪, 崔 東, 夏振華, 趙 玉, 劉 影, 劉海軍

(1.伊犁師范學(xué)院 生物與地理科學(xué)學(xué)院, 新疆 伊寧 835000; 2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046; 3.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011; 4.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054)

伊犁河谷不同土地利用方式下土壤粒度特征

張雪琪1,4, 崔 東1,2,3, 夏振華1,4, 趙 玉1, 劉 影1, 劉海軍1

(1.伊犁師范學(xué)院 生物與地理科學(xué)學(xué)院, 新疆 伊寧 835000; 2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046; 3.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011; 4.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054)

為更有效地指導(dǎo)伊犁河谷水土環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)河谷地區(qū)不同土地利用方式下的土壤進(jìn)行采樣，共獲得14個(gè)剖面98個(gè)土壤樣品。利用EASY SIZER20測(cè)定樣品粒度，依據(jù)福克—沃德公式計(jì)算中值、平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、偏度，采用Excel，SPSS 19.0等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行作圖和統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：(1) 不同土地利用方式下土壤粒級(jí)百分含量雖有不同，但都是以粉粒(2～50 μm)、砂粒(50～2 000 μm)為主。其中耕地的粉粒、砂粒百分含量均高于荒地，林地、草地的黏粒(<2 μm)百分含量相當(dāng)。(2) 不同土地利用方式下土壤粒級(jí)的變異系數(shù)表現(xiàn)出顯著性差異。耕地中粉粒、砂粒含量的變異系數(shù)普遍大于荒地，黏粒含量的變異系數(shù)則相反。(3) 不同土地利用方式下土壤粒度特征不同，耕地的平均粒徑明顯大于草地、荒地、林地，荒地的分選性明顯優(yōu)于耕地、園地。

土地利用方式; 粒度特征; 伊犁河谷

隨著社會(huì)人口不斷發(fā)展，土地利用方式發(fā)生了顯著變化。不同的土地利用方式及其植被覆蓋類型不僅制約著土壤環(huán)境演變的方向與速度，而且改變著土壤的理化性質(zhì)。土壤粒度作為土壤的一個(gè)基本自然屬性，影響著土壤的質(zhì)地、持水量、水熱傳輸?shù)乃俣鹊取ｑR鵬[1]、吳美榕[2]等分別對(duì)伊犁河谷新墾區(qū)進(jìn)行了土壤粒度的研究。劉芝芹[3]、王英芹[4]等分別以金沙江干熱河谷、重慶巖溶區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，研究了不同土地利用類型下土壤粒度特征。張曉萌等[5]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、3S技術(shù)，分析了不同植物群落下土壤粒度空間變化特征。上述研究主要從地表不同利用類型、不同植被覆蓋著手，對(duì)土壤粒度及其空間變異進(jìn)行了分析，為研究區(qū)土壤的合理開(kāi)發(fā)與利用提供了有力依據(jù)。

伊犁河谷依附獨(dú)特的地形發(fā)育了本區(qū)特有的大陸性中溫帶濕潤(rùn)氣候，被譽(yù)為“塞外江南”。近10 a來(lái)，由于城鎮(zhèn)化速度不斷加快，土地利用方式發(fā)生了明顯變化[6-10]，然而尚未有學(xué)者開(kāi)展有關(guān)不同土地利用方式下土壤粒度特征的相關(guān)研究。本文中，筆者通過(guò)對(duì)伊犁河谷不同土地利用方式下土壤剖面的粒度組成及粒度參數(shù)研究，對(duì)比不同土地利用方式下不同深度土壤粒度的特征值變化規(guī)律，分析各特征值之間的相關(guān)性，以期對(duì)伊犁河谷乃至西北干旱區(qū)的水土環(huán)境發(fā)展及其資源合理利用提供有效的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

參照2000年國(guó)家環(huán)保總局“中國(guó)西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查”課題規(guī)定，將伊犁河谷(80°09′—84°56′E，42°14′—44°50′N)的土地利用類型化分為以下6類：耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)工礦居民用地、水域和未利用土地[6]。近40 a來(lái)(1970—2007年)，伊犁河下游地區(qū)耕地經(jīng)歷了先增加而后減少然后再增加的過(guò)程；未利用地和水域經(jīng)歷了先增加再減少，總面積趨于增加；高覆蓋度林草地呈現(xiàn)持續(xù)減少；城鄉(xiāng)工礦用地持續(xù)增加。伊犁河谷土地利用類型的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的變化過(guò)程，據(jù)《新疆土地統(tǒng)計(jì)年鑒(2002—2008年)》顯示：伊犁河谷地區(qū)農(nóng)用地總面積從4 655 747.89 hm2增加到4 659 968.54 hm2，建設(shè)用地總面積從83 947.82 hm2增加到86 571.6 hm2，未利用地總面積從787 468.1 hm2減少到780 623.7 hm2。

1.2 材料與方法

1.2.1 土壤樣品采集方法 2015年8—10月對(duì)伊犁河谷不同土地利用方式下的土壤進(jìn)行采樣。采集前均用GPS測(cè)定經(jīng)緯度并記錄隸屬的土地利用類型；采集時(shí)每個(gè)土壤剖面的深度均為60 cm(從下至上每20 cm等間距取樣)，并記錄各分層土壤的質(zhì)地、顏色等；最后每層土樣取200～300 g，裝入土壤樣袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。共獲得14個(gè)剖面98個(gè)土壤樣品，采樣點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

1.2.2 土壤前期處理 土樣經(jīng)風(fēng)干后，去除殘留的樹(shù)枝、石塊等過(guò)18目篩(1 mm)。(1) 每種土樣取0.5 g置于100 ml錐形瓶中并加入10 ml濃度為10%H2O2消煮,去除有機(jī)質(zhì)。加熱過(guò)程中需用蒸餾水不斷沖洗杯壁，以防泡沫溢出；(2) 再加入10 ml濃度為10%的HCl，去除碳酸鹽，當(dāng)液體沸騰至趨于靜止時(shí)，表明碳酸鹽已完全消除；(3) 在待測(cè)樣品液中加入蒸餾水，攪拌，靜置24 h待完全沉淀后，運(yùn)用虹吸法抽去上層清液，再次加入蒸餾水，反復(fù)多次，直至用PH試紙顯示樣品液酸堿度接近中性為止；(4) 在錐形瓶中加入1 mol/L的六偏磷酸鈉溶液10 ml，將其振蕩10 min，即可供儀器測(cè)量。本文采用EASY SIZER20測(cè)定樣品粒度，其粒度范圍為0.5～500 μm。采用美國(guó)粒徑分法：小于2 μm為黏粒，2～50 μm為粉粒，50～2 000 μm為砂粒[1]。

表1 采樣點(diǎn)信息

1.2.3 土壤試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理 土壤樣品粒度參數(shù)特征值(中值、平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、偏度等)依據(jù)?？恕值碌墓接?jì)算，采用Excel，SPSS 19.0等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行作圖和統(tǒng)計(jì)分析。

中值Md是指累積曲線上顆粒含量為50%處對(duì)應(yīng)的粒徑[11]，即Md=φ50

偏度是表示頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)，實(shí)質(zhì)上反映粒度分布的不對(duì)稱程度，按其形態(tài)分為正態(tài)、正偏態(tài)、負(fù)偏態(tài)[14-17]。

表2 標(biāo)準(zhǔn)偏差分選級(jí)別

表3 峰度等級(jí)界限

表4 偏度分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤粒度總體特征

(1) 河谷地區(qū)耕地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明：伊犁河谷地區(qū)耕地下土壤中粉粒約69.21%、砂粒約29.56%、黏粒約1.23%，平均粒徑約100.969 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約25.564，峰度約0.996，偏度約0.049。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)：粉粒含量為48.48%～95.53%；砂粒含量2.01%～51.03%；黏粒含量0.50%～2.46%；中值(Md)介于16.240～187.412 μm；平均粒徑(Mz)介于15.578～185.232 μm；標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)介于10.934～41.340，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.961～1.028，表明粒度頻率曲線分布呈中等(正態(tài))；偏度(Sk)介于0.025～0.070，表明頻率曲線呈近對(duì)稱(表5)。

表5 不同土地利用方式下土壤粒度特征值

(2) 河谷地區(qū)林地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區(qū)林地下土壤中粉粒約89.17%、砂粒約9.14%、黏粒約1.69%，平均粒徑約23.246 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約17.321，峰度約1.114，偏度約0.244。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)粉粒含量79.78%～99.03%；砂粒含量0.10%～18.60%；黏粒含量0.88%～2.57%；中值(Md)介于17.338～26.727 μm；平均粒徑(Mz)介于20.213～28.729 μm；標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)介于15.319～19.453，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.949～1.369，表明粒度頻率曲線分布呈中等(正態(tài))、尖銳；偏度(Sk)介于0.157～0.338，表明頻率曲線呈正偏、極正偏。

(3) 河谷地區(qū)草地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區(qū)草地下土壤中粉粒約85.14%、砂粒約12.64%、黏粒約2.22%，平均粒徑約43.853 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約27.138，峰度約0.815，偏度約-0.257。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)粉粒含量78.00%～95.78%；砂粒含量1.04%～20.74%；黏粒含量1.26%～3.18%；中值(Md)介于51.583～63.160 μm；平均粒徑(Mz)介于32.189～55.862 μm；標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)介于15.621～36.412，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.750～0.871，表明粒度頻率曲線分布呈平坦?fàn)顟B(tài)；偏度(Sk)介于-0.612～-0.073，表明頻率曲線處于很負(fù)偏到近對(duì)稱之間。

(4) 河谷地區(qū)園地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區(qū)園地下土壤中粉粒約53.55%、砂粒約45.52%、黏粒約0.94%，平均粒徑約174.984 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約42.409，峰度約1.306，偏度約0.104。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)，粉粒含量20.94%～92.10%；砂粒含量5.93%～78.73%；黏粒含量0.34%～1.98%；中值(Md)介于17.860～293.008 μm；平均粒徑(Mz)介于18.257～289.655 μm；標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)介于14.165～70.380，屬于分選極差；峰度(KG)介于1.145～1.622，表明粒度頻率曲線分布呈尖銳、很尖銳；偏度(Sk)介于-0.038～0.203，表明頻率曲線處于近對(duì)稱到正偏之間。

(5) 河谷地區(qū)荒地土壤粒度總體特征。土壤粒度分析表明，伊犁河谷地區(qū)荒地下土壤中粉粒約83.93%、砂粒約14.63%、黏粒約1.61%，平均粒徑約16.474 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約10.932，峰度約0.874，偏度約0.074。結(jié)合表5發(fā)現(xiàn)粉粒含量57.75%～98.30%；砂粒含量0.17%～41.92%；黏粒含量0.83%～2.46%；中值(Md)介于14.730～18.393 μm；平均粒徑(Mz)介于14.468～17.729 μm；標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)介于9.462～11.737，屬于分選極差；峰度(KG)介于0.777～0.950，表明粒度頻率曲線分布呈平坦、中等(正態(tài))狀態(tài)；偏度(Sk)介于0.038～0.101，表明頻率曲線呈近對(duì)稱、正偏。

從表6可知，伊犁河谷地區(qū)不同土地利用方式下不同粒級(jí)土壤的變異系數(shù)相差很大。耕地、草地、園地表層黏粒的變異系數(shù)小于底層，變化范圍分別為6.10%～28.70%，10.70%～13.60%，37.20%～100%，林地、荒地則相反，底層黏粒變異系數(shù)小于表層，變化范圍分別為2.30%～37.90%，5.90%～20.00%；草地、園地底層粉粒變異系數(shù)均大于表層，林地相反，耕地、荒地在20—40 cm處，粉粒變異系數(shù)達(dá)到最大值，分別是26.30%，25.50%；耕地、林地、草地、荒地的砂粒變異系數(shù)均是底層大于表層，園地在20—40 cm處達(dá)到峰值(92.70%)。以上說(shuō)明，不同粒級(jí)的土壤顆?？赡苁艿酵饨绮煌瑮l件的控制，如利用方式、成土母質(zhì)、人為活動(dòng)、地形以及水熱條件等[21-25]。

表6 不同土地利用方式下土壤的變異系數(shù)

注：變異系數(shù)[18-20]=標(biāo)準(zhǔn)差/平均數(shù)×100%。

2.2 各土地利用方式同一深度土壤粒度特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn)：(1) 0—20 cm內(nèi)，各土地利用方式下黏粒、粉粒百分含量均呈現(xiàn)草地>園地>林地>荒地>耕地，砂粒則是耕地>荒地>林地>園地>草地；耕地的中值粒徑最大，園地的最小；耕地的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于荒地，表明耕地的分選狀況不及荒地；耕地的峰度最大，草地最小，表明草地的頻率曲線更尖銳；草地的偏度最小，耕地次之，園地最大，表明草地的頻率曲線對(duì)稱性不及耕地呈現(xiàn)負(fù)偏，園地的頻率曲線對(duì)稱性不及耕地呈現(xiàn)正偏。(2) 20—40 cm內(nèi)，各土地利用方式下黏粒百分含量呈現(xiàn)林地>荒地>草地>園地>耕地，粉粒呈現(xiàn)荒地>林地>草地>耕地>園地，砂粒呈現(xiàn)園地>耕地>草地>林地>荒地；園地的中值粒徑最大，荒地的最??；園地的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于荒地，表明園地的分選狀況不及荒地；園地的峰度最大，草地最小，表明草地的頻率曲線更尖銳；草地的偏度最小，園地次之，林地最大，表明草地的頻率曲線對(duì)稱性不及園地呈現(xiàn)負(fù)偏、很負(fù)偏，林地則呈現(xiàn)正偏。(3) 40—60 cm內(nèi)，各土地利用方式下黏粒百分含量呈現(xiàn)耕地>荒地>草地>林地>園地，粉粒呈現(xiàn)林地>荒地>耕地>草地>園地，砂粒呈現(xiàn)園地>草地>耕地>荒地>林地；各土地利用方式下的中值粒徑均有減小，但是園地的中值粒徑仍是最大，荒地仍是最?。粯?biāo)準(zhǔn)偏差、峰度呈現(xiàn)相同規(guī)律；草地的偏度最小，荒地次之，林地最大，表明草地的頻率曲線對(duì)稱性不及荒地呈現(xiàn)負(fù)偏、很負(fù)偏，林地則呈現(xiàn)正偏。

2.3 各土地利用方式不同深度土壤粒度特征

根據(jù)EASY SIZER20測(cè)定的樣品粒度顯示：耕地中黏粒、粉粒百分含量均隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1A)；林地中黏粒的百分含量從表層到20—40 cm時(shí)隨著深度的增加而遞增，而后隨著深度的增加而遞減，粉粒百分含量隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1B)；草地中黏粒、粉粒百分含量均隨著深度的增加而遞減，砂粒則相反(圖1C)；園地中黏粒、粉粒百分含量也隨著深度的增加而遞減，砂粒則相反(圖1D)；荒地中黏粒的百分含量隨著深度的增加而遞增，在20—40 cm處達(dá)到峰值，粉粒百分含量隨著深度的增加而遞增，砂粒則相反(圖1E)。結(jié)合表5，可以發(fā)現(xiàn)：(1) 耕地表層中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度均大于底層，說(shuō)明底層土壤顆粒較表層更均勻、頻率曲線較表層更平坦，偏度在表層和底層相當(dāng)。(2) 林地表層中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于底層，說(shuō)明底層土壤顆粒較表層更均勻，表層峰度、偏度小于底層，說(shuō)明表層較底層頻率曲線更平坦、對(duì)稱性更好。(3) 草地表層中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度均小于底層，說(shuō)明底層土壤顆粒不及表層均勻、頻率曲線不及表層平坦，偏度都呈現(xiàn)負(fù)偏且表層負(fù)偏更嚴(yán)重。(4) 園地表層中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度均小于底層，說(shuō)明底層土壤顆粒不及表層均勻、頻率曲線不及表層平坦，偏度表層大于底層呈正偏但是在20—40 cm處出現(xiàn)負(fù)偏。(5) 荒地表層中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度均大于底層，說(shuō)明表層土壤顆粒不及底層均勻、頻率曲線不及底層平坦，偏度均呈近對(duì)稱。

圖1 不同土地利用方式下土壤粒級(jí)百分量

3 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式下土壤粒級(jí)百分含量雖有不同，但都是以粉粒、砂粒為主；同一種土地利用方式下不同深度的土壤粒級(jí)變異系數(shù)也表現(xiàn)出明顯的差異，耕地、草地、園地表層黏粒的變異系數(shù)小于底層，且耕地、園地的黏粒含量變異系數(shù)隨著深度的增加而增大，林地、荒地則表現(xiàn)出底層黏粒的變異系數(shù)小于表層。

(2) 不同土地利用方式下土壤粒度特征不同。伊犁河谷中值粒徑在16.80～176.46 μm之間變化，其中荒地下的中值粒徑最?。粯?biāo)準(zhǔn)偏差浮動(dòng)于10.93～42.41，其中荒地的分選性明顯優(yōu)于耕地、草地、園地；峰度在0.82～1.31之間變化，總體呈正態(tài)分布；偏度浮動(dòng)于-0.26～0.24，草地呈負(fù)偏，耕地、林地、園地、荒地均呈近對(duì)稱至正偏之間。

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CharacteristicsofSoilGrainSizeinDifferentLandUsePatternsintheYiliRiverValley

ZHANG Xueqi1,4, CUI Dong1,2,3, XIA Zhenhua1,4, ZHAO Yu1, LIU Ying1, LIU Haijun1

(1.CollegeofBiologyandGeography,YiliNormalUniversity,Yining,Xinjiang835000,China;2.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity/KeyLaboratoryofOasisEcologyofMinistryofEducation,Urumqi830046,China; 3.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;4.CollegeofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

Ninety-eight soil samples were obtained from 14 soil profiles in different land use patterns in Xinjiang Yili River Valley area in order to guide the sustainable development of water and soil environment. Grain sizes of sample were determined by the EASY SIZER20. Fokker ward formula was used to calculate the median, the average particle size, standard deviation, kurtosis and skewness. The data were analyzed and mapped by using Excel and SPSS 19.0 statistical software. The results show that: (1) soil particle grade percentages of different land use patterns are different, but silt (2～50 μm) and sand (50～2 000 μm) are the dominant particles. Contents of silt and sand in cultivated land are higher than those in wasteland， contnet of clay (<2 μm) in the woodland is generally larger than that in the grassland; (2) coefficients of variation of soil particle sizes of different land use patterns are significantly different, the coefficients of variation of silt and sand contents in cultivated land are greater than those in wasteland, the coefficient of variation of clay content is opposite; (3) soil grain size characteristics of different land use patterns are different, the average particle size of cultivated land is significantly larger than that of grassland, wasteland and woodland. The sorting of wasteland is obviously better than that of the cultivated land and garden land.

land use pattern; characteristics of soil grain size; Yili River Valley

2016-08-04

：2016-09-17

伊犁師范學(xué)院植物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科科研資助項(xiàng)目“伊犁河谷典型生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解及土壤碳氮特征研究”(YLUPE201601T)

張雪琪(1994—),女,四川省仁壽縣人,碩士研究生,主要從事自然地理研究。E-mail:ZXQforever940105@163.com

崔東(1984—),男,新疆烏魯木齊人,講師,博士研究生,主要從事干旱區(qū)土壤地理與環(huán)境變化研究。E-mail:cuidongw@126.com

S152.3

：A

：1005-3409(2017)05-0162-06