寧夏中部干旱帶不同自然地貌風(fēng)蝕沙粒粒徑特征研究

張安東，左 忠 ，王紅梅，潘占兵，李浩霞

風(fēng)蝕是一個全球性的問題，全世界有5.05×106km2的土地因風(fēng)蝕而發(fā)生退化、沙化，每年因此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 4.23×1010美元［1-2］。中國是受風(fēng)蝕荒漠化危害最為嚴(yán)重的國家之一，風(fēng)蝕荒漠化面積達(dá) 1.61×106km2［3］。風(fēng)蝕在給人類社會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時，導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境不斷惡化已成為影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一［4］。土壤風(fēng)蝕的發(fā)生是一個非常復(fù)雜的過程，是包括地理、氣候和表層土壤性狀等多因子綜合作用的結(jié)果［5］。風(fēng)蝕直接影響土壤的沙粒組成，造成沙粒粒徑組成在空間上差異很大［6-7］，而沙粒粒徑組成是土壤穩(wěn)定的自然屬性，在很大程度上決定著土壤的組成成分和用途，同時風(fēng)蝕沙粒的粒徑組成與風(fēng)蝕強(qiáng)度存在相關(guān)性，是研究土壤風(fēng)蝕時必需的基本資料之一［8-9］

國內(nèi)對沙粒粒徑研究較晚，早期的研究主要集中在對大氣單顆粒物的分析上。例如:程旭［10］等對沙漠的沙粒物理特性進(jìn)行分析，得出沙丘不同部位的沙粒粒徑的分布特點(diǎn)及造成這種分布的原因。鄧祖琴［11］等對中國北方沙漠戈壁區(qū)沙塵氣溶膠與太陽輻射的關(guān)系進(jìn)行分析表明:沙漠地區(qū)太陽輻射和沙塵氣溶膠指數(shù)有非常高的相關(guān)性，且變化趨勢一致。高慶先［12］等研究表明沙粒大小是地表風(fēng)蝕間接反應(yīng)，是決定地表風(fēng)蝕量多少的主要因素之一。但現(xiàn)有的大多數(shù)研究主要是以單一地區(qū)或者單一風(fēng)蝕環(huán)境進(jìn)行，在多種地貌、不同林地類型間對沙粒粒徑與風(fēng)蝕相關(guān)性情況的研究較少。

歷史上鹽池縣的土壤沙化較為嚴(yán)重，流動沙丘和半固定沙地較多，在多年的固沙治理中，土壤風(fēng)蝕得到了明顯減緩。本試驗(yàn)在鹽池縣周莊子、鴉兒溝、沙泉灣、王樂井和石山子地區(qū)的沙地、草地、灌木林地的風(fēng)蝕沙粒進(jìn)行收集并分析粒徑組成，以此判斷這些地區(qū)風(fēng)蝕影響程度。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇風(fēng)蝕嚴(yán)重的鹽池縣，鹽池縣地處寧夏中東部干旱風(fēng)沙區(qū)，屬鄂爾多斯臺地中南部、毛烏素沙地西南緣，為寧夏中部干旱帶的主要組成部分，屬干旱半干旱氣候帶［13］。年降水量230～300 mm，降水年變率大，潛在蒸發(fā)量2 100 mm，干燥度3.1;年均氣溫 7.6℃，年溫差 31.2℃，≥10℃ 積溫2 944.9℃，無霜期 138 d;年均風(fēng)速 2.8 m·s－1;土壤以淡灰鈣土和沙壤土為主，主要自然災(zāi)害為春夏旱和沙塵暴［14-16］。這些自然災(zāi)害導(dǎo)致該地區(qū)風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，影響植物生長使干旱區(qū)生物量較少，而生物量會直接反映出該地區(qū)的自然環(huán)境狀況［17-18］。因此近年來，鹽池縣各地區(qū)開展防風(fēng)治沙工程、退耕還林，現(xiàn)今鹽池縣的固定沙地植被主要以賴草(Leymus secalinus)和白草(Pennisetum centrasiaticum)為主，灌木林地以檸條(Caragana korshinskii)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、沙蒿(Artemisia desertorum)等為主，風(fēng)蝕情況得到明顯改善，僅有少部分地區(qū)的土壤風(fēng)蝕情況較為嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)原理

利用誘捕法，在各觀測地內(nèi)同時埋入集沙容器(直徑7 cm、高8.5 cm)，埋入時要保證容器口與地表持平，在草地或者沙地每隔5 m放置1個容器并保證所有容器均在一條直線上，灌木地的容器放在灌木植株的行距中間，確保收集的沙粒具有代表性。對過境沙粒進(jìn)行收集［19-21］(圖1)。

圖1 誘捕測定法主要試驗(yàn)原理［16］Fig.1 Principles of trapping assay

試驗(yàn)于2016年3月末開始，在鹽池縣地區(qū)風(fēng)蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重的4月和5月(平均風(fēng)速5 m·s－1)各收集1次，每處理重復(fù)6次，取其平均數(shù)。將未被人或動物破壞的樣品收集回稱重，收集后將容器按上述方法埋回原來的位置繼續(xù)收集。將收集到的沙粒帶回室內(nèi)分析。

2.2 沙粒分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國土粒分級標(biāo)準(zhǔn)將寧夏中部干旱帶不同風(fēng)蝕環(huán)境下的風(fēng)蝕沙粒進(jìn)行分級，以此判斷不同地區(qū)的土壤沙化情況［22］(表 1)。

2.3 全國沙漠化土地類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國沙漠化土地類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將寧夏中部干旱帶不同風(fēng)蝕環(huán)境下的土地類型進(jìn)行分類( 表 2)［23］。

表1 土壤粒徑分級標(biāo)準(zhǔn)［22］Table 1 Standards for soil particle size classification

2.4 風(fēng)蝕過程與沙粒粒徑相關(guān)性分析依據(jù)

土壤風(fēng)蝕是寧夏主要自然災(zāi)害之一，研究、治理和抵御風(fēng)蝕危害是各級政府與群眾長期面臨的共同使命［24］。研究沙粒粒徑組成對科學(xué)判斷不同土地利用類型、植被恢復(fù)和風(fēng)蝕防治效果意義重大。沙粒根據(jù)粒徑不同在風(fēng)力作用下移動方式不同:100～500 μm粒徑的為躍移、＞500 μm粒徑的為撞移或擠移，風(fēng)蝕沙源多以就地起沙為主。而20～100 μm的沙粒在風(fēng)力作用下會漂浮于空中以懸移的方式進(jìn)行移動、＜20 μm的沙粒以遠(yuǎn)距離漂浮為主，因此＜100 μm的沙粒在風(fēng)力作用下移動范圍較廣、移動區(qū)域較大［25］，危害嚴(yán)重，是風(fēng)蝕防治的重點(diǎn)對象，對其有效攔截和防控是治沙成果的主要體現(xiàn)(圖2)。

表2 沙漠化土地類型劃分標(biāo)準(zhǔn)［23］Table 2 Standards for the classification of desertification land types

圖2 風(fēng)蝕形成過程與沙粒粒徑相關(guān)性示意［26］Fig.2 Schematic diagram of correlation between wind erosion formation process and sand particle size

2.5 沙粒粒徑分析方法

將各樣地風(fēng)蝕樣采回后，采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀對所采沙粒混合樣品在室內(nèi)進(jìn)行了統(tǒng)一檢測分析［27-30］。

2.6 分形維數(shù)評價方法

分形維數(shù)是沒有特征尺度的自相似結(jié)構(gòu)。分形維數(shù)的大小用于說明自相關(guān)變量空間分布格局的復(fù)雜程度;分形維數(shù)越高，空間分布格局越簡單，空間結(jié)構(gòu)性越好;分形維數(shù)低，意味著空間分布格局相對復(fù)雜，隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性占有較大的比重［31-32］。

體積分形維數(shù)計算公式如下［33］:

式中，V為粒徑＜R的全部土壤顆粒的總體積(%);VT為土壤顆?？傮w積(%);R為兩篩分粒級Ri與Ri－1間粒徑平均值(mm);λV為數(shù)值上等于最大粒徑數(shù)(mm);D為分形維數(shù)。

2.7 TOPSIS 綜合評價法

采用TOPSIS法進(jìn)行分析［34-35］，首先將指標(biāo)同趨勢化，消除不同指標(biāo)不同綱量及其數(shù)量級的差異對評價結(jié)果的影響，然后在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。去除不利或者低優(yōu)的指標(biāo)，保留最優(yōu)的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，找出有限方案中最優(yōu)方案和最劣方案，分別計算各評價方案與最優(yōu)、最劣方案的距離，獲得各評價方案與最優(yōu)方案的相對距離，以此作為評價各方案優(yōu)劣的依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同流動沙地沙粒粒徑分析

粒徑分析表明(表3、表4)，在流動沙丘和半流動沙地植被稀少、蓋度較低、生物量較少，不能有效防風(fēng)固沙，該地區(qū)風(fēng)蝕嚴(yán)重，其中風(fēng)蝕沙粒以細(xì)沙粒(50～250 μm)為主，占比90%左右，分形維數(shù)較小。鴉兒溝半流動沙丘含有6.63%粉粒、王樂井的流動沙丘風(fēng)蝕粉粒占比1.98%，其余自然地貌沙丘無粉粒出現(xiàn)。結(jié)合不用地區(qū)的土壤類型分析可知，以風(fēng)沙土為主的周莊子和沙泉灣的粗砂粒占比15.74%，在短期治理后雖然土壤粗?；黠@，但土壤表層明顯固化，趨于穩(wěn)定，但仍有部分流動沙丘風(fēng)蝕較為嚴(yán)重。鴉兒溝半流動沙丘屬于放牧沙化區(qū)域，沙粒含有少量粉粒，植被覆蓋度低，就地起沙現(xiàn)象嚴(yán)重，是風(fēng)蝕重點(diǎn)治理和防控區(qū)域。

表3 不同類型沙地沙粒粒徑組成Table 3 Sand particle size composition in different types of sands %

表4 流動沙丘植被生長情況Table 4 Growth of mobile dune plants

3.2 不同類型草地沙粒粒徑分析

以不同地區(qū)的封育和放牧草地為研究對象，數(shù)據(jù)顯示(表5、表6):所有監(jiān)測草地植被覆蓋率較低，植物多以甘草、豬毛蒿、賴草及黑沙蒿為主，所有監(jiān)測草地均有粉粒，沙泉灣和石山子村的封育草地粉粒占比97.47%和96.37%，周莊子村的封育草地占87.96%，由于植被穩(wěn)定，抗風(fēng)蝕能力較強(qiáng)，在風(fēng)蝕過程中均以外來塵降粉粒為主。而放牧草地的粉粒含量明顯較少，分形維數(shù)也明顯較小，其中鴉兒溝地區(qū)的放牧草原分形維數(shù)僅有2.090 3，而細(xì)沙粒以及粗砂粒含量均是所有草地中含量最高的，表現(xiàn)為顯著的退化狀態(tài)。以黃綿土類型的王樂井地區(qū)封育和放牧草地粉粒含量均較少，地表抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)，風(fēng)蝕不明顯。

表5 不同類型草地風(fēng)蝕沙粒粒徑組成Table 5 Sand particle size composition of different types of grassland %

3.3 不同灌木林地風(fēng)蝕沙粒粒徑特征

寧夏中部干旱帶主要以檸條、花棒(Hedysarum scoparium)、楊柴(Hedysarum fruticosum)、沙柳(Salix psammophila)以及沙蒿等常見灌木作為造林樹種。本研究以中部干旱地區(qū)的花棒、沙柳、沙蒿、楊柴、檸條等林地風(fēng)蝕沙粒粒徑進(jìn)行研究，通過對比分析不同灌木樹種風(fēng)蝕過程產(chǎn)生的沙粒粒徑組成，判斷林地蝕積狀況，為客觀衡量不同灌木樹種防風(fēng)蝕能力提供判定依據(jù)。

由表7、表8可見，灌木林區(qū)物種豐富、蓋度較高且生物量較大，生態(tài)恢復(fù)效果較高，能有效減少風(fēng)蝕現(xiàn)象?；ò簟⑸沉约吧齿锪值氐耐寥郎郴闆r一致，花棒林和沙蒿林粉粒占比分別為8.18%和8.19%;檸條地風(fēng)蝕沙粒主要以粉粒為主，占比90.88%，分形維數(shù)較大。其中沙泉灣風(fēng)蝕沙粒主要以細(xì)沙和粗砂為主，說明通過植樹造林該區(qū)域的土壤沙化情況得到明顯改善，以退耕檸條地效果最為明顯，粉粒占比90.88%，屬于典型的細(xì)微懸浮沙粒沉降區(qū)域。鴉兒溝沙蒿天然林地雖然為放牧草原，但粉沙占比達(dá)8.19%、粗砂粒僅占0.5%，說明沙蒿的存在明顯減少了放牧草原風(fēng)蝕過程中的就地起沙，降低了風(fēng)速，形成了有利于粉粒沉降的小環(huán)境，在放牧草原的抗風(fēng)蝕中作用突出。由此可知，灌木林地在干旱風(fēng)沙區(qū)減少地表風(fēng)蝕、防風(fēng)固沙中起著決定因素。

表6 不同類型草地植被分布情況Table 6 Distribution of vegetation in different types of grassland

3.4 不同類型耕作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕沙粒分布情況

通過對人為因素影響較大的不同類型耕作農(nóng)田進(jìn)行沙粒粒徑分析(表9)。王樂井地區(qū)撂荒耕地、旱作農(nóng)田、廢棄村莊、冬小麥地的沙粒組成相似，分形維數(shù)較大，風(fēng)蝕沙粒以粉粒為主，粉粒占比分別為93.92%、94.40%、94.00%和 81.54%，土壤抗風(fēng)蝕能力較強(qiáng)，粉粒沙源主要為外來沙粒沉降形成;而鴉兒溝地區(qū)為沙化草原的風(fēng)沙土區(qū)域，撂荒耕地、旱作農(nóng)田風(fēng)蝕沙粒以細(xì)沙粒為主，粉粒僅為 26.42%～29.50%，分形維數(shù)明顯小于王樂井黃綿土區(qū)域的撂荒耕地和旱作農(nóng)田，風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。說明通過棄耕、退耕還林還草等措施，可以從很大程度上減少沙化農(nóng)田風(fēng)蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

表7 固定沙地中不同灌木林地土壤沙粒粒徑組成Table 7 Sand particle size composition of different shrubbery lands in fixed sands %

表8 不同灌木林地植被分布情況Table 8 Distribution of vegetation in different shrubbery lands

表9 不同類型耕作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕沙粒粒徑組成Table 9 Sand particle size composition of different types of farmland soil erosion%

3.5 不同立地類型土壤沙粒情況綜合分析評價

一般而言，風(fēng)蝕沙粒若以細(xì)沙粒和粗沙粒居多，說明該地區(qū)風(fēng)蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，沙粒通過躍移的方式運(yùn)動。若植被固沙效果明顯，細(xì)沙粒躍移不明顯，則風(fēng)蝕主要以粉粒的懸浮為主。因此應(yīng)用TOPSIS法分析18種不同立地類型的土壤風(fēng)蝕情況［33］。數(shù)據(jù)分析可知(表10)，封育草地的土壤風(fēng)蝕情況得到明顯改善，粉粒居多。所有的樣地中，沙粒成分由好到差分別為:封育草地、旱作農(nóng)田(黃綿土)、廢棄村莊、撂荒耕地、翻耕農(nóng)田(黃綿土)、檸條林地、冬小麥地，從放牧草地開始CI值＜0.000 0，綜合效益比較不明顯。

表10 不同自然地貌土壤沙粒粒徑組成TOPSIS法排序指標(biāo)值Table 10 Values of TOPSIS ranking index of soil particle size in different natural landforms

4 結(jié)論與討論

干旱風(fēng)沙區(qū)地表沙粒粒徑可作為地表風(fēng)蝕狀況斷定的重要指標(biāo)之一。在相同原始地貌的土壤條件下，地表沙粒粒徑越大，風(fēng)蝕情況越嚴(yán)重。反之如果風(fēng)蝕量少，沙粒粒徑小，則風(fēng)蝕減緩，沙粒沉積，土壤狀況改善。如果風(fēng)蝕量大，沙粒粒徑小，則該區(qū)域極易發(fā)生風(fēng)蝕，還未形成風(fēng)蝕地貌的穩(wěn)定狀態(tài)，如沙化農(nóng)田、過度放牧退化草場等均為當(dāng)?shù)刂匾硥m物質(zhì)源地，應(yīng)引起足夠的重視。

通過對不同地貌的沙粒粒徑進(jìn)行分析總結(jié)可知，風(fēng)沙土區(qū)域的半流動沙地主要以細(xì)沙粒為主，并含有大量粗砂粒，風(fēng)蝕情況較嚴(yán)重;花棒、沙蒿以及農(nóng)田防護(hù)林粉粒成分占20%左右，細(xì)沙粒在80%左右，屬于風(fēng)蝕與沉降并存區(qū)域;黃綿土區(qū)域的封育草地、撂荒耕地、廢棄村莊以及檸條林地的土壤粉粒含量達(dá)90%以上，其中農(nóng)田樣地中粉粒比例一般高于風(fēng)沙土，沙粒成分較好，區(qū)域內(nèi)的土壤風(fēng)蝕不明顯，風(fēng)蝕沙源主要以外來沉積為主。

應(yīng)用TOPSIS法分析，封育草地的沙粒成分最好，粉粒居多，風(fēng)蝕過程中屬于塵降區(qū)域，旱作農(nóng)田粉粒次之，易發(fā)生就地起沙;半流動沙地風(fēng)蝕樣品含有大量的細(xì)沙粒、土壤粗?；瘒?yán)重;沙化放牧草地、沙化農(nóng)田除含一定量的細(xì)沙粒外，還含有大量的粉沙，為風(fēng)蝕沙塵提供了源源不斷的沙源，為風(fēng)蝕防控的重點(diǎn)對象。