不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力

高 永，丁延龍，汪 季,3，蒙仲舉，孫曉瑞，張 超，魏亞娟

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不同植物灌叢沙丘表面沉積物粒度變化及其固沙能力

高 永1,2，丁延龍1，汪 季1,3※，蒙仲舉1,2，孫曉瑞1，張 超1，魏亞娟1

（1. 內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2. 中央與地方共建風沙物理重點實驗室，呼和浩特 010018； 3. 內蒙古杭錦荒漠生態系統國家定位觀測研究站，鄂爾多斯 017400）

研究沙區不同類型植物灌叢沙丘地表沉積物環境敏感粒度組分體積百分含量變化及其影響因素有助于精確描述地表風沙運動過程，為快速比較不同植物種固沙能力和沙區植被恢復提供參考。采用激光衍射法對烏蘭布和沙漠內部5種荒漠植物灌叢沙丘地表沉積物粒度差異進行測定，以粒級-標準偏差法對風沙環境敏感組分進行提取，根據敏感組分體積百分含量變化對植物固沙能力進行評價，并以多元線性回歸方法擬合了敏感組分體積百分含量對植株形態指標變化的響應。結果表明：沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沙物質分布同裸沙丘均為單峰型，白刺和油蒿為雙峰型。植被分布區沙丘表層沉積物中沙、細沙減少，極細沙和粉粒增加，沉積物顆粒分選性變差，頻率曲線趨于正偏，峰度值降低。整體而言，顆粒組成由細到粗依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。烏蘭布和沙漠地表沉積物存在1.45～76和76～456m 2個環境敏感粒度組分，中值分別為57.3和193.6m，分別命名為細組分和粗組分，細組分對應風沙流中的懸移質，粗組分為躍移質。環境敏感組分在各植物覆蓋下差異顯著，細組分體積百分含量變化為：白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭>裸沙丘，粗組分體積百分含量變化相反，植株對風動力的阻滯能力相應降低。多元線性回歸顯示，細組分體積百分含量與株高、冠幅、分枝數呈正相關關系，與疏透度呈負相關關系，表層沉積物中細組分體積百分含量越高的植物灌叢，影響其體積百分含量多少的因素越復雜。

土壤；沉積；粒度；灌叢沙丘；固沙能力；粒級-標準偏差法；敏感粒度組分；烏蘭布和沙漠

0 引 言

在干旱風沙區，風沙沉積物的粒徑分布既是影響地表風蝕、搬運、堆積過程的重要因素，也是近地表風力通過地表蝕積作用分選的結果[1]。風沙活動造成地表細顆粒流失，引起地表顆粒粗化，造成土地養分流失，生產力下降[2]，同時不同大小顆粒的配比影響著顆粒之間的穩定性，亦對地表風蝕強度產生重要影響[3-4]。研究風沙沉積粒徑分布及分選特征，對于理解近地表輸沙動力、分析風沙沉積環境以及反演風沙環境變化等均具有重要意義。

風沙沉積物的粒徑分布變異受地表植被分布影響很大。大量研究表明，植被地上部分通過增加地表粗糙度，一方面降低地表風速，減弱風力攜沙能力；另一方面攔截風沙流，促進沙粒的沉降，從而起到防風阻沙的作用[1]。目前有關植被防治地表風蝕的研究多通過數值模擬、風洞試驗或外業瞬時測定探討植株對地表風蝕總量、近地面沙塵通量及氣流場的影響，但上述研究方法耗時耗力、測試條件苛刻[5-7]。有學者曾嘗試將樣品的粒度分布曲線分解成不同粒級的組分[8-11]，再將不同粒徑區間（或分布）與粉塵搬運過程聯系起來，重建季風系統大氣環流要素的變化，但上述研究主要集中在長時間序列上的古大氣環流要素重建，如何通過粒度變化在空間上的分布來提取地表風沙活動信息亟需深入研究。閆玉春等[11]通過對退化草原不同土地利用類型的表層沉積物頻率分布曲線差異進行分析，得出風蝕環境下不同樣地沉積物體積百分含量差異明顯的粒級范圍。汪言在[12]對塔克拉瑪干沙漠公路防護林表層沉積物環境敏感粒級組分進行了提取，驗證了采用表層沉積物敏感組分體積百分含量變化進行林帶防沙效益評價的可能性。

烏蘭布和沙漠總面積約0.99萬km2，屬中溫帶干旱氣候。自漢代以來，歷經兩千余年的開發耕作與戰爭破壞，原生植被與土壤損毀嚴重，下伏沙層出露，在強勁風力吹動下逐漸沙化，是中國荒漠化發展速度最快的地區之一[13-14]。本文選取烏蘭布和沙漠為研究區域，通過測定沙漠內部不同植物灌叢沙丘地表沉積物顆粒分布狀況，研究荒漠植被對地表沉積物顆粒分布狀況的關系，定量分析土壤粒度特征、確定研究區域內對地表風沙環境反應敏感的粒級組分，反演不同類型植物灌叢對地表風沙活動的抑制作用，為荒漠化快速發展地區生態建設植物種篩選及固沙效益快速評價提供數據支持。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北緣（圖1），該區氣候干燥，雨量稀少，屬于典型的中溫帶大陸性干旱季風氣候。年平均氣溫7.5～8.1 ℃；年平均降水量142.7 mm，潛在蒸發量2 258.8mm；年平均風速3.7 m/s，大風日數10～32 d，以3－5月份最多，多為西北風及西南風。

圖1 研究區在烏蘭布和沙漠中的位置

該區風沙活動強烈，流動沙丘連片分布，經實時動態（Real-time kinematic，RTK）技術實地測量，沙丘高度可達6～15 m，沙丘密度大于0.8。沙丘上部沙物質干燥疏松，丘間低地多紅色黏質硬地，上伏厚度10～50 cm不等的沙物質，沙丘坡面上有少量沙鞭（）、沙蓬（）分布，坡面下部及丘間低地生有成群的油蒿（）、蘆葦（）。白刺（）灌叢分布區沙丘基本固定，沙包高度多在0.5～5 m，表面沙物質較細，質地松軟。景觀上呈現為流動、半固定、固定沙丘、平緩沙地及丘間低地相互交錯分布的地貌類型[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 沉積物樣品采集

研究區位于磴口縣城西南方向20 km處（40.191°N，106.839°E）的沙地內部，選擇該地建群種植物白刺、油蒿、沙蓬、蘆葦及沙鞭作為研究對象。在白刺、油蒿、沙蓬、蘆葦及沙鞭調查樣方內，每個樣方選擇4株長勢健康、均勻的植株定為標準株，每種植物選取20株標準株，5種植物分布范圍約2 km2。以單株植物為中心，分別以植株基部，植株平均冠幅的0.5倍及1.0倍為半徑畫同心圓，分東南西北4個方向在同心圓上采集表層2 cm沉積物，白刺灌叢堆以灌叢中心為基準，以灌叢邊界為界，按上述方法采集樣品，在室內將單株植物下的沉積物樣品進行混合均勻，每種植物最終采集20個混合樣品（能否增加每種植物的照片和取樣位置示意圖），同時測量植株的株高、冠幅、疏透度[15]等形態指標（表1）。在流動沙丘區選取10個典型沙丘，垂直于沙脊線，分別在沙丘頂部、迎風坡及背風坡中部、下部采集對照樣品，將單個沙丘樣品混合，共計10個對照混合樣品。采樣時間為2016年3月21－28日，此時風力為一年中最強盛的時期，研究此時植被形態對地表風蝕的抑制作用極具現實意義。

圖2 研究區各建群種植物照片及取樣位置示意圖（以沙蓬為例）

表1 研究區植被分布狀況

注：植被樣方規格為5 m×5 m，每種植物調查5個樣方。

Note: The vegetation sample size is 5 m×5 m, each kind of plant survey 5 samples.

1.2.2 沉積物粒度測定

沙樣粒度預處理和測量在內蒙古農業大學沙地生物資源保護與培育國家林業局重點開放性實驗室完成。經風干、篩除雜質、去除有機質、脫鹽處理后，使用Mastersizer 3000型激光粒度儀進行粒度測定，每個樣品重復測量3次，取其算術平均值。

1.2.3 沉積物粒度參數計算與敏感組分提取測定

采用Folk-Ward圖解法計算粒度參數[16]。在提取沉積物環境敏感粒級組分時，目前應用較多的方法為粒級標準偏差算法，其原理是通過研究激光粒度分析儀給出的每一粒級所對應體積百分含量的標準偏差變化而獲得粒度組分的個數和分布范圍，粒級—標準偏差變化曲線主要反映了不同樣品的粒度體積百分含量在各粒徑范圍內的差異性，高的標準偏差值反映了不同樣品的粒度體積百分含量在某一粒徑范圍內差異較大，低的標準偏差則反映了粒度體積百分含量在某一粒徑范圍內差異較小，據此可以反映出一系列樣品中粒度變化存在顯著差異的粒度組分的個數和分布范圍[17-18]。

1.2.4 植物形態參數與敏感組分體積百分含量多元回歸模型的建立

采用Excel 2007、Origin 9.1、Adobe Photoshop CS6軟件進行數據整理及圖表繪制。采用多元線性回歸分析方法建立植物形態與沉積物平均粒徑之間的關系，為消除不同植被形態參數間共線性的影響，采用向后回歸方法，剔除部分影響不顯著的形態指標，得出不同植物種覆蓋下地表沉積物平均粒徑與形態指標間的多元線性回歸模型。

2 結果與分析

2.1 沉積物粒度分布

由顆粒分布曲線（圖3）可知，沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沉積物分布同裸沙丘一致，均為單峰型。白刺和油蒿為雙峰型，白刺有一明顯的尾峰，油蒿尾峰較低。白刺樣地沉積物顆粒分布范圍最寬，頻率曲線主峰最矮，其次為油蒿，顆粒分布范圍從寬到窄依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘。主峰由高到低為：裸沙丘>蘆葦>沙鞭>沙蓬>油蒿>白刺。裸沙丘表層沉積物中的細沙（100～250m）、中沙（250～500m）占據絕對優勢，其體積百分含量分別為62.00%和35.43%（圖4）。植被覆蓋后，細沙、中沙體積百分含量減少，黏粒（<2m）、粉粒（2～50m）、極細沙（50～100m）體積百分含量增加。黏粒、粉粒及極細沙變化趨勢基本一致，體積百分含量由少到多表現為裸沙丘<沙鞭<沙蓬<蘆葦<油蒿<白刺。細沙、中沙體積百分含量變化趨勢基本一致，其在不同植物覆蓋下變化趨勢與黏粒等細顆粒相反。沙鞭、沙蓬和蘆葦下沙粒仍以細沙和中沙為主，油蒿樣地沙物質主要由細沙、極細沙構成，白刺樣地沙物質中粉粒、細沙和極細沙體積百分含量較高。中值粒徑的變化與細沙體積百分含量變化趨勢較相似，整體而言，顆粒組成由粗到細依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺。

圖3 沉積物顆粒頻率分布曲線

2.2 風沙沉積環境敏感粒度組分提取與分析

風沙環境對沉積物顆粒的分選作用與植物群落的空間分布特征影響地表沉積物粒度的變化，較高的粗顆粒組分體積百分含量和平均粒徑值代表了較強的風力搬運條件，較低的平均粒徑值和細顆粒組分體積百分含量代表了相對較弱的風動力條件[18]，反映了植被群落防風固沙能力的差異。

圖5為根據粒級-標準偏差算法獲得的每個粒級組分的標準偏差隨粒級組分的變化，圖中較高標準偏差值所對應的粒級即對風成沉積環境敏感的粒度眾數。在研究區風沙活動環境下，風沙沉積物粒級-標準偏差曲線在1.45～456m間出現，且2個明顯的標準偏差峰值，分別為40.1和211m。在76m處則出現低值，該值即為粒級組分間的邊界，因此將粒度組成劃分為1.45～76m的細組分和76～456m的粗組分2個環境敏感組分，對環境敏感組分各粒級體積百分含量加權至100%后，計算得出2種組分中值粒徑分別為57.3和193.6m。圖6為研究區細組分和粗組分體積百分含量在不同植被覆蓋下的變化情況。細組分百分體積百分含量在不同植物覆蓋條件下的變化范圍分別為0.02%～40.84%和59.16%～99.98%，不同植物種覆蓋對地表風沙活動的干擾程度差異很大，經方差分析可知，各植物種覆蓋下沙表面細組分體積百分含量均差異顯著（蘆葦和沙蓬之間除外）。不同植物種下細組分百分體積百分含量表現為白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭。相應地，粗組分體積百分含量表現為裸沙丘>沙鞭>蘆葦>沙蓬>油蒿>白刺。

圖4 不同粒徑組沉積物體積百分含量

圖5 粒級-標準偏差曲線

圖6 不同植物種下敏感組分比例

2.3 環境敏感粒級組分體積百分含量變化對植被形態的響應

對環境敏感組分與植被形態指標進行相關分析（表2），可知各植物種下顆粒細組分體積百分含量均與株高、冠幅、分枝數呈正相關關系，與疏透度呈負相關關系，相關系數均在0.7以上，表現出較好的相關性。

表2 環境敏感組分體積百分含量與植物形態的相關分析

注：*表示在0.05水平（雙側）上顯著相關。**表示在0.01水平（雙側）上顯著相關。

Note:* Indicates significant correlation at 0.05 level (bilateral) (<0.05). ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral) (<0.01).

分別以粗細組分體積百分含量為因變量，以株高（）、冠幅（）、分枝數（）、疏透度（）為解釋變量進行多元線性回歸，分析多個植物形態指標對地表沉積物顆粒分布的共同作用。假定多元線性回歸模型為

結果如表3，可知不同植物種覆蓋下地表沉積物平均粒徑與形態指標間的多元線性回歸模型判定系數均在0.8以上，擬合優度較高，不被解釋的變量較少?；貧w方程顯著性檢驗的概率均小于0.01的顯著性水平，則認為系數不同時為0，被解釋變量與解釋變量全體的線性關系是顯著的，可建立線性方程。由回歸方程可知，表層沉積物中細組分體積百分含量越高的植物種，如白刺、油蒿，影響其體積百分含量多少的形態指標越多，說明其覆蓋下地表沉積物成因較復雜。

表3 環境敏感組分體積百分含量與植物形態的多元線性回歸方程

3 討 論

3.1 地表風蝕活動對沉積物環境敏感組分的作用

烏蘭布和沙漠屬中溫帶典型的大陸性氣候，風力是該區最主要的搬運動力，本研究提取的環境敏感組分在1.45～456m之間，這與董治寶等[4]、Pye K[19]研究認為粒徑<400m的沙粒較易被風蝕基本一致。研究區沉積物中值粒徑變化趨勢與粗組分體積百分含量變化相同，與細組分變化相反，環境敏感組分體積百分含量變化是引起沉積物粒度差異的主因。Pye K[19]認為風沙流中躍移顆粒占據很大比例，其分布區間介于70～500m，粒徑<70m的部分主要以懸移的形式被輸送[19]，由此可認為本研究的細組分為風沙活動中的懸移質，粗組分則對應為躍移質。躍移顆粒作為風沙流中的主體顆粒，其體積百分含量變化在不同下墊面亦差別較大[7,20]，圖4中粗組分標準偏差波峰較高亦可證明之。

3.2 植物對下伏沙面顆粒分布的影響

風蝕堆積過程中，以風為動力，以沙粒為物質基礎，當風力達到起動風速后，地表沙粒被風揚起，隨風前進形成風沙流，當氣流中沙粒質量小于其攜沙能力時，地表沙粒被裹挾向前，當沙粒質量超過氣流攜沙能力時，沙粒開始沉降，風沙流趨于不飽和，再次具備風蝕能力[21]。植被的出現增大了地表的粗糙程度，對地表流場產生擾動，風沙流運移過程中遇到植被時，其風速降低，攜沙能力下降，部分顆粒發生沉降，使地表沉積物粒度分布發生改變[22-23]。隨著沙物質在植株附近逐漸沉積，風影沙丘開始形成，在沙源充足的條件下，隨植被的不斷發育與演替，植被群落的阻沙能力將顯著增強，沉積物顆粒將大量沉降，風影沙丘逐步演化為灌叢沙丘，沙丘最終趨于固定[24]。沉積物的頻率曲線特征是判斷沉積作用形式的重要手段之一，頻率曲線峰態變化反映了沉積作用形式的變化，由于外來的或粗或細的新組分的加入，致使沉積物分選變差，頻率曲線變為不對稱，使偏度呈現出負偏或正偏的變化[25]。風沙流中黏粒、粉粒與極細沙被植物阻擋沉降，對不同植物種覆蓋下沉積物粒度參數（表4）分析可知，植被覆蓋后沉積物分選系數變大，分選性變差，且曲線形態由近于對稱向正偏方向發展，頻率曲線峰值整體趨于降低，沉積物顆粒組成變細。

表4 不同植物種下沉積物粒度參數

地上植被可對近地表風速產生阻擋、分解、疏散作用，從而使近地表風速造成不同程度削弱[26]。植被枝葉的遮蔽作用，降低了風沙流與沙表面的接觸面積，陳新闖等[20]對烏蘭布和沙漠東北緣荒漠-綠洲過渡帶的研究表明，不同植被分布的下墊面風沙活動強度與植被蓋度有關，隨著植被蓋度增加，地表風蝕活動強度呈指數降低[27]。當地表植被蓋度達到40～50%以上時，可有效降低風沙活動強度[28]。有學者[29-30]對不同植被蓋度下土壤粒度分布進行分析，均認為土壤平均粒徑隨著植被蓋度逐漸降低而變粗，本文通過對地表沉積物粒度特征進行分析，得出顆粒組成由粗到細依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺，地表沉積物細組分體積百分含量均與株高、冠幅及分枝數呈正相關，與郁閉度呈負相關關系，這說明植物群落高大、枝葉密集、郁閉程度較高的植物種，如白刺、油蒿，其覆蓋下沉積物顆粒均較細，固沙阻沙能力較強；反之，植物分布稀疏、枝葉較少的植物種，如沙鞭、沙蓬，其群落則不具備較強的固沙能力。

4 結 論

本文對烏蘭布和沙漠5種荒漠植物覆蓋下地表沉積物粒度分布進行測定，根據環境敏感組分體積百分含量變化對植物固沙能力進行評價，并對環境敏感組分體積百分含量與植株形態指標的關系進行擬合。結果表明：

1）沙鞭、沙蓬、蘆葦樣地表層沙物質分布同裸沙丘均為單峰型，白刺和油蒿為雙峰型。顆粒分布范圍從寬到窄依次為：白刺>油蒿>蘆葦>沙蓬>沙鞭>裸沙丘植被覆蓋條件后，沙丘表層沙樣細沙、中沙體積百分含量減少，極細沙和粉粒增加。沉積物顆粒分選性變差，曲線趨于正偏，除油蒿外峰度值均降低。整體而言，顆粒組成由粗到細依次為：裸沙丘>沙鞭>沙蓬>蘆葦>油蒿>白刺。

2）對烏蘭布和沙漠環境敏感粒度組分的提取，得出1.45～76和76～456m 2個環境敏感粒度組分，分別命名為細組分和粗組分，其中細組分對應風沙流中的懸移質，粗組分為躍移質。環境敏感組分在各植物覆蓋下差異顯著，其中細組分體積百分含量變化為：白刺>油蒿>沙蓬>蘆葦>沙鞭>裸沙丘，粗組分體積百分含量變化相反，植株對風動力的阻滯能力相應降低。

3）多元線性回歸顯示，細組分體積百分含量與株高、冠幅、分枝數呈正相關關系，與疏透度呈負相關關系，表層沉積物中細組分體積百分含量越高的植物種，影響其體積百分含量多少的因素越復雜。

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Sediments particle size changes and its sand fixation ability for different shrub dunes

Gao Yong1,2, Ding Yanlong1, Wang Ji1,3※, Meng Zhongju1,2, Sun Xiaorui1, Zhang Chao1, Wei Yajuan1

(1.,010018,; 2.,010018,; 3.,,017400,)

Land desertification is a major global ecological problem that affects sustainable development of human society. Flow sand dunes are the main source of aeolian sand-dust transport in the surface layer, which causes enormous losses in many arid and semi-arid regions of the world.Aeolian dust transport processes are closely related to the variation of the surface vegetation cover. Therefore, it is necessary to screen plants with strong sand fixability to control the expansion of desert. The Ulan Buh Desert is one of the fastest developing areas of desertification in China. In this study, we aimed to investigate the changes of environmental sensitive particle components and factors affecting vegetation coverage, which would help to describe the process of surface sand movement accurately, and to compare abilities of different plant species to stabilize sand and provide reference for vegetation restoration in the area. The surface (0-2 cm) sediment particle size of five kinds of desert shrub dunes in desert-oasis ecotone at the northeast rim of the Ulan Buh Desert was measured by the laser diffraction method. The eolian environment sensitive grain size components were extracted by grain size class-standard deviation method. Then the sand stability capacity of plants was evaluated according to the changes of sensitive components. And the response of sensitive components to the changes of plant morphological indexes was fitted by multiple linear regression method. The results indicated that the frequency distribution curves of surface sediment under,,coverage and flow sand dune were single peak type, while underandcoverage, they were double-peak type. When the surface was covered by vegetation, the content of fine sand and middle sand reduced, while very fine sand and silt increased, the sorting became worse, the skewness deviated from normal distribution and turned to partially positive, and the kurtosis were decreased. The vegetation under which particle composition ranged from fine to coarse was as follows:>>>>> flow sand dune. There were two sensitive grain size components of 1.45-76 and 76-456m in Ulan Buh Desert, named as fine sensitive components and coarse sensitive components, while the median diameter of two kinds of environment-sensitive particle size components were 57.3 and 193.6m, respectively. The fine sensitive components correspond to the suspended load in the sand drift activity, while the coarse sensitive components correspond to the saltation load. The contents of sensitive components were significantly (<0.05) different under the coverage of each desert shrub. The content of fine components of different shrub dunes were as follows:>>>>> flow sand dune. At the same time, the content of coarse grain size components showed the opposite law, which meant the ability of five kinds of desert plants to weaken wind erosion was correspondingly reduced. Multiple linear regression analysis showed that the content of fine components was positively correlated with plant height, crown width and branch number, and negatively correlated with porosity of what?(sand dune or plant cover?). With the increasing of the content of fine components in surface sediments, the cause also became complicated.

soils; sedimentation; particle size; shurb dunes; sand fixation capacity; grain size class-standard deviation method; sensitive grain size components; Ulan Buh desert

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.017

S714.7

A

1002-6819(2017)-22-0135-08

2017-07-24

2017-09-12

內蒙古自然科學基金重大專項“高大密集流動沙丘上營建植被與沙丘活動的互控機制”(2014ZD03)

高 永，博士，博士生導師，主要從事荒漠化防治研究。 Email：13948815709@139.com

汪 季，博士，博士生導師，主要從事荒漠化防治研究。 Email：wangji1957@126.com