人工固沙措施對沙丘沉積物特征及土壤養分的影響

劉錚瑤,董治寶,趙 杰,李露露,肖巍強

陜西師范大學地理科學與旅游學院, 西安 710119

沙丘沉積物特征是近地層氣流對地表沉積物長期風力搬運、沉積作用下所具有的獨特屬性,是風沙地貌形成與發育的物質基礎,對反映風沙地貌與風沙流的相互作用具有重要的指示作用[1]。在風沙活動中,除風力作用外[2],其他自然因素,如地貌、沙源和植被等都影響地表的沉積物特征(粒度、分選、峰度和偏度等)[3- 4]。同樣,人為因素,如人工固沙措施,也能夠改變近地層氣流結構,影響沉積過程,從而改變沉積物特征。因此,沉積物特征包含了豐富的區域環境變化信息[5- 6],成為研究干旱區環境及其演化的理想載體。

騰格里沙漠東南緣自20世紀50年代起陸續實施固沙造林和封沙育林育草等措施[7]。人工鋪設的沙障有效減緩沙區地表風蝕和沙丘移動速度,增加沙土養分[8- 9]；沙面發育土壤生物物理結皮,并伴隨流動沙丘向固定沙丘演化[4]。目前,對該區域土壤的理化性質變化規律[10- 11]、人工固沙植被演替和結皮蓋度[12]、土壤生物物理結皮及其對固沙植被的影響[13],生物結皮防治土壤風蝕機理[14]等都進行了大量研究,但對于自然發育的流動沙丘與人工固定沙丘沉積物特征的對比研究還相對較少。人工固沙措施對揭示風沙災害防治作用機制、評價不同措施防護效果、以及土壤形成過程等具有重要的意義。

為此,本文通過對騰格里沙漠東南部不同沙丘各部位沉積物的粒度與養分進行分析,探究人工固沙措施對沙丘沉積物粒度特征和養分影響的環境意義,為全面合理的開展防沙治沙、風沙危害區生態修復和管理、保護生態環境提供科學參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區地理位置和樣點布置 Fig.1 Location of study area and plot of sample

騰格里沙漠位于中國西部干旱荒漠區、東部半干旱草原區與西南部高原寒冷區交合部位,屬于典型大陸性干燥氣候,盛行西北風,為低風能環境[2]。沙丘類型主要為格狀沙丘、橫向沙丘和灌叢沙丘[3]。天然植被有中亞紫菀木(Asterothamnuscentrali-asiaticus)、短花針茅 (Stipabreviflora)等常見沙生植物[12],人工種植多為沙棗樹。研究區位于騰格里沙漠東南緣,地貌特征以流動沙丘為主,并有始建于2008年的中國科學院風沙觀測場(37°33′N,105°01′E,設有人工生物固沙林和人工物理固沙區等)[14]。

1.2 數據采集與分析

沉積物樣品采集于流動沙丘(橫向沙丘、灌叢沙丘)、人工固定沙丘和防護林三個典型地表,在沙丘的不同部位(迎風坡和背風坡的底部、中部與頂部)的表層(0—1cm)與下層(1—2cm)共采集了50個樣點,100袋沙樣。每袋樣品約重100g。橫向沙丘高度為5.1 ± 0.1m,沙丘總體走向垂直于NW盛行風向；灌叢沙丘背風坡有蘆葦分布,蓋度約為70%,沙丘高度為6.5 ± 0.1m；人工固定沙丘的沙障于2012年鋪設,固沙面積約為100m × 100m的區域,尼龍網規格為1m×1m,沙丘高度為2.5 ± 0.1m,沙丘頂部背風側0.20m左右有一個面積約為6m2的風蝕坑。為了說明防沙措施對沉積物粒度的影響,本文同時選擇了公路邊的防護林為對照區(以下簡稱對比林)。三種典型地表皆為流沙,但人工固定沙丘上流沙厚度不一,植被蓋度約3%,大面積分布土壤生物物理結皮,迎風坡結皮厚度約1cm,沙丘頂端有較大風蝕坑,背風坡結皮厚度約2cm,在背風坡底部,除去表層結皮,在地表以下2cm處有一層薄沙,然后又分布一層結皮。具體采樣層次部位及沙丘形態信息如圖2所示。

圖2 采樣位置分布Fig.2 Distribution of sampling locations

沉積物粒度采用英國馬爾文公司生產的Mastersizer 2000激光粒度儀測試。粒度分級根據Udden-Wentworth[15]粒級劃分方法,并采用 Krumbein公式進行對數轉化為Φ值來表示[4],δ同時,粒度參數(平均粒徑Mz,分選系數σ,偏度Sk,峰度Kg)計算采用Folk和Ward圖解法[16],具體公式如下：

Φ=-log2d

(1)

(2)

沉積物養分主要測定有效氮、有效磷、有效鉀、有機質和pH,其中有效氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用Olsen法測定、有效鉀采用火焰光度法測定,有機質和pH值分別采用重鉻酸鉀氧化法和電位法[17]。

2 結果與分析

2.1 粒度特征

2.1.1沙粒級配特征

粒級級配可以直觀地反映沉積物的粒徑組成以及粒級相對含量[18]。粒度的分異規律主要受當地風力作用影響,但在特定的沙源和風能環境,不同沙丘類型,不同地貌位置以及不同深度的沙粒級配,反映了沉積物的搬運與堆積過程的差異性(表1)。

由表1可知,研究區內地表沉積物以細沙為主,平均含量超過50%；中沙含量次之,約占36.2%；其余依次為極細沙(7.1%)、粗沙(3.9%)、極粗沙(2.5%)和粉砂粘土(0.8%)。僅有人工固定沙丘和對比林包含極粗沙(2.5%)和粉砂粘土(0.8%)。在人工固沙防護措施實施前,由于迎風坡坡腳至丘頂風速逐漸增大,侵蝕作用不斷增強,細沙被風力侵蝕搬運,導致粗沙含量增加。隨著防護措施的實施,有效增加地表粗糙度,使空氣中的粉塵物質降落在地表,從而導致粉沙含量增加。

從各類沙丘的地貌部位上看,粒徑級配差異較大。首先,橫向沙丘和灌叢沙丘的背風坡細沙和極細沙含量均高于迎風坡,中沙和粗沙含量相反,除中沙外其余粒級的沙粒變化較小。這種不同粒級沙粒的變化,一方面反映了近地層氣流的變化過程,另一方面反映了地表沉積物的輸送過程：迎風坡發生風蝕,造成較粗粒徑的沙物質含量增加,在背風坡處由于風速降低,細顆粒物質沉降,所以細顆粒物質含量可能增加。其次,人工固定沙丘不同部位沉積物含量變化幅度較高,中沙含量在迎風坡腳、頂部和背風坡中部有三次峰值；極細沙含量在各類沙丘的頂部都偏低,其余粒級的沙粒含量較低,且各地貌位置上差異不大。同樣,不同深度物質組成也有差異。從不同深度來看,在沙丘中表層中沙含量均低于下層,而在對比林中下層細沙含量遠高于其他粒級含量；灌叢橫向沙丘的各深度極細沙含量相似,而橫向沙丘和人工固定沙丘表層含量高于下層；其余差異較小。由此可以看出,人工固沙防護措施實行后,沙丘黏土含量增加,加快了表層土壤成土過程,同時土壤養分增加,較好的起到固沙和成土作用。

表1 不同類型沙丘不同深度的粒配組成

2.1.2眾數特征

圖3為不同沙丘粒度頻率曲線,由圖可以看出,橫向沙丘和灌叢沙丘沙粒表面多表現為單峰,峰值粒徑介于0.88—3.51φ；對比林出現明顯雙峰,峰值粒徑分別為-0.31-0.92(φ)、1.21—2.98(φ)；人工固定沙丘較為特殊,在各個地貌位置都出現三峰,眾數分別介于0.75—3.89(φ)、4.42—5.88(φ)和7.68—9.50(φ)之間,說明人工固定沙丘沙粒明顯變小,再次證明人工固沙措施能夠加速沙丘表層成土過程。與此同時,各類沙丘頂部峰值頻率最高,其次是背風坡處,迎風坡峰值所占頻率最低,表明迎風坡風蝕作用仍然較強,風沙危害嚴重,需要進一步實施防風固沙措施。

圖3 典型沙丘形態的粒度頻率曲線特征Fig.3 Grain size frequency curves for typical dunes

2.1.3粒度參數特征

沉積物的粒度分布模式可以通過平均粒徑和分選系數來反映,而頻率曲線的對稱性與尖窄程度可以使用偏度和峰度來表現[19]。從不同類型沙丘不同位置、不同深度沉積物平均粒徑來看(圖4),各類沙丘沉積物的平均粒徑介于極細沙到細沙之間1.89—2.93(φ),但對比林為中沙1.40(φ)。分選性較好至中等0.40—1.61(φ)；偏度值總體呈近對稱和偏正分布；峰度以中等為主(0.93—1.64)。

圖4 不同類型沙丘、不同地貌部位和不同深度的粒度參數Fig.4 The particle size parameter of various types of dunes and at different geomorphological positions and at different depth

從不同沙丘類型來看,對比林平均粒徑值最小(1.34(φ)),沙粒最粗；人工固定沙丘平均粒徑值稍大(2.45(φ)),其余沙丘在迎風坡相差不大,但在背風坡有明顯差異。不同地貌部位,人工固定沙丘各項參數變化最大,灌叢沙丘變化最小。橫向沙丘和人工固定沙丘的背風坡比迎風坡細,頂部沙粒偏粗,人工固定沙丘頂部風蝕坑位置最細(1.87(φ)),迎風坡和背風坡沙粒沿主風向逐漸變細；灌叢沙丘沙粒隨風向逐漸變細,但是頂部風蝕坑處同樣相對偏粗(2.18(φ))。從分選系數可以看出,人工固定沙丘沿主風向方向逐漸變差,其余沙丘頂部偏好,迎、背風坡相差不大；橫向沙丘和灌叢沙丘各個地貌位置的偏度和峰度值相差不大(圖4),但在人工固定沙丘頂部風蝕坑處高值顯著,且背風坡大于迎風坡。沉積物各項參數的表層差異均大于下層,頂部差異在下層并不顯著。由于人工固沙形成的沙丘的背風坡的表層和下層分選型均變劣,表明固沙后背風坡的風速降低較其他沙丘更加明顯,從而各粒徑沉積物在此混合聚集。

2.1.4粒度參數關系

在粒度分析中,研究者們通常用粒度參數之間的關系來反映不同沙丘類型的物質分選差異[4]。人工固定沙丘表面沉積物的分選性隨著粒徑變細而好,同前文圖4一致,橫向沙丘沉積物的分選性是隨著沙粒變細而變差,而灌叢沙丘的參數關系比較離散(表2,圖5)。橫向沙丘迎風坡和人工固定沙丘的背風坡沉積物分選性隨著沙粒變細明顯變好。人工固定沙丘的迎、背風坡的偏度與平均粒徑都具有正相關關系。在峰度與平均粒徑之間,人工固定沙丘迎風坡表現出正相關關系。但是,其他沙丘類型的各個地貌位置參數之間無明顯變化規律。

表2 不同類型沙丘分選系數與平均粒徑之間的關系

圖5 粒度參數之間的關系Fig.5 Relationship between grain size parameters

2.2 養分特征

2.2.1養分空間分布格局

沙丘表層養分含量低,無法發育成土壤,但受人為因素和地形的影響,沙丘表層也容易形成土壤生物物理結皮。其由活的有機物及其代謝物組成,是土壤顆粒與有機物緊密結合形成的一種殼狀體。土壤結皮內部的微環境能夠為養分貧瘠的生態系統提供豐富的養分物質,尤其是有效氮、有效磷、有效鉀和有機質,是土壤肥力中最活躍的因素,也是生態發展中最重要的限制因子之。所以,沙丘表層養分的空間分布格局與結皮分布密切相關。

由圖6可知,人工固定沙丘有效氮含量最高(平均1.11 g/kg),其次是對比林(平均0.63 g/kg),橫向沙丘(平均0.25 g/kg),灌叢橫向沙丘最低(平均0.22 g/kg)。但是,在不同地貌位置上,人工固定沙丘迎風坡有效氮含量相似,背風坡明顯增多。橫向沙丘迎風坡有效氮含量雖然低于灌叢橫向沙丘,但是在背風坡上橫向沙丘的有效氮含量異常升高。各類型沙丘有效磷含量除對比林最高外其余差距不大(圖6),尤其是在迎風坡十分相近。但在人工固定沙丘上可以看出含量明顯增加,在橫向沙丘的背風坡上也有增加,而灌叢橫向沙丘的背風坡含量呈下降趨勢。從有效鉀含量來看(圖6),也是對比林最高(59.57 g/kg),其次是人工固定沙丘(55.2 g/kg)、橫線沙丘(20.79 g/kg)和灌叢橫向沙丘(18.1 g/kg)。各類沙丘頂部的有效鉀含量均偏低,在兩坡上,人工固定沙丘的有效鉀含量在迎風坡高于背風坡,灌叢橫向沙丘背風坡高于迎風坡,而橫向沙丘近乎持平。由圖6d可見,不同類型沙丘有機質含量均小于6g/kg。根據全國第二次土壤普查肥力狀況分級標準[20],研究區有機質含量較低(6級)。具體來看,人工固定沙丘有機質含量最高(平均0.12 g/kg),其次是灌叢橫向沙丘(平均0.76 g/kg),橫向沙丘(平均0.59 g/kg),最后公路旁的對比林(平均0.03 g/kg)。就不同沙丘部位土壤有機質含量而言,各類沙丘背風坡有機質均優于迎風坡,頂部適中。不同類型沙丘沙土和結皮的 pH 值為7.27—8.47,偏堿性。人工固沙使得土壤有機質含量增加,土壤肥力保持能力加強,有利于土壤結皮的發育從而影響荒漠植物種子的散布、萌發和生長。

圖6 不同類型沙丘、不同地貌部位的土壤養分分布Fig.6 Soil nutrients content of various types of dunes and at different geomorphological positions

2.2.2粒度與養分的關系

沉積物顆粒組成的改變是土壤微生物量及養分變化的主要驅動因子[21]。從相關性分析可以看出(表3),不同類型沙丘的養分因子含量與粒度之間存在明顯差異。橫向沙丘中,有效氮、磷和有機質與中沙、粗沙含量存在明顯負相關關系,與極細沙含量存在較強正相關關系；有效鉀與中沙和粗砂含量存在明顯正相關關系,與極細沙和細沙含量存在負相關關系。灌叢橫向沙丘中,有效鉀與極細沙和細沙含量具有明顯正相關性,與中沙和粗沙含量存在負相關關系；其余相關性不明顯,正負均有。人工固定沙丘中,有效氮與粉沙黏土和極細沙含量呈顯著正相關,與中沙含量呈顯著負相關；有效磷與粗粉沙含量呈顯著正相關關系,與細沙和中沙含量呈負相關關系；有效鉀與極細沙和細沙含量呈相關關系,與其他均為負相關關系；有機質含量影響較小。綜上可以看出,人工固定沙丘各部位養分含量較流動沙丘更高,養分含量與細粒物質大多呈正相關關系。研究區地區粉沙物質含量的增加對土壤養分的增加貢獻明顯,是沙土質量提高的主要因素。

表3 土壤養分與粒度組成的相關性

“*”表示顯著相關(P< 0.05),“**”表示極顯著相關(P< 0.01)

3 討論

我國干旱沙漠區面積廣闊,生態環境脆弱,長期遭受風沙危害。騰格里沙漠位于我國中部,有豐富的光能資源,在此鋪設了大面積光伏發電板,修建了貫穿南北的沙漠公路。但是,強勁的風力作用和大面積的沙源使得風沙危害防治十分關鍵。尼龍網沙障作為一種常用的機械防沙工程措施,具有疏透、通風和導沙等優良性質[23]。造價相對低廉,可工業化生產并快速投放應用,起到立竿見影的效果[24],在風沙區使用較多。沙丘表面沉積物粒度和養分的空間分布特征反映了沙丘表面風沙活動的空間差異。研究區為低風能環境,所以風沙活動相對較弱,同時近地層氣流的變異為背風坡養分的積累提供條件。沙丘背風坡及沙障后更易堆積養分從而生長植被,所以除對比林外,灌叢沙丘和人工固定沙丘背風坡植被蓋度相對較大,人工固定沙丘養分含量最高。隨著沙障的實施,地表粗糙度增加[25],更能降低地表風速,減緩風蝕作用,沙丘高度增加緩慢,且背風坡長度約為迎風坡3倍長。受沙障影響,人工固定沙丘近地層氣流速度降低,導致人工固定沙丘表面沉積物粒配組成出現差異。其中,人工固定沙丘粒級分配更加均勻,粉沙物質和養分較流動沙丘更多,形成生物結皮,促進植被生長,同時攔截降水[26],降低風蝕和水蝕作用[27],固定養分,形成降低風沙災害-土壤養分增加-植被生長的良性循環過程。因此,人工固沙措施有效地改善了沙丘淺層沙土質量,提高了沙土肥力,對該區域沙漠生態系統改善及生態環境保護具有重要的意義。

4 結論

(1)人工固定沙丘與自然流動沙丘在不同部位和不同深度粒度特征存在差異。人工防沙沙障對沙丘表面沉積物粒度分布具有明顯的影響,促進成土過程。

(2) 人工固沙作用的沙丘和其結皮的形成與發育有效提高了土壤 0—2 cm 有效氮、有效磷、有效鉀及有機質的含量,有利于土壤物理結皮的形成和植物生長,對恢復土壤養分起著關鍵作用。

(3) 隨著沉積物粒徑變細,人工固定沙丘養分含量逐漸增加,土壤養分受粒徑影響顯著。其中,極細砂、粗粉沙、粉沙黏土與有效氮以及粗粉沙與有效磷之間呈顯著正相關關系。