不同規格可降解沙障鋪設5年后土壤粒度及有機質特征

崔 健, 黨曉宏, 汪 季, 張 超, 李婉嬌, 靳靈娜

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010018)

PLA沙障是一種新型的可降解沙障。對于它的研究目前主要涉及到防風固沙效益、降解性能、鋪設方式等方面。黨曉宏等[1]通過對比PLA沙障和麥草沙障后發現，PLA沙障防風效能顯著大于麥草沙障。在PLA沙障降解性能方面，風沙吹蝕活動是影響PLA沙障材料降解的主要因素[2-4]。PLA沙障影響近地表風速的同時，進而影響沙丘表層土壤理化性質，目前針對PLA沙障內土壤粒度特征方面的研究，黨曉宏等[5]對PLA沙障障內0—11 cm的土壤采樣并試驗，結果發現鋪設PLA沙障后表層土壤粒徑增大，坡頂處土壤粒徑變化最大，表層土壤粒徑變化最大；丁延龍等[6]通過研究發現鋪設PLA沙障后表層土壤出現粗粒化現象。PLA沙障使用壽命一般在8～10 a，前人只是對剛鋪設后或鋪設1～2 a后障格內的土壤粒度進行了研究，而鋪設5 a后的土壤粒度呈現一種什么樣的特征，目前還尚未明確。同時在鋪設5 a以后，隨著風沙活動沙物質沉積、搬運、再沉積、再搬運這一循環的過程中，對于有機質是否發生積累或者流失還沒有明確研究，與土壤粒度存在一種怎樣的關系到目前為止也尚未清晰。

基于此，本文以庫布齊沙漠東南緣鋪設5 a后的PLA沙障為研究對象，以未鋪設PLA沙障的裸沙丘為對照，通過分析不同規格PLA沙障障格內表層沉積物粒度及有機質含量，明晰鋪設5 a后不同規格PLA沙障內土壤理化性質如何變化，對土壤粒度和有機質特征進行深入分析的同時對二者相關性進行分析，探究二者存在一種怎樣的聯系，根據最后得出的結論為區域土壤質量評價與管理以及風蝕防治提供基礎數據和科學依據。

1 研究區概況

研究區位于庫布齊沙漠東南緣，地理坐標106°55′16″—109°16′08″E，39°22′22″—40°52′47″N，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均降水311.8 mm，全年盛行西風和西北風，年平均風速2.8 m/s，土壤類型主要有栗鈣土、棕鈣土和灰漠土；天然植被以沙生植物為主，主要有沙拐棗(Calligonumarborescens)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

選取庫布齊沙漠東南緣鋪設5 a的PLA沙障作為研究對象，以未鋪設PLA沙障的流動沙丘作為對照，于2020年7月采用5點取樣法，分別采集3種規格PLA沙障(0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m)、裸沙丘4種樣地、3個坡位(迎風坡底、坡中、坡頂)0—3 cm近地表土樣，每種規格內各個坡位設置3個障格為1組重復,重復取樣3次，將所取土樣裝入塑封袋帶回實驗室進行后處理。

將所有土樣去除根系和枯落物等雜質后過2 mm篩，加體積分數為30%的H2O2去除土壤中的有機質；加體積分數為10%的HCL溶液煮沸去除土壤中的碳酸鹽；加去離子水稀釋并靜置12 h，去除上清液，并反復進行稀釋，直至pH值為6.5～7.0；加六偏磷酸鈉，在超聲波環境下進行30 s處理，用激光粒度儀測量土壤粒徑的體積分數此試驗土壤粒徑分級標準采用美國制分級標準[7]。有機質含量將待測土壤過0.15 mm篩后采用常規的重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定[8]。

2.2 粒度參數

采用伍登-溫德華粒級標準，根據克魯賓對數轉化法，分別將先前輸出的各土壤顆粒累積體積分數對應的顆粒直徑進行轉換，有利于計算Φ值[9]，見公式(1)。

Φ=-L=-log2D

(1)

通過克倫拜因和福克計算累計頻率曲線圖上累計百分含量5%，10%，16%，25%，50%，75%，84%，95%所對應粒度對數值Φ5，Φ16，Φ25，Φ50，Φ75，Φ84，Φ95，據此計算粒度特征參數[9]，見公式(2)—(6)。

平均粒徑(d0)反映沙物質粒度平均狀況的參數，d0越大，表示細粒物質越多。計算公式為：

(2)

標準偏差(σ0)反映沙物質粒徑分布的分散程度，σ0越小，顆粒越均勻，粒徑分配的分散程度就越小。根據取值范圍劃分7個分選級別(從集中至分散)：分選極好(σ0≤0.35)、分選好(0.35<σ0≤0.50)、分選較好(0.50<σ0≤0.71)、分選中等(0.71<σ0≤1.00)、分選較差(1.00<σ0≤2.00)、分選差(2.00<σ0≤4.00)、分選極差(σ0>4.00)。計算公式為：

(3)

偏度(S0)反映了沙物質粒度粗細分配的對稱性，根據取值范圍分5個偏度等級，從細粒物質占比大過渡到粗粒物質占比較大：極負偏度(-1.0≤S0≤-0.3)、負偏度(-0.3

(4)

峰態值(K0)反映顆粒粒度的集中程度，根據取值范圍分6個峰度等級，從比較分散過渡到比較集中：很寬平(K0≤0.67)、寬平(0.673.00)

(5)

2.3 數據處理與分析

采用Excel 2010進行前期的數據統計和處理工作，運用Origin 2019b和IBM SPSS Statistics 25軟件對不同規格的PLA沙障障格內表層沉積物粒度組成及有機質含量進行單因素方差分析(One-way ANOVO)，采用最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗，置信區間為95%。

3 結果與分析

3.1 不同規格PLA沙障表層沉積物極配特征

由表1可以看出，土壤顆粒組成主要以細砂和粗砂為主。首先，裸沙丘土壤顆粒以細砂和中砂為主，黏粒和粉砂含量很少接近0，細砂含量為33.95%～41.85%，中砂含量為34.41%～39.83%。3種規格沙障障格內土壤顆粒變化情況相比于裸沙丘均表現為細砂、中砂含量降低，中砂含量依次為0.02%～0.56%，0.1%～1.23%，0.37%～3.78%，細砂含量為10.50%～23.39%，18.83%～31.73%，13.28%～41.17%，細砂含量隨著鋪設規格的增加而增加；粗砂和極粗砂含量隨著鋪設規格的增加而減少，粗砂含量分別為33.71%～44.91%，25.50%～36.42%，17.53%～42.88%；極粗砂含量依次為35.72%～38.93%，30.21%～35.61%，28.31%～38.24%。其次，每種障格內不同坡位土壤顆粒含量也存在一定差異，3種規格沙障內坡頂處細砂含量均為最高依次為23.39%，31.73%，41.17%，且在1 m×1 m和2 m×2 m規格障格內細砂含量均呈現出坡頂>坡底>坡中的規律，坡中粗砂和極粗砂含量均表現為最高，粗砂含量依次為44.91%，36.42%和42.88%，極粗砂含量依次為38.93%，35.61%，38.24%。

表1 不同規格PLA沙障表層沉積機械組成 %

3.2 不同規格PLA沙障沉積物頻率分布曲線

從圖1可以看出，4種樣地3個坡位的土壤顆粒頻率分布曲線總體走向一致，但個別存在一定的差異。3種規格PLA沙障內和裸沙丘沉積物顆粒頻率分布曲線均為多峰型曲線，3種規格分布曲線在<100 μm，100～1 000 μm和>1 000 μm這3種范圍內均出現波峰。3種坡位的顆粒頻率分布曲線圖中在10 μm附近均有明顯的凸起，且土壤體積百分含量均高于裸沙丘，由表1可知，在此范圍內是由于黏粒和粉砂含量增加；在100～1 000 μm范圍內，3種坡位均呈現出障格內土壤顆粒粒徑相比裸沙丘土壤顆粒粒徑都具有明顯減小的趨勢，但其含量卻存在一定的差異，圖1A和圖1B中3種障格內土壤體積百分含量顯著低于裸沙丘土壤體積百分含量，在坡底土壤體積百分含量由高到低依次為2 m×2 m>1 m×1 m>0.5 m×0.5 m，在坡中3種障格內表現為1 m×1 m土壤體積百分含量最高，其余2種規格土壤體積百分含量基本一致無明顯差異，但在圖1C中3種障格內土壤體積百分含量與裸沙丘土壤體積百分含量并無差異；在>1 000 μm范圍內土壤體積百分含量變化明顯，處于3種坡位內不同規格障格中土壤體積百分含量均顯著高于裸沙丘土壤體積百分含量，且在此范圍內0.5 m×0.5 m規格的土壤體積百分含量均為最多且高于其余2種規格。

圖1 PLA沙障內表層土壤顆粒頻率分布曲線

累積頻率分布曲線能反映土壤顆粒的分布情況，通常曲線越陡，顆粒分布越均勻。圖2粒徑<100 μm時，沙障規格越小，障格內土壤顆粒分布越均勻，由圖2C可以看出，位于坡頂時土壤顆粒累積情況發生明顯的變化，隨著沙障規格的增加障格內土壤顆粒分布越均勻，土壤分布均勻程度由高到低依次為2 m×2 m，1 m×1 m，0.5 m×0.5 m，CK；當粒徑>100 μm時，3種規格內土壤顆粒累積分布均低于裸沙丘，相反，在坡底和坡中是1 m×1 m規格內土壤顆粒分布最均勻，在坡頂2 m×2 m規格內土壤顆粒分布最均勻，在3種坡位中0.5 m×0.5 m規格內土壤顆粒分布情況是最差的。

圖2 PLA沙障內表層土壤顆粒累積頻率曲線

3.3 不同規格PLA沙障沉積物粒度參數

按Folk-Ward圖解法的劃分標準，CK表層沉積物平均粒徑為1.293～1.458 Φ，均值為1.402 Φ，0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m平均粒徑為0.474～0.881 Φ，0.745～2.028 Φ，0.613～1.451 Φ，均值分別為0.707 Φ，1.197 Φ，0.971 Φ；裸沙丘沉積物分選系數為0.96～1.047，均值為0.990，0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m規格沙障內沉積物分選系數分別為1.096～2.194，1.868～3.131，1.227～2.121，均值分別為1.697，2.310，1.835；裸沙丘沉積物偏度-0.404～-0.293，均值為-0.363，為負偏度。0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m規格障內沉積物偏度分別為0.769～0.871，0.819～0.884，0.016～0.841，均值分別為0.825，0.849，0.549，裸沙丘表層沉積物峰態值為0.810～1.273，均值為1.072，顆粒集中程度為中等。0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m規格障格內沉積物峰態分別為1.025～1.424，1.195～1.358，1.344～1.384；均值分別為1.205，1.288，1.364。

由圖3可知，3種規格PLA沙障內表層土壤平均粒徑均顯著低于裸沙丘土壤平均粒徑，僅坡頂2 m×2 m和坡底1m×1m規格內土壤平均粒徑高于裸沙丘；在坡底和坡中位置3種規格分選性都高于裸沙丘，且都呈現出1 m×1 m規格內分選性最高；偏度則表現出均高于裸沙丘，且在坡底和坡中處3種規格偏度變化情況基本保持一致，無明顯的起伏變化，坡頂出現較大的差異；峰態在坡中呈現劇烈波動的現象，在坡底處0.5 m×0.5 m規格內峰態顯著高于其余2種規格，且1 m×1 m， 2 m×2 m規格與裸沙丘相比沒有明顯變化，在坡中處0.5 m×0.5 m規格均顯著低于其余2種規格及裸沙丘，在坡頂處3種規格均顯著高于裸沙丘，2 m×2 m規格峰態最高。

注：MZ表示平均粒徑；σ表示標準偏差；SK表示偏度值；Kg表示峰態值。

3.4 土壤有機質特征

研究區土壤有機質的測試分析結果(表2)顯示，3種規格PLA沙障內表層土壤有機質含量為0.7～1.14 g/kg。0.5 m×0.5 m規格內呈現出坡底(1.05 g/kg)>坡中(0.78 g/kg)>坡頂(0.75 g/kg)，其中，坡底和坡頂有機質含量均有顯著差異；1 m×1 m規格內呈現出坡底(1.14 g/kg)>坡中(0.77 g/kg)>坡頂(0.7 g/kg)且坡頂與坡底、坡中與坡底有機質含量均具有顯著差異；2 m×2 m規格內呈現出坡底(1.04 g/kg)>坡中(0.75 g/kg)>坡頂(0.73 g/kg)，其中，坡頂與坡底、坡中與坡底均具有顯著差異；CK各坡位呈現出坡頂(0.92 g/kg)>坡中(0.85 g/kg)>坡底(0.8 g/kg)且有機質含量均無顯著差異。由此可見，整體上4種不同類型PLA沙障的表層土壤有機質含量表現出1 m×1 m>0.5 m×0.5 m>CK>2 m×2 m的規律。

3.5 土壤粒度組分與有機質的相關性

從表3可以看出，不同規格PLA沙障表層土壤有機質與土壤粒級含量的相關性有著顯著差異。其中，0.5 m×0.5 m規格PLA沙障內有機質與極細砂相關系數為0.966，呈現顯著正相關關系，與中砂相關系數為-0.877，呈現顯著負相關；1 m×1 m規格PLA沙障內有機質與極細砂相關系數為0.999，呈現顯著正相關，與中砂相關系數為-0.98，呈現顯著負相關；2 m×2 m規格PLA沙障內有機質與極細砂相關系數為0.975，呈現顯著正相關，與中砂相關系數為-0.707，呈現顯著負相關。由此可知，研究區中極細砂和中砂是3種規格PLA沙障內表層土壤有機質積累與否的關鍵粒級。

表2 不同規格PLA沙障表層土壤有機質含量

表3 不同規格PLA沙障表層土壤有機質與粒度組分的相關性

4 討 論

4.1 不同規格PLA沙障防沙效果

分析PLA沙障鋪設后表層沉積物易蝕顆粒的變化可有助于細化PLA沙障阻滯風沙流效果，從圖4可以看出，3種規格PLA沙障在不同坡位下均表現為細砂和中砂含量相較裸沙丘減少，粗砂含量較裸沙丘升高，粉砂和黏粒含量較裸沙丘升高。鋪設5 a后的PLA沙障土壤粒徑均有增大趨勢，0.5 m×0.5 m規格沙障由于在鋪設時設計鋪設的規格較小，在鋪設5 a后易蝕顆粒幾乎被完全風蝕，細砂和中砂含量遠低于裸沙，粗砂和極粗砂含量遠高于裸沙，大部分的障體已經完全被風沙所掩埋，導致0.5 m×0.5 m規格的沙障防護效益大大降低，這與屈建軍等[10]的研究結果發現0.5 m×0.5 m規格沙障障體很快被沙埋后失去防護作用結論相一致。沙丘各部位的1 m×1 m規格PLA沙障內極細砂、細砂含量均降低，而粗砂和極粗砂顆粒相較于裸沙丘含量均升高；通過分析可知，鋪設沙障后，沙障能改變地表粗糙度，使近地表風速降低，當飽和風沙流在遇到沙障后，由于沙障的阻擋導致其風速降低，同時在障格內形成小范圍紊流，從而造成風沙流攜砂能力降低，導致質量較大的砂礫在沿著主風向繼續向上運動過程中動能減小從而掉落于障格內，由于風沙流要繼續向上運動，而此時的風沙流結構變為不飽和風沙流，沿著主風向的過程中攜帶走障格內細小砂礫，此時的沙障內部以風蝕為主。2 m×2 m規格沙障通過實地觀測發現由于障格面積過大并且鋪設時間過長，部分障體受到風力作用障體發生扭曲，防護功能大大降低。風沙流由坡底向上運動到坡中的過程中，部分障體受到破壞阻擋作用降低，攜帶走大量的細小物質，所以使其障格內細砂含量降低，粗砂和極粗砂含量相較于裸沙丘含量升高，而此時風沙流要繼續向上運動，粗砂繼續掉落，風沙流趨于不飽和，當風沙流到達坡頂時發生蝕積轉換，中砂物質被風蝕，雖然土壤粒徑整體變粗，但細砂含量卻有所增加。綜上所述，0.5 m×0.5 m規格防護效果最差，1 m×1 m規格防護效果次之，2 m×2 m規格雖然較1 m×1 m規格能夠阻攔更多細粒物質，但由于部分障體受損，防護功能有所下降。因此，對于本研究區域1 m×1 m規格防護效益最佳，這與丁延龍等[6]研究發現2 m×2 m規格防護效果最佳結果略有不同。

4.2 不同規格PLA沙障對土壤粒度特征的影響機制

在PLA沙障障格內，細砂和中砂屬于障格內的易蝕顆粒，受風沙活動影響程度較大。鋪設5 a后0.5 m×0.5 m障格內細砂含量為45.15%，易蝕顆粒相較裸沙含量低，其原因是單一障格障體所能承受的積沙量較少，因此極易容易被沙埋，而在實際布設并觀察后發現阻沙作用可能會有所降低，有些沙障甚至會失去阻沙作用[11]。1 m×1 m和2 m×2 m規格沙障內細砂含量分別為75.8%，80.66%，這兩種規格障格內都有不同面積的侵蝕，但兩者易蝕顆粒含量大致相同，由此可以看出，2種規格沙障對風沙流結構中沙粒攔截效果基本相同，且能控制過境飽和風沙流中大部分易蝕顆粒不被帶走；從其分選系數上看，在鋪設PLA沙障5 a后，3種規格障格內土壤顆粒分選性均變差，PLA沙障部分障體防護功能可能受到削弱，障格內顆粒分布不均勻，大量易蝕顆粒被風吹蝕，而使得大量的粗砂粒留在障格內；在風沙流中，0～10 cm高度內的沙礫約占整體的75%[12]，在這一高度下，粒徑在2.32～2.74 Φ里的沙礫極易被風吹蝕[13]，但本研究樣地里裸沙丘平均粒徑為1.402 Φ，遠大于0～10 cm高度內沙礫粒徑。從土壤頻率分布曲線圖來看，3種規格PLA沙障每個坡位內土壤顆粒粒徑均比裸沙地的顆粒粒徑要細但是含量卻遠低于裸沙地，從分選系數上看，在鋪設5 a后每種規格PLA沙障障格內分選性都變差，偏度變大。

圖4 PLA沙障表層沉積物顆粒與裸沙丘差值曲線

4.3 不同規格PLA沙障粒級組分與有機質分析

土壤粒度和有機質含量是構成土壤綜合體的重要組成部分，二者含量的多寡直接影響著土壤理化性質和結構的穩定性；同時，粒度組分與有機質存在著相互關聯性，在我國西北沙質荒漠化地區，通常黏粒含量較多的土壤，其有機質含量也相對較高；而有機質含量較高的土壤，其物理性質和結構也相對穩定[14]；土壤有機質易與細顆粒結合形成有機-無機復合體，而且一旦與有機質結合便難以被微生物分解而且極易發生積累[15]。因此，不同規格PLA沙障鋪設5 a后其土壤組分也存在差異，而有機質隨著土壤組成的變化隨之變化；研究區不同規格PLA沙障表層土壤粒度組成中粒級含量的變化情況大致變現為：鋪設沙障前土壤粒級主要以細砂和中砂為主，隨著鋪設PLA沙障5 a后土壤粒級主要表現為細砂和粗砂為主。土壤有機質能改善土壤的物理和化學性質，有機質含量的增加，能提高土粒間微結構的膠結力和土壤結構體間的抵抗離散力，從而增加土壤的抗風蝕能力[16]。一般而言，土壤細顆粒對有機質的吸附和有機質的積累起著關鍵作用，二者存在著關聯性，但不同地類的土壤粒度組成與有機質的相關性也存在差異。首先，研究區3種規格PLA沙障內表層土壤有機質表現為1 m×1 m>0.5 m×0.5 m>CK>2 m×2 m這與土壤沉積物顆粒分布曲線變化情況大致相同，雖然細砂含量相較于CK出現降低現象，但在PLA沙障內土壤粒級表現出明顯變小的狀態，這與有機質含量變化情況基本保持一致。從而不同規格PLA沙障內有機質含量與極細砂呈現顯著正相關關系，與中砂呈現顯著負相關關系。這與楊梅煥等[17]對毛烏素沙地東南緣榆陽區、靖邊、橫山等地土壤表層(0—5 cm)粒度與有機質含量關系分析得出的黏粒含量與有機質存在顯著相關性結果有所不同。

5 結 論

(1) 研究區不同規格PLA沙障內表層土壤粒度組分及參數特征存在顯著差異。PLA沙障內主要以細砂和粗砂為主，細砂含量分別為2 m×2 m(80.66%)>1 m×1 m(75.8%)>0.5 m×0.5 m(45.15%)，每種規格坡頂處細砂含量最高分別為23.39%，31.73%，41.17%，坡中粗砂含量最高分別為44.91%，36.42%，42.88%。

(2) 研究區障格內土壤分選性均變差，峰態偏離正態分布，沉積物顆粒頻率分布曲線部分波段變窄，表層顆粒出現細粒化。

(3) 研究區不同規格PLA沙障內表層土壤有機質含量存在顯著差異。整體上表現出1 m×1 m>0.5 m×0.5 m>CK>2 m×2 m的規律，3種規格PLA沙障內有機質含量均與極細砂含量呈現顯著正相關，相關系數依次為0.996，0.999，0.975，與中砂呈現顯著負相關，相關系數依次為-0.877，-0.980，-0.707；且極細砂和中砂是有機質積累的關鍵粒級。