-沙柳方格沙障对土壤粒度特征的影响

沙柳方格沙障对土壤粒度特征的影响结论研究目的意义研究内容与方法结果与分析讨论45荒漠化是制约区域生态环境与经济可持续发展的主要因子，是当前全球广泛关注的重大环境问题之一。风沙活动是沙漠环境的重要特征，是干旱、半干旱及亚湿润干旱地区土地荒漠化的一种表现形式。多年来我国治沙实践的经验表明，沙障是流沙上恢复植被的重要先导措施和必要条件，可固定流沙表面风沙活动，拦截外来风沙流，改善沙地表面环境，在植被恢复过程中起着积极作用。粒度是反应沉积物颗粒组成大小的一项参数,是沉积物中物质颗粒最主要结构特征,研究其表层沉积物粒度特征,可判断表层沉积物形成时的沉积环境与水动力条件。1、目的与意义对于沙丘沙粒度特征的研究大部分是对流动沙丘在自然状态下采样分析的结果，沙丘表面设置沙障后，气流与沙粒流动受到影响，其粒度特征也必然有异于流动沙丘，但关于沙柳沙障对沙丘沙粒度特征影响的研究尚未见报道。为此，本文分析了库布齐沙漠穿沙公路两侧设置不同年限沙柳沙障的沙丘与流动沙丘的沙物质粒度特征，以期揭示沙障与沙物质粒度特征的互馈机制，为沙柳沙障对沙丘微生境变化与植被恢复的研究提供依据。1、目的与意义2.1研究内容2、研究内容与方法不同设障年限沙丘土壤机械组成差异1不同设障年限沙丘各层粒度参数的变化2不同设障年限沙丘粒度参数的变化3研究区位于库布齐沙漠北部独贵塔拉镇至乌兰加巴沟的穿沙公路两侧。区内沙漠广布，试验沙丘高度为9～10m，迎风坡坡度为17～20°，背风坡坡度为33～34°，沙丘走向为北偏西15°左右。研究区属典型温带大陆性气候，年均温度6.1℃，年均降水量286.3mm，年均风速4.4m/s，最大风速24.0m/s，年大风日数15～48d/a，主导风为WNW风，次主风为SES，沙丘由西北向东南呈往复摆动式前进。2.2研究方法2.2.1、研究区概况研究区Googleearth地图采用空间替代时间的方法，选取沙丘高度、坡度、走向等沙丘属性基本相同的流动沙丘和设置不同年限沙柳方格沙障的新月形沙丘为试验沙丘。2.2.2样地选择每类沙丘选取3个典型沙丘作为样地，共9个样地，每个样地在进行各项调查时至少选取3个重复。3个类型沙丘为：未设沙障的流动沙丘、设障2a沙障的沙丘、设障7a的沙丘。在选取的各类试验沙丘，沿垂直沙丘脊线的中线和与中线等距离（10m）的2条边线上，分别在丘间低地、迎风坡底部、中部、中上部、顶部和背风坡中部、底部7个部位，各选取一个沙障方格作取样方格，用剖面法分层采集0～5cm（表层）、5～10cm（下层）的土样，取样体积10cm×10cm×5cm。2.2.3土壤取样BAC风向将所取沙样装入取样袋带回室内风干，剔除样品内植物残体后，分别将各试验沙丘3条样线上对应部位的重复样品混合均匀。采用LS13320激光粒度分析仪进行粒径分析，每个混合样品测定3次，得到任意两粒径之间的体积百分含量。2.3.4土样的处理及测定2.3.5数据处理试验中机械组成颗粒粒径依据美国制（USDA）标准划分为砂粒（0.05－2mm）、粉粒（0.002－0.05mm）和粘粒（＜0.002mm）三级，对沙粒进一步划分为极粗砂（1－2mm）、粗砂（0.5－1mm）、中砂（0.25－0.5mm）、细砂（0.1－0.25mm）和极细砂（0.05－0.1mm）5个粒级。粒径采用克鲁宾将伍德—温特华斯的粒级划分转化为φ值，MZ(平均粒径)、δ(分选系数)、SK(偏度)、Kg(峰态)等粒度特征参数均采用FolkandWard(1957)公式计算[20]，计算公式如下：所有数据采用SPSS18.0软件进行统计分析。3845016zM6.645951684)(22)(22595509551684508416SK)(44.22575595gK3结果与分析3.1不同设障年限沙丘土壤机械组成差异L0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)M0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)B0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)L5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)M5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)B5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)细砂、中砂是库布齐沙漠沙机械组成的主体部分，粘粒、粉粒、极细砂和粗砂的含量很少，总体占总量的4.16～8.79%。随着沙障的设置，中砂、极细砂含量均明显增加，呈现中部减而两头增的趋势；而且设障年限越久，各粒级的含量也越大；B沙丘中砂含量为L沙丘的1.6倍，极细砂含量分别为L沙丘2.0倍;粉粒和粘粒含量分别是L沙丘的3.1倍和1.2倍。从垂直层次上看，流动沙丘表层除粘粒、细砂含量略低于下层外，其余粒级的平均含量均呈现表层高于下层的变化规律。M沙丘细砂含量变化同L沙丘，表层、下层的粉砂和粘粒含量相近，极细砂、中砂和粗砂含量则表现为表层高于下层。B沙丘除细砂、中砂含量表现为表层低于下层外，其余粒级的平均含量均为表层＞下层。L0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)M0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)B0-5cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)L5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)M5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)B5-10cm020406080-10123.34.38.9Φ百分含量(%)就沙丘各部位而言，丘间低地粘粒含量最高，表层最高为1%，下层为0.82%；粘粒含量由丘间低地沿迎风坡至沙丘顶部递减，至丘顶最低为0.43%，且表层与下层间差异不显著。由沙丘顶部至背风坡底部，三类沙丘粘粒、粉粒含量较低且变化趋于一致，均在0.5%左右，差异不显著。中、粗砂含量呈现由迎风坡脚向丘顶渐增，由沙丘顶部至背风坡脚先减小后增大的趋势。细砂含量则由丘间低地经迎风坡脚向背风坡底部呈减少趋势。0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.01234567123456712345671234567粘粒粉粒极细砂粗砂含量(%)LMB0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.012345671234567细沙中砂含量（%）LMB3.2不同设障年限沙丘各层粒度参数的变化由表1可知，三类沙丘表层与下层的平均粒径Mz、分选系数σ、偏度SK、峰态Kg的差异性变化一致，表现为L与M差异不显著，二者均与B差异显著；表层、下层的Mz和SK呈现B＞L＞M，σ和Kg则为B＞M＞L。3.2.1各沙丘上、下层粒度参数的变化⑴平均粒径：三类沙丘的平均粒径整体上以B最细，M最粗。⑵分选系数：B沙丘因设障时间长，受沙障的影响更为明显，障内粘粒、极细砂、中砂和粗砂含量均有不同程度的堆积，使得各粒径呈分散分布，分选系数明显增大，分选性较L、M变差，表层与下层分别表现为分选中等和较好。⑶偏度：根据偏度划分标准，L与M沙丘表层偏度为近对称分布，B沙丘则呈正偏分布，表明其粒径集中于粗端部分，这是因为障内中砂含量增多，曲线向粗粒方向集中。三类沙丘下层的偏度均呈近对称正态分布，表明粒径集中于细砂与中砂组，而且粉砂、粘粒含量与粗砂含量相近。⑷峰态：上下层差异均不显著，随着设障设置年限的增加，Kg逐渐增大，峰态尖窄程度趋于增大，这是由于沙障内中砂、粉砂与粘粒的积累增加所致。因而，Kg的大小不仅取决于细砂含量，也与中砂、极细砂、粉砂和粘粒含量相关。3.2.2设障沙丘不同部位粒度参数的变化⑴平均粒径：L、M沙丘表层和下层各部位表层各部位差异显著，而下层差异不明显。在各部位的变化规律呈现由丘间低地、迎风坡坡底向坡中部变细，由坡中部向顶部渐粗的趋势，并以迎风坡中部沙粒粒径最细；而在背风坡则呈现由细变粗的趋势，至背风坡脚达到最粗。B沙丘表层较下层粒径偏细，表层在各部位差异显著，下层差异不显著。B在迎、背风坡各部位的表现均与L、M沙丘不同，迎风坡呈现由底部至丘顶粒径由细变粗的趋势，但下层粒径最粗的部位出现在坡中部与中上部；背风坡粒径变化与迎风坡相反，且表层由丘顶至背风坡脚呈渐粗之势，而下层则呈渐细之态。⑵分选系数：L、M表层和下层的分选系数σ为0.355～0.551和0.379～0.554，属分选好至分选较好范围，两层间的分选差异不显著；各部位整体表现为丘顶分选最好，丘间低地、背风坡脚分选最差，且分选程度由沙丘两侧向丘顶分选由差变好，这与粒径的变化趋势相吻合。B表层与下层的分选系数差异显著，表层的分选等级由丘间低地的分选差向丘顶的分选较好渐变，丘间低地与迎风坡中部分选最差，由丘顶至背风坡脚均表现为分选较好。下层由丘顶向背风坡的分选程度变化与表层一致，但迎风坡从丘间低地向丘顶的变化则表现为由较好至中等再到较好的变化趋势，沙丘中部与中上部分选中等。⑶偏度：L、M沙丘不同层次各部位的偏度均为近对称的正态分布，沙粒的粒径分布相对集中于细砂，粘粒、粉砂与粗砂含量相当；沙丘上、下层间偏度差异不显著，但各部位之间差异显著，且呈现由沙丘两侧底部至丘顶偏度变大的规律，丘顶的偏度最大。B沙丘各部位的偏度明显增大，且主要表现为正偏，即沙粒粒径众数偏向粗粒级，这从该沙丘机械组成直方图中可以看出。表层除沙丘中部与背风坡脚为近对称分布外，其余各部位均为正偏；下层在丘间低地、迎风坡脚和坡中上部为近对称分布，迎风坡中部为负偏，从丘顶至背风坡脚均为正偏。表层各部位的偏度差异不明显，下层差异显著。⑷峰态：L、M峰态由沙丘两侧至丘顶逐渐变宽，丘顶峰值最小，峰态最宽，丘间低地和背风坡中部峰态最窄。B表层与下两层各部位峰值差异不显著，均为尖窄。整体上，与L、M沙丘相比，B沙丘由于设障年限更长，各种粒级的沙粒均有不同程度的堆积，尽管其中砂含量增加，但B沙丘各部位的平均粒径显著变细，沙粒组分变得更为分散，分选变差，峰值变大。4讨论⑴自然状态下，风蚀在迎风坡坡度最陡部位最为强烈，跃移质细颗粒组分随着侵蚀作用的加强而损失，使粒径变粗；而沉积则在丘顶附近的背风侧最大，跃移质细颗粒伴随堆积作用而积累，沙粒粒径变细。流动沙丘丘顶与背风坡中部沙物质的分选性变好与此相关，前者因风蚀沙粒粗化而分选变好，后者则因堆积细粒物质而分选变好。⑵流动沙丘设置沙障后，由于沙柳方格沙障的存在，降低了沙丘表层的风速状况，改变了沙丘表面的风力分布与风沙流的正常搬运路径，往往造成障前、障后的流沙堆积和沙障中部的风蚀。这种堆积不仅拦截了跃移质，而且也拦截了蠕移质，因而沙粒的堆积呈现粒级的多样化。对于M沙丘，因沙障处于新设状态，沙障中部仍处于强烈风蚀状态，沙障对流动沙物质，特别是障内蠕移质与跃移质等粗粒物质的拦截较强，对细粒物质的拦截较弱，因而导致该类沙丘的平均粒径较流动沙丘变粗，偏度近于正态分布，分选变好，峰态为单峰尖窄的态势。⑶B沙丘不仅有沙障的拦截与固沙功能的发挥，而且障内恢复的植被也参与到各粒级沙物质的阻截过程，因而使得障内不仅中砂比例较流沙增大，而且极细砂、粉砂与粘粒的比例也相应增大，最终使得沙粒平均粒径变细，但因各级粒径在增大趋势上呈分散态势，因而其分选变差，由分选好变为差、中等或较好，偏度多数呈正偏，峰态单一呈尖窄，且较L与M沙丘的峰态更尖窄。整体上，沙障的存在改变了沙丘表面的蚀积格局，因而也改变了沙丘表面沉积物的粒度分布形式。⑷各地沙丘表面粒度分布模式主要有两种：一种是由两侧坡脚到丘顶粒径变细，分选变好；另一种是由丘底到丘顶粒径变粗，分选变好。本研究M沙丘的粒径在迎风坡与背风坡均呈由粗至细再变粗的渐变趋势，但分选表现为从沙丘两侧到丘顶变好；B沙丘的粒径在表层表现为由迎风坡脚向丘顶变粗，由背风坡脚至丘顶变细的变化趋势，但分选性呈渐变之势。这些变化特征均异于已有的沙丘表面粒度特征，这一变化显然与沙障改