民勤沙区沙丘丘间地不同类型土壤粒度分布特征研究

万 翔，刘淑娟，袁宏波，刘虎俊

(甘肃省治沙研究所&甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州730070)

随着时代的进步，时间的推移，环境恶化问题已经慢慢进入人心，各个国家都意识到环境问题对各国的可持续性发展和生存的重要性，特别是现在的自然环境开始频繁的发生恶化现象，不论是天气异常，还是水土流失等多种现象，无不让人担心。而关于土地荒漠化的话题，成为了重要的生态问题之一[1]。虽然现在国内土地荒漠化的治理情况慢慢变好，但是绝大多数的情况依然严峻[2]，主要因为人工治理赶不上自然恶化的速度。而土地荒漠化最根本的原因就是在于土壤的肥力开始消失了，质地开始变化了，其中的原因不只是有人为干扰的因素，大自然的自然变化的因素也不可小嘘。在此基础上，土壤质地的好坏又是一大重要的信息，土壤的存在为人类，动物，微生物，植物等多种有生命活动迹象的提供了重要的作用。土壤是各种不一样的形状大小颗粒拼凑而成的多孔物质，而土地是否退化的最有力的依据就是土壤颗粒的大小有没有改变到一定的程度[3-4]。土壤颗粒含量分布影响着土壤分形维数，并且植被类型和地形等因素也会对土壤分形维数产生一定的影响。分形维数可以很直接的展现出土壤颗粒的分布特征和分布规律，还可以显现出土壤的质地的平均程度[5]。土壤粒径的分形维数D还可以非常好地展现出土壤的结构还有土壤的现处的性状特征，另一个方面上，土壤颗粒的分形维数D和沙区地区的荒漠化土壤中的有机质含量的多少等多种重要的数值有着很密切的关系，在一定的程度上来说。土壤颗粒的分形维数D的数值还会跟随着荒漠化程度的变化而发生改变，在一般的情况下，两者的关系会呈现出反比关系，荒漠化程度越大的时候，土壤颗粒的分形维数D反而就会越小[6-8]。因此组成土壤结构单位的土壤颗粒在很大的程度上可以直接或者间接的反映出荒漠地区或者沙漠地区里面的植被生长状况，分布的特征，或者可以了解到土壤本身性质上发生了什么变化。这对于我们致力于治理土地荒漠化有很重要的研究意义。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

本文以处于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠交汇的石羊河下游甘肃民勤沙区的丘间地和沙坡土层里的土壤颗粒大小为研究对象，这个地方的颗粒单位作为本次研究的研究材料。

1.2 实验方法

采用土壤剖面取样法。

1）实验设计。设计三个不同的样地采样，并且三个样地的主要研究区域数量不同试验：

在植被调查的同时，在对应样方选取土壤特征调查及采样点。由于沙区地表浅层土壤受风沙活动影响明显，也是植物定居的关键层次，同时，土壤的理化特征对丘间地水分运移、植物种子萌发具有重要影响，因此，对应植被调查样地，每个样方选择土壤取样点一处，根据不同深度的土壤颗粒采样，以无人为干扰的样地类型作为样地一所选择的丘间地数量为三个，土层颗粒样本按土层深度0～5cm，5～20cm，20～40cm取样，每处样本取三组，以人工种植梭梭林的样地类型作为样地二选择的丘间地数量为两个，以退耕地的样地类型作为样地三所选择的丘间地数量为一个。以三个样地的对比实验来说明不同区域的丘间地与土壤粒度分布的相互作用及影响。另外，在这个基础上，还对上面所描述的作用、影响增添了对照对比说明的参照组，这四个区域的参照组能够结合上面的主要实验组的分析结果来更准确更具有说服力的说明分析的结论。而这四个区域的参照实验组分别在前沙迎风坡、前沙背风坡、后沙迎风坡、后沙背风坡。

2）实验步骤。（1）首先在我们选定的研究区域划分不同区域类型，我们可以使用带有鲜艳的具有明显特点的线来进行分割试验区域，然后做好标记，对划分区域进行包围，最后对划分包围的区域进行样地和小区域的编排序列实验号。（2）选中了大的研究区域后，我们可以对每个区域的样地取样的时候选择三个区域作为我们主要的三个对照组，每个样地的区域再按小区域来分割每个取样地，然后我们可以把这小区域分别划分为前沙迎风坡、前沙迎风坡、丘间地、后沙迎风坡、后沙背风坡，区域划分好后，就可以进行下一步实验的步骤。（3）在每个样地的区域选择土壤取样点一处，然后采用经常用到的剖面取样法来取样土，在土层的深度我们把所取土层深度定为40cm深，而分级按0～5cm、5～20m和20～40cm三个深度分层采样，每层的样品取三组，然后保留样品完整度，带回实验室用相关的仪器分析相关的结果。（4）对每个样地的每个区域所采集的不同深度的土壤颗粒，进行颗粒的粒径度大小进行分类，按照 0.01～2（粘粒），2～20（粉粒），20～200（细砂粒），200～2000（粗砂粒）的标准，记录每个样地选择的不同采样区域中不同深度的土壤颗粒大小进行归类。

3）数据处理与分析。土壤粒径可以使用Coulter LS23.激光粒度仪测量，而粒度的分级分类使用的是美国制[15]。再然后通过将不同样地划分的不同区域所采集的不同深度的土壤颗粒样品的数据大小输入到Excel里面，按土壤颗粒的划分，采集样地区域，划分区域，土层深度，不同编号等一一进行分类整理。

本文采用：D=3-K这个公式可以算出每组颗粒粒径的分形维数。式中：D为分型维数，K为lg[（mi直径小于di的累积质量（g））/（m0土壤样品总质量（g））]/lg[（di两相邻粒级 di与 di+1间土粒平均直径（mm））/dmax最大粒级土粒平均直径（mm）]并将二者进行线性拟合，分析求得斜率K[16]。数据结果用Excel和SPASS相互结合使用可以处理出来。

2 结果与分析

2.1 不同区域及其不同土层深度土壤粒径的分布

从无人为干扰的类型、人工种植梭梭林的类型、退耕地的类型三个样地类型见表1～3，三个表中可以看出，在前沙迎风坡、前沙背风坡、后沙迎风坡、后沙背风坡、丘间地这几个区域中，土壤颗粒大小在 0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）两个颗粒范围内的含沙量要比20～200μm（细砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）这两种粒径范围内的含沙量要低很多，从而可以确定在这一片研究的区域内，它主要的组成物质的直径大小是细砂粒和粗砂粒。因此，在这个研究的地方，这两种砂粒所占百分比比例也很高。而在不同的土层深度中，处于 0～5cm、5～20cm、20～40cm 的土层深度中，前沙迎风坡、前沙背风坡、后沙迎风坡、后沙背风坡、丘间地这五个区域的四个土壤粒径范围中的0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）两个粒径范围里的土壤含量百分比依旧占的很小，而这五个区域里 20～200μm（细砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）两种粒径大小的土壤颗粒所占含量百分比的平均值基本在50%左右，或者大于50%。说明在处于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠交汇的石羊河下游甘肃民勤沙区里[14]，粗砂粒和细砂粒，两种直径大小的颗粒所占百分比例最多。

表1 样地一中不同区域不同土层深度土壤粒径分布及其分形维数

表2 样地二中不同区域不同土层深度土壤粒径分布及其分形维数

表3 样地三中不同区域不同土层深度土壤粒径分布及其分形维数

从以上三个表的每个表中按 0～5cm、5～20cm、20～40cm的土层深度分析土壤粒径百分比含量，在0.01～2μm（粘粒）、2～20μm（粉粒）、20～200μm（细砂粒）这三个粒径范围内，土壤颗粒百分含量大小是按0～5cm＞5～20cm＜20～40cm这么排序的，说明在土层深度为5～20cm的粘粒、粉粒、细砂粒的含量最少，而在土层深度为0～5cm、20～40cm的粘粒、粉粒、细砂粒的含量相对比较多；但在200～2000μm（粗砂粒）粒径范围内，土壤颗粒百分比含量大小是按 0～5cm＜5～20cm＞20～40cm 这么排序的，说明土层深度为5～20cm的粗砂粒含量最多。

2.2 不同区域以及不同深度的土壤颗粒分形维数的特征

土壤颗粒的粒径分布是表现土壤物理性质的主要参数之一，土粒径分布可以表现出土壤明显的分形特征，土壤质地越粗，它就越难形成优良的结构[10]；土壤质地越细，可以形成的微小孔隙度也就越多，结构也就更为复杂，随之它的分形维数也越高[9-13]。

从表4、5、6的数据来看，分析可以得出：三个样地中，土深为0～5cm的D的大小先增加、后减小、再增加。而深度在5～20cm、20～40cm的范围内却是先增大、后减小、再不变、最后再增加，整体趋势先上升再下降，再趋于平缓，最后再上升。综合分析得出，前沙背风坡和靠近丘间地的区域、后沙迎风坡和靠近丘间地区域的这两个地方更利于形成土壤颗粒结构更为复杂，微小孔隙度越多的优质颗粒。

表4 样地一不同的土壤颗粒粒径分布与分形维数D的相关关系

表5 样地二 不同的土壤颗粒粒径分布与分形维数D的相关关系

表6 样地三 不同的土壤颗粒粒径分布与分形维数D的相关关系

从土壤分形维数的计算可以知道，分形维数和土壤粒径大小的百分含量有联系[5-6]。通过线性和数据分析，综合分析表4、表5、表6可以得出：在土层深度为0～5cm的粉粒和粗砂粒两组粒径的量所占百分比比例和分形维数呈负相关关系，剩下两种粒径的量所占百分比比例和分形维数成正相关；在土层深度为5～20cm、20～40cm的粘粒、粉粒和分形维数呈负相关性，粗细砂粒和分形维数呈正相关性。换个说法可以这么讲，在0～5cm时，这个颗粒的粒径的分形维数越大，粉粒和粗砂粒的百分含量所占百分比例就越少；在5～20cm、20～40cm时，分形维数数值越小，粘粒和粉粒的百分含量所占百分比例就越高，如图1所示。

图1 为不同土层深度与分形维数的关系

从图1中可以看得出：在不同的土层深度里，土层深度为0～5cm的三个样地中，分形维数相差比较大，而在土层深度为5～20cm、20～40cm的三个样地中，分形维数相差不是很大。所以表明土壤里颗粒分形维数是反映土壤质地粗细的一个很好的指标系数[10]。在 5～20cm、20～40cm 土层中，各个土壤颗粒大小分布比较集中，而在0～5cm土层中各个颗粒土壤大小分布比较分散，我们可以通过这个结果的，又一次的验证了在本文中前面的内容说到的，这个研究的地方的砂粒或者土壤颗粒分布的百分比比例高的是细的和粗的砂粒，就是颗粒直径和前几组直径大小划分的直径小的颗粒相比较数量多的、直径大的砂粒。

3 讨论

1）研究区域中沙粒粒径的分布主要是以20～200μm（细砂粒）、200～2000μm（粗砂粒）的砂粒为主，其次为2～20μm（粉粒），剩下的颗粒的百分比含量的所占比例是最低的。

2）在我们所选择的研究区域的三个样地中，当改变土层深度，慢慢向下增加深度大小的时候，四种不同的颗粒大小的砂粒种类的分布密集度也跟着深度的增加而增多。

3）土壤颗粒的粒径分布是表现土壤物理性质的主要参数之一，土粒径分布可以表现出土壤明显的分形特征，土壤质地越粗，它就越难形成优良的结构[10]；土壤质地越细，可以形成的微小孔隙度也就越多，结构也就更为复杂，随之它的分形维数也越高[9-13]。在土层深度为0～5cm的粉粒和粗砂粒两组粒径的量所占百分比比例和分形维数呈负相关关系，粘粒、细砂粒两种粒径的量所占百分比比例和分形维数成正相关；在土层深度为 5～20cm、20～40cm的粘粒、粉粒和分形维数呈负相关性，粗细砂粒和分形维数呈正相关性。换个说法可以这么讲，在0～5cm时，这个颗粒的粒径的分形维数越大，粉粒和粗砂粒的百分含量所占百分比例就越少；在5～20cm、20～40cm时，分形维数数值越小，粘粒和粉粒的百分含量所占百分比例就越高。