绿洲-荒漠过渡带是生态脆弱带，是沙漠和绿洲2大生态系统间物质、能量和信息转换传递的敏感区域^[1]。腾格里沙漠东南缘的绿洲-荒漠过渡带位于中国西北内陆干旱区，由于自然环境和长期的人类活动，土地退化现象严重，使得其成为干旱区荒漠化发生最频繁的地带^[2]。防治荒漠化的方法主要包括机械措施、化学措施和生物措施(植物措施)，其中植物措施是风沙灾害防治中最直接、最根本和最有效的措施。然而在干旱风沙区，受气候和水分条件的限制，植被覆盖度、高度、形状等难以在短期内达到抵御风沙危害所需要的理想指标，因此，选择适宜某一区域生长的沙生灌木类型是很有必要的^[3]。近年来，主要通过风洞试验、数值模拟和野外短时间试验等方式对植被的防风固沙效益进行研究，但耗时耗力、测试条件苛刻^[4]。研究内容集中在降低风速、近地面沙尘通量、植被盖度、植被配置方式、植被结构特征、造林密度等方面^[5]。在干旱风沙区，风沙沉积物的粒径分布既是影响地表风蚀、搬运、堆积过程的重要因素，也是近地表风力通过地表蚀积作用分选的结果^[6]，因此对植被下沉积物粒度特征的研究能很好地反映植被的防风固沙效益。对于干旱区植被下沉积物粒度特征的研究集中在宁夏中部干旱带荒漠草原、河西走廊、浑善达克沙地、乌兰布和沙漠^[7-10]等地区，但在腾格里沙漠绿洲-荒漠过渡带的研究较少。且地表植被对风沙沉积物粒度的空间分布影响很大，有研究表明细物质积累的最大值出现在白刺(Nitraria tangutorum)灌丛的迎风侧附近，沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)样地则相反，出现在灌丛的背风侧附近^[11]。基于此，笔者通过分析灌木林下沉积物的粒度组成、参数及其空间分布特征，探究绿洲-荒漠过渡带内不同沙生灌木林对地表风沙活动的作用规律，以期为研究区防风固沙植被物种的筛选提供一定的科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区阿拉善左旗巴彦浩特镇格林滩(E 105°44′，N 38°43′)(图 1)，地处腾格里沙漠东南缘，北临巴彦浩特，南靠银川市，西邻腾格里沙漠，东接贺兰山及宁夏分水岭。属温带干旱荒漠区，典型的大陆性气候，境内多风沙天气，以西北风为主，日照充足，蒸发强烈。降水多集中于5—9月，多年平均降雨量80~220 mm，蒸发量2 900~3 300 mm，日照时间3 316 h，适合发展沙生植物资源，年平均气温7.2 ℃，无霜期120~180 d。主要有灰漠土、半固定风沙土和流动风沙土。该区域植被稀疏、种类稀少、结构简单，多为旱生、超旱生和盐生灌木、半灌木，如白刺、梭梭(Haloxylon ammodendron)、花棒(Hedysarum scoparium)、沙蒿(Artemisia desertorum)、柠条(Caragana korshinskii)等。

2 研究方法 2.1 样品采集

在无风日(2018年10月)选择该地区单独的、周围无其他植株生长影响的沙蒿、白刺、梭梭和花棒等4种典型灌木周围的土壤为研究对象(图 2)，进行样品采集(表 1)。以灌木根部为原点，50和100 cm为半径画圆，因该地区为西北主风向，选择在根部和圆周上东北、东南、西南、西北方向各采集表层0~5 cm的风沙沉积物作为研究样品(图 3)，并装入铝盒中，进行编号，每个沙生灌木林下采集9个样品。选择3个形态结构相同或相近的同种沙生灌木进行采样，即同种沙生灌木有27个样品。4种典型灌木共108个样品，带回实验室处理。取样时测得植株的株高、冠幅和单株投影盖度。均取平均值进行结果分析。

2.2 粒度测定

将样品自然风干后，筛除枯落物等杂质，用双氧水和稀盐酸分别去除样品中的有机质和碳酸钙，加入六偏磷酸钠作为分散剂，震荡后采用Mastersizer 3000型激光粒度分析仪进行土壤粒度的测定，其中分散装置采用大容量湿式样品分散装置Hydro LV，测量范围为0.01~3 500.00 μm，精确度高于0.6%，每个样品重复测量3次后取算术平均值。

2.3 粒度参数计算

粒径分级标准依据美国制：砾石(≥2 000 μm)、极粗沙(1 000~ < 2 000 μm)、粗沙(500~ < 1 000 μm)、中沙(250~ < 500 μm)、细沙(100~ < 250 μm)、极细沙(50~ < 100 μm)、粉粒(2~ < 50 μm)和黏粒(< 2 μm)。测量结果采用Krumbein等^[12]提出的算法将土壤颗粒累积体积分数对应的颗粒直径进行对数转化为利于计算的Φ值(式(1))。Folk等^[13]提出的图解法公式计算粒度参数：

平均粒径(M_z)、分选系数(δ)、峰度(KG)和偏度(SK)。粒度参数分级标准如表 2所示。计算公式如下：

$ \mathit{\Phi } = - {\log _2}d; $

(1)

$ {M_{\rm{z}}} = \frac{{{\mathit{\Phi }_{16}} + {\mathit{\Phi }_{50}} + {\mathit{\Phi }_{84}}}}{3}; $

(2)

$ \delta = \frac{{{\mathit{\Phi }_{84}} - {\mathit{\Phi }_{16}}}}{4} + \frac{{{\mathit{\Phi }_{95}} - {\mathit{\Phi }_5}}}{{6.6}}; $

(3)

$ {\rm{K}}G = \frac{{{\mathit{\Phi }_{95}} - {\mathit{\Phi }_5}}}{{2.44 \times \left( {{\mathit{\Phi }_{75}} - {\mathit{\Phi }_{25}}} \right)}}; $

(4)

$ {\rm{SK}} = \frac{{{\mathit{\Phi }_{84}} + {\mathit{\Phi }_{16}} - 2 \times {\mathit{\Phi }_{50}}}}{{2 \times \left( {{\mathit{\Phi }_{84}} - {\mathit{\Phi }_{16}}} \right)}} + \frac{{{\mathit{\Phi }_{95}} + {\mathit{\Phi }_5} - 2 \times {\mathit{\Phi }_{50}}}}{{2 \times \left( {{\mathit{\Phi }_{95}} - {\mathit{\Phi }_5}} \right)}}。$

(5)

式中：d为土壤颗粒直径，mm；Φ₅、Φ₁₆、Φ₂₅、Φ₅₀、Φ₇₅、Φ₈₄和Φ₉₅分别为粒度累积曲线上体积分数为5、16、25、50、75、84和95所对应的Φ值。

2.4 数据处理

采用Excel 2017、SPSS 13.0、ArcGIS和Origin 8.5对实验数据进行整理和绘图。利用Surfer 8.0软件按照克里金空间插值法作粒度组成和粒度参数的空间分布图，横、纵坐标为水平距离(cm)，以坐标原点为灌木根部，(50, 50)和(100，100)代表东北方向距离灌木根部50和100 cm处，等值线越密集，含量差异越大，反之越小；颜色愈深，含量愈低，反之越高。

3 结果与分析 3.1 沉积物粒度组成

由沙生灌木林下表层沉积物的粒度组成可知(图 4)，沙蒿、白刺、梭梭和花棒下沉积物粒度均以中沙为主，分别占总颗粒组成的48.24%、45.32%、54.69%和52.79%；细沙和粗沙分别占总颗粒组成的28.68%和19.19%、29.49%和18.77%、12.99%和31.17%、21.12%和23.99%；极细沙和粉粒的体积分数不足10%；均无黏粒和砾石成分。粗沙和中沙体积分数表现为梭梭下最高，白刺下最低，极细沙、细沙和粉粒体积分数正好相反。梭梭较其他3种灌木林下沉积物颗粒粗化，白刺下沉积物颗粒最细。沙蒿和白刺下沉积物粒级体积分数变化相同，为中沙>细沙>粗沙>极细沙>粉粒；花棒和梭梭下沉积物粒级体积分数变化相同，表现为中沙>粗沙>细沙>极细沙>粉粒。

距灌木根部距离不同，同种灌木林下沉积物的粒级体积分数也不同。沙蒿下沉积物的粗沙和中沙体积分数从根部向外围呈先减少后增加的趋势，细沙和极细沙体积分数先增加后减少，而粉粒体积分数逐渐增加。白刺下沉积物在50和100 cm处粒级级配和各粒级体积分数相同，且粉粒体积分数较其他3种灌木高。梭梭下从根部向外围沉积物的粗沙和中沙体积分数呈增加趋势，细沙和极细沙体积分数先增后减。花棒下沉积物粗沙和中沙的体积分数在50 cm处最高，而细沙和极细沙体积分数在50 cm处最低。对于沉积物中的粗沙和中沙体积分数，在根部为梭梭>沙蒿>花棒>白刺，在50 cm处为花棒>梭梭>白刺>沙蒿，在100 cm处为梭梭>花棒>白刺>沙蒿，细沙体积分数均相反。由此可见，地表沉积物粒级的不同除与灌木种类有关外，也与距离有一定的关系。

3.2 沉积物粒度参数特征

由绿洲-荒漠过渡带内4种灌木林下风沙沉积物的粒度参数(图 5)可知，平均粒径均属

于中沙范围，颗粒由细到粗依次为白刺(1.85Φ)、沙蒿(11.77Φ)、花棒(1.60Φ)和梭梭(1.44Φ)。沉积物的颗粒大小从根部到外围表现为：沙蒿和梭梭下先细后粗，且根部颗粒比其他灌丛粗化；白刺下沉积物颗粒变化不明显；花棒下由细变粗，50 cm处颗粒最粗(1.47Φ)，100 cm处颗粒最细(1.69Φ)。分选系数范围为0.56~0.82，分选性由好到差依次为：梭梭、花棒、沙蒿、白刺，说明白刺下沉积物中外来颗粒较多。沉积物分选性从根部到外围的变化为：沙蒿下变差；花棒下先变好后变差；梭梭和白刺下先变差后变好。偏度均表现为负偏(-0.22~-0.10)，表明沉积物中粗颗粒含量较多。偏度从根部到外围的变化为：沙蒿和花棒下先增后减，梭梭和白刺下沉积物则相反。峰度为中等峰, 平均峰度值1.02±0.08，因4种沙生灌木林下沉积物均以中沙为主，且分布较为集中，峰态表现一致。峰度从根部到外围的变化为：沙蒿下呈减小趋势，花棒下与之相反，梭梭和白刺下呈先增后减趋势。

3.3 空间分布 3.3.1 沉积物粒度组成空间分布特征

4种灌木下的3种类型(粗沙、中沙、细沙+极细沙+粉粒)粒级的等值线分布(图 6)表明，在空间上大致呈以西北-东南为轴的对称分布。沙蒿下沉积物粗沙和中沙体积分数由灌木根部向外围减少，西南方向最低，细沙+极细沙+粉粒体积分数反之。白刺下沉积物粗沙体积分数西北方向最低；中沙体积分数在西北方向最低，东南方向最高；细沙+极细沙+粉粒含量与中沙体积分数相反。梭梭下沉积物粗沙体积分数在西北方向最高，东南方向最低；中沙体积分数从根部向外围减少，东南方向最低；细沙+极细沙+粉粒体积分数东南方向最高，西北方向最低。花棒下沉积物的粗沙体积分数在东北方向最低，中沙体积分数在东南方向最高，细沙+极细沙+粉粒体积分数在东北方向最高，西南方向最低。白刺下3种类型粒级各组分体积分数在空间上差异最小，白刺和梭梭下沉积物的细沙+极细沙+粉粒体积分数等值线呈东北-西南方向平行分布，在垂直于西北风向的灌木两侧形成相同体积分数的细颗粒累积。由上可知，4种灌木林下沉积物的中沙体积分数均在东南方向较高。梭梭和花棒下沉积物的粗沙和中沙体积分数高于沙蒿和白刺，而细沙+极细沙+粉粒体积分数低于沙蒿和白刺。粗沙与细沙+极细沙+粉粒体积分数在空间分布上呈现互补趋势。细颗粒物质主要在沙蒿下西南方向、白刺下西北方向、梭梭下东南方向、花棒下东北方向累积。

3.3.2 沉积物粒度参数空间分布特征

由沉积物粒度参数空间分布特征(图 7)可知，白刺下沉积物的平均粒径值最大，颗粒最细，其次为沙蒿、花棒、梭梭。白刺下沉积物颗粒差异最小，平行于东北-西南方向分布。当风沙从西北方向经过灌木时，空中细颗粒首先被阻挡沉降，在灌木前堆积，而地表的沙粒由于枝叶的阻挡不易起沙，沙蒿和白刺枝条结构紧密，而梭梭和花棒为疏透结构，沙蒿冠部距离地面很近(0~10 cm)，但白刺在地面上生长，且枝条较沙蒿茂密，因此西北方向上与其他3种灌木相比，白刺下沉积物颗粒最细。4种灌木下沉积物的分选性由好到差依次为梭梭、花棒、沙蒿、白刺, 各方向上沉积物颗粒的分选性表现为：沙蒿和白刺灌木下东南方向最好，梭梭下西北方向最好，东南方向最差，花棒下西南方向最好，东南方向最差。峰度均表现为以东北-西南为对称轴对称分布，沙蒿、白刺、梭梭、花棒下沉积物的峰度值自西南向东北分别呈先增后减、递减、先增后减、先减后增的变化趋势，分别在西南、根部、西北、西南方向上最大，且沙蒿下沉积物的偏度值最大，白刺下最小，说明平均粒径与中值粒径的相对位置相差最大。

3.4 植株形态与沉积物粒度空间分布的相关性

由表 3可知，空间上任一处平均粒径均与平均株高呈负相关(P < 0.05)，其中西南100 cm处与株高呈显著负相关(P < 0.05)，相关系数为-0.976，其次为东北50 cm处和西北100 cm处，除东北100 cm处和东南100 cm处外其他位置跟株高的相关系数|r|均大于0.6，表明植株越高，沉积物颗粒越大。平均单株投影盖度呈正相关，且在西北100 cm处呈显著正相关(P < 0.05)。

4 讨论 4.1 沙生灌木林影响表土沉积物粒度组成机理

沙蒿和白刺分枝较多且枝条密集, 株高分别为50和35 cm，植株相对贴近地面生长, 表现为紧密结构；花棒和梭梭基部有明显的主干，距离地面有10~30 cm的空隙，分枝数量较少且比较分散, 单株投影盖度低于沙蒿和白刺，为疏透结构^[11]，气流穿过花棒和梭梭时消耗的能量较少，因此沙蒿和白刺下沉积物粒级体积分数变化相同；花棒和梭梭下沉积物粒级体积分数变化相同。与周景山等^[9]研究结果相同。

4.2 沙生灌木林影响下的表土沉积物粒度空间分布特征

有研究表明灌木林下沉积物的粒度组成和粒度参数的空间差异是由灌木自身植株高度、冠幅和盖度等造成的^[11]。植株株高和冠幅与拦沙面积呈显著正相关^[14]，地表沉积物细组分体积分数与株高、冠幅及分枝数呈正相关^[4]，随着植被盖度的增加，植被的固沙阻沙能力增高、土壤平均粒径变细^[15]，本研究中沉积物的平均粒径与株高呈负相关，与单株投影盖度呈正相关，与已有研究结果相同。

植被可以抬升气流、改变地表粗糙度、改变风速和削弱风沙流的携沙能力^[11]，本研究中沙蒿和白刺为紧密结构, 植株相对较低且盖度较大，能够拦截上风向空气中较多的细沙粒, 使得细颗粒在西北、西南方向堆积；花棒和梭梭为疏透结构，分枝数量少且分散，植株较高且盖度较小，会在背风侧形成较大的弱风区, 且植被同时防止了灌丛沙堆细颗粒遭受风蚀, 导致花棒和梭梭下分别在东南(下风向)和东北方向较大范围内细颗粒物质的富集。

同种灌木林下距离根部越远，遭到风蚀的影响就越大，土壤粗颗粒含量就越多^[16]。但在本研究中，白刺下沉积物在50和100 cm处粒级级配和体积分数相同，平均粒径从根部到外围无变化。据王淮亮等^[11]和杨婷婷等^[17]的研究发现白刺灌丛防风效应的防护距离为其高度的6~7倍，灌丛周边地表高度可蚀颗粒的水平空间异质性尺度为8.41 m, 约为灌丛堆高度的6.4倍。因此，认为本研究中从根部到100 cm处仍位于白刺灌木的防护距离中。

4.3 干旱风沙区防风阻沙林木的优选

众多学者已经对干旱风沙区防风阻沙林木的优选进行了研究，并发现白刺、沙蒿、油蒿(Artemisia ordosica)等紧密结构型灌木比梭梭、花棒、柠条等疏透结构型灌木的防风阻沙效果强。王继和等^[18]研究发现油蒿的防风阻沙效果最强，后为沙蒿、柠条，花棒最差。民勤荒漠区白刺的固沙效果比梭梭、沙蒿和膜果麻黄(Ephedra przewalskii)强^[19]，本研究结果与前人研究相同，白刺作为研究区的主要沙生灌木，其固沙和保土能力高于其他沙生灌木，且灌丛生长属集中连片簇生，防护范围较沙蒿、梭梭、花棒大，可以作为研究区内的优良固沙灌木。

5 结论

1) 4种灌木林下风沙沉积物组成均以中沙为主，粗沙和细沙次之，粉粒最少，不含有黏粒和砾石成分。沙蒿和白刺下沉积物粒级体积分数变化相同，为中沙>细沙>粗沙>极细沙>粉粒；花棒和梭梭下沉积物粒级体积分数变化相同，表现为中沙>粗沙>细沙>极细沙>粉粒。

2) 细颗粒在沙蒿林下西南方向、白刺林下西北方向、梭梭林下东南方向、花棒林下东北方向累积。在西北方向上，白刺下沉积物颗粒比其他3种灌木林下沉积物颗粒细。

3) 沉积物的平均粒径范围为1.39Φ~1.88Φ，白刺林下沉积物平均粒径的空间差异最小，与其他3种灌木相比颗粒变细；白刺林下沉积物分选性为中等，其他3种灌木林下沉积物分选性为较好，沙蒿和白刺灌木林下东南方向、梭梭下西北方向、花棒下西南方向沉积物颗粒的分选性优于其他方向；4种灌木林下沉积物颗粒均为负偏；峰度均为中等峰。

4) 沉积物平均粒径在4种灌木的西南100 cm处与株高呈显著负相关(P < 0.05)，在西北100 cm处与盖度呈显著正相关(P < 0.05)。