青藏铁路沿线风成沉积物的物理化学性质

《International Soil and Water Conservation Research》：Aeolian sediments physicochemical properties along the Qinghai–Tibet Railway

青藏铁路沿线风沙沉积物的粒径特征、土壤养分及盐分关系研究表明，不同地形（沙漠、荒漠化草地、戈壁）下沉积物粒径分布差异显著，荒漠化草地稳定性最高（平均粒径3.83Φ），戈壁波动性最大。土壤有机质（SOM）以荒漠化草地最高（1.41 g/kg），氮（TN）变异系数达133.1%，磷（TP）、钾（TK）普遍缺乏。相关性分析显示，沙地表层和戈壁中土壤养分受粒径（细颗粒）和盐分（TSC）主导，荒漠化草地则受植被间接调控。研究为优化防沙工程和高原铁路生态修复提供了依据。

　　青藏铁路沿线的风沙活动频繁且复杂，导致铁路沿线大量风沙沉积物的形成。为了深入研究这些沉积物的物理化学特性，本文结合了青藏铁路沿线三种典型地貌类型的风沙沉积物样本和历史气象数据，旨在揭示区域风沙动态、沉积物属性及其相互作用机制。研究发现，风沙活动主要集中在乌兰乌苏至那曲段，该区域的年平均风速达到5.4米/秒。沉积物的特征在不同地貌类型之间存在显著差异：沙漠化草地表现出最高的稳定性，其平均粒径为3.83 Φ；而沙面和戈壁则显示出更大的变异性。土壤有机质含量最高的是沙漠化草地，达到1.41克/千克。然而，铁路沿线的土壤养分表现出高度的空间异质性，例如沙面的总氮含量变异系数高达133.1%。磷和钾在整体上表现出缺乏，例如沙面沉积物的总磷含量仅在0.22至0.68克/千克之间，这可能阻碍生态修复。总氮被识别为一个重要的养分参数。总体来看，土壤盐分显著影响了土壤养分的分布，但沙漠化草地的养分相互作用更为强烈。冗余分析揭示了主导土壤养分的主要因素：在沙面上，细颗粒是主要影响因子；而在沙漠化草地和戈壁样本中，总盐分含量占主导地位，解释了超过70%的变化。在沙漠化草地上，养分模式是通过植被间接形成的，而在戈壁中则受到盐分、地形和沉积物来源的影响。这些发现为设计和优化青藏铁路沿线的风沙防护系统提供了坚实的基础，并为高原铁路走廊的生态修复提供了指导。

青藏铁路全长1956公里，从青海省会西宁到西藏自治区首府拉萨，是世界上最高和最长的高原铁路。自建成以来，该铁路面临着严重的风沙危害。风沙对铁路的威胁主要依赖于三个因素：气候条件、风况和沙源。青藏铁路所在的区域具有典型的高原大陆性气候，表现为极端的温度变化、较大的昼夜温差和较低的大气压。年降水量在250至300毫米之间，主要集中在东南部地区。由于副热带西风带的影响，该地区强风频繁，每年有约16.4%的时间出现强风天气，有时局部风速甚至超过30米/秒。根据中国植被分类系统，该区域的主要植被类型是高山草甸和高山草场。然而，由于高原地区独特的自然条件，如低温、干旱和风蚀作用，铁路沿线的生态环境非常脆弱，导致风沙灾害频繁发生。

青藏铁路的乌兰乌苏至那曲段是风沙活动最频繁的区域，其年平均风速达到5.1米/秒，而拉萨的年平均风速仅为2.1米/秒。在乌兰乌苏至那曲段，风沙活动的强度和频率远高于其他区域。铁路沿线的沙丘、干湖床、干河床、戈壁和草地等多样化的地貌景观为风沙的形成提供了丰富的沙源。例如，戈壁是一种广泛分布于干旱和超干旱地区的石质地表，其表面相对平坦，覆盖着砾石，这是由于长期和强烈的风蚀作用和物理风化所致。该地区的恶劣环境和脆弱的生态系统共同解释了青藏铁路沿线频繁发生的风沙灾害。统计数据显示，大约440公里的铁路——占总长度的20%——受到了不同类型风沙灾害的影响。

为了减少这些影响，研究人员已经对青藏铁路沿线的风沙环境和风动力进行了研究，提出了控制策略，并在易受影响的区域安装了防护系统。然而，由于对不同地貌类型下的风沙沉积物的物理化学特性了解不足，一些项目并未很好地适应当地条件，从而限制了其效果，存在防护失败和风沙灾害加剧的风险。因此，全面理解风沙沉积物的物理和化学特性对于优化未来的风沙控制措施和改善青藏铁路沿线的风沙灾害缓解至关重要。

本研究选取了青藏铁路格尔木至拉萨段的三种典型地貌类型——沙面、沙漠化草地和戈壁——的风沙沉积物样本，以揭示铁路沿线的风沙环境特征。研究的主要目标包括揭示风沙环境的特性、明确不同地貌类型下土壤养分和盐分的分布模式，并分析驱动养分动态的机制。研究结果对于精确预防和控制风沙灾害具有重要价值，并为优化区域风沙控制系统提供了科学依据和数据支持。此外，这些发现还提高了我们对高原环境下风沙沉积物物理化学变化的理解，有助于推进铁路沿线的生态修复工作。

在研究方法方面，本研究基于50年的历史气象数据，对青藏铁路沿线的五个气象站进行了分析。这些数据来源于中国国家气象科学数据中心和《中国气象年鉴》。研究选取了从北到南依次为格尔木站（编号：52818）、乌兰乌苏站（52908）、托托河站（56004）、那曲站（55294）和拉萨站（55591）的气象数据。这些数据包括年平均沙尘暴天数、年平均强风天数、多年度月平均风速和年平均气温。通过分析这些气象特征，研究人员能够更全面地了解风沙活动的时空分布特征及其对铁路运行的影响。

在土壤样本采集方面，研究人员根据地貌类型，选取了32个采样点，包括11个沙面（S1至S11）、10个沙漠化草地（D1至D10）和11个戈壁（G1至G11）。每个采样点均采用手动铲子采集0-5厘米深度的土壤样本，并在每个采样点采集三个重复样本，混合成一个复合样本。采集后的复合土壤样本经过空气干燥后，使用2毫米筛子去除砾石、植物残体等杂质。通过电子天平精确称量砾石和筛后土壤样本的质量，以确定砾石含量。筛后的土壤样本被分成两部分，用于测定土壤的物理化学特性。

为了分析风沙沉积物的粒径特征，本研究使用了西北研究院生态与环境研究所的Mastersizer 3000激光粒度分析仪（Malvern Instruments，英国）。根据前人研究，Udden-Wentworth粒度分级系统允许对风沙沉积物的粒径组分进行精确量化，并被广泛应用于不同环境。因此，该系统被采用为本研究的粒度分类标准。在计算粒度参数之前，实验数据使用对数变换进行处理。根据Folk和Ward（1957）的公式，计算了平均粒径（M_Z）、粒度分选（σ）、偏度（S_k）和峰度（K_G）等参数。

土壤化学分析指标包括土壤有机质（SOM）、总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）、有效钾（AK）、pH值和总盐分含量（TSC）。测量这些指标的具体方法包括：SOM使用重铬酸钾容量法测定；pH值通过电极法测定；TN使用半微量凯氏定氮法测定；TP使用酸消解-钼锑抗比色法测定；TK使用火焰原子吸收光谱法测定；AN使用碱解扩散法测定；AP使用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定；AK使用DTPA-火焰原子吸收光谱法测定；TSC使用重量法测定。所有复合土壤样本均在甘肃省农业科学院土壤分析实验室进行分析。

为了比较不同地貌类型下风沙沉积物的土壤养分分布特征，本研究引入了变异系数（CV）作为定量指标，用于评估养分分布的均匀性。CV值越小，表示不同地貌类型下养分的空间分布越均匀。计算公式为CV = σ/μ × 100%，其中σ表示土壤养分含量的标准差，μ表示平均土壤养分含量。通过计算CV值，研究人员能够更直观地了解不同地貌类型下土壤养分的空间分布特征。

在统计分析方面，本研究使用线性回归分析了不同气象站的年平均气温趋势（使用Origin 2021软件）。同时，使用R Studio中的dylyr包对风沙沉积物中土壤养分与盐分之间的关系进行了相关性分析。为了进一步揭示盐分和粒度特征对土壤养分的影响，研究还应用了冗余分析（RDA），使用Canoco 5软件进行分析。RDA结果表明，土壤养分、盐分和粒度特征在风沙沉积物中表现出一定的相关性，尤其是在沙面和戈壁样本中，细颗粒和盐分含量对土壤养分具有显著的正相关性，而在沙漠化草地中，土壤有机质与粗颗粒和砾石含量呈正相关。

在研究结果方面，气象特征分析显示，青藏铁路沿线的沙尘暴和强风事件呈现出明显的季节性变化。这些事件在春季和冬季最为频繁，随后迅速减少。例如，在拉萨，冬季和春季的沙尘暴和强风天数分别占全年总天数的95.16%和71.52%。年平均风速也表现出季节性变化，从北向南逐渐增加，然后在年中逐渐减少。相比之下，青藏铁路沿线的气温在过去几十年中呈现出明显的上升趋势。格尔木表现出最显著的变暖趋势，而拉萨记录的年平均气温最高，达到8.05摄氏度。这种变化不仅受到纬度和地形等自然因素的影响，还受到城市化和人类活动的影响。

在粒度特征分析中，研究发现，不同地貌类型的风沙沉积物粒度特征存在显著差异。沙面、沙漠化草地和戈壁的沉积物主要由沙组成，平均含量分别为61.71%、51.53%和55.73%。这些沉积物涵盖了从极粗沙到极细沙的广泛粒径范围，表明这三种地貌类型的沉积物来源具有一定相似性。然而，不同沉积物的粒度组成存在明显差异。在沙面和戈壁中，细沙、极细沙和粉沙占主导地位。然而，由于沉积物来源、风况和地形的不同，各个样本的粒度组成存在显著差异。例如，虽然S8和S9两个采样点位于铁路两侧，距离相近，但迎风侧的S8表现出更细的颗粒，其平均黏土含量为9.26%，而背风侧的S9则为5.55%。在沙漠化草地中，大多数沉积物含有较高的粉沙和黏土比例，平均粉沙含量为41.08%。此外，该区域的粒度分布相对集中，尽管某些样本含有较高的砾石比例，但其整体平均粒径仍小于其他两种地貌类型，平均值为3.83 Φ。这表明，青藏铁路沿线的沙漠化草地具有更稳定的沉积环境。

土壤养分和盐分的特征在不同地貌类型中也表现出显著差异。总盐分（TSC）在沙面沉积物中最低，平均仅为0.05%，其次是沙漠化草地，平均为0.60%，戈壁最高，平均为0.77%。TSC在沙面沉积物中的分布相对均匀，但在其他两种地貌类型中表现出显著的异质性，某些沉积物的TSC远高于平均值。这种现象在戈壁中尤为明显，特别是在靠近格尔木的铁路北段。土壤盐分不仅影响养分的分布，还影响其迁移。在沙面和戈壁中，TSC与某些土壤养分呈正相关，而在沙漠化草地中，养分的相互作用强于盐分的影响，表明该区域的养分分布更依赖于生物循环。

为了进一步揭示不同地貌类型下风沙沉积物中土壤养分的主要驱动因素，本研究将土壤粒度组成和TSC作为环境参数，利用冗余分析（RDA）对土壤养分进行了分析。结果表明，沙面和戈壁的土壤养分与黏土、粉沙和TSC呈正相关，而与沙和砾石呈负相关。在沙漠化草地中，土壤有机质（SOM）与沙和砾石呈正相关，而其他土壤养分则与黏土、粉沙和TSC呈正相关。第一轴的解释率在沙面和沙漠化草地中超过90%，表明这些区域的养分分布主要受主要梯度因素的影响。而在戈壁中，第一轴的解释率仅为67.17%，表明土壤养分受多种相互作用因素的控制。第二轴的解释率在沙漠化草地中最高（6.91%），而在戈壁中最低（0.58%）。这些结果进一步说明，不同地貌类型下土壤养分的驱动因素存在显著差异。

通过蒙特卡洛替换测试，研究发现不同地貌类型下土壤养分的主要控制因素不同。在沙面，细颗粒是主要影响因素，其解释率为73.3%。而在沙漠化草地和戈壁中，TSC是主要影响因素，分别解释了72.0%和82.2%的变异。这些结果表明，沙面的土壤养分输入主要依赖于细颗粒的选择性吸附和风力驱动的再分配。而在戈壁中，由于细颗粒稀缺，土壤养分的动态主要受盐分驱动。然而，某些戈壁类型可能由于气象、地形和沉积物来源等因素，偶尔接收细颗粒。在沙漠化草地中，尽管TSC是主要影响因素，但其作用是通过植被间接实现的。土壤盐分直接影响植物种类、覆盖度和生理功能，进而影响养分的运输，形成独特的分布模式。

总体来看，这些研究结果揭示了青藏铁路沿线风沙沉积物物理化学特性的显著差异及其驱动机制。它们还为高原地区铁路走廊的生态修复策略提供了宝贵的见解。此外，这些发现为优化区域风沙防护系统提供了重要的数据和理论支持，有助于提高风沙灾害的缓解效果。通过深入理解风沙沉积物的特性及其与环境因素之间的关系，研究人员能够更有效地制定科学的风沙防护和生态修复措施，为青藏铁路沿线的可持续发展提供理论依据和实践指导。