錫林郭勒草地景觀系統(tǒng)土壤容重空間變異及其與風(fēng)蝕的關(guān)系

邱倩倩, 張卓棟, 孫傳龍, 劉宏遠(yuǎn)

(北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

錫林郭勒草地景觀系統(tǒng)土壤容重空間變異及其與風(fēng)蝕的關(guān)系

邱倩倩, 張卓棟, 孫傳龍, 劉宏遠(yuǎn)

(北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

[目的] 探究錫林郭勒草地在景觀尺度上土壤容重空間分布規(guī)律及其與風(fēng)蝕的關(guān)系，為有效進(jìn)行草原風(fēng)蝕防治提供理論參考。 [方法] 對錫林郭勒草原不同地形和土地利用條件下土壤容重的空間變異性進(jìn)行調(diào)查分析，主要采用環(huán)刀法、吸管法、TOC法測定土壤容重、機(jī)械組成和有機(jī)碳含量。 [結(jié)果] 錫林郭勒草原土壤容重呈現(xiàn)中等空間變異性；容重隨地形變化在輕牧區(qū)表現(xiàn)為：迎風(fēng)坡>背風(fēng)坡>平地，而在中牧和重牧區(qū)的變化與之相反，且海拔與容重呈負(fù)相關(guān)性；在同樣地形條件下，不同土地利用容重變化規(guī)律為：重牧區(qū)>耕地>中牧區(qū)>輕牧區(qū)>禁牧區(qū)。 [結(jié)論] 研究區(qū)土地利用類型是影響容重最主要的因素。容重與風(fēng)蝕速率呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性，容重可作為評估本區(qū)域風(fēng)蝕發(fā)生與影響強(qiáng)度的一個重要參考指標(biāo)。

草原; 景觀系統(tǒng); 容重; 空間變異; 風(fēng)蝕

錫林郭勒草原是中國北方風(fēng)蝕嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]，其土地退化面積占該區(qū)總面積的72%[2]。草原土地資源的不合理利用是草原嚴(yán)重退化的重要原因[3]。過度放牧及草原開墾會使大面積的表層土裸露，改變表層土壤理化特性，表土層的破壞必然會引起風(fēng)蝕[4]。風(fēng)蝕亦帶來土壤性質(zhì)的改變，二者相互作用加劇草原風(fēng)蝕退化。國內(nèi)外關(guān)于草地土壤容重及其與土地利用和風(fēng)蝕等土地退化問題的研究已取得一定進(jìn)展。史培軍等[5]通過調(diào)查認(rèn)為土壤容重對風(fēng)蝕的作用是雙重的，即可加速也可削弱風(fēng)蝕，而開墾和放牧均會不同程度地加速土壤風(fēng)蝕。錫林郭勒草原位于侵蝕與堆積的過渡地帶，對風(fēng)蝕十分敏感[6]，Hoffmann等[7]在錫林郭勒草原的研究發(fā)現(xiàn)地形和土地利用是影響該地區(qū)風(fēng)蝕的主要因子。錫林郭勒草原最主要的土地利用方式為放牧，其次是耕地。孫海燕等[8]發(fā)現(xiàn)隨草原放牧強(qiáng)度的增大，土壤容重呈現(xiàn)增加的趨勢。圍封禁牧是改良草地土壤的有效措施，喬榮等[9]的研究表明禁牧?xí)r間越長，土壤改良程度越大，土壤容重就越小。以上這些研究成果對我們理解錫林郭勒草原風(fēng)蝕發(fā)生的機(jī)制與特點(diǎn)等具有重要意義。草地風(fēng)蝕與土壤退化關(guān)系密切，土壤的理化性質(zhì)能反映土壤的風(fēng)蝕退化程度。容重作為衡量土壤性質(zhì)的重要物理指標(biāo)，在水蝕領(lǐng)域中已有較深入研究[10-11]，然而在風(fēng)蝕研究中一般只是將其作為輔助指標(biāo)用以說明土壤理化性質(zhì)的變化，以容重為主要對象對風(fēng)蝕進(jìn)行研究還鮮見報(bào)道。風(fēng)蝕作為一種具有分選性的土壤侵蝕過程[8]，會顯著改變土壤質(zhì)地，土壤容重也隨之改變，土壤容重在風(fēng)蝕區(qū)可以比在水蝕區(qū)更靈敏地反映侵蝕過程及結(jié)果。目前關(guān)于草原風(fēng)蝕的研究中，部分研究尺度較小，僅局限于小塊土地[12]，而部分研究著眼于區(qū)域尺度采用遙感手段[13]，則不利于地表精細(xì)過程的研究。本研究從景觀尺度出發(fā)，能有效連接小地塊尺度和區(qū)域尺度，既可避免因研究尺度過小而不能全面反映大面積草原風(fēng)蝕規(guī)律，又可精細(xì)反映出地表風(fēng)蝕過程。本研究旨在通過了解錫林郭勒草原土壤容重在景觀尺度上的空間分布及變異特征，從地形和土地利用兩個方面揭示土壤容重的變化機(jī)理，并結(jié)合前人研究成果進(jìn)一步探討容重與風(fēng)蝕之間的關(guān)系，為更有效地進(jìn)行草原風(fēng)蝕防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林河流域南部(43°32′10″—43°33′2″N，116°32′10″—116°41′22″E)。研究樣帶東西長24.8 km，南北寬1.6 km，地勢東高西低，海拔范圍1 165～1 389 m。研究區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，春季氣候干燥，大風(fēng)少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照充沛；夏季溫暖，雨熱同季；秋季時間短，氣溫驟降；冬季干冷漫長[14]，年平均氣溫0.7 ℃，年均降水量350 mm。3—5月為風(fēng)期，盛行西風(fēng)，易發(fā)風(fēng)蝕和沙塵暴。研究區(qū)主要土壤類型為草原栗鈣土，主要植被為羊草(Leymuschinenss)和大針茅(Stipagrandis)。Reiche等[15]利用2009年ASTER遙感影像數(shù)據(jù)，依據(jù)植被高度、植被蓋度及地表粗糙度指標(biāo)對研究區(qū)土地利用進(jìn)行分類。由于遙感影像土地利用分類精度的限制，以及本研究的野外調(diào)查距Reiche等的研究已有5 a，實(shí)際土地利用類型可能發(fā)生一定改變。因此，本研究以Reiche等的研究結(jié)果為重要參考，同時結(jié)合野外調(diào)查獲取的實(shí)際情況對土地利用類型進(jìn)行了部分修正。最終發(fā)現(xiàn)，重度放牧區(qū)主要位于樣地西部，輕度放牧區(qū)面積小，樣地東部有耕地，作物以小麥為主。本次野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)輕牧區(qū)內(nèi)分布有禁牧草場，調(diào)查中未遇到灌木林地。因此，本研究共包含禁牧、輕度放牧、中度放牧、重度放牧及耕地5種土地利用類型。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與野外調(diào)查采樣及處理

2014年5月初，于樣地兩兩樣點(diǎn)間隔400 m，共布設(shè)160個樣點(diǎn)。利用100 cm3不銹鋼環(huán)刀采集1—6 cm容重土樣，同時取約100 g散土土樣，并記錄采樣點(diǎn)地形、植被等信息。將環(huán)刀土樣帶回室內(nèi)在105 ℃條件下烘干24 h后稱重，計(jì)算土壤容重。采用吸管法測定土壤機(jī)械組成，利用TOC儀器測定有機(jī)質(zhì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重統(tǒng)計(jì)學(xué)特征及空間分布規(guī)律

經(jīng)K-S單樣本檢驗(yàn)，研究區(qū)容重頻數(shù)分布近似符合正態(tài)分布(p<0.05)，其峰度0.38，偏度-0.19，相伴概率值0.650。樣地東西向5條樣線上(表1)，由北向南容重的變異系數(shù)呈增大趨勢。容重的最小值0.93 g/cm3，最大值1.47 g/cm3，均值1.21 g/cm3，變異系數(shù)0.09。容重的半變異分析表明，在擬合效果最好的線性模型(RSS=3.462 E-06，R2=0.933)下，變程值為6.05 km，塊金值與基臺值的比值為56%，屬于中等空間變異。Zhao等[16]在錫林郭勒草原的研究發(fā)現(xiàn)土壤容重在地塊尺度上呈現(xiàn)強(qiáng)空間變異性。隨研究尺度增大，土壤容重空間變異相對減小。

研究區(qū)容重的普通克里格(ordinary Kriging)插值結(jié)果如圖1所示。以整個研究區(qū)中部為界，西部大致呈現(xiàn)東西走向的帶狀分布，容重變化在1.17～1.48 g/cm3之間。西南端出現(xiàn)容重較小的斑塊，原因是該區(qū)有禁牧草場分布，使其容重明顯小于周圍放牧區(qū)域。過度放牧的壓實(shí)作用造成了容重增大，這與魏強(qiáng)等[17]的研究相符。研究區(qū)東部容重變化為0.92～1.28 g/cm3，東南部分布有耕地和小塊重牧區(qū)，往北逐漸為坡草地，因此容重由南向北逐漸減小，大致呈南北走向的帶狀分布。

表1 研究區(qū)土壤容重的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

圖1 研究區(qū)土壤容重空間插值圖

容重的空間分布與土地利用類型基本對應(yīng)，同時研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)的含量也隨土地利用類型呈現(xiàn)對應(yīng)規(guī)律(表2)。隨放牧強(qiáng)度增大，土壤砂粒含量逐漸增加，黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量減少。禁牧草場黏粒和有機(jī)質(zhì)的含量最高，砂粒含量最低，耕地的土壤質(zhì)地與重牧區(qū)差別不大，其有機(jī)質(zhì)含量最少。隨土地利用類型的變化，容重與土壤黏粒和有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)性，而與砂粒含量呈正相關(guān)性。

表2 研究區(qū)土壤機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量 %

2.2 土壤容重隨地形的變化

容重在輕牧區(qū)由大到小變化依次為:迎風(fēng)坡>背風(fēng)坡>平地，在中牧和重牧區(qū)由大到小變化依次為:平地>背風(fēng)坡>迎風(fēng)坡(表3)。無動物干擾的自然條件下，相對于背風(fēng)坡和平地，迎風(fēng)坡風(fēng)速更大，侵蝕營力更強(qiáng)，迎風(fēng)坡土壤更易被侵蝕，細(xì)粒部分更多被吹蝕，土壤粗化，導(dǎo)致容重增大。因此容重出現(xiàn)迎風(fēng)

坡>背風(fēng)坡>平地的一般規(guī)律。而在放牧的影響下，隨著放牧強(qiáng)度的不同，容重隨地形的變化表現(xiàn)出了不同規(guī)律。在放牧強(qiáng)度小的情況下，野外調(diào)查顯示，輕牧草場動物活動少，海拔較高，坡度較陡，背風(fēng)坡的苔蘚、結(jié)皮、植被等條件優(yōu)于迎風(fēng)坡，土壤有微弱成土作用，因此背風(fēng)坡容重較迎風(fēng)坡小。輕牧區(qū)平地面積小，位于坡地之間，起伏地勢導(dǎo)致風(fēng)沙易在此沉積，容重變小。因此在輕牧區(qū)，地形仍然是影響容重的最主要因素，容重隨地形的變化仍然符合一般規(guī)律。而隨放牧強(qiáng)度的繼續(xù)增大，在重牧區(qū)和中牧區(qū)容重呈現(xiàn)出恰好相反的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，重牧和中牧區(qū)，地勢低，坡度較緩，動物活動強(qiáng)度大。在大面積廣闊的平坦低地，動物和人類活動的壓實(shí)作用明顯增大了容重。與平地相比，背風(fēng)坡離地面1 m高度的風(fēng)速減小8%，迎風(fēng)坡增加33%[18]，且背風(fēng)坡原本植被條件優(yōu)于迎風(fēng)坡，因此相對于迎風(fēng)坡，避風(fēng)的背風(fēng)坡更利于動物活動。同時，野外調(diào)查亦發(fā)現(xiàn)在放牧強(qiáng)度較大的草場，背風(fēng)坡植被狀況較迎風(fēng)坡差，這與動物頻繁踐踏采食現(xiàn)象相符。紅梅等[19]在渾善達(dá)克沙地的研究也表明，重牧條件下背風(fēng)坡植被破壞嚴(yán)重，土表未形成結(jié)皮，容重較大。因此，在無動物干擾或放牧強(qiáng)度小的情況下，容重的變化符合一般規(guī)律，當(dāng)放牧強(qiáng)度大時，動物活動對土壤容重的影響超過了地形的影響作用，容重呈現(xiàn)與一般規(guī)律不一致的結(jié)果。

表3 不同地形條件下土壤容重統(tǒng)計(jì)特征值

注：只對觀測數(shù)≥8的地形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)計(jì)算。

東西向典型樣線土壤容重的分析(圖2)結(jié)果表明，容重與海拔之間負(fù)相關(guān)性極顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.687。容重與海拔的關(guān)系亦與土地利用類型有關(guān)。樣地西部地形平坦，放牧強(qiáng)度大，容重較大，隨海拔升高，坡地增多，動物及人類擾動減小，同時，地形起伏使風(fēng)沙易在此沉積，土壤容重較小。

圖2 研究區(qū)典型樣線土壤容重的變化

2.3 土壤容重隨土地利用的變化

容重總的變化趨勢由大到小依次為:重牧區(qū)>耕地>中牧區(qū)>輕牧區(qū)>禁牧區(qū)(表3)。重牧區(qū)與其他土地利用下的容重差異顯著(p<0.05)。容重隨放牧強(qiáng)度增大而明顯增加，這與Daniel等[20]的研究結(jié)果一致。Su等[21]在科爾沁沙地的研究表明，草場禁牧后，地表枯落物、腐殖質(zhì)等的積累使得土壤理化性質(zhì)得到明顯改良，土壤質(zhì)地變好，容重減小。文海燕等[22]的研究也表明，草場開墾后，土壤的理化性質(zhì)發(fā)生退化，土壤總孔隙下降，容重增大。放牧強(qiáng)度的差異導(dǎo)致植被狀況差異，與高度相比，植被蓋度與容重的關(guān)系更為顯著(表4)。土地利用強(qiáng)度越大，特別是重牧區(qū)，容重與植被條件的負(fù)相關(guān)性更為顯著，土壤沙化的過程中，容重的增大必然會影響到土壤含水量和空氣的移動及植被根系的發(fā)育[23]。由于耕地植被均一，其與容重關(guān)系不顯著。

表4 容重與植被的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在5%水平上顯著。

2.4 土壤容重與風(fēng)蝕關(guān)系的探討

Funk等[6]運(yùn)用137Cs示蹤技術(shù)測算了錫林郭勒草原土壤年平均侵蝕與堆積速率，其中7個樣點(diǎn)位于本研究區(qū)。為探討土壤容重與風(fēng)蝕之間關(guān)系，將其7個樣點(diǎn)的風(fēng)蝕速率與本研究對應(yīng)的容重值結(jié)合分析可知，隨風(fēng)蝕速率增大，土壤容重顯著減小，二者線性相關(guān)關(guān)系較好(R2=0.77)。侵蝕速率最大的兩個樣點(diǎn)分別位于重牧區(qū)與耕地內(nèi)，堆積速率最大的樣點(diǎn)分別位于禁牧與輕牧草場內(nèi)。這與Hoffmann[18]在錫林郭勒草原的研究發(fā)現(xiàn)相符。當(dāng)草地的放牧強(qiáng)度增大或開墾為耕地，地表植被的粗糙度就會減小，植被吸收和分散地面風(fēng)動量的作用減弱，地面與風(fēng)力之間的能量傳遞作用加強(qiáng)，風(fēng)動量增加[24]，從而導(dǎo)致輸沙量增加，風(fēng)蝕嚴(yán)重。在這些重牧區(qū)或耕地上，由于較細(xì)的顆粒被風(fēng)吹蝕，留下的土壤砂粒含量增加(表2)，土壤容重增大。反之，禁牧區(qū)優(yōu)良的植被條件大大起到了遏制風(fēng)蝕[25]、保持土壤的作用。

研究區(qū)大部分容重大的區(qū)域伴隨著由放牧引起的動物踐踏作用。動物的踐踏壓實(shí)減少土壤總孔隙度，使土壤滲透能力減弱，保水持水能力下降，地表植被亦發(fā)生退化。Zhao等[16]在錫林郭勒草原的研究認(rèn)為，動物踐踏會加強(qiáng)土壤的壓實(shí)及均質(zhì)化，由于這種土壤結(jié)構(gòu)的退化而增加了土壤被風(fēng)蝕的可能性。而小部分容重大的輕牧區(qū)，風(fēng)力對迎風(fēng)坡的吹蝕作用是導(dǎo)致土壤顆粒變粗，容重變大的主要因素，容重越大，風(fēng)蝕程度越大。容重小的區(qū)域，風(fēng)力作用小或者土地利用強(qiáng)度小，致使土壤風(fēng)蝕也弱。因此，容重較小的土壤風(fēng)蝕較弱，容重較大的土壤遭受風(fēng)蝕的可能性大。容重可作為評估本區(qū)域土壤風(fēng)蝕發(fā)生與影響強(qiáng)度的一個重要參考指標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1) 內(nèi)蒙古錫林郭勒草原景觀尺度上表層土壤(1—6 cm)容重變化為0.92～1.48 g/cm3，空間上呈現(xiàn)中度依賴性。土壤容重的空間變化與土地利用類型的分布情況相關(guān)。

(2) 通過對容重的影響因子分析發(fā)現(xiàn)，一般條件下，在動物干擾小的輕牧區(qū)容重變化為:迎風(fēng)坡>背風(fēng)坡>平地，在人類放牧強(qiáng)度大的重牧和中牧區(qū)，其規(guī)律剛好相反，且容重與海拔呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)性。不同土地利用類型下容重大小的變化為:重牧>耕地>中牧>輕牧>禁牧。研究區(qū)土地利用類型是影響容重變化的最主要因素。

(3) 錫林郭勒草原表層土壤容重越大，土壤風(fēng)蝕的可能性越大；而一般條件下，風(fēng)蝕越強(qiáng)的地區(qū)土壤容重也越大。因此，對容重較大的地區(qū)要加強(qiáng)風(fēng)蝕防治，防止土壤退化?？刂仆恋乩脧?qiáng)度是該地區(qū)防治風(fēng)蝕的有效措施。

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Landscape Scale Spatial Variation of Soil Bulk Density and Its Relationship with Wind Erosion in Xilinguole Grassland

QIU Qianqian, ZHANG Zhuodong, SUN Chuanlong, LIU Hongyuan

(SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

[Objective] Identifying the spatial variation of soil bulk density at landscape scale, and the relationship between bulk density and wind erosion in Xilinguole grassland in order to provide references for wind erosion control in grassland. [Methods] The spatial variation of soil bulk density in different topographies and land uses in Xilinguole grassland was investigated and analyzed. Soil bulk density, mechanical components and organic carbon were measured using cutting ring, straw method and TOC method, respectively. [Results] Soil bulk density had moderate spatial variability. In terms of topography, bulk density in lightly grazed grassland followed: windward>leeward>flat area, vice versa the rank was reversed in moderately and heavily grazed grasslands. Elevation had negative correlation with bulk density. Bulk densities of different land uses ranked as: heavily grazed grassland>arable land>moderately grazed grassland>lightly grazed grassland>ungrazed grassland. [Conclusion] Land use is the main factor affecting soil bulk density in the study area. Bulk density and wind erosion rate showed high negative correlation, hence it can be used as an important reference index to assess the occurrence and intensity of wind erosion in this area.

grassland； landscape system； bulk density； spatial variation； wind erosion

2016-01-15

2016-03-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“融合地表參數(shù)與風(fēng)場模擬的草地景觀系統(tǒng)風(fēng)蝕定量評價(jià)：以錫林郭勒草原為例”(41301282)

邱倩倩(1990—),女(漢族),陜西省白河縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥蕾Y源保護(hù)和利用。E-mail:qqqiu@mail.bnu.edu.cn。

張卓棟(1984—)，男(漢族),湖南省湘潭縣人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕研究。E-mail:zzhang@bnu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.010

A

1000-288X(2016)06-0058-05

S157.1

文獻(xiàn)參數(shù)： 邱倩倩, 張卓棟, 孫傳龍, 等.錫林郭勒草地景觀系統(tǒng)土壤容重空間變異及其與風(fēng)蝕的關(guān)系[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：058-062.