晉西北不同土地利用方式下春季表層土壤水分對風蝕的影響

楊雄兵，馬義娟，蘇志珠，劉 蓉，胡子豪

（1.太原師范學院地理科學學院，山西晉中 030619；2.山西大學歷史文化學院，山西太原 030006）

表層土壤水分作為土壤抗蝕性因子之一，與土壤風蝕密切相關[1]。土壤中的水分在表層形成水膜層，使土壤顆粒之間的黏結力增大，增強了土壤的抗風蝕能力。賀大良等[2]通過風洞模擬了沙質表層土壤水分對起沙風速的影響，劉連友等[3]以耕作土壤為對象研究土壤水分對風蝕的影響時，把土壤含水率2.00%作為產生風蝕的臨界值。董治寶等[4]研究認為，風沙土風蝕的極限含水率為4.00%，當含水率小于4.00%時，起動風速隨土壤含水率的增加變化較小，當土壤含水率大于4.00%時，含水率的微小增加會使起沙風速快速增加。麻碩士等[5]通過風洞試驗建立了土壤含水率與起動風速之間的函數關系，并對不同土地利用類型的土壤表層含水率進行了測試，結果表明，不同土地利用方式及不同耕作方式都對土壤表層含水率有顯著影響。顯然，土壤表層水分含量對土壤風蝕影響的研究具有科學和生產實踐意義。

晉西北位于覆沙黃土丘陵區(qū)，降水量較少，土壤貧瘠，生態(tài)環(huán)境脆弱，尤其在春季，土壤解凍后地表土質疏松，蒸發(fā)旺盛，且常伴有大風天氣，土壤風蝕尤為嚴重。探討不同土地利用方式下春季表層土壤水分變化狀況，有助于為區(qū)域土壤風蝕防治和土地資源的合理利用提供理論依據。目前，不同土地利用類型土壤水分的研究較多集中于分層水分特征[6-7]、時空變化[8-9]、影響因子[10-11]、數值模擬[12]、生態(tài)效應[13]、虧缺評價[14]等方面。晉西北不同土地利用方式下土壤含水量的變化也有研究[8，14]，但針對春季表層土壤水分對風蝕的影響研究鮮有報道。

本試驗以晉西北右玉縣為研究區(qū)域，選取樟子松苗圃地、苦蕎留茬地、撂荒地、春季翻耕地、楊樹林地、檸條灌木地、退耕還草地7種地類作為土壤水分測試樣地，較系統(tǒng)地分析春季不同土地利用方式下土壤表層0～20 cm水分變化特征，建立水分與土壤風蝕量的關系，旨在揭示不同土地利用方式下表層土壤水分對土壤風蝕的影響，為晉西北土壤風蝕防治和土地利用結構優(yōu)化提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于晉西北右玉縣威遠鎮(zhèn)白塘子村東（39°59′N，112°27′E），地面海拔約 1 340 m。地貌上屬黃土高原東北緣的沙黃土丘陵區(qū)[15]，地表沙物質含量較多。氣候屬溫帶季風氣候，冬春季風沙天氣頻發(fā)，8級以上大風頻率達20～40 d/a；年均溫3.6～8.8℃，平均日較溫差15.4℃；年均降水量約420 mm，主要集中在夏秋季，冬春季降水量僅占全年的10%～15%，且春季蒸發(fā)旺盛。植被上屬溫帶半濕潤森林與半干旱草原過渡帶[16]，代表性天然植物有狗尾草（Setaria viridis）、針茅（Stipa capillata）、黃蒿（Artemisia scoparia）等，典型人工植被有小葉楊（Populus simonii）、檸條（Caragana korshinskii）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等；主要農作物有玉米（Zea mays）、苦蕎（Fagopyrum tataricum）、莜麥（Avena chinensis）等。土壤主要為沙黃土母質基礎上發(fā)育的褐土、淡栗褐土，兼有草原風沙土和淡栗鈣土[17]。

1.2 數據來源

2018年3月下旬，對晉西北右玉縣及周邊地區(qū)進行了實地走訪與考察，并結合實時遙感影像資料，選取樟子松苗圃地、苦蕎留茬地、撂荒地、春季翻耕地、楊樹林地、檸條灌木地、退耕還草地7種土地利用方式作為供試樣地（表1）。由于農田地與其他用地表層土壤水分對土壤風蝕的影響程度不同，故將7種土地利用方式劃分為2大類型，即農田地與非農田地。其中，農田地包括樟子松苗圃地、苦蕎留茬地、撂荒地、春季翻耕地；非農田地包括楊樹林地、檸條灌木地、退耕還草地（因所選樟子松苗圃地為育苗農田地，故劃入農田地范疇）。7塊樣地均位于白塘子村東黃土臺地上，地勢較平坦，土壤性質和成土母質及周邊環(huán)境相對一致。

表1 供試樣地基本情況

1.3 試驗方法

土壤樣品的采集分別于2018年4，5月中旬進行，采樣前7 d無降水現(xiàn)象。在各樣地中央根據S形路線布設3個樣點，采用剖面環(huán)刀采樣法采集土樣。環(huán)刀內徑為5 cm，采樣深度為20 cm，間隔5 cm，環(huán)刀內土壤樣品均與環(huán)刀上下口齊平。野外對土壤濕質量進行稱量，各樣地3個樣點取平均值。在室內用烘箱在105℃環(huán)境下將樣品連續(xù)烘干8 h，達到恒質量后稱質量。土壤質量含水量為土壤中水分質量與干土質量的比值。

式中，θm為土壤含水量（%），W為鋁盒質量（g），W1為鋁盒加濕土質量（g），W2為鋁盒加干土質量（g）。

除采集土樣外，在各樣地架設自制集沙儀，架設時間為2018年4月17日，集沙口朝向為W與NW共2個方向。為確保積沙量的可比性，各樣地集沙儀上風向地塊面積基本一致。集沙儀材質為PVC管，進沙口為圓形，直徑5 cm，可同時收集4個高度的沙粒，分別為 0～5，5～10，10～15，15～20cm。5月17日對集沙儀內風蝕物進行采集并稱質量。

1.4 數據處理

數據統(tǒng)計分析與作圖通過Excel，Origin，SPSS軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式表層土壤含水量變化

2.1.1 表層土壤含水量變化 表層土壤含水量的分布狀況因不同土地利用方式下的植被類型和蓋度以及地表硬度等差異而表現(xiàn)出不同的特征（圖1）。研究區(qū)4，5月表層土壤含水量整體表現(xiàn)為樟子松苗圃地（12.46%）＞苦蕎留茬地（12.00%）＞撂荒地（11.60%）＞楊樹林地（8.91%）＞春季翻耕地（8.45%）＞檸條灌木地（8.29%）＞退耕還草地（7.31%）。其中，4月份樟子松苗圃地表層土壤含水量最大（13.92%）；退耕還草地表層土壤含水量最?。?.95%）；其他土地利用方式的表層土壤含水量從大到小依次為苦蕎留茬地（13.62%）、撂荒地（13.37%）、春季翻耕地（11.72%）、楊樹林地（10.21%）、檸條灌木地（10.19%），總體上農田地表層土壤含水量大于非農田地。5月份正處于氣溫快速回升期，加之該時段無明顯降水，各樣地的表層土壤含水量均有所下降，樟子松苗圃地因植株蓋度大，蒸發(fā)量小，土壤表層含水量依然最大（11.00%），較4月份表層土壤含水量下降2.92百分點；春季翻耕地地表裸露，土質疏松，易于水分蒸發(fā)，表層土壤含水量最?。?.67%），較4月份表層土壤含水量下降7.05百分點。其他地類表層土壤含水量由大到小依次為苦蕎留茬地（10.38%）、撂荒地（9.82%）、楊樹林地（7.61%）、檸條灌木地（6.40%）、退耕還草地（5.19%），與4月份表層土壤含水量相比，分別下降 3.24，3.55，2.60，3.79，4.76 百分點。從實測數據可以看出，除春季翻耕地外，其他農田地表層土壤含水量均比非農田地要高。這與張素芳等[18]對壩上地區(qū)不同地類表層土壤水分的研究結果相一致。4，5月期間，正值木本與草本植物抽芽階段，對表層土壤水分消耗量大，尤其是草本植物根系較淺，生長初期主要依靠吸收表層土壤水分；林地與草地地表硬度較大，不利于水分下滲，且存在一定坡度，降水不易保留，故非農田地表層土壤水分含量較少。農田地除春季翻耕地外，地表均有殘茬或植被覆蓋，水分蒸發(fā)減弱。研究表明[19]，留茬與植被覆蓋可提高0～15 cm土層的含水量，減少水分蒸發(fā)。另外，農田地的地形平坦，表土因常年翻耕，較為疏松，水分易于下滲，故農田地表層土壤含水量較多。

2.1.2 表層土壤水分流失量變化 不同土地利用方式表層土壤水分流失量受降水、地表蒸發(fā)、植物吸收等因素的綜合影響表現(xiàn)出不同的變化特征。表層土壤水分流失量為各樣地4月與5月表層土壤含水量的差值，分布狀況如表2所示?？傮w來看，在不同的土地利用方式下，表層土壤水分流失量均表現(xiàn)為隨深度的增加而降低。春季翻耕地，表層土壤各層水分流失量均最大，退耕還草地次之，平均土壤水分流失量分別為6.52%，5.28%，2種地類表層土壤各層水分流失量各自相差較小。春季翻耕地翻耕深度約25 cm，0～20 cm深度內由于翻耕影響，土壤中水分分布相對均勻，且土層疏松，透氣性好，太陽輻射的熱量容易到達地下20 cm處，致使各層蒸發(fā)量均較大；退耕還草地4，5月正處于草本的抽芽階段，其根系主要集中于表層[20]，根系吸收導致各層水分流失量較大，且流失量保持一致。樟子松苗圃地受植被蓋度較大的影響，平均土壤水分流失量最低，僅為2.00%，各層水分流失量相差也較?。豢嗍w留茬地與撂荒地，平均土壤水分流失量大體相當，分別為3.24%與3.55%；楊樹林地，地表因枯枝落葉層的覆蓋以及高大冠幅的遮陰，平均土壤水分流失量較少，為2.61%，其中，0～5 cm深度土壤水分流失量為5.16%，15～20 cm深度土壤水分流失量為0.43%；檸條灌木地因帶間距較寬，且長勢一般，平均土壤水分流失量較大（3.79%），0～5 cm深度土壤水分流失量略高于5～20 cm深度。綜上所述，春季翻耕地表層土壤水分流失最為嚴重，其他土地利用方式下均小于春季翻耕地，說明殘茬與植被覆蓋可有效保持土壤水分，減少土壤表層水分流失。

表2 4—5月期間不同土地利用方式下表層0～20 cm內不同深度土壤水分流失量 %

2.2 不同土地利用方式土壤風蝕量變化

風蝕量作為測度土壤風蝕程度的重要指標之一，同一風營力作用下，受地形起伏度、植被覆蓋、土地利用類型等因素影響。本試驗采集4月17日至5月17日期間風蝕觀測儀數據，獲得不同土地利用方式下的表層土壤風蝕量（圖2）。從圖2可以看出，春季翻耕地風蝕量最大（8.93 g），樟子松苗圃地風蝕量最?。?.36 g），其他土地利用方式風蝕量從大到小依次為苦蕎留茬地（2.29 g）、退耕還草地（2.16 g）、撂荒地（1.95 g）、檸條灌木地（1.32 g）、楊樹林地（0.68 g）。從垂直方向上來看，各土地利用方式風蝕量均表現(xiàn)為隨高度的增加而呈減少的趨勢，風蝕量主要集中在地表0～10 cm高度內，平均約占89.00%，這與孫保平等[21]對風沙流結構的研究結果相一致。其中，樟子松苗圃地0～5 cm高度風蝕量占該地類風蝕量的88.00%，10～20 cm高度幾乎沒有積沙量；春季翻耕地10～20 cm高度風蝕量與其他地類同高度風蝕量相比較多，占比達25.00%。土壤風蝕物在近地表多以躍移與蠕移運動為主，上層以懸移為主[22]，隨著風速的增加，近地表躍移與蠕移顆粒及上層懸移顆粒的數量均增加，但近地表躍移與蠕移顆粒的質量遠大于懸移顆粒，因此，土壤風蝕量下層均大于上層。春季翻耕地疏松的表土增加了風蝕顆粒物，地表裸露平坦風速較大，這不僅使地表躍移、蠕移、懸移顆粒增加，還增加了躍移與懸移的高度，因此，春季翻耕地風蝕量最大，且與其他土地利用方式相比，10～20 cm高度的風蝕量明顯較多。

2.3 表層土壤含水量與風蝕量的相關性

表層土壤含水量是影響風蝕的主要因子之一[23-25]，不同土地利用類型的表層土壤含水量是不一樣的，故風蝕量亦存在明顯差異。從圖3-A可以看出，表層土壤含水量與風蝕量的關系整體上表現(xiàn)為表層土壤含水量越高、風蝕量越少，反之，表層含水量越低、風蝕量越大。在非農田地中，楊樹林地土壤含水量最大（7.61%），風蝕量最?。?.68 g）；退耕還草地土壤含水量最小（4.67%），風蝕量最大（2.16 g）；檸條灌木地土壤含水量（6.39%）與風蝕量（1.32 g）均居中。農田地中，春季翻耕地土壤含水量最低（5.19%），風蝕量最大（8.93 g）；樟子松苗圃地土壤含水量最高（11.00%），風蝕量最?。?.36 g）；苦蕎留茬地土壤含水量（10.38%）略高于撂荒地（9.82%），但風蝕量（2.29 g）高于撂荒地（1.95 g）；苦蕎留茬地雖地表有殘渣覆蓋，減少表層土壤水分的蒸發(fā)，但因常年翻耕導致表土松軟，易被風吹蝕，而撂荒地雖植被蓋度不及苦蕎留茬地，因常年不翻耕，地表堅硬，表土不易被吹蝕。由此可見，土地利用方式影響著土壤表層含水量，進而造成土壤風蝕量的不同。

農田地與非農田地表層土壤含水量與風蝕量的回歸擬合曲線如圖3-B所示，農田地與非農田地均呈現(xiàn)出土壤風蝕量隨含水量增加而遞減的負相關趨勢。在0.01極顯著性水平上，農田地擬合方程為 y＝-1.417x＋16.28（R2＝0.973）；非農田地擬合方程為 y＝-0.502x＋4.512（R2＝0.999），從方程斜率可以看出，非農田地土壤風蝕量對表層土壤含水量的響應相對遲緩，這與海春興等[26]針對壩上地區(qū)不同植被類型表層土壤水分對土壤風蝕影響的研究結果相一致。對林地而言，由于植株較高和冠幅較大，使風速降低，同時地表枯枝落葉的覆蓋增加了粗糙度，有效地阻止了表土的風蝕吹揚，故雖楊樹林地表層土壤含水量較低，但土壤風蝕量較少；退耕還草地春季草本發(fā)芽生長對水分需求較大，加之此時期升溫較快、蒸發(fā)較強，致使表層土壤含水量較少，但植物根系對表土的固結作用提高了地表硬度，使得風蝕量降低。與非農田地相比，農田地地表風蝕量對表層土壤含水量的響應較敏感。其中，樟子松苗圃地植株密度大，一方面增加了地表粗糙度，削弱風速，另一方面較高的植被覆蓋度減少了地表水分蒸發(fā)，從而降低了土壤風蝕強度；苦蕎留茬地與撂荒地因地表殘渣與草本的覆蓋，減少了表層土壤水分的蒸發(fā)，使風蝕量減少。春季翻耕地表土疏松，無植被覆蓋，表層土壤水分蒸發(fā)量大，風蝕量也最大。因此，農田地秋后可實行留茬、覆蓋等措施，以保持地表土壤水分，春季翻耕要盡量靠近播種日，減少翻耕地裸露時間。

3 結論

本研究通過對晉西北右玉縣境內7種土地利用方式春季表層（0～20 cm）土壤含水量的測定和地表風蝕物的收集，分析了不同土地利用方式下土壤含水量變化以及風蝕量變化特征，并探討了二者之間的關系。結果表明，7種土地利用類型中，樟子松苗圃地表層土壤含水量最高（12.46%），退耕還草地最低（7.31%），其他土地利用方式表層土壤含水量從高到低依次為苦蕎留茬地（12.00%）、撂荒地（11.60%）、楊樹林地（8.91%）、春季翻耕地（8.45%）、檸條灌木地（8.29%）。整體上，表層土壤含水量表現(xiàn)為農田地高于非農田地。

不同土地利用方式下表層土壤水分流失量，春季翻耕地最大（6.52%），樟子松苗圃地最小（2.00%），其他地類表層土壤水分流失量由大到小依次為退耕還草地（5.28%）、檸條灌木地（3.79%）、撂荒地（3.55%）、苦蕎留茬地（3.24%）、楊樹林地（2.61%）。在垂直方向上，表層土壤不同深度水分流失量存在差異，檸條灌木地、撂荒地、苦蕎留茬地、楊樹林地均表現(xiàn)出上層土壤水分流失量大于下層；春季翻耕地、樟子松苗圃地、退耕還草地各層土壤水分流失量基本一致。

土地利用方式不同造成表層土壤風蝕量存在差異，春季翻耕地風蝕量最大（8.93 g），樟子松苗圃地風蝕量最?。?.36 g），其他地類自大到小依次為苦蕎留茬地（2.29 g）、退耕還草地（2.16 g）、撂荒地（1.95 g）、檸條灌木地（1.32 g）、楊樹林地（0.68 g）。不同土地利用方式下地類風蝕量基本集中于0～10 cm高度內，約占89.00%。

農田地與非農田地表層土壤含水量與風蝕量均符合直線擬合，并呈現(xiàn)出顯著負相關關系，農田地擬合方程斜率小于非農田地，說明農田地表層土壤含水量對土壤風蝕的影響較非農田地更敏感。因此，農田地秋后應實行留茬、覆蓋等措施，春季翻耕時間要盡量選擇在農作物播種期附近。