黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶坡耕地土壤風(fēng)蝕特征

鄧鑫欣， 張加瓊,2， 楊明義,2， 張風(fēng)寶,2， 劉 章

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 3.包頭稀土研究院, 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶因地形破碎，地面物質(zhì)組成及土壤侵蝕過(guò)程復(fù)雜，土地利用類型多樣，地表植被覆蓋度低，風(fēng)蝕和水蝕交替發(fā)生，交錯(cuò)分布等共同作用，土壤侵蝕劇烈，是黃土高原的強(qiáng)烈侵蝕中心[1]。該區(qū)域風(fēng)蝕主要發(fā)生在冬春季節(jié)，發(fā)生的區(qū)域以坡耕地為主。較其他土地利用類型(林地、荒草地等)，耕地地表疏松且覆蓋度低，土壤風(fēng)力可蝕性高[2]。該區(qū)域土壤侵蝕研究集中于土壤水蝕方面，而對(duì)于風(fēng)蝕研究十分有限，現(xiàn)有研究結(jié)果顯示該區(qū)域坡耕地土壤風(fēng)蝕和水蝕之比為1∶1.5～1∶2.7[3-4]，風(fēng)蝕在總侵蝕中占比較低。但是風(fēng)蝕會(huì)帶走表層土壤中的細(xì)顆粒，導(dǎo)致地表粗化，養(yǎng)分流失，土地生產(chǎn)力降低，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅[5]，同時(shí)還會(huì)對(duì)下風(fēng)向區(qū)域的大氣、水體、人類健康等造成危害。因此，加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)的土壤風(fēng)蝕研究是開(kāi)展區(qū)域土壤侵蝕防治的基礎(chǔ)。

目前，黃土高原地區(qū)各類作物3月底到5月初種植，8月末到10月初收獲，秋收后到次年耕種前坡耕地常用翻耕和留茬兩種，農(nóng)田約有6個(gè)月的時(shí)間處于易被侵蝕狀態(tài)，尤其是3月、4月份大風(fēng)頻發(fā)造成嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕。前人的研究表明，留茬能有效削減農(nóng)田風(fēng)蝕[6]，且直立殘茬的效果明顯優(yōu)于平鋪松散殘茬。對(duì)不同類型作物殘茬，在相同的側(cè)影蓋度(silhouette area index)條件下，小麥類作物留茬風(fēng)蝕防治效果最佳，玉米類作物留茬效果次之，黃豆類的作物抗蝕防治效果最差[7]。直立殘茬的側(cè)影蓋度可用作物莖稈的直徑、高度和密度的乘積表示[8]，為獲得較好的風(fēng)蝕效果，增加留茬高度效果最為明顯[9]。因此，為有效控制風(fēng)蝕可以采用作物輪作、套作、增加留茬高度等措施。對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，作物秸稈通常是重要燃料和飼料來(lái)源，因而確定合理的留茬高度可以協(xié)調(diào)取暖、畜牧與風(fēng)蝕防治在秸稈需求上產(chǎn)生的矛盾。

目前，黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶對(duì)坡耕地的風(fēng)蝕研究報(bào)道較少，且現(xiàn)有研究主要集中于裸露坡面風(fēng)蝕速率、風(fēng)蝕量和風(fēng)蝕強(qiáng)度的估算[10-12]，而尚未見(jiàn)有關(guān)于坡耕地在實(shí)施不同耕作措施條件下下風(fēng)蝕速率空間分布的相關(guān)報(bào)道。造成該區(qū)域土壤風(fēng)蝕研究薄弱的根本原因一方面是由于風(fēng)蝕可在任意方向發(fā)生，搬運(yùn)的空間尺度大，同時(shí)受土壤水蝕、復(fù)雜地形和地面物質(zhì)組成多樣等因素的影響，定量研究難度大；另一方面現(xiàn)行地表測(cè)量技術(shù)手段精度有限，且吹蝕和沉降物收集設(shè)備效率普遍較差，難以對(duì)風(fēng)蝕準(zhǔn)確定量。因而難以評(píng)估不同農(nóng)田管理措施對(duì)風(fēng)蝕的防治效果，不利于制定科學(xué)有效的風(fēng)蝕防治措施。

天然放射性核素7Be在示蹤土壤風(fēng)蝕上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是短期內(nèi)的土壤風(fēng)蝕。7Be通過(guò)干濕沉降到達(dá)地表后[13-15]，迅速被地表土壤顆粒吸附[16-17]，加之其半衰期短僅53.3 d，在土層中向下遷移的深度有限，其主要分布在表層0—20 mm的土壤中，含量隨深度的增加呈指數(shù)遞減[18]，這種分布特征為定量示蹤短期內(nèi)的土壤風(fēng)蝕提供了準(zhǔn)確、便利的方法。此外，研究區(qū)干濕季節(jié)分明，風(fēng)季侵蝕性降雨稀少，幾乎無(wú)水蝕發(fā)生，提供了充足的時(shí)間使得風(fēng)蝕期間7Be在表層土壤中垂直分布形式得以恢復(fù)[19]，更加準(zhǔn)確計(jì)算土壤風(fēng)蝕。并且，前人的研究驗(yàn)證了在研究區(qū)域7Be示蹤土壤風(fēng)蝕的適用性[20]，為本研究的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。因此，本研究利用7Be在示蹤短期土壤風(fēng)蝕的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，利用研究區(qū)域干濕季節(jié)分明的特征，研究坡耕地留茬和翻耕裸露坡耕地土壤風(fēng)蝕速率及其空間分布特征，分析不同農(nóng)田耕作措施下土壤風(fēng)蝕防治效果，為科學(xué)制定坡耕地土壤侵蝕防治措施具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣六道溝小流域(110°21′—110°23′E，38°46′—38°51′N)。六道溝小流域位于毛烏素沙地和黃土高原的過(guò)渡地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，是黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的比較典型的區(qū)域(圖1)。該區(qū)域地形破碎，風(fēng)沙地貌和流水侵蝕地貌交錯(cuò)分布，主要的土地利用類型有耕地6.2%、荒草地24.9%、灌木地21.7%、人工草地33.6%、林地5.0%以及建設(shè)用地3.3%[21]。主要種植作物包括玉米、谷子、馬鈴薯以及大豆等[22]。年均氣溫8.9℃，多年平均降水量為422.7 mm(1957—2011年)，降水集中在6—9月份，平均占全年降水量的77.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)[23]。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向?yàn)槲鞅?，次主風(fēng)向?yàn)闁|南，東風(fēng)最弱，夏季多為南風(fēng)、東南風(fēng)，冬春兩季多為偏北風(fēng)[24]。大風(fēng)日數(shù)年均13.5 d，最多達(dá)44 d，年均沙塵暴日數(shù)11.5 d，最多達(dá)22 d，其中大部分(63.0%)發(fā)生在4月，而該區(qū)農(nóng)耕地翻耕主要集中在秋收后，導(dǎo)致該地區(qū)在大風(fēng)時(shí)期地表裸露風(fēng)蝕強(qiáng)烈，土壤退化嚴(yán)重。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 樣品采集與測(cè)試

1.2.1 坡耕地樣品采集 研究區(qū)內(nèi)由于降雨集中且多為暴雨，土壤中的可溶性養(yǎng)分一部分被農(nóng)作物吸收，一部分被夏秋季雨水沖失掉，導(dǎo)致土壤肥力下降使土壤板結(jié)嚴(yán)重。因此，大多當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在秋收后翻耕土地，少部分地塊余留殘茬。在研究區(qū)域內(nèi)選取4塊平直，坡度類似(均約為6°)，秋收后分別留茬和翻耕的農(nóng)耕地坡面，標(biāo)記為A，B，C和D(表1)。2015年5月風(fēng)季基本結(jié)束后沿A，B兩坡面，順坡方向平行等間距(樣線間距6 m)布設(shè)樣線三條樣線，采集土壤樣品。A坡在每條樣按10 m間距采集樣品，B坡在每條樣線按8 m間距采樣樣品。2016年5月風(fēng)季基本結(jié)束后按照上述方法在C，D兩坡面采集土壤樣品。C坡樣線間距為15 m，樣點(diǎn)間距為8 m；D坡樣線間距為20 m，樣點(diǎn)間距為4 m。在每個(gè)采樣點(diǎn)，使用直徑3 cm的環(huán)形采樣器呈品字形采0—20 mm土壤樣品用于7Be含量測(cè)定。

表1 采樣地塊基本情況

1.2.27Be背景值樣品采集 2014年風(fēng)季前(10月上旬)，在樣品采集區(qū)附近的背風(fēng)平坦區(qū)域用60 cm的石棉瓦圍取1個(gè)2 m×2 m的小區(qū)，作為7Be背景值采樣區(qū)。去除雜草翻耕整平后，圍封以避免風(fēng)蝕和人為影響。分別于2015年和2016年5月中旬風(fēng)季基本結(jié)束后采集小區(qū)內(nèi)分層樣和全樣。采樣深度為0—20 mm。全樣使用直徑3 cm的環(huán)形采樣器呈“品”字形采5個(gè)；層樣以20 mm間距分10層采集一組。層樣采集使用自行設(shè)計(jì)的上推分層采樣器采集，分層采樣器與Mabit等[25]研究中使用的FISC采樣器類似。

1.2.3 樣品測(cè)試分析 所有樣品經(jīng)烘干，去除雜草和礫石等處理后過(guò)1 mm篩，稱量，裝入與標(biāo)準(zhǔn)源相同規(guī)格的柱狀塑料盒中(填滿)，使用美國(guó)ORTEC公司多道低本底γ能譜儀在477.6 keV狀態(tài)下測(cè)定，每個(gè)樣品的測(cè)定時(shí)間約為86 400 s，每個(gè)7Be樣品的含量都衰變校正到采樣時(shí)的含量，用全峰面積法(TPA)求算7Be的比活度。

1.3 土壤風(fēng)蝕速率計(jì)算

本研究使用Yang等[20]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)建立的7Be示蹤土壤風(fēng)蝕速模型估算土壤風(fēng)蝕速率。Yang等[18]基于Walling等[23]的水蝕模型，借鑒Walling等[26]的137Cs估算具有分選性的土壤侵蝕速率的模型，提出了考慮顆粒分選作用的7Be風(fēng)蝕速率估算模型，該模型可以準(zhǔn)確估算土壤風(fēng)蝕速率，并在陜西省神木縣六道溝流域進(jìn)行野外驗(yàn)證[18]。對(duì)發(fā)生風(fēng)蝕的采樣點(diǎn)，侵蝕速率RBe(kg/m2)估算公式為：

(1)

(2)

式中：RBe為土壤風(fēng)蝕速率(kg/m2)；So為地表風(fēng)蝕前土壤的原始比表面積(m2/g)，使用1—2 cm土層的比表面積代替；Se為地表風(fēng)蝕后土壤的比表面積(m2/g)；P為風(fēng)蝕相關(guān)的顆粒校正系數(shù)；h0為張馳質(zhì)量深度(kg/m2)；Aref為研究區(qū)土壤中7Be的背景值(Bq/m2)；ABe為采樣點(diǎn)土壤的7Be的總活度(Bq/m2)；v為常數(shù)(風(fēng)蝕取值為0.75)。

對(duì)發(fā)生沉積的采樣點(diǎn)，土壤風(fēng)積速率為：

(3)

根據(jù)7Be在土壤剖面中的指數(shù)遞減分布特征，沉積點(diǎn)的7Be活度依據(jù)Walling公式計(jì)算：

(4)

(5)

式中：x為質(zhì)量深度(kg/m2)；CBe(x)為x處的7Be活度(Bq/kg)；CBe(0)為地表(x=0)的7Be濃度(Bq/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 7Be背景值及其剖面分布

7Be背景值是估算土壤風(fēng)蝕量的基礎(chǔ)，而7Be在土壤表層的分布是利用7Be示蹤土壤侵蝕的關(guān)鍵。在計(jì)算表層土壤中7Be濃度隨深度變化趨勢(shì)時(shí)，為得到較精確的結(jié)果，采用質(zhì)量深度(單位面積內(nèi)的土壤質(zhì)量)代替深度，因?yàn)樵跇悠凡杉^(guò)程中面積較深度更容易控制。背景值采樣區(qū)7Be的土壤剖面分布顯示7Be含量在土壤表層0—2 mm含量最高且隨采樣深度的增加在土壤中呈指數(shù)遞減趨勢(shì)(圖2)。該結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[26-27]。2015年和2016年7Be背景值分別為203.80，246.66 Bq/m2。此外，表征7Be土壤剖面分布形式的主要參數(shù)張弛質(zhì)量深度(h0)在2015年、2016年的h0分別為2.45，3.14 kg/m2。

圖2 2015年和2016年風(fēng)季背景值小區(qū)7Be的剖面分布特征

2.2 坡面風(fēng)蝕速率及其空間分布特征

依據(jù)7Be活度的坡面分布，利用風(fēng)蝕速率估算模型計(jì)算結(jié)果繪制了風(fēng)蝕速率等值線圖。整體上看4個(gè)坡面上部風(fēng)蝕速率等值線均較平直，風(fēng)蝕速率呈現(xiàn)出從坡上至坡下逐漸減少的趨勢(shì)，地塊邊緣有沉積現(xiàn)象，留茬地風(fēng)蝕速率的減緩趨勢(shì)要明顯高于翻耕地。無(wú)論坡向，留茬地出現(xiàn)等值線閉合的高侵蝕中心和沉積中心(圖3)。前人對(duì)裸露坡面的研究結(jié)果顯示，風(fēng)蝕等值線發(fā)生形變的主要原因是地表微地貌變化[4,11-12]。本研究中留茬地風(fēng)蝕速率等值線形變較裸地更大，表明作物殘茬有進(jìn)一步改變地表微地貌，進(jìn)而改變風(fēng)蝕速率空間分布的作用。對(duì)迎風(fēng)坡翻耕裸地，由于地表沒(méi)有任何覆蓋，風(fēng)蝕速率等值線圖能更為直觀地展示可蝕性風(fēng)的作用效果。風(fēng)蝕速率等值線與坡向基本垂直表明當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，與前人所得結(jié)論相同[10]。

圖3 不同管理措施及坡向下風(fēng)蝕速率等值線(坡度均約為6°)

本研究坡耕地的風(fēng)蝕速率總體范圍為-1 399.5～1 765.4 t/(km2·a)，其平均值為312.43 t/(km2·a)(表2)。然而，不同坡向、耕作方式條件下，土壤風(fēng)蝕速率均存在巨大差異。在坡向相同條件下，留茬可顯著減少坡面風(fēng)蝕速率(p<0.05)，在迎風(fēng)坡，留茬地比翻耕地減小了50.1%的風(fēng)蝕量，在背風(fēng)坡其值降低更為明顯，高達(dá)15.7倍(表2)。在耕作方式相同條件下，迎風(fēng)坡風(fēng)蝕速率顯著高于背風(fēng)坡(p<0.05)。無(wú)論采用何種耕作措施，背風(fēng)坡的風(fēng)蝕速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于迎風(fēng)坡面?？梢?jiàn)，在研究區(qū)采取保護(hù)性耕作措施，尤其是在迎風(fēng)坡面，對(duì)有效控制土壤風(fēng)蝕十分必要。

表2 坡向及耕作方式對(duì)坡耕地土壤風(fēng)蝕的影響

3 討 論

農(nóng)田土壤風(fēng)蝕防治主要利用某些因素的有利性及可控性，使農(nóng)田土壤風(fēng)蝕降低到最小程度。許多學(xué)者[3-11,28-29]從這一角度出發(fā)，進(jìn)行了大量的野外觀測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明保護(hù)性耕作措施可以有效降低農(nóng)田土壤風(fēng)蝕。現(xiàn)行的保護(hù)性耕作措施中，留茬是一種有效且成本較低的風(fēng)蝕防治手段，因而在農(nóng)耕區(qū)，尤其是生態(tài)環(huán)境脆弱的區(qū)域被廣泛應(yīng)用。本研究結(jié)果表明，在任何坡向條件下，留茬均能顯著減小土壤風(fēng)蝕(p<0.05)，在迎風(fēng)坡，留茬地的風(fēng)蝕速率僅為裸地的一半；而在背風(fēng)坡條件下，由于避開(kāi)了主風(fēng)向大風(fēng)對(duì)坡面的直接吹蝕，加之留茬對(duì)表層土壤的防護(hù)，而其余次風(fēng)向風(fēng)力不足難以對(duì)留茬坡面產(chǎn)生較大侵蝕，因此風(fēng)蝕速率的影響最為顯著，較背風(fēng)坡面翻耕地風(fēng)蝕速率減少了15.7倍?？梢?jiàn)，無(wú)論坡面坡向，留茬均可以通過(guò)地上部分削減近地表風(fēng)力，加之地下根系固結(jié)土壤，增加土壤內(nèi)部的凝聚力，從而能增加土壤本身抵抗風(fēng)蝕的能力，降低坡面風(fēng)蝕[28-29]。

在相同坡向條件下，與裸露坡面相比，留茬坡面風(fēng)蝕速率等值線均出現(xiàn)明顯變形，很多地方出現(xiàn)等值線閉合區(qū)域，且閉合區(qū)域風(fēng)蝕速率較高。此外，留茬也引起坡面兩側(cè)出現(xiàn)少量的沉積。由此可見(jiàn)，與裸露坡面相比，留茬在降低近地表風(fēng)速的同時(shí)也能改變坡面近地表風(fēng)的分布，增加坡面風(fēng)蝕速率空間分布的復(fù)雜性，即既存在吹蝕又存在沉積。留茬可能導(dǎo)致在坡面某些部位形成渦流從而改變風(fēng)蝕速率。因此，在風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶農(nóng)田管理過(guò)程中應(yīng)該套種不同種類的作物以提高作物殘茬密度，從而減少風(fēng)蝕速率，保護(hù)農(nóng)田的肥力。對(duì)翻耕裸露耕地，迎風(fēng)面坡翻耕地風(fēng)蝕速率比背風(fēng)坡高且等值線變形程度較小，從坡上到坡下風(fēng)蝕速率呈遞減趨勢(shì)，整個(gè)坡面無(wú)沉積出現(xiàn)。其主要受地形的影響，迎風(fēng)坡在主風(fēng)向(北風(fēng)及西北風(fēng))的影響下，風(fēng)蝕劇烈，風(fēng)蝕速率空間分布變異較小，等值線變形較??；而背風(fēng)坡氣流擴(kuò)散導(dǎo)致風(fēng)速減小并形成渦流，流場(chǎng)分布復(fù)雜，風(fēng)蝕速率空間分布變異較大[30]。該結(jié)果表明，留茬雖能降低坡面總風(fēng)蝕速率，但增加了坡面風(fēng)蝕速率空間分布的復(fù)雜性，現(xiàn)行所采用的留茬方式未能改善坡面上部風(fēng)蝕速率較大的現(xiàn)象，反而使得坡面下部出現(xiàn)與坡面頂部相似風(fēng)蝕速率較高的情況。可見(jiàn)，在水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶利用坡耕地留茬方式來(lái)防治風(fēng)蝕時(shí)，風(fēng)蝕速率空間分布的復(fù)雜性也是不可忽略的，尤其需注重坡面上部及下部的多重防護(hù)。此外，在相同耕作措施下，背風(fēng)坡的風(fēng)蝕量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于迎風(fēng)坡面，即使在留茬條件下也不能弱化坡向?qū)ν寥里L(fēng)蝕的影響。因此，在研究區(qū)域采取保護(hù)性耕作措施，對(duì)有效控制土壤風(fēng)蝕十分必要，尤其是在背風(fēng)坡面留茬的效果最顯著?；谘芯繀^(qū)域大風(fēng)頻發(fā)，沙塵活動(dòng)最活躍的時(shí)節(jié)主要集中在4月，因而，無(wú)論在迎風(fēng)坡還是背風(fēng)坡的區(qū)域內(nèi)，采取秋收后先不翻耕盡量留茬，待農(nóng)地播種時(shí)(一般為5月初)再進(jìn)行翻耕。另外為獲得較好的風(fēng)蝕控制效果，建議農(nóng)耕地選在背風(fēng)坡面較好，同時(shí)考慮不同作物殘茬的特性，尤其在風(fēng)蝕較嚴(yán)重的迎風(fēng)坡面，取小麥種植為主或采取小麥與玉米間作的方式。

4 結(jié) 論

利用7Be示蹤技術(shù)在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶研究了位于不同坡向坡面坡耕地在采取秋耕裸露和秋耕留茬兩種耕作條件下的風(fēng)蝕速率及其空間分布特征。結(jié)果顯示，同一坡向條件下留茬可以明顯減小土壤風(fēng)蝕速率；相同管理方式下，迎風(fēng)坡坡面風(fēng)蝕速率高于背風(fēng)坡，坡面上部風(fēng)蝕速率均較嚴(yán)重。風(fēng)蝕速率等值線圖可用于分析風(fēng)蝕速率的空間分布特征。留茬坡面風(fēng)蝕速率分布變化較翻耕裸露坡面大。此外，與裸露地坡面相比，留茬坡面兩側(cè)出現(xiàn)沉積，而在迎風(fēng)坡條件下無(wú)沉積出現(xiàn)。建議秋收后先不要翻耕盡量留茬，待風(fēng)季后進(jìn)行耕種時(shí)再進(jìn)行翻耕，以有效控制坡耕地土壤風(fēng)蝕。