東北低山丘陵區(qū)解凍期不同土地利用土壤侵蝕特征分析

賈燕鋒，吳 錳，劉明波

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院/遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，沈陽110161；2.吉林省梅河口市水土保持工作站，吉林 梅河口135000）

土壤溫度圍繞0℃上下波動時，發(fā)生凍融作用。全國第一次水利普查水土流失普查結(jié)果顯示，我國凍融侵蝕區(qū)面積占國土面積17.97%，主要分布在東北地區(qū)、西北高山區(qū)和青藏高原地區(qū)[1]，凍融作用在我國東北地區(qū)普遍存在，融雪及降水徑流造成的土壤侵蝕是東北地區(qū)春季解凍期土壤侵蝕的主要形式[2]。土壤凍融實質(zhì)上是由土壤中水的相變引起的，溫度和熱量的變化決定著土壤的凍融[3]。而土地利用方式是影響土壤侵蝕的重要因素，其通過改變植被覆蓋、土壤性質(zhì)、地表徑流等影響土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展[4-5]。不同土地利用方式差異最直接的表現(xiàn)是地表覆蓋的不同。對于林地、草地等非農(nóng)耕地而言，植被通過截留降雪和太陽輻射影響積雪消融的時間、土壤溫度和含水量等[6]。朱陽春等[7]發(fā)現(xiàn)凍土消融因子是影響荒地、林地、農(nóng)田土壤剖面含水率變化的首要因子。另有研究表明，不同土地利用方式下土壤凍融過程中，土壤溫度、液態(tài)水含量、電導(dǎo)率及凍融作用強度存在差異[8-10]，但對不同下墊面對凍融交替過程響應(yīng)程度的研究鮮有報道[11]。樊登星等[12]指出雨季不同土地利用方式下土壤侵蝕模數(shù)為裸地最大，林地最小，但關(guān)于土地利用對冬春季節(jié)土壤侵蝕影響的研究少見報道，更缺少不同土地利用解凍期土壤侵蝕原位觀測研究。

因此，本研究選取東北低山丘陵區(qū)油松林地、荒草地和玉米耕地為研究對象，觀測解凍期不同土地利用土壤侵蝕特征，比較不同土地利用氣溫、地表覆蓋、土壤溫度、含水率等環(huán)境要素特征，探討其對解凍期不同土地利用土壤侵蝕的影響，彌補我國春季解凍期不同土地利用土壤侵蝕研究方面的不足，為開展解凍期土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

在東北黑土低丘陵區(qū)選擇泉河和吉興兩個典型小流域作為研究對象。泉河小流域位于遼寧省鐵嶺市西豐縣安民鎮(zhèn)，中心坐標為 E124°56′13.62″，N42°42′38.7″，面積為 15.03km2，流域 94.64%的面積高程小于 500m；吉興小流域位于吉林省梅河口市吉樂鄉(xiāng)，中心坐標為 E125°30′05″，N42°12′29″，面積為 15.02km2，流域 46.93%的面積高程小于500m，52.19%的面積高程介于500～800m之間。兩個小流域均屬于長白山地丘陵區(qū)，為大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量709～738mm，70%的降水量集中在6～9月，多年平均降雪量均高于東北地區(qū)多年平均降雪量40.65mm，融雪期為3～4月份，升溫較快。植被屬于東北長白植物區(qū)系區(qū)，地帶性植被主要有蒙古櫟（Quercusmongolica）、榛（CorylusheterophyllaFisch.）等，現(xiàn)存植被多為天然次生林。土壤類型以白漿化暗棕壤、棕壤為主。主要土地利用類型均為耕地、林地，坡耕地主要種植玉米。

1.2 試驗方法

2016年11月，在泉河、吉興兩個小流域中分別選取林地、草地、玉米耕地作為研究對象，坡面坡度9°～18°，將每塊樣地分為坡上、坡中、坡下3段，設(shè)置樣方并做標記，同時觀測記錄地表狀態(tài)。2017年4月解凍期間，選擇晴好天氣，進行土壤侵蝕、土壤、環(huán)境特征觀測。土壤侵蝕每天觀測1次，首先觀測拍照記錄侵蝕狀態(tài)，發(fā)生土壤侵蝕的在標記樣方附近隨機選擇3個20cm×20cm樣方，用卷尺和自制測針板量測量土壤侵蝕體積。土壤指標主要測定土壤含水率、土壤溫度、土壤剪切力和土壤瞬時反射輻射；每天8∶00～17∶00每隔1h用反射輻射儀測定各樣方的瞬時反射輻射，用土壤墑情測量儀（OK-S1+）測定壟臺、壟坡和壟溝10cm深處土壤體積含水率和土壤溫度，每次測量隨機選取3個點，將測得的數(shù)據(jù)取平均；每天9∶00，13∶00，17∶00用微型十字板剪切儀（WXSZB）進行土壤剪切力測量，該儀器備有3個旋頭，本研究采用大號旋頭，每次測量隨機選取3個點。環(huán)境特征選取氣溫和下墊面特征兩個指標進行觀測；每天8∶00～17∶00每間隔1h監(jiān)測耕地、林地和草地的氣溫；在林地和草地選取50cm×50cm樣方觀測枯落物覆蓋度、厚度，并收集全部樣品80℃恒溫烘干，稱重獲取枯落物生物量。

采用SPSS 21和Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕特征

經(jīng)歷凍融作用前耕地土壤表面連續(xù)，未遭到任何破壞，而在解凍期結(jié)束后農(nóng)耕地土壤表面原有土壤被剝離，發(fā)生位移（圖1）。土壤雖然沒有移出田塊，但根據(jù)劉寶元等[13]關(guān)于土壤侵蝕等術(shù)語的界定，土壤侵蝕發(fā)生在點尺度上，在外營力作用下土壤顆粒被帶走，即發(fā)生了土壤侵蝕。解凍期在凍融、融雪徑流等外營力作用下，表層土壤顆粒離開初始位置，因此認為解凍期耕地存在土壤侵蝕。而林地、草地解凍期后土壤表面形態(tài)幾乎沒有發(fā)生變化，土壤表面連續(xù)，未遭到破壞（圖1），因此認為解凍期林草地不存在土壤侵蝕。這與不同土地利用的溫度、地表覆蓋狀態(tài)、土壤特性等有關(guān)。

圖1 凍融期前后不同土地利用土壤表面狀態(tài)Figure 1 Soil surface of differentlandusetypes before and after thawing

2.2 環(huán)境要素特征

2.2.1 空氣溫度 由圖2可知，兩個小流域解凍期均為耕地最高，其次是草地，而林地最低，不同土地利用類型氣溫之間存在顯著性差異（p=0.034＜0.05）。分析氣溫變化過程發(fā)現(xiàn)，耕地、林地和草地的氣溫都是從8∶00開始逐漸升高，在14∶00達到最大，然后又逐漸下降，其中泉河小流域耕地、林地和草地的空氣溫差分別為7.6，5.7，6.9℃，吉興小流域耕地、林地和草地空氣溫差分別為7.4，6.4，7.1℃，解凍期溫差耕地最大，其次是草地、林地。這是由于耕地和草地沒有林冠層遮擋，直接接收太陽輻射升溫，氣溫上升較快，長波輻射無阻，氣溫下降也快，溫差較大；而油松林地由于冠層的遮擋，接收太陽輻射較少，升溫較慢，冠層抑制地面輻射，降溫較慢，溫差較小，具有較明顯的林地冬春季小氣候特征[14]。

圖2 不同土地利用類型空氣溫度日變化Figure 2 Variation of dailyair temperature in different land use types

2.2.2 地表覆蓋 地表覆蓋可削弱大氣環(huán)境對土壤導(dǎo)熱性質(zhì)的影響，枯枝落葉層是地表覆蓋的重要組成部分，在影響土壤溫度及土壤凍融中扮演著重要角色[15]。由表1可知，油松林地枯落物具有未分解層、半分解層和完全分解的腐殖層，結(jié)構(gòu)完整，無論是枯落物覆蓋度、厚度、生物量在不同土地利用方式中均為林地最大，覆蓋度、厚度、生物量分別為草地的126.43%、156.76%和145.90%，且各指標均與草地存在顯著性差異；而耕地在解凍期處于冬季休閑狀態(tài)，當?shù)囟嗖捎靡瞥斩捔舨绲姆绞皆蕉?，地表無覆蓋。

表1 小流域不同土地利用類型的枯落物狀態(tài)Table 1 Litter status of different land-use types in small watersheds

2.3 土壤特性

2.3.1 土壤溫度與反射輻射 由圖3可知，不同土地利用類型土壤溫度表現(xiàn)為，耕地最大，草地次之，林地最小。觀測期間，泉河和吉興耕地溫度為6.1℃和5.6℃，林地土壤溫度僅為3.7℃和3.2℃，不同土地利用類型土壤溫度之間存在極顯著性差異p=0.000＜0.01。由圖4可知，土壤反射輻射則與土壤溫度規(guī)律一致，耕地的土壤反射輻射最大，分別為 65W·m-2和 66W·m-2，其次為草地，分別為 60W·m-2和 56W·m-2，林地最小，為 24W·m-2和21W·m-2，不同土地利用類型土壤反射輻射之間也存在極顯著性差異p=0.000＜0.01。如前所述，林地空氣溫度較低，地表枯落物層覆蓋還起到阻隔空氣高溫而保持土壤低溫的作用，故林地土壤溫度和反射輻射最低。草地高度有限，阻擋太陽輻射能力較林地弱，枯落物厚度較林地薄、結(jié)構(gòu)簡單，隔熱保溫作用較林地枯落物差，使得草地土壤溫度和反射輻射介于林地和耕地之間。

圖3 不同土地利用類型土壤溫度Figure 3 Soil temperature in different land use types

2.3.2 土壤含水率 由圖5可知，泉河和吉興林地土壤含水率分別達到56.90%和64.62%；草地土壤含水率僅次于林地，分別為52.08%和56.74%，林草地土壤含水率均大于田間持水量，基本達到飽和狀態(tài)[16]；耕地土壤含水率最低，分別為24.54%和31.33%，均低于田間持水量。不同土地利用類型土壤含水率之間存在極顯著性差異p=0.002＜0.01。分析其原因是由于林地和草地土壤覆蓋枯落物層，其具有較好的持水能力，能夠吸持融雪水，同時延長融雪水入滲，抑制地表土壤水分蒸發(fā)，使得林草地表土含水率較高。而耕地融雪集中，土壤未完全解凍，入滲能力有限，融雪水通過地表徑流、蒸發(fā)等形式迅速消耗，表土含水率較低。

2.3.3 土壤剪切力 由圖6可知，不同土地利用類型土壤剪切力均表現(xiàn)為林地最大，草地次之，耕地最小，林地土壤剪切力分別較草地和耕地大18.06%和34.92%，草地土壤剪切力是耕地的114.29%；不同土地利用類型土壤剪切力之間存在極顯著差異p=0.006＜0.01。林草地根系生成過程中的穿插纏繞作用，及其對土壤性質(zhì)的改良，顯著增加淺層土壤的抗剪強度[17]。

圖5 不同土地利用類型土壤含水率Figure 5 Water content of soil in different land use types

圖6 不同土地利用類型土壤剪切力Figure 6 Soil shear stress in different land use types

3 討論與結(jié)論

溫度變化除受輻射影響外，還有其本身的比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)有關(guān)。本研究由于受觀測條件限制，未能完整觀測解凍期的日氣溫變化情況。然而有研究通過觀測不同下墊面日氣溫變化，采用升溫時段觀測值回歸發(fā)現(xiàn)，在陽光下土地的升溫速率為3.3℃·h-1，而林冠和草地的升溫速率僅為1.7℃·h-1和1.9℃·h-1，降溫時段氣溫遞減速率與升溫時段相似[18]。因此，由觀測時段不同土地利用類型氣溫變化趨勢分析推測，耕地夜間最低氣溫將低于草地、林地。解凍期研究區(qū)域日最高氣溫可超過10℃，而最低氣溫皆小于0℃[19-20]，土壤經(jīng)歷頻繁的凍融循環(huán)過程。與林地和草地相比，耕地氣溫日較差最大，耕地土壤經(jīng)歷凍融作用的溫差大于林地和草地。而凍融溫差越大，對土壤結(jié)構(gòu)的破壞越嚴重[21]，抗侵蝕能力越差，更易于發(fā)生土壤侵蝕。因此，受氣溫影響，解凍期耕地土壤更易被侵蝕。林地、草地和耕地冬季覆蓋物存在顯著差異。地表覆蓋影響土壤和大氣間的物質(zhì)和能量交換，影響土壤導(dǎo)熱率和熱通量，減小土壤導(dǎo)熱率的變化和活躍層深度[22]，進而影響土壤凍融過程?？葜β淙~層能有效調(diào)節(jié)0～30cm土壤溫度，在始凍期和完全凍結(jié)期具有保溫效應(yīng)，減弱凍結(jié)程度，在融化期變?yōu)楦魺嶙饔?，降低土壤溫度，延長解凍期歷時，枯枝落葉層越厚，結(jié)構(gòu)越完整，作用效果越顯著[15]。本研究中，油松林地枯枝落葉層厚度平均為9.74cm，且具有完整的未分解層、半分解層和完全分解的腐殖層，調(diào)節(jié)土壤溫度作用明顯。有研究表明，常綠喬木林的最大雪水量和融雪速率分別為無林地32%和39%[23]，而枯落物分解層和未分解層均具有良好的蓄水能力[24]，油松枯枝落葉層最大持水量可達自身干重的2.6倍[25]，有效的阻止了融雪徑流的形成，融雪徑流喪失動力。林地、草地雖然具有較高的土壤含水率，但因枯落物層的存在，不易形成地表徑流，同時因林草地根系的纏繞固結(jié)作用，土壤剪切力較大。因此，雖然具有較高的含水率，但并不存在明顯的土壤侵蝕。

本研究結(jié)果表明，春季解凍期土壤侵蝕主要發(fā)生在耕地，而林地和草地在解凍期很少有侵蝕發(fā)生。這與不同土地利用的溫度、地表覆蓋狀態(tài)、土壤特性等有關(guān)。不同土地利用類型中，解凍期空氣溫度林地最低，且溫差最小，其次是草地，而耕地空氣溫度最高，溫差最大。林地和草地都具有較厚的枯枝落葉層，而耕地基本無地表覆蓋。冠層導(dǎo)致的氣溫差異和地表枯落物覆蓋可能是林草地?zé)o明顯侵蝕的主要原因。土壤性質(zhì)方面，解凍期林地的土壤含水率最高，其次是草地，耕地的土壤含水率最低，而土壤溫度則是耕地最大，其次是草地，林地最小，土壤反射輻射則與土壤溫度規(guī)律一致，耕地＞草地＞林地。土壤剪切力大小依次為林地、草地、耕地，且林地草地均與耕地存在極顯著差異（p＜0.01）。