基于不同用地類型的土壤風(fēng)蝕物變化特征研究

呂興民

(錦州凌豐建設(shè)工程有限公司，遼寧 錦州 121100)

義縣屬于遼西山地丘陵區(qū)范圍，地處半干旱、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)該區(qū)域大風(fēng)天氣頻發(fā)飽受土壤風(fēng)蝕的侵?jǐn)_，尤其是土地利用方式的改變以及高強(qiáng)度經(jīng)營(yíng)活動(dòng)更是加劇了風(fēng)蝕過(guò)程，土壤風(fēng)蝕帶來(lái)的揚(yáng)沙天氣、土壤退化等現(xiàn)象對(duì)區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。實(shí)踐表明，風(fēng)蝕是造成表層土壤碳氮流失的關(guān)鍵因素之一，風(fēng)蝕每年造成的總氮和有機(jī)碳流失量達(dá)到4×106t、7×106t。風(fēng)蝕導(dǎo)致的細(xì)顆粒損失會(huì)產(chǎn)生更沙質(zhì)的土壤結(jié)構(gòu)，而細(xì)顆粒的損失進(jìn)一步降低土壤有效性及養(yǎng)分含量，其中地上部植被狀態(tài)及土壤性質(zhì)是影響細(xì)顆粒物損失的主要因素[3-5]。近年來(lái)，我國(guó)諸多學(xué)者深入研究了土壤質(zhì)量受風(fēng)蝕的影響、風(fēng)蝕物含量及其垂直分布等，但定量分析地表土壤養(yǎng)分損失及組成與土壤風(fēng)蝕物粒度組成的關(guān)系，以及風(fēng)蝕物攜帶的碳氮養(yǎng)分含量等還鮮有報(bào)道。因此，研究不同用地方式地表土壤碳氮養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律、風(fēng)蝕物含量及機(jī)械組成，對(duì)于理清土壤貧瘠沙化的原因以及進(jìn)一步了解風(fēng)蝕過(guò)程、作用機(jī)理等意義重大。

本研究通過(guò)野外實(shí)地調(diào)研，選擇遼西山地丘陵區(qū)義縣下堡子小流域糧食、林果兩種用地類型，確定春冬季兩個(gè)時(shí)段，地表風(fēng)蝕物采集時(shí)間為2020-2021 年大風(fēng)季節(jié)(春季、冬季)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集揭示不同用地類型的風(fēng)蝕物碳氮含量、粒徑、質(zhì)量垂直分布特征。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

下堡子小流域位于遼寧省義縣瓦子峪鎮(zhèn)境內(nèi)，屬大凌河中游，地處E121°33′52″～121°36′00″，N41°36′24″～41°39′56″之間，屬半干旱、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，具有春季干旱，雨熱同期，日照充足，溫差較大的特點(diǎn)，年均降水量528.3mm，降雨年季間變化大，年內(nèi)分配不均勻，多集中在7-9月。據(jù)統(tǒng)計(jì)，≥10℃積溫3389.1℃，年日照時(shí)數(shù)2581.6h，無(wú)霜期149d，太陽(yáng)總輻射量585kJ/cm2，多年平均大風(fēng)日數(shù)161d，多年平均風(fēng)速3 m/s，冬季以西北風(fēng)為主，夏季以西南風(fēng)為主。土壤類型以棕壤性土亞類為主，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物及石灰?guī)r、基性巖、酸性巖等風(fēng)化物，腐殖質(zhì)少，通透性差，抗沖蝕性弱，土壤侵蝕極易發(fā)生水土流失[6-8]。

1.2 樣點(diǎn)選擇

根據(jù)義縣農(nóng)業(yè)用地和土壤風(fēng)蝕實(shí)際情況，確定糧食作物用地(馬鈴薯免耕地、馬鈴薯翻耕地)和林果用地(桑葚、山杏、油桃)等用地類型。為保證樣地土壤狀況、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)的相同，各地塊均分布于下堡子小流域中心附近，各樣點(diǎn)情況見(jiàn)表1。

表1 樣點(diǎn)地表特征

1.3 檢測(cè)方法

采用階梯式集沙儀收集不同用地類型的土壤風(fēng)蝕物，集沙儀總高度100cm，將截面積5cm×5cm 的2 個(gè)集沙筒分別安設(shè)于距離地面70cm、60cm、50cm、40cm、30cm 處，集沙筒的一端與布袋相連接，另一端開(kāi)口收集風(fēng)蝕物。在風(fēng)力作用下風(fēng)蝕物經(jīng)進(jìn)沙通道進(jìn)入布袋，沙塵進(jìn)入流線構(gòu)造的布袋內(nèi)后靠重力沉積，將導(dǎo)向器安裝在集沙儀上方，集沙儀能夠自由旋轉(zhuǎn)，從而保證侵蝕風(fēng)向始終正對(duì)集沙儀入口[10-12]。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，定義春季備耕期為次年3-5 月，冬季休耕期為上年12 月-次年3 月。本研究于2020 年12 月1 日安裝集沙儀，針對(duì)不同用地類型每隔60m 連續(xù)安裝3 個(gè)集沙儀，為降低遠(yuǎn)距離運(yùn)輸對(duì)風(fēng)蝕物收集結(jié)果的影響，研究所選地塊面積均不低于2000m2，在地塊北側(cè)及西側(cè)即主風(fēng)向方向種植草籬和防護(hù)林。將2021 年4 月28 日、2021年2 月26 日集沙儀所采集的風(fēng)蝕物作為春季備耕期和冬季休耕期風(fēng)蝕物樣品。風(fēng)蝕物收集過(guò)程中，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的降雨及風(fēng)速情況，如表2 所示。

表2 觀測(cè)期降雨及風(fēng)速監(jiān)測(cè)值

在春季備耕期和冬季休耕期觀測(cè)前，對(duì)各樣點(diǎn)0～5cm 深度范圍內(nèi)的表土取樣，將采集回來(lái)的樣品風(fēng)干，剔除雜質(zhì)后粉碎過(guò)2mm 篩，然后將樣品分成兩部分用于碳、氮含量及粒度的測(cè)定，所用儀器有元素分析儀和激光粒度儀等。

1.4 富集比計(jì)算

本研究利用富集比來(lái)反映土壤養(yǎng)分損失及顆粒組成與碳氮含量、粒徑之間的關(guān)系，其相關(guān)公式為：

式中：C1、N1、PZ1為風(fēng)蝕物中的碳、氮和某粒級(jí)顆粒物含量，%；C0、N0、PZ0為表層土壤中碳、氮和某粒級(jí)顆粒物含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

在春季備耕期和冬季休耕期，自然風(fēng)條件下不同用地類型的土壤風(fēng)蝕物隨高度變化特征見(jiàn)圖1。

圖1 不同高度的土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

結(jié)果表明：①隨高度增加春季備耕期馬鈴薯翻耕和山杏地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì)；隨高度變化馬鈴薯免耕地、油桃林地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量變化與冬季休耕期不同，土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量受人為活動(dòng)影響呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。距地表30cm 高度時(shí)采集的桑葚林地風(fēng)蝕物質(zhì)量達(dá)到最高，占總采集量的21.2%，隨高度變化風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。因此，隨高度變化無(wú)人為擾動(dòng)時(shí)期的土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量與下墊面條件密切相關(guān)，受人為擾動(dòng)的春季備耕期內(nèi)的近地表風(fēng)沙活動(dòng)加劇。②隨高度增加冬季休耕期馬鈴薯翻耕和山杏地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì)，其中距地表30cm、40cm 處的風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%和20%以上；隨著高度增加馬鈴薯免耕、油桃、桑葚地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，距地表60cm 高度時(shí)桑葚林地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量達(dá)到最高，占總采集量的20.7%，距地表40cm 高度時(shí)油桃林地和馬鈴薯免耕地土壤風(fēng)蝕物質(zhì)量達(dá)到最高，占總采集量的23.2%和22.0%。

在春季備耕期和冬季休耕期內(nèi)，自然風(fēng)條件下不同用地類型的土壤輸沙通量變化特征如圖2。

圖2 不同高度的土壤輸沙通量

結(jié)果表明：春季備耕期內(nèi)不同用地類型的輸沙通量排序?yàn)樯］兀忌叫樱捡R鈴薯翻耕＜馬鈴薯免耕＜油桃，冬季休耕期內(nèi)不同用地類型的輸沙通量排序?yàn)樯叫樱捡R鈴薯免耕＜桑葚＜油桃＜馬鈴薯翻耕地。受大風(fēng)天氣和人為擾動(dòng)的雙重作用，春季備耕期明顯高于冬季休耕期各用地類型的輸沙通量，前者約為后者的2.09～5.23 倍，其中增幅最高的為油桃林地，春季備耕期約為冬季休耕期輸沙通量的5.23 倍。

2.2 風(fēng)蝕物粒徑垂直分布特征

在春季備耕期和冬季休耕期不同用地類型的土壤風(fēng)蝕物粒徑垂直分布特征見(jiàn)表3。結(jié)果表明，各用地類型春季休耕期的土壤風(fēng)蝕物粒徑均處于0～1000μm 范圍，其中90%以上集中分布在2～250μm 范圍；各用地類型冬季休耕期的土壤風(fēng)蝕物粒徑均處于0～1000μm 范圍，其中85%以上分布在2～500μm 范圍。另外，各用地類型春季備耕期的平均粒徑均小于冬季休耕期。

表3 土壤風(fēng)蝕物粒徑分布特征

續(xù)表3 土壤風(fēng)蝕物粒徑分布特征

在春季備耕期和冬季休耕期不同用地類型的土壤風(fēng)蝕物富集特征見(jiàn)表4。結(jié)果表明：①春季備耕期不同高度的馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕、油桃林地2～250μm 風(fēng)蝕物顆粒出現(xiàn)富集，山杏林地50～250μm 風(fēng)蝕物顆粒出現(xiàn)富集，桑葚林地2～100μm 風(fēng)蝕物顆粒出現(xiàn)富集；隨高度增加馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕、油桃林地100～250μm 風(fēng)蝕物顆粒逐漸減少，油桃林地50～100μm 風(fēng)蝕物顆粒逐漸增加，而馬鈴薯翻耕、馬鈴薯免耕2～50μm風(fēng)蝕物顆粒逐漸增加。②冬季休耕期不同高度的各用地類型100～250μm 風(fēng)蝕物顆粒都出現(xiàn)富集，其中富集比最高的是馬鈴薯免耕地，其次為油桃林地，富集比最低的是馬鈴薯翻耕地；除山杏林地外，不同高度的其它4 種用地類型250～500μm風(fēng)蝕物顆粒也出現(xiàn)富集，不同高度的馬鈴薯翻耕地2～50μm 風(fēng)蝕物顆粒出現(xiàn)富集；隨著高度的增加山杏林地250～500μm 風(fēng)蝕物顆粒富集比逐漸減小，而2～50μm 風(fēng)蝕物顆粒富集比逐漸增大，隨高度變化其它用地類型風(fēng)蝕物顆粒組成未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。

表4 土壤風(fēng)蝕物粒徑富集比

續(xù)表4 土壤風(fēng)蝕物粒徑富集比

2.3 風(fēng)蝕物碳氮含量變化特征

不同用地類型風(fēng)蝕物碳氮含量特征見(jiàn)表5。

表5 土壤風(fēng)蝕物碳氮含量特征

續(xù)表5 土壤風(fēng)蝕物碳氮含量特征

結(jié)果顯示春季備耕期各用地類型碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量為春季備耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍，具體如下：

①山杏林地：距地面60cm 處冬季休耕期山杏林地土壤風(fēng)蝕物碳氮含量均達(dá)到最高，相比于距地面30cm 的碳氮含量增加幅度達(dá)到57.20%、70.0%，隨高度的增加春季備耕期風(fēng)蝕物碳氮含量呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。②桑葚林地：距地面30cm 處冬季休耕期桑葚林地土壤風(fēng)蝕物碳氮含量均達(dá)到最高，相比于其它高度的碳氮含量增加幅度達(dá)到4.6%～12.2%、12.1%～27.7%；隨高度的增加春季備耕期風(fēng)蝕物碳含量變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，而氮含量則呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。③油桃林地：距地面60cm 處冬季休耕期油桃林地土壤風(fēng)蝕物碳氮含量均達(dá)到最高，與距地面70cm 處碳氮含量相比為其1.1 倍、1.3 倍；隨高度的增加春季備耕期風(fēng)蝕物碳、氮含量變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。④馬鈴薯免耕地：距地面70cm 處冬季休耕期馬鈴薯免耕地土壤風(fēng)蝕物總氮含量均達(dá)到最高，與距地面30cm 處氮含量相比為其1.6 倍；距地面50cm 處冬季休耕期馬鈴薯免耕地土壤風(fēng)蝕物總碳含量均達(dá)到最高，與距地面30cm 處碳含量相比為其1.3 倍；隨高度的增加春季備耕期風(fēng)蝕物碳、氮含量變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。⑤馬鈴薯翻耕地：距地面60cm 處冬季休耕期馬鈴薯翻地土壤風(fēng)蝕物碳氮含量均達(dá)到最高，與距地面30cm 處碳氮含量相比為其1.8 倍、2.0 倍；隨高度的增加春季備耕期風(fēng)蝕物碳、氮含量變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性[13-15]。

從表5 可以看出，山杏、桑葚、油桃、馬鈴薯免耕、馬鈴薯翻耕各用地類型土壤風(fēng)蝕物碳氮均產(chǎn)生富集，其中冬季休耕期馬鈴薯免耕地氮富集比最高達(dá)到18.86，其次為油桃林地的17.21，馬鈴薯翻耕地最低為9.30，而馬鈴薯免耕地的碳富集比最高。冬季休耕期的碳氮富集比均高于春季備耕期，碳氮富集比最高、最低的是油桃和桑葚林地。

3 結(jié)論

1）隨高度增加各用地類型的風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征不同，其中馬鈴薯翻耕地與山杏土壤風(fēng)蝕物呈冪函數(shù)遞減規(guī)律，隨高度增加馬鈴薯免耕地、油桃、桑葚林地的風(fēng)蝕物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。

2）各用地類型的冬季休耕期輸沙通量均低于春季備耕期，從低到高冬季休耕期輸沙通量排序?yàn)樯叫樱捡R鈴薯免耕＜桑葚＜油桃＜馬鈴薯翻耕地，春季備耕期排序?yàn)樯］兀忌叫樱捡R鈴薯翻耕＜馬鈴薯免耕＜油桃林地。

3）研究區(qū)域易侵蝕土壤顆粒粒徑處于2～500μm 范圍，地表土壤2～500μm 顆粒含量影響著50cm、60cm 高度范圍內(nèi)的風(fēng)蝕物2～500μm顆粒含量。春季備耕期各用地類型的碳氮含量均低于冬季休耕期，冬季休耕期碳氮含量為春季備耕期的2.0～6.1 倍和1.5～5.7 倍。