锡林郭勒草地景观系统土壤容重空间变异及其与风蚀的关系

邱倩倩, 张卓栋, 孙传龙, 刘宏远

(北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875)

锡林郭勒草地景观系统土壤容重空间变异及其与风蚀的关系

邱倩倩, 张卓栋, 孙传龙, 刘宏远

(北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875)

[目的] 探究锡林郭勒草地在景观尺度上土壤容重空间分布规律及其与风蚀的关系，为有效进行草原风蚀防治提供理论参考。 [方法] 对锡林郭勒草原不同地形和土地利用条件下土壤容重的空间变异性进行调查分析，主要采用环刀法、吸管法、TOC法测定土壤容重、机械组成和有机碳含量。 [结果] 锡林郭勒草原土壤容重呈现中等空间变异性；容重随地形变化在轻牧区表现为：迎风坡>背风坡>平地，而在中牧和重牧区的变化与之相反，且海拔与容重呈负相关性；在同样地形条件下，不同土地利用容重变化规律为：重牧区>耕地>中牧区>轻牧区>禁牧区。 [结论] 研究区土地利用类型是影响容重最主要的因素。容重与风蚀速率呈现明显的负相关性，容重可作为评估本区域风蚀发生与影响强度的一个重要参考指标。

草原; 景观系统; 容重; 空间变异; 风蚀

锡林郭勒草原是中国北方风蚀严重的地区之一[1]，其土地退化面积占该区总面积的72%[2]。草原土地资源的不合理利用是草原严重退化的重要原因[3]。过度放牧及草原开垦会使大面积的表层土裸露，改变表层土壤理化特性，表土层的破坏必然会引起风蚀[4]。风蚀亦带来土壤性质的改变，二者相互作用加剧草原风蚀退化。国内外关于草地土壤容重及其与土地利用和风蚀等土地退化问题的研究已取得一定进展。史培军等[5]通过调查认为土壤容重对风蚀的作用是双重的，即可加速也可削弱风蚀，而开垦和放牧均会不同程度地加速土壤风蚀。锡林郭勒草原位于侵蚀与堆积的过渡地带，对风蚀十分敏感[6]，Hoffmann等[7]在锡林郭勒草原的研究发现地形和土地利用是影响该地区风蚀的主要因子。锡林郭勒草原最主要的土地利用方式为放牧，其次是耕地。孙海燕等[8]发现随草原放牧强度的增大，土壤容重呈现增加的趋势。围封禁牧是改良草地土壤的有效措施，乔荣等[9]的研究表明禁牧时间越长，土壤改良程度越大，土壤容重就越小。以上这些研究成果对我们理解锡林郭勒草原风蚀发生的机制与特点等具有重要意义。草地风蚀与土壤退化关系密切，土壤的理化性质能反映土壤的风蚀退化程度。容重作为衡量土壤性质的重要物理指标，在水蚀领域中已有较深入研究[10-11]，然而在风蚀研究中一般只是将其作为辅助指标用以说明土壤理化性质的变化，以容重为主要对象对风蚀进行研究还鲜见报道。风蚀作为一种具有分选性的土壤侵蚀过程[8]，会显著改变土壤质地，土壤容重也随之改变，土壤容重在风蚀区可以比在水蚀区更灵敏地反映侵蚀过程及结果。目前关于草原风蚀的研究中，部分研究尺度较小，仅局限于小块土地[12]，而部分研究着眼于区域尺度采用遥感手段[13]，则不利于地表精细过程的研究。本研究从景观尺度出发，能有效连接小地块尺度和区域尺度，既可避免因研究尺度过小而不能全面反映大面积草原风蚀规律，又可精细反映出地表风蚀过程。本研究旨在通过了解锡林郭勒草原土壤容重在景观尺度上的空间分布及变异特征，从地形和土地利用两个方面揭示土壤容重的变化机理，并结合前人研究成果进一步探讨容重与风蚀之间的关系，为更有效地进行草原风蚀防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区锡林河流域南部(43°32′10″—43°33′2″N，116°32′10″—116°41′22″E)。研究样带东西长24.8 km，南北宽1.6 km，地势东高西低，海拔范围1 165～1 389 m。研究区属于中温带半干旱大陆性气候，春季气候干燥，大风少雨，蒸发强烈，日照充沛；夏季温暖，雨热同季；秋季时间短，气温骤降；冬季干冷漫长[14]，年平均气温0.7 ℃，年均降水量350 mm。3—5月为风期，盛行西风，易发风蚀和沙尘暴。研究区主要土壤类型为草原栗钙土，主要植被为羊草(Leymuschinenss)和大针茅(Stipagrandis)。Reiche等[15]利用2009年ASTER遥感影像数据，依据植被高度、植被盖度及地表粗糙度指标对研究区土地利用进行分类。由于遥感影像土地利用分类精度的限制，以及本研究的野外调查距Reiche等的研究已有5 a，实际土地利用类型可能发生一定改变。因此，本研究以Reiche等的研究结果为重要参考，同时结合野外调查获取的实际情况对土地利用类型进行了部分修正。最终发现，重度放牧区主要位于样地西部，轻度放牧区面积小，样地东部有耕地，作物以小麦为主。本次野外调查发现轻牧区内分布有禁牧草场，调查中未遇到灌木林地。因此，本研究共包含禁牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧及耕地5种土地利用类型。

1.2 样点布设与野外调查采样及处理

2014年5月初，于样地两两样点间隔400 m，共布设160个样点。利用100 cm3不锈钢环刀采集1—6 cm容重土样，同时取约100 g散土土样，并记录采样点地形、植被等信息。将环刀土样带回室内在105 ℃条件下烘干24 h后称重，计算土壤容重。采用吸管法测定土壤机械组成，利用TOC仪器测定有机质含量。

2 结果与分析

2.1 土壤容重统计学特征及空间分布规律

经K-S单样本检验，研究区容重频数分布近似符合正态分布(p<0.05)，其峰度0.38，偏度-0.19，相伴概率值0.650。样地东西向5条样线上(表1)，由北向南容重的变异系数呈增大趋势。容重的最小值0.93 g/cm3，最大值1.47 g/cm3，均值1.21 g/cm3，变异系数0.09。容重的半变异分析表明，在拟合效果最好的线性模型(RSS=3.462 E-06，R2=0.933)下，变程值为6.05 km，块金值与基台值的比值为56%，属于中等空间变异。Zhao等[16]在锡林郭勒草原的研究发现土壤容重在地块尺度上呈现强空间变异性。随研究尺度增大，土壤容重空间变异相对减小。

研究区容重的普通克里格(ordinary Kriging)插值结果如图1所示。以整个研究区中部为界，西部大致呈现东西走向的带状分布，容重变化在1.17～1.48 g/cm3之间。西南端出现容重较小的斑块，原因是该区有禁牧草场分布，使其容重明显小于周围放牧区域。过度放牧的压实作用造成了容重增大，这与魏强等[17]的研究相符。研究区东部容重变化为0.92～1.28 g/cm3，东南部分布有耕地和小块重牧区，往北逐渐为坡草地，因此容重由南向北逐渐减小，大致呈南北走向的带状分布。

表1 研究区土壤容重的统计学特征

图1 研究区土壤容重空间插值图

容重的空间分布与土地利用类型基本对应，同时研究发现机械组成和有机质的含量也随土地利用类型呈现对应规律(表2)。随放牧强度增大，土壤砂粒含量逐渐增加，黏粒含量和有机质含量减少。禁牧草场黏粒和有机质的含量最高，砂粒含量最低，耕地的土壤质地与重牧区差别不大，其有机质含量最少。随土地利用类型的变化，容重与土壤黏粒和有机质含量呈负相关性，而与砂粒含量呈正相关性。

表2 研究区土壤机械组成和有机质含量 %

2.2 土壤容重随地形的变化

容重在轻牧区由大到小变化依次为:迎风坡>背风坡>平地，在中牧和重牧区由大到小变化依次为:平地>背风坡>迎风坡(表3)。无动物干扰的自然条件下，相对于背风坡和平地，迎风坡风速更大，侵蚀营力更强，迎风坡土壤更易被侵蚀，细粒部分更多被吹蚀，土壤粗化，导致容重增大。因此容重出现迎风

坡>背风坡>平地的一般规律。而在放牧的影响下，随着放牧强度的不同，容重随地形的变化表现出了不同规律。在放牧强度小的情况下，野外调查显示，轻牧草场动物活动少，海拔较高，坡度较陡，背风坡的苔藓、结皮、植被等条件优于迎风坡，土壤有微弱成土作用，因此背风坡容重较迎风坡小。轻牧区平地面积小，位于坡地之间，起伏地势导致风沙易在此沉积，容重变小。因此在轻牧区，地形仍然是影响容重的最主要因素，容重随地形的变化仍然符合一般规律。而随放牧强度的继续增大，在重牧区和中牧区容重呈现出恰好相反的变化规律。研究发现，重牧和中牧区，地势低，坡度较缓，动物活动强度大。在大面积广阔的平坦低地，动物和人类活动的压实作用明显增大了容重。与平地相比，背风坡离地面1 m高度的风速减小8%，迎风坡增加33%[18]，且背风坡原本植被条件优于迎风坡，因此相对于迎风坡，避风的背风坡更利于动物活动。同时，野外调查亦发现在放牧强度较大的草场，背风坡植被状况较迎风坡差，这与动物频繁践踏采食现象相符。红梅等[19]在浑善达克沙地的研究也表明，重牧条件下背风坡植被破坏严重，土表未形成结皮，容重较大。因此，在无动物干扰或放牧强度小的情况下，容重的变化符合一般规律，当放牧强度大时，动物活动对土壤容重的影响超过了地形的影响作用，容重呈现与一般规律不一致的结果。

表3 不同地形条件下土壤容重统计特征值

注：只对观测数≥8的地形进行标准差和变异系数计算。

东西向典型样线土壤容重的分析(图2)结果表明，容重与海拔之间负相关性极显著，相关系数为-0.687。容重与海拔的关系亦与土地利用类型有关。样地西部地形平坦，放牧强度大，容重较大，随海拔升高，坡地增多，动物及人类扰动减小，同时，地形起伏使风沙易在此沉积，土壤容重较小。

图2 研究区典型样线土壤容重的变化

2.3 土壤容重随土地利用的变化

容重总的变化趋势由大到小依次为:重牧区>耕地>中牧区>轻牧区>禁牧区(表3)。重牧区与其他土地利用下的容重差异显著(p<0.05)。容重随放牧强度增大而明显增加，这与Daniel等[20]的研究结果一致。Su等[21]在科尔沁沙地的研究表明，草场禁牧后，地表枯落物、腐殖质等的积累使得土壤理化性质得到明显改良，土壤质地变好，容重减小。文海燕等[22]的研究也表明，草场开垦后，土壤的理化性质发生退化，土壤总孔隙下降，容重增大。放牧强度的差异导致植被状况差异，与高度相比，植被盖度与容重的关系更为显著(表4)。土地利用强度越大，特别是重牧区，容重与植被条件的负相关性更为显著，土壤沙化的过程中，容重的增大必然会影响到土壤含水量和空气的移动及植被根系的发育[23]。由于耕地植被均一，其与容重关系不显著。

表4 容重与植被的相关系数

注：*表示在5%水平上显著。

2.4 土壤容重与风蚀关系的探讨

Funk等[6]运用137Cs示踪技术测算了锡林郭勒草原土壤年平均侵蚀与堆积速率，其中7个样点位于本研究区。为探讨土壤容重与风蚀之间关系，将其7个样点的风蚀速率与本研究对应的容重值结合分析可知，随风蚀速率增大，土壤容重显著减小，二者线性相关关系较好(R2=0.77)。侵蚀速率最大的两个样点分别位于重牧区与耕地内，堆积速率最大的样点分别位于禁牧与轻牧草场内。这与Hoffmann[18]在锡林郭勒草原的研究发现相符。当草地的放牧强度增大或开垦为耕地，地表植被的粗糙度就会减小，植被吸收和分散地面风动量的作用减弱，地面与风力之间的能量传递作用加强，风动量增加[24]，从而导致输沙量增加，风蚀严重。在这些重牧区或耕地上，由于较细的颗粒被风吹蚀，留下的土壤砂粒含量增加(表2)，土壤容重增大。反之，禁牧区优良的植被条件大大起到了遏制风蚀[25]、保持土壤的作用。

研究区大部分容重大的区域伴随着由放牧引起的动物践踏作用。动物的践踏压实减少土壤总孔隙度，使土壤渗透能力减弱，保水持水能力下降，地表植被亦发生退化。Zhao等[16]在锡林郭勒草原的研究认为，动物践踏会加强土壤的压实及均质化，由于这种土壤结构的退化而增加了土壤被风蚀的可能性。而小部分容重大的轻牧区，风力对迎风坡的吹蚀作用是导致土壤颗粒变粗，容重变大的主要因素，容重越大，风蚀程度越大。容重小的区域，风力作用小或者土地利用强度小，致使土壤风蚀也弱。因此，容重较小的土壤风蚀较弱，容重较大的土壤遭受风蚀的可能性大。容重可作为评估本区域土壤风蚀发生与影响强度的一个重要参考指标。

3 结 论

(1) 内蒙古锡林郭勒草原景观尺度上表层土壤(1—6 cm)容重变化为0.92～1.48 g/cm3，空间上呈现中度依赖性。土壤容重的空间变化与土地利用类型的分布情况相关。

(2) 通过对容重的影响因子分析发现，一般条件下，在动物干扰小的轻牧区容重变化为:迎风坡>背风坡>平地，在人类放牧强度大的重牧和中牧区，其规律刚好相反，且容重与海拔呈现一定负相关性。不同土地利用类型下容重大小的变化为:重牧>耕地>中牧>轻牧>禁牧。研究区土地利用类型是影响容重变化的最主要因素。

(3) 锡林郭勒草原表层土壤容重越大，土壤风蚀的可能性越大；而一般条件下，风蚀越强的地区土壤容重也越大。因此，对容重较大的地区要加强风蚀防治，防止土壤退化。控制土地利用强度是该地区防治风蚀的有效措施。

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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

国家自然科学基金项目“融合地表参数与风场模拟的草地景观系统风蚀定量评价：以锡林郭勒草原为例”(41301282)

邱倩倩(1990—),女(汉族),陕西省白河县人,硕士研究生,研究方向为土壤资源保护和利用。E-mail:qqqiu@mail.bnu.edu.cn。

张卓栋(1984—)，男(汉族),湖南省湘潭县人，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀研究。E-mail:zzhang@bnu.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.010

A

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

S157.1

文献参数： 邱倩倩, 张卓栋, 孙传龙, 等.锡林郭勒草地景观系统土壤容重空间变异及其与风蚀的关系[J].水土保持通报，2016,36(6)：058-062.