辽西北风沙地土壤抗蚀性及其与力学性质关系

代 军 吕 刚 杜昕鹏

(1.辽宁民族师范高等专科学校 辽宁 阜新 123000 2. 辽宁工程技术大学 辽宁 阜新 123000)

我国每年土壤侵蚀面积占国土总面积的三分之一，对生态、农业构成了巨大的负面影响，而土壤侵蚀取决于外营力对土壤的搬运能力以及土壤本身的抵抗力，即土壤抗侵蚀力[1]。土壤抗蚀性是土壤抵抗侵蚀营力分散和搬运作用表现出来的抵抗力[2]，是土壤侵蚀研究的重要内容之一。本文通过研究表明土壤抗蚀性与土壤理化性质密切相关，同时土壤的砾石含量及植物根系也是土壤抗蚀性的重要影响因素[3]。科尔沁沙地地处辽宁西北部，是我国半干旱农牧交错带的典型代表区域，亦是防风固沙的前线[4]。樟子松是防风固沙的优良树种，有效地控制了沙地向南入侵，辽西北土地沙漠化现象逐年改善[5]。随着沙漠化治理的不断深入，科尔沁沙地已形成了诸多不同的土地利用方式，但是受其本身土壤条件限制，该地区的生态环境依然很脆弱，风蚀、水蚀等现象较其他地区依然很严重，是我国水土流失严重的区域之一[6]。诸多学者对该地区风蚀的过程与防治做了大量研究[7-8]，但是该地区的水力侵蚀过程、土壤的抗蚀性以及土壤抵抗外营力的能力等方面的研究还鲜有报道。风沙土由于其结构松散、土壤有机质含量低的特点，在受到降雨、径流的冲刷、悬浮作用时，容易分散和迁移，形成水力侵蚀。李强[9]等对黄土风沙区土壤抗冲性进行定量研究，探究了植物根系对土壤抗冲性的强化作用；肖俊波[10]等探究了内蒙古坡耕地风沙土在冻融循环条件下的土壤抗冲性。可见，风沙土的水力侵蚀研究目前多集中在土壤的抗冲性上，在土壤抗蚀性方面还鲜有报道。而且，土壤水蚀是雨滴对土粒的击溅作用和径流对土粒的冲刷剪切作用的综合[11]，径流与土壤之间的物理作用归根到底是水对土体的破坏作用，而土体的破坏过程是土壤抗剪能力丧失的过程[12]。刘国彬[13]在坡面土壤水蚀研究中也认为其过程实际上是水流对土壤剪切作用过程。因此抗剪强度等力学性质对风沙土抗蚀性的影响尤为重要。

本文以辽西北风沙地的林地、草地、果园和耕地等四种典型的土地利用方式为研究对象。采用现场采样与室内分析结合的方法获取了土壤特性指标与根系指标，对比分析了不同土地利用方式下的土壤抗蚀性特征，同时将风沙土的力学性质与土壤抗蚀性相联系，为其他地区同类土壤的抗蚀性指标筛选提供理论基础。

一、研究区概况

研究区位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台站(E 122°22′，N 42°43′)，该地区地处科尔沁沙地南缘，属温带大陆性季风气候区，年平均降雨量为497.8 mm，时空分布不均，由南向北逐渐递减，且集中在6月～9月；多年平均蒸发量为1781mm；多年平均无霜期152d。平均冻土深度1.11m，最大冻土深度1.4m；多年平均气温为7.9℃，多年平均风速3.8m/s。土壤属风沙土，土壤颗粒以砂粒为主，主要成分为石英沙，沙层深厚，土壤瘠薄，有机质含量低，土壤剖面基本无层次划分，其土壤结构质地很差，土壤疏松，缺乏淀积层，土壤保墒性较差。植被属华北植物区系、蒙古植物区系和长白植物区系交错地区，自然植被多为抗旱较强的沙地植被，代表性的有樟子松(Pinus sylvestris L. var. mongholica Litv.)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、荆条(Vitex negundo)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、兴安胡枝子(Lespedeza davurica)、多叶隐子草(Cleistogenes polyphylla)、百里香(Thymus mongolicus)、大针茅(Stipa grandis)等。

二、研究方法

笔者于2018年7月在辽宁省沙地治理与利用研究所章古台站，综合考虑植被类型、地形状况，在试验地选取4种土地利用方式(花生地、樟子松林地、荒草地、大扁杏林地(果园))的土壤作为研究对象。在不同土地利用方式的样地布设1个20m×20m的样方，每个样方随机选取三个样点，在0～60cm土层深度分三层(0～20cm、20cm～40cm、40cm～60cm)取环刀样品与散样，带回实验室后测土壤理化性质。其中土壤容重、土壤含水率、土壤饱和含水率、土壤毛管持水量采用环刀法进行测量；稳渗速率采用双环入渗法；有机质采用重铬酸钾—外加热法；土壤机械组成采用吸管法测定(按照国际制土壤分级标准划分，砂粒2mm～0.02mm，粉粒0.02mm～0.002mm，粘粒<0.002mm)；根系参数采用根钻法取样，用WinRHIZO根系分析系统进行分析[14]。 不同土地利用方式下的土壤含水率、机械组成与根系见表1。

表1 土壤含水率、机械组成与根系指标

续表1

本实验采用ZJ-应变式直剪仪测量土壤粘聚力与内摩擦角，休止角实验测定在休止角测定仪上进行。将选好的沙洋放入锥形漏斗中，此时漏孔调节片呈关闭状态。调整漏斗至某一高度，并用调节螺钉固紧在支撑杆上，使漏斗固定于坐标纸上方一定高度H。然后用水平仪调平承接板，当打开漏孔调节片时，使沙子落在承接板上直到形成的堆积圆锥顶部与漏斗底部刚好接触，6次测定圆锥地面直径，求其半径平均值R.休止角=atan(H/R)[15]。

三、结果与分析

(一)土壤水分物理性质与有机质

由图1可知，不同土地利用方式下的土壤容重的变化范围为1.44～1.70 g/cm3。花生地土壤容重随着土层的加深土壤容重增大，且花生地不同土层之间容重的差异性显著(P<0.05)；樟子松林地和荒草地随着土层深度的增大土壤容重减小，这两种土地利用方式不同土层的土壤容重差异性显著(P<0.05)；大扁杏林地(果园)则随着土层深度的加深土壤容重先增大后减小，且只有20cm～40cm层的土壤容重与其他土层的差异性显著(P<0.05)，这是由于花生地为农耕地，翻地、松土等耕作措施使得土壤表层的土质变松软，孔隙的增大，且表层根系发达，导致土壤容重较小；而樟子松林地和荒草地没有经过人工翻作，但是经常有牲畜的经过，使得表层土壤被压实，土壤容重较高。各土地利用方式的平均土壤容重表现为花生地(1.59g/cm3)>樟子松林地(1.57g/cm3)>荒草地(1.55g/cm3)>大扁杏林地(果园)(1.52g/cm3)，这与胡宁[16]的研究结果不同，一方面是由于人工干扰影响较大，另一方面是因为风沙土的机械组成与粘壤土的差异性较大。花生地0-20cm层有机质含量是40cm-60cm土层的3.89倍，大扁杏0-20cm土层有机质含量是40cm-60cm土层的4.42倍，这是因为农地每年都会人工施肥，导致表层与深层的差异性较大，而大扁杏林果园由于果实掉落等现象使得表层的土壤有机质含量较高；樟子松林地和荒草地三个土层深度差异性不大。不同土地利用方式不同土层平均有机质含量表现为花生地(2.39g/kg)最大，大扁杏林地(果园)(1.39g/kg)最小，说明施肥对土壤有机质含量影响较大，这与郭培才[17]等的研究结论相同。

图1 不同土地利用方式土壤容重与有机质

由图2可知，不同土地利用方式下土壤的饱和含水量与毛管持水量随土层深度的增加变化趋势相同，花生地饱和含水量0-20cm土层显著大于20cm-40cm土层和40cm-60cm土层，毛管持水量0-20cm土层显著大于20cm-40cm土层显著大于40cm-60cm土层；樟子松林地饱和含水量和毛管持水量都表现为20cm-40cm土层显著大于40cm-60cm土层显著大于0-20cm土层；荒草地饱和含水量和毛管持水量都表现为20cm-40cm土层显著大于40cm-60cm土层显著大于0-20cm土层；大扁杏林地(果园)饱和含水量0-20cm土层显著大于20cm-40cm土层和40cm-60cm土层，这是由于花生地和大扁杏林地(果园)表层根系较多，是土壤更加疏松，土壤空隙增大，持水能力增强。

图2 不同土地利用方式土壤饱和含水量与毛管持水量

(二)土壤抗蚀性分析

在土壤抗蚀性指标体系的选择上，国内外研究学者大多以土壤的结构破坏率、土壤团聚状况、土壤团聚度、分散系数、土壤水稳性团聚体含量等指标作为土壤抗蚀性评价的指标来构建指标评价体系[18]，但是风沙土结构松软，团聚体含量低，且水稳性极差，土壤团聚体在湿筛实验中极短的时间内全部崩坏、分散，使得不同土地利用方式的实验结果并无差异。因此风沙地的土壤抗蚀性指标无法单纯采用传统的指标体系。根据前人的研究基础[19-20]，再结合风沙地特征，本研究选择土壤持水状况、机械组成、根系、土壤容重与养分5个方面8个指标(X1饱和含水量(%)、X2毛管持水量(%)、X3土壤含水率(%)、X4砂粒含量(%)、X5总根长密度(cm3/cm3)、X6根体积密度(cm3/cm3)、X7有机质(%)、X8容重(g/cm3))组成风沙土抗蚀性评价指标体系。

对这些指标进行主成分分析，提取出三个主成分，三个主成分特征值均大于1，且累计贡献率达85.84%，其中Y1贡献率为45.13%，Y2为25.08%，Y3为15.63%，信息损失量为14.16%，符合主成分分析要求，主成分计算结果如表2所示。

表2 土壤综合抗蚀性

如表2可知，不同土地利用方式土壤的综合抗蚀性表现为花生地得分最高(5.30)，其次是樟子松林地(4.33)和荒草地(4.27)，大扁杏林地(果园)(3.51)得分最低，这与其它学者的研究结果不同。张华渝[21]对滇中尖河山流域的土壤抗蚀性研究结果为园地和林地最大，耕地和裸地最小；肖盛杨[22]在喀斯特高原峡谷区的研究结果也是林地最大，耕地最小。造成这种差异的原因可能是其他学者所筛选的影响较大的指标都是土壤的团聚度、团聚状况和分散系数等[31-32]。而通过对风沙土壤综合抗蚀性与抗蚀性指标的相关性分析，得出风沙地与土壤抗蚀性相关性最高的指标为根长密度、根表面积密度和有机质三个指标，由图1可知，花生地由于人工施肥的原因使它的有机质含量远大于其他土地利用方式，充足的有机质含量也导致了根系的生长，使得花生地抗蚀性远高于其它土地利用方式。不同的土地利用方式都表现为表层土抗蚀性最强，这与其它学者[21-22]的研究结果相同，这也是由于表层土壤的有机质含量最高，且表层根系最发达。因此在风沙地中有机质含量成为了植物生长和土壤抗蚀性的主要影响因素。

(三)土壤力学性质分析

许多研究显示，不同的土地利用方式，由于土壤理化性质及根系特征的差异，土壤的抗剪强度也不一致[23]。由图3可知，不同土地利用方式平均土壤粘聚力规律表现为花生地(16.94kpa)>樟子松林地(14.69kpa)>大扁杏林地(果园)(10.48kpa)>荒草地(9.67kpa)，花生地是荒草地的1.75倍，樟子松林地是荒草地的1.52倍，大扁杏林地(果园)与荒草地的粘聚力相近，这与汪三树等[24]的研究结果一致。这是由于花生地和樟子松林地的总根长密度分别是荒草地1.47倍和1.21倍，植物根系的串联作用增加了土壤之间的联结能力，植物根系的抗剪抗拉作用也能增强土体稳定性。土壤内摩擦角反映了土壤的摩阻性质，它取决于土粒间的摩阻力和连锁作用。

图3 土壤抗剪性能

由图3可知，不同土地利用方式土壤随土层深度的增加土壤内摩擦角的变化趋势都不相同，花生地和樟子松林地表现为先减小后增大，荒草地随土层深度的增加内摩擦角逐渐变小，大扁杏林地(果园)随土层深度的增加内摩擦角逐渐变大。不同土地利用方式平均土壤内摩擦角表现为荒草地(27.92°)>花生地(27.82°)>樟子松林地(27.75°)>大扁杏林地(果园)(22.62°)，除大扁杏林地(果园)的内摩擦角较小外，其他土地利用方式的内摩擦角差异不大，原因是大扁杏林地(果园)的土壤含水率远小于其它样地，导致该样地的内摩擦角较小，这与徐宗恒等[25]的研究结果一致。

图4 土壤休止角特征

土壤休止角反映散落土壤的内摩擦特性和散落特性[26]。因此，本实验将风干土样过2mm筛过滤根系等杂质，通过测量不同土地利用方式下土壤的休止角大小，来反映土壤颗粒之间的内在摩擦特性和散落特性。由图4可知，不同土地利用方式土壤随土层深度的增加土壤休止角的变化趋势都不相同：花生地随土层深度的增加表现为先减小后增大；樟子松林地变现为随土层深度的增加呈递增趋势；荒草地随土层深度的增加表现为先增大后减小；大扁杏林地(果园)随土层深度的增加则表现为一直减小的趋势。可见不同土地利用方式不同土层土壤颗粒的内摩擦特性有所不同。花生地和樟子松林地的40cm-60cm层都显著大于0-20cm层和20cm-40cm，荒草地20cm-40cm层显著大于0-20cm层和40cm-60cm层，大扁杏林地(果园)各土层之间的休止角差异性不显著。不同土地利用方式下土壤平均休止角表现为花生地(39.72°)>樟子松林地(38.14°)>荒草地(36.86°)>大扁杏林地(果园)(35.13°)，说明在土壤松散状态下，花生地的土壤间内摩擦力最大；大扁杏林地(果园)的土壤散落性最强，这可能是由于花生地受人工干扰，长期拥有较好的水肥条件，使得花生地的土壤颗粒之间的摩擦力得到增强。

表3 土壤抗蚀性指标与力学性质相关性分析

由表3可知，土壤黏聚力、土壤内摩擦角和土壤休止角与土壤抗蚀性综合得分的相关系数均大于0.75，说明土壤的力学性质也是影响土壤抗蚀性的重要因素，但只有土壤的休止角与土壤抗蚀性成显著的正相关关系，土壤的抗剪性能与土壤抗蚀性的相关性不显著，这是由于土壤抗剪性能受土壤含水率影响较大，张爱国[27]等指出影响水土流失过程中土壤抗剪强度的主导因素是容重、粉/粘、土壤含水量、土壤有机质含量，而风沙地机械组成中主要为砂粒(96.01%)，有机质含量也远低于其他土壤。而含水率对抗剪强度的影响曲线出现“峰值现象”[28]，风沙地的抗剪强度出现峰值的含水率还有待研究，因此使得颗粒与颗粒之间的内摩擦阻力成为了对土壤抗蚀性的主要影响因素。

四、结论

(一)辽西北风沙地不同土地利用方式下的土壤机械组成主要以砂砾为主，不同土地利用方式表层土壤的根长密度皆大于其他土层，有机质含量花生地和大扁杏林地(果园)的0～20 cm层显著高于其他土层，土壤的饱和含水量与毛管持水量随土层深度的增加变化趋势相同。

(二)辽西北风沙地不同土地利用方式下的土壤综合抗蚀性表现为花生地>樟子松林地>荒草地>大扁杏林地(果园)。不同土地利用方式下的土壤抗蚀性随土层深度的增加而减小。

(三)辽西北风沙地不同土地利用方式土壤黏聚力表现为花生地最大，内摩擦角除大扁杏林地(果园)的较小外，其他土地利用方式的内摩擦角差异不大。土壤平均休止角表现为花生地>樟子松林地>荒草地>大扁杏林地(果园)。土壤的力学性质也是影响土壤抗蚀性的重要因素，土壤力学性质指标与土壤抗蚀性之间存在正相关关系，其中土壤休止角与土壤抗蚀性呈显著的正相关关系。