辽西北水蚀风蚀交错区不同土地利用类型土壤抗冲性特征

吕 刚，吕金昊，翟景轩，张 卓，王锋佰，金兆梁，郑 洋

（1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000；2.国有彰武县章古台林场，辽宁彰武123203；3.辽宁省沙地治理与利用研究所，辽宁彰武123203）

土壤抗冲性是土壤抵御径流对其机械破坏和推动下移的能力，是评定土壤抗侵蚀能力的重要参数，最能体现区域水土流失过程和规律的指标[1]。以往关于土壤抗冲性能及影响因素的研究多集中在黄土高原[2-5]、黄土丘陵沟壑区[6-14]、紫色土丘陵区[15-19]、矿区[20-25]、喀斯特地区[26]和红壤区[27]。而关于风沙区土壤抗冲性的研究鲜见，肖俊波等[28]研究了内蒙古耕地风沙土冻融循环对土壤物理性质及抗冲性的影响，认为冻融循环会降低风沙土土壤抗冲性。李强等[29]研究了植物根系对黄土风沙区土壤抗冲性的影响，结果表明植物根系能够显著强化土壤抗冲性，且根表面积密度可较好地反映根系固土效应。屈东旭等[30-31]从风沙土不同林草措施下的土壤抗冲性及其与根系、土壤物理性质的关系进行了初步研究，得出林地土壤抗冲性最强，其次是草地，农地最差。

科尔沁沙地是我国四大沙地之一，位于生态环境脆弱且敏感的农牧交错区，属于典型的水蚀风蚀交错区。作为辽西北地区独特的区域，具有气候变化剧烈、植被稀疏、水土流失严重等特点，同时加上该区域人口加剧、过度放牧及不合理的土地利用，目前该地区已经成为我国土地沙化迅速发展的地区之一[32]。辽西北风沙地位于科尔沁沙地南缘，植被稀疏，降雨量少且集中，风沙土结构松散、贫瘠、固结性差、易流动，风力侵蚀较为严重，特别是覆沙的耕地坡面在雨滴打击及地表径流冲刷作用下易发生水土流失，使得该区成为水力侵蚀和风力侵蚀交错的特殊区域，生态环境十分脆弱[31]。以往对科尔沁沙地的研究多集中于风沙土的风力侵蚀、沙地演替与植被恢复等方面[33]，对于水力侵蚀的研究较少。水力侵蚀是水土流失中最重要的侵蚀方式之一，而土壤抗冲性研究则是水力侵蚀机理研究中的热点和难点[34]。因此，加强辽西北水蚀风蚀交错区土壤侵蚀特征研究十分必要。本研究以辽西北风沙地为研究对象，研究不同土地利用类型下土壤冲刷过程径流含沙量的动态变化、土壤抗冲性指数的变化、不同坡位土壤抗冲性的差异性，以期为该区的水土流失防治与土地利用结构调整提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省阜新市彰武县境内，属科尔沁沙地东南部边缘，是西辽河平原的边缘地带，平均海拔高度345m，年平均气温6.82℃，极端最低气温-33.4℃，极端最高气温43.2℃，平均气温变化幅度在4.9～6.7℃，平均空气湿度60.4%，年均降水量450mm，年均蒸发量为1590mm，年均风速3.33m·s-1，无霜期145～150d，是典型的北方风沙半干旱地区。土壤属于风沙土，土壤侵蚀模数为3455t·km2·a-1[31]。植被属蒙古植被区系西辽河小区，以抗旱性较强的沙生植物为主。代表性植物有樟子松（Pinus sylvestrisvar）、杨树（PopulusL.）、山杏[Armeniaca sibirica(L.)Lam]、色木槭（Acer mono）、山里红（Crataegus pinnatifida）、家榆（Ulmus pumila）、大果榆（Ulmus macrocarpa）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、中华隐子草（Cleistogenes chinensis）等。

研究地点位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验站内，于2018 年7～9 月选取樟子松林地、杨树林地、灌木（山杏林地）、花生地、荒草地和裸沙地共计6 种土地利用类型，并在每种土地利用类型内分别布设30m×10m的标准样地，样地基本信息见表1。

表1 样地基本信息Table 1 Information of sample plot

1.2 方法

1.2.1 土样采集与指标测定 在每种土地利用类型的标准样地内选取一典型沙丘坡面，并沿坡面自上而下划分为坡顶、坡上、坡中、坡下、丘间低地共5个坡位，每个坡位沿水平方向布设3个采样点，样点间距1.0～1.5m，采用自制的白钢原状土取样器（规格10cm×10cm×20cm）在每个样点取表层（0～10cm）原状土样，共计90个原状土样用于土壤冲刷试验，并在每个样点取圆形环刀样品（环刀容积为100cm3）和铝盒样品用于测定土壤物理性质，同时用塑料袋取2～3kg土样用于测定土壤机械组成。在乔木林地、灌木林地采集表层土样时，先将0～3cm未腐烂的枯枝落叶层清除，自3～13 cm深度取土。在荒草地，首先用剪子将草茎剪去，将上边厚约1cm的土皮铲掉，自1～11cm深度取土。在花生地，自表层取样深度为0～10cm。取样时，用皮锤将白钢原状土取样器顺坡垂直钉入。然后，铲掉取样器周边土壤，将取样器完整取出，用铲刀沿取样器底部将土样削平后盖上上下盖。土壤毛管持水量和土壤容重的测定采用环刀法[35]。土壤机械组成是依照美国制土壤粒级分类标准，划分为砂粒(＞0.020～2.000mm)、粉粒 (＞0.002～0.020mm)、黏粒(≤0.002mm)采用激光粒度仪测定。土壤物理性质见表2。

表2 土壤物理性质Table 2 Soil physical properties

1.2.2 原状土冲刷试验 采用原状土冲刷水槽法，将原有冲刷槽进行改进设计，增加容积为5L的静水室，以保证水流稳定从静水室流出（图1），使径流稳定。取样器尺寸为10cm×10cm×20cm[5]。原状土取回后，将取样器置于水盘内，向水盘内注水，浸水24h，使其达到毛管水饱和。然后，将饱和的原状土轻轻置于铁架台上8h去除土壤重力水后进行抗冲试验，试验冲刷坡度为15°，设置冲刷流量为2L·min-1，冲刷时从冲刷槽的出口产流开始计时，每1min采用塑料桶量取1次径流泥沙样，冲刷10min（预试验表明此时间径流输沙量可达到稳定状态），共取10次样。冲刷结束后采用量筒测定各个桶内的径流泥沙量，然后将塑料桶静置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上层清液，剩余泥水样转移至铁盒内，置于烘箱中105℃烘干8h后测定泥沙干质量（g）。

土壤抗冲性指数指每冲刷掉1g的烘干土所需水量，用ANS表示（L·g-1），ANS愈大，土壤的抗冲性愈强。

式中：f为冲刷流量（L·min-1）；t为冲刷时间（min）；W为烘干泥沙质量（g）。

图1 自制土壤抗冲槽Figure 1 Self-made soil anti-scouring trough

1.2.3 数据处理 运用Excel和Origin 9.0软件进行经验方程拟合及处理。通过SPSS 21.0对数据进行相关性分析、回归性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤冲刷过程分析

土壤冲刷过程中径流含沙量变化可反映出在径流作用下土壤抗冲性能随时间变化的特点[31]。由图2 可知，在产流0～4min 内，不同土地利用类型下土壤冲刷过程中径流含沙量均较大，这是因为在径流初期，地表土壤含水率低，且质地较为松散，土壤颗粒在水流作用下更易于被搬运。在4min以后，樟子松林地、杨树林地、灌木林地、花生地的径流含沙量均呈现降低趋势，并趋于稳定。荒草地在5～6min径流含沙量急剧降低，这可能是因为荒草地表层根系固土能力在水流冲刷下瞬间降低所致。裸沙地在冲刷前期土壤含水率较低，随着冲刷的不断进行，土壤含水率和土壤饱和度增大，土壤颗粒被分散，导致裸沙地初期径流含沙量较大，随后呈现减小再趋于稳定的变化趋势。试验结束后不同土地利用类型土壤冲刷径流含沙总量依次为：花生地（398.28g）＞裸沙地（374.64g）＞荒草地（342.23g）＞灌木林地（243.77g）＞樟子松林地（165.35g）＞杨树林地（159.91g）。总体表现为林地和草地的土壤冲刷径流含沙总量低于耕地和裸地，说明林地和草地的水土保持效果较好，这主要与其根系固持土体和改良土壤特性有关。在整个径流过程中花生地的土壤冲刷径流含沙总量比裸沙地高，这是因为花生地的种植，特别是收获是将根部全部拔起，对土壤的扰动程度最大，土壤结构破坏最严重，更容易被水冲刷，这是导致其抗冲性弱的主要原因[30]。

2.2 土壤抗冲性指数动态变化特征

随着时间的增加，不同土地利用类型土壤抗冲性指数逐渐上升，其中以荒草地上升速度最快（图3）。在冲刷时间10 min、径流含沙量相对稳定时，土壤抗冲性指数表现为：樟子松林地（1.68L·min·g-1）＞杨树林地（1.64L·min·g-1）＞荒草地（1.51L·min·g-1）＞灌木林地（1.29L·min·g-1）＞花生地（0.79L·min·g-1）＞裸沙地（0.78L·min·g-1）。杨树林地土壤抗冲性略强于樟子松林地，可能是因为杨树属于阔叶树种，而樟子松属于针叶树种，地表枯落物较杨树林地低，进而在改善表层土壤粘结特性方面能力较弱所致。灌木林地（山杏）因其人为除草等原因使得其土壤抗冲指数低于荒草地。

不同土地利用类型土壤抗冲指数与时间之间存在显著的二次多项式回归关系，土壤抗冲指数ANS随时间的变化规律服从方程：ANS=ax2+bx+c，式中a、b、c为常数。不同土地利用类型土壤抗冲指数与时间的关系见表3。

图2 不同土地利用类型土壤冲刷过程比较Figure 2 Comparison of scouring processes of different land use types

图3 不同土地利用类型土壤抗冲指数动态变化特征Figure 3 Dynamic characteristics of soil anti-scouring index under different land use types

表3 土壤抗冲指数与时间的方程Table 3 Equation of soil anti-scouring index and time

2.3 坡位对土壤抗冲性的影响

由图4可知，樟子松林地在丘间低地处土壤抗冲性指数最高，从坡顶到丘间低地，土壤抗冲性呈增长趋势。杨树林地抗冲性呈U字变化，坡顶与丘间低地的土壤抗冲性指数最大，但无显著差异。灌木林地丘间低地抗冲性大于坡顶，但在坡中处抗冲性最好。花生地在坡中处土壤抗冲性最好，并远大于其他坡位。荒草地在丘间低地处土壤抗冲性最好。裸沙地的抗冲性呈U字变化，在坡顶处土壤抗冲性最好。由此可知，土壤侵蚀强度在坡面不同部位差异明显，这与不同坡位土壤结构和土壤抗侵蚀能力有关。虽然樟子松林地与杨树林地的土壤抗冲性变化不同，但各个坡位的土壤抗冲性指数均普遍高于其他样地。灌木林地与花生地坡中抗冲性指数均高于其他坡位，这可能是因为坡顶、坡上植被覆盖度不如坡中、坡下、丘间低地高，太阳辐射强度较大，蒸发作用较为显著，而且坡中地势相对较为平缓，植被覆盖度较高，坡面水分易于保持，从而根系更为发达，土壤抗冲性更好。但由于花生地受人为扰动较大，除坡中外，其他坡位抗冲性较弱。荒草地与裸沙地由于地表土壤结构松散，缺少根系的固持，坡面顶部土壤受降雨溅蚀作用，坡面上部和中部土壤除发生溅蚀外，还受径流侵蚀，以侵蚀—搬运过程为主，坡面中部往往遭受侵蚀一搬运作用更大，坡面下部地势低而缓则易发生泥沙沉积。从而各个坡位的抗冲性指数都普遍低于其他样地。

坡顶处不同土地利用类型平均土壤抗冲性指数为0.91L·min·g-1，其数值较小（图5）。坡上、坡中、坡下土壤抗冲性指数依次为0.88L·min·g-1、1.07L·min·g-1、0.93L·min·g-1，表现为先增大后减小，坡中位置土壤抗冲性指数偏大。丘间低地土壤抗冲性最强，土壤抗冲性指数为1.09L·min·g-1，这是由于低洼处是水流和上方侵蚀泥沙淤积地，土壤结构性较好，进而提高土壤抗侵蚀能力。土壤抗冲性指数随坡位下降而增大，并呈显著线性正相关。

图4 不同坡位下的土壤抗冲性指数Figure 4 Soil anti-scouring indexes at different slope positions

图5 土壤抗冲性指数随坡位变化Figure 5 Soil anti-scouring index with the change of slope position

3 讨论与结论

在不同土地利用类型土壤冲刷过程中，初始径流含沙量较大，随后樟子松林地、杨树林地、荒草地、灌木林地、花生地径流含沙量逐渐降低，并趋于稳定。裸沙地在冲刷4～6min 径流含沙量呈增大趋势，随后趋于稳定。土壤抗冲性指数随时间的变化符合二次多项式ANS=at2+bt+c。随着时间的增加，不同土地利用类型土壤抗冲指数逐渐增强，其中樟子松林地和杨树林地抗冲性指数较为相近，花生地和裸沙地较为相近。花生地和裸沙地抗冲指数上升速度最慢，抗冲性能相对较差。樟子松林地抗冲性最强。杨树林地在坡顶和坡上的抗冲性较其他土地利用类型高，樟子松林地在坡中、坡下和丘间低地的抗冲性好。综合考虑生物多样性和经济效益，在坡顶、坡上处种植杨树，在坡中种植花生，在坡下自然恢复荒草，在丘间低地种植樟子松或者灌木林地。

本研究初步研究了辽西北水蚀风蚀交错区土壤抗冲性随时间的变化特征，结果表明土壤抗冲性指数与时间呈二次多项式关系，这与郭明明等[9,20]研究结果相一致。不同土地利用类型和坡位的土壤抗冲性存在差异，植被措施可以有效提高土壤抗冲性，且以林地效果最佳，这与陈晏等[17]研究结果一致。本试验初步研究了不同土地利用类型土壤抗冲性，但并未涉及土壤抗冲性影响因素及其影响程度等方面的研究，今后应加强这方面的研究。