黃土高原水蝕風蝕交錯帶坡耕地土壤風蝕特征

鄧鑫欣， 張加瓊,2， 楊明義,2， 張風寶,2， 劉 章

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 3.包頭稀土研究院, 內蒙古 包頭 014030)

黃土高原水蝕風蝕交錯帶因地形破碎，地面物質組成及土壤侵蝕過程復雜，土地利用類型多樣，地表植被覆蓋度低，風蝕和水蝕交替發生，交錯分布等共同作用，土壤侵蝕劇烈，是黃土高原的強烈侵蝕中心[1]。該區域風蝕主要發生在冬春季節，發生的區域以坡耕地為主。較其他土地利用類型(林地、荒草地等)，耕地地表疏松且覆蓋度低，土壤風力可蝕性高[2]。該區域土壤侵蝕研究集中于土壤水蝕方面，而對于風蝕研究十分有限，現有研究結果顯示該區域坡耕地土壤風蝕和水蝕之比為1∶1.5～1∶2.7[3-4]，風蝕在總侵蝕中占比較低。但是風蝕會帶走表層土壤中的細顆粒，導致地表粗化，養分流失，土地生產力降低，對當地農業的可持續發展造成嚴重威脅[5]，同時還會對下風向區域的大氣、水體、人類健康等造成危害。因此，加強對該地區的土壤風蝕研究是開展區域土壤侵蝕防治的基礎。

目前，黃土高原地區各類作物3月底到5月初種植，8月末到10月初收獲，秋收后到次年耕種前坡耕地常用翻耕和留茬兩種，農田約有6個月的時間處于易被侵蝕狀態，尤其是3月、4月份大風頻發造成嚴重的土壤風蝕。前人的研究表明，留茬能有效削減農田風蝕[6]，且直立殘茬的效果明顯優于平鋪松散殘茬。對不同類型作物殘茬，在相同的側影蓋度(silhouette area index)條件下，小麥類作物留茬風蝕防治效果最佳，玉米類作物留茬效果次之，黃豆類的作物抗蝕防治效果最差[7]。直立殘茬的側影蓋度可用作物莖稈的直徑、高度和密度的乘積表示[8]，為獲得較好的風蝕效果，增加留茬高度效果最為明顯[9]。因此，為有效控制風蝕可以采用作物輪作、套作、增加留茬高度等措施。對北方農牧交錯區，作物秸稈通常是重要燃料和飼料來源，因而確定合理的留茬高度可以協調取暖、畜牧與風蝕防治在秸稈需求上產生的矛盾。

目前，黃土高原水蝕風蝕交錯帶對坡耕地的風蝕研究報道較少，且現有研究主要集中于裸露坡面風蝕速率、風蝕量和風蝕強度的估算[10-12]，而尚未見有關于坡耕地在實施不同耕作措施條件下下風蝕速率空間分布的相關報道。造成該區域土壤風蝕研究薄弱的根本原因一方面是由于風蝕可在任意方向發生，搬運的空間尺度大，同時受土壤水蝕、復雜地形和地面物質組成多樣等因素的影響，定量研究難度大；另一方面現行地表測量技術手段精度有限，且吹蝕和沉降物收集設備效率普遍較差，難以對風蝕準確定量。因而難以評估不同農田管理措施對風蝕的防治效果，不利于制定科學有效的風蝕防治措施。

天然放射性核素7Be在示蹤土壤風蝕上具有獨特優勢，尤其是短期內的土壤風蝕。7Be通過干濕沉降到達地表后[13-15]，迅速被地表土壤顆粒吸附[16-17]，加之其半衰期短僅53.3 d，在土層中向下遷移的深度有限，其主要分布在表層0—20 mm的土壤中，含量隨深度的增加呈指數遞減[18]，這種分布特征為定量示蹤短期內的土壤風蝕提供了準確、便利的方法。此外，研究區干濕季節分明，風季侵蝕性降雨稀少，幾乎無水蝕發生，提供了充足的時間使得風蝕期間7Be在表層土壤中垂直分布形式得以恢復[19]，更加準確計算土壤風蝕。并且，前人的研究驗證了在研究區域7Be示蹤土壤風蝕的適用性[20]，為本研究的開展奠定基礎。因此，本研究利用7Be在示蹤短期土壤風蝕的獨特優勢，利用研究區域干濕季節分明的特征，研究坡耕地留茬和翻耕裸露坡耕地土壤風蝕速率及其空間分布特征，分析不同農田耕作措施下土壤風蝕防治效果，為科學制定坡耕地土壤侵蝕防治措施具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省神木縣六道溝小流域(110°21′—110°23′E，38°46′—38°51′N)。六道溝小流域位于毛烏素沙地和黃土高原的過渡地帶，屬于典型的蓋沙黃土丘陵地貌，是黃土高原水蝕風蝕交錯帶的比較典型的區域(圖1)。該區域地形破碎，風沙地貌和流水侵蝕地貌交錯分布，主要的土地利用類型有耕地6.2%、荒草地24.9%、灌木地21.7%、人工草地33.6%、林地5.0%以及建設用地3.3%[21]。主要種植作物包括玉米、谷子、馬鈴薯以及大豆等[22]。年均氣溫8.9℃，多年平均降水量為422.7 mm(1957—2011年)，降水集中在6—9月份，平均占全年降水量的77.4%，且多以暴雨形式出現[23]。當地主風向為西北，次主風向為東南，東風最弱，夏季多為南風、東南風，冬春兩季多為偏北風[24]。大風日數年均13.5 d，最多達44 d，年均沙塵暴日數11.5 d，最多達22 d，其中大部分(63.0%)發生在4月，而該區農耕地翻耕主要集中在秋收后，導致該地區在大風時期地表裸露風蝕強烈，土壤退化嚴重。

圖1 研究區示意圖

1.2 樣品采集與測試

1.2.1 坡耕地樣品采集 研究區內由于降雨集中且多為暴雨，土壤中的可溶性養分一部分被農作物吸收，一部分被夏秋季雨水沖失掉，導致土壤肥力下降使土壤板結嚴重。因此，大多當地農民在秋收后翻耕土地，少部分地塊余留殘茬。在研究區域內選取4塊平直，坡度類似(均約為6°)，秋收后分別留茬和翻耕的農耕地坡面，標記為A，B，C和D(表1)。2015年5月風季基本結束后沿A，B兩坡面，順坡方向平行等間距(樣線間距6 m)布設樣線三條樣線，采集土壤樣品。A坡在每條樣按10 m間距采集樣品，B坡在每條樣線按8 m間距采樣樣品。2016年5月風季基本結束后按照上述方法在C，D兩坡面采集土壤樣品。C坡樣線間距為15 m，樣點間距為8 m；D坡樣線間距為20 m，樣點間距為4 m。在每個采樣點，使用直徑3 cm的環形采樣器呈品字形采0—20 mm土壤樣品用于7Be含量測定。

表1 采樣地塊基本情況

1.2.27Be背景值樣品采集 2014年風季前(10月上旬)，在樣品采集區附近的背風平坦區域用60 cm的石棉瓦圍取1個2 m×2 m的小區，作為7Be背景值采樣區。去除雜草翻耕整平后，圍封以避免風蝕和人為影響。分別于2015年和2016年5月中旬風季基本結束后采集小區內分層樣和全樣。采樣深度為0—20 mm。全樣使用直徑3 cm的環形采樣器呈“品”字形采5個；層樣以20 mm間距分10層采集一組。層樣采集使用自行設計的上推分層采樣器采集，分層采樣器與Mabit等[25]研究中使用的FISC采樣器類似。

1.2.3 樣品測試分析 所有樣品經烘干，去除雜草和礫石等處理后過1 mm篩，稱量，裝入與標準源相同規格的柱狀塑料盒中(填滿)，使用美國ORTEC公司多道低本底γ能譜儀在477.6 keV狀態下測定，每個樣品的測定時間約為86 400 s，每個7Be樣品的含量都衰變校正到采樣時的含量，用全峰面積法(TPA)求算7Be的比活度。

1.3 土壤風蝕速率計算

本研究使用Yang等[20]通過風洞試驗建立的7Be示蹤土壤風蝕速模型估算土壤風蝕速率。Yang等[18]基于Walling等[23]的水蝕模型，借鑒Walling等[26]的137Cs估算具有分選性的土壤侵蝕速率的模型，提出了考慮顆粒分選作用的7Be風蝕速率估算模型，該模型可以準確估算土壤風蝕速率，并在陜西省神木縣六道溝流域進行野外驗證[18]。對發生風蝕的采樣點，侵蝕速率RBe(kg/m2)估算公式為：

(1)

(2)

式中：RBe為土壤風蝕速率(kg/m2)；So為地表風蝕前土壤的原始比表面積(m2/g)，使用1—2 cm土層的比表面積代替；Se為地表風蝕后土壤的比表面積(m2/g)；P為風蝕相關的顆粒校正系數；h0為張馳質量深度(kg/m2)；Aref為研究區土壤中7Be的背景值(Bq/m2)；ABe為采樣點土壤的7Be的總活度(Bq/m2)；v為常數(風蝕取值為0.75)。

對發生沉積的采樣點，土壤風積速率為：

(3)

根據7Be在土壤剖面中的指數遞減分布特征，沉積點的7Be活度依據Walling公式計算：

(4)

(5)

式中：x為質量深度(kg/m2)；CBe(x)為x處的7Be活度(Bq/kg)；CBe(0)為地表(x=0)的7Be濃度(Bq/kg)。

2 結果與分析

2.1 7Be背景值及其剖面分布

7Be背景值是估算土壤風蝕量的基礎，而7Be在土壤表層的分布是利用7Be示蹤土壤侵蝕的關鍵。在計算表層土壤中7Be濃度隨深度變化趨勢時，為得到較精確的結果，采用質量深度(單位面積內的土壤質量)代替深度，因為在樣品采集過程中面積較深度更容易控制。背景值采樣區7Be的土壤剖面分布顯示7Be含量在土壤表層0—2 mm含量最高且隨采樣深度的增加在土壤中呈指數遞減趨勢(圖2)。該結果與前人研究結果一致[26-27]。2015年和2016年7Be背景值分別為203.80，246.66 Bq/m2。此外，表征7Be土壤剖面分布形式的主要參數張弛質量深度(h0)在2015年、2016年的h0分別為2.45，3.14 kg/m2。

圖2 2015年和2016年風季背景值小區7Be的剖面分布特征

2.2 坡面風蝕速率及其空間分布特征

依據7Be活度的坡面分布，利用風蝕速率估算模型計算結果繪制了風蝕速率等值線圖。整體上看4個坡面上部風蝕速率等值線均較平直，風蝕速率呈現出從坡上至坡下逐漸減少的趨勢，地塊邊緣有沉積現象，留茬地風蝕速率的減緩趨勢要明顯高于翻耕地。無論坡向，留茬地出現等值線閉合的高侵蝕中心和沉積中心(圖3)。前人對裸露坡面的研究結果顯示，風蝕等值線發生形變的主要原因是地表微地貌變化[4,11-12]。本研究中留茬地風蝕速率等值線形變較裸地更大，表明作物殘茬有進一步改變地表微地貌，進而改變風蝕速率空間分布的作用。對迎風坡翻耕裸地，由于地表沒有任何覆蓋，風蝕速率等值線圖能更為直觀地展示可蝕性風的作用效果。風蝕速率等值線與坡向基本垂直表明當地主導風向為北風，與前人所得結論相同[10]。

圖3 不同管理措施及坡向下風蝕速率等值線(坡度均約為6°)

本研究坡耕地的風蝕速率總體范圍為-1 399.5～1 765.4 t/(km2·a)，其平均值為312.43 t/(km2·a)(表2)。然而，不同坡向、耕作方式條件下，土壤風蝕速率均存在巨大差異。在坡向相同條件下，留茬可顯著減少坡面風蝕速率(p<0.05)，在迎風坡，留茬地比翻耕地減小了50.1%的風蝕量，在背風坡其值降低更為明顯，高達15.7倍(表2)。在耕作方式相同條件下，迎風坡風蝕速率顯著高于背風坡(p<0.05)。無論采用何種耕作措施，背風坡的風蝕速率均遠遠小于迎風坡面。可見，在研究區采取保護性耕作措施，尤其是在迎風坡面，對有效控制土壤風蝕十分必要。

表2 坡向及耕作方式對坡耕地土壤風蝕的影響

3 討 論

農田土壤風蝕防治主要利用某些因素的有利性及可控性，使農田土壤風蝕降低到最小程度。許多學者[3-11,28-29]從這一角度出發，進行了大量的野外觀測及風洞試驗研究，結果表明保護性耕作措施可以有效降低農田土壤風蝕。現行的保護性耕作措施中，留茬是一種有效且成本較低的風蝕防治手段，因而在農耕區，尤其是生態環境脆弱的區域被廣泛應用。本研究結果表明，在任何坡向條件下，留茬均能顯著減小土壤風蝕(p<0.05)，在迎風坡，留茬地的風蝕速率僅為裸地的一半；而在背風坡條件下，由于避開了主風向大風對坡面的直接吹蝕，加之留茬對表層土壤的防護，而其余次風向風力不足難以對留茬坡面產生較大侵蝕，因此風蝕速率的影響最為顯著，較背風坡面翻耕地風蝕速率減少了15.7倍。可見，無論坡面坡向，留茬均可以通過地上部分削減近地表風力，加之地下根系固結土壤，增加土壤內部的凝聚力，從而能增加土壤本身抵抗風蝕的能力，降低坡面風蝕[28-29]。

在相同坡向條件下，與裸露坡面相比，留茬坡面風蝕速率等值線均出現明顯變形，很多地方出現等值線閉合區域，且閉合區域風蝕速率較高。此外，留茬也引起坡面兩側出現少量的沉積。由此可見，與裸露坡面相比，留茬在降低近地表風速的同時也能改變坡面近地表風的分布，增加坡面風蝕速率空間分布的復雜性，即既存在吹蝕又存在沉積。留茬可能導致在坡面某些部位形成渦流從而改變風蝕速率。因此，在風蝕水蝕交錯帶農田管理過程中應該套種不同種類的作物以提高作物殘茬密度，從而減少風蝕速率，保護農田的肥力。對翻耕裸露耕地，迎風面坡翻耕地風蝕速率比背風坡高且等值線變形程度較小，從坡上到坡下風蝕速率呈遞減趨勢，整個坡面無沉積出現。其主要受地形的影響，迎風坡在主風向(北風及西北風)的影響下，風蝕劇烈，風蝕速率空間分布變異較小，等值線變形較小；而背風坡氣流擴散導致風速減小并形成渦流，流場分布復雜，風蝕速率空間分布變異較大[30]。該結果表明，留茬雖能降低坡面總風蝕速率，但增加了坡面風蝕速率空間分布的復雜性，現行所采用的留茬方式未能改善坡面上部風蝕速率較大的現象，反而使得坡面下部出現與坡面頂部相似風蝕速率較高的情況。可見，在水蝕風蝕交錯帶利用坡耕地留茬方式來防治風蝕時，風蝕速率空間分布的復雜性也是不可忽略的，尤其需注重坡面上部及下部的多重防護。此外，在相同耕作措施下，背風坡的風蝕量均遠遠小于迎風坡面，即使在留茬條件下也不能弱化坡向對土壤風蝕的影響。因此，在研究區域采取保護性耕作措施，對有效控制土壤風蝕十分必要，尤其是在背風坡面留茬的效果最顯著。基于研究區域大風頻發，沙塵活動最活躍的時節主要集中在4月，因而，無論在迎風坡還是背風坡的區域內，采取秋收后先不翻耕盡量留茬，待農地播種時(一般為5月初)再進行翻耕。另外為獲得較好的風蝕控制效果，建議農耕地選在背風坡面較好，同時考慮不同作物殘茬的特性，尤其在風蝕較嚴重的迎風坡面，取小麥種植為主或采取小麥與玉米間作的方式。

4 結 論

利用7Be示蹤技術在黃土高原水蝕風蝕交錯帶研究了位于不同坡向坡面坡耕地在采取秋耕裸露和秋耕留茬兩種耕作條件下的風蝕速率及其空間分布特征。結果顯示，同一坡向條件下留茬可以明顯減小土壤風蝕速率；相同管理方式下，迎風坡坡面風蝕速率高于背風坡，坡面上部風蝕速率均較嚴重。風蝕速率等值線圖可用于分析風蝕速率的空間分布特征。留茬坡面風蝕速率分布變化較翻耕裸露坡面大。此外，與裸露地坡面相比，留茬坡面兩側出現沉積，而在迎風坡條件下無沉積出現。建議秋收后先不要翻耕盡量留茬，待風季后進行耕種時再進行翻耕，以有效控制坡耕地土壤風蝕。